PCB 변압기 이해하기 - 완벽한 가이드

PCB 변압기 이해하기 - 완벽한 가이드

PCB(인쇄 회로 기판) 변압기는 전력 변환에 필요한 전압을 필요에 따라 높이거나 낮추는 전기 시스템에서 중요한 역할을 합니다.

이 종합 가이드에서는 다음과 같은 내용을 자세히 살펴봅니다. PCB 변압기 작동 방식, 구성 요소, 테스트 절차, 애플리케이션에 적합한 변압기 선택을 안내하는 요소 등을 살펴봅니다.

목차
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    PCB 트랜스포머란 무엇인가요?

    PCB 변압기는 별도의 독립형 부품이 아닌 인쇄 회로 기판에 직접 구성된 변압기를 말합니다. 변압기 코일, 코어 및 배선은 별도로 제조되지 않고 PCB 제조 과정에서 기판에 에칭되거나 장착됩니다.

    PCB 변압기
    PCB 변압기

    PCB 변압기는 전자기 유도를 통해 AC 전압을 높이거나 낮추는 동일한 필수 전압 변환 기능을 제공합니다. 그러나 인쇄 기판에 직접 통합하면 소형 전원 공급 장치, 소형 전자 장치 및 효율적인 고밀도 기판 생산이 가능합니다.

    PCB 변압기는 가전제품, 의료 장비, 통신 기기, 전력 컨버터, 오디오 하드웨어, 산업용 제어 시스템에서 찾아볼 수 있습니다. 소형 신호 변압기부터 최대 300W의 고전력 모델까지 다양합니다. 적절한 PCB 변압기 선택과 통합은 전기 시스템 성능의 핵심입니다.

    PCB 트랜스포머에 대한 간략한 소개

    PCB 트랜스포머의 재질은 무엇인가요?

    PCB 변압기 제작에 사용되는 재료는 다음과 같습니다:

    구리 코일 권선 - 에칭 라미네이팅으로 제작 구리 흔적 를 클릭합니다.

    페라이트 코어 - 자속을 집중시키고 전달하는 데 사용되는 강자성 세라믹으로 제작되었습니다.

    PCB 기판 - 보통 FR-4 유리 에폭시. 전기 등급 소재는 간섭을 방지합니다.

    솔더 - 코일 종단 및 마운팅 하드웨어에 사용됩니다. 납 또는 무연.

    포팅 컴파운드 - 보호와 안정성을 위해 코일을 에폭시로 완전히 감쌌습니다.

    마운팅 하드웨어 - 스탠드오프, 나사 및 와셔는 PCB 코일 위에 코어를 장착합니다.

    PCB 변압기는 인쇄 기판의 높은 트레이스 밀도와 신뢰성을 활용하여 수작업 배선으로는 불가능한 정밀 코일 권선을 제작합니다. 레이어드 PCB 제조 공정은 모든 변압기 요소를 내구성이 뛰어난 소형 패키지에 통합합니다.

    변압기는 회로 기판에서 어떻게 작동하나요?

    회로 기판에서 변압기가 작동하는 방식
    회로 기판에서 변압기가 작동하는 방식

    회로 기판의 변압기 작동 원리는 독립형 변압기와 동일한 전자기 유도를 따릅니다:

    입력 AC 전압이 변압기의 1차 권선에 인가됩니다.

    이 AC 입력 전류는 코어에 변동하는 자속을 생성합니다.

    코어 자속의 변화는 2차 권선에 걸쳐 다양한 전압을 유도합니다.

    권선 사이의 권선 비율에 따라 전압이 단계적으로 상승 또는 하락합니다.

    AC 입력이 다른 출력 AC 전압으로 변환됩니다.

    PCB 변압기에서 구리 코일 트레이스는 와이어 권선을 대체하여 유도성 1차 및 2차 회로를 형성합니다. 페라이트 코어 내의 변동하는 자기장은 기존 변압기와 마찬가지로 전압을 변환합니다.

    보드에 직접 통합하면 트레이스 폭과 권선비를 조정하여 밀리 와트에서 수백 와트에 이르는 초소형의 맞춤형 PCB 트랜스포머를 만들 수 있습니다.

    PCB 트랜스포머의 구성 요소는 무엇인가요?

