20 perguntas e respostas essenciais para o projeto de transformadores planares em PCB, abrangendo conceitos básicos, seleção do núcleo, layout do enrolamento, controle de parâmetros parasitas, projeto térmico e implementação do processo.

Original: Especialista em Componentes Magnéticos

Transformadores planos são transformadores especiais que utilizam folha de cobre de PCB como enrolamento, e seu projeto exige constantes compensações entre desempenho elétrico, gerenciamento térmico e custos de fabricação. A seguir, apresentamos 20 perguntas e respostas essenciais para o projeto de transformadores planos em PCB, abordando conceitos básicos, seleção do núcleo, layout do enrolamento, controle de parâmetros parasitas, projeto térmico e implementação do processo.

1. Pergunta: O que é um transformador planar? Qual é a principal diferença entre ele e os transformadores bobinados tradicionais?
Resposta: Um transformador plano é um tipo de transformador que utiliza uma folha de cobre plana sobre uma placa de circuito impresso (PCI) multicamadas como enrolamento. A principal diferença reside no fato de que os transformadores tradicionais utilizam fio esmaltado enrolado em torno de uma estrutura, enquanto os enrolamentos dos transformadores planos são feitos de folhas de cobre espirais gravadas na placa de PCI, e o núcleo magnético (geralmente de ferrite) é fixado diretamente no componente da PCI. Essa estrutura confere ao transformador características como baixa altura (perfil baixo), alta densidade de potência e excelente consistência.

2. Pergunta: Quais são as principais vantagens de usar transformadores planares em PCB?
Resposta: As principais vantagens incluem:
1. Alta eficiência e baixa indutância de fuga: O acoplamento do enrolamento é firme e a indutância de fuga geralmente pode ser controlada abaixo de 0,2%.
2. Bom desempenho de dissipação de calor: A estrutura plana possui uma relação área/volume maior, canais de calor mais curtos e facilita a dissipação de calor.
3. Boa consistência: Os parâmetros parasitas são determinados pela precisão de fabricação da placa de circuito impresso (PCB), e o desempenho do produto pode ser repetido, tornando-o muito adequado para produção automatizada.
4. Perfil baixo: A altura total é significativamente reduzida, tornando-o adequado para montagem em superfície (SMT) e fontes de alimentação de módulos altamente sensíveis.

3. Pergunta: Quais são os principais desafios ou desvantagens de projeto dos transformadores planares?
Resposta: O principal desafio é:
1. Alta capacitância distribuída: Devido à grande área paralela e ao pequeno espaçamento entre as folhas planas de cobre, a capacitância parasita (CPS) entre os lados primário e secundário é geralmente maior do que a dos transformadores tradicionais, o que pode afetar as características de EMI e de alta frequência.
2. Número limitado de voltas: O número de camadas da placa de circuito impresso e o processo de fabricação limitam o número total de voltas que podem ser alcançadas, o que geralmente é adequado para situações com um número relativamente pequeno de voltas (como a topologia de meia ponte).
3. Baixa utilização da janela: O substrato da placa de circuito impresso (resina epóxi) ocupa uma parte considerável do espaço na janela do núcleo magnético, e o coeficiente de preenchimento de cobre é relativamente baixo (cerca de 30%).

4. Pergunta: Em que faixa de frequência um transformador planar normalmente opera?
Resposta: Os transformadores planos são particularmente adequados para ambientes de trabalho de alta frequência, operando tipicamente em frequências que variam de dezenas de kHz a vários MHz. Devido ao seu condutor plano, que pode reduzir eficazmente o efeito pelicular, ele apresenta uma vantagem significativa em termos de eficiência em altas frequências.

Seleção do núcleo magnético e do material
5. Pergunta: Quais são os formatos de núcleo magnético mais comuns para transformadores planares? Como escolher?
Resposta: Os núcleos magnéticos comuns incluem os tipos E, RM e ER/ETD.
• Tipo E (como EI, EE): Baixo custo, boa dissipação de calor, grande área de janela, adequado para aplicações de alta corrente, mas com desempenho de blindagem ruim.
• Tipo RM (tipo lata): A coluna central circular pode encurtar o comprimento da espira do enrolamento (reduzindo a perda de cobre), tem bom efeito de auto-blindagem, baixa indutância de fuga, mas a janela é relativamente pequena.
• Tipo ER/ETD: Combina as vantagens da janela grande do tipo E com a coluna central circular do tipo RM.

