Un metodo per fabbricare un trasformatore planare basato su un circuito stampato multistrato. Trasformatori planari e induttanze di Payton (2005)

Nell'articolo precedente sono stati discussi i vantaggi dell'utilizzo di trasformatori planari in dispositivi di piccole dimensioni e mobili. Sono state inoltre fornite le caratteristiche dei nuclei di ferrite utilizzati per la progettazione dei trasformatori planari. Questa pubblicazione propone una metodologia per il calcolo dei trasformatori planari per convertitori di impulsi diretti e inversi.

introduzione

I trasformatori planari possono essere costruiti come componenti aggiuntivi, come un assemblaggio di PCB a strato singolo o una piccola scheda multistrato o incorporati in un PCB multistrato di un alimentatore.

Gli importanti vantaggi dei componenti magnetici planari sono:

• dimensioni molto ridotte;
• eccellenti caratteristiche di temperatura;
• bassa induttanza di dispersione;
• eccellente ripetibilità delle proprietà.

Le misurazioni dei parametri operativi dei trasformatori planari con nuclei e avvolgimenti a forma di W effettuate sulla base di un circuito stampato multistrato mostrano che la resistenza termica di questi dispositivi è significativamente (fino al 50%) inferiore rispetto ai tradizionali trasformatori a filo avvolto con lo stesso volume effettivo del nucleo V e ... Ciò è dovuto al rapporto più elevato tra la superficie del nucleo e il suo volume. Pertanto, con una maggiore capacità di raffreddamento, i trasformatori planari sono in grado di far fronte a densità di potenza di throughput più elevate mantenendo l'aumento della temperatura entro limiti accettabili.

Questa brochure descrive un metodo rapido e semplice per la progettazione di trasformatori di potenza planari e fornisce esempi di dispositivi progettati utilizzando questo metodo.

I risultati dei test in linea mostrano che l'aumento di temperatura misurato è in buon accordo con i dati calcolati.

Riso. 1. Vista esplosa del trasformatore planare

Riso. 2. Opzioni di progettazione per trasformatori planari

Procedura di calcolo

Determinazione della massima induzione magnetica

Le perdite nel nucleo e nel conduttore di rame durante il funzionamento del trasformatore portano ad un aumento della temperatura. Questa crescita non deve superare il limite consentito per evitare danni al trasformatore o al resto del circuito. All'equilibrio termico, il valore delle perdite totali nel trasformatore Ptrafo è correlato all'aumento della temperatura del trasformatore D T di un rapporto simile alla legge di Ohm:

dove R T è la resistenza alla temperatura del trasformatore. Infatti, P trafo può essere pensato come la capacità frigorifera di un trasformatore.

Si può stabilire una formula empirica che metta direttamente in relazione il valore della resistenza termica del trasformatore con il volume magnetico effettivo V e del nucleo di ferrite utilizzato. Questa regola pratica è valida per i trasformatori a filo avvolto con nuclei RM ed ETD. Una relazione simile è stata ora trovata per i trasformatori planari con nuclei a forma di W.

Utilizzando questa relazione, l'aumento di temperatura del trasformatore può essere stimato in funzione dell'induzione magnetica nel nucleo. A causa dello spazio di avvolgimento limitato disponibile per i componenti magnetici planari, si consiglia di utilizzare i valori di densità di flusso più elevati possibili.

Supponendo che metà delle perdite totali del trasformatore siano perdite del nucleo, la massima densità di perdita del nucleo P può essere espressa in funzione dell'aumento di temperatura ammissibile del trasformatore come segue:

La perdita di potenza nelle nostre ferriti è stata misurata in funzione della frequenza (f, Hz), dell'induzione magnetica di picco (B, T) e della temperatura (T, °C). La densità di perdita del nucleo può essere calcolata approssimativamente utilizzando la seguente formula:

Qui C m, x, y, c t0, ct 1 e ct 2 sono parametri trovati approssimando la curva di perdita empirica. Questi parametri sono specifici del materiale. Le loro dimensioni sono scelte in modo tale che a una temperatura di 100 ° C il valore CT sia uguale a 1.

La tabella 1 mostra i valori dei parametri sopra elencati per diversi gradi di potenti ferriti di Ferroxcube.

Tabella 1. Parametri di approssimazione per il calcolo della densità di perdita del nucleo

Grado di ferrite	f, kHz	Centimetro	X	sì	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

Il valore Pcore massimo consentito è calcolato dalla formula (2). Questo valore viene quindi sostituito nell'equazione (3). Ora puoi calcolare la densità di flusso magnetico massima consentita Bpeak riscrivendo l'equazione (3) come segue:

Nota: il valore massimo consentito di B può essere trovato in un altro modo: scrivendo un programma per computer che calcola la perdita di potenza per una forma d'onda arbitraria utilizzando la formula (3) per determinati valori dei parametri di approssimazione. Il vantaggio di questo approccio è che consente di calcolare la perdita tenendo conto della modalità B effettiva e anche di selezionare il grado di ferrite ottimale per un caso particolare.

Dopo aver determinato l'induzione magnetica di picco massima consentita, è possibile calcolare il numero di spire degli avvolgimenti primario e secondario secondo formule note, inclusa la topologia del convertitore e il tipo di trasformatore (ad esempio, marcia indietro e avanti).

È necessario prendere una decisione su come saranno distribuiti gli avvolgimenti tra gli strati disponibili. Le correnti che fluiscono nei binari faranno aumentare la temperatura del PCB. Per considerazioni sulla propagazione del calore, si consiglia di distribuire gli avvolgimenti negli strati esterni in modo simmetrico rispetto agli avvolgimenti negli strati interni.

Riso. 3. Il picco B nelle formule è uguale alla metà dell'ampiezza delle fluttuazioni di induzione nel nucleo

Dal punto di vista del magnetismo, l'opzione migliore sarebbe alternare gli strati primario e secondario. Ciò ridurrà il cosiddetto effetto di prossimità (vedi pagina 4). Tuttavia, la bassa altezza di avvolgimento nel design planare e il numero di spire richieste per una particolare applicazione non sempre consentono di scegliere il design ottimale.

Dal punto di vista dei costi, si consiglia di selezionare PCB con uno spessore dello strato di rame standard. Gli spessori comuni utilizzati dai produttori di PCB sono 35 e 70 micron. L'aumento di temperatura nell'avvolgimento indotto dalle correnti in movimento dipende in modo significativo dallo spessore degli strati di rame.

Gli standard di sicurezza come IEC 950 richiedono una distanza di 400 µm nel materiale del PCB (FR2 o FR4) per isolare il secondario dalla rete. Se non è richiesto l'isolamento dalla rete, è sufficiente una distanza di 200 µm tra gli strati di avvolgimento. Inoltre, è anche necessario prendere in considerazione lo strato per lo stencil - 50 micron ciascuno su entrambi i lati del pannello.

La larghezza delle tracce che formano gli avvolgimenti è determinata in base all'entità della corrente e alla densità di corrente massima consentita. La distanza tra le spire dipende dalle capacità e dal budget della produzione. Come regola generale, per piste da 35 µm, la larghezza e la distanza della pista dovrebbero essere maggiori di 150 µm, e per piste da 70 µm, più di 200 µm.

Le dimensioni possono essere inferiori a seconda delle capacità di produzione del produttore del PCB, ma è probabile che ciò comporti un aumento significativo del costo del PCB. Il numero di spire in uno strato e la distanza tra le spire sono indicati rispettivamente con Nl e s. Quindi, data la larghezza di avvolgimento disponibile bw, la carreggiata wt può essere calcolata utilizzando la seguente formula (vedi Fig. 4):

Riso. 4. Larghezza carreggiata wt, interasse s e larghezza di avvolgimento b w

Se è necessario l'isolamento dalla rete, la situazione cambia leggermente. Il nucleo è considerato parte del circuito primario e deve essere separato da una distanza di 400 µm dal circuito secondario. Pertanto, la distanza di dispersione tra gli avvolgimenti secondari vicini al lato sinistro e destro del nucleo e il nucleo stesso deve essere di 400 µm. In questo caso, la larghezza della carreggiata deve essere calcolata utilizzando la formula (6), poiché 800 μm devono essere sottratti dalla larghezza di avvolgimento disponibile:

Nelle formule (5) e (6) tutte le dimensioni sono espresse in mm.

Determinazione dell'aumento di temperatura del circuito stampato causato dal flusso di correnti

L'ultimo passo da compiere è quello di determinare l'aumento di temperatura nelle piste di rame causato dalle correnti in movimento. Per fare ciò, è necessario calcolare i valori effettivi (rms) delle correnti in base ai dati di ingresso e ai parametri di uscita desiderati. Il metodo di calcolo dipende dalla topologia utilizzata.

La sezione degli esempi fornisce calcoli per la tecnologia di conversione diretta e inversa standard. Un esempio della relazione tra l'aumento di temperatura e i valori effettivi delle correnti in diverse aree della sezione trasversale dei conduttori del circuito stampato è mostrato in Fig. 5. Nei casi in cui è presente un singolo conduttore o in cui le induttanze non sono troppo vicine, la larghezza, lo spessore e l'area della sezione trasversale del conduttore possono essere determinate direttamente da questo diagramma, nonché le correnti massime consentite per diversi setpoint di aumento della temperatura.

Riso. 5. Relazione tra corrente, dimensioni della pista PCB e aumento della temperatura

Lo svantaggio di questo metodo di progettazione è l'assunzione che il calore generato nell'avvolgimento sia causato dal flusso di corrente continua, mentre in realtà esiste una corrente alternata che provoca effetti di pelle e prossimità.

L'effetto pelle è dovuto alla presenza in un conduttore di un campo magnetico creato da una corrente che scorre in questo conduttore stesso. Un rapido cambiamento di corrente (ad alta frequenza) induce un'induzione alternata che induce correnti parassite. Queste correnti parassite, che contribuiscono alla corrente principale, hanno la direzione opposta. La corrente svanisce al centro del conduttore e si sposta verso la superficie. La densità di corrente diminuisce esponenzialmente dalla superficie al centro.

