Задача с точки зрения схемотехники простая, но вот с точки зрения производства и конструирования оказалась очень интересной. И так — требовалось изготовить сетевой драйвер для LED с корректором коэффициента мощности (мощность около 100 Вт), который стоил был в пределах 3$ на серии и имел габариты по высоте не более 11 мм! Многие скажут: «А в чем проблема сделать дешманский драйвер?», вот только дешманский не прокатит, т.к. еще одно требование — возможно давать без опасений 5 лет гарантии. И вот тут начинается самое интересное.
Был сделан выбор топологии, схемотехника, все влезало в габариты и стоимость, но столь замечательную картину портил «классический» трансформатор. Он огромный, он дорогой, он технологически сложный в изготовление. Оставалось решить последнюю задачу и после двух дней в раздумьях и расчетах оно было найдено — планарный трансформатор.
Если вам интересно между чем и чем делался выбор, на каких аргументах он основывался и как удалось получить стоимость трансформатора меньше 0.5$, то приглашаю вас в подкат. Ну и для улучшения «аппетита» прилагаю вам фото готового трансформатора:
Основные недостатки «классических» трансформаторов
Я думаю не для кого не секрет как выглядит обычный трансформатор, но вдруг кто пропустил последние 150 лет промышленной революции, поэтому напомню:
Так выглядит обычный трансформатор, намотанный на каркасе от сердечника RM12. Чем же он так плох? Причин тут несколько, конечно часть из них теряет актуальность в определенных задачах, но рассказ будет вестись в контексте вставшей передо мной задачей. И вот основные из них:
- Высота. Даже человек с плохим глазомером может примерно оценить размеры трансформатора по фотографии и сказать с уверенностью: «Он точно больше 11 мм». И действительно, высота трансформатора на RM12 составляет около 24 мм, что более чем в 2 раза превышает необходимое значение
- Технологичность. Когда вам нужно намотать 1-2 трансформатора, то вы берете каркас, провод и мотаете. Когда вам надо намотать 100-200 штук, то можно заказать намотку у себя в стране, цена еще не кусается. Когда вам надо намотать 10 000 штук, а потом еще 50 000, то тут возникает куча нюансов: цена, качество, выбор еще одного подрядчика в Азии. Все это увеличивает конечную стоимость продукта, когда мне надо просто супер дешево и очень качественно.
- Повторяемость. Намотать и собрать два одинаковых трансформатора — очень сложно, сделать 10 000 одинаковых трансформаторов — невозможно. Это я испытал на своей шкуре уже не единожды, особенно если речь идет о производстве в ЮА. А теперь представьте,
что вам придется «дорабатывать напильником» эти 10 000 трансформаторов при финальной сборке. Представили? Вам стало грустно от количества трудозатрат, а значит и стоимости? Думаю стало. - Себестоимость. Это вообще очень сложный пункт, но давайте посмотрим на фото выше и увидим, что для сборки классического трансформатора нам нужен каркас, сердечник, скобы, медный провод, изоляция и все это руками или на полуавтоматическом станке. Допустим все это стоит «Х долларов». Для изготовления планарного трансформатора нужен только сердечник. Думаю тут очевидно, что 1 деталь стоит явно дешевле, чем 1 такая же деталь + еще 4 компонента?
В этот момент вас наверняка одолевают терзания: «Если все так плохо, то почему обычные трансформаторы настолько распространены?» Немного раньше я говорил, что часть этих минусов в определенных задач не является минусом. Например, если вы откроете UPS on-line, то увидите, что трансформатор там не самый габаритный элемент. Да и если вы собираете небольшие партии до 100-200 устройств в месяц, то наверняка и себестоимость выравняется, т.к. 100-200 штук уже можно сделать и в России или нанять намотчика, купить китайский станок или сделать самим за 100-200 тыс. руб. и радоваться жизни.
И пожалуй главное место, где планарные трансформаторы не вытеснят обычные — преобразователи с номинальной мощностью больше 2000 Вт.
Устройство планарного трансформатора
На самой первой картинке вы видите данный тип трансформатора уже в собранном состоянии, вид весьма необычный, не правда ли? Хотя люди, которые вскрывали современные телевизоры, зарядки ноутбуков (не дешевых) уже наверняка видели такие трансформаторы или подобные.
Планарные трансформаторы могут быть выполнены в разных конструктивных исполнениях, четкой классификации не существует насколько мне известно, но я делю их на 2 типа:
- Независимый. Трансформатор представляет из себя отдельный электронный компонент, который может отдельно поставляться и изготавливаться. Такое решение хорошо при наличии большой линейки устройств, где трансформатор унифицированный. Это не мой случай. Мне надо дешево, а унификация всегда требует жертв в виде небольшого удорожания.
- С общим ядром. Это как раз мой случай. При таком исполнение обмотки трансформатора выполнены на основной печатной плате устройства и является его не неотъемлемой частью. Сердечник же просто надевается на плату и крепится с помощью скоб или как-то иначе, например, на клей или компаунд.
Какой бы тип планарного трансформатора не рассматривали, общее у них одно — все обмотки выполнены в виде медных дорожек на печатной плате.
Если вы решите более подробно ознакомиться с данной технологией и направитесь в гугл, то наверняка во многих статьях встретите фразу: "… и вот наконец-то в последние годы планарные трансформаторы стали доступны по цене. Связано это с тем, что многослойные платы подешевели". Когда я проектировал свой первый планарный трансформатор, году так в 2010-11, данная фраза сбила меня с толку. Я наивно подумал, что планарники делают исключительно на многослойных печатных платах. На тот момент я еще учился в ВУЗе, и хотя работал и получал неплохую стипендию — данный тип плат для меня был финансово не очень доступен. Подумал и решил
Суть удешевления заключалась в использовании «пирога» из нескольких двухслойных печатных плат небольшой толщины (0.8 или 1 мм). Для меня это казалось гениальным и простым решениям. Вот только проблема была в том, что я как всегда смотрел на решениях топовых компаний, занимающихся силовой электроникой, таких как Texas Instruments, Linear, Infineon, Murata, а они использовали печатные платы в 6-8 слоев и в 2010 году они даже стандартного 4 класса (0.15/0.15 мм) стоили очень дорого. Потом получилось так, что на летнюю практику меня позвали в одну хорошую компанию и там мне рассказали и показали, что они такие «пироги» для планарных трансформаторов уже лет 10 как делают. Так же делали и другие компании рангом пониже, чем TI и Infineon. Главное одно — идея была верная и такое решение не просто правильное, а еще и проверенное временем.
Все элементы «пирога» обычные двухслойные платы стандартного класса точности, а значит они оооочень дешевые и изготовить их может любой производитель печатных плат. Выглядят элементы «пирога» планарного трансформатора вот так:
Как видите в моем трансформаторе всего 3 элемента, хотя могло бы быть и больше. Почему 3? Согласно мои расчетам, чтобы набрать нужную индуктивность в первичной обмотке, мне потребуется 6 слоев. 2 слоя мне дает основная плата + 2 слоя «кусок пирога» + 2 слоя «кусок пирога». Вторичная обмотка уместилась всего на 2 слоя, от сюда еще один «кусок пирога». В итоге имеет стек из 4-х двухслойных печатных плат. Дальше арифметика еще проще: я использую сердечник ELP18/4/10, а значит расстояние под «обмотки» у меня составляет 4 мм. Это расстояние мы делим на количество плат: 4 мм / 4 платы = 1 мм — толщина каждой печатной платы. Все просто!
Если вам вдруг не понятно откуда взялся зазор в 4 мм, то можете посмотреть даташит на сердечник тут. А для тех, кому не удобно ходить по ссылкам или трафик не хочется тратить на большую pdf-ку, небольшая вырезка:
Как видим размер окна сердечника на одной половине составляет 2 мм, на второй половине он так же 2 мм. Получаем общий размер окна по высоте — 4 мм.
Теперь можно разобрать из чего состоит себестоимость планарного трансформатора. По сути тут всего 2 составляющие: сердечник и 3 печатные платы. Сердечник оптом стоит 0,14$, печатные платы 3 штуки по 0,11$ за каждую так же на серии. Получаем 0,47$ стоит сам трансформатор. Я не включил сюда компаунд для склейки сердечников, т.к. если раскидать его стоимость на всю партию, то там даже 1 цента не получается и не посчитал работу по сборке. Работа не считается по одной простой причине — трансформатор собирается на этапе ручного монтажа, а стоит он в Азии копейки. Для сравнений — напаять 2 транзистора в корпусе ТО-220 стоит столько же, сколько и монтаж планарного трансформатора, то есть опять же выходит мизер. Вот так мы и получаем цифру 0.5$ за 1 трансформатор до 100 Вт.
Немного о моих результатах… Мне удалось уместиться в габарит по высоте и даже сделать лучше — вместо предельных 11 мм у меня получилось 9.6 мм. С одной стороны мало заметно, а на практике это уменьшение габаритов примерно на 13%. При чем, основной габарит по высоте задавал уже не трансформатор, а электролитические SMD конденсаторы на входе и выходе.
