Не так давно ко мне обратилась одна компания, которой необходимо было разработать линейку LED-драйверов. Название компании и ТТХ драйверов называть не буду, NDA не подписывал, но этика есть этика. Вроде бы обычный заказ на драйвер, каких десяток за год набирается, но было два взаимоисключающих требования: стоимость и габариты .
Задача с точки зрения схемотехники простая, но вот с точки зрения производства и конструирования оказалась очень интересной. И так - требовалось изготовить сетевой драйвер для LED с корректором коэффициента мощности (мощность около 100 Вт), который стоил был в пределах 3$ на серии и имел габариты по высоте не более 11 мм ! Многие скажут: «А в чем проблема сделать дешманский драйвер?», вот только дешманский не прокатит, т.к. еще одно требование - возможно давать без опасений 5 лет гарантии . И вот тут начинается самое интересное.
Был сделан выбор топологии, схемотехника, все влезало в габариты и стоимость, но столь замечательную картину портил «классический» трансформатор. Он огромный, он дорогой, он технологически сложный в изготовление. Оставалось решить последнюю задачу и после двух дней в раздумьях и расчетах оно было найдено - планарный трансформатор .
Если вам интересно между чем и чем делался выбор, на каких аргументах он основывался и как удалось получить стоимость трансформатора меньше 0.5$, то приглашаю вас в подкат. Ну и для улучшения «аппетита» прилагаю вам фото готового трансформатора:
Я думаю не для кого не секрет как выглядит обычный трансформатор, но вдруг кто пропустил последние 150 лет промышленной революции, поэтому напомню:
Так выглядит обычный трансформатор, намотанный на каркасе от сердечника RM12. Чем же он так плох? Причин тут несколько, конечно часть из них теряет актуальность в определенных задачах, но рассказ будет вестись в контексте вставшей перед мной задачей. И вот основные из них:
В этот момент вас наверняка одолевают терзания: «Если все так плохо, то почему обычные трансформаторы настолько распространены?» Немного раньше я говорил, что часть этих минусов в определенных задач не является минусом. Например, если вы откроете UPS on-line, то увидите, что трансформатор там не самый габаритный элемент. Да и если вы собираете небольшие партии до 100–200 устройств в месяц, то наверняка и себестоимость выравняется, т.к. 100–200 штук уже можно сделать и в России или нанять намотчика, купить китайский станок или сделать самим за 100–200 тыс. руб. и радоваться жизни.
И пожалуй главное место, где планарные трансформаторы не вытеснят обычные - преобразователи с номинальной мощностью больше 2000 Вт
.
На самой первой картинке вы видите данный тип трансформатора уже в собранном состоянии, вид весьма необычный, не правда ли? Хотя люди, которые вскрывали современные телевизоры, зарядки ноутбуков (не дешевых) уже наверняка видели такие трансформаторы или подобные.
Планарные трансформаторы могут быть выполнены в разных конструктивных исполнениях, четкой классификации не существует насколько мне известно, но я делю их на 2 типа:
Какой бы тип планарного трансформатора не рассматривали, общее у них одно - все обмотки выполнены в виде медных дорожек на печатной плате .
Если вы решите более подробно ознакомиться с данной технологией и направитесь в гугл, то наверняка во многих статьях встретите фразу:»… и вот наконец-то в последние годы планарные трансформаторы стали доступны по цене. Связано это с тем, что многослойные платы подешевели». Когда я проектировал свой первый планарный трансформатор, году так в 2010–11, данная фраза сбила меня с толку. Я наивно подумал, что планарники делают исключительно на многослойных печатных платах. На тот момент я еще учился в ВУЗе, и хотя работал и получал неплохую стипендию - данный тип плат для меня был финансово не очень доступен. Подумал и решил сделать свой фейсбук!!! удешевить данную технологию, как оказалось потом - придумал велосипед.
Суть удешевления заключалась в использовании «пирога» из нескольких двухслойных печатных плат небольшой толщины (0.8 или 1 мм). Для меня это казалось гениальным и простым решениям. Вот только проблема была в том, что я как всегда смотрел на решениях топовых компаний, занимающихся силовой электроникой, таких как Texas Instruments, Linear, Infineon, Murata, а они использовали печатные платы в 6–8 слоев и в 2010 году они даже стандартного 4 класса (0.15/0.15 мм) стоили очень дорого. Потом получилось так, что на летнюю практику меня позвали в одну хорошую компанию и там мне рассказали и показали, что они такие «пироги» для планарных трансформаторов уже лет 10 как делают. Так же делали и другие компании рангом пониже, чем TI и Infineon. Главное одно - идея была верная и такое решение не просто правильное, а еще и проверенное временем .
