Применение планарных силовых трансформаторов и плат на дюралевой подложке в современных источниках питания. Проектирование планарных силовых трансформаторов

В предыдущей статье были рассмотрены преимущества применения планарных трансформаторов в малогабаритных и мобильных устройствах. Также были приведены характеристики ферритовых сердечников, применяемых для конструирования планарных трансформаторов. В этой публикации предлагается методика расчета планарных трансформаторов для импульсных преобразователей прямого и обратного хода.

Введение

Планарные трансформаторы могут выполняться как навесные компоненты, в виде сборки однослойных печатных плат или небольшой многослойной платы, либо встраиваться в многослойную печатную плату источника питания.

Важными преимуществами планарных магнитных компонентов являются:

очень малые размеры;
великолепные температурные характеристики;
малая индуктивность утечки;
отличная повторяемость свойств.

Измерения рабочих параметров планарных трансформаторов с Ш-образными сердечниками и обмотками, выполненными на базе многослойной печатной платы, показывают, что тепловое сопротивление этих устройств значительно (до 50%) ниже по сравнению с обычными трансформаторами с проволочной намоткой при том же эффективном объеме сердечника V e . Это обусловлено более высоким отношением площади поверхности сердечника к его объему. Таким образом, имея повышенную охлаждающую способность, планарные трансформаторы способны справляться с большей плотностью проходной мощности, при этом удерживая рост температуры в допустимых пределах.

В настоящей брошюре описывается быстрый и простой метод проектирования планарных силовых трансформаторов, а также рассматриваются примеры устройств, разработанных с применением данного метода.

Результаты тестирования в рабочем режиме показывают, что измеренный рост температуры хорошо согласуется с данными расчетов.

Рис. 1. Планарный трансформатор в разобранном виде

Рис. 2. Варианты конструкции планарных трансформаторов

Процедура расчета

Определение максимальной магнитной индукции

Потери в сердечнике и медном проводнике при работе трансформатора приводят к росту температуры. Величина этого роста не должна превышать допустимого предела, чтобы избежать повреждения трансформатора или остальной цепи. При тепловом равновесии величина суммарных потерь в трансформаторе Ptrafo связана с ростом температуры трансформатора D T соотношением, аналогичным закону Ома:

где R Т - это температурное сопротивление трансформатора. Фактически, P trafo можно представить как охлаждающую способность трансформатора.

Можно установить эмпирическую формулу, напрямую связывающую значение теплового сопротивления трансформатора с эффективным магнитным объемом V э используемого ферритового сердечника . Данная эмпирическая формула справедлива для трансформаторов с проволочной обмоткой, имеющих сердечники формы RM и ETD. Аналогичное соотношение найдено теперь и для планарных трансформаторов с Ш-образными сердечниками.

С помощью этого соотношения можно оценить рост температуры трансформатора как функцию магнитной индукции в сердечнике. По причине ограниченности доступного пространства намотки для планарных магнитных компонентов рекомендуется использовать максимально возможные значения магнитной индукции.

Предположив, что половину суммарных потерь в трансформаторе составляют потери в сердечнике, можно выразить максимальную плотность потерь в сердечнике P core как функцию допустимого роста температуры трансформатора следующим образом:

Потери мощности в наших ферритах измерялись в зависимости от частоты (f, Гц), пиковой магнитной индукции (B, Тл) и температуры (T, °C). Плотность потерь в сердечнике можно приблизительно рассчитать по следующей формуле :

Здесь C m , x, y, c t0 , ct 1 и ct 2 - это параметры, найденные путем аппроксимации эмпирической кривой потерь. Эти параметры специфичны для конкретного материала. Размерности их выбраны так, что при температуре 100 °C значение CT оказывается равным 1.

В таблице 1 приведены значения перечисленных выше параметров для нескольких марок мощных ферритов компании Ferroxcube.

Таблица 1. Параметры аппроксимации для вычисления плотности потерь в сердечнике

Марка феррита	f, кГц	Cm	x	y	ct 2	ct 1	ct 0
3C30	20–100	7,13x10 –3	1,42	3,02	3,65x10 –4	6,65x10 –2	4
3C30	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
3C94	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
3F4	1000-3000	1,1x10 –11	2,8	2,4	0,34x10 –4	0,01x10 –2	0,67

Максимально допустимое значение Pcore вычисляется по формуле (2). Это значение затем подставляется в уравнение (3). Теперь можно вычислить максимально допустимую магнитную индукцию Bpeak, переписав уравнение (3) в следующем виде:

Примечание: максимально допустимое значение B можно найти и другим путем - написав компьютерную программу, вычисляющую потери мощности для произвольной формы сигнала по формуле (3) при заданных значениях параметров аппроксимации . Преимущество этого подхода в том, что он позволяет рассчитывать потери с учетом реальной формы колебаний B, а также выбрать оптимальную марку феррита для конкретного случая.

Определив максимально допустимую пиковую магнитную индукцию, можно рассчитать количество витков первичной и вторичной обмоток по известным формулам, включающим топологию преобразователя и тип трансформатора (например, обратного и прямого хода).

Необходимо принять решение о том, как будут распределены обмотки между имеющимися слоями. Токи, протекающие в дорожках, будут вызывать повышение температуры печатной платы. Из соображений распространения тепла рекомендуется распределять витки обмоток во внешних слоях симметрично по отношению к виткам обмоток во внутренних слоях.

Рис. 3. B peak в формулах равняется половине размаха колебаний индукции в сердечнике

С точки зрения магнетизма оптимальным вариантом было бы перемежать первичные и вторичные слои. Это уменьшит так называемый эффект близости (см. стр. 4). Однако малая высота обмотки в планарном исполнении и требуемое для конкретного приложения количество витков не всегда позволяют выбрать оптимальную конструкцию.

С точки зрения затрат рекомендуется выбирать печатные платы со стандартной толщиной слоя меди. Распространенные значения толщины, используемые производителями печатных плат - 35 и 70 мкм. От толщины слоев меди существенным образом зависит рост температуры в обмотке, индуцированный протекающими токами.

Стандарты безопасности, например стандарт МЭК 950, требуют расстояния 400 мкм в материале печатной платы (FR2 или FR4) для обеспечения развязки вторичной обмотки от сети питания. Если развязка от сети не требуется, достаточно расстояния в 200 мкм между слоями обмотки. Кроме того, необходимо еще учесть слой для трафарета - по 50 мкм с обеих сторон платы.

Ширина дорожек, формирующих обмотки, определяется исходя из величины тока и максимально допустимой плотности тока. Расстояние между витками зависит от возможностей и бюджета производства. Существует практическое правило: для дорожек толщиной 35 мкм ширина дорожек и расстояние между ними должны быть более 150 мкм, а для дорожек толщиной 70 мкм - более 200 мкм.

В зависимости от производственных возможностей изготовителя печатных плат, размеры могут быть и меньшими, но это, скорее всего, повлечет за собой значительный рост стоимости печатной платы. Количество витков в одном слое и расстояние между витками обозначаются соответственно Nl и s. Тогда при доступной ширине намотки bw ширину дорожки wt можно вычислить по следующей формуле (см. рис. 4):

Рис. 4. Ширина дорожки wt, междорожечное расстояние s и ширина обмотки b w

Если требуется развязка от сети питания, ситуация несколько изменяется. Сердечник рассматривается как часть цепи первичной обмотки и должен быть отделен расстоянием в 400 мкм от вторичной цепи. Поэтому длина пути тока утечки между вторичными обмотками, близкими к левой и правой части сердечника, и самим сердечником должна составлять 400 мкм. В этом случае ширину дорожки следует вычислять по формуле (6), поскольку из доступной ширины обмотки необходимо вычесть 800 мкм:

В формулах (5) и (6) все размеры даны в мм.

