ES2860849T3 - Tarjeta electrónica con elementos magnéticos - Google Patents

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Abstract

Tarjeta electrónica que comprende: - un sustrato plano (SCI) que tiene una primera cara y una segunda cara opuesta a dicha primera cara; - al menos dos elementos de núcleo magnético (EM1T, EM1B), denominados primeros elementos, dispuestos en dicha primera cara de dicho sustrato y cada uno con al menos dos patas que atraviesan dicho sustrato; y - al menos dos devanados (EP), dispuestos alrededor de al menos una pata de cada uno de dichos primeros núcleos magnéticos; caracterizada porque: - también comprende un segundo elemento de núcleo magnético en forma de placa (EM2) dispuesto en dicha segunda cara de dicho sustrato y en contacto con los respectivos extremos de dichas patas de dicho o al menos dos de dichos primeros elementos; y porque: - la separación entre dichos primeros elementos es suficiente para evitar cualquier acoplamiento magnético entre ellos a través de dicho segundo elemento; por lo que dichos primeros elementos, dichos devanados y dicho segundo elemento forman al menos dos circuitos magnéticos no acoplados entre sí.

Description

DESCRIPCIÓN
Tarjeta electrónica con elementos magnéticos
La invención se refiere a una tarjeta electrónica que comprende al menos dos elementos magnéticos. La invención se refiere principalmente al campo de la electrónica de potencia, y más concretamente al de los circuitos electrónicos de potencia de a bordo, en particular para aplicaciones aeronáuticas.
Los circuitos electrónicos de potencia, como los convertidores de tensión CC/CC o CA/CC, suelen incluir componentes magnéticos: bobinas y condensadores. A modo de ejemplo, la figura 1 muestra el esquema eléctrico de un convertidor CC/CC, CCC, que comprende un inversor de medio puente O, un rectificador activo de puente completo R, un transformador T con el devanado primario conectado al inversor O y el devanado secundario conectado al rectificador R, y una bobina B conectada en serie con dicho devanado secundario pero desacoplada magnéticamente de dicho transformador. Estos componentes magnéticos (T, B) -y más concretamente sus núcleos magnéticos (de hecho, ferromagnéticos)- contribuyen de forma muy significativa al tamaño del circuito. Sin embargo, el tamaño es una limitación importante, sobre todo en las aplicaciones de a bordo -y más concretamente en las aeronáuticas-, donde el espacio disponible es muy limitado.
Se conoce la producción de circuitos electrónicos de potencia en forma de tarjetas electrónicas que comprenden un sustrato plano de circuito impreso que lleva componentes eléctricos y electrónicos de montaje superficial. En estas tarjetas electrónicas, los componentes magnéticos se realizan en tecnología plana: los devanados están formados por pistas depositadas en una o ambas caras del sustrato del circuito impreso y cada núcleo magnético está formado por un primer elemento "en E" (con tres patas) o "en U" (con dos patas), y por un segundo elemento "en I" (sin patas, en forma de placa o puente) que cierra el circuito magnético. Los primeros elementos están dispuestos en una primera cara, llamada cara frontal, del sustrato; los segundos elementos están dispuestos en una segunda cara, llamada cara posterior, del sustrato; y las patas atraviesan el sustrato a través de aberturas practicadas en el mismo. Los documentos EP 1962302 A1, Ep 1037221 A2 y DE 297 15106 U1 divulgan, por ejemplo, el preámbulo de la reivindicación 1. Esta técnica permite limitar las dimensiones de los componentes magnéticos; sin embargo, el espesor de los núcleos sigue siendo relativamente grande. En efecto, la teoría de los circuitos magnéticos demuestra que el flujo magnético en el interior de un núcleo es inversamente proporcional a su reluctancia, que a su vez es inversamente proporcional a su sección transversal y, por tanto, a su espesor. La necesidad de garantizar un flujo magnético determinado, para una fuerza magnetomotriz dada, impone por tanto un espesor mínimo de los elementos que forman los núcleos magnéticos.
La invención pretende superar esta desventaja del estado de la técnica y proporcionar tarjetas de circuitos integrados que comprenden elementos magnéticos que tienen un tamaño reducido, y más particularmente un espesor pequeño.
