Преимущества планарных трансформаторов. Планарные трансформаторы и дроссели компании Payton (2005)

Планарные трансформаторы впервые были разработаны в конце 80-х, однако из-за сложной технологии изготовления они не получили широкого распространения. Современную технологию производства планарных трансформаторов тоже нельзя назвать простой, однако благодаря постоянному совершенствованию технологического процесса, стоимость планарных трансформаторов снизилась и это позволило им конкурировать на рынке источников электропитания.

Планарные трансформаторы являются отличной альтернативой обычным трансформаторам, когда возникает необходимость в малоразмерных магнитных компонентах.

Планарные трансформаторы могут выступать в виде навесных компонентов, в виде однослойных печатных плат или в качестве небольшой многослойной платы.

Преимущества планарных магнитных компонентов

Основные преимущества можно описать так:

Рис 1. Типы планарных трансформаторов

Особенности технологии

Планарная технология производства предусматривает, что в процессе изготовления индуктивных компонентов в качестве обмоток выступают дорожки на печатной плате или участки меди, которые наносятся печатным способом и разделяются слоями изоляционного материала. Также обмотки можно сконструировать из многослойных печатных плат.

В любом случае обмотки помещаются между малоразмерными ферритовыми сердечниками. Навесные планарные компоненты расположены ближе всего к обычным индуктивным компонентам и их можно использовать вместо обычных деталей на одно- или многослойных печатных платах.

Чтобы уменьшить высоту навесного компонента, необходимо поместить сердечник в вырез печатной платы так, чтобы обмотка легла на поверхность платы.

Шаг вперед показывает гибридный тип, в котором часть обмоток встраивается в материнскую плату, а остальные находятся на многослойной плате, которая соединяется с материнской.

В то же время, материнская плата должна иметь отверстия для ферритового сердечника.

Последний тип планарных компонентов имеет обмотку, полностью интегрированную в многослойную печатную плату.

Рис 2. Планарные трансформаторы на печатной плате

Отличия планарных трансформаторов от традиционных катушечных

1. Планарные трансформаторы имеют относительно большую эффективную площадь охлаждения и их гораздо легче охлаждать. Для этого можно использовать естественное, принудительное, жидкостное охлаждение, односторонний или двусторонний радиатор.
2. Малый разброс электрических параметров от устройства к устройству.
3. Погрешности параметров планарного трансформатора в сотни раз меньше погрешностей традиционного трансформатора.

Где используются планарные трансформаторы

Планарные трансформаторы нашли свое применение в телекоммуникационных системах, авиационных бортовых системах, компьютерах, силовых источниках питания, сварочных аппаратах и в системах индукционного нагрева. В целом, планарные трансформаторы могут применяться везде, где возникает необходимость в силовых трансформаторах, которые бы имели высокий КПД, и в то же время обладали малыми габаритами.

Планарные трансформаторы и дроссели компании Payton (2005)

Одной из основных задач при разработке трансформатора является уменьшение его габаритных размеров при одновременном увеличении эффективной мощности. Сегодня трансформатор переживает второе раждение - на смену традиционной технологии построения трансформатора приходит новая планарная технология. Принцип построения электромагнитных устройств по новой технологии заключается в использовании печатных плат вместо каркасной сборки и проволочной обмотки. Роль обмотки в планарной технологии выполняют дорожки, нанесённую на плату печатным образом. Платы укладываются в несколько слоёв, разделённых между собой изоляционным материалом, и заключаются в ферритовый сердечник.

Планарная технология
До середины 1980-х годов планарные технологии производства трансформаторов ограничивались в основном разработками в военной, авиационной и космической отрасли. У истоков активного коммерческого применения планарных технологий был Алекс Естров, опубликовавший в 1986 г. некоторые данные о своих разработках в области планарных трансформаторов, работающих на резонансной частоте 1 МГц. Идею ожидал успех. Некоторое время спустя А.Естров организовал компанию (сегодня она называется Payton Power Magnetics Ltd.), запустившую серийное производство силовых планарных трансформаторов и дросселей.
Что же такое планарная технология и чем она примечательна? Рассмотрим пример, который объясняет принцип построения планарных трансформаторов (рис.1). На рисунке представлен трансформатор в разобранном виде. Он состоит из нескольких пластин с нанесенными на них витками обмотки и изоляционных пластин, отделяющих пластины обмотки друг от друга. Обмотка трансформатора выполнена ввиде дорожек на печатных платах или участков, меди нанесенных на плату печатным способом. Все слои размещаются друг над другом и удерживаются двумя частями ферритового сердечника.
Стремление к уменьшению габаритных размеров при одновременном повышении мощности - основная цель развития современных силовых устройств. При этом планарные трансформаторы, в отличие от традиционных, имеют относительно большую эффективную площадь охлаждения и их проще охлаждать - можно использовать различные варианты: естественное, принудительное, односторонний и двусторонний радиатор, жидкостное охлаждение.
Еще одна положительная черта планарных устройств - это малый разброс электрических параметров от устройства к устройству. Трансформатор с проволочной обмоткой обладает большим разбросом параметров, так как проволока в процессе намотки ложится на каркас неравномерно, что не может не влиять на параметры устройства (например, индуктивность, добротность). Планарные трансформаторы собираются на основе многослойных печатных плат. Каждая плата изготавливается одним и тем же способом. Дорожки на платах также наносятся печатным способом. Травление плат - всегда один и тот же процесс. Погрешности параметров планарного трансформатора всотни раз меньше погрешностей традиционного трансформатора с проволочной обмоткой.
Планарные трансформаторы идеально подходят для телекоммуникационных систем, компьютеров, авиационных бортовых систем, силовых источников питания, сварочных аппаратов, систем индукционного нагрева - т.е. везде, где необходимы силовые трансформаторы с высоким КПД и малыми габаритами.
Основные преимущества планарных трансформаторов:
высокая мощность при небольших габаритных размерах (10 Вт - 20 кВт);
высокий КПД устройств (97–99%);
широкий рабочий температурный диапазон: от -40 до +130°С;
диэлектрическая прочность устройств 4-5кВ;
низкая индуктивность рассеяния;
диапазон рабочих частот планарных устройств лежит в пределах от 20кГц до 2.5МГц;
высокая мощность при малых размерах: планарные трансформаторы включают, как правило, от одной до семи обмоток;
малый разброс параметров при серийном производстве устройств;
очень низкий уровень электромагнитных помех;
малые габариты и вес.

