Способ построения планарного трансформатора
PLANAR TRANSFORMER CONSTRUCTION METHOD

Изобретение относится к радиотехнике, а именно, к способам построения планарных трансформаторов для источников электропитания радиоаппаратуры и может быть использовано для построения преобразователей напряжения в источниках электропитания.
Известен способ изготовления планарного трансформатора [1 - патент РФ №2345510, МПК Н05К 3/46, «Способ изготовления планарного трансформатора на основе многослойной печатной платы», опубл. 27.01.2009 г.], при котором изготавливают медные витки обмоток с контактными площадками в соответствии с фоторезистивным печатным рисунком, на котором обмотки расположены на раздельных прямоугольных участках, затем обмотки укладывают в пакет с включением между обмотками клеящих прокладок. Проводят прессование пакета при температуре отверждения клея, создают межслойные электрические соединения обмоток, изготавливают первичную и вторичную многослойные обмотки и склеивают их между собой, создают отверстия в обмотках, в которые устанавливают ферритовый сердечник.
Витки обмоток с внутренними и внешними контактными площадками изготавливают путем электролитического осаждения меди на поверхность металлической гальванопластической матрицы, которую предварительно покрывают фоторезистивной маской с позитивным рисунком витков обмоток и контактных площадок, обмотки располагают в двух рядах, при этом общее число обмоток равно числу слоев многослойной обмотки, на пробельные места фоторезистивной маски осаждают электролитически медь до заданной толщины, затем создают на ее поверхности микрошероховатость, удаляют фоторезистивную маску и на поверхность медных витков укладывают клеящую прокладку с окнами в местах расположения внутренних и внешних контактных площадок.
Запрессовывают прокладку в витки при температуре отверждения клея, и получают односторонние печатные обмотки, на поверхность внутренних контактных площадок наносят паяльную пасту и проводят ее оплавление, затем матрицу разделяют на две части, на каждой из которых расположен один ряд односторонних обмоток, после чего обе части совмещают, укладывая их в пакет, при этом предварительно наносят клей на поверхности прокладок, односторонние обмотки склеивают между собой и получают двусторонние печатные обмотки, после чего отделяют матрицу с одной стороны пакета, проводят пайку внутренних контактных площадок, паянные контакты защищают электроизоляционным лаком, затем на матрице оставляют только одну двустороннюю обмотку, а остальные отделяют от матрицы, их последовательно укладывают в пакет на обмотку, оставшуюся на матрице, предварительно наносят клей на поверхность обмоток, внешние контактные площадки располагают в ряд на матрице и попарно соединяют их пайкой, начиная со второго и заканчивая предпоследним, при этом первая и последняя контактные площадки являются началом и концом многослойной обмотки, после чего на внешние контактные площадки укладывают клеящие прокладки и проводят прессование пакета, получают многослойную печатную обмотку, изготавливают таким образом первичную и вторичную обмотки трансформатора, склеивают между собой, после чего с двух сторон обмотки отделяют матрицы и после создания в обмотках отверстий и установления ферритового сердечника получают планарный трансформатор на основе многослойной платы.
Склеивание первичной и вторичной обмоток планарного трансформатора проводят одновременно со склеиванием заготовок слоев многослойной печатной платы с помощью общей прокладки, затем проводят дальнейшее изготовление многослойной печатной платы путем формирования топологии медной схемы травлением фольгированного диэлектрика и созданием межслойных электрических соединений путем химико-гальванической металлизации, при этих операциях обмотки трансформатора защищены от действия агрессивных растворов матрицей, после изготовления многослойной печатной платы матрицы отделяют от поверхности обмоток, создают отверстия в них, устанавливают ферритовый сердечник и получают планарный трансформатор, интегрированный в многослойную печатную плату.
