Metoda izrade planarnog transformatora na bazi višeslojne tiskane pločice. Payton planarni transformatori i prigušnice (2005.)

Prethodni članak raspravljao je o prednostima korištenja planarnih transformatora u malim i Mobilni uredaji Oh. Također su dane karakteristike feritnih jezgri koje se koriste za izradu planarnih transformatora. Ova publikacija predlaže metodu za proračun planarnih transformatora za pretvarače impulsa naprijed i natrag.

Uvod

Planarni transformatori mogu se proizvoditi kao ugradne komponente, kao jednoslojni PCB sklopovi ili mali višeslojni PCB-ovi, ili integrirani u višeslojni PCB napajanja.

Važne prednosti planarnih magnetskih komponenti su:

• vrlo male veličine;
• izvrsne temperaturne karakteristike;
• niska induktivnost curenja;
• izvrsna ponovljivost svojstava.

Mjerenja radnih parametara planarnih transformatora s jezgrama i namota u obliku slova W izrađenih na bazi višeslojne tiskane pločice pokazuju da toplinski otpor ovih uređaja je znatno (do 50%) manji u usporedbi s konvencionalnim žičanim transformatorima s istim efektivnim volumenom jezgre V e . To je zbog većeg omjera površine jezgre i njenog volumena. Stoga, s povećanim kapacitetom hlađenja, planarni transformatori mogu podnijeti veću gustoću propusne snage dok zadržavaju porast temperature unutar prihvatljivih granica.

Ova brošura opisuje brzu i jednostavnu metodu projektiranja planarnih energetskih transformatora i pruža primjere uređaja projektiranih ovom metodom.

Rezultati testa rada pokazuju da se izmjereni porast temperature dobro slaže s podacima proračuna.

Riža. 1. Planarni transformator rastavljen

Riža. 2. Mogućnosti dizajna planarnih transformatora

Postupak izračuna

Određivanje maksimalne magnetske indukcije

Gubici u jezgri i bakrenom vodiču tijekom rada transformatora dovode do povećanja temperature. Iznos ovog povećanja ne bi trebao premašiti dopuštenu granicu kako bi se izbjeglo oštećenje transformatora ili ostatka kruga. U toplinskoj ravnoteži, vrijednost ukupnih gubitaka u transformatoru Ptrafo povezana je s porastom temperature transformatora D T odnosom sličnim Ohmovom zakonu:

gdje je R T temperaturni otpor transformatora. Zapravo, P trafo se može smatrati kapacitetom hlađenja transformatora.

Moguće je uspostaviti empirijsku formulu koja izravno povezuje vrijednost toplinskog otpora transformatora s efektivnim magnetskim volumenom V e korištene feritne jezgre. Ova empirijska formula vrijedi za žičane transformatore s RM i ETD jezgrama. Sličan odnos sada je pronađen za planarne transformatore s jezgrama u obliku slova W.

Koristeći ovaj odnos, moguće je procijeniti porast temperature transformatora kao funkciju magnetske indukcije u jezgri. Zbog ograničenog slobodan prostor namota za planarne magnetske komponente preporučuje se koristiti što je više moguće moguće vrijednosti magnetska indukcija.

Uz pretpostavku da polovicu ukupnih gubitaka u transformatoru čine gubici u jezgri, možemo izraziti najveću gustoću gubitaka u jezgri P core kao funkciju dopuštenog porasta temperature transformatora na sljedeći način:

Gubitak snage u našim feritima mjeren je kao funkcija frekvencije (f, Hz), vršne gustoće magnetskog toka (B, T) i temperature (T, °C). Gustoća gubitka jezgre može se približno izračunati pomoću sljedeće formule:

Ovdje su C m, x, y, c t0, ct 1 i ct 2 parametri koji se nalaze aproksimacijom empirijske krivulje gubitaka. Ovi parametri su specifični za određeni materijal. Njihove dimenzije su odabrane tako da na temperaturi od 100 °C CT vrijednost bude jednaka 1.

Tablica 1 prikazuje vrijednosti gore navedenih parametara za nekoliko marki ferita velike snage tvrtke Ferroxcube.

Tablica 1. Parametri aproksimacije za izračun gustoće gubitaka jezgre

Feritni stupanj	f, kHz	Cm	x	g	ct 2	ct 1	ct 0
3C30	20–100	7,13x10 –3	1,42	3,02	3,65x10 –4	6,65x10 –2	4
	100–200	7,13x10 –3	1,42	3,02	4x10 –4	6,8x10 –2	3,8
3C90	20–200	3,2x10 –3	1,46	2,75	1,65x10 –4	3,1x10 –2	2,45
3C94	20–200	2,37x10 –3	1,46	2,75	1,65x10 –4	3,1x10 –2	2,45
	200–400	2x10 –9	2,6	2,75	1,65x10 –4	3,1x10 –2	2,45
3F3	100-300	0,25x10 –3	1,63	2,45	0,79x10 –4	1,05x10 –2	1,26
	300-500	2x10 –5	1,8	2,5	0,77x10 –4	1,05x10 –2	1,28
	500-1000	3,6x10 –9	2,4	2,25	0,67x10 –4	0,81x10 –2	1,14
3F4	500-1000	12x10 –4	1,75	2,9	0,95x10 –4	1,1x10 –2	1,15
	1000-3000	1,1x10 –11	2,8	2,4	0,34x10 –4	0,01x10 –2	0,67

Najveća dopuštena vrijednost Pcore izračunava se pomoću formule (2). Ta se vrijednost zatim supstituira u jednadžbu (3). Sada možemo izračunati najveću dopuštenu magnetsku indukciju Bpeak prepisivanjem jednadžbe (3) na sljedeći način:

Napomena: najveća dopuštena vrijednost B može se pronaći na drugi način - pisanjem kompjuterski program, koji izračunava gubitke snage za slobodan oblik signala prema formuli (3) za zadane vrijednosti parametara aproksimacije. Prednost ovog pristupa je u tome što vam omogućuje izračunavanje gubitaka uzimajući u obzir stvarni oblik moda B, kao i odabir optimalnog stupnja ferita za određeni slučaj.

Određivanjem najveće dopuštene vršne magnetske indukcije, broj zavoja primarnog i sekundarnog namota može se izračunati pomoću poznatih formula, uključujući topologiju pretvarača i vrstu transformatora (na primjer, unatrag i naprijed).

Mora se donijeti odluka o tome kako će se namotaji rasporediti između postojećih slojeva. Struje koje teku u tragovima uzrokovat će porast temperature PCB-a. Zbog raspodjele topline preporuča se rasporediti zavoje namota u vanjskim slojevima simetrično u odnosu na zavoje namota u unutarnjim slojevima.

Riža. 3. B vrh u formulama jednak je polovici zamaha indukcijskih oscilacija u jezgri

Sa gledišta magnetizma, najbolja opcija bila bi izmjenjivati ​​primarne i sekundarne slojeve. To će smanjiti takozvani efekt blizine (vidi stranicu 4). Međutim, mala visina planarnog namota i broj zavoja potrebnih za određenu primjenu ne dopuštaju uvijek odabir optimalne izvedbe.

Iz perspektive troškova, preporučuje se odabir PCB-a sa standardnom debljinom sloja bakra. Uobičajene vrijednosti debljine koje koriste proizvođači PCB-a su 35 i 70 mikrona. Porast temperature u namotu, izazvan strujanjem, značajno ovisi o debljini slojeva bakra.

Sigurnosni standardi kao što je IEC 950 zahtijevaju udaljenost od 400 µm u PCB materijalu (FR2 ili FR4) kako bi se osiguralo odvajanje sekundarnog namota od napajanja. Ako izolacija od mreže nije potrebna, dovoljan je razmak od 200 mikrona između slojeva namota. Osim toga, također je potrebno uzeti u obzir sloj za šablonu - 50 mikrona s obje strane ploče.

Širina staza koje tvore namote određuje se na temelju veličine struje i najveće dopuštene gustoće struje. Udaljenost između zavoja ovisi o proizvodnim mogućnostima i proračunu. Osnovno pravilo je da za tragove debljine 35 µm širina i razmak između tragova trebaju biti veći od 150 µm, a za tragove debljine 70 µm trebaju biti veći od 200 µm.

Ovisno o proizvodnim mogućnostima proizvođača PCB-a, dimenzije mogu biti manje, ali će to najvjerojatnije dovesti do značajnog povećanja cijene PCB-a. Broj zavoja u jednom sloju i razmak između zavoja označeni su redom Nl i s. Zatim, s obzirom na raspoloživu širinu namota bw, širina kolosijeka wt može se izračunati pomoću sljedeće formule (vidi sliku 4):

Riža. 4. Širina kolosijeka wt, razmak kolosijeka s i širina namota b w

Ako je potrebna izolacija od napajanja, situacija se nešto mijenja. Jezgra se smatra dijelom primarnog kruga i mora biti odvojena 400 µm od sekundarnog kruga. Stoga bi put struje curenja između sekundarnih namota blizu lijeve i desne strane jezgre i same jezgre trebao biti 400 μm. U ovom slučaju, širinu kolosijeka treba izračunati pomoću formule (6), budući da se 800 µm mora oduzeti od dostupne širine namota:

U formulama (5) i (6) sve su dimenzije dane u mm.

Određivanje porasta temperature tiskane pločice uzrokovanog strujanjem

Posljednji korak koji treba poduzeti je određivanje porasta temperature u bakrenim tragovima uzrokovanog strujanjem. Da biste to učinili, potrebno je izračunati efektivne (rms) vrijednosti struje na temelju ulaznih podataka i željenih izlaznih parametara. Metoda izračuna ovisi o korištenoj topologiji.

Odjeljak s primjerima daje izračune za standardnu ​​tehnologiju pretvarača naprijed i nazad. Primjer odnosa između rasta temperature i vrijednosti efektivne struje za različite površine poprečnog presjeka vodiča tiskane ploče prikazan je na slici. 5. U slučajevima kada postoji jedan vodič ili gdje induktivnosti nisu preblizu, iz ovog dijagrama može se izravno odrediti širina, debljina i površina poprečnog presjeka vodiča, kao i maksimalni dopuštene struje za različite zadane vrijednosti porasta temperature.

