Планарные трансформаторы на основе многослойных печатных плат Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Компоненты и технологии, № 6'2003

Планарные трансформаторы

на основе многослойных печатных плат

Постоянное уменьшение габаритов изделий электроники, особенно мобильных устройств, приводит к тому, что разработчикам приходится применять компоненты с минимальными размерами. Для полупроводниковых компонентов, а также пассивных, таких, как резисторы и конденсаторы, выбор достаточно велик и разнообразен. Мы же рассмотрим малогабаритную замену еще одним пассивным элементам — трансформаторам и дросселям. В большинстве случаев разработчики используют стандартные трансформаторы и дроссели с проволочной намоткой.

Мы же рассмотрим преимущества планарных трансформаторов (ПТ) на основе многослойных печатных плат. Стоимость многослойных печатных плат постоянно снижается, поэтому планарные трансформаторы станут хорошей заменой обычным.

Сергей Шихов

[email protected]

Планарные трансформаторы являют собой привлекательную альтернативу обычным трансформаторам в случаях, когда требуются малоразмерные магнитные компоненты. При планарной технологии изготовления индуктивных компонентов роль обмоток могут выполнять дорожки на печатной плате или участки меди, нанесенные печатным способом и разделенные слоями изоляционного материала, а кроме того, обмотки могут конструироваться из многослойных печатных плат. Эти обмотки помещаются между малоразмерными ферритовыми сердечни-

ками. По своей конструкции планарные компоненты делятся на несколько типов. Ближе всего к обычным индуктивным компонентам стоят навесные планарные компоненты, которые можно использовать вместо обычных деталей на одно-и многослойных печатных платах. Высоту навесного компонента можно уменьшить, погрузив сердечник в вырез печатной платы так, чтобы обмотка легла на поверхность платы. Шаг вперед пред-

stand-alone

Stand-alone sunken

Z

hybrid

^ 1 1 ч

с J р 1 г III L

integrated

Рис. 2. Типы планарных устройств

Компоненты и технологии, № 6'2003

Таблица 1. Преимущества при разработке

Свойство Навес- ные компо- ненты Интегри- рованные компо- ненты

Механические характеристики

Очень малые размеры x xx

Компактная и жесткая конструкция x xx

Электрические характеристики

Малая величина скин-эффекта и эффекта близости для плоских медных дорожек x x

Высокий коэффициент связи плотно расположенных обмоток трансформатора x xx

Великолепная повторяемость благодаря фиксированному расположению обмотки x x

Тепловые характеристики

Большое отношение площади поверхности сердечника (охлаждение) к его объему x x

Компактная обмотка с хорошей теплопроводностью x x

Большая площадь поверхности обмотки, обеспечивающая хороший контакт с радиатором x x

Таблица 2. Преимущества при производстве

Свойство Навес- ные компо- ненты Интегри- рованные компо- ненты

Интеграция производственного процесса

Не нужен каркас x x

Не нужны отдельные обмотки x

Не нужны выводы x

Независимость от сборщика компонентов x

Возможности производства

Отсутствие операции намотки x x

Отсутствие операции пайки x

Совместимость с SMT-технологией x x

Надежность

Отсутствие ошибок намотки и коротких замыканий x x

Отсутствие проблемы холодной пайки x

Таблица 3. Ограничения

Общие

Навес- Интегри-ные рованные компо- компоненты ненты

Только для многослойных печатных плат

Большая стоимость планарной обмотки по сравнению с проволочной11

От сборщика платы требуется знание особенностей разработки и производства

Каждая конструкция требует собственной обмотки, изготовленной фабричным способом

Разработка

Малое отношение площади поперечного сечения медной дорожки к площади окна

Паразитная емкость ограничивает конструктивные варианты расположения обмоток

Варианты с большим воздушным зазором являются нежелательными

(1) Стоимость многослойных печатных плат снижается. Общие затраты: не нужен каркас, меньший размер сердечника.

ставляет собой гибридный тип, где часть обмоток встроена в материнскую плату, а часть находится на отдельной многослойной печатной плате, которая соединена с материнской. Материнская плата должна иметь отверстия для ферритового сердечника. Наконец, у последнего типа планарных компонентов обмотка полностью интегрирована в многослойную печатную плату.

Как и в случае обычных компонентов с проволочной обмоткой, половинки сердечников можно соединять путем склеивания или с помощью зажима, в зависимости от возможностей и предпочтений производителя. Компания РЕИИОХСиВЕ предлагает широкий ассортимент планарных Ш-образ-ных сердечников для различных применений.

