แม่เหล็กระนาบสัญญาว่าจะมีแม่เหล็กขนาดกะทัดรัดและมีรายละเอียดต่ํา แต่การสร้างแบบจําลองการสูญเสียการรั่วไหลและความจุที่แม่นยํานั้นซับซ้อนกว่าส่วนประกอบแผลทั่วไปอย่างมีนัยสําคัญ

บทความนี้อ้างอิงจากการสัมมนาผ่านเว็บของ Frenetic อธิบายกลยุทธ์การสร้างแบบจําลองที่อยู่เบื้องหลังเครื่องมือระนาบ Frenetic โดยผสมผสานวิธีการวิเคราะห์เข้ากับการจําลององค์ประกอบ จํากัด และแนวทางกึ่ง 3 มิติ

วิศวกรได้รับเวิร์กโฟลว์ที่แม่นยําสําหรับการออกแบบหม้อแปลงระนาบและตัวเหนี่ยวนํา รวมถึงการแยกการสูญเสีย การปรับแต่งการรั่วไหลผ่านการแทรกแซง การประมาณความจุ และการเพิ่มประสิทธิภาพช่องว่าง เอกสารนี้ยังเสนอตารางที่ใช้งานได้จริงและแนวคิดการแสดงภาพเพื่อเปลี่ยนแบบจําลองเหล่านี้และผลการสาธิตให้เป็นข้อมูลการออกแบบที่นําไปใช้ได้จริงสําหรับการปรับใช้ในตัวแปลงพลังงานจริง

ประเด็นสําคัญ

• การสร้างแบบจําลองแม่เหล็กระนาบเกี่ยวข้องกับการคํานวณการสูญเสีย การรั่วไหล และความจุที่ซับซ้อน ซึ่งแตกต่างจากส่วนประกอบของบาดแผลทั่วไป
• เครื่องมือระนาบ Frenetic ผสมผสานวิธีการวิเคราะห์ การจําลององค์ประกอบไฟไนต์ และการแปลงกึ่ง 3 มิติเพื่อการออกแบบที่แม่นยํา
• วิศวกรสามารถสร้างแบบจําลองและเพิ่มประสิทธิภาพหม้อแปลงระนาบและตัวเหนี่ยวนําสําหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กําลังความหนาแน่นสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยใช้เวิร์กโฟลว์ที่ครอบคลุมนี้
• ข้อได้เปรียบที่สําคัญ ได้แก่ ความแม่นยําที่ดีขึ้นในการคํานวณการสูญเสีย และความสามารถในการแสดงภาพและปรับการออกแบบตามข้อเสนอแนะแบบเรียลไทม์
• เครื่องมือนี้เน้นแนวทางแบบองค์รวม โดยรวมเทคนิคการสร้างแบบจําลองหลายอย่างเพื่อปรับปรุงการออกแบบแม่เหล็กระนาบ

บทนํา

หม้อแปลงระนาบและตัวเหนี่ยวนําถูกนํามาใช้มากขึ้นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กําลังความหนาแน่นสูงโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อข้อ จํากัด ของโปรไฟล์ที่เข้มงวดและการประกอบ PCB อัตโนมัติเป็นข้อกําหนดหลัก ในขณะที่ขดลวดระนาบมีรูปทรงเรขาคณิตที่ทําซ้ําได้พฤติกรรมทางความร้อนที่ดีและความสามารถในการปรับขนาดที่ยอดเยี่ยม แต่ก็แนะนําเอฟเฟกต์กระแสวนที่แข็งแกร่งและความจุของปรสิตที่สูงขึ้นเมื่อเทียบกับแม่เหล็กแบบลวดกลมแบบดั้งเดิม ปรากฏการณ์เหล่านี้สามารถเปลี่ยนการสูญเสียไฟฟ้ากระแสสลับ การเหนี่ยวนําการรั่วไหล และพฤติกรรมเรโซแนนซ์ได้อย่างมาก และไม่สามารถจับได้ด้วยส่วนขยายอย่างง่ายของโมเดลทั่วไป

เครื่องมือระนาบ Frenetic ได้รับการพัฒนาเพื่อจัดการกับความท้าทายเหล่านี้โดยการรวมแกนวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ (FEM) เข้ากับการประมวลผลหลังการวิเคราะห์ขั้นสูงและการแปลงกึ่ง 3 มิติโดยเฉพาะ จุดประสงค์คือเพื่อให้แบบจําลองการสูญเสียระนาบและปรสิตที่แม่นยําซึ่งนักออกแบบกําลังและแม่เหล็กสามารถใช้งานได้โดยตรง บทความนี้สรุปแนวทางการสร้างแบบจําลองพื้นฐานและแสดงให้เห็นว่าวิศวกรสามารถรวมเครื่องมือระนาบเข้ากับโฟลว์การออกแบบที่สมบูรณ์ได้อย่างไร ตั้งแต่คําแนะนําแม่เหล็กที่ใช้ AI เบื้องต้นไปจนถึงเค้าโครง PCB ระนาบโดยละเอียดและการปรับแต่งปรสิต

ความเป็นมาและความท้าทาย

การสร้างแบบจําลองการสูญเสียแม่เหล็กแบบเดิมในเครื่องจําลองของ Frenetic เริ่มต้นจากตัวนําทรงกลมที่เป็นของแข็งที่พันรอบแกนแม่เหล็กและรวมถึงช่องว่างอากาศอย่างน้อยหนึ่งช่อง สําหรับรูปทรงเรขาคณิตดังกล่าว สามารถคํานวณการสูญเสียความใกล้ชิดได้อย่างแม่นยําโดยใช้วิธีการวิเคราะห์เมื่อทราบการกระจายกระแสและสนามแม่เหล็กในหน้าต่างที่คดเคี้ยว เวิร์กโฟลว์มาตรฐานคือ:

1. แสดงช่องว่างอากาศเป็นแหล่งกระแสสมมติที่เทียบเท่าซึ่งสร้างสนามขอบของช่องว่าง
2. นําวัสดุแม่เหล็กออกโดยแทนที่ด้วยแหล่งกําเนิดกระแสไฟฟ้าที่เทียบเท่ากับมิเรอร์ (วิธีการของภาพ) โดยรักษาสนามเดิมในหน้าต่าง
3. ลดปัญหาให้เป็นระนาบที่มีตัวนําเทียบเท่าจํานวนมาก และคํานวณสนามแม่เหล็กในตัวนําแต่ละตัวเป็นการซ้อนทับของผลงานจากตัวนําอื่นๆ ทั้งหมด

