Планарные трансформаторы Payton Planar Magnetics для малогабаритных высоконадежных применений

Введение

Рис. 1. Структура планарных устройств

Развитие устройств силовой электроники идет по пути уменьшения их габаритных размеров с одновременным увеличением эффективной мощности и рабочих частот. Разработчикам приходится применять элементы с минимальными размерами, это также касается электромагнитных пассивных компонентов (трансформаторов и дросселей), являющихся неотъемлемой частью любого импульсного источника питания (ИП). Поэтому все большую популярность приобретают именно планарные устройства, являющиеся привлекательной альтернативой стандартным решениям с проволочной намоткой на ферритовый сердечник. По оценкам специалистов, смена традиционной технологии построения силового трансформатора на новую планарную обеспечивает выигрыш до 60% по массо-габаритным параметрам, а с учетом остальных преимуществ можно с уверенностью предположить, что доля их на рынке электронных компонентов будет постоянно увеличиваться.

Принцип построения электромагнитных устройств по планарной технологии заключается в использовании отдельных многослойных ПП (МПП) или элементов трассировки в составе МПП, где роль обмоток обычных трансформаторов или дросселей выполняют дорожки на печатной плате (ПП) или участки меди, выполненные стандартным способом и разделенные слоями изоляционного материала [1]. Все слои размещаются друг над другом и удерживаются двумя частями малоразмерного ферритового сердечника (рис. 1). При проектировании обмоток на ПП используются те же материалы, что и для обычных плат. Обычно это стеклотекстолит толщиной 0,2 мм (меняется в зависимости от параметров электрической развязки первичных и вторичных цепей) и медная фольга толщиной 18, 35 или 70 мкм.

Особенности и преимущества применения планарной технологии

По конструктивному исполнению все планарные индуктивные устройства подразделяются на несколько типов. Навесные компоненты, у которых все обмотки выполнены в виде самостоятельных ПП, можно использовать для замены обычных деталей на одно- и двухслойных платах (рис. 2а). Они позиционируются для применения в мощных преобразователях, поэтому основными конструктивными требованиями здесь являются тепловые характеристики. Для низкопрофильных применений погружение навесных компонентов в вырез платы позволяет уменьшить высоту сборки, не меняя при этом местоположения (рис. 2б). Малая высота делает планарные компоненты перспективными для применения в стоечном и портативном оборудовании. Гибридные компоненты уменьшают количество навесных обмоток за счет использования дорожек, разведенных на ПП проектируемого устройства. Навесные и встроенные обмотки соединяются между собой на материнской плате, необходимо только предусмотреть отверстия для размещения ферритового сердечника (рис. 2в).

Рис. 2. Варианты изготовления планарных устройств

Наконец, в интегрированном варианте навесные обмотки вообще отсутствуют, вместо них используются витки, нанесенные на отдельные слои многослойных ПП (рис. 2г). Данный тип планарных компонентов предназначен, в основном, для применения в маломощных преобразователях и устройствах обработки сигналов [2]. Их основными конструктивными особенностями являются малая высота и хорошие высокочастотные характеристики. Типовые изделия, доступные на рынке электронных компонентов, относятся к первому типу.

Сборка магнитопровода планарных трансформаторов осуществляется путем склеивания или с использованием специального зажима. К преимуществам склеивания можно отнести фиксацию трансформатора на печатной плате, малую высоту сборки (не выступает дуга зажима), однородность поперечного сечения магнитопровода, меньшие размеры выреза в плате (для интегрированной версии), а также простоту автоматизации производства. Преимуществами зажимного крепления являются отсутствие проблем при использовании трансформатора в высокотемпературных приложениях и чистота процесса сборки.

Применение планарных устройств, помимо уменьшения габаритов, обеспечивает улучшение ряда ключевых параметров (таблица 1).

Чередование слоев с первичной и вторичной обмотками в планарном трансформаторе способствует образованию сильной магнитной связи и, как следствие, значительному повышению КПД (вплоть до 99%). Высокая эффективность в сочетании с возможностью внешнего охлаждения приводит к снижению внутренней температуры и значительно увеличивает наработку на отказ всей системы [2].

Хорошие тепловые характеристики обеспечивают весьма высокую плотность удельной мощности — в два раза бóльшую, чем у обычных трансформаторов. Рост температуры трансформатора зависит от отношения DT = f(V_e/A_e), где V_e — эффективный объем, определяющий мощность, а A_e — эффективная площадь отвода тепла, определяющая площадь охлаждения. Поскольку у планарных трансформаторов соотношение площадь/объем примерно вдвое больше, то и охлаждающая способность у планарных изделий примерно в два раза лучше. Это позволяет примерно вдвое увеличить удельную мощность при том же изменении температуры либо уменьшить эффективный объем, а значит, и массу при заданном росте температуры. На практике для охлаждения можно использовать различные варианты: естественное, принудительное, односторонний и двухсторонний радиатор, жидкостное и т. д.