Определение роста температуры печатной платы, вызванного протекающими токами

Последний шаг, который предстоит сделать - это определить рост температуры в медных дорожках, вызванный протекающими токами. Для этого необходимо вычислить эффективные (среднеквадратичные) значения токов, исходя из входных данных и желаемых выходных параметров. Метод расчета зависит от используемой топологии.

В разделе примеров приведены расчеты для стандартной прямой и обратной технологии преобразователя. Пример связи между ростом температуры и эффективными значениями токов при разных площадях поперечного сечения проводников печатной платы показан на рис. 5. В случаях, когда имеется единственный проводник, или когда индуктивности расположены не слишком близко, из этой диаграммы можно непосредственно определять ширину, толщину и площадь поперечного сечения проводника, а также максимально допустимые токи для различных заданных значений роста температуры.

Рис. 5. Связь между током, размерами дорожек печатной платы и ростом температуры

Недостаток этого способа проектирования заключается в предположении, что тепло, выделяющееся в обмотке, вызывается протеканием постоянного тока, в то время как в реальности имеется переменный ток, вызывающий скин-эффект и эффект близости.

Скин-эффект обусловлен наличием в проводнике магнитного поля, создаваемого током, который протекает в самом этом проводнике. Быстрое изменение тока (при высокой частоте) наводит переменную индукцию, которая вызывает вихревые токи. Эти вихревые токи, которые вносят вклад в основной ток, имеют противоположное ему направление. Ток обращается в ноль в центре проводника и движется по направлению к поверхности. Плотность тока экспоненциально снижается от поверхности к центру.

Глубина поверхностного слоя d - это расстояние от поверхности проводника в направлении его центра, на котором плотность тока уменьшается в e раз. Глубина поверхностного слоя зависит от таких свойств материала, как электропроводность и магнитная проницаемость, и она обратно пропорциональна квадратному корню из частоты. Для меди при температуре 60 °C глубина поверхностного слоя может быть приближенно вычислена по следующей формуле:

Если берется проводник с толщиной w t меньшей, чем 2d , вклад этого эффекта будет ограничен. Это дает ширину дорожки меньше 200 мкм для частоты 500 кГц. Если при требуемом числе витков доступна большая ширина обмотки, наилучшим решением с точки зрения магнетизма будет разделить их на параллельные дорожки.

В реальных ситуациях в проводниках будут присутствовать вихревые токи, вызванные не только меняющимся магнитным полем собственного тока (скин-эффект), но и полями других проводников, расположенных поблизости. Этот эффект носит название эффекта близости. Если первичные и вторичные слои чередуются, влияние этого эффекта оказывается гораздо меньше. Дело в том, что токи в первичной и вторичной обмотках текут в противоположных направлениях, так что их магнитные поля взаимно уничтожаются. Тем не менее, соседние проводники одного слоя все же будут вносить некоторый вклад в эффект близости.

Эмпирические результаты

Измерения температуры в нескольких типах конструкций печатных плат при протекании в обмотках переменных токов показывают с приемлемой точностью, что на частотах до 1 МГц каждое увеличение частоты на 100 кГц дает повышение температуры печатной платы, на 2 °C большее по сравнению со значениями, определенными для случая постоянных токов.

Цель состоит в том, чтобы спроектировать строчный трансформатор с параметрами, приведенными в таблице.

В качестве первого шага делается предположение, что при данной частоте можно взять большое значение пиковой магнитной индукции - 160 мТл. Позже мы проверим, возможно ли это при заданных значениях потерь в сердечнике и роста температуры.

Пример 1. Трансформатор обратного хода

В таблице 2 указано рассчитанное количество витков для шести самых малоразмерных стандартных комбинаций планарных Ш-образных сердечников и пластин фирмы Ferroxcube. Кроме того, приведены значения собственной индуктивности первичной обмотки, ширины воздушного зазора и токов, рассчитанные по формулам из врезки 1.

Таблица 2. Расчет конструктивных параметров нескольких строчных трансформаторов

Сердечник	Ae, мм 2	Ve, мм 3	N1	N2	NIC	G, мкм	Прочие рассчитанные параметры
E-PLT14	14,5	240	63	7,4	7,2	113	L prim = 638 мкГн
E-E14	14,3	300	63	7,4	7,2	113	I p (эфф.) = 186 мА
E-PLT18	39,5	800	23	2,7	2,6	41	I o (эфф.) = 1593 мА
E-E18	39,5	960	23	2,7	2,6	41
E-PLT22	78,5	2040	12	1,4	1,4	22
E-E22	78,5	2550	12	1,4	1,4	22

Из таблицы 2 можно видеть, что требуемое число витков первичной обмотки для комплектов сердечников E-E14 и E-PLT14 оказывается слишком большим, чтобы обмотку можно было выполнить на базе многослойной печатной платы. Поэтому оптимальным вариантом выглядят комбинации сердечников E-E18 и E-PLT18. Округление результатов расчета N1, N2 и NIC дает числа 24, 3 и 3 соответственно.

Для определения потерь в случае однополярной треугольной волны индукции с частотой 120 кГц, пиковой индукцией 160 мТл и рабочей температурой 95 °C использовалась программа, основанная на выражении (3). Для мощных ферритов 3C30 и 3C90 ожидаемые потери в сердечнике равны соответственно 385 мВт/см 3 и 430 мВт/см 3 .

Допустимая плотность потерь при D T=35°C составляет 470 мВт/см3 для E-PLT18 и 429 мВт/см 3 для E-E18 (из выражения (1)).

Вывод состоит в том, что ферриты 3C30 и 3C30 можно использовать в обеих комбинациях сердечников. Менее качественные ферриты с большими потерями мощности приведут к слишком большому росту температуры.

24 витка первичной обмотки можно распределить симметрично по 2 или 4 слоям. Доступная ширина обмотки для сердечников E-18 составляет 4,6 мм. Отсюда видно, что вариант с двумя слоями по 12 витков в каждом будет сложен в исполнении, а потому и дорог. Для этого потребуется использовать очень узкие дорожки с весьма малым шагом. Поэтому выбирается вариант с четырьмя слоями, по 6 витков в каждом. Меньшее количество слоев в многослойной печатной плате приведет к меньшей себестоимости. Поэтому мы предусмотрим еще 3 витка первичной обмотки (для напряжения IC) и 3 витка вторичной обмотки, и на каждую из них - один слой. Таким образом, можно построить конструкцию с шестью слоями, как показано в таблице 3.

Таблица 3. Пример конструкции трансформатора с шестью слоями

Слой	Число витков	35 мкм	70 мкм
трафарет		50 мкм	50 мкм
первичная	6	35 мкм	70 мкм
изоляция		200 мкм	200 мкм
первичная	6	35 мкм	70 мкм
изоляция		200 мкм	200 мкм
первичная IC	3	35 мкм	70 мкм
изоляция		400 мкм	400 мкм
вторичная	3	35 мкм	70 мкм
изоляция		400 мкм	400 мкм
первичная	6	35 мкм	70 мкм
изоляция		200 мкм	200 мкм
первичная	6	35 мкм	70 мкм
трафарет		50 мкм	50 мкм
ИТОГО		1710 мкм	1920 мкм

В зависимости от количества тепла, генерируемого протекающими токами, можно выбрать толщину медных дорожек 35 мкм или 70 мкм. Между слоями первичной и вторичной обмотки требуется расстояние 400 мкм для обеспечения развязки от сети. Комбинация E-PLT18 имеет минимальное окно намотки 1,8 мм. Это достаточно при толщине дорожек 35 мкм, которая дает суммарную толщину печатной платы около 1710 мкм.

Для удешевления конструкции мы выбрали расстояние между дорожками, равное 300 мкм. Вычисление ширины дорожки вторичной обмотки по формуле (5) дает результат 1,06 мм, включая развязку от сети.

Воспользовавшись диаграммой на рис. 5 и рассчитанным (см. табл. 2) эффективным значением тока во вторичной обмотке, равным 1,6 А, получаем рост температуры 25 °C для дорожек толщиной 35 мкм и около 7 °C для дорожек толщиной 70 мкм.

