Porovnání planárních a klasických transformátorů

Prvním krokem každého návrháře napájecích zdrojů je většinou výběr vhodného transformačního obvodu. Běžně se tato topologie zakládá na požadavcích zákazníka a potřebě navržení galvanicky odděleného nebo neodděleného obvodu. Abychom jmenovali několik různých topologií nebo způsobů transformace energie ze vstupu na výstup, uvedeme snižovače a násobiče napětí, blokovací měniče, propusti (push-pull, polomost a plný most) a rezonanční měniče.

Po výběru topologie je nejdůležitějším krokem navržení transformátoru. Zahrnuje to výběr ostatních částí obvodu, jako jsou hlavní výkonové spínače (MOSFETy), výstupní usměrňovače (Schottkyho, rychlé a ultra rychlé) a odlehčovače.

Ve většině využívaných napájecích zdrojů s výkonovými stupni v řádech wattů až několika stovek wattů se věnuje pozornost několika klíčovým aspektům:

• malá velikost
• vysoká hustota výkonu
• vysoká účinnost

Ve většině napájecích zdrojů jsou transformátory a cívky hlavními faktory ovlivňujícími velikost těchto zdrojů. Zvyšováním pracovní frekvence lze snížit nároky na velikost jádra. Požadavek na malou velikost tedy tlačí návrháře ke zvyšování spínací frekvence. Například v PoE nespojitém blokovacím měniči s cyklem 0,275 a 46 V transformovaným na 3,3 V při 3 A na výstupu při daném jádru lze potřebnou primární indukčnost snížit na 19 μH, pokud je frekvence navýšena z 200 kHz na 400 kHz a naopak.

Obr. 1 Závislost výkonu na frekvenci

Graf na obr. 1 také zobrazuje nárůst průchozí energie dané velikostí trafa při zvyšování spínací frekvence. Nicméně zvyšování ovládací frekvence způsobuje více spínacích ztrát v aktivním zařízení obzvláště na hlavním spínacím FETu, který snižuje účinnost výkonového modulu. Zde najdete vysvětlení, proč použití planárního transformátoru oproti klasickému zvyšuje účinnost.

Než pokročíme dále, musíme si definovat, co je vysoká frekvence. Je 10 kHz nebo 200 kHz či 1 MHz? Odpověď je závislá na následujícím pravidle.

Frekvence, při které začne skin efekt ovlivňovat průchod proudu vodičem, je definována jako vysoká frekvence. Jakmile tekoucí proud nevyužívá celý průřez vodiče, tak se zvyšuje odpor při různých frekvencích (viz graf na obr. 2).

Obr. 2 Závislost skin efektu na frekvenci

Tento graf ukazuje, že s rostoucí frekvencí klesá využitelný průřez vodiče a to způsobuje nárůst odporu. Obr. 3 pak pro ilustraci zobrazuje odpor kulatého vodiče dlouhého 1,25 m o průměru 0,81 mm při různých frekvencích.

Obr. 3 Závislost odporu vodiče kruhového průřezu na frekvenci

Jedním řešením problému zobrazeného v grafu na obr. 3 by bylo použít svazek drátů o menších průměrech nebo licny namísto jednoho drátu se silným průměrem. Přestože nám toto řešení pomůže snížit střídavý odpor, vytvoří nám to další problémy:

• Je těžké připojit několik vláken kabelu k vývodu na cívce, a tak musí návrháři obvodů přiřadit větší počet vývodů na zakončení spoje.
• Izolace lankového vodiče zmenšuje prostor pro cívku. A tak, aby se vešly všechny závity, musí být cívka navinuta ve více vrstvách, a tím se zvětší její výška a také výška transformátoru.
• Zvýšení cívky prodlouží magnetický obvod, a tím i objem jádra. A vzhledem k tomu, že ztráty v jádru jsou funkcí objemu jádra, prodloužení se projeví navýšením ztrát v jádru.
• Zvyšování počtu vrstev také zvýší množství energie, která unikne mezi jednotlivými vrstvami. Toto sníží párový koeficient mezi primárním a sekundárním vinutím cívek a zvýší energetické ztráty indukčnosti. Například topologie blokovacího měniče nutí vývojáře kvůli zvýšeným magnetickým ztrátám používat dražší MOSFETy dimenzované na vyšší napětí a s vyšším odporem při sepnutém stavu.