Все элементы «пирога» обычные двухслойные платы стандартного класса точности, а значит они оооочень дешевые и изготовить их может любой производитель печатных плат. Выглядят элементы «пирога» планарного трансформатора вот так:
Как видите в моем трансформаторе всего 3 элемента, хотя могло бы быть и больше. Почему 3? Согласно мои расчетам, чтобы набрать нужную индуктивность в первичной обмотке, мне потребуется 6 слоев. 2 слоя мне дает основная плата + 2 слоя «кусок пирога» + 2 слоя «кусок пирога». Вторичная обмотка уместилась всего на 2 слоя, от сюда еще один «кусок пирога». В итоге имеет стек из 4-х двухслойных печатных плат. Дальше арифметика еще проще: я использую сердечник ELP18/4/10, а значит расстояние под «обмотки» у меня составляет 4 мм. Это расстояние мы делим на количество плат: 4 мм / 4 платы = 1 мм - толщина каждой печатной платы. Все просто!
Если вам вдруг не понятно откуда взялся зазор в 4 мм, то можете посмотреть даташит на сердечник тут. А для тех, кому не удобно ходить по ссылкам или трафик не хочется тратить на большую pdf-ку, небольшая вырезка:
Как видим размер окна сердечника на одной половине составляет 2 мм, на второй половине он так же 2 мм. Получаем общий размер окна по высоте - 4 мм.
Теперь можно разобрать из чего состоит себестоимость планарного трансформатора. По сути тут всего 2 составляющие: сердечник и 3 печатные платы. Сердечник оптом стоит 0,14$, печатные платы 3 штуки по 0,11$ за каждую так же на серии. Получаем 0,47$ стоит сам трансформатор. Я не включил сюда компаунд для склейки сердечников, т.к. если раскидать его стоимость на всю партию, то там даже 1 цента не получается и не посчитал работу по сборке. Работа не считается по одной простой причине - трансформатор собирается на этапе ручного монтажа, а стоит он в Азии копейки. Для сравнений - напаять 2 транзистора в корпусе ТО-220 стоит столько же, сколько и монтаж планарного трансформатора, то есть опять же выходит мизер. Вот так мы и получаем цифру 0.5$ за 1 трансформатор до 100 Вт .
Немного о моих результатах… Мне удалось уместиться в габарит по высоте и даже сделать лучше - вместо предельных 11 мм у меня получилось 9.6 мм. С одной стороны мало заметно, а на практике это уменьшение габаритов примерно на 13%. При чем, основной габарит по высоте задавал уже не трансформатор, а электролитические SMD конденсаторы на входе и выходе.
По себестоимости - точной цифры я вам назвать не могу, но уложиться получилось в требование. Тут стоит отметить усилия самого заказчика, он умудрился найти поставщиков, которые на большой серии смогли дать цены на уровне, а иногда и чуть ниже, чем на digikey. Лично моя заслуга - я решил техническую задачу и сделал дешево, а заказчик сам уже сделал супер-дешево без потери качества.
Дальше моя статья принимает больше технический характер, чем повествовательный и если вам не интересна силовая электроника, сухие расчеты и прочие гадости, то дальше можете не читать и переходить к обсуждениям в комментарии. Красивых картинок больше не будет. Если же вы планируете взять данную технологию для себя на вооружение, то тогда для вас все только начинается.
Чтобы вы могли более наглядно оценить весь потенциал данного типа трансформаторов, могу сказать, что в данном проекте, на одной паре сердечников ELP18/4/10 мне удалось построить резонансный преобразователь мощностью 65 Вт. А теперь посмотрите на его габаритные размеры, не плохо же для такой мелочи?
Методик, которые позволяют рассчитать данный тип трансформаторов, достаточно много. Правда основная литература, в том числе и научная, в основном на английском, немецком и китайском языках. Я на практике опробовал несколько, все они были взяты из англоязычных источников и все показали приемлемый результат. В процессе работы за несколько лет мною были сделаны небольшие правки, которые позволили несколько повысить точность расчетов и именно эту методику я вам и продемонстрирую.
У меня нет каких либо амбиций на ее уникальность, а так же я не гарантирую, что ее результаты достаточно точны во всех диапазонах частот и мощностей. Поэтому если вы планируете использовать в работе, то будьте аккуратны и всегда следите за адекватностью результатов.
При расчете любого трансформатора первым делом необходимо найти максимальное значение магнитной индукции. Потери в сердечнике и в медных проводниках приводят к нагреву трансформатора, поэтому расчеты необходимо вести относительно максимального допустимого перегрева трансформатора. Последний выбирается исходя из условий эксплуатации и требований, предъявляемых к устройству.
Делам эмпирическое допущение в котором предполагаем, что половина от общих потерь на трансформаторе - это потери в сердечнике. Исходя из этого допущения посчитаем максимальную плотность потерь в сердечнике по эмпирической формуле: 
Где значение эффективного магнитного объема VE
берется из документации на сердечник в [см 3 ]
, значение максимального перегрева ΔT
выбирается исходя из расчетов (например, я обычно беру в расчет 50–60 градусов
). Размерность же получаемой величины - [мВт/см 3 ]
.