Следующая положительная черта планарных устройств — малый разброс значений электрических параметров от устройства к устройству. Трансформатор с проволочной обмоткой обладает большим разбросом характеристик, так как проволока в процессе намотки ложится на каркас неравномерно, что не может не влиять на параметры устройства (индуктивность, добротность и т. д.). Погрешности параметров планарного трансформатора при правильно спроектированной топологии в сотни раз меньше погрешностей традиционного трансформатора с проволочной обмоткой благодаря технологичности процесса производства многослойных ПП, при котором четко контролируются геометрические размеры дорожек, и простоте сборки изделия. Нанесение обмоток печатным способом также обеспечивает низкую стоимость устройств при серийном выпуске.

Превосходная повторяемость величин паразитных параметров (межобмоточной емкости при расположении витков первичной и вторичной обмоток друг над другом) позволяет учесть их в реализуемых схемах, что упрощает процесс настройки аппаратуры. При расположении обмоток одна над другой магнитная связь является очень сильной, и достижимы значения коэффициента связи, близкие к 100% (рис. 3а). При использовании данной конструкции межобмоточная емкость максимальна. Эту емкость можно уменьшить, расположив дорожки соседних обмоток, как показано на рис. 3б. Более того, повторяемость значения емкости позволяет скомпенсировать ее в оставшейся части цепи, а также использовать при создании резонансных устройств. В последнем случае можно целенаправленно создать большую емкость путем размещения дорожек соседних обмоток друг напротив друга (рис. 3в).

Рис. 3. Различные варианты конструкции обмоток

Из других преимуществ можно отметить малую индуктивность рассеяния, благодаря которой уменьшаются скачки и колебания напряжения, являющиеся причиной выхода из строя МОП-компонентов в ИП и дополнительным источником помех. Также потери на переменном токе, обусловленные скин-эффектом, оказываются меньше для плоских медных дорожек, чем для круглого провода с той же площадью поперечного сечения.

Планарные индуктивные элементы могут быть использованы в любой аппаратуре, где необходимо преобразование энергии (силовые трансформаторы и дроссели) и согласование, а также развязка цепей в импульсных линиях передачи сигналов. Планарные трансформаторы оптимально подходят для телекоммуникационных систем (широко­полосные трансформаторы в ADSL- и HDSL-интерфейсах), аппаратуры оборонного назначения, авиационных бортовых систем, высокоэффективных силовых ИП, сварочных аппаратов, систем индукционного нагрева, преобразователей напряжения в электромобилях, зарядных устройствах — везде, где необходимы силовые трансформаторы с высоким КПД и малыми габаритами.

Типовые характеристики планарных трансформаторов Payton

Компания Payton производит широкую номенклатуру планарных трансформаторов мощностью от 5 Вт до 20 кВт, которая удовлетворяет всем требованиям клиентов и соответствует международным отраслевым стандартам [4]. Изначально разработчики компании Payton ориентировались на производство трансформаторов только для импульсных ИП, для применения в сварочных аппаратах и системах индукционного нагрева. Однако сейчас, вследствие расширения спектра выпускаемых изделий, они рекомендованы практически для повсеместного применения.

Основная доля продукции компании связана с высоконадежными применениями, в частности, предназначена для разработки аппаратуры автомобильного и оборонного назначения. Также компания Payton является основным поставщиком планарных трансформаторов для ведущих компаний из США, Великобритании, Франции, Германии, Италии, Кореи, Китая, Австралии и Японии, выпускающих оборудование для авиакосмической отрасли промышленности. Производителем осуществляется сертификационное тестирование высоконадежных изделий на соответствие требованиям стандартов AS 9100, ISO 9001, ISO 14001 и TS16949. Возможно проведение ряда дополнительных испытаний по требованиям заказчиков, которые компания может выполнить в собственных лабораториях.

В основе всех планарных трансформаторов Payton лежит запатентованная технология изготовления Planetics, позволяющая кардинально уменьшить размеры и вес магнитных компонентов, одновременно повысить КПД и мощность, что позволяет сократить время, затрачиваемое на разработку, и уменьшить стоимость готовой продукции. В зависимости от мощности и назначения проектируемого трансформатора, проводящие слои выполняются при помощи медной фольги определенной формы, образующей один виток (рис. 4а), либо травлением нескольких плоских спиралей на поверхности ПП (рис. 4б). Слои объединяются последовательно или параллельно для получения заданных характеристик. Первый вариант подходит для низковольтных приложений с высокими уровнями рабочих токов, второй, наоборот, для высоковольтных устройств с низким током. Изоляционные слои различной толщины изготавливаются из тонкой лавсановой пленки и термостойкого полиамидного волокна [5]. Слоистая структура значительно увеличивает взаимосвязь между первичной и вторичной обмотками, что приводит к уменьшению индуктивности рассеяния и, тем самым, упрощает разработку ИП.