Преимущества планарной технологии

Планарная технология изготовления магнитных компонентов имеет ряд преимуществ по сравнению с обычной проволочной намоткой. Первым очевидным преимуществом является весьма малая высота, которая делает планарные компоненты перспективными для применения в стоечном и портативном оборудовании с высокой плотностью монтажа.

Планарные магнитные компоненты хорошо подходят для разработки высокоэффективных импульсных преобразователей мощности. Малая величина потерь меди на переменном токе и высокий коэффициент связи обеспечивают более эффективное преобразование. Благодаря малой индуктивности рассеяния уменьшаются скачки и колебания напряжения, являющиеся причиной выхода из строя МОП-компонентов и дополнительным источником помех.

Хорошие тепловые характеристики обеспечивают весьма высокую плотность проходной мощности — в два раза большую, чем у обычных трансформаторов. Превосходная повторяемость величин паразитных параметров позволяет достигать высоких частот переключения и создавать резонансные схемы. Сердечники изготавливаются из феррита 3Б4 и рассчитаны на резонансные частоты до 3 МГц.

Планарная технология проста и надежна в производстве. В таблицах 1-3 описываются преимущества и ограничения этой технологии.

Интегрированные компоненты в сравнении с навесными

Интегрированные планарные компоненты применяются в тех случаях, когда сложность

окружающих цепей вынуждает использовать многослойную печатную плату. Типичные области применения — маломощные преобразователи и устройства обработки сигналов. В них используется в основном комбинация Ш-образного сердечника и пластины малых размеров. Основными конструктивными требованиями здесь являются малая высота и хорошие высокочастотные характеристики.

• Навесные компоненты используются иначе. Типичные области применения — мощные преобразователи; в них в основном используется комбинация из двух Ш-образных сердечников большого размера. Основными конструктивными требованиями здесь являются тепловые характеристики. Конструкция обмотки зависит, в частности, от величины тока. Погружение навесных компонентов в плату позволяет уменьшить высоту сборки, не меняя расположения компонентов.

Гибридные компоненты уменьшают количество навесных обмоток за счет дорожек на печатной плате, а в интегрированном варианте навесные обмотки вообще отсутствуют. Возможны также комбинации этих двух типов. Например, преобразователь мощности может иметь первичную обмотку трансформатора и дроссель сетевого фильтра, встроенные в материнскую плату, а вторичную обмотку и выходной дроссель — на отдельных печатных платах (рис. 3).

Склеивание в сравнении с зажимным соединением

Выбор между склеиванием и зажимным соединением зависит в основном от возможностей и предпочтений производителя, но есть также требования конкретного приложения, которые могут определить тот или иной способ как более желательный.

• Преимущества склеивания

- Простота автоматизации производства.

- Однородность поперечного сечения сердечника (насыщение).

- Малая высота сборки (не выступает дуга зажима).

-Меньшие размеры выреза в печатной плате (интегрированная версия). -Фиксация сердечника на печатной плате (отсутствует дребезг, шум).

• Преимущества зажимного соединения -Чистота процесса сборки.

- Отсутствует влияние окружающей среды на процесс сборки.

-Нет проблем в высокотемпературных приложениях.

- Отсутствует увеличение паразитного зазора (высокая проницаемость).

Transformer secondary

Output choke

Main filter choke Transformer primary

Рис. 3. Использование планарных магнитных компонентов гибридного типа

Свойство

x

x

x

x

xx

x

xx

x

xx

x

x

Компоненты и технологии, № 6'2003

Применение

Первой областью применения планарных трансформаторов было преобразование мощности. Соответственно, при этом использовались средне- и высокочастотные мощные ферриты. Индуктивность дросселя сетевого фильтра можно увеличить, заменив мощный феррит материалом с высокой магнитной проницаемостью. В импульсной передаче сигналов широкополосный трансформатор, находящийся между импульсной генераторной ИС и кабелем, обеспечивает развязку и согласование импедансов. В случае 8- или Т-интерфей-са это также должен быть феррит с высокой магнитной проницаемостью. В ассортимент продукции компании ЕЕИИОХСиВЕ были добавлены сердечники из высокопроницаемого феррита 3Е6. Список приложений, в которых использование планарной технологии может дать преимущества, приведен ниже.

Преобразование мощности

• Компоненты

- Силовые трансформаторы, выходные или резонансные дроссели, дроссели сетевого фильтра.

• Выпрямители (сетевые источники питания)

- Импульсные источники питания. -Зарядные устройства (мобильные телефоны, портативные компьютеры).

- Контрольно-измерительная аппаратура.

• Преобразователи постоянного тока -Модули преобразования мощности.

- Сетевые коммутаторы.

-Мобильные телефоны (основной источник питания).

- Портативные компьютеры (основной источник питания).