По себестоимости — точной цифры я вам назвать не могу, но уложиться получилось в требование. Тут стоит отметить усилия самого заказчика, он умудрился найти поставщиков, которые на большой серии смогли дать цены на уровне, а иногда и чуть ниже, чем на digikey. Лично моя заслуга — я решил техническую задачу и сделал дешево, а заказчик сам уже сделал супер-дешево без потери качества.
Технические возможности, открываемые планарным трансформатором
Дальше моя статья принимает больше технический характер, чем повествовательный и если вам не интересна силовая электроника, сухие расчеты и прочие гадости, то дальше можете не читать и переходить к обсуждениям в комментарии. Красивых картинок больше не будет. Если же вы планируете взять данную технологию для себя на вооружение, то тогда для вас все только начинается.
Планарные трансформаторы, за счет своих физических и конструктивных свойств, позволяют нам получить не только выигрыш в плане технологичности, а соответственно и себестоимости, но и открываю нам новые горизонты при проектировании. Давайте рассмотри основные плюсы, которые мы получаем при использовании планарных трансформаторов:
- Низкое тепловое сопротивление. Оно обусловлено более высоким отношением площади поверхности сердечника к его объему. За счет этого охлаждающая способность планарных трансформаторов ощутимо выше по сравнению с «классическими» трансформаторами на 50-70%. Это позволяет нам при проектирование закладывать большую плотность тока, а значит и обеспечить более высокую плотность энергии при том же эффективном объеме сердечника (Ve). При этом рост температуры остается в допустимых пределах
- Высокая плотность тока. Повышенная плотность тока является следствием предыдущего «плюса» планарного трансформатора. Обычно для трансформатора с проволочной обмоткой стандартным значением плотности тока является цифра около 6-7-8 А/мм2, когда для планарного трансформатора это цифра около 15-25А/мм2. Это разумеется при прочих равных условиях, таких как температура перегрева
- Отличная повторяемость паразитных параметров. Геометрия печатных плат при производстве выдерживается очень точно, что обеспечивает практически идеальную повторяемость паразитных параметров. Это позволяет достаточно легко проектировать резонансные преобразователи, например, LLC полумост и достигать очень высоких частот коммутации до 2-4 МГц
- Высокий коэффициент связи. Тут все просто — меньшие потери в обмотках,
а значит более высокий КПД преобразователя мы получаем - Малая индуктивность рассеяния. За счет этого амплитуда выбросов ЭДС и колебаний напряжения ниже, что в свою очередь повышает надежность транзисторов
- Очень высокая плотность энергии. Обусловлено совокупностью всех ранее описанных свойств планарного трансформатора.
Чтобы вы могли более наглядно оценить весь потенциал данного типа трансформаторов, могу сказать, что в данном проекте, на одной паре сердечников ELP18/4/10 мне удалось построить резонансный преобразователь мощностью 65 Вт. А теперь посмотрите на его габаритные размеры, не плохо же для такой мелочи?
Метод расчета планарного трансформатора
Методик, которые позволяют рассчитать данный тип трансформаторов, достаточно много. Правда основная литература, в том числе и научная, в основном на английском, немецком и китайском языках. Я на практике опробовал несколько, все они были взяты из англоязычных источников и все показали приемлемый результат. В процессе работы за несколько лет мною были сделаны небольшие правки, которые позволили несколько повысить точность расчетов и именно эту методику я вам и продемонстрирую.
У меня нет каких либо амбиций на ее уникальность, а так же я не гарантирую, что ее результаты достаточно точны во всех диапазонах частот и мощностей. Поэтому если вы планируете использовать в работе, то будьте аккуратны и всегда следите за адекватностью результатов.
Немного о моделировании… Его можно, а иногда и нужно делать, но работая даже с таким монстром как Comsol, мне не удавалось получить точность выше, чем дают обычные везде описанные методики. Пытался я учитывать и большее количество паразитных параметров, и более точно описывать скин-эффект, и учитывать магнитные изменения в материале сердечника и много чего еще — точности лучше +-3-5% получать не удавалось. Поэтому на мощностях до 150-200 Вт в моделирования смысла не вижу (вы можете конечно не согласиться), а вот после 200 Вт уже без него не обойтись, особенно если у вас резонансный преобразователь.
Расчет планарного трансформатора
При расчете любого трансформатора первым делом необходимо найти максимальное значение магнитной индукции. Потери в сердечнике и в медных проводниках приводят к нагреву трансформатора, поэтому расчеты необходимо вести относительно максимального допустимого перегрева трансформатора. Последний выбирается исходя из условий эксплуатации и требований, предъявляемых к устройству.
Делам эмпирическое допущение в котором предполагаем, что половина от общих потерь на трансформаторе — это потери в сердечнике. Исходя из этого допущения посчитаем максимальную плотность потерь в сердечнике по эмпирической формуле:
Где значение эффективного магнитного объема VE берется из документации на сердечник в [см3], значение максимального перегрева ?T выбирается исходя из расчетов (например, я обычно беру в расчет 50-60 градусов). Размерность же получаемой величины — [мВт/см3].
Прошу обратить внимание, что многие формулы, которые я описываю, получены эмпирическим путем. Другие же записаны в их конечном виде без расписывания их математического вывода. Тем, кому интересно происхождение последних советую просто ознакомить с зарубежной литературой по магнитным материалам, например, есть стать и книги у Epcos и Ferroxcube.
Теперь, зная максимальную плотность потерь в сердечнике, мы можем посчитать максимальное значение индуктивности при котором не будет превышена температура перегрева выше расчетной.
Где СM, СT, x, y — параметры полученные эмпирическим путем методом аппроксимации кривой потерь, а f — частота преобразования. Получить их можно двумя путями: обработав данные (графики) из документации на свой сердечник или же построив эти графики самостоятельно. Последний способ позволит вам получить более точные данные, но потребуется наличие полноценного тепловизора.
В качестве примера я поделюсь с вами данными значениями для сердечников из материала Epcos N49, его аналог от Ferrocube является так же популярный и доступный материал 3F3. Оба материала позволяют без проблем строить преобразователи с резонансной частотой до 1 МГц включительно. Так же стоит отметить, что данные параметры зависят от частоты, данные цифры для частот 400-600 кГц. Это наиболее популярный диапазон частот и материал, который я использую.
- СM = 4,1 * 10-5
- СT = 1,08 * 10-2
- x = 1,96
- y = 2,27
Далее стоит вспомнить о второй составляющей потерь в трансформаторе — потери в медной обмотке. Считаются они легко, по нашему любимому закону Ома в котором дополнительно учли вполне логичные моменты: ток у нас импульсный и протекает он не 100% времени, то есть коэффициент заполнения. Рассказывать как посчитать сопротивление обмотки меди по ее геометрии я не буду, слишком банально, а общую формулу наверное напомню:
Потери в меди считаются для каждой обмотки отдельно, а потом складываются. Теперь мы знаем потери в каждом слое «пирога» и в сердечнике. Желающие могут промоделировать перегрев трансформатора, например, в Comsol или Solidworks Flow Simulation.
Продолжая тему медных проводников, давайте вспомним о таком явление, как скин-эффект. Если объяснять «на пальцах», то это эффект, когда с ростом частоты протекающего в проводнике тока, происходит «выдавливание» тока из проводника (от центра к поверхности) другим током — вихревым.
Если же говорить более по научному, то в результате протекания в проводнике переменного тока, наводится переменная индукция, которая в свою очередь вызывает вихревые токи. Это вихревые токи имеют направление противоположное нашему основному току и получается, что они взаимовычитаются и в центре проводника суммарный ток равен нулю.
Логика простая — чем выше частота протекаемого тока, тем больше сказывается скин-эффект и тем ниже эффективное сечение проводника. Уменьшить его влияние можно путем оптимизации геометрии обмоток, их распараллеливания и прочими методами, которые наверное заслуживают если не целой книги, то большой отдельной статьи.
Для наших же расчетов достаточно примерно оценить влияние скин-эффекта с помощью еще одной эмпирической формулы:
Где ?? — толщина зоны с нулевым током, f — частота преобразователя в [кГц]. Как видите данный эффект целиком привязан к частоте коммутации.
А теперь давайте посчитаем сколько витков и прочего нам потребуется для изготовление трансформатора прямого хода. Первым делом считаем сколько же нам потребуется витков в первичной обмотки:
Где Umin — минимальное входное напряжение, D — рабочий цикл, f — частота работы, Ae — эффективное сечение сердечника. Теперь считаем количество витков для вторично обмотки:
Где N1 — количество витков в первичной обмотке, D — рабочий цикл, Uout — номинальное выходное напряжение, Umin — минимальное входное напряжение.
Следующим шагом является расчет индуктивности первичной обмотки. Так как ток в обмотке у нас носит импульсную характеристику, то зависеть он будет и от индуктивности. Рассчитываем мы ее по следующей формуле:
Где ?0 — эффективная магнитная проницаемость, ?a — амплитудная магнитная проницаемость, Ae — эффективное сечение сердечника, N1 — количество витков в первичной обмотке, Ie — эффективная длина пути. Недостающие параметры, типа проницаемости и длины магнитной линии вы можете взять в документации на конкретный сердечник.