Riža. 5. Odnos između struje, veličine tragova PCB-a i porasta temperature

Nedostatak ove metode projektiranja je što pretpostavlja da je toplina koja se stvara u namotu uzrokovana istosmjernim strujnim tokom, dok u stvarnosti postoji izmjenična struja koja uzrokuje kožne efekte i efekte blizine.

Učinak kože je zbog prisutnosti u vodiču magnetsko polje, koju stvara struja koja teče u samom ovom vodiču. Brza promjena struja (visoke frekvencije) izaziva izmjeničnu indukciju, koja uzrokuje vrtložne struje. Ove vrtložne struje, koje doprinose glavnoj struji, su u suprotnom smjeru od nje. Struja postaje nula u središtu vodiča i kreće se prema površini. Gustoća struje eksponencijalno opada od površine prema središtu.

Dubina površinskog sloja d je udaljenost od površine vodiča u smjeru njegova središta, na kojoj se gustoća struje smanjuje za faktor e. Dubina površinskog sloja ovisi o svojstvima materijala kao što su električna vodljivost i magnetska permeabilnost, a obrnuto je proporcionalna kvadratnom korijenu frekvencije. Za bakar na 60 °C, dubina površinskog sloja može se približno izračunati pomoću sljedeće formule:

Ako se uzme vodič debljine wt manje od 2d, doprinos ovog učinka bit će ograničen. Ovo daje širinu staze manju od 200 µm za 500 kHz. Ako je dostupna veća širina namotaja za potreban broj zavoja, najbolje rješenje s gledišta magnetizma, to će biti njihovo razdvajanje u paralelne staze.

U stvarnim situacijama, vrtložne struje bit će prisutne u vodičima, uzrokovane ne samo promjenom magnetskog polja vlastite struje (skin efekt), već i poljima drugih vodiča koji se nalaze u blizini. Taj se učinak naziva učinak blizine. Ako se primarni i sekundarni sloj izmjenjuju, utjecaj ovog efekta je mnogo manji. Činjenica je da struje u primarnom i sekundarnom namotu teku suprotnih smjerova, tako da se njihova magnetska polja međusobno poništavaju. Međutim, susjedni vodiči na istom sloju ipak će donekle pridonijeti učinku blizine.

Empirijski rezultati

Mjerenja temperature u nekoliko tipova dizajna tiskanih pločica tijekom strujanja namota izmjenične struje pokazuju s razumnom točnošću da na frekvencijama do 1 MHz, svako povećanje frekvencije za 100 kHz daje povećanje temperature PCB-a koje je za 2 °C veće od vrijednosti utvrđenih za slučaj konstantnih struja.

Cilj je projektirati linijski transformator s parametrima navedenim u tablici.

Kao prvi korak, pretpostavka je da na danoj frekvenciji možemo poduzeti veliki značaj vršna magnetska indukcija - 160 mT. Kasnije ćemo provjeriti je li to moguće za zadane vrijednosti gubitka jezgre i porasta temperature.

Primjer 1: Povratni transformator

Tablica 2 prikazuje izračunati broj zavoja za šest najmanjih kombinacija Ferroxcube planarne W-jezgre i ploča. Osim toga, dane su vrijednosti vlastite induktivnosti primarnog namota, širine zračnog raspora i struje, izračunate prema formulama iz okvira 1.

Tablica 2. Proračun projektnih parametara više linijskih transformatora

Jezgra	Ae, mm 2	Ve, mm 3	N1	N2	NIC	G, µm	Ostali izračunati parametri
E-PLT14	14,5	240	63	7,4	7,2	113	L prim = 638 uH
E-E14	14,3	300	63	7,4	7,2	113	I p (rms.) = 186 mA
E-PLT18	39,5	800	23	2,7	2,6	41	I o (rms.) = 1593 mA
E-E18	39,5	960	23	2,7	2,6	41
E-PLT22	78,5	2040	12	1,4	1,4	22
E-E22	78,5	2550	12	1,4	1,4	22

Iz tablice 2. vidljivo je da je potreban broj zavoja primarnog namota za setove jezgri E-E14 i E-PLT14 prevelik da bi se namot mogao izraditi na bazi višeslojne tiskane pločice. Stoga kombinacije E-E18 i E-PLT18 jezgri izgledaju kao najbolja opcija. Zaokruživanje rezultata izračuna za N1, N2 i NIC daje brojeve 24, 3 odnosno 3.

Za određivanje gubitaka u slučaju unipolarnog trokutastog indukcijskog vala s frekvencijom od 120 kHz, vršnom indukcijom od 160 mT i radnom temperaturom od 95 °C, korišten je program temeljen na izrazu (3). Za ferite velike snage 3C30 i 3C90, očekivani gubici u jezgri su 385 mW/cm3 odnosno 430 mW/cm3.

Dopuštena gustoća gubitaka pri D T=35°C je 470 mW/cm3 za E-PLT18 i 429 mW/cm3 za E-E18 (iz izraza (1)).

Zaključak je da se feriti 3C30 i 3C30 mogu koristiti u obje kombinacije jezgri. Feriti slabije kvalitete s većim gubicima snage uzrokovat će preveliki porast temperature.

24 zavoja primarnog namota mogu se simetrično rasporediti na 2 ili 4 sloja. Dostupna širina namota za E-18 jezgre je 4,6 mm. Iz ovoga se vidi da će opcija s dva sloja od po 12 zavoja biti teško izvediva i stoga skupa. Da biste to učinili, morat ćete koristiti vrlo uske staze s vrlo malim usponima. Stoga se odabire opcija s četiri sloja, po 6 okretaja. Manje slojeva u višeslojnom PCB-u rezultirat će nižim troškovima proizvodnje. Stoga ćemo osigurati još 3 zavoja primarnog namota (za IC napon) i 3 zavoja sekundarnog namota, te po jedan sloj za svaki od njih. Dakle, moguće je konstruirati strukturu sa šest slojeva, kao što je prikazano u tablici 3.

Tablica 3. Primjer izvedbe šesteroslojnog transformatora

Sloj	Broj zavoja	35 µm	70 µm
šablona		50 µm	50 µm
primarni	6	35 µm	70 µm
izolacija		200 µm	200 µm
primarni	6	35 µm	70 µm
izolacija		200 µm	200 µm
primarni IC	3	35 µm	70 µm
izolacija		400 µm	400 µm
sekundarni	3	35 µm	70 µm
izolacija		400 µm	400 µm
primarni	6	35 µm	70 µm
izolacija		200 µm	200 µm
primarni	6	35 µm	70 µm
šablona		50 µm	50 µm
UKUPNO		1710 um	1920 µm

Ovisno o količini topline koju stvaraju struje, možete odabrati debljinu bakrenih tragova od 35 mikrona ili 70 mikrona. Potreban je razmak od 400 µm između slojeva primarnog i sekundarnog namota kako bi se osigurala izolacija od mreže. Kombinacija E-PLT18 ima minimalni prozor namotaja od 1,8 mm. To je dovoljno za debljinu staze od 35 mikrona, što daje ukupnu debljinu tiskane ploče od oko 1710 mikrona.

Kako bismo smanjili troškove dizajna, odabrali smo udaljenost između staza od 300 μm. Izračun širine staze sekundarnog namotaja pomoću formule (5) daje rezultat od 1,06 mm, uključujući odvajanje od mreže.

Koristeći dijagram na Sl. 5 i izračunate (vidi tablicu 2) efektivne vrijednosti struje u sekundarnom namotu jednake 1,6 A, dobivamo porast temperature od 25 °C za staze debljine 35 mikrona i oko 7 °C za staze debljine od 70 mikrona.

Pretpostavili smo da porast temperature uzrokovan gubicima namota iznosi otprilike polovicu ukupnog porasta temperature, u ovom slučaju 17,5 °C. Očito, s debljinom traga od 35 mikrona, porast temperature uzrokovan efektivnom strujom od 1,6 A bit će previsok, pa će se morati koristiti tragovi debljine 70 mikrona.

Širina staza zavoja primarnog namota može se izračunati pomoću formule (5). Bit će jednak otprilike 416 mikrona. S ovom širinom staza, efektivna struja od 0,24 A u primarnom namotu vjerojatno neće dovesti do povećanja temperature.

Budući da je frekvencija 120 kHz, očekuje se dodatno povećanje temperature PCB-a od oko 2 °C u usporedbi sa situacijom kada teku samo konstantne struje. Ukupni porast temperature PCB-a uzrokovan samo protokom struje ostat će ispod 10 °C.

Šesteroslojni PCB s tragovima od 70 mikrona mora funkcionirati unutar izračunatih parametara. Nominalna debljina PCB-a bit će oko 1920 mikrona, što znači da standardna kombinacija E-PLT18 W-core i wafera u ovom slučaju neće raditi. Može se koristiti standardna kombinacija E-E18 od dvije jezgre u obliku slova W s prozorom za namatanje od 3,6 mm. No, ovako veliki zavojni prozor ovdje se čini nepotrebnim, pa bi elegantnije rješenje bila jezgra po narudžbi s prozorom od oko 2 mm.

Mjerenja provedena na usporedivom dizajnu s jezgrom od dvije feritne polovice 3C90 u obliku slova W zabilježila su ukupni porast temperature od 28 °C. To je u skladu s našim izračunima koji su dali povećanje temperature od 17,5 °C zbog gubitaka u jezgri i 10 °C zbog gubitaka u namotu.

Veza između primarnog i sekundarnog namota je dobra budući da je induktivitet rasipanja samo 0,6% induktiviteta primarnog namota.

Primjer 2. Prednji transformator

Ovdje je cilj dizajnirati prednji transformator s mogućnošću odabira jednog od četiri omjera transformacije, koji se često koriste u DC-DC pretvaračima male snage. Željene karakteristike prikazane su u gornjoj tablici.