วิธีนี้ใช้ได้ดีกับสายกลม เนื่องจากกระแสวนเหนี่ยวนํายังคงค่อนข้างเล็กและไม่บิดเบือนการกระจายสนามแม่เหล็กอย่างมีนัยสําคัญ เมื่อทราบกระแสผ่านตัวนําและสนามแม่เหล็กที่พบแล้วการสูญเสียผิวหนังและความใกล้ชิดสามารถคํานวณได้ด้วยนิพจน์การวิเคราะห์ที่กําหนดไว้

อย่างไรก็ตามในขดลวด PCB ระนาบรูปทรงเรขาคณิตของตัวนําจะเปลี่ยนไปอย่างสิ้นเชิง: ร่องรอยมีความสูงบางและกว้างซึ่งนําไปสู่อัตราส่วนความกว้างต่อความหนาที่มาก เมื่อสนามแม่เหล็กมีส่วนประกอบตั้งฉากกับพื้นผิวร่องรอยกระแสไหลวนที่แรงมากจะถูกเหนี่ยวนําภายในทองแดง กระแสวนเหล่านี้สามารถมีขนาดใหญ่พอที่จะบิดเบือนสนามแม่เหล็กเองทําลายสมมติฐานที่แบบจําลองการสูญเสียความใกล้ชิดแบบเดิมอาศัย สําหรับแม่เหล็กระนาบ การตอบสนองระหว่างกระแสวนและสนามท้องถิ่นนี้ไม่สามารถละเลยได้

ในเวลาเดียวกันแกนระนาบและขดลวด PCB จะให้ความจุปรสิตที่สูงขึ้นโดยธรรมชาติโดยเฉพาะอย่างยิ่งระหว่างชั้นปฐมภูมิและชั้นทุติยภูมิและระหว่างรอบภายในขดลวด ความจุเหล่านี้มีอิทธิพลอย่างมากต่อความถี่เรโซแนนซ์แรกของโครงสร้าง และกําหนดขีดจํากัดความถี่บนสําหรับการทํางานที่เชื่อถือได้ เฟรมเวิร์กการสร้างแบบจําลองระนาบที่แม่นยําจึงจําเป็นต้องพิจารณาทั้งกลไกการสูญเสียขั้นสูงและการสกัดความจุโดยละเอียด

แนวคิดทางเทคนิคที่สําคัญ

• กระแสช่องว่างสมมติ: ช่องว่างอากาศของแกนแม่เหล็กถูกแทนที่ด้วยแหล่งกําเนิดกระแสเทียบเท่าซึ่งมีขนาดเท่ากับฟลักซ์แม่เหล็กคูณความไม่เต็มใจของช่องว่าง
• วิธีการสร้างภาพ: วัสดุแม่เหล็กจะถูกลบออกและแทนที่ด้วยแหล่งกําเนิดกระแสมิเรอร์ เพื่อให้สนามในบริเวณที่คดเคี้ยวยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ทําให้สามารถแสดง "ระนาบของตัวนํา" ที่เทียบเท่าได้
• การคํานวณการสูญเสียความใกล้ชิด: เมื่อทราบกระแสตัวนําและสนามแม่เหล็กเฉพาะที่แล้วการสูญเสียความใกล้ชิดและผลกระทบของผิวหนังจะได้รับผ่านการแสดงออกเชิงวิเคราะห์ซึ่งเชื่อถือได้สําหรับตัวนําทรงกลม แต่ไม่เพียงพอสําหรับร่องรอยระนาบ
• การบิดเบือนกระแสวนระนาบ: ร่องรอย PCB ที่บางและกว้างภายใต้สนามที่มีส่วนประกอบมุมฉากจะประสบกับกระแสไหลวนที่รุนแรงซึ่งบิดเบือนสนามแม่เหล็กอย่างมีนัยสําคัญและทําให้แบบจําลองความใกล้ชิดที่เรียบง่ายเป็นโมฆะ
• เอ็นจิ้น Finite Element Method (FEM): โมเดล FEM 2D ซึ่งนําไปใช้ใน Comsol และแก้ไขในระบบคลาวด์ จะแก้สมการของ Maxwell โดยตรงสําหรับรูปทรงเรขาคณิตที่กําหนด โดยจับผลกระทบทางกายภาพที่เกี่ยวข้องทั้งหมด รวมถึงการสูญเสียผิวหนังและความใกล้ชิด และปฏิสัมพันธ์ระหว่างขดลวดคู่ขนาน
• การสร้างแบบจําลองกึ่ง 3 มิติ: ผลลัพธ์จากชิ้นส่วน 2D FEM จะถูกแปลงเป็นปริมาณ 3 มิติที่มีประสิทธิภาพโดยใช้แนวคิดกึ่ง 3 มิติที่ปรับความยาวการเลี้ยวที่มีประสิทธิภาพและระบุตําแหน่งการสูญเสียตามตําแหน่งที่เกิดขึ้นทางกายภาพตามเส้นทางที่คดเคี้ยว
• การสร้างแบบจําลองความจุ: โครงสร้างระนาบประกอบด้วยแบบจําลองความจุวงจรเปิดหลักที่ช่วยให้สามารถประมาณความถี่เรโซแนนซ์แรกเมื่อรวมกับการเหนี่ยวนําปฐมภูมิ
• แบบจําลองการรั่วไหลเชิงวิเคราะห์: การเหนี่ยวนําการรั่วไหลยังคงคํานวณในเชิงวิเคราะห์ภายในเครื่องมือระนาบ ทําให้สามารถประเมินกลยุทธ์การแทรกซ้อนและการจัดวางขดลวดเสริมได้อย่างรวดเร็วโดยไม่จําเป็นต้องใช้ FEM เต็มรูปแบบสําหรับการทําซ้ําทุกครั้ง
• การคํานวณการสูญเสียที่แก้ไขด้วยฮาร์มอนิก: เครื่องมือนี้สามารถนําเข้ารูปคลื่นที่คดเคี้ยวในรูปแบบ CSV และพิจารณาฮาร์โมนิกหลายตัว (DC, พื้นฐาน, ส่วนประกอบคี่ที่สูงขึ้น) เพื่อคํานวณการสูญเสียภายใต้การกระตุ้นที่สมจริง
• การปรับแต่งเค้าโครงระนาบซ้ํา: วิศวกรสามารถปรับจํานวนเลเยอร์ การกระจายการเลี้ยว ระยะห่าง และการแทรกแซงเพื่อแลกเปลี่ยนความหนาแน่นของกระแส การเหนี่ยวนําการรั่วไหล และการสูญเสีย โดย FEM ให้ข้อเสนอแนะเชิงปริมาณ