    PCB 변압기에는 다음과 같은 주요 구성 요소와 하위 어셈블리가 포함되어 있습니다:

    인쇄 회로 기판(PCB)
    모든 전기 요소와 연결이 장착되는 기초를 형성합니다. 표준 와이어 코일을 대체하는 정밀하게 에칭된 평평한 구리 트레이스 권선이 포함되어 있습니다. PCB 기판은 구성 요소를 전기적으로 절연하고 고정합니다.

    핵심
    페라이트 코어는 구리 트레이스 권선을 통과하는 전류에 의해 생성된 자속을 채널링하기 위한 제어된 경로를 제공합니다. 일반적인 코어 구성은 E-코어, 토로이드 및 E-I 조합입니다. 코어 형상과 재료 특성은 전력 전송 성능에 큰 영향을 미칩니다.

    코일 와인딩
    PCB에 전략적으로 형성되고 라우팅된 구리 트레이스는 변압기의 전도성 권선을 구성합니다. 변압기 토폴로지에 따라 2개에서 4개 이상의 코일 권선이 있을 수 있습니다. 트레이스 폭, 길이, 턴 수에 따라 인덕턴스가 결정됩니다.

    종료
    각 코일 권선에 연결된 납땜 가능 패드가 노출되어 있어 PCB에 내장된 변압기와 외부 부품 또는 회로를 연결할 수 있습니다. 종단은 변압기를 더 넓은 보드에 전기적으로 고정합니다.

    마운팅 하드웨어
    스탠드오프, 와셔, 나사, 때로는 스프링 클립이 페라이트 코어를 아래쪽 PCB 권선 위에 기계적으로 단단히 부착합니다. 이렇게 하면 인덕션을 위해 자속장을 집중시키는 데 중요한 폐쇄형 코어 형상이 만들어집니다.

    포팅 컴파운드
    진동이 심한 환경이나 고전압 애플리케이션에서 변압기는 에폭시 포팅 컴파운드로 완전히 캡슐화됩니다. 이는 권선을 전기적으로 절연하고 환경 오염 물질로부터 보호합니다. 포팅은 신뢰성을 높입니다.

    전기 차폐
    일부 정밀 저레벨 신호 변압기에는 코일 주위에 접지된 패러데이 차폐 케이지가 통합되어 있어 주변 PCB 구성 요소 및 회로로부터 유도성 간섭을 최소화합니다. 이를 통해 좁은 공간에서도 절연이 가능합니다.

    절연
    Kapton 테이프, 전선 절연 또는 플라스틱 랩과 같은 얇은 절연은 촘촘하게 포장된 코일 권선과 기타 전도성 표면 사이의 우발적인 단락을 방지합니다. 절연은 극한의 온도를 견뎌냅니다.

    냉각
    더 큰 고전력 PCB 변압기는 방열판, 냉각 패드, 공기 흐름 차단 또는 기타 열 관리 기능을 통합하여 정격 부하에서 연속 작동하는 동안 과도한 온도 상승을 방지할 수 있습니다.

    PCB 트랜스포머와 비PCB 트랜스포머의 차이점은 무엇인가요?

    PCB 트랜스포머와 비PCB 트랜스포머의 차이점
    PCB 트랜스포머와 비PCB 트랜스포머의 차이점

    PCB 변압기와 기존 변압기 간에는 몇 가지 주요 차이점이 있습니다.
    독립형 유선 변압기:

    ●코일 재질 - PCB 트랜스포머는 개별적으로 절연된 자석 와이어 권선을 사용하는 대신 기판 레이어의 평평한 구리 호일 트레이스에서 권선을 생성합니다. 이를 통해 수동 권선으로는 불가능한 권선 형상과 밀도를 구현할 수 있습니다.

    ●자동화된 생산 - PCB 변압기는 자동화 설비에서 제조됩니다. SMT 라인 대량 생산이 가능합니다. 이는 수작업으로 권선을 감고 조립하는 독립형 변압기와 비교됩니다. 일관성은 제조에 도움이 됩니다.

    소형화 - 프린트 트레이스 구조는 정밀한 치수 제어로 훨씬 더 촘촘하게 권선을 포장할 수 있습니다. 이를 통해 권선 보빈으로는 달성할 수 없는 최소 3~5mm의 변압기 높이까지 극도로 소형화할 수 있습니다.