6. Pergunta: Qual material é normalmente usado para o núcleo magnético de um transformador planar?
Resposta: Quase todos eles utilizam materiais magnéticos macios de ferrite de alta frequência, como o 3F3, 3F4 da Philips ou o PC40/PC95 da TDK. Esses materiais apresentam baixas perdas no núcleo magnético (perdas por histerese e correntes parasitas) em altas frequências.
7. Pergunta: Qual é o coeficiente de utilização da janela de um núcleo magnético? Por que o transformador plano apresenta um valor menor?
Resposta: O coeficiente de utilização da janela refere-se à proporção de condutores de cobre efetivamente ocupados na área da janela do núcleo magnético. Transformadores tradicionais apresentam um coeficiente de cerca de 0,4, enquanto transformadores planos geralmente ficam entre 0,25 e 0,3. Isso ocorre porque, além da folha de cobre, há também um grande número de camadas de isolamento de resina epóxi (PP e núcleo) ocupando o espaço da janela na placa de circuito impresso.

Projeto e layout de enrolamento
8. Pergunta: Como os enrolamentos de um transformador planar podem ser conectados em série ou em paralelo em uma placa de circuito impresso?
Resposta: A interconexão entre camadas é feita através de furos passantes (vias), furos enterrados ou furos cegos na placa de circuito impresso (PCB).
• Conexão em série: Utilize vias para conectar as espirais de diferentes camadas ponta a ponta, aumentando assim o número de voltas.
• Conexão em paralelo: Conectar várias camadas de bobinas em paralelo para aumentar a capacidade de condução de corrente, comumente usada em enrolamentos secundários para baixa tensão e alta corrente de saída.

Pergunta: O que é a tecnologia de "intercalação" ou "inserção"? Por que precisamos fazer isso?
Resposta: O termo "intercalação" refere-se à disposição alternada dos enrolamentos primário (P) e secundário (S) em camadas, como no caso da estrutura PSPS ou SPS. Os benefícios dessa técnica são: 1. Reduzir a indutância de fuga: Aumentar o acoplamento magnético entre os enrolamentos primário e secundário.
2. Reduzir a resistência CA: distribuir a corrente de alta frequência de forma mais uniforme no condutor e reduzir as perdas causadas pelo efeito de proximidade.

10. Pergunta: Quais são os efeitos de diferentes configurações de enrolamento (como separação P/S versus intercalação) na indutância de fuga e na capacitância parasita?
Resposta: Este é um típico relacionamento de compromisso.
• Layout separado: grande indutância de fuga, mas pequena capacitância parasita entre camadas.
• Sanduíche simples (como o PSP): a indutância de fuga é significativamente reduzida, mas a capacitância parasita aumenta.
• Intercalação profunda (como PSPS): A indutância de fuga pode ser minimizada, mas a capacitância parasita é maximizada. Os projetistas precisam fazer concessões com base nos requisitos do circuito, como LLC utilizando indutância de fuga e comutação rígida controlando a capacitância.
11. Pergunta: O que deve ser observado no projeto de enrolamento de PCB para aplicações de alta tensão ou alta corrente?
Resposta: Alta corrente: Folha de cobre espessa (como 2oz-4oz), conexão paralela multicamadas e o uso de múltiplas vias paralelas são necessários para conduzir a corrente, e a dissipação de calor externa é utilizada.
• Alta tensão: Deve-se garantir uma distância de isolamento suficiente (distância de fuga e isolamento elétrico). Por exemplo, a norma IEC60950 exige que a espessura do isolamento entre as bordas primária e secundária seja geralmente superior a 400 μm.

Parâmetros parasitas e características de alta frequência
Pergunta: Por que a indutância de dispersão dos transformadores planares é importante? Como controlá-la?
Resposta: A indutância de fuga pode causar picos de tensão quando a chave é desligada e limitar a frequência de corte de alta frequência. Em topologias ressonantes como LLC, a indutância de fuga pode ser utilizada como parte da indutância de ressonância. Os métodos para controlar a indutância de fuga incluem: usar enrolamentos escalonados, reduzir a espessura da camada de isolamento entre os enrolamentos e alinhar completamente os enrolamentos primário e secundário.
13. Pergunta: Como otimizar a grande capacitância distribuída de transformadores planares para reduzir a EMI?
Resposta: Os métodos para reduzir a capacitância distribuída incluem aumentar a espessura da camada de isolamento entre os enrolamentos primário e secundário (mas aumentando a indutância de fuga), inserir uma camada de blindagem de aterramento entre os estágios primários e otimizar o layout do enrolamento para reduzir a área de sobreposição entre as camadas.