- Электромобили (преобразователь тягового напряжения в напряжение 12 В).

• Преобразователи переменного тока (сетевые источники питания)

-Компактные преобразователи для флуоресцентных ламп.

- Индукционный нагрев, сварка.

• Инверторы (батарейные источники питания)

- Мобильные телефоны (подсветка ЖК-дисплея).

-Портативные компьютеры (подсветка ЖК-дисплея).

- Газоразрядные автомобильные фары (балласт).

- Подогрев заднего стекла автомобиля (повышающий преобразователь).

Импульсная передача

• Компоненты

- Широкополосные трансформаторы. -80-интерфейсы (абонентская телефонная

линия).

-И-интерфейсы (абонентская КБЫ-ли-ния).

-Т1/Т2-интерфейсы (магистральная линия между сетевыми переключателями).

- Л08Ь-интерфейсы.

- И08Ь-интерфейсы.

Таблица 4. Характеристики материалов

Параметр Символ Единица Условия измерения 3С85 3Р3 3Р4 3Е6

Начальная магнитная проницаемость - Ы0 кГц, В<0,1 мТл, Т = 25 °С 2000 1800 900 12000

Индукция насыщения при величине поля В5 Н мТл А/м f = 10 кГц, Т = 25 °С «500 3000 «500 3000 «450 3000 Ію

Остаточная магнитная индукция вг мТл Т = 25 °С «160 «150 «150 «100

Коэрцитивная сила Нс А/м Т = 25 °С «15 «15 «60 «4

f = 25 кГц, В = 200 мТл, Т = 100 °С 100 70 - -

f = 100 кГц, В = 100 мТл, Т = 100 °С 120 50 200 -

Плотность мощности потерь (типичная, при синусоидальном возбуждении) р, кВт/м3 0 = 500 кГц, В = 50 мТл, Т = 100 °С - 180 180 -

і = 1 МГц, В = 30 мТл, Т = 100 °С - 300 140 -

і = 3 МГц, В = 10 мТл, Т = 100 °С - - 240 -

Температура Кюри тс °С - >200 >200 >220 >130

Удельное сопротивление р Ом • м Т = 25 °С «2 «2 «10 «0,5

Плотность г/см3 Т = 25 °С «4,8 «4,8 «4,7 «4,9

’азмеры (мм Эффективные параметры сердечника

Тип А В С 0 Е Р постоянная сердечника (Е 1/А), мм-' эфф. объем (Уо), мм-3 эфф. длина (У, мм эфф. площадь(*) (Ао), мм2 масса половины сердечника, г

Е14/3.5/5 (комбинация Е-Е) 14 ±0,3 3,5 ±0,1 5 ±0,1 2 ±0,1 11 ±0,25 3 ±0,05 1,43 300 20,7 14,5 «0,6

Е14/3.5/5 (комбинация Е-Р1.Т) 14 ±0,3 5 ±0,1 1,5 ±0,5 - - - 1,16 240 16,7 14,5 «0,5

Е18/4/10 (комбинация Е-Е) 18 ±0,35 4 ±0,1 10 ±0,2 2 ±0,1 14 ±0,3 4 ±0,1 0,616 960 24,3 39,5 «2,4

Р1Т18/10/2 (комбинация Е-Р1.Т) 18 ±0,35 10 ±0,2 2 ±0,1 - - - 0,514 800 20,3 39,5 «1,7

Е22/6/16 (комбинация Е-Е) 21,8 ±0,4 5,7 ±0,1 15,8 ±0,3 3,2 ±0,1 16,8 ±0,4 5 ±0,1 0,414 2550 32,5 78,5 «6,5

Р1.Т22/16/2.5 (комбинация Е-Р1.Т) 21,8 ±0,4 15,8 ±0,3 2,5 ±0,05 - - - 0,332 2040 26,1 78,5 «4

Е32/6/20 (комбинация Е-Е) 31,75 ±0,64 6,35 ±0,13 20,32 ±0,41 3,18 ±0,13 24,9 мин. 6,35 ±0,13 0,323 5380 41,7 129 «13

Р1.Т32/20/3 (комбинация Е-Р1.Т) 31,75 ±0,64 20,32 ±0,41 3,18 ±0,13 - - - 0,278 4560 35,9 129 «10

Е38/8/25 (комбинация Е-Е) 38,1 ±0,76 8,26 ±0,13 25,4 ±0,51 4,45 ±0,13 30,23 мин. 7,62 ±0,15 0,272 10200 52,6 194 «25

Р1.Т38/25/4 (комбинация Е-Р1.Т) 38,1 ±0,76 25,4 ±0,51 3,81 ±0,13 - - - 0,226 8460 43,7 194 «18

