ترانسفورماتورهای مسطح: مغناطیس های پنکیک شکل پشت منابع تغذیه نازک

اگر یک ترانسفورماتور معمولی یک دسته سیم بلند است که دور یک ماسوره پلاستیکی پیچیده شده است، یک ترانسفورماتور مسطح همان ایده است که مانند یک پنکیک صاف فشار داده می شود.

سیم‌پیچ‌ها به جای سیم مسی گرد، آثار مسی مسطحی هستند که مستقیماً در یک برد مدار چاپی حک شده‌اند. یک هسته فریت - معمولاً به شکل E یا RM - از طریق یک شکاف در PCB می‌پیچد تا مسیر مغناطیسی را تکمیل کند. نتیجه یک ترانسفورماتور با ارتفاع بسیار کم، قابلیت تکرار عالی و شکلی است که به راحتی خنک می شود.

ترانسفورماتورهای مسطح در آداپتورها و شارژرهای باریک، یکسو کننده های مخابراتی و ماژول های برق مرکز داده با چگالی بالا رایج هستند.

چگونه کار می کند - همان فیزیک، یک هندسه متفاوت

یک ترانسفورماتور انرژی را از طریق یک میدان مغناطیسی مشترک منتقل می کند. در طراحی مسطح، سیم‌پیچ‌ها روی لایه‌های PCB به شکل مارپیچ یا پیچ‌پیچ‌های مسطح هستند، در حالی که یک هسته فریت E یا RM از شکافی در تخته عبور می‌کند تا حلقه مغناطیسی را تکمیل کند. از آنجا که محور مغناطیسی در همان صفحه تخته قرار دارد، ارتفاع کلی به طور چشمگیری کاهش می یابد.

اتصالات بین لایه ها با vias انجام می شود که می تواند پیچ ​​ها را به صورت سری برای ولتاژ یا به صورت موازی برای جریان وصل کند. با توجه به راهنمای طراحی Cadence PCB Solutions، این ساختار مبتنی بر PCB تکرارپذیری تولید عالی و مقادیر انگلی قابل پیش‌بینی مانند اندوکتانس نشتی و ظرفیت درهم پیچی را ارائه می‌دهد.

مبادلات کلیدی مهندسی

مغناطیس های مسطح مزایای واقعی را ارائه می دهند، اما در کل بهتر نیستند. مبادلات اصلی عبارتند از:

یک الگوی سیم پیچ متداول، PSPS interleaving است: لایه های اولیه و ثانویه متناوب هستند. همانطور که توسط سازنده ترانسفورماتور XP Power اشاره شده است، درهم تنیدگی با بهبود کوپلینگ مغناطیسی، اندوکتانس نشتی را کاهش می‌دهد، اما ظرفیت درون‌پیچ را نیز افزایش می‌دهد. برای مبدل های تشدید مانند LLC، نشتی کم مورد استقبال قرار می گیرد و ظرفیت اضافی را می توان با سپر مدیریت کرد. برای توپولوژی‌های سوئیچ سخت، ظرفیت بیش از حد باعث افزایش جریان و EMI می‌شود، بنابراین یک میان‌افشانی کمتر تهاجمی ممکن است ایمن‌تر باشد.

یک برنامه واقعی: شارژر لپ تاپ GaN

شارژرهای مدرن 65 واتی یا 100 واتی USB-C مبتنی بر سوئیچ های گالیوم نیترید (GaN) اغلب از ترانسفورماتورهای مسطح استفاده می کنند. GaN اجازه سوئیچینگ بالای 200 کیلوهرتز را می دهد که مغناطیسی را منقبض می کند، در حالی که یک ترانسفورماتور مسطح ارتفاع کلی را زیر 10 تا 12 میلی متر نگه می دارد تا شارژر در یک جیب قرار گیرد. ضریب شکل مسطح همچنین اتصال ترانسفورماتور را به یک محفظه فلزی یا هیت سینک آسان تر می کند و انگل های تکرار شونده به تیم منبع تغذیه کمک می کند تا محدودیت های EMI را بدون تغییرات لحظه آخری رعایت کنند.

تصور غلط رایج: "مسطح یعنی ارزان تر و کوچکتر از هر نظر"

ارتفاع کوچکتر به طور خودکار به معنای هزینه کمتر یا حجم کل کمتر نیست. یک ترانسفورماتور مسطح، سیم‌پیچ‌ها را در یک منطقه PCB بزرگ‌تر پخش می‌کند، و برد چند لایه گران‌تر از طراحی ساده بوبین و سیم است. استفاده کمتر از پنجره نیز طراح را مجبور می کند تا چگالی شار را به دقت تماشا کند تا از اشباع هسته جلوگیری کند.

پیروزی واقعی زمانی حاصل می‌شود که برنامه به نازکی، تکرارپذیری و عملکرد حرارتی بیشتر از هزینه خام یا بالاترین نوبت‌ها ارزش دهد. Planar راه حلی برای مجموعه خاصی از محدودیت ها است، نه یک ارتقاء رایگان.

واقعیت جالب: شکل خود بخشی از هیت سینک است

از آنجایی که سیم‌پیچ‌ها صفحات مسی مسطحی هستند که به FR-4 متصل شده‌اند، گرما می‌تواند از طریق آثار و سطوح هسته فریت به بیرون پخش شود. مهندسان گاهی اوقات ماسک لحیم کاری را از لنت های تماس هسته جدا می کنند و دریچه های حرارتی را زیر ناحیه سیم پیچ اضافه می کنند تا ترانسفورماتور به عنوان پخش کننده حرارت کوچک خود عمل کند. در آداپتورهای فشرده، این مزیت هندسی اغلب به اندازه مزیت الکتریکی مهم است.