Prvo morate provjeriti jesu li prikladni za ovaj slučaj kombinacije najmanjih veličina jezgri iz standardnog asortimana - E-PLT14 i E-E14. Izračunavanjem najveće dopuštene gustoće gubitaka u jezgri pri porastu temperature od 50 °C, dobivamo 1095 mW/cm3 za E-E14 kombinaciju dviju jezgri u obliku slova W i 1225 mW/cm3 za E-PLT14 kombinaciju W -oblikovana jezgra i ploča. Zatim izračunavamo gustoću gubitka u jezgri pomoću formule (3) u slučaju unipolarnog trokutastog indukcijskog vala s frekvencijom od 500 kHz za nekoliko vrijednosti vršne indukcije.

Dobiveni rezultati pokazuju da su pri vršnoj magnetskoj indukciji od oko 100 mT gubici manji od maksimalno dopuštenih, izračunatih formulom (2). Broj zavoja i efektivne struje izračunavaju se pomoću formula danih u okviru 1. S vršnom gustoćom magnetskog toka od 100 mT i gore navedenim parametrima, ispada da na frekvenciji od 530 kHz E-E14 i E-PLT14 kombinacije su prikladne za upotrebu i broj okreta je prihvatljiv. Rezultati proračuna prikazani su u tablici 4.

Tablica 4. Proračun projektnih parametara nekoliko izravnih transformatora

Jezgra	Vin, V	Vout, V	N1	N2	L prim, µH	I o(ef.) , mA	Slika, mA	I p(ef.), mA
E-PLT14	48	5	14	3,2	690	2441	60	543
	48	3,3	14	2,1	690	3699	60	548
	24	5	7	3,2	172	2441	121	1087
	24	3,3	7	2,1	172	3669	212	1097
E-E14	48	5	14	3,2	855	2441	48	539
	48	3,3	14	2,1	855	3669	48	544
	24	5	7	3,2	172	2441	97	1079
	24	3,3	7	2,1	172	3669	97	1080

Konačno određivanje gustoće gubitaka u jezgri pri radnoj temperaturi od 100 °C za specificirani valni oblik indukcije od 530 kHz daje rezultate od 1030 mW/cm 3 za ferit 3F3 i 1580 mW/cm 3 za ferit 3F4. Očito je da najbolja opcija je 3F3. Porast temperature u jezgri E-PLT14 je:

(izračunata gustoća gubitka u 3F3/dopuštena gustoća gubitka) X 1/2DT = (1030/1225) X 25 °C = 21 °C.

Za kombinaciju E-E14 porast temperature je 23,5 °C. Primarni namot zahtijeva 7 ili 14 zavoja ovisno o ulaznom naponu. U slučaju konvencionalnog izravnog transformatora, isti broj zavoja je potreban za razmagnetiziranje (vraćanje) namota. Kako bi se moglo koristiti 7 ili 14 zavoja i isti broj zavoja za razmagnetizirajući namot, odabran je dizajn s 4 sloja od po 7 zavoja. Kada je potrebno 7 zavoja primarnog i demagnetizirajućeg namota, zavoji dvaju slojeva spajaju se paralelno. To će imati dodatni učinak - prepoloviti gustoću struje u zavojitim stazama.

Kada je potrebno 14 zavoja primarnog i demagnetizirajućeg namota, zavoji dvaju slojeva spojeni su u seriju tako da efektivni broj zavoja postane 14.

Dostupna širina namota za jezgru E-14 je 3,65 mm. Za ekonomičan dizajn s razmakom staza od 300 µm, širina staze pri 7 zavoja po sloju je 178 µm.

Debljina staza trebala bi biti 70 mikrona, budući da će pri ulaznom naponu od 24 V efektivna struja u primarnom namotu biti oko 1,09 A. To daje (vidi tablicu 2) efektivnu širinu staze od 356 mikrona (širina se udvostručuje kao rezultat paralelna veza dijelovi za namatanje pri korištenju 7 zavoja) porast temperature od 15 °C. Ulazni napon od 48 V proizvest će efektivnu struju od približno 0,54 A.

U tom će slučaju doprinos gubitaka u namotu ukupnom porastu temperature biti oko 14 °C sa širinom staze od 178 μm (14 zavoja povezanih u seriju).

Širina staze od 178 µm s razmakom od 300 µm za debljinu staze od 70 µm malo odstupa od našeg osnovnog pravila (razmak staza i širina staze > 200 µm). To može dovesti do malo viših troškova proizvodnje višeslojnih PCB-a. Sekundarni namot zahtijeva 3 ili 2 zavoja. Kada je jedan sloj dodijeljen svakom od zavoja, širina staze je 810 odnosno 1370 µm. Efektivne sekundarne struje od 2,44 i 3,70 A uzrokuju porast temperature u namotima od približno 25 °C, što je previsoko s obzirom na porast temperature u primarnim namotima. U ovom slučaju, najbolje rješenje bi bilo korištenje 2 sloja za oba namota. Kada se ti slojevi, od kojih svaki ima 3 zavoja, povežu paralelno, gustoća struje se prepolovi. Od sl. 5, može se odrediti da će doprinos gubitaka namota ukupnom porastu temperature u ovoj situaciji biti oko 6 °C. Ukupni porast temperature u PCB-u bit će približno 21 °C plus dodatni porast uzrokovan gubicima na naizmjenična struja. Budući da je frekvencija 500 kHz, potrebno je dodati još oko 10 °C, što znači da će se temperatura PCB-a povećati za 31 °C.

Broj zavoja i širina za svaki sloj ovog dizajna dani su u tablici 5. Najmanje jedan sloj, naznačen u tablici kao dodatni, potreban je za izradu veza. Međutim, to će nam dati ukupno 9 slojeva, što je u smislu proizvodnje isto što i 10 slojeva (sljedeći parni broj). Iz tog razloga, gornji i donji sloj PCB-a koriste se kao dodatni slojevi - također zato što daje dodatna korist: gustoće struje u stazama su prepolovljene. Tragovi na ovim slojevima povezuju se s tragovima u unutarnjem sloju kroz rupe obložene bakrom i "dovode" ulaze i izlaze primarnog i sekundarnog namota na dvije strane tiskane ploče. Ovisno o tome kako su spojeni ulazi i izlazi na primarnoj i sekundarnoj strani, možete dobiti 4 različita značenja omjer transformacije.

Tablica 5. Primjer 10-slojnog dizajna

Sloj	Broj zavoja	70 µm
šablona		50 µm
dodatni sloj		70 µm
izolacija		200 µm
primarno demagnetiziranje	7	70 µm
izolacija		200 µm
primarni	7	70 µm
izolacija		200 µm
sekundarni	3	70 µm
izolacija		200 µm
sekundarni	2	70 µm
izolacija		200 µm
sekundarni	2	70 µm
izolacija		200 µm
sekundarni	3	70 µm
izolacija		200 µm
primarni	7	70 µm
izolacija		200 µm
primarno demagnetiziranje	7	70 µm
izolacija		200 µm
dodatni sloj		70 µm
šablona		50 µm
UKUPNO:		2600 µm

Ukupna nominalna debljina PCB-a bit će približno 2,6 mm, što premašuje dostupni prozor za namatanje E-PLT14 kombinacije jezgri od 1,8 mm. Kombinacija E-E14 može se koristiti, ali ima minimalni prozor za namatanje od 3,6 mm - mnogo veći od onoga što je stvarno potrebno. Uspješnije rješenje bila bi nestandardna jezgra sa smanjenom veličinom prozora.

Mjerenja temperature ovog PCB-a napravljena su pomoću termoparova pod različitim uvjetima. Za testiranje smo koristili opciju konverzije 24/5 V, koja daje najveće gustoće struje. Prvo, istosmjerne struje jednake izračunatim odvojeno su dovedene na primarni i sekundarni namoti. Istosmjerna struja u primarnom namotu od 1079 mA dovela je do porasta temperature od 12,5 °C, a struja u sekundarnom namotu od 2441 mA dovela je do porasta temperature od 7,5 °C. Kao što se moglo očekivati, kada su obje struje dovedene na PCB u isto vrijeme, porast temperature je bio 20°C.

Gornji postupak ponovljen je za izmjenične struje nekoliko frekvencija s efektivnim vrijednostima jednakima izračunatim. Na frekvenciji od 500 kHz ukupni porast temperature u tiskanoj ploči iznosio je 32 °C. Najveće dodatno povećanje temperature (7 °C) uzrokovano AC gubicima primijećeno je u sekundarnim namotima. To je i logično, budući da je utjecaj skin-efekta izraženiji u širokim tračnicama sekundarnih namota nego u uskim tračnicama primarnih namota.

Na kraju, mjerenja temperature su provedena sa standardnim jezgrama (kombinacija E-E14) instaliranim na tiskanoj ploči pod uvjetima koji odgovaraju uvjetima rada izravnog transformatora. Porast temperature tiskane pločice bio je 49 °C; maksimalna točka zagrijavanja jezgre bila je na njenoj gornjoj strani i tamo je temperatura iznosila 53 °C. Porast temperature od 49 °C i 51 °C uočen je u središnjem dijelu jezgre, odnosno u vanjskom dijelu.

Kao što su izračuni predviđali, ovaj dizajn je donekle kritičan za set od dvije jezgre u obliku slova W, budući da je temperatura na maksimalnoj točki zagrijavanja zabilježena na 53 °C, što je iznad 50 °C. Međutim, kada se koriste ravnije (nestandardne) jezgre W-oblika, temperatura je unutar prihvatljivih granica.

U sljedećem članku ćemo pogledati primjer izračuna 25-vatnog DC/DC pretvarača koji se temelji na planarnom transformatoru.

