Cách Tạo Thiết Kế PCB Cho Biến Áp Dẳng Phẳng

Hình ảnh tiêu đề: Độ tự cảm và dung lượng của một biến áp phẳng có thể được trích xuất từ tệp ECAD sử dụng phần mềm COMSOL. Tín dụng hình ảnh: COMSOL.

Đến nay, thành phần thông qua lỗ cồng kềnh nhất mà bạn có thể đặt trên PCB của mình là một biến áp. Những thành phần lớn có thể so sánh mà tôi có thể nghĩ đến vào lúc này là các tụ điện cao áp lớn, cuộn cảm quấn dây, một số loại kết nối, và tản nhiệt. Ngay cả những biến áp nhỏ cũng chiếm nhiều không gian hơn đa số các mạch tích hợp, và những người thiết kế hệ thống điện cần phải cân nhắc kỹ lưỡng về kích thước của những thành phần này khi tạo bố cục PCB.

Biến áp có thể lắp qua lỗ có thể đứng rất cao trên PCB, vì vậy việc có một lựa chọn thay thế có hồ sơ thấp là hữu ích. Một biến áp phẳng là một lựa chọn có thể được lắp qua lỗ vào bảng mạch, hoặc nó có thể được tích hợp trực tiếp vào PCB của bạn. Cả hai lựa chọn đều cung cấp cho bạn một biến áp hồ sơ thấp có thể xử lý một loạt các giá trị dòng điện. Dưới đây là cách bạn có thể tạo bố cục PCB cho biến áp phẳng.

Biến áp phẳng là gì?

Một biến áp phẳng sử dụng các cuộn dây phẳng có thể được đặt trực tiếp trên một PCB. Điều này trái ngược với biến áp toroidal, biến áp lõi lớp, hoặc các loại biến áp phổ biến khác, nơi dây đồng được sử dụng để tạo các cuộn dây xung quanh lõi biến áp. Việc sử dụng PCB với các đường dẫn để tạo ra các cuộn dây tạo nên hình dạng phẳng. Nhờ vào hình dạng và vật liệu sử dụng trong biến áp, nó có một số ưu điểm so với các loại biến áp khác:

• Thấp gọn. Các biến áp này không cao như các biến áp khác với thông số kỹ thuật tương tự. Điều này có thể tạo ra một thiết kế mảnh mai cho các vỏ máy mỏng.
• Khả năng tản nhiệt cao. Việc có hình dạng thấp giúp phân tán biến áp trên một diện tích rộng hơn. Mặc dù điều này có nghĩa là biến áp chiếm nhiều không gian trên bảng mạch hơn, nhưng nhiều nhiệt có thể được tản ra từ biến áp trong quá trình hoạt động.
• Hiệu suất cao. Thiết kế gọn gàng của các biến áp này giảm thiểu sự rò rỉ cảm ứng, vì vậy biến áp phẳng có hiệu suất rất cao. Các giá trị điển hình vượt quá 99%.
• Điện dung lạc đường giữa các cuộn dây thấp. Điện dung lạc đườngtrong một cuộn dây có thể được giảm thiểu đáng kể bằng cách đặt các đầu vào và ra xa nhau trên bảng mạch.

Cũng có một số sự đánh đổi cần xem xét nếu bạn đang thiết kế một biến áp phẳng tùy chỉnh, hoặc bạn muốn tích hợp một biến áp phẳng vào bố cục PCB của mình:

• Khả năng chịu dòng điện hạn chế. Vì các dấu vết phẳng được sử dụng để tạo ra các cuộn dây, chúng cần được thiết kế để đảm bảo tăng nhiệt độ thấp đủ. Giới hạn dòng điện cao có nghĩa là biến áp cần được thiết kế để có nhiều không gian trên bảng mạch hơn. Hãy xem qua tiêu chuẩn IPC-2152 để biết thêm thông tin.
• Tỷ lệ vòng quay hạn chế. Yêu cầu về độ rộng dấu vết cho các xếp hạng dòng điện khác nhau và bất kỳ giới hạn nào bạn có thể cần về kích thước dấu chân có thể hạn chế số vòng bạn có thể đặt trên PCB.
• Đầu tư công cụ cao hơn. Các biến áp tiêu chuẩn sử dụng các vật liệu có sẵn, trong khi một biến áp phẳng yêu cầu đưa linh kiện qua quy trình sản xuất PCB tiêu chuẩn.
• Điện dung lạc đường giữa các cuộn dây cao. Điện dung lạc đường giữa các cuộn dây có thể khá cao do sắp xếp các cuộn dây trên các lớp khác nhau của PCB.