Прошу обратить внимание, что многие формулы, которые я описываю, получены эмпирическим путем. Другие же записаны в их конечном виде без расписывания их математического вывода. Тем, кому интересно происхождение последних советую просто ознакомить с зарубежной литературой по магнитным материалам, например, есть стать и книги у Epcos и Ferroxcube.
Теперь, зная максимальную плотность потерь в сердечнике, мы можем посчитать максимальное значение индуктивности при котором не будет превышена температура перегрева выше расчетной.
Где СM
, СT
, x
, y
- параметры полученные эмпирическим путем методом аппроксимации кривой потерь, а f
- частота преобразования. Получить их можно двумя путями: обработав данные (графики) из документации на свой сердечник или же построив эти графики самостоятельно. Последний способ позволит вам получить более точные данные, но потребуется наличие полноценного тепловизора.
В качестве примера я поделюсь с вами данными значениями для сердечников из материала Epcos N49 , его аналог от Ferrocube является так же популярный и доступный материал 3F3 . Оба материала позволяют без проблем строить преобразователи с резонансной частотой до 1 МГц включительно. Так же стоит отметить, что данные параметры зависят от частоты, данные цифры для частот 400–600 кГц . Это наиболее популярный диапазон частот и материал, который я использую.
Далее стоит вспомнить о второй составляющей потерь в трансформаторе - потери в медной обмотке
. Считаются они легко, по нашему любимому закону Ома в котором дополнительно учли вполне логичные моменты: ток у нас импульсный и протекает он не 100% времени, то есть коэффициент заполнения. Рассказывать как посчитать сопротивление обмотки меди по ее геометрии я не буду, слишком банально, а общую формулу наверное напомню:
Потери в меди считаются для каждой обмотки отдельно, а потом складываются. Теперь мы знаем потери в каждом слое «пирога» и в сердечнике. Желающие могут промоделировать перегрев трансформатора, например, в Comsol или Solidworks Flow Simulation.
Продолжая тему медных проводников, давайте вспомним о таком явление, как скин-эффект
. Если объяснять «на пальцах», то это эффект, когда с ростом частоты протекающего в проводнике тока, происходит «выдавливание» тока из проводника (от центра к поверхности) другим током - вихревым
.
Если же говорить более по научному, то в результате протекания в проводнике переменного тока, наводится переменная индукция, которая в свою очередь вызывает вихревые токи. Это вихревые токи имеют направление противоположное нашему основному току и получается, что они взаимовычитаются и в центре проводника суммарный ток равен нулю.
Логика простая - чем выше частота протекаемого тока, тем больше сказывается скин-эффект и тем ниже эффективное сечение проводника
. Уменьшить его влияние можно путем оптимизации геометрии обмоток, их распараллеливания и прочими методами, которые наверное заслуживают если не целой книги, то большой отдельной статьи.
Для наших же расчетов достаточно примерно оценить влияние скин-эффекта с помощью еще одной эмпирической формулы: 
Где ∆δ
- толщина зоны с нулевым током, f
- частота преобразователя. Как видите данный эффект целиком привязан к частоте коммутации.
А теперь давайте посчитаем сколько витков и прочего нам потребуется для изготовление трансформатора прямого хода. Первым делом считаем сколько же нам потребуется витков в первичной обмотки: 
Где Umin - минимальное входное напряжение, D - рабочий цикл, f - частота работы, Ae - эффективное сечение сердечника. Теперь считаем количество витков для вторично обмотки: 
Где N1 - количество витков в первичной обмотке, D - рабочий цикл, Uout - номинальное выходное напряжение, Umin - минимальное входное напряжение.
Следующим шагом является расчет индуктивности первичной обмотки. Так как ток в обмотке у нас носит импульсную характеристику, то зависеть он будет и от индуктивности. Рассчитываем мы ее по следующей формуле: 
Где μ0 - эффективная магнитная проницаемость, μa - амплитудная магнитная проницаемость, Ae - эффективное сечение сердечника, N1 - количество витков в первичной обмотке, Ie - эффективная длина пути. Недостающие параметры, типа проницаемости и длины магнитной линии вы можете взять в документации на конкретный сердечник.
Теперь финальный шаг, который нам необходимо сделать - рассчитать действующий в первичной обмотке ток. Это позволит в дальнейшем посчитать сечение для первичной обмотки и соответственно ширину проводника. Значение тока складывается из двух составляющих и выглядит следующим образом: 
Тут вроде уже все составляющие формулы знакомы и посчитаны, единственное отмечу параметр Pmax. Это не просто значение номинальной выходной мощности, это полная мощность преобразователя с учетом КПД хотя бы примерно (я обычно закладываю 95–97% для резонансных преобразователей) и тем запасом, который вы закладываете в устройство. В моих устройства обычно 10% запас по мощности, в особо ответственных устройствах и узлах иногда приходится закладывать 20–25% запас, но это вызывает удорожание.