Književnost

1. Mulder S. A. Bilješka o primjeni dizajna visokofrekventnih transformatora niskog profila. Ferroxcube komponente. 1990. godine.
2. Mulder S. A. Formule gubitaka za ferite snage i njihova uporaba u projektiranju transformatora. Philips komponente. 1994. godine.
3. Durbaum Th., Albach M. Gubici u jezgri transformatora s proizvoljnim oblikom struje magnetiziranja. EPE Sevilla. 1995. godine.
4. Brockmeyer A. Eksperimentalna procjena utjecaja istosmjernog predmagnetiziranja na svojstva ferita energetske elektronike. Tehnološko sveučilište u Aachenu. 1995. godine.
5. Tehnička napomena Ferroxcube Components. 25 W DC/DC pretvarač koji koristi integriranu planarnu magnetiku. 9398 236 26011. 1996. god.

Planarni transformatori su izvrsna alternativa standardnim transformatorima i žičanim prigušnicama. Osnova za planarne transformatore su višeslojne tiskane ploče.

Danas razvoj planarnih transformatora zahtijeva korištenje komponenti minimalnih dimenzija, jer se dimenzije elektronike stalno smanjuju.

Planarni energetski transformatori

Dizajn planarnih energetskih transformatora može se izvesti ili s komponentama koje se nalaze preko ploče, kao što su jednoslojne ili male višeslojne ploče, ili kao višeslojne tiskane ploče.

Prednosti planarnih transformatora:

• male su veličine;
• imaju izvrsne temperaturne karakteristike;
• imaju nisku induktivnost curenja;
• imaju odličnu ponovljivost svojstava.

Zbog većeg omjera površine jezgre i njezinog volumena, toplinski otpor takvih uređaja može biti 2 puta manji nego kod konvencionalnih transformatora namotanih žicama.

Slika 1. Dizajn planarnih transformatora

Zbog toga, zbog svog povećanog kapaciteta hlađenja, planarni transformatori mogu podnijeti veću gustoću propusne snage, dok zadržavaju porast temperature unutar prihvatljivih granica.

Planarni transformatori na bazi višeslojnih tiskanih pločica

Što se tiče poluvodičkih komponenti, uključujući i one pasivne, u koje spadaju kondenzatori i otpornici, postoji prilično širok izbor.

Međutim, pričati ćemo danas o planarnim transformatorima.

Tipično, u mnogim slučajevima, dizajneri koriste standardne transformatore i prigušnice koje su namotane žicom. Ali mi ćemo opisati planarne transformatore (PT) temeljene na višeslojnim pločama.

Budući da cijena višeslojnih ploča ima tendenciju smanjenja, planarni transformatori postupno zamjenjuju konvencionalne. Pogotovo u slučajevima kada je potrebna mala magnetska komponenta.

U tehnologiji proizvodnje planarnih transformatora, namoti se igraju stazama na tiskanoj pločici ili dijelovima bakra koji su tiskani i odvojeni različitim slojevima izolacijskog materijala.

Namoti se također mogu izraditi od višeslojnih ploča. Postavljeni su između malih feritnih jezgri.

Što se tiče dizajna planarnih transformatora, oni se mogu podijeliti u nekoliko tipova.

• Montirane planarne komponente – najbliže su konvencionalnim induktivnim komponentama. Mogu zamijeniti konvencionalne dijelove na jednoslojnim ili višeslojnim tiskanim pločama. Visina zglobne planarne komponente može se smanjiti uranjanjem jezgre u izrez tiskane pločice. U ovom slučaju, namot bi trebao ležati na površini ploče.
• Hibridni tip planarnih transformatora. Ova vrsta uključuje ugradnju dijela namota u matičnu ploču. Istodobno, drugi dio namota nalazi se na višeslojnoj tiskanoj ploči, koja je spojena na matičnu ploču. Ali u ovom slučaju matična ploča mora imati rupe za feritnu jezgru.
• Namot je potpuno integriran u višeslojnu tiskanu ploču. Polovice jezgre spajaju se lijepljenjem ili stezanjem. Sve ovisi o preferencijama kupca i proizvođača.

Prednosti planarne tehnologije

U usporedbi s konvencionalnim namotavanjem žice, planarna tehnologija za proizvodnju magnetskih komponenti ima brojne prednosti.

Planarni transformatori našli su svoju prvu primjenu u pretvorbi energije. U tu svrhu korišteni su srednje i visokofrekventni feriti u planarnim transformatorima. Možete kupiti planarni transformator od proizvođača.

Ako ste zainteresirani za razvoj prilagođenih planarnih transformatora, tada možete induktivirati induktor zaštita od prenapona može se povećati zamjenom snažnog ferita materijalima s visokom magnetskom propusnošću.

U prijenosu impulsnog signala, širokopojasni transformator smješten između IC generatora impulsa i kabela osigurava odvajanje i usklađivanje impedancije. U slučaju S- ili T-sučelja, također mora biti ferit s visokom magnetskom propusnošću.

Nedavno mi se obratila tvrtka koja je trebala razviti liniju LED drajvera. Neću imenovati ime tvrtke i karakteristike performansi vozača; nisam potpisao NDA, ali etika je etika. Činilo se to kao normalna narudžba za vozača, skupljalo ih se na desetke godišnje, ali postojala su dva međusobno isključiva zahtjeva: cijena I dimenzije.

Zadatak je jednostavan sa stajališta dizajna sklopa, ali sa stajališta proizvodnje i dizajna pokazao se vrlo zanimljivim. I tako - bilo je potrebno proizvesti mrežni upravljački program za LED s korektorom faktora snage (snage oko 100 W), koji cijena je bila oko 3 dolara na seriju i imao dimenzije visine ne više od 11 mm! Mnogi će reći: “Koji je problem napraviti jeftin vozač?”, ali jeftin neće ići, jer još jedan uvjet - moguće je davati bez straha 5 godina jamstva. I tu počinje zabava.

Odabir topologije i dizajna sklopa je napravljen, sve se uklopilo u dimenzije i cijenu, ali tako divnu sliku pokvario je “klasični” transformator. Ogroman je, skup je, tehnološki ga je teško proizvesti. Ostao je riješiti posljednji problem, a nakon dva dana razmišljanja i računanja ustanovljeno je - planarni transformator.

Ako vas zanima kakav je izbor napravljen, na kojim se argumentima temeljio i kako smo uspjeli postići da cijena transformatora bude manja od 0,5 dolara, onda vas pozivam na podcast. Pa, da poboljšam vaš "apetit", prilažem fotografiju gotovog transformatora:

Glavni nedostaci “klasičnih” transformatora

Mislim da nije tajna kako izgleda obični transformator, ali što ako je netko propustio posljednjih 150 godina Industrijska revolucija, pa da te podsjetim:

Ovako izgleda obični transformator, namotan na okvir iz jezgre RM12. Zašto je tako loš? Za to postoji nekoliko razloga, a neki od njih gube na važnosti određene zadatke ah, ali priča će biti ispričana u kontekstu zadatka koji me čeka. A evo i glavnih:

• Visina.Čak i osoba sa slabijim okom može okvirno procijeniti veličinu transformatora na fotografiji i s pouzdanjem reći: "Sigurno je veći od 11 mm." Doista, visina transformatora na RM12 je oko 24 mm, što je više od 2 puta više od potrebne vrijednosti
• Mogućnost izrade. Kad treba namotati 1-2 transformatora, uzmeš okvir, žicu i namataš. Kada trebate namotati 100–200 komada, možete naručiti namotavanje u svojoj zemlji, cijena je još uvijek razumna. Kada trebate namotati 10.000 komada, a zatim još 50.000, tada se pojavljuje puno nijansi: cijena, kvaliteta, odabir drugog izvođača u Aziji. Sve to povećava konačnu cijenu proizvoda, kada samo trebam super jeftino i vrlo kvalitetno.
• Ponovljivost. Vrlo je teško namotati i sastaviti dva identična transformatora, nemoguće je napraviti 10.000 identičnih transformatora. To sam više puta iskusio na vlastitoj koži, pogotovo ako govorimo o o proizvodnji u SA. Sada zamislite
  da ćete ovih 10 000 transformatora morati "turpijati" tijekom završne montaže. Predstavljeno? Jeste li se osjećali tužno zbog količine uključenog rada, a samim time i zbog cijene? Mislim da ima.
• Cijena. Ovo je općenito vrlo teška točka, ali pogledajmo gornju fotografiju i vidimo da nam je za sastavljanje klasičnog transformatora potreban okvir, jezgra, spajalice, bakrena žica, izolacija i sve to ručno ili na poluautomatskom stroju. Recimo da sve ovo košta "X dolara". Za izradu planarnog transformatora potrebna vam je samo jezgra. Mislim da je ovdje očito da je 1 dio očito jeftiniji od 1 identičnog dijela + još 4 komponente?

U ovom trenutku vas vjerojatno muči: "Ako je sve tako loše, zašto su onda obični transformatori tako česti?" Malo prije sam rekao da neki od ovih nedostataka u određenim zadacima nisu nedostatak. Na primjer, ako otvorite UPS on-line, vidjet ćete da transformator nije najveći element tamo. A ako sastavljate male serije do 100–200 uređaja mjesečno, tada će se trošak vjerojatno izjednačiti, jer U Rusiji se već može napraviti 100–200 komada ili možete unajmiti motalicu, kupiti kineski stroj ili ga sami napraviti za 100–200 tisuća rubalja. i uživati ​​u životu.
A možda glavno mjesto gdje planarni transformatori neće istisnuti konvencionalne su pretvarači s nazivna snaga više od 2000 W.

Planarni dizajn transformatora

Na prvoj slici vidite ovu vrstu transformatora već sastavljenu, izgled je vrlo neobičan, zar ne? Iako su ljudi koji su otvorili moderne televizore i punili prijenosna računala (ne jeftine) vjerojatno već vidjeli takve transformatore ili slične.

Planarni transformatori mogu se izraditi u različitim izvedbama; koliko ja znam, nema jasne klasifikacije, ali ja ih dijelim u 2 tipa:

Koja god vrsta planarnog transformatora u pitanju, imaju jednu zajedničku stvar - svi namoti su izrađeni u obliku bakrenih staza na tiskanoj pločici.