Е43/10/28 (комбинация Е-Е) 43,2 ±0,9 9,5 ±0,13 27,9 ±0,6 5,4 ±0,13 34,7 мин. 8,1 ±0,2 0,276 13900 61,7 225 «35

Р1.Т43/28/4 (комбинация Е-Р1.Т) 43,2 ±0,9 27,9 ±0,6 4,1 ±0,13 - - - 0,226 11500 50,8 225 «24

Е58/11/38 (комбинация Е-Е) 58,4 ±1,2 10,5 ±0,13 38,1 ±0,8 6,5 ±0,13 50 мин. 8,1 ±0,2 0,268 24600 81,2 305 «62

Р1.Т58/38/4 (комбинация Е-Р1.Т) 58,4 ±1,2 38,1 ±0,8 4,1 ±0,13 - - - 0,224 20800 68,3 305 «44

Е64/10/50 (комбинация Е-Е) 64,01 ±1,27 10,2 ±0,13 50,80 ±1,02 5,1 ±0,13 53,80 ±1,07 10,2 ±0,2 0,156 40700 79,7 511 «100

Р1.Т64/50/5 (комбинация Е-Р1.Т) 64,01 ±1,27 50,80 ±1,02 5,08 ±0,13 - - - 0,136 35500 69,6 511 «78

(*) Атіп = А

Компоненты и технологии, № 6'2003

Таблица б. Материалы сердечников для склеивания

Тип сердечника E14/3.5/5 E18/4/10 E22/6/16 E32/6/20 E38/8/25 E43/10/28 E58/11/38 E64/10/50

Соответствие пластины PLT14/5/1.5 PLT18/10/2 8/ CO 5 LT PL 8/ /2 CO LT PL 5/ /2 CO LT PL CO 0/ /2 CO LT PL .5 /2. «О я LT PL PLT64/50/5

El60 - E E250 - E E250 - E E3l5 - E E630 - E

Al60 - P A250 - P A250 - P A3l5 - P A630 - P

E250 - E E3l5 - E E3l5 - E E400 - E ElOOO - E

A250 - P A3l5 - P A3l5 - P A400 - P AlOOO-P

A3l5 - E E400 - E E400 - E E630 - E Al600 - E

3CB5(*) A3l5 - P A400 - P A400 - P A630 - P Al600-P

A400 - E A630 - E A630 - E AlOOO - E A2500 - E

A400 - P A630 - P A630 - P AlOOO - P A2500 - P

A630 - E AlOOO-E AlOOO - E Al600 - E A3l50-E

A630 - P AlOOO-P AlOOO - P Al600 - P A3l50 - P

6425/7350 7940/9290 B030/9250 B4B0/9970 l4640/l6540

Al60 - E El60 - E E250 - E E250 - E E3l5 - E E630 - E

Al60 - P Al60 - P A250 - P A250 - P A3l5 - P A630 - P

Al00 - E A250 - E E250 - E E3l5 - E E3l5 - E E400 - E ElOOO - E

Al00 - P A250 - P A250 - P A3l5 - P A3l5 - P A400 - P AlOOO-P

A63 - E Al60 - E A3l5 - E A3l5 - E E400 - E E400 - E A630 - E Al600 - E

3F3(*) A63 - P Al60 - P A3l5 - P A3l5 - P A400 - P A400 - P A630 - P Al600-P

Al00 - E A250 - E A400 - E A400 - E A630 - E A630 - E AlOOO - E A2500 - E

Al00 - P A250 - P A400 - P A400 - P A630 - P A630 - P AlOOO - P A2500 - P

Al60 - E A3l5 - E A630 - E A630 - E AlOOO-E AlOOO - E Al600 - E A3l50-E

Al60 - P A3l5 - P A630 - P A630 - P AlOOO-P AlOOO - P Al600 - P A3l50 - P

ll00/l300 2700/3l00 4300/5000 5900/67B0 7250/B500 73l0/B700 77l0/9070 l3300/l5050

Al60 - E El60 - E E250 - E E250 - E E3l5 - E E630 - E

Al60 - P Al60 - P A250 - P A250 - P A3l5 - P A630 - P

Al00 - E A250 - E E250 - E E3l5 - E E3l5 - E E400 - E ElOOO - E

Al00 - P A250 - P A250 - P A3l5 - P A3l5 - P A400 - P AlOOO-P

A63 - E Al60 - E A3l5 - E A3l5 - E E400 - E E400 - E E630 - E Al600 - E

3F4(*) A63 - P Al60 - P A3l5 - P A3l5 - P A400 - P A400 - P A630 - P Al600-P

Al00 - E A250 - E A400 - E A400 - E A630 - E A630 - E AlOOO - E A2500 - E

Al00 - P A250 - P A400 - P A400 - P A630 - P A630 - P AlOOO - P A2500 - P

Al60 - E A3l5 - E A630 - E A630 - E AlOOO-E AlOOO - E Al600 - E A3l50-E

Al60 - P A3l5 - P A630 - P A630 - P AlOOO-P AlOOO - P Al600 - P A3l50 - P

650/7B0 l550/lB00 2400/2900 3200/3700 3BB0/4600 3B70/4660 4030/47B0 6960/7920

3E6(**) 5600/6400 l3500/l5500 22000/26000

Таблица 7. Зависимость характеристик от мощности (сердечники для склеивания)