La profondità dello strato superficiale d è la distanza dalla superficie del conduttore nella direzione del suo centro, alla quale la densità di corrente diminuisce di un fattore e. La profondità dello strato superficiale dipende da proprietà del materiale come la conduttività elettrica e la permeabilità magnetica ed è inversamente proporzionale alla radice quadrata della frequenza. Per il rame a 60 ° C, la profondità della superficie può essere calcolata approssimativamente utilizzando la seguente formula:

Se si prende un conduttore con uno spessore w t inferiore a 2d, il contributo di questo effetto sarà limitato. Ciò fornisce una larghezza della traccia inferiore a 200 µm per una frequenza di 500 kHz. Se, con il numero di spire richiesto, è disponibile una grande larghezza di avvolgimento, la soluzione migliore dal punto di vista del magnetismo è suddividerli in piste parallele.

In situazioni reali, nei conduttori saranno presenti correnti parassite, causate non solo dal campo magnetico variabile della propria corrente (effetto pelle), ma anche dai campi di altri conduttori situati nelle vicinanze. Questo effetto è chiamato effetto di prossimità. Se gli strati primario e secondario si alternano, l'effetto di questo effetto è molto minore. Il fatto è che le correnti negli avvolgimenti primario e secondario fluiscono in direzioni opposte, in modo che i loro campi magnetici si annullano reciprocamente. Tuttavia, conduttori adiacenti dello stesso strato contribuiranno ancora in qualche modo all'effetto di prossimità.

risultati empirici

Le misurazioni della temperatura in diversi tipi di progetti PCB con correnti alternate che scorrono negli avvolgimenti mostrano con una precisione accettabile che a frequenze fino a 1 MHz, ogni aumento della frequenza di 100 kHz si traduce in un aumento della temperatura del PCB di 2 ° C superiore ai valori determinati per il caso correnti costanti.

L'obiettivo è progettare un trasformatore di linea con i parametri riportati in tabella.

Come primo passo, si presume che a una data frequenza sia possibile assumere un valore elevato dell'induzione magnetica di picco - 160 mT. Verificheremo in seguito se ciò è possibile con i valori indicati di perdita del nucleo e aumento della temperatura.

Esempio 1. Trasformatore flyback

La tabella 2 mostra il numero calcolato di giri per le sei combinazioni standard più piccole di anime e piastre planari a forma di W di Ferroxcube. Vengono inoltre forniti i valori dell'autoinduttanza dell'avvolgimento primario, della larghezza del traferro e delle correnti, calcolati utilizzando le formule del riquadro 1.

Tabella 2. Calcolo dei parametri di progetto di più trasformatori di linea

Nucleo	Ae, mm 2	Ve, mm 3	N1	N2	NIC	G, μm	Altri parametri calcolati
E-PLT14	14,5	240	63	7,4	7,2	113	L prim = 638 μH
MI-MI14	14,3	300	63	7,4	7,2	113	I p (eff.) = 186 mA
E-PLT18	39,5	800	23	2,7	2,6	41	I o (eff.) = 1593 mA
MI-MI18	39,5	960	23	2,7	2,6	41
E-PLT22	78,5	2040	12	1,4	1,4	22
MI-E22	78,5	2550	12	1,4	1,4	22

Dalla tabella 2 si può vedere che il numero richiesto di spire primarie per i set di anime E-E14 ed E-PLT14 è troppo grande per essere avvolto su una base PCB multistrato. Pertanto, le combinazioni di core E-E18 e E-PLT18 sembrano l'opzione migliore. Arrotondando i risultati per il calcolo di N1, N2 e NIC si ottengono rispettivamente i numeri 24, 3 e 3.

Per determinare le perdite nel caso di un'onda di induzione triangolare unipolare con una frequenza di 120 kHz, un'induzione di picco di 160 mT e una temperatura di esercizio di 95 ° C, è stato utilizzato un programma basato sull'espressione (3). Per le ferriti ad alta potenza 3C30 e 3C90, le perdite attese del nucleo sono rispettivamente di 385 mW / cm 3 e 430 mW / cm 3 .

La densità di perdita ammissibile a D T = 35 ° C è 470 mW / cm3 per E-PLT18 e 429 mW / cm3 per E-E18 (dall'espressione (1)).

La conclusione è che le ferriti 3C30 e 3C30 possono essere utilizzate in entrambe le combinazioni di nuclei. Ferriti di qualità inferiore con elevata perdita di potenza provocheranno un aumento eccessivo della temperatura.

Le 24 spire primarie possono essere distribuite simmetricamente su 2 o 4 strati. La larghezza di avvolgimento disponibile per i nuclei E-18 è di 4,6 mm. Da ciò si può vedere che l'opzione con due strati di 12 giri ciascuno sarà difficile da eseguire e quindi costosa. Ciò richiederà l'uso di percorsi molto stretti con gradini molto piccoli. Pertanto, viene scelta un'opzione con quattro strati, con 6 giri ciascuno. Meno strati in un PCB multistrato si tradurranno in meno costi. Pertanto, forniremo altri 3 giri dell'avvolgimento primario (per la tensione IC) e 3 giri dell'avvolgimento secondario e uno strato per ciascuno di essi. Pertanto, è possibile costruire una struttura con sei strati, come mostrato nella tabella 3.

Tabella 3. Un esempio di costruzione di un trasformatore a sei strati

Strato	Numero di giri	35 micron	70 micron
stampino		50 micron	50 micron
primario	6	35 micron	70 micron
isolamento		200 micron	200 micron
primario	6	35 micron	70 micron
isolamento		200 micron	200 micron
IC . primario	3	35 micron	70 micron
isolamento		400 micron	400 micron
secondario	3	35 micron	70 micron
isolamento		400 micron	400 micron
primario	6	35 micron	70 micron
isolamento		200 micron	200 micron
primario	6	35 micron	70 micron
stampino		50 micron	50 micron
TOTALE		1710 micron	1920 micron

A seconda della quantità di calore generata dalle correnti in movimento, è possibile selezionare lo spessore delle piste di rame 35 µm o 70 µm. È necessaria una distanza di 400 µm tra gli strati primario e secondario per garantire l'isolamento dalla rete. La combinazione E-PLT18 ha una finestra di avvolgimento minima di 1,8 mm. Questo è sufficiente con uno spessore della pista di 35 µm, che dà uno spessore totale del PCB di circa 1710 µm.

Per ridurre i costi di realizzazione abbiamo scelto la distanza tra i binari pari a 300 micron. Il calcolo della carreggiata secondaria mediante la formula (5) fornisce un risultato di 1,06 mm compreso l'isolamento dalla rete.

Utilizzando lo schema di Fig. 5 e calcolato (vedi Tabella 2) valore effettivo di corrente nel secondario pari a 1,6 A, si ottiene un aumento di temperatura di 25°C per binari con spessore 35 µm e di circa 7°C per binari con spessore 70 micron.

Abbiamo ipotizzato che l'aumento di temperatura causato dalle perdite degli avvolgimenti sia circa la metà dell'aumento di temperatura totale, in questo caso 17,5 ° C. Ovviamente, con uno spessore di traccia di 35 µm, l'aumento di temperatura causato da una corrente effettiva di 1,6 A sarebbe troppo grande, quindi si dovrebbero utilizzare tracce di 70 µm.

La carreggiata delle spire dell'avvolgimento primario può essere calcolata utilizzando la formula (5). Risulterà essere di circa 416 micron. Con questa carreggiata, è improbabile che la corrente di 0,24 A rms nel primario provochi un aumento di temperatura.

Poiché la frequenza è di 120 kHz, è previsto un ulteriore aumento della temperatura del PCB di circa 2°C rispetto a una situazione in cui scorrono solo correnti CC. L'aumento di temperatura totale del PCB, causato solo dalle correnti in transito, rimarrà al di sotto dei 10°C.

Un PCB a 6 strati con tracce da 70 µm dovrebbe funzionare come calcolato. Lo spessore nominale del PCB sarà di circa 1920 micron, il che significa che la combinazione standard E-PLT18 W-core e wafer non funzionerà in questo caso. È possibile utilizzare la combinazione standard E-E18 di due E-core con una finestra di avvolgimento di 3,6 mm. Tuttavia, una finestra di avvolgimento così grande sembra non necessaria qui, quindi una soluzione più elegante sarebbe un nucleo non standard con una finestra di circa 2 mm.

Le misurazioni effettuate su un design comparabile con un nucleo di due metà E in ferrite 3C90 hanno registrato un aumento della temperatura totale di 28 ° C. Ciò è coerente con i nostri calcoli, che hanno dato un aumento della temperatura di 17,5 ° C a causa della perdita del nucleo e di 10 ° C a causa della perdita dell'avvolgimento.

La connessione tra gli avvolgimenti primario e secondario è buona poiché l'induttanza di dispersione è solo lo 0,6% dell'induttanza primaria.

Esempio 2. Trasformatore di marcia avanti

L'obiettivo qui è progettare un trasformatore diretto con una scelta di quattro rapporti di trasformazione che vengono spesso utilizzati nei convertitori CC/CC a bassa potenza. Le caratteristiche desiderate sono riportate nella tabella sopra.

Per prima cosa è necessario verificare se le combinazioni più piccole della gamma standard - E-PLT14 e E-E14 - sono adatte al caso. Calcolando la densità di perdita del nucleo massima consentita con un aumento della temperatura di 50 ° C, otteniamo 1095 mW / cm3 per la combinazione E-E14 di due nuclei a forma di E e 1225 mW / cm 3 per la combinazione E-PLT14 di un E- nucleo sagomato e un piatto. Successivamente, calcoliamo la densità di perdita del nucleo usando la formula (3) nel caso di un'onda di induzione triangolare unipolare con una frequenza di 500 kHz per diversi valori di induzione di picco.