Odlučite li se pobliže upoznati s ovom tehnologijom i uputite se na Google, vjerojatno ćete u mnogim člancima naići na frazu: “... i konačno u posljednjih godina planarni transformatori postali su pristupačni. To je zbog činjenice da višeslojne ploče su pale u cijeni." Kad sam dizajnirao svoj prvi planarni transformator, 2010.–2011., ova me fraza zbunila. Naivno sam mislio da se planari izrađuju isključivo na višeslojnim tiskanim pločicama. U to sam vrijeme još studirao na sveučilištu i iako sam radio i dobivao dobru stipendiju, ovakav pansion mi financijski nije bio previše pristupačan. Razmislio sam o tome i odlučio napraviti svoj Facebook!!! Kako bi smanjio troškove ove tehnologije, kako se kasnije pokazalo, smislio je bicikl.

Suština smanjenja troškova bila je korištenje "kolača" od nekoliko dvoslojnih tiskanih pločica mala debljina(0,8 ili 1 mm). Činilo mi se briljantnim i jednostavna rješenja. Jedini problem je bio što sam kao i uvijek gledao rješenja vrhunskih tvrtki koje se bave energetskom elektronikom kao što su Texas Instruments, Linear, Infineon, Murata i oni su koristili tiskane pločice sa 6-8 slojeva, a 2010. su čak imali su standardnu ​​klasu 4 (0,15/0,15 mm) bili su vrlo skupi. Onda je ispalo da sam pozvan na ljetnu praksu dobro društvo i tamo su mi rekli i pokazali da već 10 godina rade takve "pite" za planarne transformatore. Isto su učinile i druge tvrtke niže rangirane od TI-ja i Infineona. Glavna stvar je ideja je bila ispravna a takva je odluka ne samo ispravna nego i provjeren vremenom.

Svi elementi "kolača" su obične dvoslojne ploče standardne klase točnosti, što znači da su jaaaako jeftine i može ih proizvesti svaki proizvođač tiskanih ploča. Elementi "pita" planarnog transformatora izgledaju ovako:

Kao što vidite, u mom transformatoru postoje samo 3 elementa, iako bi ih moglo biti više. Zašto 3? Prema mojim izračunima, da bih dobio potrebnu induktivnost u primarnom namotu, trebat će mi 6 slojeva. 2 sloja daju mi ​​glavnu ploču + ​​2 sloja "komad pite" + 2 sloja "komad pite". Sekundarni namot se uklapa u samo 2 sloja, što je još jedan "komad kolača". Kao rezultat toga, ima hrpu od 4 dvoslojne tiskane ploče. Daljnja aritmetika je još jednostavnija: koristim jezgru ELP18/4/10, što znači da je udaljenost za "namote" 4 mm. Ovu udaljenost podijelimo s brojem ploča: 4 mm / 4 ploče = 1 mm - debljina svake tiskane pločice. Jednostavno je!

Ako odjednom ne razumijete odakle je došao razmak od 4 mm, ovdje možete pogledati podatkovnu tablicu za jezgru. A za one kojima nije ugodno pratiti linkove ili ne žele trošiti promet na veliki pdf, mali isječak:

Kao što vidite, veličina prozora jezgre na jednoj polovici je 2 mm, a na drugoj polovici je također 2 mm. Dobivamo ukupnu visinu prozora - 4 mm.

Sada možete shvatiti od čega se sastoji trošak planarnog transformatora. Zapravo, postoje samo 2 komponente: jezgra i 3 tiskane pločice. Jezgra košta 0,14$ u veleprodaji, 3 tiskane pločice koštaju 0,11$ svaka, također u seriji. Dobivamo 0,47 dolara za cijenu samog transformatora. Masu za lijepljenje jezgri ovdje nisam uvrstio jer... ako njegovu cijenu rasporedite na cijelu seriju, onda to ne iznosi čak ni 1 cent, a nisam računao rad na montaži. Rad se ne uzima u obzir iz jednog jednostavnog razloga - transformator se sastavlja u fazi ručne instalacije, au Aziji košta peni. Za usporedbu, lemljenje 2 tranzistora u paketu TO-220 košta isto kao i instaliranje planarnog transformatora, to jest, trošak je opet minijaturan. Ovako dobivamo broj 0,5$ za 1 transformator do 100 W.

Malo o mojim rezultatima... Uspio sam se uklopiti u visinske gabarite i još bolje - umjesto maksimalnih 11 mm dobio sam 9,6 mm. S jedne strane, to je jedva vidljivo, ali u praksi je to smanjenje veličine za oko 13%. Štoviše, glavnu visinsku dimenziju više nije određivao transformator, već elektrolitički SMD kondenzatori na ulazu i izlazu.
Što se tiče troškova, ne mogu vam reći točnu brojku, ali uspjeli smo ispuniti zahtjev. Ovdje vrijedi istaknuti napore samog kupca; uspio je pronaći dobavljače koji su za velike serije mogli dati cijene na istoj razini, a ponekad čak i nešto niže, nego za digikey. Moja osobna zasluga je što sam riješio tehnički problem i to jeftino, a sam kupac super jeftino bez gubitka kvalitete.

Tehničke mogućnosti koje nudi planarni transformator

Nadalje, moj članak poprima više tehnički karakter nego narativni, a ako vas ne zanima energetska elektronika, suhoparni izračuni i druge gadne stvari, možete prestati čitati dalje i prijeći na rasprave u komentarima. Neće biti više lijepih slika. Ako planirate usvojiti ovu tehnologiju za sebe, onda je sve tek počelo za vas.

Kako biste mogli jasnije procijeniti puni potencijal ove vrste transformatora, mogu reći da u Ovaj projekt, na jednom paru jezgri ELP18/4/10 uspio sam sagraditi rezonantni pretvarač snage 65 W. Sada pogledajte njegove ukupne dimenzije, nije li loš za tako malu stvar?

Metoda proračuna planarnog transformatora

Postoji dosta metoda koje vam omogućuju izračunavanje ove vrste transformatora. Istina, glavna literatura, uključujući znanstvenu, uglavnom je na engleskom, njemačkom i kineski. Isprobao sam nekoliko u praksi, svi su preuzeti iz izvora na engleskom jeziku i svi su pokazali prihvatljive rezultate. U procesu rada tijekom nekoliko godina, napravio sam male prilagodbe koje su mi omogućile da malo povećam točnost izračuna, a to je tehnika koju ću vam demonstrirati.

Nemam nikakvih ambicija za njegovu jedinstvenost, a također ne jamčim da su njegovi rezultati dovoljno točni u svim frekvencijskim i rasponima snaga. Stoga, ako ga planirate koristiti na poslu, budite oprezni i uvijek pratite primjerenost rezultata.

Proračun planarnog transformatora

Prilikom izračuna bilo kojeg transformatora, prvo što trebate učiniti je pronaći maksimalna vrijednost magnetska indukcija. Gubici u jezgri i u bakrenim vodičima dovode do zagrijavanja transformatora, pa se proračuni moraju napraviti u odnosu na najveće dopušteno pregrijavanje transformatora. Potonji se odabire na temelju radnih uvjeta i zahtjeva za uređaj.

Donosimo empirijsku pretpostavku u kojoj pretpostavljamo da polovica ukupni gubici na transformatoru to su gubici u jezgri. Na temelju ove pretpostavke izračunavamo maksimalnu gustoću gubitaka u jezgri pomoću empirijske formule:

Gdje je vrijednost efektivnog magnetskog volumena V.E. preuzeto iz dokumentacije za jezgru u [cm 3], maksimalna vrijednost pregrijavanja ΔT odabire se na temelju izračuna (na primjer, obično uzimam u obzir 50-60 stupnjeva). Dimenzija rezultirajuće vrijednosti je [mW/cm 3 ].

Imajte na umu da su mnoge formule koje opisujem dobivene empirijski. Drugi su napisani u konačnom obliku bez opisa njihovog matematičkog izvođenja. Za one koji su zainteresirani za podrijetlo potonjeg, savjetujem vam da se jednostavno upoznate sa stranom literaturom o magnetskim materijalima, na primjer, tu su i knjige Epcos-a i Ferroxcube-a.

Sada, znajući maksimalnu gustoću gubitaka u jezgri, možemo izračunati maksimalnu vrijednost induktiviteta pri kojoj temperatura pregrijavanja neće premašiti projektiranu.


Gdje SM, ST, x, g- parametri dobiveni empirijski metodom aproksimacije krivulje gubitaka, te f- učestalost pretvorbe. Možete ih dobiti na dva načina: obradom podataka (grafova) iz dokumentacije za svoju jezgru ili konstruiranjem ovih grafova sami. Posljednja metoda omogućit će vam da dobijete točnije podatke, ali trebat će vam punopravna termalna kamera.

Kao primjer, podijelit ću s vama ove vrijednosti za jezgre izrađene od materijala Epcos N49, njegov analog iz Ferrocubea također je popularan i pristupačan materijal 3F3. Oba materijala omogućuju jednostavnu izradu pretvarača s rezonantnom frekvencijom do uključivo 1 MHz. Također je vrijedno napomenuti da ovi parametri ovise o frekvenciji, ovi brojevi su za frekvencije 400–600 kHz. Ovo je najpopularniji frekvencijski raspon i materijal koji koristim.

• CM = 4,1×10–5
• ST = 1,08×10–2
• x = 1,96
• y = 2,27

Dalje, vrijedi zapamtiti drugu komponentu gubitaka u transformatoru - gubici bakrenog namota. Izračunavaju se lako, prema omiljenom nam Ohmovom zakonu, u kojem smo dodatno uzeli u obzir sasvim logične točke: struja nam je pulsna i ne teče 100% vremena, odnosno radnog ciklusa. Neću vam reći kako izračunati otpor bakrenog namota na temelju njegove geometrije, to je previše trivijalno, ali vjerojatno ću vas podsjetiti na opću formulu:

Gubici bakra izračunavaju se za svaki namot zasebno, a zatim zbrajaju. Sada znamo gubitke u svakom sloju "kolebe" i u jezgri. Zainteresirani mogu simulirati pregrijavanje transformatora, primjerice, u Comsolu ili Solidworks Flow Simulation.