Теперь финальный шаг, который нам необходимо сделать — рассчитать действующий в первичной обмотке ток. Это позволит в дальнейшем посчитать сечение для первичной обмотки и соответственно ширину проводника. Значение тока складывается из двух составляющих и выглядит следующим образом:
Тут вроде уже все составляющие формулы знакомы и посчитаны, единственное отмечу параметр Pmax. Это не просто значение номинальной выходной мощности, это полная мощность преобразователя с учетом КПД хотя бы примерно (я обычно закладываю 95-97% для резонансных преобразователей) и тем запасом, который вы закладываете в устройство. В моих устройства обычно 10% запас по мощности, в особо ответственных устройствах и узлах иногда приходится закладывать 20-25% запас, но это вызывает удорожание.
Вот мы и получили все параметры, которые необходимы для расчета и проектирования планарного трансформатора. Конечно вам придется самим посчитать сечение для обмоток, но это элементарная арифметика, которой я не хочу загромождать статью. Все же остальное уже посчитано и остается только спроектировать платы в каком либо САПР.
Итог
Надеюсь моя статья поможет начать вам использовать планарные трансформаторы как в своих домашних проектах, так и в коммерческих. Данную технологию необходимо использовать аккуратно, ведь в зависимости от задачи она может оказаться дороже «классических» трансформаторов.
Так же несомненно применение планарных трансформаторов открывает новые технические возможности, а современные Mosfet-ы и новые GaN транзисторы лишь способствуют этому, позволяя создавать преобразователи с частотами от 400 кГц и выше. Однако и стоимость этих «возможностей» не всегда достаточно низкая, да и для проектирование резонансных преобразователей на таких частотах требует большого набора знаний и опыта.
Но не стоит расстраиваться! Любому из вас, даже начинающему электронщику, под силам собрать топологии по проще, например, ZVS мост (Full bridge). Данная топология позволяет получит очень высокий КПД и не требует каких-то супер-секретных знаний. Необходимо лишь сделать прототип или макет и хорошенько поэксперементировать. Удачи в освоение новых горизонтов!
Комментарии (189)
dernuss
20.01.2018 18:01я использую сердечник ELP18/4/10, а значит расстояние под «обмотки» у меня составляет 4 мм. Это расстояние мы делим на количество плат: 4 мм / 4 платы = 1 мм — толщина каждой печатной платы. Все просто!
Паяльная маска добавляет ещё толщину, она вроде толщиной около 20 мкм. То есть 20мкм надо умножить на 8 = 0.16 мм.
Да и сердечник может быть +-0.1ммNordicEnergy Автор
20.01.2018 18:39И медь (35 или 70 мкм) и паяльная маска действительно добавляют толщины, но само ядро текстолита имеет толщину 0.9 мм. В итоге полная толщина печатной платы получается 0,9913 мм, если быть точным. Получается даже немного меньше. Хотя я именно такой стек задавал в Altium-е при проектирование, на целевом заводе он считается стандартным. На других разумеется может быть иначе, поэтому лучше все таки в пакет конструкторской документации выгружать чертеж стека ПП.
x893
20.01.2018 18:17Отличная статья.
Для полного счастья не хватает схемы и разводки под 5В источник ампера на 3.
Или просто герберов и картинки размещения деталей (для тех кто только паяльник держать умеет).NordicEnergy Автор
20.01.2018 18:29Проект коммерческий и показать данную документацию было бы нечестно по отношению к заказчику, но Ваше пожелание я услышал и при случае постараюсь его реализовать))
Andy_Big
20.01.2018 18:41Не нужно выкладывать документацию на коммерческий заказ, но было бы очень интересно увидеть практическую реализацию на таком трансформаторе какого-нибудь простенького источника напряжения с выходом 5-12 вольт :)
dernuss
20.01.2018 18:45А ещё лучше ac/dc 220 -> 12 для примера
Andy_Big
20.01.2018 18:48Разумеется, имеется в виду со входным AC 220-230 :)
NordicEnergy Автор
20.01.2018 18:53Сетевое не обещаю, но пример будет. Планирую написать статейку в будущем по GaN ключикам, ибо сейчас «домашний проект» как раз на них и с планарником, правда 48->5В. Все постепенно будет, лишь было время))
StDmitirev
20.01.2018 21:45Статья супер! Спасибо! Присоединяюсь к числу ждущих пример) Сам давно смотрю на такие трансформаторы, но как-то не решался попробовать, а теперь загорелся этой идеей.
Не знаю как с экономической точки зрения (трансформаторы мотаем сами и они не самая дорогая часть изделия), но вот с практической, для серийных изделий, выглядит очень многообещающе, ибо можно свести человеческий фактор к минимуму, да и самому намного проще паять чем мотать.
Andy_Big
20.01.2018 21:49Буду ждать :) Всегда с интересом читаю Ваши статьи, и хотя тематика источников питания не моя, но очень интересно читать для общего развития, спасибо :)
NordicEnergy Автор
20.01.2018 22:11Ага, повторяемость параметров очень важна и как ответили выше — рукожопость монтажника уже меньше влияет на результат)) При намотке трансформаторов, даже на ЧПУ станке, индуктивность обмоток плавает около +-5-10%. При печатных обмотках +-1% в худшем случае. Если схема резонансная, то это ооочень существенно. Исключение 1й операции в пуско-наладке при контрактном производстве в Азии экономит около 3000-4000$.
В следующий раз покажу какую нибудь «живую» железку, будет еще интереснее)) Пока думаю о DC/DC 48-400В (к предыдущей статье) и частотном преобразователе. Напишу по обоим, но в каком порядке пока не знаю.
gshamshurin
20.01.2018 18:19+1Прочитал на одном дыхании!
Сколько денег и нервов было потрачено как раз на намотку трансформаторов для LED-драйверов — страшно вспомнить. А тут такое простое и красивое решение!
Коллега, Ваше кунг-фу сильнее моего, снимаю шляпу.NordicEnergy Автор
20.01.2018 18:33+1Благодарю за оценку! Даааа, в процессе отладки с намоткой тоже приходится мучиться. Не всех заказчиков удается убедить в использовании такого решения. Сам жутко ненавижу намотку как таковую. Думаю таких «ненавистников» очень много среди нас))
Goron_Dekar
20.01.2018 20:10А я как раз наоборот очень люблю моточные трансформаторы. Правда их не мотаю, а выбираю из ассортимента.
Но стоит конечно попробовать такую технологию.NordicEnergy Автор
20.01.2018 20:28Тоже стараюсь использовать готовые, для стандартных преобразователей типа 220->12/5 или 12->12 найти не проблема, например, у Wurth. Когда же требуется что-то нестандартное, то деваться некуда.
На деле единственный глобальный минус, который нельзя обойти использую обычный трансформатор — высота. Я и с RM сердечниками работал, и с EFD — меньше 15-20 мм профиль уже не получить при мощности 30-50-100 Вт. Если такого требования нет, то в принципе можно и обычный трансформатор найти или мотать. Но опять же от партий зависит.
OFFREAL
20.01.2018 18:26Каким образом пропаиваются переходные отверстия на внутренних «обмотках»?
NordicEnergy Автор
20.01.2018 18:27Хороший флюс + перед сборкой из дозатора паста паяльная. Если подобрать дозу, то припой отлично затекает во все отверстия и не остается лишнего припой, который мог бы дополнительно влиять на зазор.
unalacuna
20.01.2018 18:39Отличная статья!
Очень приятно видеть что вас вдохновили наши тексты и дизайн сайта )
www.thirdpin.ru
nordic-energy.ru/index.html
Только меню у вас не работает, проверьте.NordicEnergy Автор
20.01.2018 18:43Я думал никто и никогда не заметит)) Но сайт действительно по вашему образцу, ибо идеальное сочетание минимализма в дизайне и информативности. Что касается функционала, то оно еще не доделано, т.к. у нас в команде куча схемотехников и ни одного веб разработчика. Вот и решил поизучать html+css+js и заодно какое-то портфолио сделать.
Если вы или компания против такого решения, то я разумеется могу переработать сие решение и уменьшить «похожесть». Тогда просто маякните в личку)
tixkost
20.01.2018 18:44«Высокая плотность тока» — это не плюс при требоании 5 летней гарантии, почитай что такое электромиграция, например, здесь ru.wikipedia.org/wiki/Электромиграция
NordicEnergy Автор
20.01.2018 18:46Но это и не минус, все хорошо в меру. Достаточно просто не закладывать запредельных плотностей, чего и не требовалось. Но сам факт, что можно заложить 10-15А/мм2 без каких либо проблем, вместо 6-8А/мм2 — в моем понимание явный плюс.
mwaso
24.01.2018 11:52Поляризация диэлектриков, электромиграция атомов проводников заметно проявляются при постоянном токе, а в трансформаторе он переменный. Так-что это мимо.
NordicEnergy, а не пробовали брать еще более тонкие платы в пирог — есть же и 0,2мм FR4, (правда не знаю, как он по стоимости относительно 0,5мм). Тогда получилось бы лучшее заполнение окна трансформатора — меньше потерь и можно было обойтись одной Е-половинкой и одной I — крышкой. И еще вопрос — а вы пользуетесь программами «от Старичка» для расчета трансформаторов для серийных изделий?NordicEnergy Автор
24.01.2018 12:090.2 мм сам никогда не пробовал, да и в случае сетевого напряжения при такой толщине не обеспечивается зазор диэлектрический — пробьет 400В. А вот 0.4 и 0.5 китайцы делают дешево. Когда не влезает нужное количество витков, то можно и так сделать.
