Brevet FR3013938A1 — publié le 20150529

CARTE ELECTRONIQUE COMPRENANT DES ELEMENTS MAGNETIQUES L'invention porte sur une carte électronique comprenant au moins deux éléments magnétiques. L'invention concerne principalement le domaine de l'électronique de puissance, et plus particulièrement celui des circuits électroniques de puissance embarqués, notamment pour des applications aéronautiques. Les circuits électroniques de puissance, tels que les convertisseurs de tension continu/continu ou alternatif/continu, comprennent généralement des composants magnétiques - bobines et condensateurs. A titre d'exemple, la figure 1 représente le schéma électrique d'un convertisseur continu/continu CCC comprenant un onduleur en demi-pont O, un redresseur actif en pont complet R, un transformateur T dont l'enroulement primaire est relié à l'onduleur O et l'enroulement secondaire est relié au redresseur R, et une bobine B connectée en série audit enroulement secondaire mais découplée magnétiquement dudit transformateur. Ces composants magnétiques (T, B) - et plus particulièrement leurs noyaux magnétiques (en fait, ferromagnétiques) - contribuent de manière très significative à l'encombrement du circuit. Or, l'encombrement constitue une contrainte majeure, notamment dans les applications embarquées - et plus particulièrement aéronautiques - où l'espace disponible est très limité. Il est connu de réaliser des circuits électroniques de puissance sous la forme de cartes électroniques comprenant un substrat planaire de circuit imprimé portant des composants électriques et électroniques à montage en surface. Dans ces cartes électroniques, les composants magnétiques sont réalisés en technologie planaire : les enroulements sont formés par des pistes déposées sur une ou deux faces du substrat de circuit imprimé et chaque noyau magnétique est constitué par un premier élément « en E » (avec trois jambes) ou « en U » (avec deux jambes), et par un second élément « en I » (sans jambes, en forme de plaque ou barrette) fermant le circuit magnétique. Les premiers éléments sont agencés sur une première face, dite face avant, du substrat ; les seconds éléments sont agencés sur une seconde face, dite face arrière, du substrat ; et les jambes traversent le substrat grâces à des ouvertures pratiquées dans ce dernier. Cette technique permet de limiter l'encombrement des composants magnétiques ; toutefois, l'épaisseur des noyaux reste relativement importante. 5 En effet, la théorie des circuits magnétiques montre que le flux magnétique à l'intérieur d'un noyau est inversement proportionnel à sa reluctance, qui est à son tour inversement proportionnelle à sa section, et donc à son épaisseur. La nécessité d'assurer un flux magnétique déterminé, pour une force magnétomotrice donnée, impose donc une épaisseur minimale des éléments 10 formant les noyaux magnétiques. L'invention vise à surmonter cet inconvénient de l'art antérieur et à procurer des cartes de circuits intégrés comprenant des éléments magnétiques qui présentent un encombrement réduit, et plus particulièrement une faible épaisseur. 15 Un objet de l'invention, permettant d'atteindre ce but, est une carte électronique comprenant : un substrat planaire présentant une première face et une seconde face opposée à ladite première face ; au moins deux éléments de noyaux magnétiques, dits premiers éléments, agencés sur ladite première face dudit substrat et présentant chacun au moins deux jambes 20 traversant ledit substrat ; et au moins deux enroulements, agencés autour d'au moins une jambe de chaque dit premier noyau magnétique ; caractérisée en ce que : elle comprend également un second élément de noyau magnétique en forme de plaque, agencé sur ladite deuxième face dudit substrat et en contact avec des extrémités respectives desdites jambes 25 desdits ou d'au moins deux dits premiers éléments ; et en ce que : l'espacement entre lesdits premiers éléments est suffisant pour empêcher tout couplage magnétique entre eux par l'intermédiaire dudit second élément ; moyennant quoi lesdits premiers éléments, lesdits enroulements et ledit second élément forment au moins deux circuits magnétiques non couplés 30 entre eux. Selon des modes de réalisation particuliers de l'invention : - Ledit substrat planaire peut être un substrat de circuit imprimé. - Lesdits enroulements peuvent être des enroulements planaires, formés par des pistes conductrices déposées sur ledit substrat 5 planaire. - Ladite carte électronique peut comprendre un circuit électronique de puissance réalisé sur ledit substrat et incluant lesdits circuits magnétiques non couplés entre eux. En particulier, ledit circuit électronique de puissance peut être un convertisseur continu/continu ou alternatif/continu. Au 10 moins un dit premier élément de noyau magnétique peut être un élément de type « en E » formant, avec deux dits enroulements et ledit second élément de noyau magnétique, un transformateur, et au moins un autre dit premier élément de noyau magnétique est un noyau de type « en U » formant, avec un dit enroulement et ledit second élément de noyau magnétique, une bobine. 