Trasformatore lineare vs planare

La necessità di disporre di frequenze sempre più alte per le applicazioni di conversione di potenza ha spinto i progettisti a guardare sempre più ai dispositivi magnetici planari rispetto ai trasformatori tradizionali.

La richiesta di coniugare maggiore efficienza e package più piccoli è stata la forza trainante dei progressi nelle topologie di conversione di potenza in modalità switch, tra cui buck, boost, flyback, convertitori in avanti e altri.

I MOSFET, tradizionali topologie di conversione di potenza, hanno risposto a queste esigenze con lo sviluppo di dispositivi progettati per funzionare con minori perdite di commutazione a frequenze più alte.

Negli ultimi anni, però, l’emergere di dispositivi a banda larga (WBG) in grado di funzionare a frequenze ancora più elevate ha accelerato la spinta verso una maggiore efficienza e un packaging più piccolo.

I dispositivi magnetici planari stanno sostituendo i tradizionali trasformatori e induttori in alcune di queste applicazioni di conversione di potenza ad alta frequenza. Questo articolo – traduzione dell’originale disponibile qui offre una risposta a queste due domande :

  • Qual è la differenza tra commutazione convenzionale e planare?
  • Come scegliere la soluzione più adatta alla porpria applicazione?

Trasformatore convenzionale vs trasformatore planare

Fig 1 Ecco un esempio di una bobina e di un trasformatore a nucleo per un alimentatore switching da 100 kHz.

Un trasformatore di alimentazione switching tradizionale (Fig.1) è costituito da avvolgimenti di filo primario e secondario avvolti su una bobina e nucleo di ferrite.

L’isolamento del filo e il nastro vengono utilizzati per separare gli avvolgimenti. La configurazione della bobina e del nucleo è determinata dalla topologia del circuito.

Fig 2 : Questo è un trasformatore magnetico planare ottimizzato per la commutazione di alimentatori operanti fino a 700 kHz.

Un trasformatore magnetico planare (Fig. 2) sostituisce il filo avvolto e la bobina con sottili fogli di rame “avvolti” su un circuito stampato. Il PCB è inserito tra un nucleo di ferrite e fissato con rivetti.

Frequenze più alte = componenti magnetici più piccoli?

L’effetto principale dell’aumento della frequenza di commutazione è la ridotta induttanza dei componenti magnetici.

Man mano che le frequenze continuano a salire fino a diverse centinaia di kilohertz e nel range dei megahertz, emergono altri fattori che possono influire sui vantaggi di riduzione delle dimensioni di una minore induttanza.

Di notevole importanza è “l’effetto pelle” o skin effect. Lo skin effect è la tendenza di una corrente elettrica alternata (CA) a distribuirsi all’interno di un conduttore, per cui la densità di corrente è maggiore vicino alla superficie del conduttore e diminuisce con maggiori profondità nel conduttore. Poiché la resistività è una funzione dell’area della sezione trasversale del conduttore, il risultato dell’effetto pelle è una maggiore resistenza alle frequenze più alte.

Ciò può essere risolto, quando si utilizza un trasformatore convenzionale con filo avvolto su bobina, aumentando il diametro del filo di avvolgimento. Un altro modo potrebbe essere quello di raggruppare più fili di diametro inferiore.

Entrambi i metodi aggiungono più capacità conduttiva, ma vanno ad aumentare anche il volume degli avvolgimenti degli avvolgimenti comportando quindi un aumento della dimensione del nucleo, che si traduce in maggiori perdite.

Gli avvolgimenti di un trasformatore planare, costituiti da sottili lamine di rame, sono meno suscettibili allo skin effect.

Vantaggi del trasformatore planare

Le spire in un trasformatore planare su un circuito stampato sono a lamina piatta, il che limita il numero di spire possibili. Allo stesso tempo, la maggiore area della sezione trasversale magnetica consente un minor numero di giri. Inoltre, la forma piatta dei materiali del nucleo magnetico fornisce una superficie maggiore per la dissipazione della potenza. Ne consegue un alto grado di coerenza nella spaziatura tra spire e strati. La capacità di interwinding costante e l’interlacciamento dell’avvolgimento consentono ridotte perdite di conduzione CA

Tenendo conto di tutto ciò, i trasformatori planari offrono un’eccellente efficienza e un alto grado di riproducibilità.

Vantaggi del trasformatore tradizionale

Se non fosse per la richiesta di frequenze più alte, i trasformatori planari non sarebbero certamnete considerati un’alternativa ai tradizionali magneti a filo avvolto. Infatti, nonostante tutti i loro vantaggi apparenti è indubbio che anch nelle applicazioni ad alta frequenza, i trasformatori tradizionali a filo avvolto offrono ancora una serie di importanti vantaggi.

I magneti planari occupano molto più spazio rispetto ai trasformatori tradizionali. Quindi, a meno che la dissipazione di potenza e / o l’headroom non siano importanti considerazioni di progettazione, i progettisti in genere utilizzeranno un trasformatore standard.

Infine, il tempo di consegna per i trasformatori tradizionali sarà più breve rispetto a quello per i dispositivi planari. I campioni possono essere avvolti in pochi giorni e le regolazioni possono essere effettuate rapidamente per ottimizzare le prestazioni.

Concludendo, in applicazioni ad alto volume e potenza più elevata, i dispositivi planari forniranno la soluzione più economica e con prestazioni più elevate. Ma il trasformatore tradizionale sarà la risposta per quasi tutte le altre applicazioni.

Artcolo apparso per la prima volta su – www.electronicdesign.com. Qui tradotto da https://www.eenewspower.com

Redazione Fare Elettronica