Проектирование трансформатора, интегрированного в многослойную печатную плату

Лофицкий И.В.; Никитин А.А.

Космическое электронное приборостроение

3. Tekhnika vysokikh napryazheniy (High Voltage Equipment). Classes for bachelors direction 140200 «Electric Utilities». Tomsk, TPU, 2005.

4. Slivkov I. N. Elektroizolyatsiya i razryad v va-kuume (Electrical insulation and discharge in vacuum). Moscow, Atomizdat, 1972. 304 p.

5. Sokolov A. B. Obespecheniye stoykosti bortovoy radioelektronnoy apparatury kosmicheskykh apparatov k vozdeystviyu elektrostaticheskykh razryadov (Ensuring the stability of onboard avionics spacecraft to electrostatic discharges). Dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences. Moscow, MIEM, 2009.

УДК 621.314

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА, ИНТЕГРИРОВАННОГО В МНОГОСЛОЙНУЮ ПЕЧАТНУЮ ПЛАТУ

И. В. Лофицкий, А. А. Никитин

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет) Россия, 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34. Е-mail: nikandrew.rus@gmail.com

Рассматривается проектирование трансформатора, интегрированного в многослойную печатную плату. Подобран ферритовый сердечник и рассчитаны его параметры. Произведен расчет витков обмоток, выполненных в виде проводников на печатной плате. Выполнен анализ форм-фактора трансформатора.

Ключевые слова: плоский трансформатор, многослойная печатная плата, ферритовый сердечник.

DESIGN OF A TRANSFORMER INTEGRATED INTO A MULTILAYER PRINTED BOARD

I. V. Lofitskii, A. A. Nikitin

Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolev (National Research University) 34, Moskovskoie shosse, Samara, 443086, Russia. E-mail: nikandrew.rus@gmail.com

In the article the design of a transformer integrated into a multilayer printed board is considered. The ferrite core is selected and its parameters are calculated. The calculation of invoice rounds of the windings executed in the form of tracks on the printed circuit board was made. The analysis of a form factor of the transformer was performed.

Keywords: plane transformer, multilayer printed board, ferrite core.

Печатные платы с поверхностным монтажом достигли уровня, когда трансформаторы, даже рассчитанные под поверхностный монтаж, серьезно ухудшают габариты устройства.

Эта проблема может быть решена применением трансформаторов, интегрированных в печатную плату. Данный метод актуален для устройства, в котором используется несколько моточных изделий, так как подразумевает использование многослойных печатных плат.

В данной статье рассмотрена разработка основного трансформатора для импульсного DC/DC преобразователя, рассчитанного на входные напряжение 36-76 В и ток 5 А, выходные напряжение 12 В, ток 10 А и частоту переключения 150 кГц.

В работе проведен анализ материалов ферритовых сердечников, обеспечивающих наименьшие потери на частоте 150 кГц. Выбранный материал N92, имеет PV = 410 кВт/м3, также этот материал имеет самую высокую индукцию насыщения BS = 440 мТл, что является положительным моментом при изготовлении выходных дросселей и силовых трансформаторов.

Для трансформатора был выбран ферритовый сердечник ЕЯ 32/5/21 [1].

Конструкция трансформатора представляет собой 12-слойную печатную плату с окнами под внешний сердечник [2]. Толщина слоев меди была выбрана 35 мкм, так как она является наиболее оптимальным вариантом для производства. Разрабатываемый трансформатор с выводом от средней точки во вторичной обмотке имеет соотношение витков 5:2. Послойное размещение обмоток представлено в таблице. Во избежание перегрева и выгорания проводников было принято решение использовать бифилярную намотку, что снизит ток через обмотку в 2 раза.

Как видно по данным таблицы, основной проблемой является необходимость разместить в первичной обмотке по 3 витка на слой. Так как расстояние (см. рисунок) ограничено сердечником и неизменно на всех слоях, то на 6 и 10 слоях витки будут иметь минимальную площадь сечения. Максимально возможная ширина витка Ь = 1,2 мм.

Плотность тока была получена исходя из формулы [3]:

Решетневскуе чтения. 2013

J =

L ■ h

где I - ток, протекающий в обмотке (А); Ь - ширина проводника (мм); И - толщина слоя меди (мм).