Вот мы и получили все параметры, которые необходимы для расчета и проектирования планарного трансформатора. Конечно вам придется самим посчитать сечение для обмоток, но это элементарная арифметика, которой я не хочу загромождать статью. Все же остальное уже посчитано и остается только спроектировать платы в каком либо САПР.
Надеюсь моя статья поможет начать вам использовать планарные трансформаторы как в своих домашних проектах, так и в коммерческих. Данную технологию необходимо использовать аккуратно, ведь в зависимости от задачи она может оказаться дороже «классических» трансформаторов.
Так же несомненно применение планарных трансформаторов открывает новые технические возможности, а современные Mosfet-ы и новые GaN транзисторы лишь способствуют этому, позволяя создавать преобразователи с частотами от 400 кГц и выше. Однако и стоимость этих «возможностей» не всегда достаточно низкая, да и для проектирование резонансных преобразователей на таких частотах требует большого набора знаний и опыта.
Но не стоит расстраиваться! Любому из вас, даже начинающему электронщику, под силам собрать топологии по проще, например, ZVS мост (Full bridge). Данная топология позволяет получит очень высокий КПД и не требует каких-то супер-секретных знаний. Необходимо лишь сделать прототип или макет и хорошенько поэксперементировать. Удачи в освоение новых горизонтов!
прочитано 14146 раз
Постоянное уменьшение габаритов изделий электроники, особенно мобильных устройств, приводит к тому, что разработчикам приходится применять компоненты с минимальными размерами. Для полупроводниковых компонентов, а также пассивных, таких, как резисторы и конденсаторы, выбор достаточно велик и разнообразен. Мы же рассмотрим малогабаритную замену еще одним пассивным элементам - трансформаторам и дросселям. В большинстве случаев разработчики используют стандартные трансформаторы и дроссели с проволочной намоткой. Мы же рассмотрим преимущества планарных трансформаторов (ПТ) на основе многослойных печатных плат. Стоимость многослойных печатных плат постоянно снижается, поэтому планарные трансформаторы станут хорошей заменой обычным.
Планарные трансформаторы являют собой привлекательную альтернативу обычным трансформаторам в случаях, когда требуются малоразмерные магнитные компоненты. При планарной технологии изготовления индуктивных компонентов роль обмоток могут выполнять дорожки на печатной плате или участки меди, нанесенные печатным способом и разделенные слоями изоляционного материала, а кроме того, обмотки могут конструироваться из многослойных печатных плат. Эти обмотки помещаются между малоразмерными ферритовыми сердечниками. По своей конструкции планарные компоненты делятся на несколько типов. Ближе всего к обычным индуктивным компонентам стоят навесные планарные компоненты, которые можно использовать вместо обычных деталей на одно- и многослойных печатных платах. Высоту навесного компонента можно уменьшить, погрузив сердечник в вырез печатной платы так, чтобы обмотка легла на поверхность платы. Шаг вперед представляет собой гибридный тип, где часть обмоток встроена в материнскую плату, а часть находится на отдельной многослойной печатной плате, которая соединена с материнской. Материнская плата должна иметь отверстия для ферритового сердечника. Наконец, у последнего типа планарных компонентов обмотка полностью интегрирована в многослойную печатную плату.
Как и в случае обычных компонентов с проволочной обмоткой, половинки сердечников можно соединять путем склеивания или с помощью зажима, в зависимости от возможностей и предпочтений производителя. Компания FERROXCUBE предлагает широкий ассортимент планарных Ш-образных сердечников для различных применений.
Планарная технология изготовления магнитных компонентов имеет ряд преимуществ по сравнению с обычной проволочной намоткой. Первым очевидным преимуществом является весьма малая высота, которая делает планарные компоненты перспективными для применения в стоечном и портативном оборудовании с высокой плотностью монтажа.
Планарные магнитные компоненты хорошо подходят для разработки высокоэффективных импульсных преобразователей мощности. Малая величина потерь меди на переменном токе и высокий коэффициент связи обеспечивают более эффективное преобразование. Благодаря малой индуктивности рассеяния уменьшаются скачки и колебания напряжения, являющиеся причиной выхода из строя МОП-компонентов и дополнительным источником помех.
Планарная технология проста и надежна в производстве. В таблицах 1–3 описываются преимущества и ограничения этой технологии.
Таблица 1. Преимущества при разработке
Таблица 2. Преимущества при производстве
Таблица 3. Ограничения
(1) Стоимость многослойных печатных плат снижается. Общие затраты: не нужен каркас, меньший размер сердечника.
Интегрированные планарные компоненты применяются в тех случаях, когда сложность окружающих цепей вынуждает использовать многослойную печатную плату. Типичные области применения - маломощные преобразователи и устройства обработки сигналов. В них используется в основном комбинация Ш-образного сердечника и пластины малых размеров. Основными конструктивными требованиями здесь являются малая высота и хорошие высокочастотные характеристики.