การวิเคราะห์และการใช้งาน

สถาปัตยกรรมการสร้างแบบจําลองโดยรวม

เครื่องมือระนาบ Frenetic รวมโมเดลหลักสามแบบไว้ในสถาปัตยกรรม: แบบจําลองการสูญเสียตาม FEM แบบจําลองความจุปรสิต และแบบจําลองการเหนี่ยวนําการรั่วไหลเชิงวิเคราะห์ วิศวกรเข้าถึงแบบจําลองเหล่านี้ผ่านแอปพลิเคชันที่กําหนดรูปทรงเรขาคณิตของหม้อแปลงหรือตัวเหนี่ยวนําสร้างสภาวะตาข่ายและขอบเขตที่เหมาะสมทริกเกอร์การจําลองและส่งคืนปริมาณที่ประมวลผลเช่นการสูญเสีย DC และ AC การเหนี่ยวนําการรั่วไหลระหว่างขดลวดและความจุวงจรเปิด

ไปป์ไลน์การสร้างแบบจําลองสามารถสรุปได้ดังนี้:

1. คําจํากัดความของรูปทรงเรขาคณิตและพารามิเตอร์ในแอประนาบ (ประเภทแกน, ช่องว่าง, หน้าต่าง PCB, ขดลวด, กระแส)
2. การแปลงรูปทรงเรขาคณิตเป็นแบบจําลอง FEM 2 มิติใน Comsol และการสร้างตาข่ายแม่เหล็ก
3. การประยุกต์ใช้เงื่อนไขขอบเขตและการเชื่อมต่อโครงข่ายที่สอดคล้องกับรูปคลื่นกระตุ้นสําหรับขดลวดแต่ละเส้น
4. การแก้ปัญหาเชิงตัวเลขของสมการแม็กซ์เวลล์เพื่อให้ได้การแจกแจงสนามและความหนาแน่นของการสูญเสียในท้องถิ่น
5. การแปลงกึ่ง 3 มิติของผลลัพธ์ 2 มิติเป็นค่าการสูญเสีย 3 มิติและความเหนี่ยวนํา
6. การคํานวณเชิงวิเคราะห์ของตัวเหนี่ยวนําการรั่วไหลและความจุที่เลือก
7. หลังการประมวลผลและการส่งคืนการสูญเสียทั้งหมดต่อขดลวดรายการเมทริกซ์การรั่วไหลและความจุหลักไปยังแอประนาบ

เฟรมเวิร์กนี้ช่วยให้เครื่องมือสามารถจับปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนภายในโครงสร้างระนาบในขณะที่ยังคงรักษาประสบการณ์การออกแบบแบบโต้ตอบ โดยการคํานวณ FEM ทั่วไปต้องใช้เวลา 20-40 วินาทีต่อการกําหนดค่า

การสร้างแบบจําลองการสูญเสียแบบเดิมและข้อจํากัด

ในเครื่องจําลอง Frenetic ทั่วไป (ไม่ใช่ระนาบ) การสูญเสียจะถูกคํานวณโดยการแสดงแกนกลางและช่องว่างโดยใช้กระแสที่เท่ากันและวิธีการสะท้อน ช่องว่างอากาศถูกแทนที่ด้วยกระแสสมมติที่มีขนาด: ฟลักซ์แม่เหล็กอยู่Imag=Φ Rgapที่ไหน Φ และ Rgap คือความไม่เต็มใจของช่องว่าง กระแสนี้สร้างสนามแม่เหล็กเดียวกันกับบริเวณช่องว่างเดิมในพื้นที่โดยรอบ

ถัดไปวัสดุแม่เหล็กจะถูกลบออกจากแบบจําลองและแทนที่ด้วยแหล่งกระแสมิเรอร์ วัตถุประสงค์คือเพื่อรักษาสนามแม่เหล็กในหน้าต่างที่คดเคี้ยวในขณะที่ลดความซับซ้อนของรูปทรงเรขาคณิต หลังจากการทําซ้ําการสะท้อนที่เพียงพอการกําหนดค่าจะคล้ายกับระนาบอนันต์ที่เต็มไปด้วยตัวนํา (ทั้งขดลวดจริงและกระแสเทียบเท่าช่องว่าง) และสนามในตัวนําที่กําหนดจะได้รับจากการซ้อนทับของผลงานจากผู้อื่นทั้งหมด

เมื่อทราบกระแสผ่านตัวนําและสนามท้องถิ่นแล้วการสูญเสียผิวหนังและความใกล้ชิดจะถูกดึงโดยใช้สมการการวิเคราะห์มาตรฐานสําหรับสายกลม ในรูปแบบที่เรียบง่ายการสูญเสียความใกล้ชิดจะเป็นสัดส่วนกับกําลังสองของผลคูณของความหนาแน่นของกระแสและขนาดสนามโดยมีปัจจัยที่ขึ้นกับความถี่ที่ได้มาจากขนาดตัวนําและคุณสมบัติของวัสดุ

อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ถือว่ากระแสวนที่เหนี่ยวนําจะรบกวนสนามเพียงเล็กน้อยเท่านั้น และหน้าตัดของตัวนํานั้นเป็นวงกลมโดยประมาณ ไม่มีข้อสันนิษฐานใดในแม่เหล็กระนาบ ซึ่งร่องรอย PCB แสดงอัตราส่วนความกว้างต่อความสูงขนาดใหญ่และส่วนประกอบสนามมุมฉากที่แข็งแกร่ง ซึ่งนําไปสู่การบิดเบือนกระแสวนอย่างรุนแรง ด้วยเหตุนี้ โมเดลแบบลวดกลมทั่วไปจึงไม่น่าเชื่อถือสําหรับการออกแบบระนาบ