(*) — половины сердечников для использования в комбинации с Ш-образным сердечником без зазора или пластиной.

(**) — половины сердечников с высокой магнитной проницаемостью.

Е160 - Е — половина сердечника с симметричным зазором. А. = 160 нГн (измерено в комбинации с половиной сердечника с симметричным зазором).

А25 - Е — половина сердечника с асимметричным зазором. А. = 25 нГн (измерено в комбинации с половиной сердечника без зазора).

А25 - Р — половина сердечника с асимметричным зазором. А. = 25 нГн (измерено в комбинации с пластиной). 1100/1300 — половина сердечника без зазора. АІ. = 1100/1300 нГн (измерено в комбинации с половиной сердечника без зазора/пластиной).

Значение А. (нГн) измерялось при В<0,1 мТл, ї<10 кГц, Т = 25 °С.

допуск a . | і 3% І і 5% І і B% І і 10% І і 25% I +40%/-30%

Таблица 8. Сердечники с зажимным соединением

Номенклатура изделий

Компания ЕЕИИОХСиВЕ предлагает широкий ассортимент планарных Ш-образных сердечников в диапазоне размеров 14-64 мм. В базовой версии для склеивания поперечное сечение всегда является однородным, что позволяет оптимальным образом использовать объем феррита. Для каждого размера имеется Ш-образный сердечник (обозначается буквой Е) и соответствующая ему пластина (обозначается буквами РЬТ). Набор может состоять из Ш-образного сердечника и пластины или двух Ш-образных сердечников. В последнем случае высота окна намотки удваивается. Для самых маленьких размеров имеется также набор из Ш-об-разного сердечника и пластины в варианте с зажимным соединением. В нем используется Ш-образный сердечник с выемками

B, мТл при Комбинация 250 А/ Потери в сердечнике, Вт

сердечников м 10 кГц 100 °С 25 кГц 100 кГц 400 кГц 200 мТл 100 мТл 50 мТл 100 °С 100 °С 100 °С 1 МГц 30 мТл 100 °С 3 МГц 10 мТл 100 °С