Погружение навесных компонентов в плату позволяет уменьшить высоту сборки, не меняя расположения компонентов.
Гибридные компоненты уменьшают количество навесных обмоток за счет дорожек на печатной плате, а в интегрированном варианте навесные обмотки вообще отсутствуют. Возможны также комбинации этих двух типов. Например, преобразователь мощности может иметь первичную обмотку трансформатора и дроссель сетевого фильтра, встроенные в материнскую плату, а вторичную обмотку и выходной дроссель - на отдельных печатных платах (рис. 3).
Выбор между склеиванием и зажимным соединением зависит в основном от возможностей и предпочтений производителя, но есть также требования конкретного приложения, которые могут определить тот или иной способ как более желательный.
Первой областью применения планарных трансформаторов было преобразование мощности. Соответственно, при этом использовались средне- и высокочастотные мощные ферриты. Индуктивность дросселя сетевого фильтра можно увеличить, заменив мощный феррит материалом с высокой магнитной проницаемостью. В импульсной передаче сигналов широкополосный трансформатор, находящийся между импульсной генераторной ИС и кабелем, обеспечивает развязку и согласование импедансов. В случае S- или T-интерфейса это также должен быть феррит с высокой магнитной проницаемостью. В ассортимент продукции компании FERROXCUBE были добавлены сердечники из высокопроницаемого феррита 3E6. Список приложений, в которых использование планарной технологии может дать преимущества, приведен ниже.
Таблица 4. Характеристики материалов
Таблица 5. Сердечники для склеивания (без выемок)
Таблица 6. Материалы сердечников для склеивания
(*) - половины сердечников для использования в комбинации с Ш-образным сердечником без зазора или пластиной.
(**) - половины сердечников с высокой магнитной проницаемостью.
E160 – E - половина сердечника с симметричным зазором. A L = 160 нГн (измерено в комбинации с половиной сердечника с симметричным зазором).
A25 – E - половина сердечника с асимметричным зазором. A L = 25 нГн (измерено в комбинации с половиной сердечника без зазора).
A25 – P - половина сердечника с асимметричным зазором. A L = 25 нГн (измерено в комбинации с пластиной).
1100/1300 - половина сердечника без зазора. AL = 1100/1300 нГн (измерено в комбинации с половиной сердечника без зазора/пластиной).
Значение AL (нГн) измерялось при B≤0,1 мТл, f≤10 кГц, T = 25 °C.
Допуск A L:
Таблица 7. Зависимость характеристик от мощности (сердечники для склеивания)
Таблица 8. Сердечники с зажимным соединением
Компания FERROXCUBE предлагает широкий ассортимент планарных Ш-образных сердечников в диапазоне размеров 14–64 мм. В базовой версии для склеивания поперечное сечение всегда является однородным, что позволяет оптимальным образом использовать объем феррита. Для каждого размера имеется Ш-образный сердечник (обозначается буквой E) и соответствующая ему пластина (обозначается буквами PLT). Набор может состоять из Ш-образного сердечника и пластины или двух Ш-образных сердечников. В последнем случае высота окна намотки удваивается. Для самых маленьких размеров имеется также набор из Ш-образного сердечника и пластины в варианте с зажимным соединением. В нем используется Ш-образный сердечник с выемками (обозначается E/R) и пластина с канавкой (обозначается PLT/S). Зажим (обозначается CLM) защелкивается в выемки сердечника и обеспечивает прочное соединение, прижимая пластину в двух точках. Канавка предотвращает смещение пластины даже при сильных ударах или вибрации, а также обеспечивает выравнивание. Для комбинации из двух Ш-образных сердечников зажимное соединение не предусмотрено.
Таблица 9. Материалы сердечников с зажимным соединением
(1) - половины сердечников для использования в комбинации с пластиной.
A63 – P - половина сердечника с асимметричным зазором. A L = 63 нГн (измерено в комбинации с пластиной).
1280 - половина сердечника без зазора.
A L = 1280 нГн (измерено в комбинации с пластиной).
Значение A L (нГн) измерялось при B≤0,1 мТл, f≤10 кГц, T = 25 °C.
Допуск A L:
Таблица 10. Зависимость характеристик от мощности (сердечники с зажимным соединением)
Сердечники из мощных ферритов 3F3 (рабочая частота до 500 кГц) и 3F4 (500 кГц - 3 МГц) имеются во всех размерах. Сердечники наибольшего размера изготавливаются также из феррита 3C85 (рабочая частота до 200 кГц), так как большие сердечники часто используются в мощных низкочастотных устройствах. Имеются также сердечники наименьшего размера, изготавливаемые из высокопроницаемого феррита 3E6 (μ i = 12000), для использования в дросселях сетевых фильтров и широкополосных трансформаторах.
В качестве стандартной упаковки для планарных Ш-образных сердечников и пластин используется пластиковая пленка.
