Необходимость увеличения эффективности и уменьшения габаритов становится движущей силой для развития импульсных преобразователей. Это касается практически всех существующих топологий преобразователей, в том числе понижающих, повышающих, обратноходовых, прямоходовых и др. Снизить габариты и увеличить плотность мощности можно за счет использования инновационных компонентов и решений.
В традиционных топологиях импульсных преобразователей на МОП-транзисторах перечисленные задачи решаются с помощью силовых ключей, обладающих меньшим уровнем потерь и способных работать на более высоких частотах. В последнее время начинают появляться силовые транзисторы, изготовленные из широкозонных полупроводниковых материалов, рабочая частота которых оказывается еще выше, что позволяет дополнительно увеличить эффективность преобразователей и использовать более компактные магнитные компоненты. В результате, в высокочастотных импульсных преобразователях традиционные трансформаторы и дроссели заменяют планарными магнитными компонентами.
Данная статья отвечает на два вопроса: в чем разница между традиционными и планарными магнитными компонентами. Как выбирать правильный магнитный компонент для конкретного приложения?
Трансформаторы: традиционный против планарного
Традиционный импульсный трансформатор (рис. 1) состоит из первичной и вторичной обмоток, намотанных на катушку и ферритовый сердечник. Разделение обмоток осуществляется с помощью изоляции проводников и специальной ленты. Конструкция катушки и сердечника определяется топологией схемы.
Рис. 1. Пример традиционного трансформатора для импульсного источника питания, работающего с частотой коммутаций 100 кГц
В планарных трансформаторах (рис. 2) вместо проволочных проводников и катушки, используются печатные проводники, «намотанные» на печатную плату. Печатная плата зажата между ферритовым сердечником и закреплена заклепками.
Рис. 2. Планарный магнитный трансформатор, разработанный специально для импульсных источников питания, работающих на частоте до 700 кГц.
Чем выше частота – тем меньше магнитный компонент?
Увеличение рабочей частоты в первую очередь сказывается на габаритах магнитного компонента. Тем не менее, при переходе к более высоким частотным диапазонам (порядка нескольких сотен килогерц или единиц мегагерц) начинают сказываться другие факторы, которые могут повлиять на характер зависимости между габаритами и рабочей частотой.
С ростом частоты все большее значение приобретает скин-эффект. Скин-эффект проявляется в виде вытеснения высокочастотных токов к внешней поверхности проводника. В результате, ток распределяется по сечению проводника неравномерно: наибольшая плотность тока наблюдается у поверхности проводника, а наименьшая в середине проводника. Поскольку удельное сопротивление является функцией площади поперечного сечения проводника, то в результате воздействия скин-эффекта сопротивление увеличивается с ростом частоты.
В случае с традиционным трансформатором эту проблему можно решить за счет увеличения диаметра намоточного провода или использования множества жил меньшего сечения. К сожалению, оба варианта приводят к увеличению объема обмоток, что, в свою очередь, приводит к увеличению размера сердечника. Увеличение сердечника негативно сказывается на уровне потерь в трансформаторе, а также на его габаритах. Обмотки планарного трансформатора, выполненные в виде медной фольги, менее подвержены негативному воздействию скин-эффекта.
Преимущества планарных трансформаторов
Витки в планарном трансформаторе реализованы в виде медной фольги на печатной плате. Поэтому число витков в планарном трансформаторе ограничено. В то же время, большая площадь магнитного сечения позволяет обходиться меньшим количеством витков. Кроме того большая площадь поверхности обеспечивает более эффективное рассеивание тепла, выделяемого в трансформаторе.
Использование печатных проводников в качестве витков трансформатора обеспечивает высокую степень согласованности расстояний между витками и слоями. В результате, межобмоточная емкость является постоянной, а чередование обмоток позволяет снизить потери проводимости. И как в случае с любыми другими печатными платами, рейтинг изоляции и путь тока утечки будут зависеть от используемых в трансформаторе зазоров. Принимая во внимание все вышесказанное, можно сделать вывод, что планарные трансформаторы обеспечивают превосходную эффективность и высокую степень воспроизводимости параметров.
Преимущества традиционных трансформаторов
Если бы не переход на более высокие рабочие частоты, вряд ли планарные элементы рассматривались как альтернатива для традиционных магнитных компонентов с проволочной намоткой. Несмотря на все очевидные преимущества планарных трансформаторов, даже в высокочастотных приложениях, традиционные трансформаторы с проволочной намоткой все еще имеют ряд важных достоинств. Планарные трансформаторы занимают гораздо больше места на печатной плате, чем традиционные трансформаторы. Таким образом, если рассеяние мощности и/ или запас мощности не являются ключевыми параметрами, то разработчики обычно выбирают стандартный трансформатор.
Наконец, в настоящий момент производство традиционных трансформаторов занимает меньше времени. Образцы могут быть намотаны в течение нескольких дней. Кроме того, в них можно быстро внести изменения для получения оптимальной эффективности. Планарные магнитные компоненты требуют разработки печатной платы и инструментов для создания особого магнитного сердечника. В крупносерйиных приложениях с большой мощностью планарные устройства становятся более экономичным выбором и обеспечивают высокую производительность, но практически во всех остальных случаях оптимальным выбором оказываются все-таки традиционные проволочные трансформаторы.
Работа с надежным производителем
В конечном итоге, следует иметь дело с продукцией производителя, который понимает преимущества и недостатки обоих типов трансформаторов. В этом случае разработчики могут быть уверены в действительно оптимальном решении.
Источник: www.electronicdesign.com