การสร้างแบบจําลองการสูญเสียระนาบตาม FEM

เครื่องมือระนาบใช้สูตรวิธี 2D finite element เป็นแบบจําลองการสูญเสียหลักสําหรับโครงสร้างระนาบ FEM แยกพื้นที่โซลูชันออกเป็นองค์ประกอบขนาดเล็ก แก้สมการของ Maxwell ภายในแต่ละองค์ประกอบ และบังคับใช้ความต่อเนื่องและเงื่อนไขขอบเขตทั่วทั้งตาข่าย สิ่งนี้ให้การกระจายฟิลด์โดยละเอียด รวมถึงวิธีที่กระแสวนกระจายความหนาแน่นของกระแสภายในร่องรอย

ในเครื่องมือระนาบ Frenetic Comsol ถูกใช้เป็นเอ็นจิ้น FEM และทํางานในระบบคลาวด์ โมเดลประกอบด้วย:

• หน้าตัด 2 มิติที่แน่นอนของแกนหน้าต่าง PCB และร่องรอย
• วัสดุนําไฟฟ้าสําหรับร่องรอยที่มีผิวหนังขึ้นอยู่กับความถี่และเอฟเฟกต์ความใกล้ชิด
• วัสดุแม่เหล็กสําหรับแกนที่มีการซึมผ่านที่เหมาะสม
• บริเวณอากาศและช่องว่าง รวมถึงทุ่งขอบ

FEM ให้ผลตอบแทนโดยตรง:

• ความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กเฉพาะที่และความแรงของสนามทั่วทั้งหน้าตัด
• การกระจายความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนําในแต่ละบริเวณตัวนํา
• ความหนาแน่นของการสูญเสียพลังงานในพื้นที่เนื่องจากเอฟเฟกต์วนและตัวต้านทาน

การสูญเสียทั้งหมดต่อขดลวดจะได้มาจากการรวมความหนาแน่นของการสูญเสียในพื้นที่เหนือหน้าตัดของตัวนําและใช้มาตราส่วนกึ่ง 3 มิติตามที่อธิบายไว้ในส่วนถัดไป เนื่องจากโซลูชัน FEM คํานึงถึงอิทธิพลซึ่งกันและกันของกระแสน้ําวนและสนาม จึงจับลักษณะการสูญเสียที่เกิดจากสนามตั้งฉากที่แข็งแกร่งมากของเรขาคณิตระนาบได้อย่างแม่นยํา

การแลกเปลี่ยนหลักที่ FEM แนะนําคือเวลาในการคํานวณ: การจําลองโดยทั่วไปจะใช้เวลา 20-40 วินาที และอาจใช้เวลาประมาณ 1-2 นาทีเมื่อมีการร้องขอฮาร์โมนิกจํานวนมาก สิ่งนี้ช้ากว่าแบบจําลองการวิเคราะห์ล้วนๆ แต่จําเป็นต้องสร้างแบบจําลองการสูญเสียระนาบอย่างซื่อสัตย์

การสร้างแบบจําลองกึ่ง 3 มิติจากชิ้น 2 มิติ

แม่เหล็กระนาบเป็นแบบสามมิติโดยเนื้อแท้: ร่องรอยตามเส้นทางที่ซับซ้อนรอบหน้าต่างหลัก รวมถึงส่วนตรงและมุมโค้งมน การจําลอง 3D FEM บริสุทธิ์จะช้าเกินไปสําหรับการออกแบบแบบโต้ตอบ ดังนั้นเครื่องมือระนาบจึงอาศัยแนวคิดกึ่ง 3 มิติที่พัฒนาขึ้นในงานวิชาการก่อนหน้านี้และนําไปใช้ภายในสแต็กการสร้างแบบจําลองของ Frenetic

สาระสําคัญของวิธีกึ่ง 3 มิติคือการตีความผลความหนาแน่นของการสูญเสีย 2 มิติในบริบทของส่วนต่างๆ ตามเส้นทางการคดเคี้ยว 3 มิติที่แท้จริง แนวคิดหลักคือ:

• แบ่งเส้นทางที่คดเคี้ยวออกเป็นส่วน ๆ : แขนขาตรงใกล้กับขาแกนกลางบริเวณมุมและส่วนอื่น ๆ ที่แตกต่างกันทางเรขาคณิต
• ตระหนักว่าการสูญเสียจะไม่กระจายอย่างสม่ําเสมอตลอดการเลี้ยว บางพื้นที่ (เช่น ด้านในของหน้าต่างหลัก) สามารถแสดงความหนาแน่นของการสูญเสียที่สูงกว่าพื้นที่อื่นๆ
• กําหนดความยาว 3 มิติที่มีประสิทธิภาพให้กับแต่ละพื้นที่การสูญเสีย 2 มิติตามตําแหน่งของส่วนทางกายภาพที่สอดคล้องกันอยู่ในขดลวดจริง

ตัวอย่างเช่น พิจารณาการติดตามระนาบที่วิ่งรอบหน้าต่าง E-core สมมติว่าผลลัพธ์ FEM แสดงความหนาแน่นของการสูญเสียสูงในส่วนที่ใกล้กับขาแกนด้านในมากที่สุด มันจะง่ายเกินไปที่จะคูณการสูญเสีย 2 มิตินี้ด้วยความยาวเทิร์นเฉลี่ย วิธีกึ่ง 3 มิติจะคูณพื้นที่ที่มีการสูญเสียสูงด้วยความยาวจริงของร่องรอยที่เห็นสภาวะสนามที่คล้ายคลึงกันซึ่งอาจยาวกว่าความยาวของเซ็กเมนต์เฉลี่ย ในทางกลับกัน บริเวณที่มีการสูญเสียต่ําจะถูกคูณด้วยความยาวที่มีประสิทธิภาพที่สั้นกว่า สิ่งนี้สร้างการประมาณการการสูญเสียทั้งหมดที่แม่นยําซึ่งคํานึงถึงตําแหน่งที่เกิดการสูญเสียในเส้นทาง 3 มิติ

