Power Integrations (PI)在線電源的平面變壓器設(shè)計(jì)

電力電子轉(zhuǎn)換器在電氣化功能的趨勢(shì)中發(fā)揮著更大的作用，因?yàn)樗鼈儾粩嘈枰愿阋说某杀?、更小的體積和更高的可靠性提供更多的電力。

Power Integrations (PI) 在 PI Expert 中推出了一項(xiàng)新功能，該在線設(shè)計(jì)工具可根據(jù)用戶的規(guī)格自動(dòng)生成優(yōu)化的電源設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在可以使用 PI Expert 中的平面磁性構(gòu)建器創(chuàng)建一個(gè)特定于應(yīng)用的平面變壓器設(shè)計(jì)，其中包含印刷電路板 (PCB) 制造商準(zhǔn)備好的文檔和 Gerber 文件。最新版本的PI Expert現(xiàn)已支持 PI 的整個(gè) InnoSwitch3 反激式切換器 IC 系列。

“PI Expert 是一種電源設(shè)計(jì)引擎，”Power Integrations 技術(shù)推廣總監(jiān) Andrew Smith 說(shuō)?！八皇请娐贩抡嫫?。它不只是拋出一堆波形和交流和直流模型。它實(shí)際上實(shí)時(shí)執(zhí)行有針對(duì)性的數(shù)學(xué)計(jì)算，以計(jì)算出電路中發(fā)生了什么?！?

該工具選擇最佳組件和過(guò)濾器，并為相應(yīng)的布局輸出信息，從而為變壓器配置輸出信息。

電源

近年來(lái)，PI引入了GaN器件以降低損耗并提高效率;所謂的 MinE-CAP，它使大容量電容器更小。然后是一個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)消除鉗位損耗。

“基本上，所有這一切的目的都是為了使適配器更小、更輕、更容易攜帶，”史密斯說(shuō)?！皩?duì)于電源工程師來(lái)說(shuō)，這就是快速充電的美妙之處，它突然使電源轉(zhuǎn)換變得重要。下一步是制造最小的適配器或最小的壁式充電器。對(duì)于充電設(shè)備，平面磁鐵可以進(jìn)一步減小尺寸?！?

電力電子轉(zhuǎn)換器中使用了磁性元件，例如用于電力轉(zhuǎn)換的變壓器和用于儲(chǔ)能的電感器。必須經(jīng)?？紤]磁性元件的設(shè)計(jì)以最小化電子系統(tǒng)的尺寸。

在優(yōu)化磁芯的支持下，平面磁體在功率密度和性能方面取得了顯著進(jìn)步。

毫無(wú)疑問(wèn)，平面變壓器提供了尺寸更小的反激式電源。PI 聲稱，新工具可以快速添加先進(jìn)的薄型變壓器。實(shí)現(xiàn)的功能提供有關(guān)垂直和水平 PCB 結(jié)構(gòu)的全面規(guī)范細(xì)節(jié)，以及跡線特性和電流密度和層電阻等電氣數(shù)據(jù)。

為了符合安全隔離規(guī)定，該工具自動(dòng)集成標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)或用戶指定的爬電距離和電氣間隙距離。用戶可以使用圖形界面直接從設(shè)計(jì)文檔到制造文檔。

該工具接受定制的核心幾何形狀，并擁有一個(gè)龐大的核心和平面組件庫(kù)，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。布局由 PI Expert 優(yōu)化，符合繞組窗口的要求，包括任何層，并修改每個(gè)層的幾何形狀。

平面變壓器

平面變壓器使用可直接放置在 PCB 上的扁平繞組。正是使用具有繞組窗口形狀的軌道的 PCB 來(lái)創(chuàng)建平面形狀因子。主要優(yōu)點(diǎn)可歸納如下：

· 低調(diào)。它允許小而優(yōu)雅的設(shè)計(jì)。

· 高效的熱量管理。輪廓意味著更大的表面積，使變壓器能夠散發(fā)更多的熱量。

· 可重復(fù)性：始終如一的性能，而不會(huì)出現(xiàn)繞線設(shè)備所見(jiàn)的漏感等參數(shù)變化。

平面磁芯為熱傳導(dǎo)提供更好的熱特性，并使設(shè)備保持在比繞線等效物更低的溫度下。平面磁芯比傳統(tǒng)磁芯具有更高的表面積與體積比，并且與環(huán)境更有效地交換熱量，從而實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。

