Gibt es unerwartete Effekte beim Drucken eines Induktors auf eine Leiterplatte?

Angenommen, ich drucke eine achtschichtige Leiterplatte mit einer Spirale, die auf der obersten Schicht beginnt und sich durch alle inneren Schichten bis zur Unterseite fortsetzt. Angenommen, ich drehe die Spirale auf allen Schichten in die gleiche Richtung, sollte diese Leiterplatte als Induktivität wirken. (Ich könnte ein Loch in der Mitte der Spirale für einen Kern lassen, oder wenn nicht, könnte ich es einfach mit einem Luftkern belassen. Ich gehe der Einfachheit halber im Moment von einem Luftkern aus.) Zur Bestimmung stehen viele Rechner zur Verfügung B. die Induktivität einer Luftdrossel, und um die Strombelastbarkeit von Kupferbahnen bei gegebenen Gewichten und Breiten sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenschicht zu bestimmen. Das naive Design eines solchen Induktors ist unkompliziert.

Was mich wundert, sind nicht offensichtliche Effekte. Wird die Induktivität bei gleichen Abmessungen und Windungszahlen tatsächlich wie eine drahtgewickelte Luftdrossel ausfallen? Wird es aufgrund der magnetischen Kopplung zwischen den Schichten oder zwischen der Leiterplatte und einem Metall in der Nähe zu zusätzlichen Erwärmungseffekten kommen? Verursachen die magnetischen Effekte physikalische Belastungen auf die Struktur der Platine? Gibt es noch andere Gründe, warum sich das als weniger gute Idee herausstellen könnte, als es zunächst den Anschein hat?

Als Kontext suche ich nach einer kostengünstigen Möglichkeit, eine 0,5-1-mH-Drossel zu bauen, die zwei Sekunden lang 50 Ampere verarbeiten kann. Es sieht so aus, als könnte ich eine Leiterplatte dafür für etwa 20 US-Dollar in einer bestimmten Menge drucken, was eine viel billigere und flexiblere Lösung ist, als sie von Magnetherstellern angeboten wird. Ich weiß, dass gedruckte Transformatoren üblich sind und um planare Kerne herum aufgebaut sind, aber die Kerne, die ich gesehen habe (zugegebenermaßen nicht alle Kerne überall), können nicht annähernd die Energie verarbeiten, die ich benötigen würde. Und die Drossel physisch größer zu machen und gleichzeitig die Verwendung eines Kerns zu vermeiden, macht das Design einfacher und die Lieferkette einfacher, was im Kontext ein guter Kompromiss ist.
Tatsächlich werden sowohl Induktivitäten als auch Transformatoren in großvolumigen DC/DC-Wandlern auf diese Weise hergestellt, und Sie können zweiteilige Ferritkerne kaufen, die genau für solche Anwendungen entwickelt wurden. Nachteile sind mir keine bekannt.
Ich stütze meine Schätzungen auf diesen Rechner: 66pacific.com/calculators/coil_calc.aspx
Eventuell müssen Sie Durchkontaktierungen berücksichtigen, insbesondere bei Ihrem sehr hohen Strombedarf.
Ich denke, Sie werden feststellen, dass der Rechner die vereinfachende Annahme macht, dass "Tiefe" viel kleiner als "Durchmesser" ist (dh weniger als 10%), und Ihnen optimistische Schätzungen für die Induktivität gibt.
@Remiel Dieser Rechner ist optimistisch, aber ja, 50 A in Impulsen auf 2-Unzen-Viertelzoll-Spuren funktionieren gut - Ein Risiko ist die Delamination / Gasung von Schichten in billigeren Platinen. Erwarten Sie vielleicht ein Drittel bis zwei Drittel der Induktivität, die der Rechner anzeigt, ausgehend von den tatsächlichen Ergebnissen, die ich für einen planaren PCB-Induktor mit 20 Ampere und 100 Mikrohenry gesehen habe - Offenlegung: Ich habe diesen speziellen Rechner noch nie zuvor gesehen.
Ich habe ein 4oz Chokeboard mit 68 Windungen und 50 mil Spuren und einer 4"x4" Spirale auf beiden Seiten des Boards bestellt. Mal sehen, wie es sich verhält, wenn es ankommt! Selbst wenn ich nur 200 uH bekomme, sollte es für meine Bedürfnisse immer noch wesentlich kostengünstiger sein als kundenspezifische Drosseln ...
@AnindoGhosh Ich habe meine Leiterplatten getestet. Du hattest ziemlich recht. Ein Resonanzmesser zeigt 180 uH an. Die Messung der tatsächlichen VI-Kurve ergibt zwischen 250 und 375 uH. Ich vermute, der Unterschied kann auf den relativ hohen Widerstand der Spuren zurückzuführen sein ...
@Remiel Der Widerstand sollte die Induktivitätsmesswerte nicht beeinflussen.
@AnindoGhosh Dann vielleicht kapazitive Effekte? Ich bin nicht sehr vertraut damit, wie die Resonanzmessung der Induktivität funktioniert. Wie auch immer, es sieht so aus, als würde der Widerstand die Leiterplatte für meine Anwendung unbrauchbar machen, aber es ist immer noch interessant zu wissen, was los ist.
@Remiel Ja, vielleicht eine Art Kopplung zwischen den Schichten. Soll ich meinen ursprünglichen Kommentar in eine Antwort umwandeln?
@AnindoGhosh An diesem Punkt wäre das wahrscheinlich das Beste. :)
Ich habe inzwischen einen besseren Rechner gefunden, der meinen beobachteten Werten sehr nahe kommt. circuits.dk/calculator_flat_spiral_coil_inductor.htm

