Como Criar um Design de PCB para Transformador Planar

Imagem de banner: A indutância e a capacitância de um transformador planar podem ser extraídas de um arquivo ECAD usando o software COMSOL. Crédito da imagem: COMSOL.

De longe, o componente through-hole mais volumoso que você pode colocar em sua PCB é um transformador. Os únicos componentes comparavelmente grandes que consigo pensar no momento são grandes capacitores de alta tensão, indutores enrolados em fio, alguns conectores e dissipadores de calor. Mesmo os transformadores pequenos ocupam mais espaço do que a maioria dos circuitos integrados, e os projetistas de sistemas de energia precisam considerar cuidadosamente o tamanho desses componentes ao criar um layout de PCB.

Transformadores montáveis em through-hole podem ficar muito altos na PCB, então ajuda ter uma alternativa que tenha um perfil baixo. Um transformador planar é uma opção que pode ser montada em through-hole na placa, ou pode ser integrado diretamente em sua PCB. Ambas as opções oferecem um transformador de baixo perfil que pode lidar com uma gama de valores de corrente. Aqui está como você pode criar um layout de PCB para um transformador planar.

O que é um Transformador Planar?

Um transformador planar utiliza enrolamentos planos que podem ser colocados diretamente em uma PCB. Isso contrasta com um transformador toroidal, transformador de núcleo laminado ou outros transformadores comuns, onde o fio de cobre é usado para formar os enrolamentos ao redor do núcleo do transformador. Usar uma PCB com trilhas para formar os enrolamentos cria o fator de forma planar. Graças ao fator de forma e aos materiais usados no transformador, ele tem algumas vantagens em comparação com outros transformadores:

• Perfil baixo. Esses transformadores não são tão altos quanto outros transformadores com especificações semelhantes. Isso pode proporcionar um design elegante para invólucros finos.
• Alta dissipação de calor. Ter um perfil baixo espalha o transformador por uma área maior. Embora isso signifique que o transformador ocupa mais espaço na placa, mais calor pode ser dissipado do transformador durante a operação.
• Alta eficiência. O design compacto desses transformadores reduz a indutância de fuga, então os transformadores planares têm uma eficiência muito alta. Valores típicos ultrapassam 99%.
• Baixa capacitância parasita intra-enrolamento. A capacitânciaparasita dentro de um enrolamento pode ser bastante baixa ao colocar as entradas e saídas distantes uma da outra na placa.

Existem também algumas compensações a considerar se você está projetando um transformador planar personalizado, ou se deseja integrar um transformador planar ao layout de sua PCB:

• Capacidade de corrente limitada. Como trilhas planares são usadas para formar enrolamentos, elas precisam ser projetadas para garantir um aumento de temperatura suficientemente baixo. Um limite de corrente alto significa que o transformador precisa ser projetado para ocupar mais espaço na placa. Dê uma olhada nas normas IPC-2152 para mais informações.
• Relação de voltas limitada. Os requisitos de largura de trilha para diferentes classificações de corrente e qualquer limite que você possa precisar no tamanho da pegada podem limitar o número de voltas que você pode colocar na PCB.
• Maior investimento em ferramental. Transformadores padrão usam materiais prontamente disponíveis, enquanto um transformador planar requer que o componente passe pelo processo padrão de fabricação de PCB.
• Alta capacitância parasita entre enrolamentos. A capacitância parasita entre enrolamentos pode ser bastante alta devido ao arranjo das bobinas em diferentes camadas da PCB.

Projetando um Transformador Planar em um Layout de PCB

Como foi mencionado acima, existem duas maneiras de construir um transformador planar: como seu próprio componente ou integrado a um layout de PCB maior. Ambos os tipos de transformador planar seguem o mesmo processo. O layout de exemplo abaixo mostra como um transformador planar é formado ao envolver o material do núcleo do transformador ao redor do layout do PCB usando recortes. Os dois lados do núcleo podem ser parafusados juntos ou fixados com um pequeno clipe, como mostrado acima.

No design de exemplo abaixo, as trilhas em cada camada são roteadas na forma desejada das bobinas, bem como os portos de entrada/saída para cada enrolamento. Você pode facilmente colocar múltiplos enrolamentos primários/secundários no layout. Embora isso normalmente seja feito em seu próprio componente, você também poderia fazer isso na mesma placa que o restante dos seus componentes, o que lhe dá um pacote totalmente integrado.

Além dos pontos mencionados acima, preste atenção nestes dois pontos ao projetar um transformador planar:

• Empilhamento de camadas. Você também precisa selecionar a espessura do dielétrico apropriada entre no empilhamento da placa. A espessura do dielétrico determina a capacitância parasita entre os enrolamentos, a tensão máxima (devido à ruptura) e quão rápido o calor pode ser dissipado.
• Frequência.Transformadores planares são normalmente usados com frequências de ~kHz. Para prevenir a fuga capacitiva através das bobinas, ou entre planos próximos às bobinas do transformador, a capacitância não pode ser muito grande.

Existe um equilíbrio delicado envolvido no projeto desses componentes. Não podemos fazer a corrente muito grande, pois isso requer trilhas mais largas; isso então aumenta o acoplamento capacitivo, o que limita a frequência utilizável. Também não podemos ter valores de redução muito grandes; transformadores planares comerciais podem ter uma relação de voltas de ~6:1, embora a indutância possa ser bastante alta e alcançar níveis de até ~1 mH.

O traçado das bobinas de traço com forma curva ou outra geometria requer roteamento de arco ou roteamento em qualquer ângulo para posicionar as trilhas de PCB com precisão. Depois, há a questão da dissipação de calor do transformador voltando para o substrato. Há muito a considerar ao projetar esses componentes, mas você pode realizar o trabalho com as ferramentas de design de PCB certas.

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