Планарные трансформаторы Payton
Компания Payton производит широкую номенклатуру планарных трансформаторов мощностью от 5Вт до 20кВт. Трансформаторы Payton, обладая небольшими размерами (рис.2), способны работать на больших мощностях и обеспечивают хорошие тепловые характеристики. В таблице 1 представлены данные по размеру мощности, весу и типоразмеру сердечника.

Линия изделий Payton включает в себя устройства, рассчитанные на различные уровни мощности и предназначенные для использования в телекоммуникационном оборудовании, в источниках питания, AC/DC и DC/DC преобразователях напряжения и т.п. В таблице 2 представлены основные характеристики некоторых типов планарных трансформаторов компании Payton.
Изначально разработчики компании Payton ориентировались на производство трансформаторов только для импульсных источников питания (ИИП), для применения в сварочных аппаратах и системах индукционного нагрева. Однако сейчас они применяются практически повсеместно.
Современные трансформаторы Payton идеально подходят для применения в ИИП для сварочных аппаратов. Трансформаторы отлично вписываются в структуру источника, гарантируя большую продолжительность его работы. Известно, что ИИП сварочных аппаратов генерируют критично высокие значения выходных токов. Поэтому вторичных витков в большинстве случаев всего несколько. Планарные трансформаторы подходят, таким образом, для работы свысокими значениями токов и могут использоваться в сварочном оборудовании. Применение планарных трансформаторов может значительно уменьшить размеры и вес конечного устройства.

Планарный трансформатор также хорошо вписывается в структуру источников питания для систем индукционного нагрева. Для этих целей, например, был выпущен трансформатор мощностью 20кВт (рис.3) размерами 180х104х20мм.
Payton Power Magnetics предлагает трансформаторы с выводами для различных способов монтажа: возможны варианты как для поверхностного, так и сквозного монтажа на печатную плату. Плоские поверхности сердечников пригодны для автоматического монтажа. Кроме того, есть устройства с выводами для навесного монтажа.

Планарные дроссели Payton
Payton производит широкую номенклатуру дросселей, собираемых по планарной технологии. Дроссели Payton, как и трансформаторы, при небольших размерах обеспечивают значительную мощность. Дроссели производятся по технологии предварительного намагничивания сердечника. Хотя данная технология известна уже давно, она не находила широкого применения вследствие высокой стоимости специальных магнитных материалов, традиционно использующихся для изготовления сердечников, невозможности работы устройств на высоких частотах и ухудшения характеристик в результате размагничивания сердечника. Инженерам Payton удалось устранить эти недостатки путем использования сердечников из ферромагнитных материалов - недорогой и эффективной замены сердечникам из специальных магнитов.
Технология предварительного намагничивания сердечников позволяет удвоить значение индуктивности дросселя без изменения тока, либо удвоить значение тока при неизменной индуктивности. Новая технология производства дросселей позволяет снизить потери мощности в 4 раза и уменьшить контактную площадку на 30–40% (рис.4).
Тестирование дросселей на ухудшение магнитных свойств показало, что на рабочих частотах до 1МГц ухудшения магнитных свойств сердечников не происходит даже при10-кратном превышении напряженности поля по сравнению с обычным эксплуатационным значением.

Гибридные дроссели Payton
Кроме того, Payton активно развивает технологии построения гибридных планарных дросселей, которые способны работать на высоких резонансных частотах. Эти устройства построены на основе «6-коленного» планарного ферромагнитного сердечника, совмещенного с многожильной обмоткой. Такое сочетание позволяет достигнуть высокого показателя добротности на высоких частотах. Например, значение добротности дросселя индуктивностью 40мкГн при токе 3А и рабочей частоте 1МГц составляет 500!