Antworten (2)

Ein Induktor, der durch Ätzen einer Spirale in eine Leiterplatte hergestellt wird, funktioniert gut. Dies wurde gelegentlich in Hochstromanwendungen mit knappem Budget verwendet, bei denen die von der "Spule" abgestrahlte EMI kein großes Problem darstellt, ebenso wenig wie der genaue Wert der Induktivität.

Der von OP in den Kommentaren erwähnte Rechner ist im Vergleich zu den in der Praxis erzielten Ergebnissen optimistisch.

Ja, 50 A in Impulsen mit einer ausreichenden Abkühlzeit dazwischen, auf 2-Unzen-Viertelzoll-Spuren funktionieren gut. Wenn 4 oz Kupfer eine Option ist, funktioniert das besser, sowohl aufgrund des geringeren Widerstands als auch der höheren Wärmekapazität.

  • Ein Risiko eines solchen Designs ist die Delamination / Ausgasung von Schichten in billigeren Platinen und dünnerem Kupfer
  • Erwarten Sie vielleicht ein Drittel bis zwei Drittel der Induktivität, die der Rechner anzeigt, ausgehend von den tatsächlichen Ergebnissen, die ich für eine planare PCB-Induktivität mit 20 Ampere und 100 Mikrohenry gesehen habe
  • Die Kopplung mit Metall in der Nähe ist minimal - beachten Sie, dass die "Spule" ein planarer Induktor ist, daher sind die magnetischen Kraftlinien im Vergleich zu einem kreisförmigen Drahtspulenprofil stark verzerrt und abgeflacht
  • Das Hinzufügen eines gedrungenen, nietenförmigen Kerns aus geeignetem Material kann sehr vorteilhaft sein, insbesondere wenn der maximale Durchmesser der Spirale relativ klein gehalten werden kann. Mit zunehmendem Außendurchmesser sinkt die Wirksamkeit des Kerns drastisch.

Offenlegung: Ich habe diesen speziellen Rechner noch nie zuvor gesehen

Die Herstellung von kleinwertigen Induktoren wie dieser funktioniert definitiv. Das Problem ist, dass die Anzahl der Windungen für die Größe sehr begrenzt ist, selbst wenn mehrere Schichten verwendet werden. Ein weiteres Problem besteht darin, dass, da sich die Windungen radial nach außen ausdehnen, das Magnetfeld nicht gut in der Mitte konzentriert ist, wie es bei einem um einen Kern gewickelten Draht der Fall wäre. Das verursacht eine Menge Streuinduktivität, wenn Sie versuchen, einen Transformator auf diese Weise herzustellen. Es gibt kein Problem der Streuinduktivität mit nur einer Spule mit zwei Anschlüssen, aber die Gesamtinduktivität wird niedrig sein.

500 µH auf 1 mH bei 50 A!!? Ernsthaft!!? Das ist so lächerlich weit weg, um komisch zu sein. Denken Sie selbst bei den dicksten Kupferleitern, die Ihr Boardhouse leisten kann, nur daran, wie breit jeder sein müsste, um 50 A zu unterstützen. Dann überlegen Sie, wie wenige Windungen das zulässt und wie schnell der Durchmesser mit mehr Windungen wächst. Oder schauen Sie sich einfach die Energie an, die Sie von diesem Induktor speichern möchten. 50 A bis 500 µH sind 2,5 J!!! Wo genau, halluzinieren Sie, soll diese Energie gespeichert werden?

Ich habe einen Kommentar hinzugefügt, der auf den Choke-Rechner verweist, den ich verwende. Ich kann leicht achtlagige Leiterplatten bekommen, 4 Unzen außen, 2 Unzen innen. Angenommen, die Spuren können das 4-fache ihrer kontinuierlichen Bewertung für 2 Sekunden ausführen, also müssen meine Spuren 50 mil außen und 220 mil innen sein. Quadratisches Vier-Zoll-Brett, 2000 mil Radius, acht Windungen pro Innenschicht, 40 Windungen pro Außenschicht, insgesamt 128 Windungen. Verwenden Sie den verlinkten Rechner, mehrreihig, mehrschichtig, 128 Windungen, 4 "Durchmesser, 2" Tiefe. Die Länge hängt von der Plattendicke ab, nehmen Sie 0,1 Zoll an und Sie erhalten 1,6 mH. Selbst wenn Sie die Länge auf 8 Zoll dehnen, bleiben sie über 500 uH. Also wenn ich es nicht falsch verwende...
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