15 Dans ce cas, ladite bobine peut être connectée en série à un enroulement dudit transformateur. - Ladite seconde face dudit substrat peut porter au moins un composant électrique ou électronique, la hauteur dudit second élément de noyau magnétique par rapport à ladite seconde face étant inférieure ou égale 20 à celle dudit composant, ou du composant présentant la plus grande hauteur. - Ledit circuit électronique de puissance peut être réalisé en technologie à montage en surface. - Ledit second élément de noyau magnétique peut présenter une perméabilité magnétique supérieure d'au moins un facteur 10, 25 et de préférence d'au moins un facteur 100, à celle desdits premiers éléments de noyaux magnétiques. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement : 30 - la figure 2, une vue du côté d'une carte électronique selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3, une vue en plan, par transparence, de la carte électronique de la figure 2, mettant en évidence les lignes du champ magnétique à l'intérieur du second élément de noyau magnétique ; et - la figure 4, une vue de détail, en coupe, de la carte électronique de la figure 2, mettant en évidence les lignes du champ magnétique à l'intérieur du second élément de noyau magnétique. Une idée à la base de la présente invention consiste à utiliser, sur la face arrière du substrat de circuit imprimé, un élément de noyau magnétique « en I » en forme de plaque, commun à plusieurs circuits magnétiques distincts et découplés entre eux, et donc à plusieurs premiers éléments de noyaux agencés sur la face avant dudit substrat. Cela permet aux lignes du champ magnétique de se répartir sur une plus grande surface, réduisant la réluctance du circuit magnétique pour une épaisseur donnée de l'élément de noyau en forme de plaque. A son tour, cela permet de réduire cette épaisseur, et donc l'épaisseur de la carte électronique, pour une valeur de réluctance donnée. Par ailleurs, la présence d'une plaque métallique sur la face arrière du substrat de circuit imprimé facilite la dissipation de la chaleur. En outre, les opérations d'assemblage sont simplifiées, car il y a moins d'éléments magnétiques distincts à positionner. La figure 2 (qui n'est pas à l'échelle) illustre, de manière très schématique, une carte électronique mettant en oeuvre l'invention. Cette carte est constituée par un substrat de circuit imprimé double-face, SCI, portant une pluralité de composants électriques, électroniques et magnétiques interconnectés pour réaliser le circuit de la figure 1. Dans un souci de simplification, seuls sont représentés deux circuits intégrés à montage en surface, Cl (monté sur la face arrière du substrat SCI) et C2 (monté sur la face avant), un transformateur T et une bobine B, réalisés en technologie planaire. Le transformateur T comprend un premier élément de noyau 30 magnétique EM1T, par exemple en ferrite, de type « en E », c'est-à-dire présentant trois jambes. L'élément EM1T est agencé sur la face avant du substrat SCI, avec ses jambes traversant ledit substrat pour émerger du côté de la face arrière. Les enroulements primaires et secondaires sont planaires, c'est-à-dire constitués par des pistes déposées sur au moins une face du substrat (ici, la face avant) ; ils sont identifiés par la référence EP. La bobine B comprend un premier élément de noyau magnétique EM1B, par exemple en ferrite, de type « en U », c'est-à-dire présentant deux jambes. L'élément EM1B est également agencé sur la face avant du substrat SCI, avec ses jambes traversant ledit substrat pour émerger du côté de la face arrière. Un seul enroulement planaire EP est prévu, autour de l'une des deux jambes. La fermeture des deux circuits magnétiques est assurée par un élément de noyau magnétique commun, EM2, formant une plaque portée par la face arrière du substrat SCI, en contact avec les extrémités des jambes des premiers éléments EM I T et EM1B. Les figures 3 et 4 (qui ne sont pas à l'échelle et qui, dans un souci de simplicité, ne montrent pas les composants Cl et C2) permettent de visualiser les lignes du champ magnétique H à l'intérieur du noyau magnétique commun EM2 lorsque les enroulements EP sont alimentés en courant. La figure 3, en particulier, montre que les lignes du champ magnétique s'étendent latéralement au-delà des empreintes des premiers éléments de noyau EM1T et EM1B, mais pas assez pour enduire un couplage magnétique significatif entre la bobine et le transformateur. Cela signifie que l'élément de noyau commun se comporte comme une paire d'éléments de noyaux séparés, présentant une « largeur effective » supérieure à celle des premiers éléments EM1T et EM1B. Comme cela a été mentionné plus haut, cela permet de réduire son épaisseur, par rapport à un cas conventionnel où le second élément de noyau de chaque circuit magnétique a une empreinte égale à celle du premier élément de noyau correspondant, sans augmenter sa réluctance. Avantageusement, cette épaisseur sera au plus égale à celle du composant électronique monté sur la face arrière et présentant la plus grande hauteur par rapport à ladite face (C1, dans l'exemple de la figure 2). En phase de conception, il faudra veiller à ce que les premiers éléments de noyaux soient suffisamment éloignés