I risultati ottenuti mostrano che ad un picco di induzione magnetica di circa 100 mT, le perdite risultano inferiori a quelle massime ammissibili calcolate dalla formula (2). Il calcolo del numero di spire e delle correnti efficaci viene effettuato utilizzando le formule riportate nel Riquadro 1. Con un'induzione magnetica di picco di 100 mT e i parametri sopra specificati, a 530 kHz, le combinazioni di E-E14 e E-PLT14 sono utilizzabile e il numero di giri è accettabile. I risultati del calcolo sono mostrati nella tabella 4.

Tabella 4. Calcolo dei parametri di progetto di più trasformatori diretti

Nucleo	V dentro, V	V fuori, V	N1	N2	L prim, μH	I o (eff.), MA	io mag, mA	I p (eff.), 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
MI-MI14	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

La determinazione finale della densità di perdita del nucleo a una temperatura operativa di 100 ° C per la forma d'onda di induzione indicata con una frequenza di 530 kHz fornisce risultati di 1030 mW / cm 3 per ferrite 3F3 e 1580 mW / cm 3 per ferrite 3F4. Ovviamente l'opzione migliore è 3F3. L'aumento di temperatura nel core E-PLT14 è:

(densità di perdita calcolata in 3F3/densità di perdita ammissibile) X 1/2DT = (1030/1225) X 25 ° C = 21 ° C.

Per la combinazione E-E14, l'aumento della temperatura è di 23,5 ° C. L'avvolgimento primario richiede 7 o 14 giri, a seconda della tensione di ingresso. Nel caso di un trasformatore diretto convenzionale, lo stesso numero di spire è richiesto per l'avvolgimento di smagnetizzazione (recupero). Per poter utilizzare 7 o 14 spire e lo stesso numero di spire per l'avvolgimento di smagnetizzazione, è stato scelto un disegno con 4 strati di 7 spire ciascuno. Quando sono necessarie 7 spire di avvolgimenti primari e smagnetizzanti, le spire dei due strati sono collegate in parallelo. Ciò avrà l'ulteriore effetto di dimezzare la densità di corrente nelle piste di avvolgimento.

Quando sono necessarie 14 spire degli avvolgimenti primario e di smagnetizzazione, le spire dei due strati vengono collegate in serie, in modo che il numero effettivo di spire diventi 14.

La larghezza di avvolgimento disponibile per il nucleo E-14 è di 3,65 mm. Per un design economico con una distanza tra i binari di 300 µm, la larghezza dei binari a 7 giri per strato è di 178 µm.

Lo spessore delle tracce dovrebbe essere di 70 µm, poiché ad una tensione all'ingresso di 24 V la corrente effettiva nell'avvolgimento primario sarà di circa 1,09 A. Questo dà (vedi Tabella 2) con una larghezza effettiva della traccia di 356 µm (la la larghezza è raddoppiata a causa del collegamento in parallelo di con 7 giri) aumento della temperatura 15 ° C. Una tensione di ingresso di 48 V creerà una corrente effettiva di circa 0,54 A.

In questo caso, il contributo delle perdite dell'avvolgimento all'aumento totale della temperatura sarà di circa 14 ° C con una carreggiata di 178 μm (14 spire collegate in serie).

La carreggiata di 178 µm con una distanza tra loro di 300 µm e uno spessore della carreggiata di 70 µm si discosta leggermente dalla nostra regola empirica (interasse e carreggiata > 200 µm). Ciò può portare a costi di produzione leggermente più elevati per i circuiti stampati multistrato. L'avvolgimento secondario richiede 3 o 2 giri. Quando viene assegnato uno strato per ciascuna delle curve, la carreggiata è rispettivamente di 810 e 1370 μm. Le correnti effettive nell'avvolgimento secondario di 2,44 e 3,70 A provocano un aumento di temperatura negli avvolgimenti di circa 25 ° C, che è troppo per tenere conto dell'aumento di temperatura negli avvolgimenti primari. In questo caso, la soluzione migliore sarebbe quella di utilizzare 2 strati per entrambi gli avvolgimenti. Quando questi strati, ciascuno con 3 spire, sono collegati in parallelo, la densità di corrente si dimezza. Dalla fig. 5, si può determinare che il contributo delle perdite dell'avvolgimento all'aumento totale della temperatura in questa situazione sarà di circa 6 ° C. L'aumento di temperatura totale nel PCB sarà di circa 21°C più un aumento aggiuntivo dovuto alla perdita di corrente alternata. Poiché la frequenza è di 500 kHz, è necessario aggiungere circa 10 ° C in più, il che significa che la temperatura del PCB aumenterà di 31 ° C.

Il numero di spire e la larghezza per ogni strato di un dato disegno sono mostrati nella Tabella 5. Almeno uno strato, indicato nella tabella come aggiuntivo, è necessario per realizzare i collegamenti. Tuttavia, questo ci darà un totale di 9 strati, che in termini di produzione equivale a 10 strati (il prossimo numero pari). Per questo motivo, gli strati superiore e inferiore del PCB vengono utilizzati come strati aggiuntivi, anche perché offre un ulteriore vantaggio: le densità di corrente nelle piste sono dimezzate. Le piste su questi strati sono collegate alle piste nello strato interno attraverso fori placcati in rame e "portano" gli ingressi e le uscite degli avvolgimenti primario e secondario su entrambi i lati del circuito stampato. A seconda di come sono collegati gli ingressi e le uscite sui lati primario e secondario si possono ottenere 4 diversi rapporti di trasformazione.

Tabella 5. Esempio di un disegno con 10 strati

Strato	Numero di giri	70 micron
stampino		50 micron
strato extra		70 micron
isolamento		200 micron
smagnetizzazione primaria	7	70 micron
isolamento		200 micron
primario	7	70 micron
isolamento		200 micron
secondario	3	70 micron
isolamento		200 micron
secondario	2	70 micron
isolamento		200 micron
secondario	2	70 micron
isolamento		200 micron
secondario	3	70 micron
isolamento		200 micron
primario	7	70 micron
isolamento		200 micron
smagnetizzazione primaria	7	70 micron
isolamento		200 micron
strato extra		70 micron
stampino		50 micron
TOTALE:		2600 micron

Lo spessore nominale totale del PCB sarà di circa 2,6 mm, che supera la finestra di avvolgimento disponibile della combinazione di nuclei E-PLT14 di 1,8 mm. È possibile utilizzare la combinazione E-E14, tuttavia ha una finestra di avvolgimento minima di 3,6 mm, molto più grande di quanto effettivamente richiesto. Una soluzione migliore sarebbe un core non standard con una dimensione della finestra ridotta.

Le misurazioni della temperatura di questo circuito stampato sono state effettuate utilizzando termocoppie in varie condizioni. Per i test è stata utilizzata un'opzione di conversione a 24/5 V, che fornisce le densità di corrente più elevate. Innanzitutto, le correnti continue uguali a quelle calcolate sono state alimentate separatamente agli avvolgimenti primari e secondari. Una corrente continua nell'avvolgimento primario di 1079 mA ha dato un aumento di temperatura di 12,5°C e una corrente nell'avvolgimento secondario di 2441 mA ha dato un aumento di temperatura di 7,5 °C. Come ci si potrebbe aspettare, quando entrambe le correnti sono state applicate contemporaneamente al PCB, l'aumento di temperatura è stato di 20 ° C.

La suddetta procedura è stata ripetuta per correnti alternate di più frequenze con i valori effettivi calcolati. A una frequenza di 500 kHz, l'aumento di temperatura totale nel PCB è stato di 32 ° C. Il più grande aumento di temperatura aggiuntivo (7 ° C) causato dalle perdite CA è stato osservato negli avvolgimenti secondari. Ciò è logico, poiché l'influenza dell'effetto pelle è più pronunciata nelle piste larghe degli avvolgimenti secondari che nelle piste strette degli avvolgimenti primari.

Infine, le misure di temperatura sono state eseguite con nuclei standard (combinazione E-E14) montati su PCB in condizioni simili a quelle di un trasformatore diretto. L'aumento di temperatura del PCB è stato di 49°C; il punto di massimo riscaldamento del nocciolo era sul suo lato superiore e la temperatura al suo interno era pari a 53°C. Nella parte centrale del nucleo e nella sua parte esterna è stato osservato un aumento della temperatura rispettivamente di 49 ° C e 51 ° C.

Come previsto dai calcoli, questo design è in qualche modo critico per un insieme di due nuclei a forma di W, poiché nel punto di massimo riscaldamento è stata registrata una temperatura di 53 ° C, che è superiore a 50 ° C. Tuttavia, quando si utilizzano nuclei a forma di W più piatti (non standard), la temperatura rientra nei limiti accettabili.

Nel prossimo articolo, esamineremo un esempio di calcolo di un convertitore DC / DC da 25 watt basato su un trasformatore planare.

Letteratura

1. Mulder S. A. Nota applicativa sulla progettazione di trasformatori ad alta frequenza a basso profilo. Componenti Ferroxcube. 1990.
2. Mulder S. A. Formule di perdita per ferriti di potenza e loro uso nella progettazione di trasformatori. Componenti Philips. 1994.
3. Durbaum Th., Albach M. Perdite del nucleo nei trasformatori con una forma arbitraria della corrente di magnetizzazione. EPE Siviglia. 1995.
4. Brockmeyer A. Valutazione sperimentale dell'influenza della premagnetizzazione DC sulle proprietà delle ferriti elettroniche di potenza. Università di tecnologia di Aquisgrana. 1995.
5. Nota tecnica sui componenti Ferroxcube. Convertitore DC/DC da 25 Watt che utilizza magneti planari integrati. 9398 236 26011.1996.

I trasformatori planari sono un'ottima alternativa ai trasformatori a filo avvolto standard e alle induttanze. I trasformatori planari sono basati su circuiti stampati multistrato.

Oggi, lo sviluppo dei trasformatori planari richiede l'uso di componenti con dimensioni minime, poiché le dimensioni dell'elettronica sono in costante diminuzione.

Trasformatori di potenza planari

La progettazione del trasformatore di potenza planare può essere eseguita con componenti aggiuntivi, come una scheda multistrato singola o piccola, o come PCB multistrato.