    ●통합 제조 - PCB 변압기는 나중에 개별 변압기를 설치할 필요 없이 일반 인쇄 회로 기판 생산 공정에 통합됩니다. 이를 통해 제조 공정이 간소화되고 자동화됩니다.

    사용자 지정 - PCB CAD를 사용하면 권선 패턴, 트레이스 폭, 회전율 및 기타 파라미터를 완전히 맞춤 설정하여 최적화할 수 있습니다. 수작업으로 감은 보빈은 구성이 훨씬 어렵습니다.

    비용 - 생산량이 많을 경우, 자동화된 제조 비용 절감을 고려할 때 PCB 변압기 비용은 개별 변압기보다 훨씬 낮을 수 있습니다. 그러나 수량이 적을 때는 비용이 비슷합니다.

    자동화된 인쇄 기판 제작은 수동 와인딩 방식에 비해 더 높은 정밀도, 더 작은 크기, 완전한 맞춤형 제작을 가능하게 합니다. 하지만 전력 전달 물리학은 동일하게 유지됩니다.

    PCB 변압기는 어떻게 테스트하나요?

    PCB 변압기는 다양한 방법을 사용하여 제조 결함 및 설계 성능 편차를 모두 테스트할 수 있습니다:

    디자인 규칙 확인PCB 설계 소프트웨어 트레이스 간격, 레이어 간 간격 등과 같은 중요한 설계 규칙이 단락을 방지하기 위해 엄격하게 준수되는지 확인합니다. 이를 통해 제조 가능성을 검증합니다.

    ●연속성 확인 - 멀티미터 또는 저항계는 도체의 잠재적 균열 또는 제조 결함을 나타내는 권선 트레이스의 개방 회로 또는 단락 루프를 확인합니다. 전기적 무결성을 확인합니다.

    위상 확인 - 1차 코일 접점에 AC 전압을 인가하고 2차 코일을 프로브하여 위상 관계가 예상과 일치하는지 확인합니다. 권선이 PCB 레이어에 올바르게 배선되었는지 확인합니다.

    회전율 테스트 - 2차측 권선을 프로빙하는 동안 1차측 권선에 고정 저전압 AC를 적용하면 예상 변압기 권선비가 정확하게 달성되는지, 적절한 권선 패턴을 나타내는지 확인할 수 있습니다.

    인덕턴스 확인 - 인덕턴스 미터는 1차 권선과 2차 권선 모두에서 나타나는 정확한 인덕턴스를 정량화할 수 있습니다. 측정된 인덕턴스는 설계 목표의 허용 오차 범위 내에 있어야 합니다.

    자속 테스트 - 전류 프로브는 변압기가 공칭 입력 전압 및 부하에서 작동할 때 페라이트 코어 주변에 강한 자속장이 존재하는지 확인합니다. 전자기 성능을 측정합니다.

    절연 테스트 - 메그 옴 미터는 변압기 권선과 코어 사이의 절연 저항 수준이 최소 설계 기준을 충족하는지 확인하여 다음과 같은 경우 단락 고장을 방지합니다. 작동합니다.

    하이팟 테스트 - 높은 전위 테스트는 최대 작동 전압 이상의 수준으로 절연에 스트레스를 가하여 설계가 아크 또는 유전체 파괴 없이 과도 스파이크를 견딜 수 있는지 검증합니다.

    PCB 트랜스포머를 어떻게 식별하나요?

    PCB 변압기를 식별하는 방법
    PCB 변압기를 식별하는 방법

    PCB 변압기의 존재 여부와 사양을 확인하려면 주요 물리적 특징과 표시를 식별해야 합니다:

    인쇄된 코일이 전선 대신 기판 표면에 보입니다. 에폭시 포팅 아래 부분적으로 가려질 수 있습니다.

    페라이트 코어는 주로 E, 토로이드 또는 EE 모양으로 PCB 위에 장착됩니다.
    스탠드오프로 제자리에 고정합니다.

    1차 및 2차 코일 종단 지점은 변압기 기호와 함께 회로도에 표시되어 있습니다.

    "T1" 또는 "XFMR1"과 같은 부품 참조 지정자는 PCB 실크스크린 및 회로도에서 트랜스포머를 식별합니다.

    입력 및 출력 전압, 권선비, 정격 전력, 인덕턴스 값, 절연 등급 등과 같은 변압기 사양은 부품 데이터시트에서 확인할 수 있습니다.