E+I в данном случае уйдет в насыщение, надо еще больше частоту задирать. Старичковские программы раньше использовал, а сейчас написал свою утилиту и использую ее, либо бумага и карандаш если скучно))dernuss
24.01.2018 12:16А у каких китайцев заказываете?
У тех у кого я заказываю (pcbway.com) 0.6 самые тонкие из дешёвых, 0.4 сильно дороже.
Правда я в основном для DIY заказываю.NordicEnergy Автор
24.01.2018 12:19pcbnpi. На pcbway заказывали одно время, но у них проблема с геометрией платы — сильно размеры плавают и собираемость транса ухудшается. Но за 5$ по другому и не будет))
BigBeaver
24.01.2018 12:11В том же Резоните цена плат не особо зависит от толщины. Но если основа и «обмотки» делать одной толщины, то они в одну панель укладываются, а если делать витки на тонких, то это уже заказ двух плат — могут быть другие квоты и скидки.
Gutt
21.01.2018 11:48Неужели Вы вправду считаете, что электромиграция в обмотке трансформатора, пусть даже и планарного, будет сколь-нибудь заметна и может его испортить? Если да, то приведите расчёт или пример.
Taciturn
20.01.2018 19:03но этика есть этика
Так в чём же минус этого решения? Если проблем нет, то упоминание компании будет ей только в плюс, нет никак причин скрывать его.gshamshurin
20.01.2018 19:07Ой, не факт. Коммерческие дела с техническими лучше не мешать.
NordicEnergy Автор
20.01.2018 19:10+3Полностью согласен. У всех своя картина миру и такая реклама мне же боком может выйти.
NordicEnergy Автор
20.01.2018 19:08Абстрактный пример. Предположим средняя цена на рынке железки около 20$. Заказчику удалось добиться себестоимости 1$, но смысла снижать цену нет и так покупают. Но у его покупателей, особенно оптовых, возникнет разрадрожение и зуд — «А не обнаглел ли ты 2000% наваривать?». Я сам лично с таким сталкивался и не хотел бы стать причиной такого отношения к заказчику.
Если заказчик попросить, тогда упомяну, благо статьи он тут тоже читает))
Valerij56
20.01.2018 19:53Если железка стоит того, и на рынке нет конкурентов — то пусть накручивают, тем быстрее появятся конкуренты.
Valerij56
20.01.2018 19:50Статья блеск, снимаю шляпу. Дружу только с паяльником, но красота решения и мне понятна.
Теперь, надеюсь, что с применением такой технологии кто-то опубликует описание ИП на 5 и 12 вольт.
aamonster
20.01.2018 19:58А недостатки? Ну не бывает так, чтобы за все эти преимущества не пришлось чем-то платить.
NordicEnergy Автор
20.01.2018 20:35+2Первый большой недостаток в статье упоминал — больше 2000 Вт это только на обычном трансформаторе. На планарном ценник просто космос становится.
Так же я писал, что обозначенные мною плюсы являются таковыми в моей задачи, а вот при других условиях могут превратиться и в минусы. Яркий пример — температура перегрева. Она растет медленнее если мы сравниваем 2 трансформатора и в обоих высокая плотность энергии. Но когда нам надо сделать оооочень холодное решение, например, перегрев не более 5-10 градусов при мощности 100-200 Вт, то планарные трансформатор становится очень большим по размерам и дорогим на фоне обычных.
Как писал в конце — тип трансформатора нужно выбирать обдумано и очень аккуратно, многие особенности трансформатора балансируют на грани «плюс/минус».aamonster
21.01.2018 14:25Т.е. в первом приближении в любом месте, где стоит вч-трансформатор, можно использовать планарный, нужно только сравнить по цене и габаритам?
BiW
20.01.2018 20:01Мне вот стало интересно — а возможно ли таким образом создать трансформатор для пусть и маломощного, но сварочного инвертора? Существуют ли подходящие сердечники?
BiW
20.01.2018 20:20Ой, не внимательно читал…
И пожалуй главное место, где планарные трансформаторы не вытеснят обычные — преобразователи с номинальной мощностью больше 2000 Вт.
saggy
20.01.2018 21:44В преобразователях более 2000 Вт вопрос габарита обычно остро не стоит…
NordicEnergy Автор
20.01.2018 21:45Зависит от отросли. Если речь о сварочнике, то в принципе не стоит, хотя не всегда. Когда речь идет об автомобилях, авиации или коммуникационном оборудование, то борьба за вес идет упорная. Мощности же там до 6 кВт не редкость, а 2-3 кВт обыденность
NordicEnergy Автор
20.01.2018 20:31+2Можно. 1-1,5 кВт нормальная мощность, а это около 40-45А тока, чего достаточно для сварки тонкостенного металлопрофиля, например. Правда такого у меня никогда не заказывали применительно к инвертору, а вот сварку для электропроводов делали. Там хотелка была — мелкие габариты и работа от Li-ion. Прототип сделали, обкатали. Запустили ли его в серию не знаю даже, заказчик был с Канады и производством сам решил заниматься.
N1X
21.01.2018 14:32+2В плату интегрировать врядли есть смысл, а вот отдельно итальянцы, например, делали: Сварочный инвертор Linkoln Electric Invertec 170S. Не разбирал, может конечно не на печатных платах, а на плоских шинах, но тем не менее планар...
Aytuar
20.01.2018 23:08Одно плохо, все формулы без единиц измерения. Например в чём там частота Гц, кГц, МГц?
Andy_Big
21.01.2018 01:34Вообще принято в формулах давать единицы без множителей. Частота — герцы, сопротивление — омы, емкость — фарады и т.д.
Bronto3
21.01.2018 07:38Здесь же не учебник ))
Здесь ребёнок познаёт мир, и делится с другими детьми-программистами своими пьюдипаями ))
Зачем только им дали малины и пироги, они ж подумали, что смогут сами?
А выходит только вот это…
Смешат нас своими внезапными познаниями и подключениями к инету.
027
21.01.2018 10:08Вообще принято в формулах давать единицы без множителей. Частота — герцы, сопротивление — омы, емкость — фарады и т.д.
В эмпирических формулах нередко используют производные единицы для удобства расчетов (чтобы не было много нулей слева или справа). И гадай теперь, то ли там везде основные единицы, то ли автор забыл указать.
NordicEnergy Автор
21.01.2018 10:09Сейчас поправлю, не везде указал просто. В принципе не указал только на частотах. Если пометок нет, то значит основные единицы без множителей, то есть В, Гц, А и прочее.
NordicEnergy Автор
21.01.2018 10:19+1Да, вы правы. Это везде так, кроме формулы расчета глубины скин-эффекта. В ней явно указал, что частота в килогерцах.
Uint32
21.01.2018 11:49А в каких единицах изм. в ней зона нулевого тока?
В метрах, микронах или милях?
И почему величина этой зоны обратно пропорциональна частоте, хотя должно быть наоборот?
Andy_Big
21.01.2018 14:16Присоединюсь к вопросам выше от Uint32 :)
NordicEnergy Автор
21.01.2018 14:19В микрометрах. Расстояние измеряем от поверхности проводника. Чем частота больше, тем меньше зона «полноценной» проводимости.
Andy_Big
21.01.2018 14:30Результат у Вас там указан как зона с нулевым током, поэтому и непонятно :)
NordicEnergy Автор
21.01.2018 14:32Чуть позже этот момент немного подробнее опишу или схемкой подкреплю, чтобы вопросов больше не вызывало ни у кого)
Tippy-Tip
21.01.2018 14:36А мне, как радиогубителю-чайнику, непонятно в каких единицах измеряется рабочий цикл в формулах расчета количества витков первичной и вторичной обмоток. В справочной литературе, которую я использую, такого параметра не встречал. Автор! Просветите пожалуйста! Не дайте«дурой» умереть! :)
NordicEnergy Автор
21.01.2018 14:39Тогда я предлагаю вам прочитать книгу «Силовая электроника. От простого к сложному». Там все эти вопросы и даже часть формул встречаются, включая их вывод и подробное описание их физического смысла.
Что касается рабочего цикла, то это величина безразмерная. В случае двухтактного преобразователя ее значение от 0 до 0.5.
DmitrySpb79
21.01.2018 00:12Спасибо за материал, интересно. Одно не пойму, мне всегда казалось что в трансформаторе тысячи витков провода :) А сколько примерно в пленарном максимально? Тут же более 10-20 не влезет?
NordicEnergy Автор
21.01.2018 10:10+3Это в обычном трансформаторе на 50 Гц их тысячи, а в импульсном может быть и 1 виток)) Это за счет большей частоты. Частота выше — индуктивность нужна меньшая.
ploop
21.01.2018 01:55Очень интересно, спасибо!