Таблица 11. Упаковка
Таблица 12. Коробка с сердечниками
Таблица 13. Коробка с зажимами
Таблица 14. Ленточная упаковка
Для сердечников E14/3.5/5 и E18/4/10 был разработан прототип ленточной упаковки для использования с аппаратурой автоматического монтажа SMD-компонентов. Метод упаковки соответствует стандарту IEC-286, часть 3. Пластины имеют ту же упаковку, что и соответствующие Ш-образные сердечники.
Чтобы по максимуму использовать преимущества планарной технологии, необходимо следовать иной концепции разработки, чем при проволочной намотке. Ниже приведен ряд соображений, которыми следует руководствоваться в этой связи.
Улучшенные тепловые характеристики допускают в два раза большие потери мощности по сравнению с обычной конструкцией при том же объеме магнитного поля, поэтому значение оптимальной магнитной индукции будет выше обычного.
Большие зазоры нежелательны в планарных конструкциях, поскольку они создают поток рассеяния. Краевой поток зависит от отношения высоты окна намотки к ширине воздушного зазора, которая меньше для плоских сердечников. Если высота окна всего в несколько раз больше ширины зазора, а ширина в несколько раз больше ширины центральной части сердечника, то между верхом и низом сердечника возникнет поток значительной величины. Большие величины краевых и пересекающихся потоков приводят к большим потерям на вихревые токи в обмотке.
Чаще всего используются медные дорожки толщиной 35, 70, 100 и 200 мкм. Если площадь поперечного сечения дорожки недостаточна для того, чтобы получить приемлемое сопротивление на постоянном токе, можно параллельно соединить дорожки для всех или части витков.
Потери меди на переменном токе, обусловленные скин-эффектом и эффектом близости, оказываются меньше для плоских медных дорожек, чем для круглого провода с той же площадью поперечного сечения. Вихревые токи, индуцируемые в окрестности воздушного зазора, можно снизить, удалив несколько витков в том месте, где индукция является максимальной и направлена перпендикулярно плоскости намотки. Комбинация Ш-образного сердечника и пластины характеризуется несколько меньшим потоком рассеяния, чем комбинация двух Ш-образных сердечников, из-за местоположения воздушного зазора.
При расположении обмоток одна над другой магнитная связь является очень сильной, и достижимы значения коэффициента связи, близкие к 100% (рис. 13, a).
Предыдущая конструкция ведет к более высокой межобмоточной емкости. Эту емкость можно уменьшить, расположив дорожки соседних обмоток в промежутках друг между другом (рис. 13, b).
Более того, повторяемость значения емкости позволяет скомпенсировать ее в оставшейся части цепи, а также использовать в резонансных конструкциях. В последнем случае можно целенаправленно создать большую емкость, расположив дорожки соседних обмоток друг напротив друга (рис. 13, c).
Сборка
При использовании зажимов необходимо сначала защелкнуть зажим в углубления сердечника, а затем выровнять пластину в поперечном направлении.
Для интегрированных компонентов сборка комбинируется с монтажом.
Монтаж
При применении навесных компонентов можно использовать платы со сквозными отверстиями или SMD-монтаж. Существенных отличий от обычного процесса не имеется
Плоская поверхность сердечника хорошо подходит для автоматического монтажа.
В случае интегрированных компонентов монтаж лучше всего выполнять в два этапа:
Пайка
Относится только к навесным трансформаторам.
В случае пайки оплавлением предпочтительным способом нагрева является горячая конвекция, а не инфракрасное излучение, поскольку первый способ обеспечивает выравнивание температур спаиваемых поверхностей. При нагреве инфракрасным излучением с использованием стандартных материалов хорошая теплопроводность планарного компонента может привести к слишком низкой температуре паяльной пасты, а при повышении мощности излучения - к слишком высокой температуре печатной платы. Если используется инфракрасный нагрев, рекомендуется подобрать другую паяльную пасту и/или материал печатной платы.
Обозначение типоразмеров
Все указанные числа относятся к половинам сердечников. Необходимо заказывать две половины сердечника в правильном сочетании. Имеется четыре типа половин сердечников, из которых составляются наборы трех видов:
В последний набор входит также зажим (CLM).
В следующей статье будет приведена методика расчета планарных силовых трансформаторов для импульсных источников питания.
Планарные трансформаторы впервые были разработаны в конце 80-х, однако из-за сложной технологии изготовления они не получили широкого распространения. Современную технологию производства планарных трансформаторов тоже нельзя назвать простой, однако благодаря постоянному совершенствованию технологического процесса, стоимость планарных трансформаторов снизилась и это позволило им конкурировать на рынке источников электропитания.
Планарные трансформаторы являются отличной альтернативой обычным трансформаторам, когда возникает необходимость в малоразмерных магнитных компонентах.
Планарные трансформаторы могут выступать в виде навесных компонентов, в виде однослойных печатных плат или в качестве небольшой многослойной платы.