Дроссель-фильтры Payton
Payton также производит планарные дроссели, специально разработанные для ослабления синфазных помех. Соотношение между индуктивностью рассеяния и собственной индуктивностью устройства уменьшено до 0,005%. Благодаря высокому значению собственной ёмкости, планарные дроссели синфазных помех могут включать в себя входные и выходные конденсаторы. Поэтому этот вид дросселей может использоваться как фильтр синфазных помех. Уже сегодня идут разработки планарных дроссель-фильтров, которые будут работать при токах до 200А.

Заключение
Благодаря стабильности технических характеристик, высокому КПД и эффективному методу охлаждения планарных электромагнитных компонентов компании Payton их использование - привлекательное решение для производителей силовых источников питания. Тенденция удешевления производства многослойных печатных плат делает планарные трансформаторы все более доступными для самых разнообразных применений. Можно предположить, что в ближайшем будущем планарные устройства полностью вытеснят традиционные трансформаторы с проволочной обмоткой.

Применение планарных силовых трансформаторов и плат на дюралевой подложке в современных источниках питания Вячеслав Макаров
Александр Рушихин

Современные требования к понижению размеров и веса импульсных источников питания вынуждают разработчика находить компромисс меж его ценой и габаритами, добиваться понижения массы и увеличения КПД. Очень почти все уже изготовлено для миниатюризации импульсных источниках питания - сделаны спец микросхемы управления, массивные ключи с низкими потерями и, казалось бы, до мелочей отработана конструкция.

В то же время для силовых трансформаторов и дросселей приходится использовать традиционные составляющие с проволочной намоткой, которые за счет используемого каркаса наращивают массу и габариты источника питания.

Другая популярная неувязка — это обычно высочайшее тепловыделение ИП, массивных ключей и силовых плат управления приводами электродвигателей — всех тех частей радиоаппаратуры, которые мы называем силовой электроникой. К этому нужно еще добавить высочайшие рабочие напряжения и потенциалы схожих устройств.

Но современные технологии печатных плат, выставленные на русском рынке совместной российско-шведской компанией «НКАБ-ЭРИКОН» и реализованные в серийном производстве русской компанией ММП «ИРБИС», позволяют повысить надежность и технологичность индуктивных частей хоть какого источника электропитания и отвести лишнее тепло.

В первый раз разработанные в конце 80-х годов планарные силовые трансформаторы (рис. 1) не получили широкого распространения из-за сложной технологии производства, которая остается сложный и в текущее время.

Рис. 1. Планарный трансформатор

Но неизменное улучшение технологического процесса в последние годы позволило значительно понизить цена силовых трансформаторов и дросселей и сделать их конкурентоспособными на современном рынке источников электропитания.

Их достоинства по сопоставлению с классическими проволочными изделиями:

• малый вес — 15 г на 100 Вт мощности;
• особо высочайшая надежность;
• малая индуктивность рассеяния, низкие утраты на высочайшей частоте;
• широкий рабочий спектр частот: от 50 кГц до 1 МГц;
• КПД более 98% и не плохое остывание конструкции позволяют передавать мощности от 10-ов ватт до единиц кв;
• рабочая температура от -40 до +130 °C;
• рабочие напряжения меж обмотками более 1000 В;
• отменная повторяемость характеристик из-за используемой технологии производства;
• возможность автоматической сборки;
• низкая высота силовых трансформатора, совместимая с SMD-компонентами.
• По мере надобности высоту можно уменьшить, применяя обмотки на полиимиде (рис. 2);
• возможность наращивать мощность силового трансформатора, используя пакеты из обмоток (рис.3).

Рис. 2. Обмотки на полиимиде

Рис. 3. Пакеты обмоток силового трансформатора

Сейчас внедрение планарных трансформаторов в единичных экземплярах остается нецелесообразным по суждениям их высочайшей цены. Но уже в партии эта цена становится применимой, а в серийном производстве — существенно ниже цены обычных аналогов. При всем этом достоинства черт неопровержимы.

Используя открывшиеся перспективы, ММП «ИРБИС» разработало новейшую серию источников питания СМП50…СМП150 с внедрением бескаркасных магнитных компонент со последующими техническими и энергетическими чертами (см. таблицу, рис. 4).

Рис. 4. График зависимости КПД от выходной мощности для модуля СМПЕ150С (Uвых = 15 В) при Uвх = 48 В

Таблица. Технические свойства модулей питания СМП50…СМП150

Частотный преобразователь напряжения данной серии модулей питания выполнен по двухтрансформаторной схеме, представленной на рис. 5.

Рис. 5. Частотный преобразователь напряжения
Преимуществами таковой схемы являются:

«мягкое» переключение силовых транзисторов, отсутствие выбросов напряжения на их и как следствие — возможность использования более низковольтных транзисторов с наименьшим Rdson;

полный цикл перемагничивания сердечника силового трансформатора (работа в первом и 3-ем квадрантах B-H плоскости);

широкий спектр рабочих токов нагрузки от холостого хода до Iнmax;

высочайший КПД.