Я так понимаю, следующим шагом будут трансформаторы прямо в чипах? :)Andy_Big
21.01.2018 02:04Почему будут? Уже давно есть, причем по нескольку штук в чипе — http://www.analog.com/en/products/interface-isolation/isolation/standard-digital-isolators/adum263n.html#product-overview :)
ploop
21.01.2018 15:02Это развязка, я как бы про силовые… :)
NordicEnergy Автор
21.01.2018 15:06Про трансформаторы не знаю, но есть dc/dc у Enpirion (Altera) со встроенными на кристалле диодами силовыми, ключами и главное дросселем силовым. Так, что трансформаторов если пока еще и нет, то не за горами как мне кажется))
dcoder_mm
21.01.2018 08:57А ведь так можно делать совсем простенькие изолированные DC-DC преобразователи, размещая катушки на двух сторонах одной платы, раскачивая первичную с МК через H-мост, и стабилизируя напряжение со вторичной. Деталек мало, трансформатор покупать/мотать не надо (хотя сердечник все равно нужен, да. без него оно превратится в аналог индуктивной зарядки с соотвествующей эффективностью и потерями).
Рядом можно нарисовать еще один бутерброд из катушек и гонять по нему гальванически развязанные байтики.
Надо будет попробовать, уже больно забавно выглядитNordicEnergy Автор
21.01.2018 10:12Murata такое лет 20 уже делает, правда в основном используют флайбек или пуш-пул, а не полноценный мост. Мост потребует драйверов, а это дороже и сложнее.
devspec
21.01.2018 10:12А можете просветить электрика «старой школы»? Можем ли мы подать на первичку 220 и получить на вторичке, скажем, 20В? Или это вообще из другой оперы всё?
NordicEnergy Автор
21.01.2018 10:13+1Просто так на трансформатор нет. Любой импульсный трансформатор работает на частотах от 10 кГц и выше, когда в сети всего лишь 50 Гц. Сначала сеть выпрямляют, затем повышают частоту и только потом на трансформатор подают 310В (выпрямленные 220), но уже с частотой десятки и сотник килогерц.
semen-pro
21.01.2018 11:49Хорошая статья, правда, я к такому пока не готов. Сейчас ищу, где можно намотать 100-1000 трансформаторов, на сердечнике Ш 4*4 мм. Есть какие-то ссылки, контакты?
lelik363
21.01.2018 12:57Может они умеют?
NordicEnergy Автор
21.01.2018 13:11Лэпкос только продает моточные изделия и расходники, но сам не мотают.
Zoraccer
21.01.2018 13:10Спасибо за замечательную статью!
К сожалению, совсем не специалист, поэтому пара вопросов дилетанта:
1)Сердечники для планарных трансформаторов — это отдельная номенклатура размеров и дизайна? Посмотрел бегло на всяких чипдипах сердечники — похожих нет. Не так ищу?
2)Как думаете, для «трансформатора единичных импульсов» пригодна эта технология? Т.е. в первичке №витков, во вторичке 1 виток, на первичку короткий импульс постоянки (или полуволна сетевого), со вторички снимаем импульс низкого напряжения и большого тока, потом пауза х1000 длительностей импульса?
Прельщает то, что можно было бы технологично получить сотни и тысячи таких плат по низкой стоимости и с простой сборкой.NordicEnergy Автор
21.01.2018 13:171) Сердечник может быть любой, хоть обычны Е-образный (Ш-образный). Но вот высота окна будет большая и сложно заполнить его. Поэтому есть сердечники ELP, например, как в статье — у них высота окна небольшая и легко заполнить как многослойной платой, так и несколькими двухслойными (пирогом). Посмотрите тут.
2) Конечно можно. По факту в любое место, где подходит обычный трансформатор на феррите, можно поставить планарник.
3) Технологичность и простота монтажа тут главный плюс, ну и габариты конечно. Очень актуально для частников или небольших компаний как по мне, у которых ресурс ограничены. Сам таковым являюсь, поэтому намотки по возможности стараюсь избегать — самому много не намотаешь, а заказывать дорого достаточно и качество непредсказуемо.
sanchosd
21.01.2018 13:51Статья супер! Сам занимался разработкой ЛЭД-дров, под масс продакшн. Когда прочитал про "100Вт за 3долл" я не поверил, что это реально. Потому, что в нашу контору стучались с предложениями сделать 40-ватку за 4доллара. И мы не уложились, учитывая оптовые закупки комплектухи, полностью своё производство, включая трансформаторы, синфазные дроссели и гантельки.
Из текста у меня сложилось впечатление, что это или прямоход, из-за фразы "ток обмотки содержит 2 составляющие", или резонансник....
Но,… где третья обмотка, от которой питается управляющая микросхема???
Ещё меня очень смутили смд электролиты на фотке. Они всегда ощутимо дороже выводных. В стратегию 3баксов никак не укладывается....
sanchosd
21.01.2018 13:53Но информация крайне полезная! Вы прямо открыли мне глаза на реальность планаров! Я всегда думал, что они ощутимо дороже мотанных!
NordicEnergy Автор
21.01.2018 14:03Это просто электролиты, это твердотельные полимерные кондеры. Фишка в том, что они малой емкости, поэтому дешевые. Их задача обеспечить ток, то есть нужные конденсаторы с мелким ESR. Как следствие малой емкости появляются пульсации напряжения, а вот их я победил реализацией LDO после выхода с dc/dc. За счет мизерной разницы напряжения на входе и выходе — нагрев минимальный.
Топология LLC полумост, эксперементировал с косым мостом, он оказался лучше только после 120 Вт. Пробовал флайбек, но там с КПД все плохо оказалось, не более 87-89%.
3я обмотка (+12В) тоже есть на трансформаторе, просто она первая к плате и ее выводы наверх не выходят.sanchosd
22.01.2018 10:45Чем дальше, тем все интереснее и страшнее (с) )))
Полимерники стоят хорошо дороже электролитов, применял как раз недавно, сравнивал…
На выходе стоят, ок… Но тут у нас противоречивая задача, чем меньше емкостина на выходе, тем больше нужно «жечь» на LDO. Если кондеры малой емкости на выходе… тогда я ничего в этой жизни не понимаю… У нас на 40Вт мощности, на ток 1А, с применением LDO последовательно с нагрузкой, требовалась емкость порядка 2200мкФ на 63В. Только такая емкость позволяла опустить уровень пульсации напряжения на LDO до минимума, когда сказывалось уже его активное сопротивление…
Или по-другому, скажите какие требования были к пульсации тока через нагрузку? если 20% тогда охотно верю)
Про резонансник круто! Я так понимаю частота перееключения( при номинальной нагрузке) была за 500кГц, судя по малому количеству витков?
Ключи- простые мосфеты? Арсенид думаю нереально дорого для 3дол. изделия.
Но вообще снимаю шляпу, да, круто!)NordicEnergy Автор
22.01.2018 10:50Частота 550 кГц, ключи обычный кремний от Infineon. После 600 кГц уже конечно только SiC или GaN. Первые достаточно адекватно стоят при хорошей партии.
Кондеры твердотельные за 100 мкФ при партии 75 000 штук обошлись по 0,21$. Но это тайна, так что никому))) Их там парочка. Собственно самые дорогие компоненты: кондеры, ключи высоковольтные и контроллер (какой не скажу). Пульсации тока через нагрузку +-5% было требование, +-3% получили. Единственно они вырастали до 5%, когда входное напряжение падало ниже 145-150В.sanchosd
22.01.2018 11:03Крутяк!!!
Я xednde.? что покрылся пылью… всегда думал, что SiC стоят неподъемно для дешевки…
По поводу кондеров… да. это-ж резонансник, и 500кГц, тогда может быть 200мкФ и ок.
Короче еще раз снимаю шляпу. За 3 бакса… тихо ползу в угол плакать ))))NordicEnergy Автор
22.01.2018 11:12+1SiC еще года полтора назад стоил действительно от 15$ за ключик, но сейчас конкуренция среди компаний выросла и они стали доступными: около 3-4$ в розницу, а на серии 1000 штук уже 1,2$ (больших серий с ними не видел в живую).
borisxm
23.01.2018 09:08контроллер (какой не скажу)
Возможно, что-то очень сильно похожее на STM32F334 (но он заметно дороже, если, конечно, вы их не покупаете десятками тысяч).NordicEnergy Автор
23.01.2018 12:34Не, дорого, смотрите на Infineon и Texas, они все таки более продвинутые решения предлагают для силовухи. А про масштабы вы угадали, обычно партия 25 или 50 тыс., но закупаем не мы, а контрактный производитель. На партиях 1000 штук сам контроллер стоит уже 2,7$.
GarryC
21.01.2018 14:03Интересное решение, спасибо.
Есть еще один путь — его применяет та же Murata — плата вся многослойная, но настолько компактная, что намотка занимает порядка половины площади. Тогда можно ожидать снижения цены готового изделия по сравнению с составными платами за счет устранения операций сборки с изолирующими пленками.
Вот держу перед собой блок питания (dc/dc) — размеры 60*40, 3 низко-профильных намотки (2 Ш-образных транса и катушка) размерами 30*20. Тогда Ваш вариант обойдется (цена Резонита — конечно, в КНР другие, но соотношения сохраняются) 0.6*0.4*130+3*3*0.3*0.2*130=31+70=101 рублей, а полная плата 0.6*0.4*495=119, разница составит 119-101=18 рублей, в эти деньги должна уложиться сборка составной платы и дополнительная пайка (ручная) 8*1.3=10 рублей. Это для 8 слоев. Но, конечно, тут три намотки, для одной по другому.