I vantaggi dei trasformatori planari:

• sono di piccole dimensioni;
• hanno eccellenti caratteristiche di temperatura;
• avere una bassa induttanza di dispersione;
• hanno un'eccellente ripetibilità delle proprietà.

A causa del rapporto più elevato tra la superficie del nucleo e il suo volume, la resistenza termica di tali dispositivi può essere 2 volte inferiore rispetto ai trasformatori a filo avvolto convenzionali.

Fig 1. Progettazione di trasformatori planari

Pertanto, a causa della maggiore capacità di raffreddamento, i trasformatori planari fanno fronte a densità di potenza di throughput più elevate mantenendo l'aumento della temperatura entro limiti accettabili.

Trasformatori planari basati su circuiti stampati multistrato

Quando si tratta di componenti a semiconduttore, compresi quelli passivi, che includono condensatori e resistori, la scelta è piuttosto ampia.

Tuttavia, oggi parleremo di trasformatori planari.

In genere, in molti casi, i progettisti utilizzano trasformatori e induttanze standard con filo avvolto. Ma descriveremo i trasformatori planari (PT) basati su schede multistrato.

Poiché il costo delle schede multistrato tende a diminuire, i trasformatori planari stanno gradualmente sostituendo quelli convenzionali. Soprattutto nei casi in cui è richiesto un componente magnetico di piccole dimensioni.

Nella tecnologia di produzione dei trasformatori planari, fungono da avvolgimenti le piste su un circuito stampato o sezioni di rame, che vengono applicate in modo stampato e separate da vari strati di materiale isolante.

Inoltre, gli avvolgimenti possono essere realizzati da schede multistrato. Sono posizionati tra nuclei di ferrite di piccole dimensioni.

Per quanto riguarda la progettazione dei trasformatori planari, possono essere suddivisi in diversi tipi.

• Componenti planari sospesi - sono i più vicini ai componenti induttivi convenzionali. Possono sostituire parti convenzionali su circuiti stampati a uno o più strati. L'altezza del componente planare incernierato può essere ridotta immergendo il nucleo nell'intaglio del PCB. In questo caso, l'avvolgimento dovrebbe trovarsi sulla superficie della scheda.
• Tipo ibrido di trasformatori planari. Questo tipo prevede l'incorporamento di parte degli avvolgimenti nella scheda madre. Allo stesso tempo, l'altra parte degli avvolgimenti è su un PCB multistrato che si collega alla scheda madre. Ma in questo caso, la scheda madre deve avere dei fori per il nucleo di ferrite.
• L'avvolgimento è completamente integrato nel PCB multistrato. Le metà dei nuclei sono collegate mediante incollaggio o pizzicamento. Tutto dipende dalle preferenze del cliente e del produttore.

Vantaggi della tecnologia planare

Rispetto all'avvolgimento del filo convenzionale, la tecnologia planare per la produzione di componenti magnetici presenta numerosi vantaggi.

Il primissimo utilizzo dei trasformatori planari è stato riscontrato nella conversione di potenza. Per questo, nei trasformatori planari sono state utilizzate ferriti a media e alta frequenza. Potresti acquistare un trasformatore planare dal produttore.

Se sei interessato allo sviluppo di trasformatori planari su misura, l'induttanza dell'induttanza del filtro di linea può essere aumentata sostituendo la potente ferrite di materiali con elevata permeabilità magnetica.

Nella trasmissione del segnale a impulsi, un trasformatore a banda larga tra il circuito integrato del generatore di impulsi e il cavo fornisce isolamento e adattamento di impedenza. Nel caso dell'interfaccia S o T, deve essere anche una ferrite ad alta permeabilità.

Non molto tempo fa, sono stato contattato da un'azienda che aveva bisogno di sviluppare una linea di driver LED. Non farò il nome dell'azienda e le caratteristiche prestazionali dei piloti, non ho firmato la NDA, ma l'etica è etica. Sembra essere un ordine ordinario per un conducente, la cui dozzina viene digitata in un anno, ma c'erano due requisiti che si escludevano a vicenda: prezzo e dimensioni.

Il compito dal punto di vista dei circuiti è semplice, ma dal punto di vista della produzione e del design si è rivelato molto interessante. E così - è stato necessario creare un driver di rete per LED con un correttore del fattore di potenza (potenza di circa 100 W), che il costo era entro $ 3 sulla serie e aveva dimensioni in altezza non superiori a 11 mm! Molti diranno: "Qual è il problema nel creare un driver Deshman?" un altro requisito: è possibile dare senza paura 5 anni di garanzia... Ed è qui che inizia il divertimento.

La scelta della topologia, dei circuiti è stata fatta, tutto si adattava alle dimensioni e al costo, ma un'immagine così meravigliosa è stata rovinata da un trasformatore "classico". È enorme, è costoso, è tecnologicamente difficile da produrre. Restava da risolvere l'ultimo problema e dopo due giorni di pensieri e calcoli si trovò - trasformatore planare.

Se ti stai chiedendo tra cosa e cosa è stata fatta la scelta, su quali argomenti si è basata e come sei riuscito a ottenere il costo del trasformatore inferiore a $ 0,5, allora ti invito al placcaggio. Ebbene, per migliorare il vostro "appetito" vi allego una foto del trasformatore finito:

I principali svantaggi dei trasformatori "classici"

Penso che non sia un segreto per nessuno l'aspetto di un normale trasformatore, ma improvvisamente qualcuno si è perso gli ultimi 150 anni della rivoluzione industriale, quindi lascia che ti ricordi:

Ecco come appare un trasformatore convenzionale, avvolto su un telaio da un nucleo RM12. Perché è così cattivo? Ci sono diverse ragioni per questo, ovviamente, alcune di esse perdono la loro rilevanza in determinati compiti, ma la storia sarà condotta nel contesto del compito che ho di fronte. Ed ecco i principali:

• Altezza. Anche una persona con un occhio debole può stimare approssimativamente le dimensioni di un trasformatore da una fotografia e dire con sicurezza: "È sicuramente più di 11 mm". Infatti, l'altezza del trasformatore sull'RM12 è di circa 24 mm, che è più di 2 volte il valore richiesto.
• Producibilità. Quando hai bisogno di avvolgere 1-2 trasformatori, prendi il telaio, avvolgilo e avvolgilo. Quando hai bisogno di avvolgere 100-200 pezzi, puoi ordinare un avvolgimento nel tuo paese, il prezzo non morde ancora. Quando devi avvolgere 10.000 pezzi e poi altri 50.000, allora sorgono molte sfumature: prezzo, qualità, la scelta di un altro appaltatore in Asia. Tutto questo aumenta il costo finale del prodotto, quando ho solo bisogno di super economici e di altissima qualità.
• Ripetibilità.È molto difficile avvolgere e assemblare due trasformatori identici; è impossibile fare 10.000 trasformatori identici. L'ho sperimentato sulla mia pelle più di una volta, soprattutto quando si tratta di produzione in Sud Africa. Ora immagina
  che dovrai "modificare con un file" questi 10.000 trasformatori durante l'assemblaggio finale. ti sei presentato? Ti sei sentito triste per l'importo del costo del lavoro, e quindi il costo? Penso che sia diventato.
• Prezzo di costo. Questo è generalmente un punto molto difficile, ma guardiamo la foto sopra e vediamo che per assemblare un trasformatore classico, abbiamo bisogno di un telaio, anima, staffe, filo di rame, isolamento e tutto questo con le nostre mani o su una macchina semiautomatica . Diciamo che tutto questo costa "X dollari". Per la fabbricazione di un trasformatore planare è necessario solo un nucleo. Penso che sia ovvio qui che 1 parte è chiaramente più economica di 1 della stessa parte + 4 componenti in più?

In questo momento, probabilmente sei sopraffatto dal tormento: "Se tutto va così male, allora perché i trasformatori convenzionali sono così comuni?" Poco prima ho detto che alcuni di questi svantaggi in certi compiti non sono uno svantaggio. Ad esempio, se apri l'UPS in linea, vedrai che il trasformatore non è l'elemento più grande lì. E se raccogli piccoli lotti fino a 100-200 dispositivi al mese, il costo sarà sicuramente uguale, perché 100-200 pezzi possono già essere realizzati in Russia, oppure puoi noleggiare un avvolgitore, acquistare una macchina cinese o realizzarla da solo per 100-200 mila rubli. e goditi la vita.
E forse il luogo principale in cui i trasformatori planari non sostituiranno quelli convenzionali: i convertitori con potenza nominale più di 2000 W.

Dispositivo trasformatore planare

Nella primissima foto vedete questo tipo di trasformatore già assemblato, la vista è molto insolita, vero? Sebbene le persone che hanno aperto televisori moderni, caricando laptop (non economici) abbiano probabilmente visto tali trasformatori o simili.

I trasformatori planari possono essere realizzati in diversi design, non esiste una classificazione chiara per quanto ne so, ma li divido in 2 tipi:

Qualunque sia il tipo di trasformatore planare considerato, hanno una cosa in comune: tutti gli avvolgimenti sono realizzati sotto forma di piste di rame sul circuito stampato.

Se decidi di familiarizzare con questa tecnologia in modo più dettagliato e vai su Google, troverai sicuramente la frase in molti articoli: "... e finalmente, negli ultimi anni, i trasformatori planari sono diventati convenienti. Ciò è dovuto al fatto che i pannelli multistrato sono diminuiti di prezzo". Quando stavo progettando il mio primo trasformatore planare, nel 2010-11, questa frase mi ha confuso. Ingenuamente pensavo che i fili planari fossero realizzati esclusivamente su circuiti stampati multistrato. A quel tempo, stavo ancora studiando all'università e, sebbene lavorassi e ricevessi una buona borsa di studio, questo tipo di pensione non era molto conveniente per me finanziariamente. Ho pensato e deciso di creare il mio facebook!!! per ridurre il costo di questa tecnologia, come si è scoperto in seguito, ha inventato una bicicletta.