Не считая того, в комбинированной схеме отсутствует выходной дроссель, его роль делает обратноходовой транс-дроссель Т2, который по характеристикам аналогичен прямоходовому силовому трансформатору Т1, что упрощает и унифицирует производственный процесс.

Силовые трансформаторы Т1 и Т2 выполнены на планарных сердечниках ELP22 (материал N87), обмоткой служит мультислойная интегральная схема. Необходимыми преимуществами планарных магнитных компонент являются:

• малые размеры;
• малая индуктивность рассеяния;
• хорошая повторяемость характеристик;
• лучшие характеристики теплопотери.

Измерения рабочих характеристик планарных трансформаторов с обмотками, выполненными на базе мультислойной печатной платы, демонстрируют, что термическое сопротивление этих устройств существенно ниже по сопоставлению с обыкновенными силовыми трансформаторами с проволочной намоткой при том же действенном объеме сердечника Ve. Это обосновано более высочайшим отношением площади поверхности сердечника к его объему. Таким макаром, имея завышенную охлаждающую способность, планарные трансформаторы способны управляться с большей плотностью проходной мощности, при всем этом удерживая рост температуры в допустимых границах.

По начальным данным, предоставленным спецами компании ММП «ИРБИС», проектирование и изготовка мультислойных печатных плат силовых трансформаторов Т1, Т2 выполнила русская компания «НКАБ-ЭРИКОН». Витки первичной и вторичной обмоток размещаются в несколькихслоях печатной платы, в одном слое находится один виток. Меж первичной и вторичной обмотками обеспечивается гальваническая развязка 1500 В.

Для таких плоских медных дорожек утраты в меди на переменном токе, обусловленные скин-эффектом и эффектом близости, оказываются меньше, чем для круглого провода с той же площадью поперечного сечения. Но, по способности, нужно исключить попадание витков обмотки в зону зазора, где индукция является наибольшей и ориентирована перпендикулярно плоскости намотки.

Еще одним положительным моментом будет то, что при расположении обмоток одна над другой улучшается магнитная связь и достижимы значения коэффициента связи, близкие к 100%.

Таким макаром, практическое применение планарных трансформаторов с мультислойными печатными платами (рис. 6) в купе с действенной электронной схемой (рис. 5) подтвердили возможность получения высочайшей удельной мощности 3390 Вт/дм3 при габаритных размерах модуля питания 61O58O12,5 мм. Рекомендуемые области внедрения:

Рис. 6. Пример использования мультислойной печатной платы в качестве обмотки силового трансформатора для модуля питания СМПЕ150С

Рис. 7. Силовые трансформаторы общепромышленного и военного предназначения

Рис. 8. Сигнальные трансформаторы телекоммуникационных систем

Применяющиеся в силовой электронике для отвода тепла платы на дюралевой подложке представляют собой конструкцию (рис. 9) из теплоотводящей подложки, диэлектрика и слоя медной фольги. Конструкция может быть мультислойной и иметь переходные отверстия. Теплоотводящая подложка обычно дюралевая. Она значительно дешевле поликоровой либо титалановой (Al +Ti2O3) и может употребляться в массовом производстве. Не считая того, позволяет в пару раз прирастить токовую нагрузку печатных проводников платы.

Рис. 9. Плата на дюралевой подложке

Диэлектрический слой при толщине 50-150 мкм обеспечивает пробивное напряжение 6-14 кВ и термическую проводимость 1,1-2,2 кВт/(м2°С). Толщина медной фольги составляет 35-350 мкм. Технологический процесс производства этих печатных плат аналогичен техпроцессу для FR4, но имеет особенности проектирования, связанные с применением толстой фольги и обычно высочайшим напряжением в силовых цепях.

На рис. 10 приведен пример конструирования узла РЭА с применением описанного диэлектрика.

Рис. 10. Пример конструирования узла РЭД

Планарные трансформаторы являются отличной альтернативой стандартным трансформаторам и дросселям с проволочной намоткой. Основанием для планарных трансформаторов служат многослойные печатные платы.

Сегодня разработка планарных трансформаторов требует применения компонентов с минимальными размерами, ведь габариты электроники постоянно уменьшаются.

Планарные силовые трансформаторы

Проектирование планарных силовых трансформаторов может выполняться как с навесными компонентами, например в однослойной или небольшой многослойной плате, или же как многослойная печатная плата.

Преимущества планарных трансформаторов:

• имеют небольшие размеры;
• обладают прекрасными температурными характеристиками;
• имеют малую индуктивность утечки;
• имеют отличную повторяемость свойств.

Благодаря более высокому отношению площади поверхности сердечника к его объему, тепловое сопротивление таких устройств может быть в 2 раза ниже, чем в обычных трансформаторов с проволочной намоткой.

Рис 1. Конструкция планарных трансформаторов

Поэтому благодаря повышенной охлаждающей способности, планарные трансформаторы справляются с большей плотностью проходной мощности, и при этом они удерживают рост температуры в допустимых пределах.

Планарные трансформаторы на основе многослойных печатных плат

Когда речь заходит о полупроводниковых компонентах, в том числе пассивных, к которым относятся конденсаторы и резисторы, выбор предоставляется достаточно большой.