แนวทางนี้มีความสําคัญอย่างยิ่งสําหรับการออกแบบระนาบที่มีร่องรอยที่กว้างมาก ซึ่งการหาค่าเฉลี่ยตามความยาวการเลี้ยวเฉลี่ยจะประเมินความเข้มข้นของการสูญเสียต่ําเกินไปหรือวางผิดที่ ด้วยการใช้การปรับขนาดกึ่ง 3 มิติ เครื่องมือระนาบจะรักษาประสิทธิภาพการคํานวณของ 2D FEM ในขณะที่กู้คืนการสูญเสียทั้งหมด 3 มิติที่สมจริง

การสร้างแบบจําลองความจุและเรโซแนนซ์

หม้อแปลงระนาบและตัวเหนี่ยวนํามักแสดงความจุปรสิตที่สูงกว่าหม้อแปลงที่พันด้วยลวดเนื่องจาก:

• ชั้น PCB สร้างพื้นที่นําไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่ทับซ้อนกันโดยคั่นด้วยอิเล็กทริกบาง ๆ
• ระยะห่างระหว่างการติดตามและเลเยอร์ต่อเลเยอร์อาจมีขนาดเล็กมาก
• รูปทรงเรขาคณิตโดยรวมมีลักษณะคล้ายแผ่นมากกว่าเส้น ซึ่งสนับสนุนความจุที่สูงขึ้น

เครื่องมือระนาบประกอบด้วยแบบจําลองความจุโดยเน้นที่ความจุวงจรเปิดหลัก ค่านี้มีความสําคัญเนื่องจากเมื่อรวมกับตัวเหนี่ยวนําหลักจะกําหนดความถี่เรโซแนนซ์ตัวเองแรกของส่วนประกอบ:

การรู้เสียงสะท้อนแรกนี้จะให้เพดานความถี่ที่สูงกว่าซึ่งพฤติกรรมของส่วนประกอบเปลี่ยนไปอย่างมากและการสูญเสียหรือปัญหา EMI อาจเพิ่มขึ้น แม้ว่าแบบจําลองความจุจะมีความสําคัญอย่างยิ่งสําหรับแม่เหล็กระนาบ แต่แนวทางนี้มีเป้าหมายสําหรับการรวมที่กว้างขึ้นในสภาพแวดล้อมเครื่องจําลอง Frenetic ทั่วไป

เครื่องมือระนาบนําเสนอผลลัพธ์ทั้งการสูญเสียและความจุเข้าด้วยกันทําให้วิศวกรสามารถประเมินการแลกเปลี่ยนระหว่างการลดการสูญเสียและการรักษาความถี่เรโซแนนซ์ให้อยู่เหนือช่วงการทํางานได้อย่างสะดวกสบาย

แบบจําลองการเหนี่ยวนําการรั่วไหลของการวิเคราะห์

การเหนี่ยวนําการรั่วไหลในเครื่องมือระนาบได้รับการจัดการในเชิงวิเคราะห์แทนที่จะผ่าน FEM สิ่งนี้ช่วยให้สามารถประเมินได้อย่างรวดเร็วว่าการตัดสินใจเค้าโครงส่งผลต่อการมีเพศสัมพันธ์ระหว่างขดลวดอย่างไร เครื่องมือคํานวณ:

• การรั่วไหลระหว่างขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ
• การรั่วไหลระหว่างขดลวดปฐมภูมิและขดลวดเสริม (ในตัวอย่างฟลายแบ็ค)

ค่าเหล่านี้จําเป็นสําหรับ:

• การจํากัดแรงดันไฟกระชากบนอุปกรณ์หลัก เช่น MOSFET (การรั่วไหลหลัก-ทุติยภูมิ)
• บรรลุการควบคุมที่ดีและการตอบสนองชั่วคราว (การรั่วไหลหลัก-เสริม)

วิศวกรจึงสามารถทําซ้ํากลยุทธ์การแทรกซ้อนและตําแหน่งที่คดเคี้ยวได้อย่างรวดเร็วก่อนที่จะทําการจําลองการสูญเสีย FEM และความจุเต็มรูปแบบ การแยกแบบจําลองการรั่วไหลและการสูญเสียนี้ให้เวิร์กโฟลว์การออกแบบที่สมดุล ซึ่งการเพิ่มประสิทธิภาพการมีเพศสัมพันธ์แบบหยาบนั้นรวดเร็ว และการประเมินการสูญเสียแบบละเอียดมีรายละเอียดมากกว่า แต่ช้ากว่า

ตารางที่ 1 – วิธีการสร้างแบบจําลองและกรณีการใช้งาน

เวิร์กโฟลว์การออกแบบหม้อแปลงระนาบ Flyback

การสัมมนาผ่านเว็บสาธิตเครื่องมือระนาบโดยใช้ตัวแปลงฟลายแบ็ค ซึ่งเป็นโทโพโลยีที่หม้อแปลงระนาบมีความน่าสนใจเป็นพิเศษ ขั้นตอนการออกแบบรวมเครื่องมือ Frenetic สามอย่าง:

1. ผู้ช่วย AI ที่บ้าคลั่ง: เริ่มจากข้อกําหนดอินพุตและเอาต์พุต (แรงดันไฟฟ้าอินพุตและเอาต์พุต กําลังขับ ความถี่การสลับ) เครื่องมือ AI จะสังเคราะห์แผนผังฟลายแบ็คที่สมบูรณ์ รวมถึง IC คอนโทรลเลอร์และพารามิเตอร์ส่วนประกอบที่จําเป็นทั้งหมด นอกจากนี้ยังกําหนดขดลวดเสริมสําหรับการให้อคติหรือการดูแลทําความสะอาด
2. เครื่องจําลองแม่เหล็ก (ธรรมดา): แม่เหล็กที่แนะนําโดย AI จะถูกนําเข้าไปยังเครื่องจําลองแม่เหล็ก ซึ่งวิศวกรสามารถปรับประเภทแกน รายละเอียดการคดเคี้ยว และโหมดการทํางาน (เช่น การย้ายจากโหมดการนําไฟฟ้าที่ไม่ต่อเนื่องเป็นโหมดการนําไฟฟ้าต่อเนื่องโดยการเปลี่ยนการเหนี่ยวนําแม่เหล็ก) ใช้โซลูชัน E-core ทั่วไป (เช่น E25) เป็นจุดเริ่มต้น
3. เครื่องมือออกแบบและจําลองระนาบ: เมื่อเป้าหมายเป็นหม้อแปลงระนาบแบบบูรณาการ PCB การออกแบบจะย้ายไปยังเครื่องมือระนาบ อดีตขดลวดธรรมดาจะถูกลบออกไปยังพื้นที่หน้าต่างว่างสําหรับขดลวด PCB และเลือกตระกูลแกนระนาบรวมถึงข้อมูลวัสดุและช่องว่าง