L'essenza della riduzione dei costi era l'uso di una "torta" di diversi circuiti stampati a due strati di piccolo spessore (0,8 o 1 mm). Mi è sembrata una soluzione geniale e semplice. L'unico problema era che, come sempre, ho guardato alle soluzioni delle migliori aziende impegnate nell'elettronica di potenza, come Texas Instruments, Linear, Infineon, Murata, e hanno utilizzato circuiti stampati a 6-8 strati, e nel 2010 hanno addirittura avevano una classe 4 standard (0,15 / 0,15 mm) erano molto costosi. Poi si è scoperto che per una pratica estiva sono stato invitato in una buona compagnia e lì mi hanno detto e mostrato che già da 10 anni fanno queste "torte" per trasformatori planari. Altre società al di sotto di TI e Infineon hanno fatto lo stesso. La cosa principale è l'idea era giusta e tale decisione non solo è corretta, ma anche collaudato nel tempo.

Tutti gli elementi della "torta" sono normali schede a due strati di classe di precisione standard, il che significa che sono incredibilmente economiche e possono essere realizzate da qualsiasi produttore di circuiti stampati. Gli elementi della "torta" di un trasformatore planare hanno questo aspetto:

Come puoi vedere, ci sono solo 3 elementi nel mio trasformatore, anche se potrebbero essercene di più. Perché 3? Secondo i miei calcoli, per ottenere l'induttanza richiesta nell'avvolgimento primario, avrò bisogno di 6 strati. 2 strati mi vengono dati dalla tavola principale + 2 strati "un pezzo di torta" + 2 strati "un pezzo di torta". L'avvolgimento secondario si adatta solo a 2 strati, da qui c'è un altro "pezzo di torta". Di conseguenza, ha una pila di 4 circuiti stampati a doppio strato. L'ulteriore calcolo è ancora più semplice: io uso il nucleo ELP18 / 4/10, il che significa che la distanza per gli "avvolgimenti" è di 4 mm. Dividiamo questa distanza per il numero di schede: 4 mm / 4 schede = 1 mm - lo spessore di ogni PCB. È così semplice!

Se improvvisamente non capisci da dove provenga lo spazio di 4 mm, puoi guardare la scheda tecnica sul nucleo qui. E per chi non si sente a suo agio nel seguire i link o non vuole spendere traffico su un grande pdf, un piccolo ritaglio:

Come puoi vedere, la dimensione della finestra principale su una metà è di 2 mm, sulla seconda metà è anche di 2 mm. Otteniamo l'altezza totale della finestra - 4 mm.

Ora puoi capire in cosa consiste il costo principale di un trasformatore planare. Infatti, ci sono solo 2 componenti: un core e 3 circuiti stampati. Il nucleo costa $ 0,14 in blocco, 3 circuiti stampati per $ 0,11 ciascuno, lo stesso sulla serie. Otteniamo $ 0,47 dal trasformatore stesso. Non ho incluso qui il composto legante del nucleo. se spargi il suo costo per l'intero lotto, anche 1 centesimo non funziona lì e non ha contato il lavoro di assemblaggio. Il lavoro non è considerato per un semplice motivo: il trasformatore viene assemblato nella fase di installazione manuale, ma costa un centesimo in Asia. Per fare un confronto, la saldatura di 2 transistor nella custodia TO-220 costa come l'installazione di un trasformatore planare, ovvero, di nuovo, risulta minuscolo. Ecco come otteniamo il numero 0,5 $ per 1 trasformatore fino a 100 W.

Un po 'sui miei risultati ... Sono riuscito a rientrare nell'altezza complessiva e ho persino fatto di meglio: invece dei limiti di 11 mm, ho ottenuto 9,6 mm. Da un lato, non è molto evidente, ma in pratica si tratta di una diminuzione delle dimensioni di circa il 13%. Inoltre, la dimensione principale dell'altezza non era più fissata dal trasformatore, ma dai condensatori elettrolitici SMD all'ingresso e all'uscita.
Al costo - non posso dirti la cifra esatta, ma si è rivelata all'interno del requisito. Vale la pena notare gli sforzi del cliente stesso, è riuscito a trovare fornitori che, su una grande serie, sono stati in grado di fornire prezzi al livello, e talvolta leggermente inferiori rispetto a digikey. Personalmente, è merito mio: ho risolto un problema tecnico e l'ho realizzato a buon mercato, e il cliente stesso l'ha già fatto in modo super economico senza perdere la qualità.

Possibilità tecniche offerte da un trasformatore planare

Più avanti, il mio articolo assume un carattere più tecnico che narrativo, e se non sei interessato all'elettronica di potenza, ai calcoli a secco e ad altre brutte cose, allora puoi saltare la lettura e procedere alle discussioni nei commenti. Non ci saranno immagini più belle. Se hai intenzione di adottare questa tecnologia per te stesso, allora tutto è solo all'inizio per te.

Per poter valutare più chiaramente il pieno potenziale di questo tipo di trasformatore, posso dire che in questo progetto, su una coppia di ELP18/4/10 core, sono riuscito a costruire un convertitore risonante da 65 W. Ora guarda le sue dimensioni complessive, non è male per una tale sciocchezza?

Metodo di calcolo del trasformatore planare

Esistono molti metodi che ti consentono di calcolare questo tipo di trasformatore. È vero, la letteratura principale, anche scientifica, è principalmente in inglese, tedesco e cinese. Ne ho provati diversi in pratica, sono stati tutti presi da fonti di lingua inglese e tutti hanno mostrato un risultato accettabile. Nel processo di lavoro, nel corso di diversi anni, ho apportato piccole modifiche, che hanno permesso di aumentare in qualche modo l'accuratezza dei calcoli e ti mostrerò questo metodo.

Non ho alcuna ambizione per la sua unicità, e inoltre non garantisco che i suoi risultati siano sufficientemente accurati in tutte le gamme di frequenza e potenza. Pertanto, se si prevede di utilizzare nel lavoro, fare attenzione e monitorare sempre l'adeguatezza dei risultati.

Calcolo di un trasformatore planare

Quando si calcola un trasformatore, il primo passo è trovare il valore massimo dell'induzione magnetica. Le perdite nel nucleo e nei conduttori di rame portano al riscaldamento del trasformatore, pertanto i calcoli devono essere effettuati in relazione al surriscaldamento massimo consentito del trasformatore. Quest'ultimo viene selezionato in base alle condizioni operative e ai requisiti del dispositivo.

Deeds è un'ipotesi empirica in cui assumiamo che metà delle perdite totali del trasformatore siano perdite del nucleo. Sulla base di questa ipotesi, calcoliamo la massima densità di perdita del nucleo utilizzando la formula empirica:

Dov'è il valore del volume magnetico effettivo? VE tratto dalla documentazione per il core in [cm3], il valore del surriscaldamento massimo T viene selezionato in base a calcoli (ad esempio, di solito prendo in considerazione 50-60 gradi). La dimensione del valore ottenuto è [mW/cm3].

Si prega di notare che molte delle formule che descrivo sono derivate empiricamente. Altri sono scritti nella loro forma finale senza scrivere la loro deduzione matematica. Per coloro che sono interessati all'origine di quest'ultimo, consiglio di familiarizzare semplicemente con la letteratura straniera sui materiali magnetici, ad esempio ci sono libri di Epcos e Ferroxcube.

Ora, conoscendo la massima densità di perdita del nucleo, possiamo calcolare il valore di induttanza massimo al quale non verrà superata la temperatura di surriscaldamento superiore a quella calcolata.


Dove CENTIMETRO, CT, X, sì sono i parametri ottenuti empiricamente con il metodo di approssimazione della curva di perdita, e F- frequenza di conversione. Puoi ottenerli in due modi: elaborando i dati (grafici) dalla documentazione per il tuo core o costruendo tu stesso questi grafici. Quest'ultimo metodo ti consentirà di ottenere dati più accurati, ma avrai bisogno di una termocamera a tutti gli effetti.

Ad esempio, condividerò con voi questi valori per le anime in materiale Epcos N49, la sua controparte di Ferrocube è un materiale altrettanto popolare e conveniente 3F3... Entrambi i materiali consentono di costruire facilmente convertitori con una frequenza di risonanza fino a 1 MHz incluso. Vale anche la pena notare che questi parametri dipendono dalla frequenza, queste cifre sono per le frequenze 400-600kHz... Questa è la gamma di frequenza e il materiale più popolari che uso.

• CM = 4,1 × 10–5
• TA = 1,08 × 10–2
• x = 1.96
• y = 2.27

Inoltre, vale la pena ricordare il secondo componente delle perdite nel trasformatore - perdite di rame... Sono considerati facilmente, secondo la nostra legge di Ohm preferita, in cui abbiamo anche preso in considerazione momenti abbastanza logici: abbiamo una corrente di impulso e non scorre il 100% delle volte, cioè il fattore di riempimento. Non ti dirò come calcolare la resistenza di un avvolgimento di rame dalla sua geometria, è troppo banale, ma probabilmente ti ricorderò la formula generale:

Le perdite di rame vengono calcolate separatamente per ciascun avvolgimento e quindi aggiunte. Ora conosciamo le perdite in ogni strato della "torta" e nel nucleo. Chi è interessato può simulare il surriscaldamento del trasformatore, ad esempio, in Comsol o Solidworks Flow Simulation.

Continuando l'argomento dei conduttori di rame, ricordiamo un fenomeno come effetto pelle... Se spiegato "sulle dita", questo è l'effetto quando, con un aumento della frequenza della corrente che scorre nel conduttore, la corrente viene "spremuta" dal conduttore (dal centro alla superficie) da un'altra corrente - vortice.
Parlando in modo più scientifico, a causa del flusso di corrente alternata nel conduttore, viene indotta l'induzione alternata, che a sua volta provoca correnti parassite. Queste correnti parassite hanno una direzione opposta alla nostra corrente principale e si scopre che si sottraggono reciprocamente e nel centro del conduttore la corrente totale è zero.
La logica è semplice - maggiore è la frequenza della corrente che scorre, maggiore è l'effetto dell'effetto pelle e minore è la sezione effettiva del conduttore... È possibile ridurne l'influenza ottimizzando la geometria degli avvolgimenti, la loro parallelizzazione e altri metodi, che probabilmente meritano, se non un intero libro, un ampio articolo separato.
Per i nostri calcoli, è sufficiente stimare approssimativamente l'influenza dell'effetto pelle utilizzando un'altra formula empirica:

Dove ∆δ - spessore della zona a corrente nulla, F- frequenza del convertitore. Come puoi vedere, questo effetto è interamente legato alla frequenza di commutazione.