entre eux pour que, effectivement, il n'y ait pas de couplage magnétique entre les différents circuits magnétiques. Cela peut être assuré au moyen de simulations numériques. A titre indicatif, on peut considérer que le couplage magnétique entre deux circuits magnétiques est négligeable si l'inductance mutuelle entre 5 deux enroulements de deux circuits différents est inférieure d'au moins un facteur 100, voire d'un facteur 1000, à l'auto-inductance de chacun de ces enroulements. Pour réduire les couplages magnétiques parasites qui pourraient éventuellement subsister, il est possible d'utiliser un second o élément de noyau EM2 présentant une perméabilité magnétique supérieure d'un facteur 100, voire d'un facteur 1000, à celle des premiers éléments EM1T, EM1B. Cela a pour effet de « resserrer » les lignes du champ magnétique. L'invention a été décrite en référence à un mode de 15 réalisation particulier, donné à titre d'exemple non limitatif, mais elle admet de nombreuses variantes. En particulier : - La carte électronique peut réaliser un circuit électronique autre que le convertisseur représenté sur la figure 1, voire une pluralité de circuits distincts. 20 - Les circuits magnétiques partageant un même second élément de noyau peuvent être plus de deux, et présenter plus de deux ou trois jambes. - Une même carte électronique peut présenter une pluralité de seconds éléments de noyau, associés chacun à une pluralité de premiers 25 éléments respectifs. - L'identification d'une face du substrat en tant que « face avant » ou « face arrière » est arbitraire. Les pistes conductrices et les composants électriques ou électroniques peuvent être agencés sur l'une seule des deux faces, ou sur les deux. 30 - Il n'est pas essentiel que le substrat soit un substrat de circuit imprimé, que le ou les circuits électroniques soient réalisés en technologie à montage en surface et/ou que les enroulements soient de type planaire. - Tout matériau ferromagnétique peut convenir à la réalisation des éléments de noyaux.5 REVENDICATIONS1. Carte électronique comprenant : - un substrat planaire (SCI) présentant une première face et 5 une seconde face opposée à ladite première face ; au moins deux éléments de noyaux magnétiques (EM1-r, EM1B), dits premiers éléments, agencés sur ladite première face dudit substrat et présentant chacun au moins deux jambes traversant ledit substrat ; et 10 - au moins deux enroulements (EP), agencés autour d'au moins une jambe de chaque dit premier noyau magnétique ; caractérisée en ce que : - elle comprend également un second élément de noyau magnétique (EM2) en forme de plaque, agencé sur ladite deuxième face dudit 15 substrat et en contact avec des extrémités respectives desdites jambes desdits ou d'au moins deux dits premiers éléments ; et en ce que : l'espacement entre lesdits premiers éléments est suffisant pour empêcher tout couplage magnétique entre eux par 20 l'intermédiaire dudit second élément ; moyennant quoi lesdits premiers éléments, lesdits enroulements et ledit second élément forment au moins deux circuits magnétiques non couplés entre eux. 25 2. Carte électronique selon la revendication 1, dans laquelle ledit substrat planaire est un substrat de circuit imprimé. 3. Carte électronique selon la revendication 2, dans lequel lesdits enroulements sont des enroulements planaires, formés par des pistes 30 conductrices déposées sur ledit substrat planaire. 4. Carte électronique selon l'une des revendications précédentes, comprenant un circuit électronique de puissance (CCC) réalisé sur ledit substrat et incluant lesdits circuits magnétiques non couplés entre eux. 5. Carte électronique selon la revendication 4, dans lequel ledit circuit électronique de puissance est un convertisseur continu/continu ou alternatif/continu. 6. Carte électronique selon l'une des revendications 4 ou 5, dans lequel au moins un dit premier élément de noyau magnétique est un élément de type « en E » (EM1T) formant, avec deux dits enroulements et ledit second élément de noyau magnétique, un transformateur (T), et au moins un autre dit premier élément de noyau magnétique est un noyau de type « en U » (EM1B) formant, avec un dit enroulement et ledit second élément de noyau magnétique, une bobine (B). 7. Carte électronique selon la revendication 6, dans laquelle ladite bobine est connectée en série à un enroulement dudit transformateur. 20 8. Carte électronique selon l'une des revendications 4 à 7 dans laquelle ladite seconde face dudit substrat porte au moins un composant électrique ou électronique, la hauteur dudit second élément de noyau magnétique par rapport à ladite seconde face étant inférieure ou égale à celle 25 dudit composant, ou du composant présentant la plus grande hauteur. 9. Carte électronique selon l'une des revendications 4 à 8 dans laquelle ledit circuit électronique de puissance est réalisé en technologie à montage en surface. 30 10. Carte électronique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit second élément de noyau magnétique présenteune perméabilité magnétique supérieure d'au moins un facteur 10, et de préférence d'au moins un facteur 100, à celle desdits premiers éléments de noyaux magnétiques.