Thiết kế một Biến Áp Phẳng trong Bố Cục PCB

Như đã đề cập ở trên, có hai cách để xây dựng một biến áp phẳng: như một linh kiện riêng lẻ hoặc tích hợp vào bố cục PCB lớn hơn. Cả hai loại biến áp phẳng đều tuân theo cùng một quy trình. Bố cục ví dụ dưới đây cho thấy cách một biến áp phẳng được hình thành bằng cách quấn vật liệu lõi biến áp quanh bố cục PCB sử dụng các khoảng cắt. Hai bên của lõi có thể được vít lại với nhau hoặc được cố định bằng một kẹp nhỏ, như đã được hiển thị ở trên.

Trong thiết kế ví dụ dưới đây, các đường dẫn trong mỗi lớp được định tuyến theo hình dạng mong muốn của các cuộn dây, cũng như các cổng vào/ra cho mỗi cuộn dây. Bạn có thể dễ dàng đặt nhiều cuộn dây sơ cấp/phụ cấp vào bố cục. Mặc dù điều này thường được thực hiện trên linh kiện riêng lẻ của nó, bạn cũng có thể thực hiện điều này trên cùng một bảng mạch với phần còn lại của các linh kiện của bạn, điều này mang lại cho bạn một gói tích hợp hoàn chỉnh.

Ngoài những điểm đã đề cập ở trên, hãy chú ý đến hai điểm này khi thiết kế một biến áp phẳng:

• Xếp lớp. Bạn cũng cần chọn độ dày điện môi phù hợp giữa các lớp bảng mạch. Độ dày của điện môi quyết định dung lượng điện môi lạc giữa các cuộn dây, điện áp tối đa (do đánh thủng), và tốc độ tản nhiệt nhanh như thế nào.
• Tần số.Các biến áp phẳng thường được sử dụng với tần số khoảng ~kHz. Để ngăn chặn sự rò điện dung qua các cuộn dây, hoặc giữa các mặt phẳng gần cuộn biến áp, điện dung không thể quá lớn.

Có một sự cân bằng tinh tế trong việc thiết kế những linh kiện này. Chúng ta không thể làm cho dòng điện quá lớn vì điều này đòi hỏi các dấu vết rộng hơn; điều này sau đó làm tăng sự ghép nối điện dung, giới hạn tần số sử dụng được. Chúng ta cũng không thể có giá trị giảm lớn; các biến áp phẳng thương mại có thể có tỷ lệ vòng quay khoảng ~6:1, mặc dù độ tự cảm có thể khá cao và đạt tới mức ~1 mH.

Việc định tuyến các cuộn dây với hình dạng cong hoặc hình học khác đòi hỏi việc định tuyến cung hoặc định tuyến theo mọi góc độ để đặt chính xác các dấu vết PCB. Sau đó là vấn đề giải nhiệt từ biến áp trở lại vào chất nền. Có rất nhiều điều cần xem xét khi thiết kế những linh kiện này, nhưng bạn có thể hoàn thành công việc với những công cụ thiết kế PCB phù hợp.

Nếu bạn muốn đặt một biến áp phẳng trong bố cục PCB, hãy thử sử dụng bộ công cụ CAD hoàn chỉnh trong Altium Designer®. Các công cụ bố cục, định tuyến và sản xuất là lý tưởng để tạo ra các thiết kế phức tạp, bao gồm cả thiết kế với biến áp phẳng. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn chia sẻ dự án của mình, nền tảng Altium 365® giúp việc hợp tác với các nhà thiết kế khác trở nên dễ dàng.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Webinar Theo Yêu Cầu.