เวิร์กโฟลว์ระนาบจะดําเนินการดังนี้:

1. การเลือกแกนหลักและการกําหนดช่องว่าง
   • ใช้เครื่องมือเพิ่มประสิทธิภาพหลักเพื่อเลือกตระกูลแกนระนาบ (เช่น รูปร่าง E ระนาบ) และวัสดุ (เช่น N95) โดยใช้ขีดจํากัดความหนาแน่นของฟลักซ์สูงสุดที่คล้ายกับวิธีผลิตภัณฑ์พื้นที่ แต่แสดงในแง่ของ Bpeak Bpeak
   • กําหนดการกําหนดค่าช่องว่าง: จํานวนช่องว่าง ตําแหน่ง (ขากลาง ขาด้านข้าง) และขนาดช่องว่าง (เช่น ช่องว่าง 0.8 มม. เดียวที่ขากลาง)
2. หน้าต่าง PCB และคําจํากัดความของสแต็ก
   • ระบุความสูงและความกว้างของ PCB ที่ใช้งานได้ภายในหน้าต่างหลัก
   • กําหนดจํานวนเลเยอร์ PCB สูงสุดหรือเทียบเท่ากับความหนาของ PCB ทั้งหมด โดยเลือกให้ตรงกับสแต็กบอร์ดที่กําหนด (เช่น 3.2 มม.)
   • ตัดสินใจว่าหม้อแปลงระนาบเป็นส่วนประกอบ PCB แบบแยกหรือรวมอยู่ใน PCB ตัวแปลงหลัก
3. การกําหนดค่าที่คดเคี้ยวและกระแสอ้างอิง
   • ประกาศขดลวด (หลัก ทัย เสริม) และจํานวนรอบ ตามอัตราส่วนจากการออกแบบหม้อแปลงที่ได้มาจาก AI (เช่น 25 รอบหลัก 5 รอบรอง 5 รอบเสริม)
   • ป้อนกระแส RMS อ้างอิงสําหรับแต่ละขดลวด (เช่น ประมาณ 0.44 A สําหรับปฐมภูมิ 0.1 A สําหรับขดลวดอื่นๆ) เพื่อให้เครื่องมือสามารถคํานวณความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าได้แบบเรียลไทม์ตามการออกแบบรูปทรงเรขาคณิตการติดตาม
4. การติดตามและเลเยอร์เค้าโครง
   • กําหนดจํานวนรอบต่อเลเยอร์ ให้จํานวนเลเยอร์ทั้งหมด
   • กําหนดระยะห่างระหว่างการติดตามเพื่อติดตามภายในแต่ละเลเยอร์และระยะห่างของขอบ Trace-to-PCB เพื่อให้เป็นไปตามข้อจํากัดในการแยกและความสามารถในการผลิต (เช่น ระยะห่าง 0.3 มม. 0.5 มม. ถึงขอบบอร์ด)
   • กําหนดการเลี้ยวไปยังเลเยอร์เฉพาะ เพื่อให้แน่ใจว่าขดลวดทั้งหมดพอดีกับหน้าต่าง PCB และความสูงของแกนที่มีอยู่
5. การวิเคราะห์การรั่วไหลเบื้องต้นและการแทรกซ้อน
   • อัปโหลดรูปคลื่นปัจจุบันสําหรับแต่ละขดลวดเป็นไฟล์ CSV ที่ส่งออกจากเครื่องจําลองแม่เหล็ก (รวมถึง DC, พื้นฐาน และฮาร์โมนิกที่สูงขึ้นที่เลือก)
   • เรียกใช้แบบจําลองการเหนี่ยวนําการรั่วไหลเพียงอย่างเดียวเพื่อรับการรั่วไหลระหว่างหลัก-รองและหลัก-เสริมอย่างรวดเร็ว
   • สังเกตค่าการรั่วไหลที่สัมพันธ์กับสารละลายบาดแผลทั่วไป หากการรั่วไหลสูงเกินไป ให้ปรับการแทรกซ้อนโดยการจัดลําดับเลเยอร์ PCB ใหม่ (เช่น การจัดเรียงเลเยอร์หลักและชั้นรองในลักษณะสลับกัน)
6. การสูญเสีย FEM และการจําลองความจุ
   • เมื่อได้รูปแบบการแทรกซ้อนที่ยอมรับได้แล้ว ให้เรียกใช้การจําลองแบบเต็ม รวมถึงการสูญเสีย FEM และการแยกความจุ
   • เลือกจํานวนฮาร์โมนิกที่จะรวม โดยสังเกตว่าฮาร์โมนิกที่มากขึ้นจะเพิ่มเวลาในการจําลอง แต่ยังปรับปรุงความแม่นยําสําหรับรูปคลื่นที่มีเนื้อหาความถี่สูงที่สําคัญ

เวิร์กโฟลว์นี้ช่วยให้วิศวกรสามารถเปลี่ยนจากการออกแบบแม่เหล็กแบบฟลายแบ็คแบบเดิมไปสู่การใช้งานระนาบเต็มรูปแบบในขณะที่จัดการการแลกเปลี่ยนระหว่างความหนาแน่นของกระแสการสูญเสียการรั่วไหลและความจุ