Ora contiamo quanti giri e altre cose ci servono per fare un trasformatore in avanti. Prima di tutto, consideriamo quanti giri abbiamo bisogno nell'avvolgimento primario:

Dove Umin è la tensione di ingresso minima, D è il duty cycle, f è la frequenza operativa, Ae è la sezione effettiva del nucleo. Ora contiamo il numero di giri per l'avvolgimento secondario:

Dove N1 è il numero di spire dell'avvolgimento primario, D è il duty cycle, Uout è la tensione di uscita nominale, Umin è la tensione di ingresso minima.

Il prossimo passo è calcolare l'induttanza primaria. Poiché la corrente nell'avvolgimento ha una risposta all'impulso, dipenderà anche dall'induttanza. Lo calcoliamo utilizzando la seguente formula:

Dove μ0 è la permeabilità magnetica effettiva, μa è la permeabilità magnetica di ampiezza, Ae è la sezione effettiva del nucleo, N1 è il numero di spire nell'avvolgimento primario, Ie è la lunghezza effettiva del percorso. I parametri mancanti, come la permeabilità e la lunghezza della linea magnetica, possono essere trovati nella documentazione per un nucleo specifico.

Ora il passo finale che dobbiamo compiere è calcolare la corrente nell'avvolgimento primario. Ciò consentirà in futuro di calcolare la sezione trasversale per l'avvolgimento primario e, di conseguenza, la larghezza del conduttore. Il valore corrente è la somma di due componenti e si presenta così:


Qui sembra che tutti i componenti della formula siano già familiari e calcolati, l'unica cosa che noterò è il parametro Pmax. Questo non è solo il valore della potenza di uscita nominale, è la potenza totale del convertitore, tenendo conto dell'efficienza almeno approssimativamente (di solito metto il 95–97% per i convertitori risonanti) e il margine che metti nel dispositivo . Nei miei dispositivi, di solito c'è un margine di potenza del 10%, in dispositivi e nodi particolarmente critici a volte è necessario stabilire un margine del 20-25%, ma questo provoca un aumento del prezzo.

Quindi abbiamo ottenuto tutti i parametri necessari per calcolare e progettare un trasformatore planare. Certo, devi calcolare tu stesso la sezione trasversale per gli avvolgimenti, ma questa è un'aritmetica elementare, con la quale non voglio ingombrare l'articolo. Tutto il resto è già stato calcolato e non resta che disegnare le schede in una sorta di CAD.

Risultato

Spero che il mio articolo ti aiuti a iniziare a utilizzare i trasformatori planari sia nei tuoi progetti domestici che in quelli commerciali. Questa tecnologia deve essere utilizzata con attenzione, perché, a seconda dell'attività, potrebbe rivelarsi più costosa dei trasformatori "classici".

L'utilizzo dei trasformatori planari apre indubbiamente anche a nuove possibilità tecniche, ea ciò contribuiscono solo i moderni Mosfet e i nuovi transistor GaN, rendendo possibile la realizzazione di convertitori con frequenze da 400 kHz e superiori. Tuttavia, il costo di queste "caratteristiche" non è sempre sufficientemente basso e anche la progettazione di convertitori risonanti a tali frequenze richiede un ampio insieme di conoscenze ed esperienza.

Ma non ti arrabbiare! Chiunque di voi, anche un ingegnere elettronico alle prime armi, è in grado di assemblare topologie in modo più semplice, ad esempio un bridge ZVS (Full bridge). Questa topologia consente di ottenere un'efficienza molto elevata e non richiede alcuna conoscenza super-segreta. Hai solo bisogno di creare un prototipo o un layout e sperimentare molto. Buona fortuna nell'esplorare nuovi orizzonti!

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Le dimensioni sempre più ridotte dei prodotti elettronici, in particolare dei dispositivi mobili, implicano che i progettisti debbano utilizzare i componenti più piccoli possibili. Per i componenti a semiconduttore, oltre a quelli passivi, come resistori e condensatori, la scelta è piuttosto ampia e variegata. Prenderemo in considerazione un sostituto di piccole dimensioni per un altro elemento passivo: trasformatori e induttanze. Nella maggior parte dei casi, i progettisti utilizzano trasformatori e induttanze standard con filo avvolto. Considereremo i vantaggi dei trasformatori planari (PT) basati su circuiti stampati multistrato. Il costo dei PCB multistrato è in costante diminuzione, quindi i trasformatori planari sono un buon sostituto dei trasformatori convenzionali.

I trasformatori planari forniscono un'interessante alternativa ai trasformatori convenzionali quando sono richiesti piccoli componenti magnetici. Con la tecnologia planare di produzione di componenti induttivi, il ruolo degli avvolgimenti può essere svolto da tracce su un circuito stampato o sezioni di rame, applicate con un metodo stampato e separate da strati di materiale isolante, e inoltre, gli avvolgimenti possono essere costruiti da circuiti stampati multistrato. Questi avvolgimenti sono posti tra nuclei di ferrite di piccole dimensioni. In base alla progettazione, i componenti planari sono suddivisi in diversi tipi. La cosa più vicina ai componenti induttivi convenzionali sono i componenti planari sospesi, che possono essere utilizzati al posto dei componenti convenzionali su PCB a strato singolo e multistrato. L'altezza dell'attacco può essere ridotta immergendo il nucleo nell'apertura nel PCB in modo che l'avvolgimento poggi sulla superficie del PCB. Lo Step Up è un tipo ibrido in cui alcuni degli avvolgimenti sono incorporati nella scheda madre e alcuni sono su un PCB multistrato separato collegato alla scheda madre. La scheda madre deve avere i fori per il nucleo di ferrite. Infine, con quest'ultimo tipo di componente planare, l'avvolgimento è completamente integrato nel PCB multistrato.

Come con i componenti a filo avvolto convenzionali, le metà del nucleo possono essere unite mediante incollaggio o fissaggio, a seconda delle capacità e delle preferenze del produttore. FERROXCUBE offre un'ampia gamma di E-core planari per una varietà di applicazioni.

Vantaggi della tecnologia planare

La tecnologia planare per la produzione di componenti magnetici presenta numerosi vantaggi rispetto all'avvolgimento del filo convenzionale. Il primo chiaro vantaggio è l'headroom molto basso, che rende i componenti planari promettenti per applicazioni portatili e montate su rack ad alta densità.

I componenti magnetici planari sono particolarmente adatti per la progettazione di convertitori di potenza a commutazione ad alte prestazioni. Basse perdite di rame CA e fattori di accoppiamento elevati forniscono una conversione più efficiente. La bassa induttanza di dispersione riduce i picchi di tensione e le fluttuazioni, che possono causare danni ai componenti MOS e un'ulteriore fonte di interferenza.

La tecnologia planare è semplice e affidabile da produrre. Le tabelle 1-3 descrivono i vantaggi ei limiti di questa tecnologia.

Tabella 1. Benefici per lo sviluppo

Tabella 2. Vantaggi di produzione

Tabella 3. Limitazioni

(1) Il costo dei PCB multistrato è in diminuzione. Costo complessivo: nessun frame necessario, core di dimensioni inferiori.

Componenti integrati contro accessori

I componenti planari integrati vengono utilizzati laddove la complessità dei circuiti circostanti richiede l'uso di un PCB multistrato. Le applicazioni tipiche sono i convertitori a bassa potenza e i dispositivi di elaborazione del segnale. Usano principalmente una combinazione di un nucleo a forma di W e una piccola piastra. I principali requisiti di progettazione qui sono altezza ridotta e buone prestazioni ad alta frequenza.

• Gli allegati sono usati in modo diverso. Le applicazioni tipiche sono i convertitori ad alta potenza; utilizzano principalmente una combinazione di due grandi nuclei a forma di W. Le prestazioni termiche sono il principale requisito di progettazione. Il design dell'avvolgimento dipende, in particolare, dall'entità della corrente.

L'inserimento dei componenti di fissaggio nella scheda consente di ridurre l'altezza dell'assieme senza modificare la posizione dei componenti.

I componenti ibridi riducono il numero di avvolgimenti sospesi tramite piste PCB e nella versione integrata non ci sono avvolgimenti sospesi. Sono possibili anche combinazioni dei due. Ad esempio, un convertitore di potenza potrebbe avere un trasformatore primario e una reattanza del filtro di linea integrati nella scheda madre e la reattanza secondaria e di uscita su schede a circuiti stampati separate (Figura 3).

Incollaggio contro bloccaggio

La scelta tra incollaggio e bloccaggio è in gran parte una questione di capacità e preferenze del produttore, ma ci sono anche requisiti specifici dell'applicazione che possono determinare quale metodo è più desiderabile.

La prima area di applicazione dei trasformatori planari era la conversione di potenza. Di conseguenza, in questo caso sono state utilizzate ferriti potenti a media e alta frequenza. L'induttanza dell'induttanza del filtro di linea può essere aumentata sostituendo la potente ferrite con un materiale ad alta permeabilità magnetica. Nella trasmissione del segnale a impulsi, un trasformatore a banda larga tra il circuito integrato del generatore di impulsi e il cavo fornisce isolamento e adattamento di impedenza. Nel caso dell'interfaccia S o T, deve essere anche una ferrite ad alta permeabilità. I nuclei di ferrite 3E6 ad alta permeabilità sono stati aggiunti alla gamma di prodotti FERROXCUBE. Di seguito è riportato un elenco di applicazioni in cui l'uso della tecnologia planare può fornire vantaggi.