E+E14-3F3 >300 - <0,033 <0,060 - -

E+PLT14-3F3 >300 - <0,027 <0,04B - -

E+El4-3F4 >250 - - - <0,090 <0,11

E+PLTl4-3F4 >250 - - - <0,072 <0,0BB

E+E1B-3F3 >300 - <0,11 <0,19 - -

E+PLT1B-3F3 >300 - <0,092 <0,16 - -

E+ElB-3F4 >250 - - - <0,29 <0,35

E+PLTlB-3F4 >250 - - - <0,24 <0,29

E+E22-3F3 >300 - <0,2B <0,50 - -

E+PLT22-3F3 >300 - <0,23 <0,40 - -

E+E22-3F4 >250 - - - <0,77 <0,90

E+PLT22-3F4 >250 - - - <0,62 <0,72

E+E32-3CB5 >320 <0,B4 <0,97 - - -

E+PLT32-3CB5 >320 <0,71 <0,B2 - - -

E+E32-3F3 >320 - <0,59 <1,00 - -

E+PLT32-3F3 >320 - <0,50 <0,B5 - -

E+E32-3F4 >250 - - - <1,60 <2,00

E+PLT32-3F4 >250 - - - <1,36 <1,70

E+E3B-3CB5 >320 <1,60 <1,B0 - - -

E+PLT3B-3CB5 >320 <1,35 <1,50 - - -

E+E3B-3F3 >320 - <1,20 <2,00 - -

E+PLT3B-3F3 >320 - <1,00 <1,65 - -

E+E3B-3F4 >250 - - - <3,00 <3,50

E+PLT3B-3F4 >250 - - - <2,50 <2,90

E+E43-3CB5 >320 - <2,50 - - -

E+PLT43-3CB5 >320 - <2,10 - - -

E+E43-3F3 >320 - <1,60 <2,70 - -

E+PLT43-3F3 >320 - <1,35 <2,25 - -

E+E43-3F4 >250 - - - <4,20 <5,00

E+PLT43-3F4 >250 - - - <3,50 <4,15

E+E5B-3CB5 >320 - <4,40 - - -

E+PLT5B-3CB5 >320 - <3,75 - - -

E+E5B-3F3 >320 - <2,70 <4,70 - -

E+PLT5B-3F3 >320 - <2,30 <4,00 - -

E+E5B-3F4 >250 - - - <7,40 <B,00

E+PLT5B-3F4 >250 - - - <6,25 <6,B0

E+E64-3CB5 >320 - <7,30 - - -

E+PLT64-3CB5 >320 - <6,40 - - -

E+E64-3F3 >320 - <4,50 <7,B0 - -

E+PLT64-3F3 >320 - <3,95 <6,B0 - -

E+E64-3F4 >250 - - - <12,0 <15,0

E+PLT64-3F4 >250 - - - <10,5 <13,0

Тип сердечника E14/3.5/5/R PLT14/5/1.5/S (комбинация E-PLT) E18/4/10/R PLT18/10/2/S (комбинация E-PLT) E22/6/16/R PLT22/16/2.5/S (комбинация E-PLT)

постоянная сердечника (ЕI/A), мм-1 - 1,15 - 0,49B - 0,324

эфф. объем (V0), мм-3 - 230 - B30 - 2100

Эфф. параметры эфф. длина (У, мм - 16,4 - 20,3 - 26,1

сердечника эфф. площадь (A0), мм2 - 14,2 - 40,B - B0,4

мин. площадь мм2 - 10,9 - 35,9 - 72,6

масса половины сердечника, г «0,6 «0,5 ■2,4 «1,7 «4

A 21,B ± 0,4

B 15,B ± 0,3

Размеры, С 2,9 ± 0,05

мм D - - -

E - - -

F - - -

Детали для монтажа Зажим E14/PLT14 E1B/PLT1B E22/PLT22

Компоненты и технологии, № 6'2003

а N

J

< 10.бтах ^ ►

El 4/3.5/5-core 4.25min

18.5min El 8/4/10-core

5.25min \4 H

16.2max

22.4тіп Е22/6/16-соге Рис. 5. Рекомендуемые размеры вырезов в печатной плате для установки склеиваемых сердечников

-Н Dh-

с

'Ш.

*- B-J

Е core with recess (E/R) Plate with slot (PLT/S)

Рис. б. Сердечники с зажимным соединением

Таблица 9. Материалы сердечников с зажимным соединением

Тип сердечника E14/3.S/S/R E18/4/10/R E22/6/16/R

соотв. пластины PLT14/5/ 1.S/S PLT18/10/ 2/S PL^/^/ 2.S/S

A63 - P A100 - P A160 - P

A100 - P A160 - P A250 - P

3F3 A160 - P A250 - P A315 - P

1300 A315 - P A400 - P

3100 A630 - P

5000

A63 - P A100 - P A160 - P

A100 - P A160 - P A250 - P

3F4 A160 - P A250 - P A315 - P

780 A315 - P A400 - P

1800 A630 - P

2900

3E6 6400 15500 26000

(1) — половины сердечников для использования в комбинации с пластиной.

А63 - Р — половина сердечника с асимметричным зазором. А|_ = 63 нГн (измерено в комбинации с пластиной).

1280 — половина сердечника без зазора.

А|_= 1280 нГн (измерено в комбинации с пластиной).

Значение А|_ (нГн) измерялось при В<0,1 мТл,

1К10 кГц, Т = 25 °С.

Допуск А^1 ± 3% І ± 5% I ± 8% | ± 25% |+40%/-30%]

13.6

1 , 5.5 ,

%

14±0.2

2.2

CLM-E14/PLT14

18 ± 0.2

CLM-E18/PLT18

21.4

2.5

CLM-E22/PLT22

Рис. 7. Зажимы для комбинаций из Ш-образного сердечника и пластины

Таблица 10. Зависимость характеристик от мощности (сердечники с зажимным соединением)

Комбинация B, мТл при 2S0 Потери в сердечнике, Вт

сердечников А/м 10 кГц 100 ос 2S кГц 200 мТл 100 ос 100 кГц 100 мТл 100 ос 400 кГц S0 мТл 100 ос 1 МГц 30 мТл 100 ос 3 МГц 10 мТл 100 ос

E+PLT14-3F3 >300 - <0,032 <0,058 - -

E+PLT14-3F4 >250 - - - <0,086 <0,11

E+PLT18-3F3 >300 - <0,12 <0,20 - -

E+ PLT18-3F4 >250 - - - <0,30 <0,37

E+PLT22-3F3 >300 - <0,29 <0,52 - -

E+ PLT22-3F4 >250 - - - <0,80 <0,93

PLT

PLT/S

E/R

Рис. 9. Различные формы Ш-образных сердечников для планарных трансформаторов

(обозначается Б/И) и пластина с канавкой (обозначается РІЛ78). Зажим (обозначается СЬМ) защелкивается в выемки сердечника и обеспечивает прочное соединение, прижимая пластину в двух точках. Канавка предотвращает смещение пластины даже при сильных ударах или вибрации, а также обеспечивает выравнивание. Для комбинации из двух Ш-образных сердечников зажимное соединение не предусмотрено.