Nastavljajući temu bakrenih vodiča, prisjetimo se takvog fenomena kao učinak kože. Ako to objasnite "na prstima", onda je to učinak kada se, s povećanjem frekvencije struje koja teče u vodiču, struja "istiskuje" iz vodiča (od središta prema površini) druga struja - vrtlog.
Govoreći više znanstveno, kao rezultat protoka izmjenične struje u vodiču, inducira se izmjenična indukcija, koja opet uzrokuje vrtložne struje. Ove vrtložne struje imaju suprotan smjer od naše glavne struje i ispada da se one međusobno oduzimaju i u središtu vodiča ukupna struja je nula.
Logika je jednostavna - što je veća frekvencija struje koja teče, to je veći skin efekt i manji efektivni presjek vodiča. Njegov utjecaj može se smanjiti optimizacijom geometrije namota, njihovim paraleliziranjem i drugim metodama koje vjerojatno zaslužuju, ako ne cijelu knjigu, onda veliki zaseban članak.
Za naše izračune dovoljno je grubo procijeniti utjecaj skin efekta pomoću druge empirijske formule:

Gdje ∆δ - debljina zone nulte struje, f- frekvencija pretvarača. Kao što vidite, ovaj učinak u potpunosti ovisi o frekvenciji prebacivanja.

Sada izračunajmo koliko nam zavoja i drugih stvari treba da napravimo transformator s izravnim pogonom. Prije svega, izračunavamo koliko zavoja trebamo u primarnom namotu:

Gdje je Umin minimalni ulazni napon, D je radni ciklus, f je radna frekvencija, Ae je efektivni poprečni presjek jezgre. Sada računamo broj zavoja za sekundarni namot:

Gdje je N1 broj zavoja u primarnom namotu, D je radni ciklus, Uout je nominalni izlazni napon, Umin - minimalni ulazni napon.

Sljedeći korak je izračunati induktivitet primarnog namota. Budući da struja u namotu ima impulsni odziv, ovisit će i o induktivitetu. Izračunavamo ga pomoću sljedeće formule:

Gdje je μ0 efektivna magnetska permeabilnost, μa je amplitudna magnetska permeabilnost, Ae je efektivni presjek jezgre, N1 je broj zavoja u primarnom namotu, Ie je efektivna duljina puta. Parametre koji nedostaju, kao što su propusnost i duljina magnetske linije, možete pronaći u dokumentaciji za određenu jezgru.

Sada posljednji korak koji trebamo poduzeti je izračunati struju u primarnom namotu. To će omogućiti naknadno izračunavanje poprečnog presjeka za primarni namot i, sukladno tome, širinu vodiča. Trenutna vrijednost je zbroj dviju komponenti i izgleda ovako:


Ovdje se čini da su sve komponente formule već poznate i izračunate, jedino što ću napomenuti je parametar Pmax. To nije samo nazivna izlazna snaga puna moć pretvarač uzimajući u obzir učinkovitost barem približno (obično postavljam 95–97% za rezonantni pretvarači) i rezervu koju ste stavili u uređaj. U mojim uređajima obično postoji rezerva snage od 10%, u posebno kritičnim uređajima i jedinicama ponekad je potrebno osigurati rezervu od 20-25%, ali to povećava cijenu.

Tako smo dobili sve parametre koji su potrebni za proračun i dizajn planarnog transformatora. Naravno, morat ćete sami izračunati presjek namota, ali ovo je elementarna aritmetika, s kojom ne želim zatrpati članak. Sve ostalo je već izračunato i preostaje samo dizajnirati ploče u nekom CAD softveru.

Poanta

Nadam se da će vam moj članak pomoći da počnete koristiti planarne transformatore kako u kućnim tako iu komercijalnim projektima. Ovu tehnologiju treba pažljivo koristiti jer ovisno o zadatku može biti skuplja od “klasičnih” transformatora.

Također, nedvojbeno, uporaba planarnih transformatora otvara nove tehničke mogućnosti, a moderni Mosfeti i novi GaN tranzistori samo tome pridonose, omogućujući stvaranje pretvarača s frekvencijama od 400 kHz i više. Međutim, cijena ovih "mogućnosti" nije uvijek dovoljno niska, a projektiranje rezonantnih pretvarača na takvim frekvencijama zahtijeva veliki skup znanja i iskustva.

Ali nemojte se uzrujavati! Svatko od vas, čak i početnik elektroničar, može sastaviti jednostavnije topologije, na primjer, ZVS most (puni most). Ova topologija omogućuje vrlo visoku učinkovitost i ne zahtijeva nikakvo super-tajno znanje. Samo trebate napraviti prototip ili maketu i temeljito eksperimentirati. Sretno u istraživanju novih horizonata!

pročitano 14146 puta

Stalno smanjenje veličine elektroničkih proizvoda, posebice mobilnih uređaja, dovodi do činjenice da su programeri prisiljeni koristiti komponente minimalnih dimenzija. Za poluvodičke komponente, kao i one pasivne kao što su otpornici i kondenzatori, izbor je prilično velik i raznolik. Razmotrit ćemo zamjenu male veličine za drugi pasivni element - transformatore i prigušnice. U većini slučajeva dizajneri koriste standardne transformatore i induktore namotane žicom. Razmotrit ćemo prednosti planarnih transformatora (PT) temeljenih na višeslojnim tiskanim pločama. Trošak višeslojnih tiskanih ploča stalno se smanjuje, tako da će planarni transformatori biti dobra zamjena za konvencionalne.

Planarni transformatori su atraktivna alternativa konvencionalnim transformatorima kada su potrebne male magnetske komponente. Kod planarne tehnologije izrade induktivnih komponenti ulogu namota mogu imati staze na tiskanoj pločici ili dijelovi bakra naneseni tiskanjem i odvojeni slojevima izolacijskog materijala, a osim toga namoti mogu biti konstruirani od višeslojnih tiskane ploče. Ti se namoti nalaze između malih feritnih jezgri. Planarne komponente se prema dizajnu dijele na nekoliko vrsta. Najbliže konvencionalnim induktivnim komponentama su zidne planarne komponente, koje se mogu koristiti umjesto konvencionalnih dijelova na jednoslojnim i višeslojnim tiskanim pločama. Visina nadzemne komponente može se smanjiti uranjanjem jezgre u izrez tiskane pločice tako da namot leži na površini pločice. Korak naprijed je hibridni tip, gdje su neki od namotaja ugrađeni u matičnu ploču, a neki su na zasebnoj višeslojnoj tiskanoj ploči koja je spojena na matičnu ploču. Matična ploča mora imati rupe za feritnu jezgru. Konačno, s potonjom vrstom planarnih komponenti, namot je potpuno integriran u višeslojni PCB.

Kao i kod uobičajenih komponenti namotanih žicom, polovice jezgre mogu se spojiti lijepljenjem ili stezanjem, ovisno o mogućnostima i preferencijama proizvođača. FERROXCUBE nudi širok raspon ravnih jezgri u obliku slova W za različite primjene.

Prednosti planarne tehnologije

Planarna tehnologija za proizvodnju magnetskih komponenti ima brojne prednosti u usporedbi s konvencionalnim namotavanjem žice. Prvi očita prednost je vrlo niske visine, što čini planarne komponente obećavajućim za upotrebu u rack-mount i prijenosnoj opremi s velikom gustoćom ugradnje.

Planarne magnetske komponente dobro su prikladne za razvoj visokoučinkovitih sklopnih pretvarača snage. Niski gubici bakra na izmjeničnoj struji i visoki koeficijent sprege pružaju više učinkovita transformacija. Zbog niskog induktiviteta rasipanja smanjeni su udari i fluktuacije napona koji su uzrok kvara MOS komponenti i dodatni izvor smetnji.

Planarna tehnologija je jednostavna i pouzdana u proizvodnji. Tablice 1-3 opisuju prednosti i ograničenja ove tehnologije.

Tablica 1. Razvojne koristi

Tablica 2. Prednosti proizvodnje

Tablica 3. Ograničenja

(1) Cijena višeslojnih PCB-a se smanjuje. Ukupni troškovi: nije potreban okvir, manja veličina jezgre.

Integrirane naspram plug-in komponenti

Integrirane planarne komponente koriste se u primjenama gdje složenost okolnih strujnih krugova zahtijeva upotrebu višeslojnog PCB-a. Tipične primjene su pretvarači male snage i uređaji za obradu signala. Uglavnom koriste kombinaciju jezgre u obliku slova W i male ploče. Glavni zahtjevi za dizajn ovdje su mala visina i dobre visokofrekventne karakteristike.

• Priključne komponente koriste se drugačije. Tipične primjene su pretvarači velike snage; Uglavnom koriste kombinaciju dvije velike jezgre u obliku slova W. Glavni zahtjevi za dizajn ovdje su toplinska izvedba. Dizajn namota ovisi, posebno, o veličini struje.

Uranjanje pričvršćenih komponenti u ploču omogućuje smanjenje visine sklopa bez mijenjanja položaja komponenti.

Hibridne komponente smanjuju broj nadzemnih namota kroz tragove na tiskanoj pločici, au integriranoj verziji nadzemnih namota uopće nema. Moguće su i kombinacije ova dva tipa. Na primjer, pretvarač snage može imati primarni namot transformatora i prigušnicu mrežnog filtra ugrađenu u matičnu ploču, a sekundarni namot i izlaznu prigušnicu na zasebnim tiskanim pločama (slika 3).

Lijepljenje naspram stezanja

Izbor između lijepljenja i stezanja uvelike ovisi o mogućnostima i preferencijama proizvođača, ali postoje i zahtjevi specifični za primjenu koji mogu odrediti jedno ili drugo kao poželjnije.