Основные преимущества можно описать так:
Рис 1. Типы планарных трансформаторов
Планарная технология производства предусматривает, что в процессе изготовления индуктивных компонентов в качестве обмоток выступают дорожки на печатной плате или участки меди, которые наносятся печатным способом и разделяются слоями изоляционного материала. Также обмотки можно сконструировать из многослойных печатных плат.
В любом случае обмотки помещаются между малоразмерными ферритовыми сердечниками. Навесные планарные компоненты расположены ближе всего к обычным индуктивным компонентам и их можно использовать вместо обычных деталей на одно- или многослойных печатных платах.
Чтобы уменьшить высоту навесного компонента, необходимо поместить сердечник в вырез печатной платы так, чтобы обмотка легла на поверхность платы.
Шаг вперед показывает гибридный тип, в котором часть обмоток встраивается в материнскую плату, а остальные находятся на многослойной плате, которая соединяется с материнской.
В то же время, материнская плата должна иметь отверстия для ферритового сердечника.
Последний тип планарных компонентов имеет обмотку, полностью интегрированную в многослойную печатную плату.
Рис 2. Планарные трансформаторы на печатной плате
Планарные трансформаторы нашли свое применение в телекоммуникационных системах, авиационных бортовых системах, компьютерах, силовых источниках питания, сварочных аппаратах и в системах индукционного нагрева. В целом, планарные трансформаторы могут применяться везде, где возникает необходимость в силовых трансформаторах, которые бы имели высокий КПД, и в то же время обладали малыми габаритами.
Одной из основных задач при разработке трансформатора является уменьшение его габаритных размеров при одновременном увеличении эффективной мощности. Сегодня трансформатор переживает второе раждение - на смену традиционной технологии построения трансформатора приходит новая планарная технология. Принцип построения электромагнитных устройств по новой технологии заключается в использовании печатных плат вместо каркасной сборки и проволочной обмотки. Роль обмотки в планарной технологии выполняют дорожки, нанесённую на плату печатным образом. Платы укладываются в несколько слоёв, разделённых между собой изоляционным материалом, и заключаются в ферритовый сердечник.
Планарная технология
До середины 1980-х годов планарные технологии производства трансформаторов ограничивались в основном разработками в военной, авиационной и космической отрасли. У истоков активного коммерческого применения планарных технологий был Алекс Естров, опубликовавший в 1986 г. некоторые данные о своих разработках в области планарных трансформаторов, работающих на резонансной частоте 1 МГц. Идею ожидал успех. Некоторое время спустя А.Естров организовал компанию (сегодня она называется Payton Power Magnetics Ltd.), запустившую серийное производство силовых планарных трансформаторов и дросселей.
Что же такое планарная технология и чем она примечательна? Рассмотрим пример, который объясняет принцип построения планарных трансформаторов (рис.1). На рисунке представлен трансформатор в разобранном виде. Он состоит из нескольких пластин с нанесенными на них витками обмотки и изоляционных пластин, отделяющих пластины обмотки друг от друга. Обмотка трансформатора выполнена ввиде дорожек на печатных платах или участков, меди нанесенных на плату печатным способом. Все слои размещаются друг над другом и удерживаются двумя частями ферритового сердечника.
Стремление к уменьшению габаритных размеров при одновременном повышении мощности - основная цель развития современных силовых устройств. При этом планарные трансформаторы, в отличие от традиционных, имеют относительно большую эффективную площадь охлаждения и их проще охлаждать - можно использовать различные варианты: естественное, принудительное, односторонний и двусторонний радиатор, жидкостное охлаждение.
Еще одна положительная черта планарных устройств - это малый разброс электрических параметров от устройства к устройству. Трансформатор с проволочной обмоткой обладает большим разбросом параметров, так как проволока в процессе намотки ложится на каркас неравномерно, что не может не влиять на параметры устройства (например, индуктивность, добротность). Планарные трансформаторы собираются на основе многослойных печатных плат. Каждая плата изготавливается одним и тем же способом. Дорожки на платах также наносятся печатным способом. Травление плат - всегда один и тот же процесс. Погрешности параметров планарного трансформатора всотни раз меньше погрешностей традиционного трансформатора с проволочной обмоткой.
Планарные трансформаторы идеально подходят для телекоммуникационных систем, компьютеров, авиационных бортовых систем, силовых источников питания, сварочных аппаратов, систем индукционного нагрева - т.е. везде, где необходимы силовые трансформаторы с высоким КПД и малыми габаритами.
Основные преимущества планарных трансформаторов:
высокая мощность при небольших габаритных размерах (10 Вт - 20 кВт);
высокий КПД устройств (97–99%);
широкий рабочий температурный диапазон: от -40 до +130°С;
диэлектрическая прочность устройств 4-5кВ;
низкая индуктивность рассеяния;
диапазон рабочих частот планарных устройств лежит в пределах от 20кГц до 2.5МГц;
высокая мощность при малых размерах: планарные трансформаторы включают, как правило, от одной до семи обмоток;
малый разброс параметров при серийном производстве устройств;
очень низкий уровень электромагнитных помех;
малые габариты и вес.
