20 клучни прашања и одговори за дизајн на планарен трансформатор на печатена плочка, кои опфаќаат основни концепти, избор на јадро, распоред на намотки, контрола на паразитски параметри, термички дизајн и имплементација на процесот.

Оригинал: Експерт за магнетни компоненти

Рамните трансформатори се специјални трансформатори кои користат бакарна фолија од ПХБ како намотки, а нивниот дизајн бара повторени компромиси помеѓу електричните перформанси, термичкото управување и трошоците за производство. Следниве се 20 клучни прашања и одговори за дизајн на планарен трансформатор на ПХБ, кои опфаќаат основни концепти, избор на јадро, распоред на намотки, контрола на паразитски параметри, термички дизајн и имплементација на процесот.

1. Прашање: Што е планарен трансформатор? Која е основната разлика помеѓу него и традиционалните трансформатори со намотување?
Одговор: Рамниот трансформатор е вид на трансформатор кој користи рамна бакарна фолија на повеќеслојна печатена плочка (PCB) како намотка. Разликата во јадрото е во тоа што традиционалните трансформатори користат емајлирана жица намотана околу скелетот, додека намотките на рамните трансформатори се спирални бакарни фолии гравирани на PCB плочката, а магнетното јадро (обично феритно) е директно прицврстено на PCB компонентата. Оваа структура му дава карактеристики на мала висина (низок профил), висока густина на моќност и одлична конзистентност.

2. Прашање: Кои се главните предности на користењето на плочести трансформатори?
Одговор: Главните предности вклучуваат:
1. Висока ефикасност и ниска индуктивност на истекување: Спојката на намотката е цврста, а индуктивноста на истекување обично може да се контролира под 0,2%.
2. Добри перформанси на дисипација на топлина: Рамната структура има поголем сооднос на површина/волумен, пократки топлински канали и лесно се дисипира топлината.
3. Добра конзистентност: Паразитските параметри се одредуваат според точноста на производството на ПХБ, а перформансите на производот можат да се повторат, што го прави многу погоден за автоматизирано производство.
4. Низок профил: Вкупната висина е значително намалена, што го прави погоден за површинска монтажа (SMT) и високо чувствителни модуларни напојувања.

3. Прашање: Кои се главните предизвици или недостатоци во дизајнот на планарните трансформатори?
Одговор: Главниот предизвик е:
1. Голем дистрибуиран капацитет: Поради големата паралелна површина и малото растојание помеѓу рамните бакарни фолии, паразитскиот капацитет (CPS) помеѓу примарната и секундарната страна е обично поголем од оној кај традиционалните трансформатори, што може да влијае на EMI и високофреквентните карактеристики.
2. Ограничен број на вртења: Бројот на слоеви на PCB и процесот го ограничува вкупниот број на вртења што можат да се постигнат, што е обично погодно за ситуации со релативно мали вртења (како што е топологијата на полумост).
3. Мала искористеност на прозорецот: Подлогата на PCB (епоксидна смола) зафаќа значителен дел од просторот во прозорецот на магнетното јадро, а коефициентот на полнење со бакар е релативно низок (околу 30%).

4. Прашање: Во кој фреквентен опсег обично работи планарен трансформатор?
Одговор: Рамните трансформатори се особено погодни за високофреквентни работни средини, обично работат на фреквенции кои се движат од десетици kHz до неколку MHz. Поради својот рамниот спроводник, кој може ефикасно да го намали ефектот на обвивка, тие имаат значителна предност во ефикасноста на високи фреквенции.

Магнетно јадро и избор на материјал
5. Прашање: Кои се најчесто користените облици на магнетно јадро за рамни трансформатори? Како да се избере?
Одговор: Вообичаените магнетни јадра вклучуваат E-тип, RM тип и ER/ETD тип.
·Е-тип (како што се EI, EE): Ниска цена, добра дисипација на топлина, голема површина на прозорецот, погодна за апликации со висока струја, но слаби перформанси на заштита.
·RM тип (може да се типува): Кружниот централен столб може да ја скрати должината на вртењето на намотката (намалување на загубата на бакар), има добар ефект на самозаштита, мала индуктивност на истекување, но прозорецот е релативно мал.
· Тип ER/ETD: Помеѓу двата, ги комбинира предностите на големиот прозорец од типот E и кружниот централен столб од типот RM.