การเพิ่มประสิทธิภาพการแทรกซ้อนและการรั่วไหล

การสัมมนาผ่านเว็บเน้นย้ําว่ากลยุทธ์การแทรกแซงส่งผลต่อการเหนี่ยวนําการรั่วไหลในโครงสร้างระนาบอย่างมีนัยสําคัญอย่างไร ในขั้นต้นด้วยการกําหนดค่าแบบไม่แทรกซ้อนพบว่าการเหนี่ยวนําการรั่วไหลหลัก-ทุติยภูมิสูงกว่าหม้อแปลง E-core ทั่วไปมากซึ่งตรงกันข้ามกับความคาดหวังทั่วไปที่หม้อแปลงระนาบมีการรั่วไหลต่ํากว่า เหตุผลก็คือเค้าโครงเริ่มต้นซ้อนขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิที่ด้านที่แยกจากกันของสแต็คโดยไม่มีการทับซ้อนกันเพียงพอ

ด้วยการกําหนดเลเยอร์ใหม่เพื่อให้ขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิสลับกันผ่านสแต็กเครื่องมือนี้แสดงให้เห็นถึงกรณี "การแทรกซ้อนที่สมบูรณ์แบบ" ซึ่งการรั่วไหลหลัก-ทุติยภูมิจะลดลงอย่างมาก ในการกําหนดค่านี้ แต่ละชั้นหลักจะอยู่ติดกับชั้นรอง เพื่อเพิ่มการมีเพศสัมพันธ์ร่วมกันและลดการรั่วไหลให้เหลือน้อยที่สุด

ขดลวดเสริมจะถือว่าเป็นขดลวดแยกต่างหากที่อาจอยู่ใกล้กับขดลวดหลัก การรั่วไหลที่สัมพันธ์กับหลักมีความสําคัญต่อคุณภาพการควบคุมและการตอบสนองของขั้นตอน หากการรั่วไหลของหลักเสริมสูงการควบคุมจะลดลงและการตอบสนองแบบไดนามิกจะช้าลง ในการสาธิตขดลวดเสริมจะถูกย้ายภายในสแต็กและเพิ่มร่องรอยขนานเพิ่มเติม:

• การเพิ่มร่องรอยขนานสําหรับขดลวดเสริมจะเพิ่มหน้าตัดทองแดงที่มีประสิทธิภาพและสามารถปรับปรุงการมีเพศสัมพันธ์โดยไม่ส่งผลต่อการสูญเสียอย่างมีนัยสําคัญโดยเฉพาะอย่างยิ่งสําหรับกระแสเสริมขนาดเล็ก
• ด้วยการปรับตําแหน่งชั้นเสริมและการจัดเรียงการติดตามเครื่องมือนี้แสดงให้เห็นถึงการลดลงของการเหนี่ยวนําการรั่วไหลหลักและเสริม

กระบวนการนี้แสดงให้เห็นว่าเครื่องมือระนาบช่วยให้สามารถปรับการรั่วไหลอย่างละเอียดผ่านการซ้อนและการเปลี่ยนแปลงแบบแทรกซ้อนโดยไม่ต้องคํานวณภาคสนามด้วยตนเองซ้ําๆ ได้อย่างไร

การเปลี่ยนแปลงช่องว่างและพฤติกรรมการสูญเสีย

ขนาดช่องว่างส่งผลโดยตรงต่อทั้งการเหนี่ยวนําและการสูญเสีย ในตัวอย่างฟลายแบ็ค มีการเปรียบเทียบการกําหนดค่าหลายอย่าง:

• ช่องว่างที่กําหนดโดยไม่มีการแทรกซ้อน
• เพิ่มช่องว่างด้วยเลย์เอาต์เดียวกัน
• ช่องว่างเป็นศูนย์ (ในทางทฤษฎี ไม่ใช่การปฏิบัติสําหรับการทํางานของฟลายแบ็ค)

ผลการจําลองแสดงให้เห็นว่าการขจัดช่องว่างช่วยลดการสูญเสียได้อย่างมาก (เช่น จากประมาณ 0.76–0.67 W ลดลงเหลือประมาณ 0.51 W) แม้ว่าการกําหนดค่าแบบไม่มีช่องว่างจะไม่สามารถใช้ได้สําหรับการจัดเก็บพลังงานในหม้อแปลงฟลายแบ็ค แต่การเปรียบเทียบนี้เน้นย้ําถึงผลกระทบของสนามขอบที่เกิดจากช่องว่างต่อการสูญเสีย ช่องว่างที่ใหญ่ขึ้นจะช่วยลดการเหนี่ยวนําและเปลี่ยนเสียงสะท้อน แต่อาจปรับเปลี่ยนการสูญเสียความใกล้ชิดที่ขับเคลื่อนด้วยสนามขอบ

เครื่องมือระนาบทําให้ง่ายต่อการกําหนดขนาดช่องว่างและสังเกตว่าการสูญเสียและการรั่วไหลเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรสนับสนุนการแลกเปลี่ยนระหว่างการจัดเก็บพลังงานแม่เหล็กประสิทธิภาพการระบายความร้อนและความสามารถในการสลับความถี่

การแยกการสูญเสีย DC และ AC

เครื่องมือระนาบรายงานการสูญเสีย DC และ AC แยกกันสําหรับแต่ละขดลวด:

• การสูญเสีย DC เป็นตัวต้านทานและสเกลเป็นหลักด้วยความต้านทานกระแสไฟฟ้ากําลังสองและตัวนํา DC
• การสูญเสีย AC รวมถึงการมีส่วนร่วมจากผิวหนังและเอฟเฟกต์ความใกล้ชิดที่ขับเคลื่อนโดยเนื้อหาฮาร์มอนิกของรูปคลื่น

ในตัวอย่างฟลายแบ็คขดลวดเสริมแสดงการสูญเสียทั้งหมดเล็กน้อยเนื่องจากกระแสมีขนาดเล็กและรูปทรงเรขาคณิตค่อนข้างง่าย ขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิแสดงการสูญเสีย DC และ AC ที่ไม่ใช่ศูนย์ โดยการสูญเสีย AC มีความเกี่ยวข้องมากขึ้นเมื่อความถี่การสลับและเนื้อหาฮาร์มอนิกเพิ่มขึ้น

การแยกการสูญเสีย DC และ AC เป็นสิ่งสําคัญสําหรับ:

• การประเมินว่าสามารถปรับปรุงได้มากน้อยเพียงใดโดยการลดความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้า (สําหรับ DC) หรือการปรับเปลี่ยนรูปทรงเรขาคณิตและการแทรกแซง (สําหรับ AC)
• การประมาณการอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นและความเสี่ยงในการหนีความร้อนที่อาจเกิดขึ้นเมื่อความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้ามากเกินไปสําหรับทองแดงที่มีอยู่และการระบายความร้อน

เครื่องมือนี้ยังตั้งค่าสถานะสถานการณ์ที่ไม่มีขดลวดธรรมดาที่สามารถรองรับความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าที่ยอมรับได้ซึ่งบ่งชี้ถึงความจําเป็นในการย้ายไปใช้ระนาบหรือเปลี่ยนขนาดแกน

ตารางที่ 2 – การกําหนดค่าหม้อแปลงระนาบ Flyback

(ค่าสามารถปรับแต่งได้จากการจําลองจริง จุดประสงค์หลักคือการเน้นแนวโน้ม)

ตารางที่ 3 – รูปทรงเรขาคณิตที่คดเคี้ยวและความหนาแน่นของกระแส

ผลลัพธ์และแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด

การผสมผสานระหว่างการสร้างแบบจําลองการสูญเสียตาม FEM, การปรับขนาดกึ่ง 3 มิติ, การประเมินการรั่วไหลเชิงวิเคราะห์ และการสร้างแบบจําลองความจุทําให้เกิดกรอบการออกแบบที่แข็งแกร่งสําหรับแม่เหล็กระนาบ จากตัวอย่างฟลายแบ็คและทฤษฎีพื้นฐานแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดหลายประการเกิดขึ้น:

• ใช้เครื่องมือวิเคราะห์และผู้ช่วยออกแบบที่ใช้ AI เพื่อกําหนดข้อกําหนดแม่เหล็กอย่างรวดเร็ว และรับคําแนะนําแกนเริ่มต้นและขดลวดก่อนที่จะตัดสินใจใช้เค้าโครงระนาบ
• ถือว่าการเลือกช่องว่างและตําแหน่งเป็นคันโยกการออกแบบหลัก เนื่องจากมีอิทธิพลอย่างมากต่อทั้งการเหนี่ยวนําและการสูญเสียผ่านสนามขอบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในร่องรอยระนาบกว้าง
• ใช้ประโยชน์จากการคํานวณการรั่วไหลเชิงวิเคราะห์เพื่อสํารวจกลยุทธ์การแทรกซ้อนและการซ้อนที่หลากหลาย หลังจากบรรลุการรั่วไหลที่เหมาะสมแล้วคุณควรเรียกใช้การจําลอง FEM เต็มรูปแบบ
• ใช้กระแส RMS อ้างอิงและข้อเสนอแนะความหนาแน่นของกระแสเพื่อให้แน่ใจว่าขนาดทองแดง PCB และจํานวนชั้นเพียงพอที่จะหลีกเลี่ยงการสูญเสียความต้านทาน DC สูงและการหนีความร้อน
• ให้ความสนใจเป็นพิเศษกับขดลวดเสริมในโทโพโลยีเช่นฟลายแบ็ค: การรั่วไหลที่สัมพันธ์กับหลักส่งผลต่อการควบคุมในขณะที่กระแสไฟฟ้าขนาดเล็กให้อิสระมากขึ้นในการปรับขนาดการติดตามและการจําลองแบบ
• พิจารณาขีดจํากัดความจุและเสียงสะท้อนตั้งแต่เนิ่นๆ หม้อแปลงระนาบที่มีลักษณะการสูญเสียที่ดีเยี่ยม แต่ความถี่เรโซแนนซ์แรกต่ําเกินไปอาจล้มเหลวในการใช้งานความถี่สูง

การใช้แนวทางปฏิบัติเหล่านี้ภายในเครื่องมือระนาบ Frenetic ช่วยให้วิศวกรสามารถรับแม่เหล็กระนาบที่ไม่เพียง แต่มีรายละเอียดต่ําและสามารถผลิตได้ แต่ยังมีพฤติกรรมที่ดีในแง่ของการสูญเสียการรั่วไหลและพฤติกรรมที่สะท้อน

สรุป

การสร้างแบบจําลองแม่เหล็กระนาบที่แม่นยําต้องการมากกว่าการปรับสูตรลวดกลมให้เข้ากับร่องรอย PCB กระแสวนที่แรง การกระจายสนามที่เปลี่ยนแปลง ความจุที่สูงขึ้น และรูปทรงเรขาคณิต 3 มิติที่ซับซ้อนต้องการวิธีการเชิงตัวเลขและการวิเคราะห์แบบผสมผสาน เครื่องมือระนาบ Frenetic ตอบสนองความต้องการนี้โดยการรวม 2D FEM, การสร้างการสูญเสียกึ่ง 3 มิติ, แบบจําลองการรั่วไหลเชิงวิเคราะห์ และการประมาณความจุเข้ากับสภาพแวดล้อมการออกแบบแบบครบวงจร

สําหรับวิศวกรและผู้มีอํานาจตัดสินใจด้านเทคนิค ซึ่งหมายความว่าหม้อแปลงระนาบและตัวเหนี่ยวนําสามารถออกแบบได้ด้วยความเข้าใจที่ชัดเจนว่ารูปทรงเรขาคณิต ช่องว่าง การแทรกซ้อน และการคดเคี้ยวส่งผลต่อการสูญเสีย การรั่วไหล และเสียงสะท้อนอย่างไร ด้วยการออกแบบเบื้องต้นที่ขับเคลื่อนด้วย AI ที่ป้อนเข้าไปในเครื่องมือระนาบและข้อเสนอแนะที่ชัดเจนเกี่ยวกับการสูญเสีย DC/AC และปรสิต ทีมสามารถปรับแม่เหล็กให้เหมาะสมอย่างเป็นระบบสําหรับตัวแปลงพลังงานความหนาแน่นสูง การปรับปรุงในอนาคต เช่น ขดลวดระนาบและลวดกลมแบบผสม หรือรูปแบบการแยกขั้นสูง จะขยายพื้นที่ของการออกแบบที่รับรู้ได้ในขณะที่ยังคงรักษาความเข้มงวดของการสร้างแบบจําลองที่แนะนําที่นี่