Ну и еще один плюс — толстая плата хорошо растягивает тепло от активных компонентов и намотки по всей площади.
И еще один вопрос — а стягивать половинки сердечника ничем не надо, достаточно слейки (зудеть не будут)?NordicEnergy Автор
21.01.2018 14:08Согласен с вами, иногда и многослойная дешевле. Но тут как писал выше надо искать сбалансированное решение под конкретную задачу. С многослойкой считал (6 слоев), выходило немного дороже (Тайвань). Хотя когда делал 48->12В, то стандартный класс 6 слоев вышло на 20% дешевле.
Не «зудит» в данном случае, т.к. все в натяг садится, но это благодаря тому, что мы стек подобрали (толщины) и геометрию платы очень точную завод обеспечил. Это позволительно на большой серии, тогда цена на свой нестандартный стек не влияет вообще. На партии 100-200 штук уже цена будет чуть выше, но тогда для этого можно использовать скобы (они есть стандартные для этого сердечника) или как часто бывает — плату заливают компаундом, тогда вообще все прекрасно.GarryC
21.01.2018 14:17Кстати, вспомнил, как лет 5 назад смотрел одну фирму, которая предлагала готовые плоские трансы ватт на 50-100 с многослойкой(8-10 слоев) внутри с множеством отводов, чтобы подстраивать под свои требования по входу/выходу. Обещали цены на штуку в районе бакса, они еще на выставках образцы раздавали, у меня где то валялся, но не нашел. Название фирмы, к сожалению, не помню, не знаете, чем кончилось.
NordicEnergy Автор
21.01.2018 14:21Такого предложения не встречал, но по Вашему описанию вполне реализуемым кажется. Отводы никто не мешает делать, но вот 8-10 слоев за бакс — это наверное на оооочень большой партии. Плюс — интересно эти 50-100 Вт при какой частоте были.
Надо будет погуглить в общем на досуге))GarryC
21.01.2018 15:10Китайцы такие китайцы…
russian.alibaba.com/product-detail/250w-single-phase-high-frequency-planar-transformer-60724633885.html?spm=a2700.8699010.29.166.6afc7744RdP2cO
я не очень понимаю, как они с ЭТОГО 120Вт снимут, про 250Вт и речи нет)NordicEnergy Автор
21.01.2018 15:13Тем более при указанных 200-300 кГц. Хотя Китай страна возможностей :D
LCLR
21.01.2018 14:21Спасибо за статью, познавательно.
Вопрос по схемотехнике — ККМ сделали на флайбэке (трансформатор же для него разрабатывали)? Какой получился КПД?
Хотелось бы увидеть публикацию про работу с Comsol — хочу освоить какой-нибудь софт для КЭ моделирования, но никак не получается начать.NordicEnergy Автор
21.01.2018 14:23ККМ-а удалось избежать, применив LLC полумост (резонансный). В данной топологии коммутация происходит в нуле напряжения и тока, поэтому PFC собственно и не нужен. Если бы делал отдельный ККМ, то скорее реализовал бы однотактную топологию (step up). КПД при такой топологии обычно ниже 92-94% уронить сложно.
LCLR
21.01.2018 15:52Не совсем понял, как мягкое переключение влияет на коэффициент мощности. КМ портится из-за того, что входной выпрямитель работает на емкостной фильтр, который в момент заряда создает скачки тока. А что там стоит дальше и как переключается, уже не важно.
NordicEnergy Автор
21.01.2018 16:02КМ портится из-за того, что отбор энергии происходит только на пиках синусоиды, т.к. dc/dc представляет из себя реактивную нагрузку с емкостным характером. То есть потому, что мощность из сети отбирается при напряжение на кондере около номинального. Переключение в нуле же от этого избавляет, по сути «укладывая» периоды коммутация в период сети, а ноль сути совпадает с моментом переключения работы плеч.
Надеюсь понятно)) Иначе надо пересказывать пару книг, а это время и в комментариях не удобно.ploop
21.01.2018 18:53Теперь и мне непонятно, каким образом принцип работы резонансника относится к входной цепи? На входе там должна быть постоянка не ниже определённого уровня и всё.
sanchosd
22.01.2018 10:58Теперь мне непонятно…
Как работает ККМ я хорошо вкурсе, но чет я недогоняю…
Может мы про одно и то-же, просто разными словами?
У вас в течение одного полупериода синусоиды идет отбор энергии «много-много» раз, но количество отбираемой энергии пропорционально мгновенному значению напряжения? Так?
Обычно LED-дрова делают как флайбэк совмещенный с ККМ. особенность в том, что в каждом такте накачки энергией дросселя, пиковое значение тока через ключ пропорционально мгновенному напряжению в сети(можно реализовать непосредственно, меряя делителем, или другими способами, но не суть), и отбор энергии как-бы повторяет форму напряжения в сети.
Я правильно понимаю, что у Вас по тому-же принципу сделано? Т.е. в контур резонансника закачивается энергия, порциями, величина которых пропорциональная мгновенному значению напряжения в сети?
Если так, то я просто падаю ниц и бьюсь в истерике!!!!))))
Потому, что даже Infineon, до такого не допер. Они выпускают свои МС резонансник+ККМ. и у них дривер состоит из классического ККМ+LLC полумоста.
batman12345
22.01.2018 11:00Если честно, нихрена не понятно (((
До этого комментария я наивно думал, что знаю что такое LLC-полумост, и что такое ККМ (bridgeless в том числе).
Прошу пояснить каким волшебным образом коммутация в нуле (кстати, в нуле чего?) избавляет неравномерного потребления тока из розетки?
LLC-полумост, допустим, меньше нуждается в ККМ, поскольку имеет существенно более широкий входной диапазон Umin-Umax относительно других топологий импульсных преобразователей. Однако, при низком входном напряжении выдать на выход он ничего не сможет, соответственно в это время будет провал на выходе. Или пульсирующий выход допустим в вашем случае питания светодиодов?NordicEnergy Автор
22.01.2018 11:05Господа batman12345 и sanchosd, я бы вам с удовольствием объяснил с картинками и графиками, но это долго и слишком объемно, да и не удобно тут. Я просто сейчас сижу и думаю как это коротко на пальцах объяснить, не получается)) Может кто обратил внимание, на плате стоит мелкий DSP, который собственно всю хитрость управления (отслеживания сети, формы тока и прочего) осуществляет. Алгоритм его кода достаточно большой и не сильно простой для краткого изложения.
Если вы наберетесь терпения и дождетесь следующих статей про преобразователи, то там этот вопрос будет раскрыт достаточно подробно и показана реализация на TMS320F28027 или XMC4100.
MaxItManager
21.01.2018 14:24Век живи, век учись!
Как любитель радио, к своему стыду, я от Вас впервые узнал про планарные трансформаторы с накладным сердечником…
Спасибо за хорошую статью: с формулами расчета и отличными ответами на вопросы!!!NordicEnergy Автор
21.01.2018 14:25Если вы любитель именно радиосвязи, то вам будет интересно наверняка то, что трансформаторы в УМ выходных можно тоже делать планарными, а не на классических биноклях))
А учиться всегда надо, иначе превратимся в овощей.iceMercy
21.01.2018 15:08Есть опыт в реализации транса на бинокле (две сборки из колец) и им внутрь П-образные пластины из ФАФ-4. Волновое сопротивление пластин порядка ~25 Ом. Фазокомпенсирующая линия была из кабеля.
До этого мотал из КВФ-25, на 900 Вт он пошел дымом :) Пластины более 3 кВт выдержали.
Это КВ дипазон.
И всё же, для больших мощностей, для частот КВ диапазона и ниже, без кабелей и ферритов не обойтись.NordicEnergy Автор
21.01.2018 15:09Когда речь о нескольких сотнях и тысячах ватт, то не обойтись разумеется, но вот на мощностях до 100-200 Вт вполне себе замена. Не так много радиолюбителей с 1й категорией даже сейчас и тем более не все работаю на мощностях больше 200 Вт))
iceMercy
21.01.2018 15:12Нынче и второй категории достаточно для доступа ко всем диапазонам, а мощность… лучшая мощность — КПД антенны. Мне 100 ватт хватило почти на всю планету в тлф :)
NordicEnergy Автор
21.01.2018 15:15О том и речь, что 1 кВт избыточен. Когда-то на коллективке работали с Ильменем 5 кВт, вроде прикольно, но скучно как по мне. По антенне согласен, особенно если есть полноценный квадрат или Яги на 80-ку))
Psychosynthesis
21.01.2018 16:03Что ж, я тоже ненавижу всякого рода моточные изделия и данная идея выглядит очень красиво, не могу не согласится.
Единственное, помимо мощности есть ещё ограничение на вольтаж — высоковольтные обмотки (2 кВ и выше) уже просто так не сделать — там зазоры между дорожками уже должны очень большие при таком исполнении, что по понятным причинам реализовать так просто не получится.
Было бы неплохо ещё кратко описать вот какой момент — в какой последовательности спаивать слои обмоток, а также как размещать первичку, относительно вторички. В зависимости от последовательности может получится встречное, либо однонаправленное включение, как слоёв одной обмотки, так и обмоток в целом, что будет непосредственным образом влиять на результат.