Рис. 4. Типы проводящих слоев, применяемые в планарных трансформаторах Payton

На сегодня Payton предлагает заказные и типовые планарные трансформаторы на заданную мощность [6]. Выбор заказного изделия можно осуществить из 18 семейств с типоразмерами от Т14 до Т5000, предназначенных для применения в промышленном, медицинском и телекоммуникационном оборудовании, в компьютерах и вычислительных устройствах, в измерительных и контрольных приборах, военной технике, авиации и системах безопасности. Компания предлагает трансформаторы с выводами для различных способов монтажа (поверхностного, сквозного на печатную плату, навесного, на кабель и т. д.). Плоские поверхности сердечников пригодны для автоматического монтажа. Основные характеристики заказных планарных трансформаторов Payton представлены в таблице 2, а внешний вид показан на рис. 5.

Рис. 5. Внешний вид заказных планарных трансформаторов Payton

Отличительные особенности всех устройств Payton:

• диапазон рабочих частот от 20 кГц до 2,5 МГц;
• вес приблизительно 10 г на 100 Вт;
• типовое значение КПД 98–99%;
• индуктивность рассеяния менее 0,2% для сердечника с зазором;
• минимальный уровень электромагнитных помех;
• диапазон рабочих температур –55…+150 °C (для высоконадежных применений);
• диапазон мощностей 5 Вт – 25 кВт на каждое устройство при малых габаритах (используются от одной до семи обмоток);
• напряжение изоляции между первичной и вторичной обмотками до 5 кВ;
• превосходные тепловые характеристики;
• подходят для различных топологий импульсных ИП (мосты, полумосты, двухтактные, обратноходовые, повышающие, понижающие, резонансные).

Маломощные низкопрофильные семейства трансформаторов типоразмеров от Т14 до Т40 предназначены, прежде всего, для применения в телекоммуникационном оборудовании и DC/DC-преобразователях. Это компактные устройства с максимальным рабочим током 25 А и диэлектрической прочностью изоляции между обмотками не более 1500 В. Устройства средней и большой мощности (начиная с Т50), позиционируемые для высоковольтных устройств, обладают повышенными показателями рабочих токов и напряжений, напряжение пробоя между обмотками достигает 5 кВ. Серия Т5000, являющаяся старшим представителем семейств планарных трансформаторов, отличается самым низким тепловым сопротивлением (таблица 3).

Помимо заказных изделий, компания Payton предлагает типовые решения, рассчитанные на стандартные входные и выходные напряжения (таблица 4). Они также обладают высоким КПД в широком диапазоне рабочих частот (рис. 6), низким уровнем электромагнитных шумов и предназначены для применения в устройствах с жесткими требованиями к габаритам. Корпусное исполнение подходит для поверхностного монтажа (рис. 7). Трансформаторы 50430/1/2/3/4 с входным диапазоном 36–75 В содержат 12 витков первичной обмотки и от 2 до 10 во вторичной, величина емкости между обмотками составляет 130–150 пФ. В зависимости от конкретного изделия выходные напряжения принимают значения 3,3, 5, 8, 10, 12, 15, 16 и 18 В, максимальный рабочий ток не превышает 12 А.

Рис. 6. Эффективность типовых трансформаторов Payton на примере серии 5043х

Рис. 7. Внешний вид типовых планарных трансформаторов Payton

Устройства 50465/6/7/8/9 рассчитаны на более низкий диапазон входных напряжений 18–36 В. В этом ряду нужно отметить планарный трансформатор 50465 с коэффициентом трансформации 6:1:1, отличающийся наличием двух вторичных обмоток и сопротивлением по постоянному току не более 0,5 мОм. Максимальная величина емкости между первичной и вторичной обмотками не превышает 250 пФ. Отличительной чертой остальных представителей серии 5046х являются входные напряжения от 36 до 75 В и количество витков в первичной обмотке, увеличенное до 12. Серия 75500х характеризуется очень низким уровнем индуктивности рассеяния (от 0,06 мкГн), каждый компонент имеет несколько вариантов корпусного исполнения.

Заключение

Широкое распространение планарных компонентов связано с очевидными преимуществами их применения при решении разно­образных задач. Высокий КПД наряду с малыми габаритными размерами, превосходные тепловые характеристики, широкий диапазон мощностей, стабильность технических характеристик — все это привлекает производителей силовых ИП, систем индукционного нагрева, сварочных аппаратов и т. д. Тенденция удешевления производства многослойных ПП делает планарные трансформаторы все более доступными и позволяет сделать вывод, что их доля на рынке электромагнитных компонентов в дальнейшем будет только увеличиваться.