Dnes můžeme díky použití tenkých a širokých měděných fólií nebo plošných spojů místo kulatých drátů využít maximum průměru mědi a také snížit výšku cívky nebo lépe prokládat vinutí a snížit tak střídavý odpor jevem blízkosti − viz dále.

Obr. 4 Plocha průřezu vodičem, která se nevyužívá

Opakem skin efektu, který způsobuje, že proud teče po povrchu vodiče, je jev blízkosti, který způsobuje, že proud teče pouze po površích nejblíže k sobě. Je důležité pochopit, že oproti skin efektu (kde celkový střídavý odpor mírně klesne s každým zvýšením velikosti vodiče) příliš úzké vodiče vyústí ve zvýšení střídavého odporu, protože se proudy budou indukovat do mědi „navíc“.

Mimoto pro vysokofrekvenční návrhy musí být optimalizována výška vodiče (šířka fólie nebo průměr drátu), za kterou se považuje výška vodiče násobená počtem vrstev.

Jev blízkosti závisí na velikosti externího pole. Pokud je externí pole normalizováno, lze poukázat na fakt, že neprokládaná konstrukce dosahuje velikosti intenzity magnetického pole H = 10 A/m. Nicméně v neprokládané konstrukci je jedno z vinutí rozděleno, a tudíž intenzita magnetického pole H klesá na 5 A/m. Menší intenzita magnetického pole znamená menší jev blízkosti, menší střídavý odpor a větší efektivitu transformátoru.

S planárními transformátory můžeme dosáhnout více prokládání a snížit tak dopad jevu blízkosti. Prokládání může být využito i ke snížení magnetických ztrát nebo k nastavení přesného množství ztrát potřebného ke spuštění spínače nulového napětí.

Obr. 5 MMF diagramy pro dva případy provedení vrstev transformátoru

Správně navržený planární transformátor nabízí tyto výhody:

• Sladěné mezery mezi závity a vrstvami, které přenášejí sladěné parazitní napětí. Všechny ztráty a kapacity vnitřního a mezizávitového vinutí mohou být vypočítány na předvídatelné a velice přesné hodnoty. Optimalizace tloušťky fólie platí pro obojí, stejnosměrný i střídavý proud.
• Možnost vyššího prokládání (interleaving) pro snížení AC ztráty vodiče.
• Optimalizace tloušťky fólie pro obojí, stejnosměrný i střídavý proud.
• Malé profily umožní dosáhnout menšího objemu jádra a menších ztrát v jádře.
• Všechny normované rozteče a dielektrické napěťové poruchy mohou být odstraněny správným navrhováním roztečí a izolací.
• Magnetické pole planárního transformátoru má vyšší hustotu než u klasické konstrukce.

Pro lepší porozumění klasickým a planárním transformátorům se podívejme na obr. 6, kde je uveden příklad z praxe: 240 W, plný můstek (vstup 36−75 V, 250 kHz, výstup 12 V / 20 A).

Obr. 6 Příklad porovnání tradičního a planárního transformátoru

Klasické transformátory mají výhody:

• vyspělá technologie,
• velký rozsah ve výběru velikosti jádra a cívky,
• krátký vzorkovací čas a levné, jednoduché a rychlé modifikace.

Na druhou stranu planární transformátory mají nevýhody:

• nová technologie,
• menší uživatelská příjemnost z pohledu vývojáře při navrhování planárního magnetického obvodu a omezený výběr součástek,
• vzorkovací čas je delší a modifikace trvají déle a jsou dražší.

Výběr mezi planárními a běžnými transformátory závisí na několika faktorech, které jsou uvedeny výše. Výběr planárního transformátoru umožní vývojáři rozhodnout buď mezi snížením velikosti a zvýšením ztrát, nebo snížením ztrát a zvětšením velikosti. Uvedený příklad byl vytvořen tak, aby se snížila velikost transformátoru při daných ztrátách. Postupem času, jak se planární transformátory dostávají stále více do povědomí vývojářů a jejich výroba roste, by se měla snižovat jejich cena. Zatím však, pokud máte potřebný prostor a dostatečnou výšku ve svém projektu, aby se do něj vešlo tradiční trafo, je stále nejlepší sázka na tradiční transformátory.

www.pulseelectronics.com