14. Pergunta: O que são efeito pelicular e efeito de proximidade? Como lidar com transformadores planos?
Resposta: Em altas frequências, a corrente tende a fluir em direção à superfície do condutor (efeito pelicular), e o campo magnético de condutores adjacentes distribuirá ainda mais a corrente de forma desigual (efeito de proximidade), levando a um aumento na resistência CA. Transformadores planos utilizam folhas de cobre finas e planas como condutores, com uma espessura normalmente projetada para ser menor que a profundidade de penetração nessa frequência, reduzindo efetivamente essas perdas em altas frequências.
Projeto e tecnologia térmica
15. Pergunta: Qual é a principal fonte de calor para transformadores planares? Como dissipar o calor?
Resposta: O calor provém principalmente das perdas no núcleo magnético (perdas por histerese) e das perdas no enrolamento (perdas no cobre, especialmente as causadas pelos resistores CA). A vantagem da dissipação de calor é que a estrutura plana possui uma grande área de superfície, permitindo que o calor seja dissipado diretamente da superfície do núcleo magnético e da folha de cobre externa da placa de circuito impresso (PCB). Normalmente, os transformadores podem ser fixados em substratos de alumínio ou dissipadores de calor, e um adesivo termocondutor pode ser utilizado para melhorar a dissipação de calor.

16. Pergunta: Como a espessura do cobre e a largura da linha da placa de circuito impresso afetam o projeto? Qual é a capacidade de condução de corrente recomendada?
Resposta: A espessura do cobre determina a capacidade de condução de corrente por unidade de largura. As espessuras comuns de cobre são de 1 oz (cerca de 35 μm) e 2 oz (cerca de 70 μm). A densidade de corrente geralmente é selecionada entre 20 e 50 A/mm². A largura da linha precisa ser determinada com base no valor da corrente efetiva, na elevação de temperatura permitida e na capacidade de fabricação da placa de circuito impresso (como largura mínima da linha/espaçamento entre linhas).
17. Pergunta: Por que o projeto de empilhamento de PCB enfatiza a simetria?
Resposta: A estrutura laminada simétrica (com espessura uniforme e distribuição de cobre) pode equilibrar as tensões térmicas e mecânicas da placa de circuito impresso durante o processo de laminação, evitando eficazmente que a placa se deforme (torça) após o processamento, garantindo o rendimento da montagem dos transformadores e o encaixe perfeito dos núcleos magnéticos.

18. Pergunta: Como o núcleo magnético é fixado? Por que não podemos colá-lo à superfície de ligação com cola?
Resposta: A fixação do núcleo magnético geralmente utiliza clipes (com núcleos magnéticos ranhurados) ou adesivos de resina epóxi. Atenção especial: O adesivo nunca deve ser aplicado na superfície de colagem (pilar central) do núcleo magnético, caso contrário, formarão espaços de ar desnecessários, levando a uma diminuição da permeabilidade e indutância magnéticas. A cola deve ser aplicada ao redor da borda externa do núcleo magnético.

Resposta: 1. Determinação das especificações: Determine a relação de espiras, a indutância, a potência e a frequência com base na topologia.
2. Seleção do núcleo magnético: Utilize o método AP (método do produto da área) para estimar o tamanho do núcleo magnético e selecionar o material e a forma adequados para o núcleo.
3. Cálculo das espiras: Calcule o número de espiras nos lados primário e secundário para evitar a saturação magnética.
4. Layout do enrolamento: Organize os enrolamentos no software de PCB para determinar a estrutura de empilhamento (se escalonado, como em paralelo/série).
5. Contabilização de perdas e aumento de temperatura: Estime as perdas de cobre e ferro para garantir que o aumento de temperatura esteja dentro da faixa permitida.
6. Extração de parâmetros parasitas: Avaliar se a indutância de fuga e a capacitância distribuída atendem aos requisitos por meio de simulação ou cálculo.
7. Desenho técnico de PCB

20. Pergunta: Quais são as diferenças no foco do projeto ao usar transformadores planares em conversores forward e flyback?
Responder:
Conversores Forward/Bridge: Os transformadores têm como função principal transmitir energia e isolar. O foco do projeto é reduzir a indutância de fuga (evitando picos) e minimizar as perdas. A baixa indutância de fuga característica dos transformadores planares é uma vantagem absoluta nesse aspecto.
Conversor flyback: O "transformador" aqui é, na verdade, um indutor acoplado que precisa armazenar energia. Portanto, o núcleo magnético precisa de um entreferro para evitar a saturação. O foco do projeto é controlar com precisão o tamanho do entreferro para obter a sensibilidade desejada, ao mesmo tempo que se resolve o problema do aumento das perdas nas proximidades causado pela abertura do entreferro.