與所有設(shè)計(jì)一樣，在將平面變壓器集成到電路板布局中時(shí)，需要做出妥協(xié)。特別是，走線用作繞組，因此必須牢記電流和功耗。高溫意味著板上有更多空間。也就是說(shuō)，軌道寬度方面的不同要求會(huì)限制匝數(shù)。這一切都取決于在建電源的整體規(guī)模。平面變壓器要求組件經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的 PCB 制造過(guò)程。

平面變壓器是可以單獨(dú)使用或合并使用的組件。電路板多層之間的適當(dāng)介電厚度是需要牢記的一件事。最大電壓(由于擊穿)和散熱速率都取決于所使用的介電材料。它還影響繞組之間的漏磁通。此外，必須限制繞組間電容，以減少繞組之間或靠近變壓器線圈的平面之間的電容損耗。因此，有用頻率受到電容耦合的限制。

平面磁鐵的好處是降低了變壓器的高度。此外，由于多層板成本高昂，因此通常會(huì)制作平面變壓器并將其添加到板上，而不是包含在板本身中(就像某些 DC-DC 平面器件的情況一樣)。

平面變壓器通常使用 PCB 或帶有薄型磁芯的銅箔繞組制成。盡管 PCB 繞組具有顯著的工業(yè)化優(yōu)勢(shì)(可制造性、成本節(jié)約、可重復(fù)性)，但它具有挑戰(zhàn)性，需要專門的工具、技術(shù)和工程師的時(shí)間來(lái)創(chuàng)建多層 PCB 變壓器原型。因此，平面組件原型很昂貴，開(kāi)發(fā)起來(lái)很困難，并且通常需要專業(yè)分包。

“然后可以制造一個(gè)非常簡(jiǎn)單的變壓器，但它通常是這種功率密度和電路板尺寸的獨(dú)立元件，”史密斯說(shuō)。“對(duì)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，積極的一面是它們的表面積更大，因此散熱效果更好。此外，由于所有繞組都鎖定到位，因?yàn)樗鼈兾挥陔娐钒迳希虼四梢垣@得非常一致的性能。

“例如，[如果]我想制造一個(gè) 50 W 的變壓器，這些是我的電壓范圍，”他補(bǔ)充道?！叭缓驪I Expert會(huì)幫你選擇所有的要素，比如要轉(zhuǎn)移的磁芯尺寸、繞組數(shù)量、上下繞組、EMI屏(繞組)，你可以選擇間隙特定的安全標(biāo)準(zhǔn)。例如，如果我想使用歐洲標(biāo)準(zhǔn)之一進(jìn)行隔離，從輸入到輸出，PI Expert 會(huì)自動(dòng)包含變壓器的隔離和安全距離以符合標(biāo)準(zhǔn)?！?

使用 PI Expert，您可以查看各種參數(shù)對(duì)變壓器設(shè)計(jì)的影響，例如繞組溫度、變壓器整體溫度以及對(duì)漏感的影響。這在設(shè)計(jì)期間提供實(shí)時(shí)反饋并確保正確的設(shè)計(jì)。

根據(jù)史密斯的說(shuō)法，就某些參數(shù)而言，它非常精確?！皩?duì)于磁學(xué)來(lái)說(shuō)，計(jì)算磁通密度非常容易，這種計(jì)算沒(méi)有太大的變化，”他說(shuō)?！皩?duì)于其他電路參數(shù)，例如初級(jí)開(kāi)關(guān)上的電壓應(yīng)力，這些參數(shù)取決于許多因素，其中一些與機(jī)械結(jié)構(gòu)有關(guān)，你會(huì)不太精確。鑒于平面磁鐵的原型制作成本非常高，重要的是要提供一種第一次就可以正常工作的設(shè)計(jì)?！?

平面變壓器為高頻開(kāi)關(guān)電源提供了很好的解決方案。這些類型的變壓器的使用最近有所增加，因?yàn)樗鼈兙哂袦p小尺寸的好處。