Мы приняли, что рост температуры, вызванный потерями в обмотке, составляет около половины суммарного роста температуры, в данном случае 17,5 °C. Очевидно, что при толщине дорожек 35 мкм рост температуры, вызываемый эффективным током 1,6 А, будет слишком велик, поэтому придется использовать дорожки толщиной 70 мкм.

Ширину дорожек витков первичной обмотки можно вычислить по формуле (5). Она окажется равной приблизительно 416 мкм. При такой ширине дорожек эффективный ток величиной 0,24 А в первичной обмотке вряд ли приведет к какому-либо повышению температуры.

Поскольку частота равна 120 кГц, ожидается дополнительный рост температуры печатной платы величиной около 2 °C по сравнению с ситуацией, когда протекают только постоянные токи. Суммарный рост температуры печатной платы, вызванный только протекающими токами, будет оставаться на уровне ниже 10 °C.

Шестислойная печатная плата с дорожками толщиной 70 мкм должна функционировать в соответствии с рассчитанными параметрами. Номинальная толщина печатной платы составит около 1920 мкм, что означает, что стандартная комбинация E-PLT18 из Ш-образного сердечника и пластины в данном случае не подойдет. Можно использовать стандартную комбинацию E-E18 из двух Ш-образных сердечников с окном намотки 3,6 мм. Однако столь большое окно намотки представляется здесь излишним, так что более элегантным решением был бы нестандартный сердечник, имеющий окно размером около 2 мм.

Измерения, проведенные на сравнимой конструкции с сердечником из двух Ш-образных половин из феррита 3C90, зафиксировали суммарный рост температуры 28 °C. Это согласуется с нашими расчетами, которые дали рост температуры 17,5 °C за счет потерь в сердечнике и 10 °C за счет потерь в обмотке.

Связь между первичной и вторичной обмотками является хорошей, поскольку индуктивность утечки составляет всего 0,6 % от индуктивности первичной обмотки.

Пример 2. Трансформатор прямого хода

Здесь цель состоит в том, чтобы разработать прямой трансформатор с возможностью выбора одного из четырех коэффициентов трансформации, которые часто используются в маломощных преобразователях постоянного тока. Желаемые характеристики приведены выше в таблице.

Сначала необходимо проверить, подходят ли для данного случая комбинации сердечников наименьшего размера из стандартной номенклатуры - E-PLT14 и E-E14. Вычисляя максимально допустимую плотность потерь в сердечнике при росте температуры 50 °C, получаем 1095 мВт/см3 для комбинации E-E14 из двух Ш-образных сердечников и 1225 мВт/см 3 для комбинации E-PLT14 из Ш-образного сердечника и пластины. Далее вычисляем плотность потерь в сердечнике по формуле (3) в случае однополярной треугольной волны индукции с частотой 500 кГц для нескольких значений пиковой индукции.

Полученные результаты показывают, что при пиковой магнитной индукции около 100 мТл потери оказываются меньше максимально допустимых, вычисленных по формуле (2). Расчет количества витков и эффективных токов осуществляется по формулам, приведенным во врезке 1. При пиковой магнитной индукции 100 мТл и заданных выше параметрах оказывается, что на частоте 530 кГц комбинации E-E14 и E-PLT14 пригодны для использования, и число витков является приемлемым. Результаты вычислений приведены в таблице 4.

Таблица 4. Расчет конструктивных параметров нескольких прямых трансформаторов

Сердечник	V in , В	V out , В	N1	N2	L prim , мкГн	I o(эфф.) , мА	I mag , мА	I p(эфф.) , мА
E-PLT14	48	5	14	3,2	690	2441	60	543
	48	3,3	14	2,1	690	3699	60	548
	24	5	7	3,2	172	2441	121	1087
	24	3,3	7	2,1	172	3669	212	1097
E-E14	48	5	14	3,2	855	2441	48	539
	48	3,3	14	2,1	855	3669	48	544
	24	5	7	3,2	172	2441	97	1079
	24	3,3	7	2,1	172	3669	97	1080

Окончательное определение плотности потерь в сердечнике при рабочей температуре 100 °C для указанной формы волны индукции с частотой 530 кГц дает результаты 1030 мВт/см 3 для феррита 3F3 и 1580 мВт/см 3 для феррита 3F4. Очевидно, что лучшим вариантом является 3F3. Рост температуры в сердечнике E-PLT14 составляет:

(рассчитанная плотность потерь в 3F3/допустимая плотность потерь) X 1/2DT = (1030/1225) X 25 °С = 21 °С.

Для комбинации E-E14 рост температуры равен 23,5 °C. Для первичной обмотки в зависимости от входного напряжения требуется 7 или 14 витков. В случае обычного прямого трансформатора такое же количество витков требуется для размагничивающей (восстанавливающей) обмотки. Чтобы можно было использовать 7 или 14 витков и то же количество витков для размагничивающей обмотки, выбрана конструкция с 4 слоями по 7 витков в каждом. Когда нужны 7 витков первичной и размагничивающей обмоток, витки двух слоев соединяются параллельно. Это даст дополнительный эффект - уменьшение в два раза плотности тока в дорожках обмотки.

Когда нужны 14 витков первичной и размагничивающей обмоток, витки двух слоев соединяются последовательно, так что эффективное количество витков становится равным 14.

Доступная ширина обмотки для сердечника E-14 составляет 3,65 мм. Для экономичной конструкции с расстоянием между дорожками 300 мкм ширина дорожки при 7 витках на слой равна 178 мкм.

Толщина дорожек должна быть 70 мкм, поскольку при напряжении на входе 24 В эффективный ток в первичной обмотке составит около 1,09 А. Это дает (см. табл. 2) при эффективной ширине дорожки 356 мкм (ширина удваивается в результате параллельного соединения частей обмотки при использовании 7 витков) рост температуры 15 °C. Входное напряжение 48 В создаст эффективный ток приблизительно 0,54 А.

В этом случае вклад потерь в обмотке в общий рост температуры составит при ширине дорожки 178 мкм (14 витков, соединенные последовательно) около 14 °C.

Ширина дорожек, равная 178 мкм, с расстоянием между ними 300 мкм при толщине дорожек 70 мкм несколько отклоняется от приведенного нами практического правила (расстояние между дорожками и ширина дорожек > 200 мкм). Это может привести к несколько большим затратам на изготовление многослойных печатных плат. Для вторичной обмотки требуется 3 или 2 витка. Когда на каждый из витков выделяется один слой, ширина дорожки составляет соответственно 810 и 1370 мкм. Эффективные токи во вторичной обмотке, равные 2,44 и 3,70 А, вызывают рост температуры в обмотках величиной приблизительно 25 °C, что с учетом роста температуры в первичных обмотках оказывается слишком много. В этом случае наилучшим решением будет использовать по 2 слоя для обеих обмоток. Когда эти слои, в каждом из которых по 3 витка, соединяются параллельно, плотность тока уменьшается в два раза. Из рис. 5 можно определить, что вклад потерь в обмотке в суммарный рост температуры в этой ситуации составит около 6 °C. Суммарный рост температуры в печатной плате будет равен приблизительно 21 °C плюс дополнительный рост, вызванный потерями на переменном токе. Поскольку частота равна 500 кГц, необходимо добавить еще примерно 10 °C, то есть в итоге температура печатной платы повысится на 31 °C.

Количество витков и ширина для каждого слоя данной конструкции приведены в таблице 5. По меньшей мере один слой, обозначенный в таблице как дополнительный, необходим для выполнения соединений. Однако это даст нам в сумме 9 слоев, что с точки зрения производства равносильно 10 слоям (следующее четное число). По этой причине верхний и нижний слои печатной платы используются как дополнительные - также и потому, что это дает дополнительное преимущество: плотности токов в дорожках уменьшаются в два раза. Дорожки на этих слоях соединяются с дорожками во внутреннем слое через омедненные отверстия и «подводят» входы и выходы первичной и вторичной обмоток к двум сторонам печатной платы. В зависимости от того, как соединены входы и выходы на первичной и вторичной сторонах, можно получить 4 различных значения коэффициента трансформации.