Недостатком известного способа является множество лишних операций в процессе изготовления, включающие изготовление трансформатора как отдельного устройства путем склейки отдельных печатных плат с обмотками между собой, с дальнейшей его установкой на печатную плату устройства, в котором он используется, что увеличивает стоимость устройства.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ построения планарного трансформатора на основе многослойных печатных плат [2 - стр. 106-112, рис. 2, рис. 3, Шихов С. Планарные трансформаторы на основе многослойных печатных плат // Компоненты и технологии. 2003, №6, с. 106-112.], взятый за прототип, при котором выполняют обмотки трансформатора в виде печатных дорожек на многослойных печатных платах, при этом первичная обмотка размещается на материнской печатной плате, а печатная плата со вторичной обмоткой устанавливается на поверхность материнской печатной платы над первичной обмоткой, выполняют в материнской плате отверстиями для Ш-образного ферритового сердечника таким образом, чтобы можно было разместить половину ферритового сердечника сверху печатной платы со вторичной обмоткой, а вторую половину снизу материнской платы, при этом соединяют половины сердечников путем склеивания или с помощью зажима.
Недостатком прототипа является высокая величина индуктивности рассеяния обмоток из-за расположения первичной обмотки с одной стороны от вторичной - первичная обмотка размещена на материнской печатной плате, а вторичная обмотка размещена на плате, установленной на материнской печатной плате. Это вызывает увеличение потерь трансформатора из-за вихревых токов [3 - стр. 66-69, Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование. К.: «МК-Пресс», 2007, - 288 с.], [4 - стр. 90-126, Мелешин В. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера, 2005. - 632 с.].
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение величины индуктивности рассеяния обмоток трансформатора.
Для решения указанной технической проблемы предлагается способ построения планарного трансформатора, при котором выполняют первичную и вторичную обмотки трансформатора в виде печатных дорожек на двух многослойных печатных платах, при этом одну из обмоток выполняют на материнской печатной плате, размещают вторую печатную плату с другой обмоткой на материнской печатной плате таким образом, чтобы обмотки размещались одна над другой, выполняют на обеих платах отверстия для Ш-образного ферритового сердечника таким образом, чтобы можно было разместить материнскую печатную плату и вторую печатную плату между половинами ферритового сердечника, при этом соединяют половины сердечника путем склеивания или зажимом.
Согласно изобретению, в случае создания трансформатора с малым выходным током, разделяют первичную обмотку на две части, причем первую часть первичной обмотки выполняют на материнской печатной плате, вторую часть первичной обмотки на третьей печатной плате, а вторичную обмотку - на второй печатной плате, устанавливают вторую печатную плату между материнской печатной платой и третьей печатной платой, соединяют выходы частей первичной обмотки на материнской и третьей печатных платах последовательно с помощью перемычек, выполняют соединение выходов вторичной обмотки на второй печатной плате с материнской печатной платой с помощью перемычек, между печатными платами прокладывают изолирующие теплопроводящие прокладки.
В случае создания трансформатора с высоким выходным током, разделяют вторичную обмотку на две части, причем первую часть вторичной обмотки выполняют на материнской печатной плате, вторую часть вторичной обмотки - на третьей печатной плате, а первичную обмотку - на второй печатной плате, устанавливают вторую печатную плату между материнской печатной платой и третьей печатной платой, соединяют выходы частей вторичной обмотки на материнской и третьей печатных платах последовательно с помощью перемычек, выполняют соединение выходов первичной обмотки на второй печатной плате с материнской печатной платой с помощью перемычек, между печатными платами прокладывают изолирующие теплопроводящие прокладки.
Техническим результатом предлагаемого способа является возможность использования высокого первичного напряжения и исключение возможности электрического пробоя между обмотками.
Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что их отличие заключается в следующем:
- в прототипе первичная обмотка выполнена в виде печатных дорожек на материнской печатной плате, а вторичная обмотка - на второй печатной плате, которая устанавливается на материнскую плату. Расположение вторичной обмотки с одной стороны от первичной увеличивает величину индуктивности рассеяния и соответственно величину потерь трансформатора на вихревые токи. В предлагаемом изобретении, в случае создания трансформатора с высоким выходным током, вторичную обмотку разделяют на две части, причем первую часть вторичной обмотки выполняют на материнской печатной плате, а вторую часть вторичной обмотки - на третьей печатной плате. Первичную обмотку выполняют на второй печатной плате, которую устанавливают между материнской печатной платой и третьей печатной платой. Таким образом, первичная обмотка размещается между витками второй обмотки трансформатора, что уменьшает индуктивность рассеяния в 3,5 раза относительно варианта, предложенного в прототипе [3, стр. 68]. А в случае создания трансформатора с малым выходным током, разделяют первичную обмотку на две части, причем первую часть первичной обмотки выполняют на материнской печатной плате, вторую часть первичной обмотки - на третьей печатной плате, а вторичную обмотку - на второй печатной плате, устанавливают вторую печатную плату между материнской печатной платой и третьей печатной платой. Это обеспечивает снижение величины индуктивности рассеяния в 3,5 раза относительно варианта, предложенного в прототипе;
- в прототипе отсутствуют изолирующие прокладки между печатными платами, что ограничивает допустимое напряжение на первичной обмотке. В предлагаемом изобретении между первичной и вторичной обмотками расположены изолирующие теплопроводящие прокладки, что позволяет использовать высокие напряжения на первичной обмотке и исключает возможность электрического пробоя между обмотками.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа построения планарного трансформатора из литературы не известно, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведена конструкция планарного трансформатора, построенного по предложенному способу для случая малого выходного тока.
На фиг. 2 приведена конструкция планарного трансформатора, построенного по предложенному способу для случая большого выходного тока.
При реализации предложенного способа выполняется следующая последовательность действий:
- выполняют первичную и вторичную обмотки трансформатора в виде печатных дорожек на двух многослойных печатных платах, при этом одну из обмоток выполняют на материнской печатной плате - 1;
- размещают вторую печатную плату с другой обмоткой на материнской печатной плате таким образом, чтобы обмотки размещались одна над другой, выполняют на обеих платах отверстия для Ш-образного ферритового сердечника таким образом, чтобы можно было разместить материнскую печатную плату и вторую печатную плату между половинами ферритового сердечника, при этом соединяют половины сердечника путем склеивания или зажимом - 2;
- в случае создания трансформатора с малым выходным током, разделяют первичную обмотку на две части, причем первую часть первичной обмотки выполняют на материнской печатной плате, вторую часть первичной обмотки -на третьей печатной плате, а вторичную обмотку - на второй печатной плате, устанавливают вторую печатную плату между материнской печатной платой и третьей печатной платой, соединяют выходы первичной обмотки на материнской и третьей печатных платах последовательно с помощью перемычек, выполняют соединение выходов вторичной обмотки на второй печатной плате с материнской печатной платой с помощью перемычек, между печатными платами прокладывают изолирующие теплопроводящие прокладки - 3;
- в случае создания трансформатора с высоким выходным током, разделяют вторичную обмотку на две части, причем первую часть вторичной обмотки выполняют на материнской печатной плате, вторую часть вторичной обмотки - на третьей печатной плате, а первичную обмотку - на второй печатной плате, устанавливают вторую печатную плату между материнской печатной платой и третьей печатной платой, соединяют выходы частей вторичной обмотки на материнской и третьей печатных платах последовательно с помощью перемычек, выполняют соединение выходов первичной обмотки на второй печатной плате с материнской печатной платой с помощью перемычек, между печатными платами прокладывают изолирующие теплопроводящие прокладки - 4.
Конструкция планарного трансформатора, построенного по предложенному способу для случая малого выходного тока, включает в себя (фиг. 1) материнскую печатную плату 1, в слоях которой размещена первая часть первичной обмотки трансформатора в виде печатных дорожек, вторую часть первичной обмотки размещают на третьей печатной плате 2, а вторичную обмотку - на второй печатной плате 3. Устанавливают вторую печатную плату 3 между материнской печатной платой 1 и третьей печатной платой 2. Между платами располагают изолирующие теплопроводящие прокладки 4.
В печатных платах 1, 2 и 3 выполнены отверстия для размещения Ш-образного ферритового сердечника, таким образом, чтобы две его половинки 5 и 6 охватывали печатные платы 1, 2 и 3. Фиксируют половинки ферритового сердечника 5 и 6 путем склеивания или зажимом (на фиг. 1 не показано).