Prva primjena planarnih transformatora bila je pretvorba snage. U skladu s tim, korišteni su snažni feriti srednje i visoke frekvencije. Induktivitet prigušnice mrežnog filtra može se povećati zamjenom snažnog ferita materijalom visoke magnetske propusnosti. U prijenosu impulsnog signala, širokopojasni transformator smješten između IC generatora impulsa i kabela osigurava odvajanje i usklađivanje impedancije. U slučaju S- ili T-sučelja, također mora biti ferit s visokom magnetskom propusnošću. Feritne jezgre visoke propusnosti 3E6 dodane su FERROXCUBE asortimanu proizvoda. Dolje je naveden popis aplikacija u kojima uporaba planarne tehnologije može pružiti prednosti.

Pretvorba snage

• Komponente
  • Energetski transformatori, izlazne ili rezonantne prigušnice, mrežne filterske prigušnice.
• Ispravljači (mrežni izvori napajanja)
  • Preklopni izvori napajanja.
  • Uređaj za punjenje ( Mobiteli, prijenosna računala).
  • Kontrolna i mjerna oprema.
• DC/DC pretvarači
  • Moduli za pretvorbu energije.
  • Mrežne sklopke.
  • Mobilni telefoni (glavni izvor napajanja).
  • Prijenosna računala (glavni izvor napajanja).
  • Električna vozila (pretvarač vučnog napona na 12 V napon).
• AC pretvarači (mrežni izvori napajanja)
  • Kompaktni pretvarači za fluorescentne svjetiljke.
  • Indukcijsko grijanje, zavarivanje.
• Inverteri (baterijska napajanja)
  • Mobilni telefoni (LCD pozadinsko osvjetljenje).
  • Laptop računala (LCD pozadinsko osvjetljenje).
  • Automobilska prednja svjetla s izbojem (balast).
  • Grijani stražnji prozor automobila (pojačivač).

Prijenos impulsa

• Komponente
  • Širokopojasni transformatori.
  • S 0 -sučelja (pretplatnička telefonska linija).
  • U-sučelja (ISDN pretplatnička linija).
  • T1/T2 sučelja (okosnica između mrežnih sklopki).
  • ADSL sučelja.
  • HDSL sučelja.

Tablica 4. Karakteristike materijala

Tablica 5. Jezgre za lijepljenje (bez udubljenja)

Tablica 6. Materijali jezgre za lijepljenje

(*) - polujezgre za upotrebu u kombinaciji s jezgrom u obliku slova W bez razmaka ili ploče.

(**) - polovice jezgri s visokom magnetskom propusnošću.

E160 – E - polujezgra sa simetričnim razmakom. A L = 160 nH (mjereno u kombinaciji s polujezgrom sa simetričnim razmakom).

A25 – E - polujezgra s asimetričnim razmakom. A L = 25 nH (mjereno u kombinaciji s polužilom bez razmaka).

A25 – P - polovična jezgra s asimetričnim razmakom. A L = 25 nH (mjereno u kombinaciji s pločom).

1100/1300 - pola jezgre bez razmaka. AL = 1100/1300 nH (mjereno u kombinaciji s polužilom bez razmaka/ploče).

Vrijednost AL (nH) izmjerena je na B≤0,1 mT, f≤10 kHz, T = 25 °C.

Tolerancija A L:

Tablica 7. Ovisnost karakteristika o snazi ​​(jezgre za lijepljenje)

Tablica 8. Žile sa stezaljkom

Paleta proizvoda

FERROXCUBE nudi širok izbor ravnih jezgri u obliku slova W u rasponu veličina od 14–64 mm. U osnovna verzija za spajanje, presjek je uvijek ujednačen, što omogućuje optimalno korištenje volumena ferita. Za svaku veličinu postoji jezgra u obliku slova W (označena slovom E) i odgovarajuća ploča (označena slovima PLT). Set se može sastojati od jezgre u obliku slova W i ploče ili dvije jezgre u obliku slova W. U potonji slučaj Visina zavojnog prozora je udvostručena. Za najmanje veličine tu je i set jezgre W-oblika i ploče u verziji sa stezaljkom. Koristi jezgru s urezima u obliku slova W (označenu E/R) i užljebljenu ploču (označenu PLT/S). Stezaljka (označena kao CLM) uskoči u udubljenja jezgre i osigurava čvrstu vezu pritiskom na ploču u dvije točke. Utor sprječava pomicanje ploče, čak i pod jakim udarcima ili vibracijama, a također osigurava poravnanje. Za kombinaciju dviju jezgri u obliku slova W, stezaljka nije predviđena.

Tablica 9. Materijali jezgre spojnih stezaljki

(1) - polujezgre za upotrebu u kombinaciji s pločom.

A63 – P - polujezgra s asimetričnim razmakom. A L = 63 nH (mjereno u kombinaciji s pločom).

1280 - pola jezgre bez razmaka.

A L = 1280 nH (mjereno u kombinaciji s pločom).

L vrijednost (nH) izmjerena je na B≤0,1 mT, f≤10 kHz, T = 25 °C.

Tolerancija A L:

Tablica 10. Ovisnost karakteristika o snazi ​​(jezgre sa stezaljkom)

Feritne jezgre snage 3F3 (radna frekvencija do 500 kHz) i 3F4 (500 kHz - 3 MHz) dostupne su u svim veličinama. Najveće jezgre također su izrađene od ferita 3C85 (radna frekvencija do 200 kHz), jer se velike jezgre često koriste u niskofrekventnim uređajima velike snage. Dostupne su i manje veličine jezgre, izrađene od ferita 3E6 visoke propusnosti (μ i = 12000), za upotrebu u prigušnicama mrežnog filtera i širokopojasnim transformatorima.

Paket

Plastična folija se koristi kao standardno pakiranje za jezgre i ploče u obliku slova W.

Tablica 11. Pakiranje

Tablica 12. Kutija s jezgrama

Tablica 13. Kutija sa stezaljkama

Tablica 14. Pakiranje trake

Za jezgre E14/3.5/5 i E18/4/10 razvijen je prototip pakiranja trake za korištenje s opremom za automatsku montažu za SMD komponente. Metoda pakiranja je u skladu s IEC-286 dio 3. Ploče su pakirane na isti način kao i odgovarajuće W-jezgre.

Razvoj

Da biste maksimalno iskoristili prednosti planarne tehnologije, potrebno je slijediti drugačiji koncept dizajna od namotavanja žice. U nastavku se nalaze brojna razmatranja koja će vas voditi u tom pogledu.

Izbor jezgre

• Magnetska indukcija

Poboljšana toplinska izvedba omogućuje dvostruko veći gubitak snage od konvencionalnog dizajna za istu količinu magnetskog polja, tako da će optimalna vrijednost gustoće toka biti veća od normalne.

• Zračna rupa

Veliki razmaci su nepoželjni u planarnim izvedbama jer stvaraju protok curenja. Rubni tok ovisi o omjeru visine okna namota i širine zračnog raspora, koji je manji za ravne jezgre. Ako je visina prozora samo nekoliko puta veća od širine razmaka, a širina je nekoliko puta veća od širine središnjeg dijela jezgre, tada će nastati značajan protok između vrha i dna jezgre . Velike količine rubni i križni tokovi dovode do velikih gubitaka vrtložnih struja u namotu.

Dizajn namotaja

• Otpor na DC

Najčešće korišteni bakreni tragovi su debljine 35, 70, 100 i 200 mikrona. Ako površina poprečnog presjeka traga nije dovoljna za dobivanje prihvatljivog istosmjernog otpora, tragovi se mogu spojiti paralelno za sve ili dio zavoja.

• AC Otpor

Gubici bakra izmjenične struje zbog učinaka kože i blizine manji su za ravne bakrene tragove nego za okrugle žice iste površine poprečnog presjeka. Vrtložne struje inducirane u blizini zračnog raspora mogu se smanjiti uklanjanjem nekoliko zavoja na mjestu gdje je indukcija najveća i usmjerena okomito na ravninu namota. Kombinacija W-jezgra/ploča ima nešto manji protok curenja od kombinacije s dvije W-jezgre zbog položaja zračnog raspora.

• Induktivitet curenja

Kada se namoti nalaze jedan iznad drugog, magnetska sprega je vrlo jaka, a moguće je postići vrijednosti koeficijenta sprege blizu 100% (slika 13, a).

Prethodni dizajn dovodi do većeg međusobnog kapaciteta. Taj se kapacitet može smanjiti postavljanjem tračnica susjednih namota u međusobne razmake (slika 13, b).

Štoviše, ponovljivost vrijednosti kapaciteta omogućuje njegovu kompenzaciju u ostatku kruga, kao i korištenje u rezonantnim strukturama. U potonjem slučaju, možete namjerno stvoriti veliki kapacitet postavljanjem staza susjednih namota jedna nasuprot drugoj (slika 13, c).

Proizvodnja

Skupština

Kada koristite stezaljke, prvo morate ugurati stezaljku u udubljenje jezgre, a zatim poravnati ploču bočno.

Za integrirane komponente, montaža se kombinira s ugradnjom.

Montaža

Kada koristite vanjske komponente, možete koristiti ploče s otvorom ili SMD montažu. Značajne razlike od normalan proces nije dostupno

Ravna površina jezgre je pogodna za automatsku ugradnju.

Za integrirane komponente, instalaciju je najbolje provesti u dvije faze:

1. Zalijepite jednu polovicu jezgre na tiskanu ploču. Da biste to učinili, možete koristiti isto ljepilo kao za montažu SMD komponenti, a ovaj korak je logično kombiniran s montažom SMD komponenti na ovu stranu PCB-a.
2. Zalijepite drugu polovicu jezgre na prvu. Ovdje vrijede isti komentari koji su dani u vezi sa sastavljanjem zglobnih komponenti.

Lemljenje

Odnosi se samo na montirane transformatore.

U slučaju reflow lemljenja, poželjna metoda zagrijavanja je vruća konvekcija umjesto infracrvenog zračenja, budući da prva metoda osigurava izjednačavanje temperature lemljenih površina. Kada se zagrijava infracrvenim zračenjem pomoću standardnih materijala, dobra toplinska vodljivost planarne komponente može uzrokovati prenisku temperaturu paste za lemljenje, a ako se snaga zračenja poveća, može uzrokovati prenisku temperaturu paste za lemljenje. visoka temperatura isprintana matična ploča. Ako se koristi infracrveno grijanje, preporuča se odabrati drugu pastu za lemljenje i/ili PCB materijal.