По формулам: в формуле «потери в меди», подпишите, пожалуйста, в каких единицах подставлять сопротивление (объёмное?), а также что такое D1 и D2.
За расчёты спасибо, я думаю многим должно такое пригодится. Также хочу извиниться за свой последний комментарий в ваш адрес — в данном случае, с инженерной точки зрения, работа выполнена весьма достойно.NordicEnergy Автор
21.01.2018 16:08Все, что больше 1000В отдельная тема, там и обычный трансформатор уже перестает быть простой конструкцией)) Хотя у планарника после 1000В действительно больше проблем решать придется, но как по мне — это достаточно узкая область.
D1 и D2 — это длительность 1-го и 2-го цикла. Сопротивление в Омах как для обычной проволоки. Наверное это чуть позже в статье поправлю, чтобы другим читателям было тоже более понятен данный момент. Спасибо за замечание!
rub_ak
21.01.2018 16:42-2Пожалуйста не пишите так:
Высота. Даже человек с плохим глазомером может примерно оценить размеры трансформатора по фотографии и сказать с уверенностью: «Он точно больше 11 мм».
seri0shka
22.01.2018 01:16Ожидаем через несколько лет во всех китайских изделиях. Очень перспективное направление. А если на основной плате более 2 слоёв, тогда возможностей ещё больше.
holomen
22.01.2018 06:25Например, если вы откроете UPS on-line, то увидите, что трансформатор там не самый габаритный элемент.
Не самый. Второй после аккумов.
timdorohin
22.01.2018 10:24Что-то мне не нравится заполнение по меди — может все-таки не стоит брать для бутерброда платы по 1-0.8 мм?
Двусторонняя полиимидная стоит не сильно много, а заполнение по меди выйдет лучше — можно больше мощности выжать с одного трансформатора…
Make_Pic
22.01.2018 10:24Все бы хорошо, но у планарных трансформаторов очень большая проходная и паразитная емкость (чем больше слоев и меньше толщина межвитковой изоляции). Применять надо их с особой осторожностью, там, где этот параметр не критичен, а это сильно сужает диапазон применений.
NordicEnergy Автор
22.01.2018 10:25+1То есть по Вашему в обычном трансформаторе паразитная емкость сильно меньше? А зачем тогда именно с обычными трансами кидают дополнительный кондер между землями, чтобы через петлю земляную компенсировать емкость? С планарником такое уже не требуется))
Make_Pic
22.01.2018 12:25у обычных трансформаторов паразитную емкость уменьшают соответствующей намоткой и расположением катушек, у планарного это сложнее сделать.
NordicEnergy Автор
22.01.2018 12:56Что мешает в планарном трансформаторе чередовать обмотки? В моем случае идет стек: 1я плата 50% первички -> 2я плата вторичная обмотка -> 3я плата еще 50% первички -> 4я плата вторичная обмотка самопитания.
В обычном трансформаторе же паразитная емкость как минимум больше за счет большего сечения обмотки (плотность тока то меньше), да и количество витков в планарном трансформаторе меньше.
Wan-Derer
22.01.2018 11:09А можно чуть-чуть оффтопа? Надеюсь что кроме автора ответит ещё кто-нить, поэтому пишу не в личку. В общем, кто может посоветовать простую, дешёвую и повторяемую конструкцию импульсного блока питания 230 -> 12В 3А? Более подробно свою задачу я описал здесь
Сам я в импульсных схемах не смыслю (но транс намотать в состоянии). Поэтому буду благодарен за готовую конструкцию или референс-дизайн с расчётами.NordicEnergy Автор
22.01.2018 11:15Можно взять простую и проверенную миллионами ширпотребных зарядок TOP227 или подобные. Так же в поисковике посмотрите схемы на UC3842. Оба варианты обладают отличной повторяемостью и легко собираются даже совсем без опыта. Главное будьте аккуратны — сетевое напряжение все таки опасно))
P.S. ждем, что еще народ посоветует. Возможно есть еще более простые и адекватные решения. Тоже будет интересно.GarryC
22.01.2018 11:23+2Позволю себе расшифровать «будьте аккуратны»
1. ВСЕГДА применяйте при регулировке развязку от сети
2. НИКОГДА не лезьте внутрь источника более, чем одной рукой
3. а вот теперь будьте аккуратны)Wan-Derer
23.01.2018 00:23Спасибо за предупреждения! :)
В импульсниках я нуб, но небольшой опыт с сетевыми устройствами имеется
gears
22.01.2018 15:11UC3842 это конечно хорошо… Но вот с повторяемостью там не все так гладко как хотелось бы.
Гораздо лучше ISL6844 и обратную связь на FOD2712 если нужна хорошая стабильность выходного.
Zuum
22.01.2018 11:15+1Спасибо огромное за такую подробную статью. Сам являюсь студентом робототехником и очень рад статьям по схемотехнике на Geektimes, их здесь не так много, особенно свежих, а у Вас отлично получается.
VladSMR
22.01.2018 16:54Добрый день, уважаемый автор!
Цитирую Вашу замечательную статью: «Я не включил сюда компаунд для склейки сердечников...» Можно ли узнать поподробнее про процесс склейки сердечников?
В стародавние времена их клеили Циакрином…gears
22.01.2018 20:01Клеи на основе цианоакрилата теряют механическую прочность при температурах выше 70-80 градусов… Для домашних поделок сойдет, в ответственных применениях нет.
Для склеивания сердечников очень хорошо зарекомендовал себя клей К300. Это если для промышленного применения.
NordicEnergy Автор
22.01.2018 21:39Товарищ gears попал в яблочко, действительно используем компаунд (клей) К-300-61 при сборке трансформаторов. Китайцы хорошие про него тоже кстати в курсе.
gears
22.01.2018 22:00Да там особо вариантов и не так уж и много. Еще К400 тоже подходит, только дороже.
Я темой источников питания 11 лет занимался. Жаль нельзя наработки выложить, очень много всего интересного делалось… В особенности многослойный платы (10-16 слоев) с полностью интегрированными силовыми и сигнальными трансформаторами.
sanchosd
23.01.2018 13:28Вы часом не из Алегзандер-Электрик? Они любят сильно интегрированные многослойные пирожки...
NordicEnergy Автор
23.01.2018 13:30Не, с данной компанией не работал. Хотя видел их продукцию на выставке и как по мне она очень интересная.
sanchosd
23.01.2018 13:33Я для Gears писал, но ничего, буду знать))
Явки-пароли)))NordicEnergy Автор
23.01.2018 13:38Аааа, просто почему-то на почту пришло, что не просто коммент, а именно мне ответили. Извиняюсь, что влез))
sanchosd
23.01.2018 13:43+1Даниче)
кстати №2, а 3доляра это только плата спаянная, или с корпусом (и заливкой?)? пытаюсь в уме прикинуть… МС резонансника, сама по себе недешевая, 2 ключа, доп. дроссель, полимеры…
Фильтр а входе есть? Проходили тесты на помехоэмиссию в сеть ~220?
Прям не могу успокоиться, аж ерзаю на стуле)))))NordicEnergy Автор
23.01.2018 15:483$ это плата, компоненты и монтаж. Корпуса нет, т.к. решение встраивается в прожектор, заливка тоже внутрянки прожектора (кабельного отсека) в любом случае производится, поэтому эту операцию тоже не включил.
Да, сертификации пройдены, фильтр синфазный на входе есть (на фотографии платы 6-ти пиновое посадочное место около разъема).gears
23.01.2018 17:13Не удивлюсь если проект для этих товарищей делался: www.rosnanosvetspb.ru
NordicEnergy Автор
23.01.2018 18:41Про таких даже не слышал к сожалению, компания не питерская и не московская
gears
23.01.2018 19:22Компния как раз Питерская. В Москве они тоже были, лет так 7 назад. Делал для них один из LED драйверов давно.
sanchosd
24.01.2018 13:44Оочень интересно…
6-пиновое… хм… уже это добавляет интриги…
Обычно одного синфазника не хватает, требуется еще и дифференциальный дроссель, последовательно с сетью… может это особенность LLC, что он такой «тихий»…
sanchosd
23.01.2018 13:34Кстати, а как насчет резонансного дросселя в Вашем LLC конвертере? Где он прячется?)))
NordicEnergy Автор
23.01.2018 13:37На нижней стороне, дроссель выбирался стандартный у муратты низкопрофильный. Делать еще один планарник смысла особого нет. Там же и второй ключ.
seri0shka
23.01.2018 22:58Даже не подозревал, что бывают 16-слойные! И не могу представить, для чего такая в источнике питания. Вроде даже на материнках не больше 8 слоёв? Или столько слоёв именно для трансформаторов?
gears
23.01.2018 23:13Бывают и с большим количеством слоев, в руках держал плату с 60 слоями. Один из производителей печатных плат хвастался своими возможностями.
Да, для трансформатора, там много обмоток под разные исполнения.
