Power Integrations (PI)在線電源的平面變壓器設(shè)計
電力電子轉(zhuǎn)換器在電氣化功能的趨勢中發(fā)揮著更大的作用,因為它們不斷需要以更便宜的成本、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 中推出了一項新功能,該在線設(shè)計工具可根據(jù)用戶的規(guī)格自動生成優(yōu)化的電源設(shè)計?,F(xiàn)在可以使用 PI Expert 中的平面磁性構(gòu)建器創(chuàng)建一個特定于應(yīng)用的平面變壓器設(shè)計,其中包含印刷電路板 (PCB) 制造商準備好的文檔和 Gerber 文件。最新版本的PI Expert現(xiàn)已支持 PI 的整個 InnoSwitch3 反激式切換器 IC 系列。
“PI Expert 是一種電源設(shè)計引擎,”Power Integrations 技術(shù)推廣總監(jiān) Andrew Smith 說?!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。它實際上實時執(zhí)行有針對性的數(shù)學計算,以計算出電路中發(fā)生了什么。”
該工具選擇最佳組件和過濾器,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,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。然后是一個開關(guān)來消除鉗位損耗。
“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。“對于電源工程師來說,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。對于充電設(shè)備,平面磁鐵可以進一步減小尺寸?!?
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能的電感器。必須經(jīng)??紤]磁性元件的設(shè)計以最小化電子系統(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步。
毫無疑問,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的薄型變壓器。實現(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,該工具自動集成標準驅(qū)動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,并擁有一個龐大的核心和平面組件庫,以簡化設(shè)計。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 來創(chuàng)建平面形狀因子。主要優(yōu)點可歸納如下:
· 低調(diào)。它允許小而優(yōu)雅的設(shè)計。
· 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。
· 可重復性:始終如一的性能,而不會出現(xiàn)繞線設(shè)備所見的漏感等參數(shù)變化。
平面磁芯為熱傳導提供更好的熱特性,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,從而實現(xiàn)了這一點。
與所有設(shè)計一樣,在將平面變壓器集成到電路板布局中時,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,軌道寬度方面的不同要求會限制匝數(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)過標準的 PCB 制造過程。
平面變壓器是可以單獨使用或合并使用的組件。電路板多層之間的適當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(可制造性、成本節(jié)約、可重復性),但它具有挑戰(zhàn)性,需要專門的工具、技術(shù)和工程師的時間來創(chuàng)建多層 PCB 變壓器原型。因此,平面組件原型很昂貴,開發(fā)起來很困難,并且通常需要專業(yè)分包。
“然后可以制造一個非常簡單的變壓器,但它通常是這種功率密度和電路板尺寸的獨立元件,”史密斯說?!皩υO(shè)計師來說,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,因為它們位于電路板上,因此您可以獲得非常一致的性能。
“例如,[如果]我想制造一個 50 W 的變壓器,這些是我的電壓范圍,”他補充道。“然后PI Expert會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準。例如,如果我想使用歐洲標準之一進行隔離,從輸入到輸出,PI Expert 會自動包含變壓器的隔離和安全距離以符合標準?!?
使用 PI Expert,您可以查看各種參數(shù)對變壓器設(shè)計的影響,例如繞組溫度、變壓器整體溫度以及對漏感的影響。這在設(shè)計期間提供實時反饋并確保正確的設(shè)計。
根據(jù)史密斯的說法,就某些參數(shù)而言,它非常精確?!皩τ诖艑W來說,計算磁通密度非常容易,這種計算沒有太大的變化,”他說?!皩τ谄渌娐穮?shù),例如初級開關(guān)上的電壓應(yīng)力,這些參數(shù)取決于許多因素,其中一些與機械結(jié)構(gòu)有關(guān),你會不太精確。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?!?
平面變壓器為高頻開關(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,因為它們具有減小尺寸的好處。