Сердечники из мощных ферритов 3Б3 (рабочая частота до 500 кГц) и 3Б4 (500 кГц — 3 МГц) имеются во всех размерах. Сердечники наибольшего размера изготавливаются также из феррита 3С85 (рабочая частота до 200 кГц), так как большие сердечники часто используются в мощных низкочастотных устройствах. Имеются также сердечники наименьшего размера, изготавливаемые из высокопроницаемого феррита 3Б6 (|і; = 12000), для использования в дросселях сетевых фильтров и широкополосных трансформаторах.

Упаковка

В качестве стандартной упаковки для планарных Ш-образных сердечников и пластин используется пластиковая пленка.

Таблица 11. Упаковка

Размеры упаковки Шаг Размеры коробки (дхшхв) сердечников в упаковке

340x60 мм 27,5 мм 355x70x210 мм 40

295x82 мм 38,5 мм 310x90x248 мм 20

E

Компоненты и технологии, № 6'2003

Е 14/3.5/5

О о ООО о о о о

^ 1.5±0.1 _ і ? ю

О -н

ЧТ

1 АЇ.

к г « к • к о ■н

1 ■н о*

і к О* 1

чг

* 4 0.3

!.25

4±0.2

Рис. 11. Ленточная упаковка для сердечника E14/3.5/5

Е18/4/10

ооооооооооо-

)

' п-4

О О О О ОІ

1.5*0.1

1сч о

■н

4.Д±0.2

Рис. 12. Ленточная упаковка для сердечника E18/4/10

Таблица 12. Коробка с сердечниками

Размеры сердечника Упаковок в коробке Половин сердечников в коробке Ширина упаковки

Б14/3.5/5 50 2000 60 мм

Б18/4/10 50 2000 60 мм

Б22/6/16 25 500 82 мм

Таблица 13. Коробка с зажимами

Тип зажима Размеры коробки Зажимов в коробке

CLM-E14/PLT14 170x100x70 мм 5000

CLM-E18/PLT18 170x100x70 мм 2500

CLM-E228/PLT22 170x100x70 мм 1500

Таблица 14. Ленточная упаковка

Тип сердечника Шаг Ширина ленты Диаметр бобины Половин сердечников в бобине

E14/3.5/5 8 мм 24 мм 330 мм 2000

E18/4/10 16 мм 32 мм 330 мм 900

Для сердечников Е14/3.5/5 и Е18/4/10 был разработан прототип ленточной упаковки

для использования с аппаратурой автоматического монтажа 8МО-компонентов. Метод упаковки соответствует стандарту 1ЕС-286, часть 3. Пластины имеют ту же упаковку, что и соответствующие Ш-образные сердечники.

Разработка

Чтобы по максимуму использовать преимущества планарной технологии, необходимо следовать иной концепции разработки, чем при проволочной намотке. Ниже приведен ряд соображений, которыми следует руководствоваться в этой связи.

Выбор сердечника

• Магнитная индукция

Улучшенные тепловые характеристики допускают в два раза большие потери мощнос-

ти по сравнению с обычной конструкцией при том же объеме магнитного поля, поэтому значение оптимальной магнитной индукции будет выше обычного.

• Воздушный зазор

Большие зазоры нежелательны в планарных конструкциях, поскольку они создают поток рассеяния. Краевой поток зависит от отношения высоты окна намотки к ширине воздушного зазора, которая меньше для плоских сердечников. Если высота окна всего в несколько раз больше ширины зазора, а ширина в несколько раз больше ширины центральной части сердечника, то между верхом и низом сердечника возникнет поток значительной величины. Большие величины краевых и пересекающихся потоков приводят к большим потерям на вихревые токи в обмотке.

Конструкция обмотки

• Сопротивление на постоянном токе

Чаще всего используются медные дорожки толщиной 35, 70, 100 и 200 мкм. Если площадь поперечного сечения дорожки недостаточна для того, чтобы получить приемлемое сопротивление на постоянном токе, можно параллельно соединить дорожки для всех или части витков.