Однако, речь пойдет сегодня о планарных трансформаторах.

Как правило, во многих случаях разработчики используют стандартные трансформаторы и дроссели, которые имеют проволочную намотку. Но мы опишем планарные трансформаторы (ПТ) на основе многослойных плат.

Так как стоимость многослойных плат имеет тенденцию к снижению, то и планарные трансформаторы постепенно заменяют обычные. Особенно в тех случаях, когда требуется малоразмерный магнитный компонент.

В технологии производства планарных трансформаторов в роли обмоток выступают дорожки на печатной плате или участках меди, которые наносятся печатным способом и разделяются различными слоями из изоляционного материала.

Также обмотки могут выполняться из многослойных плат. Их располагают между малоразмерными ферритовыми сердечниками.

Относительно конструкции планарных трансформаторов, их можно разделить на несколько типов.

• Навесные планарные компоненты – они стоят ближе всего к обычным индуктивным компонентам. Ими можно заменить обычные детали на одно или многослойных печатных платах. Высота навесного планарного компонента может быть уменьшена, за счет погружения сердечника в вырез печатной платы. При этом обмотка должна лечь на поверхность платы.
• Гибридный тип планарных трансформаторов. Такой тип предусматривает встраивание части обмоток в материнскую плату. В то же время, другая часть обмоток находится на многослойной печатной плате, которая соединяется с материнской. Но в таком случае материнская плата должна иметь отверстия для ферритового сердечника.
• Обмотка полностью интегрирована в многослойную печатную плату. Половинки сердечников соединяются в результате склеивания или зажимания. Все зависит от предпочтений заказчика и производителя.

Преимущества планарной технологии

Если сравнивать с обычной проволочной намоткой, то планарная технология изготовления магнитных компонентов имеет ряд преимуществ.

Самое первое свое применение планарные трансформаторы нашли в преобразовании мощности. Для этого в планарных трансформаторах использовались средне и высокочастотные ферриты. Купить планарный трансформатор можно было у производителя.

Если вас интересует разработка планарных трансформаторов на заказ, то можно индуктивность дросселя сетевого фильтра можно увеличить, если заменить мощный феррит материалов с высокой магнитной проницаемостью.

В импульсной передаче сигналов широкополосный трансформатор, находящийся между импульсной генераторной ИС и кабелем, обеспечивает развязку и согласование импедансов. В случае S- или T-интерфейса это также должен быть феррит с высокой магнитной проницаемостью.

Не так давно ко мне обратилась одна компания, которой необходимо было разработать линейку LED-драйверов. Название компании и ТТХ драйверов называть не буду, NDA не подписывал, но этика есть этика. Вроде бы обычный заказ на драйвер, каких десяток за год набирается, но было два взаимоисключающих требования: стоимость и габариты .

Задача с точки зрения схемотехники простая, но вот с точки зрения производства и конструирования оказалась очень интересной. И так - требовалось изготовить сетевой драйвер для LED с корректором коэффициента мощности (мощность около 100 Вт), который стоил был в пределах 3$ на серии и имел габариты по высоте не более 11 мм ! Многие скажут: «А в чем проблема сделать дешманский драйвер?», вот только дешманский не прокатит, т.к. еще одно требование - возможно давать без опасений 5 лет гарантии . И вот тут начинается самое интересное.

Был сделан выбор топологии, схемотехника, все влезало в габариты и стоимость, но столь замечательную картину портил «классический» трансформатор. Он огромный, он дорогой, он технологически сложный в изготовление. Оставалось решить последнюю задачу и после двух дней в раздумьях и расчетах оно было найдено - планарный трансформатор .

Если вам интересно между чем и чем делался выбор, на каких аргументах он основывался и как удалось получить стоимость трансформатора меньше 0.5$, то приглашаю вас в подкат. Ну и для улучшения «аппетита» прилагаю вам фото готового трансформатора:

Основные недостатки «классических» трансформаторов

Я думаю не для кого не секрет как выглядит обычный трансформатор, но вдруг кто пропустил последние 150 лет промышленной революции, поэтому напомню:

Так выглядит обычный трансформатор, намотанный на каркасе от сердечника RM12. Чем же он так плох? Причин тут несколько, конечно часть из них теряет актуальность в определенных задачах, но рассказ будет вестись в контексте вставшей перед мной задачей. И вот основные из них:

• Высота. Даже человек с плохим глазомером может примерно оценить размеры трансформатора по фотографии и сказать с уверенностью: «Он точно больше 11 мм». И действительно, высота трансформатора на RM12 составляет около 24 мм, что более чем в 2 раза превышает необходимое значение
• Технологичность. Когда вам нужно намотать 1–2 трансформатора, то вы берете каркас, провод и мотаете. Когда вам надо намотать 100–200 штук, то можно заказать намотку у себя в стране, цена еще не кусается. Когда вам надо намотать 10 000 штук, а потом еще 50 000, то тут возникает куча нюансов: цена, качество, выбор еще одного подрядчика в Азии. Все это увеличивает конечную стоимость продукта, когда мне надо просто супер дешево и очень качественно.
• Повторяемость. Намотать и собрать два одинаковых трансформатора - очень сложно, сделать 10 000 одинаковых трансформаторов - невозможно. Это я испытал на своей шкуре уже не единожды, особенно если речь идет о производстве в ЮА. А теперь представьте,
  что вам придется «дорабатывать напильником» эти 10 000 трансформаторов при финальной сборке. Представили? Вам стало грустно от количества трудозатрат, а значит и стоимости? Думаю стало.
• Себестоимость. Это вообще очень сложный пункт, но давайте посмотрим на фото выше и увидим, что для сборки классического трансформатора нам нужен каркас, сердечник, скобы, медный провод, изоляция и все это руками или на полуавтоматическом станке. Допустим все это стоит «Х долларов». Для изготовления планарного трансформатора нужен только сердечник. Думаю тут очевидно, что 1 деталь стоит явно дешевле, чем 1 такая же деталь + еще 4 компонента?

В этот момент вас наверняка одолевают терзания: «Если все так плохо, то почему обычные трансформаторы настолько распространены?» Немного раньше я говорил, что часть этих минусов в определенных задач не является минусом. Например, если вы откроете UPS on-line, то увидите, что трансформатор там не самый габаритный элемент. Да и если вы собираете небольшие партии до 100–200 устройств в месяц, то наверняка и себестоимость выравняется, т.к. 100–200 штук уже можно сделать и в России или нанять намотчика, купить китайский станок или сделать самим за 100–200 тыс. руб. и радоваться жизни.
И пожалуй главное место, где планарные трансформаторы не вытеснят обычные - преобразователи с номинальной мощностью больше 2000 Вт .

Устройство планарного трансформатора

На самой первой картинке вы видите данный тип трансформатора уже в собранном состоянии, вид весьма необычный, не правда ли? Хотя люди, которые вскрывали современные телевизоры, зарядки ноутбуков (не дешевых) уже наверняка видели такие трансформаторы или подобные.

Планарные трансформаторы могут быть выполнены в разных конструктивных исполнениях, четкой классификации не существует насколько мне известно, но я делю их на 2 типа:

Какой бы тип планарного трансформатора не рассматривали, общее у них одно - все обмотки выполнены в виде медных дорожек на печатной плате .

Если вы решите более подробно ознакомиться с данной технологией и направитесь в гугл, то наверняка во многих статьях встретите фразу:»… и вот наконец-то в последние годы планарные трансформаторы стали доступны по цене. Связано это с тем, что многослойные платы подешевели». Когда я проектировал свой первый планарный трансформатор, году так в 2010–11, данная фраза сбила меня с толку. Я наивно подумал, что планарники делают исключительно на многослойных печатных платах. На тот момент я еще учился в ВУЗе, и хотя работал и получал неплохую стипендию - данный тип плат для меня был финансово не очень доступен. Подумал и решил сделать свой фейсбук!!! удешевить данную технологию, как оказалось потом - придумал велосипед.

Суть удешевления заключалась в использовании «пирога» из нескольких двухслойных печатных плат небольшой толщины (0.8 или 1 мм). Для меня это казалось гениальным и простым решениям. Вот только проблема была в том, что я как всегда смотрел на решениях топовых компаний, занимающихся силовой электроникой, таких как Texas Instruments, Linear, Infineon, Murata, а они использовали печатные платы в 6–8 слоев и в 2010 году они даже стандартного 4 класса (0.15/0.15 мм) стоили очень дорого. Потом получилось так, что на летнюю практику меня позвали в одну хорошую компанию и там мне рассказали и показали, что они такие «пироги» для планарных трансформаторов уже лет 10 как делают. Так же делали и другие компании рангом пониже, чем TI и Infineon. Главное одно - идея была верная и такое решение не просто правильное, а еще и проверенное временем .

Все элементы «пирога» обычные двухслойные платы стандартного класса точности, а значит они оооочень дешевые и изготовить их может любой производитель печатных плат. Выглядят элементы «пирога» планарного трансформатора вот так:

Как видите в моем трансформаторе всего 3 элемента, хотя могло бы быть и больше. Почему 3? Согласно мои расчетам, чтобы набрать нужную индуктивность в первичной обмотке, мне потребуется 6 слоев. 2 слоя мне дает основная плата + 2 слоя «кусок пирога» + 2 слоя «кусок пирога». Вторичная обмотка уместилась всего на 2 слоя, от сюда еще один «кусок пирога». В итоге имеет стек из 4-х двухслойных печатных плат. Дальше арифметика еще проще: я использую сердечник ELP18/4/10, а значит расстояние под «обмотки» у меня составляет 4 мм. Это расстояние мы делим на количество плат: 4 мм / 4 платы = 1 мм - толщина каждой печатной платы. Все просто!

Если вам вдруг не понятно откуда взялся зазор в 4 мм, то можете посмотреть даташит на сердечник тут. А для тех, кому не удобно ходить по ссылкам или трафик не хочется тратить на большую pdf-ку, небольшая вырезка:

Как видим размер окна сердечника на одной половине составляет 2 мм, на второй половине он так же 2 мм. Получаем общий размер окна по высоте - 4 мм.