GennPen
24.01.2018 08:59На материнке из этих 8 слоев для разводки используется 3-4 слоя, остальные работают в качестве экранировки.
sav13
23.01.2018 06:25Очень здорово
Еще бы методику расчета дросселей с разными сердечниками и без оных
Жаль что не сделать планарный конденсатор нормальной емкости )))NordicEnergy Автор
23.01.2018 12:31Расчет дросселя сильно похож. Так же ищем максимальную индукцию в сердечнике, а затем просто считаем количество витков для нужной нам индуктивности. Более подробно о дросселях думаю будет в какой-либо статье
gears
23.01.2018 13:04+2Раз столько интересующихся темой оставлю здесь несколько полезных ссылок:
Очень рекомендую книгу Power Supply CookBook, Martin Brown есть в переводе на русский от издательства МК-Пресс, но там ошибок… Иногда по несколько штук на страницу. Читать русскую версию можно если есть хорошее понимание схемотехники и самой физики процессов, но лучше оригинал.
Тем кто только начинает свой путь в освоении страшного зверя по имени «Импульсный источник питания» неплохо ознакомиться с циклом статей все просто и на пальцах объяснено как работает. Сам начинал заниматься темой под руководством автора статей.
А так же хорошая подборка книг и статей по теме источником питания есть здесь
madf
23.01.2018 18:37Имею слабое представление о конечном результате (много формул), по вашему опыту можно сказать "на глаз", можно ли эту технологию использовать, скажем для замены выходных трансформаторов ламповых усилителей (аудио)?
NordicEnergy Автор
23.01.2018 18:39Можно, но расчет сильно усложнится, т.к. необходимо будет учитывать кучу паразитных параметров, ибо по моему скромному мнению они наверняка будут влиять на звук, особенно на КНИ.
gears
23.01.2018 19:32Простите, а как Вы себе это представляете?
Для лампового усилителя нужно в первичке набирать десятки Гн индуктивности. Как по такой технологии набрать несколько тысяч витков? Да и феррит на таких низких частотах работать не будет, даже с зазором.
Для примера можно взять простейший транс ТВ-3Ш
первичка — 3000 витков
вторичка — 114 витковNordicEnergy Автор
23.01.2018 19:43Есть «чугуниевые» сердечники. Экзотика, но видал подобное во входных дросселях. Десятки Гн как-то жирновато действительно.
gears
23.01.2018 20:47Может не «чугуниевые», а мо-пермаллой формованный?
NordicEnergy Автор
23.01.2018 20:49Именно железо, и такое бывает)) А распыленное железо и прочее оно уже и не экзотика. В том же Лэпкос вроде есть даже
gears
23.01.2018 21:41Распыленка еще лет десять назад перетала быть экзотикой :)
Только на ней большую индуктивность набрать крайне проблематично.
Зато для фильтров хороша.
mike_y_k
24.01.2018 11:57Спасибо за экскурс в страну тайн ;).
И сразу вопрос за изолятор между слоями — а препреги не пробовали?
jee
24.01.2018 12:40Скажите пожалуйста, а ЛУТ-ом можно самому сделать такой трансформатор?
GennPen
24.01.2018 12:47При односторонней плате будет сложно выводить середину обмотки.
jee
24.01.2018 12:57Это я понял, я умею двусторонние. Есть ли вообще такая практика? И какая область применения у таких трансов? Скажем, можно ли сделать блок питания аналогичный обычному трансформаторному — не сгорит ли он на холостом ходу?
GennPen
24.01.2018 13:03Тут все дело в металлизированных переходных отверстиях между слоями, которые не вносят дополнительной толщины когда собираешь «бутерброд» из плат. Но, если соблюсти все параметры обмоток, то почему бы и нет.
Аналогичный классическому трансформаторному — нет, только для импульсных.jee
24.01.2018 13:06Понял, спасибо огромное за ответы! Импульсные пока что для меня неизведанная область. Насчёт переходных отверстий — я нашел китайские заклёпки для этого дела, вполне симпатично получается. Утолщение конечно есть но несравнимо меньше чем если проводками делать
NordicEnergy Автор
24.01.2018 13:17Что значит обычному? Эти трансформаторы делают на феррите, просто там в розетку его не сунуть — пыхнет сразу. ЛУТом не пробовал и никогда не видел, но преград не вижу.
NordicEnergy Автор
24.01.2018 13:11ЛУТом тоже можно, только главное не забыть добавить изоляцию между платами, когда будете собирать «пирог».
m0xf
Что с изоляцией между слоями? Как я понял, там только паяльная маска. Возможно будет лучше сделать «пирог» из односторонних плат 0.5мм.
NordicEnergy Автор
С изоляцией все проще, она стандартизирована. Для напряжений до 48В (включительно) достаточно изоляции между слоями 200 мкм. Для напряжений больше 48В (до 400В включительно) требуется изоляция в 400 мкм. Если у вас выпрямленная трехфазка (около 660В), то требуется уже 800 мкм.
Изоляцию можно выполнить несколькими способами: вставки (воздушный зазор), изолирующие пленки.
Односторонний текстолит к сожалению сильно усложнит сборку трансформатора, т.к. сама обмотка начинается от края и заканчивается в центре. Второй слой позволяет вернуться от центр обратно на край платы. Можно извратиться и сделать переходы в центре, но как выше сказал — усложняется сборка.
Я обычно использую пленки и всем их рекомендую. Производители моточных изделий их продают с шагом 100 мкм. Что касается расчетов, то для нормальных условий берется соотношение 1 мм на 1 кВ или более понятное соотношение — 1В/мкм.
Если жезка будет эксплуатироваться НЕ в корпусе IP56 и выше, то нужно увеличивать зазор в зависимости от средней влажности среды.
borisxm
А как обстоят дела с сертификацией этого добра в сетевых блоках питания? С обычными трансформаторами уже все отработано и при соблюдении норм особых эксцессов не предвидится. В планарных трансформаторах меня смущает возможность обугливания текстолита с появлением серьезных токов утечки между первичной и вторичными обмотками.
NordicEnergy Автор
Сертификацию таможенного союза и CE проходили без проблем. Когда проходили exia для нефтянки, то прошлось залить все устройство компаундом и вопросы тоже отпали. С другими сертификациями опыта личного не имел, поэтому что-то сказать не могу.
gorbln
А что ставили по входу для Exia? Три стабилитрона и предохранитель? Или резистор? Заливать компаундом пришлось из-за конденсаторов или чтобы руки проверяющих (точнее, щупы) не дотянулись ни до какой точки платы?
NordicEnergy Автор
2 варистора + TVS + предохранитель. И сами цепи и количество конденсаторов оптимизированы так, чтобы в их общей емкости не скапливалось достаточно заряда для образования искры. Компаундом все заливается, потому что устройство встраивается в прожектор, а там по технологии секция с коммутацией и кабельными вводами заливается.
На сертификацию все отдается в разобранном виде + в готовом (конечный продукт), поэтому шаловливые руки проверяющих везде достают. Да и как я понял они больше анализировали схемотехнику и соответствие устройства, те ли номиналы и прочее.
lelik363
Цены, которые указаны у Вас на сайте, включают испытания?
NordicEnergy Автор
Да, так же и пакет документации для прохождение сертификации электробезопасности (220В) и таможенного союза (ТС). Последние год-полтора их хотят все.
lelik363
Чем подтверждаете длительный срок службы изделия?
sim2q
тоже присоединяюсь к вопросу, но в контексте электролитических конденсаторов
NordicEnergy Автор
А там и нет электролитов)) Твердотельные полимерные кондеры.
lelik363
Это как бы житейские соображения.
Например протокол ресурсных испытаний или расчет MTBF?
MrRIP
То, что «электролит» в конденсаторе является полимером не отменяет факт наличия этого самого «электролита»! Просто среда переноса ионов немного твёрже :D
NordicEnergy Автор
Совершенно верно. Я просто написал более «народным» языком, чтобы поняли не только электронщики, но и все остальные читатели. А вариант «твердотельный/полимерный» ассоциируется с видеокартами — все сразу догадались))
NordicEnergy Автор
Выбором компонентов в первую очередь (пленка, тантал и прочее) и испытания, в том числе и в запредельном диапазоне. Например, чтобы ускорить процесс деградации конденсаторов — перегреваем их в климатической камере. Подробнее методики испытаний описаны, например, в ГОСТах. Можно так же разработать свои.
saboteur_kiev
Стоило добавить это в статью =)
Vitalley
У Резонита вроде читал что у них электроизоляция маски не нормируется нигде и они предлагают не использовать её в качестве изолятора.
olartamonov
Ну, если нужна изоляция между двумя низковольтными платами, лежащими друг на друге (SMD-монтаж модуля поверх основной платы), то маска обеспечивает 10-20 мкм гарантированного зазора между их дорожками. Собственно, поэтому готовыми модулями с SMD-монтажом, теми же модемами или GPS, и можно спокойно пользоваться.
При этом полноценным изолятором она в общем случае действительно не является, если ткнуть щупом мультиметра в закрытое маской переходное отверстие, он с большой вероятностью достанет до меди.
progchip666
Как то я заказывал в Резоните платы с закрытыми масками отверстиями. Было мало места на плате и я рискнул сделать переходные отверстия под заземлённой термоплощадкой микроконтроллера. Заставил их переделать плату 3 раза но отсутствия замыкания при монтаже так и не удалось получить, в конце концов пришлось переразводить для чего переходить на глухие отверстия. Проводить подобные эксперименты с трансформатором у меня совсем нет желания.