6. Прашање: Кој материјал обично се користи за магнетното јадро на рамнински трансформатор?
Одговор: Речиси сите користат високофреквентни енергетски феритни мекомагнетни материјали, како што се 3F3, 3F4 на Philips или PC40/PC95 на TDK. Овие материјали имаат ниски загуби во магнетното јадро (хистерезис и загуби од вртложни струи) на високи фреквенции.
7. Прашање: Кој е коефициентот на искористување на прозорецот на магнетното јадро? Зошто рамниот трансформатор е помал?
Одговор: Коефициентот на искористеност на прозорецот се однесува на процентот на бакарни спроводници што всушност се зафатени во површината на прозорецот на магнетното јадро. Традиционалните трансформатори се околу 0,4, додека рамните трансформатори обично се само 0,25~0,3. Ова е затоа што покрај бакарната фолија, има и голем број изолациски слоеви од епоксидна смола (PP и Core) што го зафаќаат просторот на прозорецот на PCB плочата.

Дизајн и распоред на намотки
8. Прашање: Како намотките на планарен трансформатор можат да се поврзат сериски или паралелно на печатена плочка?
Одговор: Меѓуслојната меѓусебна поврзаност се постигнува преку отвори за пропуштање (вии), закопани отвори или слепи отвори на печатената плочка.
· Сериско поврзување: Користете вијали за да ги поврзете спиралните намотки од различни слоеви крај-до-крај за да го зголемите бројот на намотки.
· Паралелно поврзување: Паралелно поврзување на повеќе слоеви намотки за зголемување на капацитетот на пренос на струја, што најчесто се користи во секундарните намотки за низок напон и висока струја.

Прашање: Што е технологија на „преплетување“ или „вметнување“? Зошто мора да го правиме ова?
Одговор: Преплетувањето се однесува на наизменично поставување на примарната намотка (P) и секундарната намотка (S) во слоеви, како што е користењето на PSPS или SPS структурата. Придобивките од тоа се: 1 Намалување на индуктивноста на истекување: Подобрување на примарното и секундарното магнетно спојување.
2. Намалете го отпорот на наизменична струја: направете ја струјата со висока фреквенција порамномерно распределена во проводникот и намалете ја загубата предизвикана од ефектот на близина.

10. Прашање: Кои се ефектите од различните распореди на намотките (како што е P/S одвојувањето наспроти преплетувањето) врз индуктивноста на истекување и паразитската капацитивност?
Одговор: Ова е типичен компромисен однос.
· Одделен распоред: голема индуктивност на истекување, но мала меѓуслојна паразитска капацитивност.
·Едноставен сендвич (како што е PSP): индуктивноста на истекување е значително намалена, но паразитската капацитивност се зголемува.
· Длабоко преплетување (како што е PSPS): Индуктивноста на истекување може да се минимизира, но паразитската капацитивност е максимизирана. Дизајнерите треба да прават компромиси врз основа на барањата на колото, како што е LLC што користи индуктивност на истекување и капацитивност што ја контролира хард прекинувачот.
11. Прашање: Што треба да се земе предвид при дизајнот на намотките на печатената плочка за апликации со висок напон или висока струја?
Одговор: Висока струја: За да се спроведе струјата, потребна е дебела бакарна фолија (како што е 2oz-4oz), повеќеслојна паралелна врска и употреба на повеќе паралелни вијали, а се користи и надворешна дисипација на топлина.
·Висок напон: Мора да се обезбеди доволно растојание на изолација (растојание на ползење и електричен клиренс). На пример, IEC60950 бара дебелината на изолацијата помеѓу примарните и секундарните рабови обично да биде над 400 μ m.

Паразитски параметри и карактеристики на висока фреквенција
Прашање: Зошто е важна индуктивноста на истекување на планарните трансформатори? Како да се контролира?
Одговор: Индуктивноста на истекување може да предизвика скокови на напонот кога прекинувачот е исклучен и да ја ограничи фреквенцијата на исклучување на висока фреквенција. Во резонантните топологии како што е LLC, индуктивноста на истекување може да се користи како дел од резонантната индуктивност. Методите за контрола на индуктивноста на истекување вклучуваат: користење на распоредени намотки, намалување на дебелината на изолациониот слој помеѓу намотките и целосно усогласување на оригиналните и секундарните намотки.
13. Прашање: Како да се оптимизира големиот дистрибуиран капацитет на планарните трансформатори за да се намалат електромагнетните ефекти (EMI)?
Одговор: Методите за намалување на дистрибуираниот капацитет вклучуваат зголемување на дебелината на изолациониот слој помеѓу примарните и секундарните намотки (но зголемување на индуктивноста на истекување), вметнување на заземјувачки заштитен слој помеѓу примарните степени и оптимизирање на распоредот на намотките за да се намали површината на преклопување помеѓу слоевите.