Таблица 5. Пример конструкции с 10 слоями

Слой	Число витков	70 мкм
трафарет		50 мкм
дополнительный слой		70 мкм
изоляция		200 мкм
первичная размагничивающая	7	70 мкм
изоляция		200 мкм
первичная	7	70 мкм
изоляция		200 мкм
вторичная	3	70 мкм
изоляция		200 мкм
вторичная	2	70 мкм
изоляция		200 мкм
вторичная	2	70 мкм
изоляция		200 мкм
вторичная	3	70 мкм
изоляция		200 мкм
первичная	7	70 мкм
изоляция		200 мкм
первичная размагничивающая	7	70 мкм
изоляция		200 мкм
дополнительный слой		70 мкм
трафарет		50 мкм
ИТОГО:		2600 мкм

Совокупная номинальная толщина печатной платы составит около 2,6 мм, что превышает размер доступного окна намотки комбинации сердечников E-PLT14, равный 1,8 мм. Можно использовать комбинацию E-E14, однако она имеет минимальное окно намотки 3,6 мм - гораздо больше, чем в действительности требуется. Более удачным решением был бы нестандартный сердечник с уменьшенной величиной окна.

Измерения температуры данной печатной платы производились с помощью термопар при различных условиях. Для проверки использовался вариант с преобразованием 24/5 В, дающий наивысшие плотности токов. Сначала в первичную и вторичную обмотку были раздельно поданы постоянные токи, равные рассчитанным. Постоянный ток в первичной обмотке, равный 1079 мА, дал рост температуры 12,5 °C, а ток во вторичной обмотке, равный 2441 мА, дал рост температуры 7,5 °C. Как и можно было ожидать, когда оба тока были поданы на печатную плату одновременно, рост температуры оказался равен 20 °C.

Описанная выше процедура была повторена для переменных токов нескольких частот с эффективными значениями, равными рассчитанным. На частоте 500 кГц суммарный рост температуры в печатной плате составил 32 °C. Наибольший дополнительный рост температуры (7 °C), вызванный потерями на переменном токе, наблюдался во вторичных обмотках. Это логично, поскольку влияние скин-эффекта сказывается больше в широких дорожках вторичных обмоток, чем в узких дорожках первичных обмоток.

Наконец, были проведены температурные измерения при установленных на печатную плату стандартных сердечниках (комбинация E-E14) в условиях, соответствующих рабочим условиям прямого трансформатора. Рост температуры печатной платы составил 49 °C; точка максимального нагрева сердечника находилась на его верхней стороне и температура в ней равнялась 53 °C. В центральной части сердечника и его внешней части наблюдался рост температуры 49 °C и 51 °C соответственно.

Как и предсказывали вычисления, данная конструкция является в некотором роде критической для набора из двух Ш-образных сердечников, поскольку в точке максимального нагрева была зафиксирована температура 53 °C, что выше 50 °C. Однако при использовании более плоских (нестандартных) Ш-образных сердечников температура оказывается внутри допустимых пределов.

В следующей статье мы рассмотрим пример расчета 25-ваттного DC/DC-конвертера на основе планарного трансформатора.

Литература

Mulder S. A. Application note on the design of low profile high frequency transformers. Ferroxcube Components. 1990.
Mulder S. A. Loss formulas for power ferrites and their use in transformer design. Philips Components. 1994.
Durbaum Th., Albach M. Core losses in transformers with an arbitrary shape of the magnetizing current. EPE Sevilla. 1995.
Brockmeyer A. Experimental evaluation of the influence of DC premagnetization on the properties of power electronic ferrites. Aachen University of Technology. 1995.
Ferroxcube Components technical note. 25 Watt DC/DC converter using integrated planar magnetics. 9398 236 26011. 1996.

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.

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

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.
Малый разброс электрических параметров от устройства к устройству.
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.

Изобретение относится к электрорадиотехнике и может быть использовано при изготовлении планарного трансформатора, предназначенного для портативных электрорадиотехнических устройств. Технический результат - повышение эксплуатационной надежности межслойных электрических соединений обмоток трансформатора за счет пайки контактных площадок обмоток, возможность изготовления витков обмоток с большим поперечным сечением и соответственно с большим значением допустимого тока, достижение оптимального значения коэффициента трансформации и соответственно выходного напряжения трансформатора, возможность интегрирования обмоток трансформатора в многослойную печатную плату в процессе их совместного изготовления. Достигается тем, что на поверхности гальванопластической металлической матрице изготавливают многослойную обмотку путем последовательного изготовления в начале односторонних обмоток с внутренними и внешними контактными площадками, затем на их основе двусторонних печатных обмоток, из которых составляют многослойную обмотку. Внутренние и внешние контактные площадки изготавливают одновременно с витками односторонних обмоток путем электролитического осаждения меди на пробельные места фоторезистивной маски, нанесенной на поверхность матрицы. Внутренние контактные площадки смежных обмоток соединяют пайкой, при изготовлении двусторонних обмоток, а внешние контактные площадки соединяют пайкой после укладки двусторонних обмоток в пакет многослойной обмотки. Таким образом изготавливают первичную и вторичную обмотки трансформатора, их склеивают между собой. Затем вырубают отверстия в обмотках, в которые устанавливают ферритовый сердечник, и получают планарный трансформатор на основе многослойной печатной платы. Способ позволяет изготавливать планарные трансформаторы на основе многослойной печатной платы с применением как миниатюрного ферритового сердечника типа ЕН/3,5/5 в системе Е-Е, так и с большим сердечником типа Ш 68/21/50, на котором можно получить выходные характеристики трансформатора 100 В и 100 А, при напряжении питания 12 В. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к электрорадиотехнике и может быть использовано в портативных электрорадиотехнических устройствах.

Способ изготовления планарного трансформатора на основе многослойной печатной платы может найти широкое практическое применение, если он будет позволять изготовление материнской многослойной печатной платы с надежными межслойными переходами, с витками большой толщины, при которой поперечное сечение витка будет соответствовать оптимальным величинам допустимого тока.

Способ должен быть пригоден для массового производства планарных трансформаторов.

Известен способ формирования планарных индуктивностей, заключающийся в том, что поверхность тонкой, фольгированной с двух сторон основной ленты, разделяют на прямоугольные участки и методом фотолитографии на каждый участок наносят рисунок витков катушек, а на дополнительной ленте наносят рисунок контактных площадок. Контактные площадки с двух сторон ленты электрически соединяют путем химической и гальванической металлизации сквозных отверстий. Затем методом химического травления удаляют медь с участков поверхности фольгированной ленты, которые не защищены фоторезистивной маской. Одновременно получают линии разграничения между участками, затем сворачивают элементы пленки по линиям их раздела в гармошку с одновременным сжатием, при этом элементы располагаются один над другим с образованием синфазных намоток. В начале сворачивают дополнительные ленты с контактными площадками, а затем сворачивают основную ленту. Изоляцию между элементами соседних участков в процессе сворачивания лент в гармошку осуществляют нанесением клеевого покрытия или дополнительных прокладок и получают планарную индуктивность .

К недостаткам известного способа относятся низкая надежность межслойных переходов многослойной катушки, ограничение толщины витков катушки толщиной фольги на фольгированном диэлектрике, расположение контактных площадок на дополнительных лентах, что затрудняет укладку элементов катушки и увеличивает ее объем.