Теперь можно разобрать из чего состоит себестоимость планарного трансформатора. По сути тут всего 2 составляющие: сердечник и 3 печатные платы. Сердечник оптом стоит 0,14$, печатные платы 3 штуки по 0,11$ за каждую так же на серии. Получаем 0,47$ стоит сам трансформатор. Я не включил сюда компаунд для склейки сердечников, т.к. если раскидать его стоимость на всю партию, то там даже 1 цента не получается и не посчитал работу по сборке. Работа не считается по одной простой причине - трансформатор собирается на этапе ручного монтажа, а стоит он в Азии копейки. Для сравнений - напаять 2 транзистора в корпусе ТО-220 стоит столько же, сколько и монтаж планарного трансформатора, то есть опять же выходит мизер. Вот так мы и получаем цифру 0.5$ за 1 трансформатор до 100 Вт .

Немного о моих результатах… Мне удалось уместиться в габарит по высоте и даже сделать лучше - вместо предельных 11 мм у меня получилось 9.6 мм. С одной стороны мало заметно, а на практике это уменьшение габаритов примерно на 13%. При чем, основной габарит по высоте задавал уже не трансформатор, а электролитические SMD конденсаторы на входе и выходе.
По себестоимости - точной цифры я вам назвать не могу, но уложиться получилось в требование. Тут стоит отметить усилия самого заказчика, он умудрился найти поставщиков, которые на большой серии смогли дать цены на уровне, а иногда и чуть ниже, чем на digikey. Лично моя заслуга - я решил техническую задачу и сделал дешево, а заказчик сам уже сделал супер-дешево без потери качества.

Технические возможности, открываемые планарным трансформатором

Дальше моя статья принимает больше технический характер, чем повествовательный и если вам не интересна силовая электроника, сухие расчеты и прочие гадости, то дальше можете не читать и переходить к обсуждениям в комментарии. Красивых картинок больше не будет. Если же вы планируете взять данную технологию для себя на вооружение, то тогда для вас все только начинается.

Чтобы вы могли более наглядно оценить весь потенциал данного типа трансформаторов, могу сказать, что в данном проекте, на одной паре сердечников ELP18/4/10 мне удалось построить резонансный преобразователь мощностью 65 Вт. А теперь посмотрите на его габаритные размеры, не плохо же для такой мелочи?

Метод расчета планарного трансформатора

Методик, которые позволяют рассчитать данный тип трансформаторов, достаточно много. Правда основная литература, в том числе и научная, в основном на английском, немецком и китайском языках. Я на практике опробовал несколько, все они были взяты из англоязычных источников и все показали приемлемый результат. В процессе работы за несколько лет мною были сделаны небольшие правки, которые позволили несколько повысить точность расчетов и именно эту методику я вам и продемонстрирую.

У меня нет каких либо амбиций на ее уникальность, а так же я не гарантирую, что ее результаты достаточно точны во всех диапазонах частот и мощностей. Поэтому если вы планируете использовать в работе, то будьте аккуратны и всегда следите за адекватностью результатов.

Расчет планарного трансформатора

При расчете любого трансформатора первым делом необходимо найти максимальное значение магнитной индукции. Потери в сердечнике и в медных проводниках приводят к нагреву трансформатора, поэтому расчеты необходимо вести относительно максимального допустимого перегрева трансформатора. Последний выбирается исходя из условий эксплуатации и требований, предъявляемых к устройству.

Делам эмпирическое допущение в котором предполагаем, что половина от общих потерь на трансформаторе - это потери в сердечнике. Исходя из этого допущения посчитаем максимальную плотность потерь в сердечнике по эмпирической формуле:

Где значение эффективного магнитного объема VE берется из документации на сердечник в [см 3 ] , значение максимального перегрева ΔT выбирается исходя из расчетов (например, я обычно беру в расчет 50–60 градусов ). Размерность же получаемой величины - [мВт/см 3 ] .

Прошу обратить внимание, что многие формулы, которые я описываю, получены эмпирическим путем. Другие же записаны в их конечном виде без расписывания их математического вывода. Тем, кому интересно происхождение последних советую просто ознакомить с зарубежной литературой по магнитным материалам, например, есть стать и книги у Epcos и Ferroxcube.

Теперь, зная максимальную плотность потерь в сердечнике, мы можем посчитать максимальное значение индуктивности при котором не будет превышена температура перегрева выше расчетной.


Где СM , СT , x , y - параметры полученные эмпирическим путем методом аппроксимации кривой потерь, а f - частота преобразования. Получить их можно двумя путями: обработав данные (графики) из документации на свой сердечник или же построив эти графики самостоятельно. Последний способ позволит вам получить более точные данные, но потребуется наличие полноценного тепловизора.

В качестве примера я поделюсь с вами данными значениями для сердечников из материала Epcos N49 , его аналог от Ferrocube является так же популярный и доступный материал 3F3 . Оба материала позволяют без проблем строить преобразователи с резонансной частотой до 1 МГц включительно. Так же стоит отметить, что данные параметры зависят от частоты, данные цифры для частот 400–600 кГц . Это наиболее популярный диапазон частот и материал, который я использую.