Conversione di potenza

• Componenti
  • Trasformatori di potenza, induttanze di uscita o risonanti, induttanze per filtri di linea.
• Raddrizzatori (alimentatori di rete)
  • Alimentatori a commutazione.
  • Caricabatterie (telefoni cellulari, computer portatili).
  • Strumenti di controllo e misurazione.
• Convertitori CC/CC
  • Moduli di conversione di potenza.
  • Switch di rete.
  • Telefoni cellulari (alimentazione principale).
  • Computer portatili (alimentazione principale).
  • Veicoli elettrici (convertitore da tensione di trazione a 12 V).
• Convertitori AC (alimentatori di rete)
  • Convertitori compatti per lampade fluorescenti.
  • Riscaldamento a induzione, saldatura.
• Inverter (alimentatori a batteria)
  • Telefoni cellulari (retroilluminazione LCD).
  • Computer portatili (retroilluminazione LCD).
  • Fari auto a scarica di gas (ballast).
  • Lunotto termico dell'auto (convertitore step-up).

Trasmissione a impulsi

• Componenti
  • Trasformatori a banda larga.
  • S 0 -interfacce (linea telefonica dell'utente).
  • Interfacce U (linea utente ISDN).
  • Interfacce T1/T2 (linea urbana tra switch di rete).
  • Interfacce ADSL.
  • Interfacce HDSL.

Tabella 4. Caratteristiche del materiale

Tabella 5. Nuclei per incollaggio (senza scanalature)

Tabella 6. Materiali d'anima per l'incollaggio

(*) - metà delle anime da utilizzare in combinazione con l'anima a W senza intercapedine o piastra.

(**) - metà dei nuclei con elevata permeabilità magnetica.

E160 - E - mezzo nucleo con gioco simmetrico. A L = 160 nH (misurato in combinazione con gioco semisimmetrico).

A25 - E - mezzo nucleo con gioco asimmetrico. A L = 25 nH (misurato in combinazione con mezzo nucleo senza gioco).

A25 - P - mezzo nucleo con gioco asimmetrico. AL = 25 nH (misurato in combinazione con la piastra).

1100/1300 - mezzo nucleo senza gioco. AL = 1100/1300 nH (misurato in combinazione con mezzo nucleo senza gioco / piastra).

Il valore di AL (nH) è stato misurato a B≤0,1 mT, f≤10 kHz, T = 25 ° C.

Tolleranza A L:

Tabella 7. Dipendenza delle caratteristiche dalla potenza (nuclei per incollaggio)

Tabella 8. Nuclei con connessione a morsetto

Gamma di prodotti

FERROXCUBE offre un'ampia gamma di anime planari a forma di W nella gamma di dimensioni 14–64 mm. Nella versione base per incollaggio, la sezione trasversale è sempre uniforme, il che consente un utilizzo ottimale del volume di ferrite. Per ogni taglia c'è un'anima a forma di W (indicata con la lettera E) e la piastra corrispondente (indicata con le lettere PLT). Il set può essere composto da un nucleo a forma di E e una piastra o da due nuclei a forma di E. In quest'ultimo caso, l'altezza della finestra di avvolgimento è raddoppiata. Per le taglie più piccole è disponibile anche un set di nucleo a W e piastra nella versione con attacco a morsetto. Utilizza un nucleo dentellato a forma di W (indicato con E/R) e un inserto scanalato (indicato con PLT/S). Il morsetto (designato CLM) si incastra negli incavi nel nucleo e fornisce una connessione forte premendo la piastra in due punti. La scanalatura impedisce lo spostamento dell'inserto anche con forti urti o vibrazioni e garantisce inoltre l'allineamento. Una connessione a morsetto non è fornita per una combinazione di due E-core.

Tabella 9. Materiali dei nuclei con connessione a morsetto

(1) - mezzi nuclei per l'uso in combinazione con una piastra.

A63 - P - mezzo nucleo con gioco asimmetrico. AL = 63 nH (misurato in combinazione con la piastra).

1280 - mezzo nucleo senza gioco.

AL = 1280 nH (misurato in combinazione con la piastra).

Il valore A L (nH) è stato misurato a B≤0.1 mT, f≤10 kHz, T = 25 ° C.

Tolleranza A L:

Tabella 10. Dipendenza delle caratteristiche dalla potenza (conduttori con connessione a morsetto)

I potenti nuclei di ferrite 3F3 (frequenza operativa fino a 500 kHz) e 3F4 (500 kHz - 3 MHz) sono disponibili in tutte le dimensioni. Anche i nuclei più grandi sono realizzati in ferrite 3C85 (frequenza operativa fino a 200 kHz), poiché i nuclei di grandi dimensioni sono spesso utilizzati in applicazioni a bassa frequenza ad alta potenza. Sono disponibili anche i nuclei più piccoli realizzati in ferrite 3E6 ad alta permeabilità (μ i = 12000) per l'uso in induttanze per filtri di linea e trasformatori a banda larga.

Pacchetto

L'involucro di plastica viene utilizzato come imballaggio standard per anime e piastre a forma di W planari.

Tabella 11. Imballaggio

Tabella 12. Scatola con anime

Tabella 13. Scatola morsettiera

Tabella 14. Imballaggio del nastro

Per i nuclei E14 / 3.5 / 5 e E18 / 4/10, è stato sviluppato un prototipo di imballaggio a nastro da utilizzare con l'assemblaggio automatico di componenti SMD. Il metodo di imballaggio è conforme a IEC-286 parte 3. Le piastre sono imballate nello stesso modo dei corrispondenti E-core.

Sviluppo di

Per sfruttare al meglio i vantaggi della tecnologia planare, è necessario seguire un concetto di design diverso rispetto all'avvolgimento del filo. Di seguito sono riportate alcune considerazioni per guidarvi in ​​questo senso.

Selezione del nucleo

• Induzione magnetica

Le prestazioni termiche migliorate consentono una perdita di potenza doppia rispetto a un design convenzionale per la stessa quantità di campo magnetico, quindi la densità di flusso ottimale sarà superiore al normale.

• Vuoto d'aria

Grandi spazi sono indesiderabili nei progetti planari poiché creano un flusso di dispersione. Il flusso del bordo dipende dal rapporto tra l'altezza della finestra di avvolgimento e la larghezza del traferro, che è minore per i nuclei piatti. Se l'altezza della finestra è solo diverse volte maggiore della larghezza dello spazio vuoto e la larghezza è diverse volte maggiore della larghezza della parte centrale del nucleo, si verificherà un flusso significativo tra la parte superiore e inferiore del nucleo . Grandi valori di flussi di bordo e intersecanti portano a grandi perdite di correnti parassite nell'avvolgimento.

Disegno di avvolgimento

• Resistenza CC

Le piste in rame più comunemente utilizzate hanno uno spessore di 35, 70, 100 e 200 micron. Se l'area della sezione trasversale del binario è insufficiente per ottenere una resistenza CC accettabile, è possibile collegare i binari in parallelo per tutte o parte delle spire.

• Resistenza CA

La perdita CA dovuta agli effetti pelle e prossimità è inferiore per i binari piatti in rame rispetto a un filo tondo con la stessa area di sezione trasversale. Le correnti parassite indotte in prossimità del traferro possono essere ridotte rimuovendo alcune spire nel punto in cui l'induzione è massima ed è diretta perpendicolarmente al piano di avvolgimento. La combinazione di un E-core e una piastra ha un flusso di dispersione leggermente inferiore rispetto a una combinazione di due E-core, a causa della posizione del traferro.

• Induttanza di dispersione

Quando gli avvolgimenti sono disposti uno sopra l'altro, l'accoppiamento magnetico è molto forte e sono raggiungibili valori del coefficiente di accoppiamento prossimi al 100% (Fig. 13, a).

Il design precedente porta ad una maggiore capacità di avvolgimento. Questa capacità può essere ridotta posizionando le tracce degli avvolgimenti adiacenti negli spazi tra loro (Fig. 13, b).

Inoltre, la ripetibilità del valore della capacità consente di compensarlo nel resto del circuito, nonché di essere utilizzato in progetti risonanti. In quest'ultimo caso, è possibile creare intenzionalmente una grande capacità posizionando le tracce degli avvolgimenti adiacenti l'una di fronte all'altra (Fig. 13, c).

Produzione

Assemblea

Quando si utilizzano i morsetti, è necessario prima far scattare il morsetto negli incavi del nucleo e quindi allineare la piastra lateralmente.

Per i componenti integrati, l'assemblaggio è combinato con l'assemblaggio.

Installazione

Quando si utilizzano componenti aggiuntivi, è possibile utilizzare schede a foro passante o montaggio SMD. Non ci sono differenze significative dal solito processo

La superficie piatta del nucleo è particolarmente adatta per il montaggio automatico.

Per i componenti integrati, l'installazione viene eseguita in due passaggi:

1. Incolla metà del nucleo sul PCB. Per fare ciò, è possibile utilizzare la stessa colla utilizzata per il montaggio dei componenti SMD e questo passaggio è logicamente combinato con il montaggio dei componenti SMD su questo lato del PCB.
2. Incolla la seconda metà del nucleo alla prima. Ciò include gli stessi commenti che sono stati fatti per quanto riguarda l'assemblaggio di componenti aggiuntivi.

saldatura

Si applica solo ai trasformatori incernierati.

Nel caso della saldatura a riflusso, la convezione calda è il metodo di riscaldamento preferito, piuttosto che la radiazione infrarossa, poiché il primo metodo garantisce l'equalizzazione delle temperature delle superfici da saldare. Se riscaldato con radiazione infrarossa utilizzando materiali standard, la buona conduttività termica del componente planare può portare a una temperatura troppo bassa della pasta saldante e, se la potenza di radiazione viene aumentata, la temperatura del PCB è troppo alta. Se si utilizza il riscaldamento a infrarossi, si consiglia di selezionare una pasta saldante e/o un materiale PCB diversi.