Известен способ изготовления планарного трансформатора на основе многослойной печатной платы, в соответствии с которым изготавливают печатные обмотки трансформатора на фольгированном диэлектрике путем травления фольги в местах, незащищенных фоторезистивной маской. Затем печатные обмотки собирают в пакет. Их разделяют клеящими прокладками. После чего прессуют пакет при температуре отверждения клея. Изготавливают межслойные электрические соединения между смежными обмотками в многослойной печатной обмотке путем химико-гальванической металлизации сквозных отверстий. Таким образом, изготавливают как первичную, так и вторичную обмотки трансформатора. Их соединяют между собой склеиванием. Затем в обмотке трансформатора создают отверстия для установки ферритового сердечника. Устанавливают и закрепляют ферритовый сердечник в обмотке трансформатора и получают планарный трансформатор на основе многослойной печатной платы. Толщина многослойной обмотки ограничена свободным пространством в ферритовом сердечнике. Приведены типы ферритовых сердечников от миниатюрного типа Е14/35/5 до максимального 64/10/50 . Способ принят за прототип.

К недостаткам способа прототипа следует отнести низкую надежность межслойных электрических соединений, полученных химико-гальванической металлизацией сквозных отверстий, малую толщину витков обмоток, которая ограничена толщиной фольги на фольгированном диэлектрике. Это затрудняет получение витков с большим поперечным сечением, необходимым в мощных планарных трансформаторах с допустимым током, например, 100А и более.

Задачей изобретения является создание способа изготовления планарного трансформатора на основе многослойной печатной платы с надежными межслойными переходами, а также получение витков обмотки большой толщины, позволяющей получить необходимое поперечное сечение витка, при котором допустимая величина тока равна, например, 100А и более.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе изготовления планарного трансформатора на основе многослойной печатной платы изготавливают медные витки обмоток с контактными площадками в соответствии с фоторезистивным печатным рисунком, на котором обмотки расположены на раздельных прямоугольных участках. Затем обмотки укладывают в пакет с включением между обмотками клеящих прокладок. Проводят прессование пакета при температуре отверждения клея. Создают межслойные электрические соединения обмоток. Изготавливают первичную и вторичную многослойные обмотки и склеивают их между собой. Создают отверстия в обмотках, в которые устанавливают ферритовый сердечник, отличающийся тем, что витки обмоток с внутренними и внешними контактными площадками изготавливают путем электролитического осаждения меди на поверхность металлической гальванопластической матрицы, которую предварительно покрывают фоторезистивной маской с позитивным рисунком витков обмоток и контактных площадок, обмотки располагают в двух рядах, при этом общее число обмоток равно числу слоев многослойной обмотки, на пробельные места фоторезистивной маски осаждают электролитически медь до заданной толщины, затем создают на ее поверхности микрошероховатости, удаляют фоторезистивную маску и на поверхность медных витков укладывают клеящую прокладку с окнами в местах расположения внутренних и внешних контактных площадок, запрессовывают прокладку в витки при температуре отверждения клея и получают односторонние печатные обмотки, на поверхность внутренних контактных площадок наносят паяльную пасту и проводят ее оплавление, затем матрицу разделяют на две части, на каждой из которых расположен один ряд односторонних обмоток, после чего обе части совмещают, укладывая их в пакет, при этом предварительно наносят клей на поверхности прокладок, односторонние обмотки склеивают между собой и получают двусторонние печатные обмотки, после чего отделяют матрицу с одной стороны пакета, проводят пайку внутренних контактных площадок, паянные контакты защищают электроизоляционным лаком, затем на матрице оставляют только одну двустороннюю обмотку, а остальные отделяют от матрицы, их последовательно укладывают в пакет на обмотку, оставшуюся на матрице, предварительно наносят клей на поверхность обмоток, внешние контактные площадки располагают в ряд на матрице и попарно соединяют их пайкой, начиная со второго и заканчивая предпоследним, при этом первая и последняя контактные площадки являются началом и концом многослойной обмотки, после чего на внешние контактные площадки укладывают клеящие прокладки и проводят прессование пакета, получают многослойную печатную обмотку, изготовленные таким образом первичную и вторичную обмотки трансформатора склеивают между собой, после чего с двух сторон обмотки отделяют матрицы и после создания в обмотках отверстий и установления ферритового сердечника получают планарный трансформатор на основе многослойной платы.

Способ поясняется чертежами, фиг.1-7.

На фиг.1 показана алюминиевая матрица, на которой изготовлены витки обмоток с контактными площадками и электроизоляционная прокладка с окнами. Прокладка предназначена для переноса на нее медных витков с образованием односторонних обмоток.

На фиг.2 показаны двусторонние обмотки, которые получены после склеивания односторонних обмоток

На фиг.3 представлена многослойная вторичная обмотка, образованная путем склеивания двусторонних обмоток.

На фиг.4 представлена первичная обмотка.

На фиг.5 представлена обмотка трансформатора, полученная после склеивания первичной и вторичной обмотки с отверстием для установки сердечника.

На фиг.6 показан планарный трансформатор на основе многослойной печатной платы.

На фиг.7 показан планарный трансформатор, интегрированный в многослойную печатную плату.

