Как создать печатную плату с планарным трансформатором

Изображение для баннера: Индуктивность и ёмкость планарного трансформатора могут быть извлечены из файла ECAD с использованием программного обеспечения COMSOL. Кредит изображения: COMSOL.

Безусловно, самым громоздким сквозным компонентом, который вы можете разместить на своей печатной плате, является трансформатор. Единственные сопоставимо крупные компоненты, о которых я могу подумать на данный момент, это большие высоковольтные конденсаторы, проволочные индуктивности, некоторые соединители и радиаторы. Даже маленькие трансформаторы занимают больше места, чем большинство интегральных схем, и разработчики систем питания должны тщательно учитывать размер этих компонентов при создании макета печатной платы.

Трансформаторы с монтажом через отверстие могут быть очень высокими на печатной плате, поэтому полезно иметь альтернативу с низким профилем. Одним из вариантов может быть планарный трансформатор, который может быть установлен через отверстие на плате или интегрирован непосредственно в вашу печатную плату. Оба варианта предлагают вам трансформатор с низким профилем трансформатор, который может работать с различными значениями тока. Вот как вы можете создать макет печатной платы с планарным трансформатором.

Что такое планарный трансформатор?

Планарный трансформатор использует плоские обмотки, которые могут быть размещены непосредственно на печатной плате (PCB). В отличие от тороидального трансформатора, трансформатора с ламинированным сердечником или других распространенных трансформаторов, где для формирования обмоток вокруг сердечника трансформатора используется медный провод. Использование PCB с дорожками для формирования обмоток создает планарную форму. Благодаря форм-фактору и материалам, используемым в трансформаторе, он имеет ряд преимуществ по сравнению с другими трансформаторами:

• Низкий профиль. Эти трансформаторы не так высоки, как другие трансформаторы с аналогичными характеристиками. Это может обеспечить элегантный дизайн для тонких корпусов.
• Высокая теплоотдача. Низкий профиль распределяет трансформатор на более широкой площади. Хотя это означает, что трансформатор занимает больше места на плате, во время работы от трансформатора может рассеиваться больше тепла.
• Высокая эффективность. Компактный дизайн этих трансформаторов снижает утечку индуктивности, поэтому планарные трансформаторы обладают очень высокой эффективностью. Типичные значения превышают 99%.
• Низкая паразитная внутриобмоточная емкость. Паразитную емкость внутри обмотки можно сделать довольно низкой, разместив входы и выходы далеко друг от друга на плате.

Также стоит учитывать некоторые компромиссы, если вы разрабатываете пользовательский планарный трансформатор или хотите интегрировать планарный трансформатор в вашу компоновку печатной платы:

• Ограниченная токовая способность. Поскольку для формирования обмоток используются планарные дорожки, их необходимо разрабатывать так, чтобы обеспечить достаточно низкий подъем температуры. Высокий предел тока означает, что трансформатор нужно разрабатывать с учетом большего пространства на плате. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с стандартами IPC-2152.
• Ограниченное соотношение витков. Требования к ширине дорожек для различных номиналов тока и любые ограничения, которые могут потребоваться по размеру отпечатка, могут ограничить количество витков, которые вы можете разместить на печатной плате.
• Большие инвестиции в инструментарий. Стандартные трансформаторы используют легкодоступные материалы, в то время как для планарного трансформатора требуется проведение компонента через стандартный процесс изготовления печатных плат.
• Высокая паразитная межобмоточная емкость. Паразитная емкость между обмотками может быть довольно высокой из-за расположения катушек на разных слоях печатной платы.

Разработка планарного трансформатора в компоновке печатной платы

Как было упомянуто выше, существует два способа создания планарного трансформатора: как отдельный компонент или интегрированный в более крупную плату PCB. Оба типа планарных трансформаторов следуют одному и тому же процессу. Пример расположения ниже показывает, как планарный трансформатор формируется путем оборачивания материала сердечника трансформатора вокруг платы PCB с использованием вырезов. Две стороны сердечника могут быть скреплены вместе или закреплены маленькой скобой, как показано выше.

В приведенном ниже примере дизайна дорожки на каждом слое прокладываются в желаемой форме катушек, а также входные/выходные порты для каждой обмотки. Вы можете легко разместить несколько первичных/вторичных обмоток на плате. Хотя это обычно делается на отдельном компоненте, вы также можете сделать это на той же плате, что и остальные ваши компоненты, что дает вам полностью интегрированный пакет.

В дополнение к упомянутым выше пунктам, обратите внимание на эти два момента при проектировании планарного трансформатора:

• Слоистая структура. Вам также необходимо выбрать подходящую толщину диэлектрика между слоями в структуре платы. Толщина диэлектрика определяет паразитную емкость между обмотками, максимальное напряжение (из-за пробоя) и скорость рассеивания тепла.
• Частота.Планарные трансформаторы обычно используются на частотах порядка кГц. Чтобы предотвратить емкостные утечки между обмотками или между плоскостями вблизи катушек трансформатора, емкость не должна быть слишком большой.

В проектировании этих компонентов существует тонкий баланс. Мы не можем сделать ток слишком большим, так как это требует более широких дорожек; это, в свою очередь, увеличивает емкостную связь, что ограничивает используемую частоту. Также мы не можем иметь большие значения понижения; коммерческие планарные трансформаторы могут иметь соотношение витков около 6:1, хотя индуктивность может быть довольно высокой и достигать уровней до ~1 мГн.

Прокладка дорожек обмоток с изогнутой формой или другой геометрией требует дуговой прокладки или прокладки под любым углом для точного размещения дорожек на печатной плате. Затем возникает вопрос о рассеивании тепла от трансформатора обратно в подложку. При проектировании этих компонентов есть много нюансов, но с правильными инструментами для проектирования печатных плат вы можете справиться с этой задачей.

Если вы хотите разместить планарный трансформатор на плате печатной схемы, попробуйте использовать полный набор инструментов CAD в Altium Designer. Инструменты для размещения, трассировки и производства идеально подходят для создания сложных проектов, включая проекты с планарными трансформаторами. Когда вы закончите свой проект и захотите поделиться им, платформа Altium 365 упрощает совместную работу с другими дизайнерами.

Мы только коснулись поверхности того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365. Вы можете проверить страницу продукта для более подробного описания функций или один из Вебинаров по запросу.