В чем разница между традиционными и планарными трансформаторами

Повышение рабочих частот в современных импульсных преобразователях приводит к тому, что интерес разработчиков к компактным планарным трансформаторам также возрастает. Данная статья отвечает на два вопроса: в чем разница между традиционными и планарными магнитными компонентами и как выбрать правильный магнитный компонент для конкретного приложения?
7450
В избранное

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.

Пример традиционного трансформатора для импульсного источника питания, работающего с частотой коммутаций 100 кГц.

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.

Планарный магнитный трансформатор

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

Производитель: Premier Magnetics Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
PNY-24004
PNY-24004
Premier Magnetics Inc.
Арт.: 47901 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Power Transformer 7.08:1 Single Prim. Single Sec. 390V Prim. 24V Sec. Through Hole. Корпус: EE16/EI16
PNY-24004
-
Поиск
предложений
PNY-05015
PNY-05015
Premier Magnetics Inc.
Арт.: 262694 ИНФО
Доступно: 1 шт. от 1 шт. от 658,14
Выбрать
условия
поставки
Power Transformer 18.5:1 Single Prim. Single Sec. 390V Prim. 5V Sec. Through Hole. Корпус: EE16/EI16
PNY-05015 от 1 шт. от 658,14
1 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
PNY-12206
PNY-12206
Premier Magnetics Inc.
Арт.: 355809 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Power Transformer 13.33:1/5.71:1/5.71:1 Single Prim. Triple Sec. 12V/12V/5V Sec. Through Hole
PNY-12206
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()