Способ реализуется следующим образом

Медные витки обмотки с контактными площадками изготавливают электролитическим осаждением меди на поверхность металлической гальванопластической матрицы. Из большого ассортимента металлических гальванопластических матриц наиболее эффективной для решения поставленной задачи является алюминиевая матрица. Так как с алюминиевой матрицы возможен перенос медных печатных проводников с матрицы на тонкое диэлектрическое основание . А также с алюминиевой матрицы возможен сброс печатных медных изделий . Поэтому с алюминиевой матрицы можно одновременно осуществлять перенос медных печатных витков обмоток на диэлектрическую прокладку и отделять от матрицы контактные площадки. В качестве алюминиевой матрицы 1 (фиг.1) применяют прокат алюминиевого сплава, например, марки Д16Т, толщиной 0,1-0,3 мм. Матрицу подготавливают к металлопокрытию путем анодирования в 4Н серной кислоте при плотности тока 1А/дм 2 . Материал фоторезистивной маски применяют в зависимости от толщины изготавливаемых витков обмоток. При тонких витках до 50 мкм можно применять пленочный фоторезист, например, марки СПФ-ВЩ-2-50. При витках, превышающих толщину 50 мкм, применяют гальваностойкую краску, например, марки, СТЗ.13, которую наносят методом трафаретной печати . На поверхность матрицы 1 (фиг.1) наносят фоторезистивную маску 2 с позитивным рисунком витков обмоток 3 с внутренними контактными площадками 4 и внешними 5. Фоторезистивный рисунок маски 2 состоит из двух рядов обмоток 3. Число обмоток 3 в двух рядах соответствует числу слоев в многослойной обмотке. На пробельные места фоторезистивного рисунка электролитически осаждают медь из кислого сульфатного электролита меднения состава в г/л: сернокислая медь - 250, серная кислота - 70, плотность тока 4 А/дм 2 , температура 20±2°С. После достижения заданной толщины медного осадка на его поверхность осаждают шероховатый осадок меди, предназначенный для увеличения прочности сцепления между витками обмоток и диэлектрической прокладкой 6. Шероховатый осадок осаждают в импульсном режиме из раствора состава в г/л: сернокислая медь 35-45, серная кислота 180-200, температура 22-26°С, время осаждения 0,5 мин, время паузы 0,025 мин, плотность тока 6 А/дм 2 . Продолжительность осаждения для достижения шероховатой поверхности до значения Ra, равного 2 мкм . Затем с матрицы 1 удаляют фоторезистивную маску путем растворения в соответствующих растворителях: пленочный фоторезист в 5% растворе щелочи, а гальваностойкую краску в органическом растворителе, например, в хлористом этилене. После чего на медные витки укладывают электроизоляционную стеклотекстолитовую прокладку 6, пропитанную недополимеризованным клеевым связующим, с температурой отверждения 155±5°С, например, марки СП-1-01 . В прокладке 6 вырезают окна 7 в местах расположения контактных площадок 4 и 5 (фиг.1). Суммарная толщина прокладки 6 должна быть больше толщины витков 3 не менее чем в два раза, так как при запрессовке прокладок 6 в медные витки 3 последние на всю толщину витка размещаются в прокладке 6. Проводят запрессовку прокладок 6 в витки 3 при температуре отверждения клеевого связующего. При этом образуются односторонние обмотки 8. На поверхность внутренних контактных площадок наносят паяльную пасту 9, например, марки ПП1, на основе припоя ПОС-61 с температурой плавления 190-230°С и проводят оплавление паяльной пасты при температуре 90-100°С. Смежные обмотки 3 в каждом ряду имеют такое расположение внутренних контактных площадок 4, что в случае укладки смежных обмоток друг на друга контактные площадки 4 совпадают и возможно их соединение пайкой. При этом внешние контактные площадки 5 смежных обмоток расположатся на расстоянии, равном шагу между смежными витками в обмотке. Для совмещения смежных обмоток, расположенных в двух рядах, и образования двусторонних печатных обмоток, матрицу 1 разделяют на две части, на каждой из которых расположен один ряд односторонних обмоток 8. Затем разделенные части матрицы 1 укладывают в пакет в соответствии с расположением реперных знаков 10 на каждой части матрицы. Проводят склеивание пакета, при этом используют прокладку 6 (фиг.2), имеющую окна 7 в местах расположения контактных площадок 5. С одной стороны пакета отделяют матрицу 1, затем проводят пайку внутренних контактов 4 смежных обмоток. После чего спаянные контакты 4 покрывают электроизоляционным лаком 11, например, марки КО-926 , и получают двусторонние печатные обмотки 12. На двусторонние обмотки 12 укладывают клеящую прокладку 6" фиг.2 толщиной 0,06-0,1 мм с окнами 7 в местах расположения внешних контактных площадок 5 и приклеивают ее под прессом при температуре отверждения клея. Для получения многослойной печатной обмотки из двусторонних обмоток 12 на матрице оставляют только одну двустороннюю обмотку 12, а остальные отделяют от матрицы и последовательно укладывают в пакет над оставшейся на матрице обмотке 12. При этом внешние контактные площадки 5 располагают в один ряд 13 на матрице 1 (фиг.3). Соединят контактные площадки 5 попарно путем пайки припоем с температурой плавления выше, чем температура отверждения клеевого связующего, например, припоя марки ПОС-61. Попарные соединения контактных площадок начинают со второго контакта и заканчивают предпоследним. При этом первая и последняя контактные площадки 5 являются началом и концом многослойной обмотки 14 (фиг.3). Весь ряд контактных площадок 13 прижимают к поверхности матрицы 1 клеящими прокладками до достижения толщины пакета многослойной обмотки 14. После чего проводят прессование пакета при температуре отверждения клея и получают вторичную многослойную обмотку 14 (фиг.3). Аналогично изготавливают первичную обмотку 15 (фиг.4). Затем обмотки 14 и 15 склеивают между собой под прессом. Отделяют матрицу 1 с двух сторон печатной обмотки трансформатора. Затем вырубают отверстия 16 в обмотке трансформатора, необходимые для установки ферритового сердечника (фиг.5), устанавливают в обмотку ферритовый сердечник 17 (фиг.6), закрепляют его пластиной 18 и получают планарный трансформатор с многослойной печатной платой 19.

Возможность интеграции планарного трансформатора 19 в многослойную печатную плату основана на том, что в технологии изготовления планарного трансформатора и многослойной печатной платы имеются аналогичные технологические операции. Так, при изготовлении планарного трансформатора проводят склеивание первичной и вторичной обмоток, а при изготовлении многослойной печатной платы склеивают заготовки из односторонних или двусторонних печатных плат. Поэтому предложено проводить одновременное склеивание обмоток трансформатора и заготовок многослойной печатной платы. Отличительной особенностью такого склеивания является то, что его проводят до отделения обмоток от матрицы (фиг.3 и фиг.4). Поэтому поверхность обмоток защищена от воздействия агрессивных растворов, которые применяют после склеивания заготовок многослойной печатной платы в процессе изготовления межслойных переходов химико-гальванической металлизации, а также при создании топологии медных печатных проводников на внешних слоях путем химического травления фольгированного диэлектрика . После завершения изготовления многослойной печатной платы матрицы отделяют от поверхности обмоток. В обмотках создают отверстия, в которые устанавливают ферритовый сердечник 17 (фиг.7). На фиг.7 показана многослойная печатная плата, в которую интегрирован планарный трансформатор. Как видно, обмотки трансформатора 14 и 15, а также заготовки многослойной печатной платы 21 и 22 склеены единой прокладкой 20. В результате планарный трансформатор 19 на основе многослойной печатной платы 14 и 15 интегрирован в многослойную печатную плату 23.

Таким образом, разработанный способ позволяет изготавливать планарный трансформатор на основе многослойной печатной платы с высокой эксплуатационной надежностью, так как межслойные электрические соединения осуществляют пайкой контактных площадок смежных обмоток. Кроме того, способ позволяет изготавливать витки с большой толщиной. Способ не ограничивает число двусторонних обмоток, укладываемых в пакет при образовании многослойной обмотки, поэтому возможно достижение оптимального коэффициента трансформации. Способ пригоден для массового производства, так как основные технологические операции способа можно осуществлять на высокопроизводительном оборудовании, освоенном промышленными предприятиями, а именно: нанесение на матрицу фоторезистивного рисунка методом фотолитографии, электролитического осаждения меди на пробельные места фоторезистивного рисунка с образованием медных витков и контактных площадок, образование односторонних печатных плат путем переноса медной печатной схемы на электроизоляционное основание, образование многослойной печатной платы на основе односторонних и двусторонних печатных плат. Кроме того, разработан способ интеграции планарного трансформатора в многослойную печатную плату в процессе их совместного изготовления.

Способ осуществляется следующим образом.

Пример 1. Изготавливают планарный трансформатор на основе многослойной печатной платы с миниатюрным ферритовым сердечником типа Е 14/3,5/5, у которого свободное пространство для размещения многослойной обмотки равно 4×2 мм, где 4 мм - ширина свободного пространства, а 2 мм - высота. Первичная обмотка трансформатора питается от источника тока с напряжением 3 В. Допустимый ток в витке вторичной обмотки равен 0,25А. Определяем необходимое поперечное сечение витков вторичной обмотки исходя из значения допустимого тока через печатный медный проводник, который изготовлен гальваническим осаждением меди и равен 20 А/мм 2 . Поперечное сечение медного витка вторичной обмотки при допустимом токе, равном 0,25 А, соответственно равно 0,0125 мм 2 . Тогда при ширине витка вторичной обмотки, равной 0,25 мм 2 , толщина витка равна 0,05 мм.

Определяем число слоев обмоток, которые можно расположить по высоте свободного пространства сердечника, равного 2 мм. В свободном пространстве сердечника необходимо разместить первичную и вторичную обмотки трансформатора, которые соединены между собой клеящей прокладкой. При этом возможно распределение свободного пространства сердечника: первичная обмотка - 0,6 мм, вторичная - 1,2 мм, клеящая прокладка - 0,2 мм.

Медные витки 3, осажденные на матрицу 1, запрессовывают в электроизоляционную прокладку 6 на всю толщину витка 3. Поэтому толщина прокладки 6 должна иметь толщину не менее двух толщин витка 3. При толщине одного витка вторичной обмотки, равной 0,05 мм, толщина прокладки должна быть равна 0,2 мм. Следовательно, толщина одного слоя обмотки равна 0,2 мм. Поэтому число слоев во вторичной обмотке толщиной 1,2 мм равно шести. При шести слоях во вторичной обмотке и шести витках в одном слое обмотки, число витков во вторичной обмотке равно тридцати шести. При числе витков первичной обмотки, равном 4, коэффициент трансформации равен 9. При напряжении на входе первичной обмотки, равном 3 В, напряжение на выходе вторичной обмотки при работе трансформатора на холостом ходу равно 27 В.

