ОСОБЕННОСТИ И ПРЕИМУЩЕСТВА ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ ПЛАНАРНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

FEATURES AND BENEFITS THE PRODUCTION AND USE OF PLANAR TRANSFORMERS

Mikhail Tkachenko

student of the Sevastopol state university,

Russia, Sevastopol

Andrey Lyzlov

student of the Sevastopol state university,

Russia, Sevastopol

АННОТАЦИЯ

Целью данной работы является показать преимущества производства и эксплуатации трансформаторов, выполненных по планарным технологиям, перед трансформаторами с наборным трансформаторным железом и ферритовыми сердечниками. Благодаря методу сравнения техпроцессов производства трансформаторов на железном или ферритовом магнитопроводе, удалось выявить преимущества планарных трансформаторов перед их традиционными предшественниками. Результатом является ряд преимуществ планарных трансформаторов в таких пунктах как: КПД, масса-габаритные показатели, стоимость и скорость производства, а также недостатки трансформаторов такого типа. В заключении можно сказать, что выгоднее всего использовать планарные трансформаторы в силовых источниках питания мощностью до 2 кВт.

ABSTRACT

The purpose of this work is to show the advantages of production and operation of transformers made by planar technologies, before transformers with transformer type iron and ferrite cores. Through the method of comparing the manufacturing processes of transformers on an iron or ferrite magnetic core, it was possible to identify the advantages of planar transformers in front of their traditional predecessors. The result is a number of advantages, planar transformers in such points as: efficiency, mass-dimensions, cost and speed of production, as well as disadvantages of transformers of this type. In conclusion, it can be said that it is most advantageous to use planar transformers in power supplies with power up to 2 kW.

Ключевые слова: импульсные источники питания, зарядные устройства, технологии производства, трансформаторы, импульсные трансформаторы, электромагнитные дроссели, инверторы, конверторы.

Keywords: pulse power supplies, transformers, pulse transformers, electromagnetic chokes, inverters, converters.

Как показывает практика, на сегодняшний день радиоэлектронная аппаратура стремится к уменьшению габаритных размеров: резисторы, конденсаторы, транзисторы все они уже давно выполняются по SMD технологиям. Разработчикам приходится минимизировать размеры используемы элементов, не исключением являются и трансформаторы с дросселями. Поэтому все большую популярность приобретают планарные трансформаторы, представляющие собой привлекательную альтернативу обычным трансформаторам с проволочной намоткой на ферритовый сердечник в случаях, когда требуются малоразмерные магнитные компоненты. По оценкам специалистов, смена традиционной технологии построения силового трансформатора на новую планарную обеспечивает выигрыш до 60% по массогабаритным параметрам, а с учетом остальных преимуществ можно с уверенностью предположить, что доля их на рынке электронных компонентов будет постоянно увеличиваться.

Основные недостатки «классических» трансформаторов:

• Габариты. Примерно оценив размеры классического трансформатора можно понять, что его высота многим больше высоты планарного трансформатора. И действительно, высота трансформатора на RM12 составляет около 24 мм, что в 3 раза превышает высоту планарного трансформатора на ELP18 составляющую около 8 мм.
• Повторяемость. Намотать и собрать два одинаковых трансформатора очень сложно, сделать 10 000 одинаковых трансформаторов — невозможно. При заказе намотки трансформаторов в конечном итоге потребуется дорабатывать все 10 000 трансформаторов при финальной сборке. Это колоссальное количество трудозатрат, а значит и стоимости.
• Себестоимость. Для сборки классического трансформатора нам необходим каркас, сердечник, скобы, медный провод, изоляция и все это руками или на полуавтоматическом станке необходимо намотать. Для изготовления планарного трансформатора нужен только сердечник.

Устройство планарного трансформатора.

На Рисунке 1 показано из каких составляющих собран планарный трансформатор.