Označavanje standardnih veličina

Svi navedeni brojevi odnose se na polovice jezgre. Potrebno je naručiti dvije polovice jezgre prava kombinacija. Postoje četiri vrste polovica jezgre, od kojih se izrađuju kompleti od tri vrste:

• dvije jezgre u obliku slova W (E+E);
• Jezgra i ploča u obliku slova W (E+PLT);
• Jezgra u obliku slova W s urezima i ploča s utorom (E/R + PLT/S).

Posljednji set uključuje i stezaljku (CLM).

Sljedeći članak će pružiti metodu za proračun planarnih energetskih transformatora za prekidačke izvore napajanja.

Payton planarni transformatori i prigušnice (2005.)

Jedan od glavnih zadataka pri razvoju transformatora je smanjenje njegovih ukupnih dimenzija uz istovremeno povećanje efektivna snaga. Danas transformator doživljava drugo rođenje - tradicionalnu tehnologiju izrade transformatora zamjenjuje nova planarna tehnologija. Načelo konstruiranja elektromagnetskih uređaja pomoću nove tehnologije je korištenje tiskanih ploča umjesto sklopa okvira i namotavanja žice. Ulogu namota u planarnoj tehnologiji igraju staze ispisane na ploči. Ploče su položene u više slojeva, odvojene izolacijskim materijalom i zatvorene u feritnu jezgru.

Planarna tehnologija
Do sredine 1980-ih tehnologija planarnih transformatora bila je prvenstveno ograničena na razvoj u vojnoj, zrakoplovnoj i svemirskoj industriji. Na početku aktivne komercijalne primjene planarnih tehnologija bio je Alex Estrov, koji je 1986. objavio neke podatke o svom razvoju na području planarnih transformatora koji rade na rezonantnoj frekvenciji od 1 MHz. Očekivao se uspjeh ideje. Nešto kasnije, A. Estrov je organizirao tvrtku (danas se zove Payton Power Magnetics Ltd.), koja je pokrenula masovnu proizvodnju energetskih planarnih transformatora i prigušnica.
Što je planarna tehnologija i zašto je izvanredna? Razmotrimo primjer koji objašnjava princip konstrukcije planarnih transformatora (slika 1). Slika prikazuje transformator rastavljen. Sastoji se od nekoliko ploča na koje su naneseni zavoji namota i izolacijskih ploča koje međusobno odvajaju ploče namota. Namot transformatora izrađen je u obliku staza na tiskanim pločicama ili bakrenih dijelova otisnutih na pločici. Svi su slojevi postavljeni jedan na drugi i drže ih dva komada feritne jezgre.
Želja za smanjenjem ukupnih dimenzija uz povećanje snage glavni je cilj razvoja moderne uređaji za napajanje. Istodobno, planarni transformatori, za razliku od tradicionalnih, imaju relativno veliku efektivnu površinu hlađenja i lakše se hlade - mogu se koristiti različite opcije: prirodni, prisilni, jednostrani i dvostrani radijatori, hlađenje tekućinom.
Još jedna pozitivna značajka planarnih uređaja je mala varijacija električnih parametara od uređaja do uređaja. Transformator s namotajem žice ima veliki raspon parametara, budući da žica tijekom procesa namotavanja neravnomjerno leži na okviru, što ne može utjecati na parametre uređaja (na primjer, induktivnost, faktor kvalitete). Planarni transformatori sastavljeni su na temelju višeslojnih tiskanih ploča. Svaka ploča izrađena je istom metodom. Staze na pločama su također ispisane. Graviranje ploča uvijek je isti proces. Pogreške parametara planarnog transformatora stotine su puta manje od pogrešaka tradicionalnog transformatora s namotajem žice.
Planarni transformatori idealni su za telekomunikacijske sustave, računala, sustave avionike, izvori struje napajanja, strojevi za zavarivanje, indukcijski sustavi grijanja - t.j. gdje god je potrebno energetski transformatori s visokom učinkovitošću i malim dimenzijama.
Glavne prednosti planarnih transformatora:
visoka snaga, visoki napon za male ukupne dimenzije(10 W - 20 kW);
visoka učinkovitost uređaja (97–99%);
širok raspon radnih temperatura: od -40 do +130°C;
dielektrična čvrstoća uređaja 4-5 kV;
niska induktivnost curenja;
radni frekvencijski raspon planarnih uređaja kreće se od 20 kHz do 2,5 MHz;
velika snaga s malim dimenzijama: planarni transformatori obično uključuju od jednog do sedam namota;
malo širenje parametara tijekom serijske proizvodnje uređaja;
Vrlo niska razina elektromagnetske smetnje;
male dimenzije i težina.

Payton planarni transformatori
Payton proizvodi široku paletu planarnih transformatora snage od 5W do 20kW. Payton transformatori, budući da su male veličine (slika 2), mogu raditi na visoki kapaciteti i pružaju dobru toplinsku izvedbu. Tablica 1 daje podatke o veličini snage, težini i veličini jezgre.

Linija proizvoda Payton uključuje uređaje s različitim razinama snage za uporabu u telekomunikacijskoj opremi, izvorima napajanja, pretvaračima napona AC/DC i DC/DC, itd. Tablica 2 prikazuje glavne karakteristike pojedinih tipova planarnih transformatora tvrtke Payton.
U početku su se razvijači Paytona usredotočili na proizvodnju transformatora samo za prekidačke izvore napajanja (SMPS), za upotrebu u strojevima za zavarivanje i sustavima indukcijskog grijanja. Međutim, sada se koriste gotovo posvuda.
Moderni Payton transformatori su idealni za korištenje u SMPS za aparate za zavarivanje. Transformatori se savršeno uklapaju u strukturu izvora, jamčeći dug radni vijek. Poznato je da SMPS aparati za zavarivanje stvaraju kritično visoke vrijednosti izlaznih struja. Stoga u većini slučajeva postoji samo nekoliko sekundarnih zavoja. Planarni transformatori su stoga prikladni za velike struje i mogu se koristiti u opremi za zavarivanje. Korištenje planarnih transformatora može značajno smanjiti veličinu i težinu konačnog uređaja.

Planarni transformator također se dobro uklapa u strukturu napajanja za indukcijske sustave grijanja. Za te potrebe, na primjer, proizveden je transformator snage 20 kW (slika 3) dimenzija 180x104x20 mm.
Payton Power Magnetics nudi transformatore s olovom za razne metode montaže, s dostupnim opcijama površinske montaže i PCB-a kroz rupu. Ravne površine jezgri pogodne su za automatsku ugradnju. Osim toga, postoje uređaji s terminalima za površinsku montažu.

Payton planarne prigušnice
Payton proizvodi široku paletu prigušnica sastavljenih pomoću planarne tehnologije. Payton guši, poput transformatora, kad male veličine daju značajnu snagu. Prigušnice se proizvode tehnologijom predmagnetiziranja jezgre. Iako ovu tehnologiju poznata je dugo vremena, nije našla široku upotrebu zbog visoka cijena posebni magnetski materijali koji se tradicionalno koriste za proizvodnju jezgri, nemogućnost rada uređaja visoke frekvencije i pogoršanje performansi kao rezultat demagnetizacije jezgre. Paytonovi inženjeri uspjeli su otkloniti te nedostatke korištenjem jezgri izrađenih od feromagnetskih materijala - jeftine i učinkovite zamjene za jezgre izrađene od posebnih magneta.
Tehnologija prethodnog magnetiziranja jezgre omogućuje udvostručenje vrijednosti induktiviteta induktora bez promjene struje ili udvostručenje vrijednosti struje uz isti induktivitet. Nova tehnologija za proizvodnju prigušnica omogućuje smanjenje gubitaka snage za 4 puta i smanjenje kontaktna pločica za 30–40% (slika 4).
Ispitivanje prigušnica na pogoršanje magnetskih svojstava pokazalo je da na radnim frekvencijama do 1 MHz ne dolazi do pogoršanja magnetskih svojstava jezgri čak ni kada je jakost polja 10 puta veća od normalne radne vrijednosti.

Payton hibridne prigušnice
Uz to, Payton aktivno razvija tehnologije za konstruiranje hibridnih planarnih prigušnica koje mogu raditi na visokim rezonantnim frekvencijama. Ovi uređaji izgrađeni su na temelju "6-koljena" planarne feromagnetske jezgre u kombinaciji s višejezgrenim namotom. Ova kombinacija omogućuje postizanje visokog faktora kvalitete na visokim frekvencijama. Primjerice, vrijednost faktora kvalitete prigušnice induktiviteta 40 μH pri struji od 3A i radnoj frekvenciji od 1 MHz iznosi 500!

Payton filteri prigušnice
Payton također proizvodi planarne prigušnice posebno dizajnirane za prigušivanje smetnji uobičajenog načina rada. Omjer između induktiviteta rasipanja i vlastite induktivnosti uređaja smanjen je na 0,005%. Zahvaljujući visoka vrijednost inherentnog kapaciteta, planarne prigušnice zajedničkog načina rada mogu uključivati ​​ulazne i izlazne kondenzatore. Stoga se ovaj tip prigušnica može koristiti kao filtar zajedničkog načina rada. Već se danas razvijaju planarni filteri prigušnice koji će raditi na strujama do 200A.

Zaključak
Zahvaljujući stabilnosti tehničke karakteristike, visoka efikasnost I učinkovita metoda hlađenje Paytonovih planarnih elektromagnetskih komponenti, njihova je uporaba atraktivno rješenje za proizvođače napajanja. Trend prema jeftinijoj proizvodnji višeslojnih tiskanih pločica čini planarne transformatore sve dostupnijima za najrazličitije primjene. Može se pretpostaviti da će u bliskoj budućnosti planarni uređaji u potpunosti zamijeniti tradicionalne žičane transformatore.