Для изготовления вторичной обмотки на поверхности алюминиевой матрицы изготавливают шесть слоев обмоток с контактными площадками. Их располагают в двух рядах по три обмотки в каждом ряду (фиг.1). Каждая обмотка состоит из витков 3, внутренних контактных площадок 4 и внешних контактных площадок 5. Поверхность матрицы, необходимая для изготовления шести обмоток, определяется из размера поверхности, необходимой для одной обмотки, равной 14×18 мм, и расстояния между обмотками, равного 30 мм. Поверхность на матрице, предназначенная для изготовления вторичной обмотки, равна 58×145 мм. На поверхность матрицы наносят позитивный фоторезистивный рисунок шести обмоток с контактными площадками методом фотолитографии с помощью пленочного фоторезиста марки СПФ-ВЩ-2-50. В пробельные места фоторезистивного рисунка электролитически осаждают медь из кислого сульфатного электролита меднения толщиной 0,05 мм, затем электролитически осаждают шероховатый осадок меди из обедненного по содержанию меди сульфатного электролита меднения в импульсном режиме. После чего удаляют пленочный фоторезист в слабом щелочном растворе. На медные витки обмоток укладывают стеклотекстолитовую прокладку 6 толщиной 0,2 мм, пропитанную термореактивным клеевым связующим. Предварительно в прокладке вырезают окна 7 в местах расположения контактных площадок 4 и 5. В прокладку запрессовывают витки 3 обмоток и получают шесть односторонних обмоток 8. На контактные площадки 4 наносят паяльную пасту 9 и проводят оплавление пасты при температуре 90-100°С.

Матрицу 1 разделяют на два участка, на каждом из которых расположен один ряд обмоток. Затем в соответствии с реперными знаками 10, разделенные участки матриц укладывают в пакет (фиг.2) таким образом, что внутренние контактные площадки 4 смежных обмоток совпадают для дальнейшего соединения их пайкой, а внешние контактные площадки 5 располагаются рядом на расстоянии, соответствующем шагу между витками (фиг.2). Склеивают обе половины матрицы 1 под прессом при температуре отверждения клея. Затем отделяют матрицу только с одной стороны пакета. После чего проводят пайку внутренних контактных площадок 4 смежных обмоток. Спаянные контакты 4 защищают электроизоляционным лаком 11 и получают на матрице 1 три двусторонние обмотки 12. На поверхность всех обмоток 12 приклеивают под прессом прокладку 6" толщиной 0,1 мм с окнами 7 в местах расположения контактных площадок 5 (фиг.2).

После чего на матрице 1 оставляют одну двустороннюю обмотку 12, а две двусторонние обмотки отделяют от матрицы. Их укладывают последовательно в пакет с промежуточным клеевым слоем над оставшейся на матрице обмотке 12. При этом внешние контактные площадки 5 каждой обмотки 12 укладывают в один ряд 13 на матрице 1 (фиг.3). Соединяют контактные площадки 5 попарно путем пайки припоем с температурой плавления выше температуры отверждения клеевого связующего. Попарные соединения пайкой начинают со второго контакта 5 и заканчивают предпоследним контактом 5 в ряду 13. При этом первая и последняя контактные площадки являются началом и концом вторичной многослойной обмотки 14. Затем контактные площадки 13 прижимают к матрице 1 клеящей прокладкой. На нее укладывают выравнивающую прокладку до достижения толщины пакета 14. После чего пакет прессуют при температуре отверждения клея и получают вторичную многослойную обмотку планарного трансформатора, которая расположена на матрице 1, фиг.3.

Аналогично изготавливают первичную обмотку планарного трансформатора. Общая толщина первичной обмотки равна 0,6 мм. Первичная обмотка состоит из двух слоев. Толщина слоя обмотки равна 0,3 мм. Это позволяет изготавливать витки первичной обмотки толщиной 0,1 мм и более. Ширина свободного пространства в сердечнике равна 4 мм, и в ней нужно разместить два витка первичной обмотки, поэтому ширина витка может быть равна 1 мм с учетом расстояния между витками, равного также 1 мм. Поперечное сечение витков первичной обмотки равно 0,1 мм 2 , что соответствует допустимому току в витках первичной обмотки, равному 2,5 А. Поверхность каждой обмотки равна 14×18 мм. Для изготовления двух односторонних обмоток применяют алюминиевую матрицу 1 размером 110×60 мм. В качестве фоторезистивной маски применяют гальваностойкую краску, которую наносят методом трафаретной печати. Затем электролитически наращивают медные витки обмоток толщиной 0,1 мм. Контактные площадки 4 смежных обмоток соединяют пайкой. Два внешних контакта 5 служат началом и концом первичной обмотки (фиг.4). Затем обмотки вторичную 14 и первичную 15 укладывают в пакет с промежуточной прокладкой толщиной 0,2 мм. Проводят склеивание обмоток под прессом при температуре отверждения клея. Отделяют матрицы 1 с двух сторон обмотки трансформатора. Вырубают отверстия 16 (фиг.5) для сердечника 17 (фиг.6). Устанавливают сердечник 17 типа Е 14/3,5/5. Его закрепляют пластиной 18 и получают планарный трансформатор на основе многослойной печатной платы 19 с входным напряжением 3 В и выходным напряжением 27 В.

Пример 2. Определяют параметры ферритового сердечника, пригодного для планарного трансформатора на основе многослойной печатной платы с рабочим напряжением, равным 100 В, и током при кратковременной нагрузке 100 А. Трансформатор питается от источника тока с напряжением 12 В. Планарный трансформатор изготавливают по способу примера 1.

Необходимо определить размер свободного пространства в ферритовом сердечнике, в котором могут разместиться первичная и вторичная обмотки трансформатора и клеящая прокладка между ними.

Определяем размер вторичной и первичной обмотки трансформатора. Зная значение выходного напряжения трансформатора и величину напряжения питания, определяем коэффициент трансформации, равный 8. Принимаем, что число витков первичной обмотки равно четырем, тогда число витков во вторичной обмотке равно тридцати двум. Поперечное сечение вторичной обмотки должно соответствовать величине кратковременно протекающего тока в 100 А. При токе, равном 100 А, поперечное сечение витка должно быть 2,5 мм 2 . Поэтому при ширине витка 3 мм его толщина равна 0,83 мм. Зазор между витками также равен 3 мм, поэтому для каждого витка необходимо пространство шириной 6 мм. При четырех витках в одном слое обмотки необходима ширина свободного пространства в сердечнике, равная 24 мм.

Поскольку во вторичной обмотке тридцать два витка, то их можно расположить в восьми слоях обмоток, по четыре витка в каждой обмотке.

Необходимая высота свободного пространства в сердечнике определяется суммой толщин первичной и вторичной обмоток и толщиной клеящей прокладки. Толщина вторичной обмотки определяется суммой восьми толщин прокладок, в которые запрессованы медные витки обмоток. При толщине медного витка 0,83 мм, толщина прокладки равна 2 мм. Тогда толщина вторичной обмотки равна 16 мм.

Определяем толщину первичной обмотки. Ширина свободного пространства в сердечнике для вторичной и первичной обмотки одинаковы и равны 24 мм. Первичная обмотка содержит четыре витка в двух слоях. Поэтому в одном слое обмотки расположено два витка с шириной витка, равной 6 мм, с расстоянием между витками также 6 мм. При толщине витка, равной 0,5 мм, толщина прокладки равна 2 мм. Тогда толщина первичной обмотки равна 4 мм. Если толщина клеящей прокладки равна 0,2 мм, то общая высота свободного пространства в сердечнике для размещения обмотки трансформатора должна быть равна 20,2 мм. Таким образом, ферритовый сердечник со свободным пространством 24×20,2 мм пригоден для мощного планарного трансформатора.