• СM = 4,1×10–5
• СT = 1,08×10–2
• x = 1,96
• y = 2,27

Далее стоит вспомнить о второй составляющей потерь в трансформаторе - потери в медной обмотке . Считаются они легко, по нашему любимому закону Ома в котором дополнительно учли вполне логичные моменты: ток у нас импульсный и протекает он не 100% времени, то есть коэффициент заполнения. Рассказывать как посчитать сопротивление обмотки меди по ее геометрии я не буду, слишком банально, а общую формулу наверное напомню:

Потери в меди считаются для каждой обмотки отдельно, а потом складываются. Теперь мы знаем потери в каждом слое «пирога» и в сердечнике. Желающие могут промоделировать перегрев трансформатора, например, в Comsol или Solidworks Flow Simulation.

Продолжая тему медных проводников, давайте вспомним о таком явление, как скин-эффект . Если объяснять «на пальцах», то это эффект, когда с ростом частоты протекающего в проводнике тока, происходит «выдавливание» тока из проводника (от центра к поверхности) другим током - вихревым .
Если же говорить более по научному, то в результате протекания в проводнике переменного тока, наводится переменная индукция, которая в свою очередь вызывает вихревые токи. Это вихревые токи имеют направление противоположное нашему основному току и получается, что они взаимовычитаются и в центре проводника суммарный ток равен нулю.
Логика простая - чем выше частота протекаемого тока, тем больше сказывается скин-эффект и тем ниже эффективное сечение проводника . Уменьшить его влияние можно путем оптимизации геометрии обмоток, их распараллеливания и прочими методами, которые наверное заслуживают если не целой книги, то большой отдельной статьи.
Для наших же расчетов достаточно примерно оценить влияние скин-эффекта с помощью еще одной эмпирической формулы:

Где ∆δ - толщина зоны с нулевым током, f - частота преобразователя. Как видите данный эффект целиком привязан к частоте коммутации.

А теперь давайте посчитаем сколько витков и прочего нам потребуется для изготовление трансформатора прямого хода. Первым делом считаем сколько же нам потребуется витков в первичной обмотки:

Где Umin - минимальное входное напряжение, D - рабочий цикл, f - частота работы, Ae - эффективное сечение сердечника. Теперь считаем количество витков для вторично обмотки:

Где N1 - количество витков в первичной обмотке, D - рабочий цикл, Uout - номинальное выходное напряжение, Umin - минимальное входное напряжение.

Следующим шагом является расчет индуктивности первичной обмотки. Так как ток в обмотке у нас носит импульсную характеристику, то зависеть он будет и от индуктивности. Рассчитываем мы ее по следующей формуле:

Где μ0 - эффективная магнитная проницаемость, μa - амплитудная магнитная проницаемость, Ae - эффективное сечение сердечника, N1 - количество витков в первичной обмотке, Ie - эффективная длина пути. Недостающие параметры, типа проницаемости и длины магнитной линии вы можете взять в документации на конкретный сердечник.

Теперь финальный шаг, который нам необходимо сделать - рассчитать действующий в первичной обмотке ток. Это позволит в дальнейшем посчитать сечение для первичной обмотки и соответственно ширину проводника. Значение тока складывается из двух составляющих и выглядит следующим образом:


Тут вроде уже все составляющие формулы знакомы и посчитаны, единственное отмечу параметр Pmax. Это не просто значение номинальной выходной мощности, это полная мощность преобразователя с учетом КПД хотя бы примерно (я обычно закладываю 95–97% для резонансных преобразователей) и тем запасом, который вы закладываете в устройство. В моих устройства обычно 10% запас по мощности, в особо ответственных устройствах и узлах иногда приходится закладывать 20–25% запас, но это вызывает удорожание.

Вот мы и получили все параметры, которые необходимы для расчета и проектирования планарного трансформатора. Конечно вам придется самим посчитать сечение для обмоток, но это элементарная арифметика, которой я не хочу загромождать статью. Все же остальное уже посчитано и остается только спроектировать платы в каком либо САПР.

Итог

Надеюсь моя статья поможет начать вам использовать планарные трансформаторы как в своих домашних проектах, так и в коммерческих. Данную технологию необходимо использовать аккуратно, ведь в зависимости от задачи она может оказаться дороже «классических» трансформаторов.

Так же несомненно применение планарных трансформаторов открывает новые технические возможности, а современные Mosfet-ы и новые GaN транзисторы лишь способствуют этому, позволяя создавать преобразователи с частотами от 400 кГц и выше. Однако и стоимость этих «возможностей» не всегда достаточно низкая, да и для проектирование резонансных преобразователей на таких частотах требует большого набора знаний и опыта.

Но не стоит расстраиваться! Любому из вас, даже начинающему электронщику, под силам собрать топологии по проще, например, ZVS мост (Full bridge). Данная топология позволяет получит очень высокий КПД и не требует каких-то супер-секретных знаний. Необходимо лишь сделать прототип или макет и хорошенько поэксперементировать. Удачи в освоение новых горизонтов!

прочитано 14146 раз