Планарные трансформаторы Payton
Компания Payton производит широкую номенклатуру планарных трансформаторов мощностью от 5Вт до 20кВт. Трансформаторы Payton, обладая небольшими размерами (рис.2), способны работать на больших мощностях и обеспечивают хорошие тепловые характеристики. В таблице 1 представлены данные по размеру мощности, весу и типоразмеру сердечника.
Линия изделий Payton включает в себя устройства, рассчитанные на различные уровни мощности и предназначенные для использования в телекоммуникационном оборудовании, в источниках питания, AC/DC и DC/DC преобразователях напряжения и т.п. В таблице 2 представлены основные характеристики некоторых типов планарных трансформаторов компании Payton.
Изначально разработчики компании Payton ориентировались на производство трансформаторов только для импульсных источников питания (ИИП), для применения в сварочных аппаратах и системах индукционного нагрева. Однако сейчас они применяются практически повсеместно.
Современные трансформаторы Payton идеально подходят для применения в ИИП для сварочных аппаратов. Трансформаторы отлично вписываются в структуру источника, гарантируя большую продолжительность его работы. Известно, что ИИП сварочных аппаратов генерируют критично высокие значения выходных токов. Поэтому вторичных витков в большинстве случаев всего несколько. Планарные трансформаторы подходят, таким образом, для работы свысокими значениями токов и могут использоваться в сварочном оборудовании. Применение планарных трансформаторов может значительно уменьшить размеры и вес конечного устройства.
Планарный трансформатор также хорошо вписывается в структуру источников питания для систем индукционного нагрева. Для этих целей, например, был выпущен трансформатор мощностью 20кВт (рис.3) размерами 180х104х20мм.
Payton Power Magnetics предлагает трансформаторы с выводами для различных способов монтажа: возможны варианты как для поверхностного, так и сквозного монтажа на печатную плату. Плоские поверхности сердечников пригодны для автоматического монтажа. Кроме того, есть устройства с выводами для навесного монтажа.
Планарные дроссели Payton
Payton производит широкую номенклатуру дросселей, собираемых по планарной технологии. Дроссели Payton, как и трансформаторы, при небольших размерах обеспечивают значительную мощность. Дроссели производятся по технологии предварительного намагничивания сердечника. Хотя данная технология известна уже давно, она не находила широкого применения вследствие высокой стоимости специальных магнитных материалов, традиционно использующихся для изготовления сердечников, невозможности работы устройств на высоких частотах и ухудшения характеристик в результате размагничивания сердечника. Инженерам Payton удалось устранить эти недостатки путем использования сердечников из ферромагнитных материалов - недорогой и эффективной замены сердечникам из специальных магнитов.
Технология предварительного намагничивания сердечников позволяет удвоить значение индуктивности дросселя без изменения тока, либо удвоить значение тока при неизменной индуктивности. Новая технология производства дросселей позволяет снизить потери мощности в 4 раза и уменьшить контактную площадку на 30–40% (рис.4).
Тестирование дросселей на ухудшение магнитных свойств показало, что на рабочих частотах до 1МГц ухудшения магнитных свойств сердечников не происходит даже при10-кратном превышении напряженности поля по сравнению с обычным эксплуатационным значением.
Гибридные дроссели Payton
Кроме того, Payton активно развивает технологии построения гибридных планарных дросселей, которые способны работать на высоких резонансных частотах. Эти устройства построены на основе «6-коленного» планарного ферромагнитного сердечника, совмещенного с многожильной обмоткой. Такое сочетание позволяет достигнуть высокого показателя добротности на высоких частотах. Например, значение добротности дросселя индуктивностью 40мкГн при токе 3А и рабочей частоте 1МГц составляет 500!
Дроссель-фильтры Payton
Payton также производит планарные дроссели, специально разработанные для ослабления синфазных помех. Соотношение между индуктивностью рассеяния и собственной индуктивностью устройства уменьшено до 0,005%. Благодаря высокому значению собственной ёмкости, планарные дроссели синфазных помех могут включать в себя входные и выходные конденсаторы. Поэтому этот вид дросселей может использоваться как фильтр синфазных помех. Уже сегодня идут разработки планарных дроссель-фильтров, которые будут работать при токах до 200А.
Заключение
Благодаря стабильности технических характеристик, высокому КПД и эффективному методу охлаждения планарных электромагнитных компонентов компании Payton их использование - привлекательное решение для производителей силовых источников питания. Тенденция удешевления производства многослойных печатных плат делает планарные трансформаторы все более доступными для самых разнообразных применений. Можно предположить, что в ближайшем будущем планарные устройства полностью вытеснят традиционные трансформаторы с проволочной обмоткой.