    ●경고 기호는 고전압 PCB 전원 변압기에 대한 절연 경계 및 고전압 위험을 나타냅니다.

    뚜렷한 물리적 구조를 이해하고 인쇄된 코일과 페라이트 코어를 식별하면 PCB 트랜스포머와 개별 유선 트랜스포머의 존재 여부를 확인할 수 있습니다. 참조 지정자 및 사양을 확인하여 변압기 특성을 확인합니다.

    PCB 트랜스포머는 어떻게 선택하나요?

    특정 애플리케이션에 가장 적합한 PCB 트랜스포머를 선택하려면 수많은 설계 요소와 트레이드오프를 평가해야 합니다:

    입력/출력 전압 - 변압기는 소스 입력 전압과 목표 부하 출력 전압을 적절히 승압 또는 하강시킬 수 있는 적절한 권선비를 제공해야 합니다. 허용 오차를 고려해야 합니다.

    ●출력 전력 - 변압기를 통해 흐르는 연속 부하 전류에 전압 차이를 곱하면 자기 포화를 방지하는 데 필요한 최소 출력 전력 등급이 결정됩니다.

    빈도 - 변압기의 사용 가능한 주파수 범위는 효율적인 전력 전송을 위해 구동 회로 주파수를 편안하게 감싸고 있어야 합니다. 주파수가 높을수록 더 많은 누설 인덕턴스 제어가 필요합니다.

    ●효율성 - 변압기 효율이 높으면 열로 손실되는 낭비되는 전력을 줄이는 동시에 부하에 대한 가용 전력 전송을 극대화할 수 있습니다. 따라서 냉각 필요성을 최소화하면서 안정성을 개선할 수 있습니다.

    크기 - 코어 및 권선 설치 공간은 안전 인증을 위해 고전압 회로와 저전압 회로 사이에 충분한 간격과 연면거리를 허용해야 합니다. 풋프린트 제한으로 인해 전력 용량이 제한될 수 있습니다.

    절연 등급 - 항복 전압 및 절연 요구 사항에 따라 유전체 고장이나 아크 없이 최대 과도 전압 스파이크를 처리하기 위한 절연 선택이 결정됩니다. 노이즈 내성도 고려해야 합니다.

    환경 - 변압기는 사용 환경 범위에서 예상되는 극한의 온도, 습도, 기계적 충격 및 진동을 견뎌내야 합니다. 포팅과 코팅은 오염 물질로부터 보호합니다.

    인증 - 애플리케이션에서 요구하는 안전, 배기가스 및 EN, UL, FCC와 같은 규제 인증에 따라 설계 제한 및 규정 준수 테스트가 필요할 수 있습니다. 인증 비용은 전력 수준에 따라 증가합니다.

    비용 - 총 변압기 비용은 성능, 크기, 기능, 테스트 요구 사항 및 제조 고려 사항과 예산 제약 간의 균형을 유지해야 합니다. 점진적인 개선은 비용을 추가합니다.

    숙련된 PCB 변압기 제조업체와 긴밀히 협력하면 기술적 요구 사항과 상업적 고려 사항의 균형을 맞춘 최적의 변압기를 선택할 수 있습니다.

    결론

    PCB 변압기는 인쇄 회로 기판 생산 방식을 통해 제조되는 특수한 종류의 소형 변압기입니다.

    전기 엔지니어는 구조, 기능, 테스트, 식별 및 선택 기준을 이해함으로써 이러한 필수 장치를 모든 종류의 전자 장비에 효과적으로 통합하여 안정적인 전력 변환을 수행할 수 있습니다.

    PCB 제조 기술이 제공하는 커스터마이징과 소형화는 혁신적인 변압기 설계를 계속 촉진할 것입니다.

    PCB 관련 FAQ

    PCB 변압기는 별도의 독립형 부품이 아닌 인쇄 회로 기판에 직접 구성된 변압기를 말합니다. 변압기 코일, 코어 및 배선은 별도로 제조되지 않고 PCB 제조 과정에서 기판에 에칭되거나 장착됩니다.

    • 구리 코일 권선
    • 페라이트 코어
    • PCB 기판
    • 솔더
    • 포팅 컴파운드
    • 마운팅 하드웨어

    디자인 규칙 확인

    ●연속성 확인

    위상 확인

    회전율 테스트

    인덕턴스 확인

    자속 테스트

    절연 테스트

    하이팟 테스트

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