14. Прашање: Што се ефект на кожа и ефект на близина? Како да се справите со рамни трансформатори?
Одговор: На високи фреквенции, струјата има тенденција да тече кон површината на проводникот (ефект на кожа), а магнетното поле на соседните проводници дополнително ќе ја распредели струјата нерамномерно (ефект на близина), што доведува до зголемување на отпорноста на наизменичната струја. Рамните трансформатори користат рамна и тенка бакарна фолија како спроводници, со дебелина обично дизајнирана да биде помала од длабочината на кожата на таа фреквенција, ефикасно намалувајќи ги овие загуби на висока фреквенција.
Термички дизајн и технологија
15. Прашање: Кој е главниот извор на топлина за рамни трансформатори? Како да се дисипира топлината?
Одговор: Топлината главно доаѓа од загубите во магнетното јадро (хистерезисни загуби) и загубите во намотките (загуби на бакар, особено загуби предизвикани од AC отпорници). Предноста на дисипацијата на топлината е што рамната структура има голема површина, а топлината може директно да се дисипира од површината на магнетното јадро и надворешната бакарна фолија на печатената плочка; Вообичаено, трансформаторите можат да се прикачат на алуминиумски подлоги или ладилници, а може да се користи термоспроводливо лепило за подобрување на дисипацијата на топлината.

16. Прашање: Како дебелината на бакарот и ширината на линијата на ПХБ влијаат врз дизајнот? Колкав е препорачаниот капацитет на струја?
Одговор: Дебелината на бакарот ја одредува носивоста на струја по единица ширина. Вообичаената дебелина на бакарот е 1oz (околу 35 μ m) и 2oz (околу 70 μ m). Густината на струјата обично се избира помеѓу 20~50A/mm². Ширината на линијата треба да се одреди врз основа на ефективната вредност на струјата, дозволеното зголемување на температурата и производствените можности на печатените плочки (како што се минималната ширина на линијата/растојанието помеѓу линиите).
17. Прашање: Зошто дизајнот на PCB стекот нагласува симетрија?
Одговор: Симетричната ламинирана структура (со униформна дебелина и распределба на бакар) може да ги балансира термичките и механичките напрегања на ПХБ за време на процесот на ламинирање, ефикасно спречувајќи ја искривувањето (деформација при свиткување) на ПХБ плочата по обработката, обезбедувајќи принос на склопување на трансформаторите и цврсто вклопување на магнетните јадра.

18. Прашање: Како се фиксира магнетното јадро? Зошто не можеме да го залепиме на површината за лепење со лепак?
Одговор: Фиксацијата на магнетното јадро обично се изведува со штипки (со магнетни јадра со отвори) или лепила од епоксидна смола. Посебно внимание: Лепилото никогаш не смее да се нанесува на површината за лепење (централен столб) на магнетното јадро, во спротивно ќе се формираат непотребни воздушни празнини, што ќе доведе до намалување на магнетната пропустливост и индуктивност. Лепилото треба да се нанесе околу надворешниот раб на магнетното јадро.

Одговор: 1 Одредување на спецификацијата: Определете го односот на намотување, индуктивноста, моќноста и фреквенцијата врз основа на топологијата.
2. Избор на магнетно јадро: Користете го методот AP (метод на површински производ) за да ја процените големината на магнетното јадро и да го изберете соодветниот материјал и облик на магнетното јадро.
3. Пресметка на вртежи: Пресметајте го бројот на вртежи на примарната и секундарната страна за да спречите магнетно заситување
4. Распоред на намотките: Подредете ги намотките во софтверот за печатени плочки за да ја одредите структурата наредена (дали е распоредена, како е паралелна/сериска).
5. Сметководство за загуби и зголемување на температурата: Проценете ги загубите на бакар и железо за да се осигурате дека зголемувањето на температурата е во дозволениот опсег.
6. Екстракција на паразитски параметри: Оценете дали индуктивноста на истекување и дистрибуираната капацитивност ги исполнуваат барањата преку симулација или пресметка.
7. Инженерско цртање на ПХБ

20. Прашање: Кои се разликите во фокусот на дизајнот при користење на планарни трансформатори кај конвертори со напреден и назаден погон?
Одговор:
Конвертор на насока/мост: Трансформаторите главно функционираат за пренос на енергија и изолација. Фокусот на дизајнот е на намалување на индуктивноста на истекување (избегнување на скокови) и минимизирање на загубите. Карактеристиката на ниска индуктивност на истекување на планарните трансформатори е апсолутна предност овде.
Конвертор за повратен проток: „Трансформаторот“ овде е всушност споен индуктор кој треба да складира енергија. Затоа, магнетното јадро треба да има воздушен јаз за да се спречи сатурација. Фокусот на дизајнот е прецизно да се контролира големината на воздушниот јаз за да се добие саканата чувствителност, а воедно да се реши проблемот со зголемените загуби во близина предизвикани од отворањето на воздушниот јаз.