• Сопротивление на переменном токе

Потери меди на переменном токе, обусловленные скин-эффектом и эффектом близости, оказываются меньше для плоских медных дорожек, чем для круглого провода с той же площадью поперечного сечения. Вихревые токи, индуцируемые в окрестности воздушного зазора, можно снизить, удалив несколько витков в том месте, где индукция является максимальной и направлена перпендикулярно плоскости намотки. Комбинация Ш-образного сердечника и пластины характеризуется несколько меньшим потоком рассеяния, чем комбинация двух Ш-образ-ных сердечников, из-за местоположения воздушного зазора.

• Индуктивность утечки

При расположении обмоток одна над другой магнитная связь является очень сильной, и достижимы значения коэффициента связи, близкие к 100% (рис. 13, а).

Компоиеиты и технологии, № 6'2003

EU/3.5/5/R-3F3-A100-P

Core type

Coresize

(Ungapped: 3dim) (gapped: 2dim)

Clamp recess ^-----------

(if resessed: /R)

Material «4---------

▼ .

Mating part P: combine wit plate E: combine with E core

► AL value(nH)

Gap type

A: asymmetrical gap E: asymmetrical gap

E core

Рис. 15. Обозначение типоразмеров

PLT14/5/1.5/S-3F3

Core type

Material

Core size (always 3dim.) Clamp slot

(if slotted: /S)

Plate

CLM-E18/PLT18

I

Accessory type

Corresponding E core Corresponding plate (only main dim.) (only main dim.)

Clamp

• Паразитная емкость

Предыдущая конструкция ведет к более высокой межобмоточной емкости. Эту емкость можно уменьшить, расположив дорожки соседних обмоток в промежутках друг между другом (рис. 13, Ь).

Более того, повторяемость значения емкости позволяет скомпенсировать ее в оставшейся части цепи, а также использовать в резонансных конструкциях. В последнем случае можно целенаправленно создать большую емкость, расположив дорожки соседних обмоток друг напротив друга (рис. 13, с).

Производство

Сборка

Для навесных компонентов процесс сборки не имеет существенных отличий от обычного. Рекомендации по склеиванию и сушке приведены в технологической брошюре «Склеивание ферритовых сердечников». При склеивании сердечников из высокопроницаемого феррита 3Е6 не следует наносить клей на соприкасающиеся поверхности, поскольку возникающий паразитный зазор снижает эффективную магнитную проницаемость. Вместо этого клей можно наносить с торцов сердечника по линии соприкосновения двух половин (рис. 14).

При использовании зажимов необходимо сначала защелкнуть зажим в углубления сердечника, а затем выровнять пластину в поперечном направлении.

Для интегрированных компонентов сборка комбинируется с монтажом.

Монтаж

При применении навесных компонентов можно использовать платы со сквозными отверстиями или 8МБ-монтаж. Существенных отличий от обычного процесса не имеется.

Плоская поверхность сердечника хорошо подходит для автоматического монтажа.

В случае интегрированных компонентов монтаж лучше всего выполнять в два этапа:

1. Приклеить одну половину сердечника к печатной плате. Для этого можно использовать тот же клей, что и для монтажа вМО-компонентов, и этот этап логичным образом объединяется с монтажом вМБ-компонентов на данной стороне печатной платы.

2. Приклеить вторую половину сердечника к первой. Сюда относятся те же замечания, которые были сделаны по поводу сборки навесных компонентов.

Dot of glue

Dot of glue

Рис. 14. Склеивание планарных Ш-образных сердечников

Пайка

Относится только к навесным трансформаторам.

В случае пайки оплавлением предпочтительным способом нагрева является горячая конвекция, а не инфракрасное излучение, поскольку первый способ обеспечивает выравнивание температур спаиваемых поверхностей. При нагреве инфракрасным излучением с использованием стандартных материалов хорошая теплопроводность планарного компонента может привести к слишком низкой температуре паяльной пасты, а при повышении мощности излучения — к слишком высокой температуре печатной платы. Если используется инфракрасный нагрев, рекомендуется подобрать другую паяльную пасту и/или материал печатной платы.

Обозначение типоразмеров

Все указанные числа относятся к половинам сердечников. Необходимо заказывать две половины сердечника в правильном сочетании. Имеется четыре типа половин сердечников, из которых составляются наборы трех видов:

• два Ш-образных сердечника (Е+Е);

• Ш-образный сердечник и пластина (Е+РІТ);

• Ш-образный сердечник с выемками и пластина с канавкой (Е/Я + РЦВД).

В последний набор входит также зажим (СЬМ).

В следующей статье будет приведена методика расчета планарных силовых трансформаторов для импульсных источников питания.