Определяем габариты ферритового сердечника Ш-образной формы (фиг.6). Длина Ш-образного ферритового сердечника состоит из двух участков для размещения многослойной печатной обмотки трансформатора, расположенных с двух сторон центрального стержня, фиг.6. При ширине центрального стержня, равной 10 мм, и боковых стержней шириной 5 мм, общая длина планарного трансформатора равна (24×2)+10+(5×2)=68 мм. Высота ферритового сердечника состоит из высоты свободного пространства сердечника и толщины основной части сердечника, от которой отходят центральный и боковые стержни. При высоте свободного пространства сердечника, равной 20,2 мм, толщине основной части сердечника, равной 6 мм, высота ферритового сердечника равна 26,2 мм.

Таким образом, ферритовый сердечник Ш-образной формы для мощного планарного трансформатора с выходным напряжением 100 В и током 100 А питающегося от источника тока напряжением 12 В имеет размеры 68/26,2/50 мм. При использовании сердечника Е-типа для системы Е-Е, сердечник будет относиться к типу Е68/13,1/50.

Пример 3. Изготавливают многослойную печатную плату с интегрированным в нее планарным трансформатором.

Многослойную печатную плату изготавливают методом попарного прессования . Для чего берут две заготовки фольгированного с двух сторон диэлектрика. На внутренней стороне каждой заготовки создают топологию медной печатной схемы путем травления фольги в местах, незащищенных фоторезистивной маской. Затем в каждой заготовке сверлят сквозные отверстия и осуществляют их металлизацию путем химико-гальванического осаждения меди. После этого заготовке склеивают между собой.

По технологии примера 1 изготавливают первичную обмотку 15 и вторичную обмотку 14 на матрице 1 (фиг.3 и фиг.4), которые также подлежат склеиванию. Берут пропитанную клеем стеклотекстолитовую прокладку 20 (фиг.7), с двух сторон которой укладывают заготовки многослойной печатной платы 21 и 22, а также обмотки 14 и 15. Прессуют пакет при температуре отверждения клея. Затем завершают изготовление многослойной печатной платы 23, для чего просверливают отверстия для создания межслойных переходов, проводят их химико-гальваническую металлизацию. Затем создают топологию медной печатной схемы на внешних слоях платы путем травления фольги в местах, не защищенных фоторезистивной маской. В процессе завершения изготовления многослойной печатной платы, обмотки 14 и 15 планарного трансформатора защищены от воздействия агрессивных растворов матрицей 1. После завершения изготовления многослойной платы 23, отделяют матрицы от обмоток 14 и 15, создают отверстия для установки ферритового сердечника 17. Устанавливают ферритовый сердечник 17, к нему присоединяют ферритовую пластину 18. Получают планарный трансформатор 19, интегрированный в многослойную печатную плату 23.

Технический результат

Предложенный способ позволяет изготавливать планарный трансформатор с высокой эксплуатационной надежностью, т.к. межслойные соединения многослойной печатной обмотки получают путем пайки контактных площадок с помощью тугоплавкого припоя. Способ позволяет изготавливать витки обмоток большой толщины, а следовательно, с большим поперечным значением витка и поэтому с большим допустимым током в витке.

Отсутствие ограничения в числе двусторонних обмоток, из которых изготавливают многослойные обмотки, позволяет полное заполнение свободного пространства сердечника и достижение оптимального числа витков в многослойной обмотке.

Способ позволяет интегрировать планарный трансформатор в многослойную печатную плату в процессе их совместного изготовления. На основе предложенного способа возможно осуществление массового производства планарных трансформаторов на основе многослойной печатной платы.

Источники информации

1. Способ формирования планарных индуктивностей. Реферат изобретения России, заявка 93006715/07 от 1993.02.03, опубликовано 1995.04.20.

2. Планарный трансформатор на основе многослойных печатных плат. Компоненты и технологии. 2003, №6", с.106-112. Прототип.

3. Гальванотехника. М.: Металлургия, 1987, с.572-573.

6. Технология многослойных печатных плат. М.: Радио и связь, 1990, с.63, 74.

7. Технология многослойных печатных плат. М.: Радио и связь, 1990, с.46.

8. Технология многослойных печатных плат. М.: Радио и связь, 1990, с.38.

9. Монтаж на поверхности. М.: Издательство стандартов, 1991, с.28.

10. Справочник по электротехническим материалам. М.: Энергия, 1974, с.253.

11. Федулова А.А. и др. Многослойные печатные платы. М.: Советское радио, 1977, с.183-193.

12. Аренков А.Б. Печатные и пленочные элементы радиоэлектронной аппаратуры. Л.: Энергия, 1971, с.19.

1. Способ изготовления планарного трансформатора на основе многослойной печатной платы, включающий изготовление медных витков обмоток с контактными площадками в соответствии с фоторезистивным печатным рисунком, на котором обмотки расположены на раздельных прямоугольных участках, затем обмотки укладывают в пакет с включением между обмотками клеящих прокладок, проводят прессование пакета при температуре отверждения клея, создают межслойные электрические соединения обмоток, изготавливают первичную и вторичную многослойные обмотки и склеивают их между собой, создают отверстия в обмотках, в которые устанавливают ферритовый сердечник, отличающийся тем, что витки обмоток с внутренними и внешними контактными площадками изготавливают путем электролитического осаждения меди на поверхность металлической гальванопластической матрицы, которую предварительно покрывают фоторезистивной маской с позитивным рисунком витков обмоток и контактных площадок, обмотки располагают в двух рядах, при этом общее число обмоток равно числу слоев многослойной обмотки, на пробельные места фоторезистивной маски осаждают электролитически медь до заданной толщины, затем создают на ее поверхности микрошероховатость, удаляют фоторезистивную маску и на поверхность медных витков укладывают клеящую прокладку с окнами в местах расположения внутренних и внешних контактных площадок, запрессовывают прокладку в витки при температуре отверждения клея и получают односторонние печатные обмотки, на поверхность внутренних контактных площадок наносят паяльную пасту и проводят ее оплавление, затем матрицу разделяют на две части, на каждой из которых расположен один ряд односторонних обмоток, после чего обе части совмещают, укладывая их в пакет, при этом предварительно наносят клей на поверхности прокладок, односторонние обмотки склеивают между собой и получают двусторонние печатные обмотки, после чего отделяют матрицу с одной стороны пакета, проводят пайку внутренних контактных площадок, паянные контакты защищают электроизоляционным лаком, затем на матрице оставляют только одну двустороннюю обмотку, а остальные отделяют от матрицы, их последовательно укладывают в пакет на обмотку, оставшуюся на матрице, предварительно наносят клей на поверхность обмоток, внешние контактные площадки располагают в ряд на матрице и попарно соединяют их пайкой, начиная со второго и заканчивая предпоследним, при этом первая и последняя контактные площадки являются началом и концом многослойной обмотки, после чего на внешние контактные площадки укладывают клеящие прокладки и проводят прессование пакета, получают многослойную печатную обмотку, изготавливают таким образом первичную и вторичную обмотки трансформатора, склеивают между собой, после чего с двух сторон обмотки отделяют матрицы и после создания в обмотках отверстий и установления ферритового сердечника получают планарный трансформатор на основе многослойной платы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что склеивание первичной и вторичной обмоток планарного трансформатора проводят одновременно со склеиванием заготовок слоев многослойной печатной платы с помощью общей прокладки, затем проводят дальнейшее изготовление многослойной печатной платы путем формирования топологии медной схемы травлением фольгированного диэлектрика и созданием межслойных электрических соединений путем химико-гальванической металлизации, при этих операциях обмотки трансформатора защищены от действия агрессивных растворов матрицей, после изготовления многослойной печатной платы матрицы отделяют от поверхности обмоток, создают отверстия в них, устанавливают ферритовый сердечник и получают планарный трансформатор, интегрированный в многослойную печатную плату.

Похожие патенты:

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