Послойное размещение обмоток трансформатора

Слои Обмотка Количе-

Пер- Вторич- Вторич- ство вит-

вичная ная 1 ная 2 ков

Слой 1 Вторич- 1

Слой 2 ная 1 1

Слой 3 Вторич- 1

Слой 4 ная 2 1

Слой 5 Пер- 2

Слой 6 вичная 3

Слой 7 Вторич- 1

Слой 8 ная 2 1

Слой 9 Пер- 2

Слой 10 вичная 3

Слой 11 Вторич- 1

Слой 12 ная 1 1

Геометрия витка

Плотность тока в таком витке составляет 59,5 А*мм2, при этом перегрев составит 30 °С, что вполне приемлемо.

Также большой проблемой является то, что если через обмотку трансформатора с сердечником протекает большой ток, то магнитный материал может войти в насыщение. При насыщении сердечника его относительная магнитная проницаемость резко уменьшается и приводит к пропорциональному уменьшению индуктивности, что вызывает дальнейший ускоренный рост тока через обмотку. Насыщение приводит к неоправданно низкому КПД из-за увеличенного уровня потерь в материале сердечника и омических потерь в обмотке.

Этого можно избежать, введя зазор в сердечник. Необходимый зазор был рассчитан по формуле [4]:

1000-ц0•I•N

g =■

Bm

где ц0 - абсолютная магнитная проницаемость вакуума, 1,257 • 10-3 (мкГн/мм); I - ток через обмотку, (А); N - количество витков в обмотке; Bmax - максимальная плотность потока магнитной индукции в сердечнике (мТ).

Таким образом, во избежание насыщения необходимо ввести зазор 0,15 мм.

Расчеты показали, что сердечник был выбран правильно, так как витки имеют оптимальную площадь сечения, уменьшение сердечника приведет к росту плотности тока и увеличению температуры.

Разработанный импульсный преобразователь напряжения с применением интегрированного в печатную плату трансформатора имеет габариты 76,9x55,1x10 мм.

Применение плоского трансформатора позволяет повысить механическую прочность преобразователя и улучшить повторяемость выходных параметров.

Библиографические ссылки

1. APCOS AG. Ферриты и аксессуары ER 32/5/21. Плоские сердечники [Электронный ресурс]. URL: http://www.epcos.com/inf/80/db/fer_13/er_32_5_21.pdf (дата обращения: 15.09.2013).

2. Рамеш Канканала. Конструкция импульсного мостового преобразователя напряжения на базе цифрового сигнального контроллера dsPIC [Электронный ресурс]. URL: http://ww1.microchip.com/downloads/ en/AppNotes/01335A_Appnote.pdf (дата обращения: 12.09.2013).

3. Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов. М. : Энергия, 1976. 544 с.

4. Кузнецов А. Трансформаторы и дроссели для импульсных источников питания [Электронный ресурс]. URL: http://members.kern.com.au/users/akouz/ chokes.html (дата обращения: 14.09.2013).

References

1. APCOS AG Ferrity i aksessuary ER 32/5/21. Plos-kie serdechniki [Jelektronnyj resurs]. URL: http://www.epcos.com/inf/80/db/fer_13/er_32_5_21.pdf (data obrashhenija: 15.09.2013).

2. Ramesh Kankanala Konstrukcija impul'snogo mostovogo preobrazovatelja naprjazhenija, na baze cifrovogo signal'nogo kontrollera dsPIC [Jelektronnyj resurs]. URL: http://ww1.microchip.com/downloads/en/ AppNotes/01335A_Appnote.pdf (data obrashhenija: 12.09.2013).

3. Tihomirov P.M. Raschet transformatorov. / Jener-gija. M., 1976. 544 s.

4. Kuznecov A. Transformatory i drosseli dlja im-pul'snyh istochnikov pitanija [Jelektronnyj resurs]. URL: http://members.kern.com.au/users/akouz/chokes.html (data obrashhenija: 14.09.2013).

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Лофицкий И.В., Никитин А.А.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Лофицкий И.В., Никитин А.А.

DESIGN OF A TRANSFORMER INTEGRATED INTO A MULTILAYER PRINTED BOARD

Текст научной работы на тему «Проектирование трансформатора, интегрированного в многослойную печатную плату»