Designazione delle dimensioni standard

Tutti i numeri mostrati si riferiscono a mezzi core. È necessario ordinare le due metà del nucleo nella combinazione corretta. Esistono quattro tipi di metà del nucleo, da cui vengono realizzati set di tre tipi:

• due nuclei a forma di W (E + E);
• Nucleo e piastra a forma di W (E + PLT);
• Anima dentellata a forma di W e piastra scanalata (E / R + PLT / S).

L'ultimo set include anche un morsetto (CLM).

Il prossimo articolo fornirà una metodologia per il calcolo dei trasformatori di potenza planari per la commutazione di alimentatori.

Trasformatori planari e induttanze di Payton (2005)

Uno dei compiti principali nello sviluppo di un trasformatore è quello di ridurne le dimensioni complessive aumentando la potenza effettiva. Oggi il trasformatore sta vivendo un secondo rinascimento: una nuova tecnologia planare sta sostituendo la tradizionale tecnologia del trasformatore. Il principio della costruzione di dispositivi elettromagnetici utilizzando la nuova tecnologia consiste nell'utilizzare circuiti stampati invece di un assemblaggio di telaio e avvolgimento del filo. Il ruolo dell'avvolgimento nella tecnologia planare è giocato dalle tracce stampate sulla lavagna. I pannelli sono impilati in più strati, separati da un materiale isolante e racchiusi in un nucleo di ferrite.

Tecnologia planare
Fino alla metà degli anni '80, la tecnologia dei trasformatori planari era limitata principalmente agli sviluppi nei settori militare, aeronautico e spaziale. All'origine dell'applicazione commerciale attiva delle tecnologie planari fu Alex Estrov, che pubblicò nel 1986 alcuni dati sui suoi sviluppi nel campo dei trasformatori planari operanti alla frequenza di risonanza di 1 MHz. Il successo attendeva l'idea. Qualche tempo dopo, A. Estrov ha organizzato una società (oggi si chiama Payton Power Magnetics Ltd.), che ha lanciato la produzione in serie di trasformatori planari di potenza e induttanze.
Che cos'è la tecnologia planare e in che modo è notevole? Considera un esempio che spiega il principio di costruzione di trasformatori planari (Fig. 1). La figura mostra una vista esplosa del trasformatore. È costituito da diverse piastre con spire di avvolgimento applicate su di esse e piastre isolanti che separano le piastre di avvolgimento l'una dall'altra. L'avvolgimento del trasformatore è realizzato sotto forma di tracce su circuiti stampati o sezioni di rame stampate sulla scheda. Tutti gli strati sono impilati uno sopra l'altro e tenuti in posizione da due pezzi di un nucleo di ferrite.
Il desiderio di ridurre gli ingombri aumentando la potenza è l'obiettivo principale dello sviluppo dei moderni dispositivi di potenza. Allo stesso tempo, i trasformatori planari, a differenza di quelli tradizionali, hanno un'area di raffreddamento effettiva relativamente ampia e sono più facili da raffreddare: è possibile utilizzare varie opzioni: radiatore naturale, forzato, unilaterale e bilaterale, raffreddamento a liquido.
Un'altra caratteristica positiva dei dispositivi planari è la piccola diffusione dei parametri elettrici da dispositivo a dispositivo. Un trasformatore a filo ha una grande dispersione di parametri, poiché il filo è posizionato in modo non uniforme sul telaio durante il processo di avvolgimento, il che non può che influenzare i parametri del dispositivo (ad esempio, induttanza, fattore Q). I trasformatori planari sono assemblati sulla base di circuiti stampati multistrato. Ogni tavola è prodotta allo stesso modo. Vengono stampate anche le tracce sulle tavole. L'incisione delle tavole è sempre lo stesso processo. Gli errori dei parametri di un trasformatore planare sono cento volte inferiori agli errori di un tradizionale trasformatore a filo avvolto.
I trasformatori planari sono ideali per sistemi di telecomunicazione, computer, sistemi di bordo di aeromobili, alimentatori, saldatrici, sistemi di riscaldamento a induzione, ad es. ovunque siano necessari trasformatori di potenza ad alta efficienza e di piccole dimensioni.
I principali vantaggi dei trasformatori planari:
elevata potenza con ingombri ridotti (10 W - 20 kW);
alta efficienza dei dispositivi (97-99%);
ampio intervallo di temperature di esercizio: da -40 a + 130 ° С;
rigidità dielettrica dei dispositivi 4-5 kV;
bassa induttanza di dispersione;
la gamma di frequenza operativa dei dispositivi planari è compresa nell'intervallo da 20 kHz a 2,5 MHz;
alta potenza con dimensioni ridotte: i trasformatori planari includono solitamente da uno a sette avvolgimenti;
piccola dispersione di parametri durante la produzione in serie di dispositivi;
livello molto basso di interferenza elettromagnetica;
piccole dimensioni e peso.

Trasformatori planari Payton
Payton produce un'ampia gamma di trasformatori planari da 5W a 20kW. I trasformatori Payton sono di piccole dimensioni (Fig. 2), in grado di funzionare ad alta potenza e fornire buone prestazioni termiche. La tabella 1 presenta i dati sulla potenza, il peso e la dimensione del nucleo.

La linea di prodotti Payton comprende dispositivi progettati per vari livelli di potenza da utilizzare in apparecchiature di telecomunicazione, alimentatori, convertitori di tensione AC/DC e DC/DC, ecc. Nella tabella 2 sono riportate le principali caratteristiche di alcune tipologie di trasformatori planari Payton.
Inizialmente, gli sviluppatori di Payton si sono concentrati sulla produzione di trasformatori solo per alimentatori a commutazione (SMPS), per l'uso in saldatrici e sistemi di riscaldamento a induzione. Tuttavia, ora sono usati quasi ovunque.
I moderni trasformatori Payton sono ideali per l'uso in SMPS per saldatrici. I trasformatori si inseriscono perfettamente nella struttura della sorgente, garantendo una lunga durata del suo funzionamento. È noto che le saldatrici SMPS generano valori critici di correnti di uscita. Pertanto, nella maggior parte dei casi, ci sono solo pochi turni secondari. I trasformatori planari sono quindi adatti al funzionamento con correnti elevate e possono essere utilizzati nelle apparecchiature di saldatura. L'uso di trasformatori planari può ridurre significativamente le dimensioni e il peso del dispositivo finale.

Il trasformatore planare si inserisce bene anche nella struttura degli alimentatori per sistemi di riscaldamento ad induzione. Per questi scopi, ad esempio, è stato prodotto un trasformatore da 20kW (Fig. 3) con dimensioni di 180x104x20mm.
Payton Power Magnetics offre trasformatori passanti per una varietà di metodi di montaggio, con opzioni sia per il montaggio superficiale che attraverso il montaggio su PCB. Le superfici piane delle anime sono adatte al montaggio automatico. Inoltre, ci sono dispositivi con prese per il montaggio su superficie.

Induttanze planari Payton
Payton produce una vasta gamma di strozzatori assemblati utilizzando la tecnologia planare. Le induttanze Payton, come i trasformatori, forniscono una potenza significativa nonostante le loro piccole dimensioni. Gli strozzatori sono realizzati utilizzando la tecnologia di premagnetizzazione del nucleo. Sebbene questa tecnologia sia nota da molto tempo, non ha trovato ampia applicazione a causa dell'alto costo dei materiali magnetici speciali tradizionalmente utilizzati per realizzare i nuclei, dell'impossibilità di far funzionare dispositivi ad alte frequenze e del degrado delle caratteristiche a causa del nucleo smagnetizzazione. Gli ingegneri Payton hanno eliminato queste carenze utilizzando nuclei ferromagnetici, un sostituto economico ed efficace per nuclei magnetici speciali.
La tecnologia di premagnetizzazione dei nuclei consente di raddoppiare il valore dell'induttanza dell'induttore senza modificare la corrente o raddoppiare il valore della corrente con un'induttanza costante. La nuova tecnologia per la produzione di induttanze può ridurre le perdite di potenza di 4 volte e ridurre l'area di contatto del 30-40% (Fig. 4).
I test delle induttanze per il deterioramento delle proprietà magnetiche hanno mostrato che a frequenze operative fino a 1 MHz, il deterioramento delle proprietà magnetiche dei nuclei non si verifica anche quando l'intensità del campo è 10 volte superiore al normale valore operativo.

Strozzatori ibridi Payton
Inoltre, Payton sta sviluppando attivamente tecnologie per la costruzione di induttanze planari ibride in grado di funzionare ad alte frequenze di risonanza. Questi dispositivi sono costruiti sulla base di un nucleo ferromagnetico planare a "6 ginocchia", combinato con un avvolgimento multipolare. Questa combinazione consente di ottenere un elevato fattore di qualità alle alte frequenze. Ad esempio, il valore del fattore Q di un'induttanza con un'induttanza di 40 μH a una corrente di 3A e una frequenza operativa di 1 MHz è 500!

Filtri starter Payton
Payton produce anche induttanze planari progettate specificamente per mitigare il rumore di modo comune. Il rapporto tra induttanza di dispersione e autoinduttanza del dispositivo è ridotto allo 0,005%. A causa della loro elevata capacità intrinseca, le induttanze planari di modo comune possono includere condensatori di ingresso e di uscita. Pertanto, questo tipo di induttanza può essere utilizzato come filtro del rumore di modo comune. Sono già in fase di sviluppo filtri induttanza planari, che funzioneranno a correnti fino a 200A.

Conclusione
A causa della stabilità delle caratteristiche tecniche, dell'elevata efficienza e di un metodo di raffreddamento efficiente dei componenti elettromagnetici planari Payton, il loro utilizzo è una soluzione interessante per i produttori di alimentatori. La tendenza al ribasso nella produzione di PCB multistrato rende i trasformatori planari sempre più convenienti per un'ampia varietà di applicazioni. Si può presumere che nel prossimo futuro i dispositivi planari sostituiranno completamente i tradizionali trasformatori a filo.