Соединяют выходы частей первичной обмотки на материнской печатной плате 1 и третьей печатной плате 2 последовательно с помощью перемычек (на фиг. 1 не показаны) на краях печатных плат, расположенных за пределами половинок ферритового сердечника 5 и 6. Выполняют соединение выходов вторичной обмотки на второй печатной плате 3 с материнской печатной платой 1 с помощью перемычек (на фиг. 1 не показаны).
Толщину печатных плат 1, 2 и 3, а также изолирующих теплопроводящих прокладок 4 выбирают таким образом, чтобы они заполняли окна Ш-образного ферритового сердечника.
Для построения планарного трансформатора с большим выходным током вторичная обмотка будет нагреваться сильнее, чем в случае с малым током, поэтому ее следует разместить на внешних поверхностях трансформатора.
Конструкция планарного трансформатора, построенного по предложенному способу для случая большого выходного тока, будет отличаться и включает в себя (фиг. 2) материнскую печатную плату 7, в слоях которой размещена первая часть вторичной обмотки трансформатора, вторую часть вторичной обмотки размещают на третьей печатной плате 8, а первичную обмотку - на второй печатной плате 9. Устанавливают вторую печатную плату 9 между материнской печатной платой 7 и третьей печатной платой 8. Между платами располагают изолирующие теплопроводящие прокладки 4.
В печатных платах 7, 8 и 9 выполнены отверстия для размещения Ш-образного ферритового сердечника, таким образом, чтобы две его половинки 5 и 6 охватывали печатные платы 7, 8 и 9. Фиксируют половинки ферритового сердечника 5 и 6 путем склеивания или зажимом (на фиг. 2 не показаны).
Соединяют выходы частей вторичной обмотки на материнской печатной плате 7 и третьей печатной плате 8 последовательно с помощью перемычек (на фиг. 2 не показаны) на краях печатных плат, расположенных за пределами половинок ферритового сердечника 5 и 6. Выполняют соединение выходов первичной обмотки на второй печатной плате 9 с материнской печатной платой 7 с помощью перемычек (на фиг. 2 не показаны).
Толщину печатных плат 7, 8 и 9, а также изолирующих теплопроводящих прокладок 4 выбирают таким образом, чтобы они заполняли окна Ш-образного ферритового сердечника.
Планарный трансформатор на фиг. 1 работает следующим образом. Входной ток поступает на первичную обмотку трансформатора, состоящую из последовательно соединенных частей первичной обмотки на материнской печатной плате 1 и третьей печатной плате 2. Протекая по печатным дорожкам первичной обмотки, ток возбуждает в ферритовом сердечнике, состоящем из половинок 5 и 6, магнитное поле, которое, в свою очередь, наводит ток во вторичной обмотке на второй печатной плате 3. Ток на выходе вторичной обмотки второй печатной платы 3 является выходным током трансформатора.
Планарный трансформатор на фиг. 2 работает следующим образом. Входной ток поступает на первичную обмотку трансформатора на второй печатной плате 9. Протекая по печатным дорожкам первичной обмотки, ток возбуждает в ферритовом сердечнике, состоящем из половинок 5 и 6, магнитное поле, которое, в свою очередь, наводит ток в соединенных последовательно частях вторичной обмотки на материнской печатной плате 7 и третьей печатной плате 8. Ток на выходе вторичной обмотки является выходным током трансформатора.
2
1
1
2
Величину напряжения на выходе вторичной обмотки U можно оценить по напряжению на первичной обмотке U и соотношению витков в первичной W и вторичной W обмотках как [4]:
2
1
2
1
U≈UW/W.
Предлагаемый планарный трансформатор может быть использован в силовых преобразователях напряжения и высокочастотных преобразователях напряжения, обеспечивающих повышение или понижение напряжения.
Выполненный по предлагаемому способу планарный трансформатор имеет сниженную величину индуктивности рассеяния в 3,5 раза [3, стр. 68] за счет размещения одной из обмоток с двух сторон от другой, что повышает взаимодействие между первичной и вторичной обмотками.
За счет размещения изолирующих теплопроводящих прокладок между первичной и вторичной обмотками обеспечивается возможность использования высоких напряжений на первичной обмотке и исключение электрического пробоя между обмотками.
Работоспособность предлагаемого способа была проверена на макете планарного трансформатора. Испытания показали совпадение полученных характеристик с расчетными.