Рисунок 1. Вид планарного трансформатора с Ш-образным сердечником

При планарной технологии изготовления индуктивных компонентов роль обмоток могут выполнять дорожки на печатной плате или участки меди, нанесенные печатным способом и разделенные слоями изоляционного материала, а кроме того, обмотки могут конструироваться из многослойных печатных плат. Все слои размещаются друг над другом и удерживаются двумя частями малоразмерного ферритового сердечника. При проектировании обмоток на печатной плате обычно используются стеклотекстолит толщиной 0,2 мм и медная фольга толщиной 18, 35 или 70 мкм.

По своей конструкции планарные компоненты делятся на несколько типов:

• Независимый или навесной Рис.4(а). Трансформатор представляет из себя отдельный электронный компонент, который которые можно использовать вместо обычных деталей на одной из многослойных печатных плат Рис.2. Такое решение хорошо при наличии большой линейки устройств, где трансформатор унифицированный. Высоту навесного компонента можно уменьшить, погрузив сердечник в вырез печатной платы. Рис.4 (б, в).

Рисунок 2. навесной планарный трансформатор

• С общим ядром или гибридные Рис.4 г. При таком исполнение обмотки трансформатора выполнены на основной печатной плате устройства и является его не неотъемлемой частью Рис.3. Как и в случае обычных компонентов с проволочной обмоткой, половинки сердечников можно соединять путем склеивания или с помощью зажима.

Рисунок 3. гибридный планарный трансформатор

Рисунок 4. Варианты монтажа планарных трансформаторов

Особенности и преимущества применения планарной технологии.

Рассмотрим основные плюсы, которые были получены при использовании планарных трансформаторов:

• Первым очевидным преимуществом является весьма малая высота, которая делает планарные компоненты перспективными для применения в стоечном и портативном оборудовании с высокой плотностью монтажа.
• Малая величина потерь меди на переменном токе и высокий коэффициент связи обеспечивают более эффективное преобразование, а значит более высокий КПД преобразователя.
• Благодаря малой индуктивности рассеяния уменьшаются амплитуда выбросов ЭДС и колебаний напряжения, являющиеся причиной выхода из строя МОП-компонентов, работающих в ключевом режиме, и дополнительным источником помех.
• Хорошие тепловые характеристики обеспечивают весьма высокую плотность проходной мощности — в два раза большую, чем у обычных трансформаторов. Оно обусловлено более высоким отношением площади поверхности сердечника к его объему. Это позволяет нам при проектировании закладывать большую плотность тока, а значит обеспечить более высокую плотность энергии при том же эффективном объеме сердечника.
• Высокая плотность тока. Повышенная плотность тока является следствием предыдущего «плюса» планарного трансформатора. Обычно для трансформатора с проволочной обмоткой стандартным значением плотности тока является цифра около 6-7-8 А/мм2, когда для планарного трансформатора это цифра около 15-25А/мм2.
• Превосходная повторяемость. Геометрия печатных плат при производстве выдерживается очень точно, что обеспечивает практически идеальную повторяемость паразитных параметров позволяя достигать высоких частот коммутации и создавать резонансные схемы до 3 МГц.
• Планарная технология проста и надежна в производстве.

Заключение

Высокий КПД наряду с малыми габаритными размерами, превосходные тепловые характеристики, широкий диапазон мощностей, стабильность технических характеристик — все это привлекает производителей силовых источников питания, зарядных устройств и т.д. Однако, главной проблемой планарных трансформаторов является ограничение по мощности, так как в преобразователях мощностью более 2 кВт они работать не способны, но дальнейшие модификации такого типа трансформаторов вскоре расширят границы мощностей, применимых к ним. Таким образом, тенденция удешевления производства многослойных печатных плат делает планарные трансформаторы все более доступными и позволяет сделать вывод, что их доля на рынке электромагнитных компонентов в дальнейшем будет только увеличиваться.

Список литературы:

1. Шихов С. Планарные трансформаторы на основе многослойных печатных плат // Компоненты и технологии. 2003. № 6.
2. Клестова Н. Применение планарных трансформаторов на основе многослойных печатных плат // Технологии в электронной промышленности. 2006. № 4.
3. Слабухин А. Планарные устройства компании Payton. // Силовая электроника. 2005. № 2.
4. Клестова Н. Применение планарных трансформаторов на основе многослойных печатных плат // Технологии в электронной промышленности. 2006. № 4.