Un objeto de la invención, que permite lograr este objetivo, es una tarjeta electrónica que comprende: un sustrato plano que tiene una primera cara y una segunda cara opuesta a dicha primera cara; al menos dos elementos de núcleo magnético, dichos primeros elementos, dispuestos en dicha primera cara de dicho sustrato y cada uno de ellos con al menos dos patas que atraviesan dicho sustrato; y al menos dos devanados, dispuestos alrededor de al menos una pata de cada uno de dichos primeros núcleos magnéticos; caracterizado porque: también comprende un segundo elemento de núcleo magnético en forma de placa, dispuesto en dicha segunda cara de dicho sustrato y en contacto con los respectivos extremos de dichas patas de dichos o al menos dos de dichos primeros elementos; y porque: el espaciado entre dichos primeros elementos es suficiente para evitar el acoplamiento magnético entre ellos a través de dicho segundo elemento; por lo que dichos primeros elementos, dichos devanados y dicho segundo elemento forman al menos dos circuitos magnéticos no acoplados entre sí.
Según los modos de realización particulares de la invención:
• Dicho sustrato plano puede ser un sustrato de circuito impreso.
• Dichos devanados pueden ser devanados planos, formados por pistas conductoras depositadas en dicho sustrato plano.
• Dicha tarjeta electrónica puede comprender un circuito electrónico de potencia realizado sobre dicho sustrato y que incluye dichos circuitos magnéticos no acoplados entre sí. En particular, dicho circuito electrónico de potencia puede ser un convertidor CC/CC o CA/CC. Al menos uno de dichos primeros elementos de núcleo magnético puede ser un elemento de tipo "en E" que forma, con dos de dichos devanados y dicho segundo elemento de núcleo magnético, un transformador, y al menos otro de dichos primeros elementos de núcleo magnético es un núcleo de tipo "en U" que forma, con dicho devanado y dicho segundo elemento de núcleo magnético, una bobina. En este caso, dicha bobina puede conectarse en serie con un devanado de dicho transformador.
• Dicha segunda cara de dicho sustrato puede llevar al menos un componente eléctrico o electrónico, siendo la altura de dicho segundo elemento de núcleo magnético con respecto a dicha segunda cara menor o igual a la de dicho componente, o al componente que tenga la mayor altura.
• Dicho circuito electrónico de potencia puede realizarse en tecnología de montaje superficial.
• Dicho segundo elemento de núcleo magnético puede tener una permeabilidad magnética superior en al menos un factor de 10, preferiblemente en al menos un factor de 100, que la de dichos primeros elementos de núcleo magnético.
Otras características, detalles y ventajas de la invención se desprenderán de la descripción hecha con referencia a los dibujos anexos que se dan como ejemplos y que representan, respectivamente:
• la figura 2, una vista lateral de una tarjeta electrónica según un modo de realización de la invención;
• la figura 3, una vista en planta, por transparencia, de la tarjeta electrónica de la figura 2, en la que se destacan las líneas de campo magnético dentro del segundo elemento de núcleo magnético; y
• la figura 4, una vista en sección detallada de la tarjeta electrónica de la figura 2, en la que se destacan las líneas de campo magnético dentro del segundo elemento de núcleo magnético.
Una idea subyacente a la presente invención consiste en utilizar, en la cara posterior del sustrato del circuito impreso, un elemento de núcleo magnético "en I", en forma de placa, común a varios circuitos magnéticos separados y mutuamente desacoplados, y por tanto a varios primeros elementos de núcleo dispuestos en la cara frontal de dicho sustrato. Esto permite que las líneas de campo magnético se distribuyan en un área mayor, reduciendo la reluctancia del circuito magnético para un grosor determinado del elemento de núcleo en forma de placa. Esto, a su vez, permite reducir este grosor, y por tanto el grosor de la tarjeta electrónica, para un valor de reluctancia determinado. Además, la presencia de una placa metálica en la cara posterior del sustrato del circuito impreso facilita la disipación del calor. Además, las operaciones de montaje se simplifican porque hay menos elementos magnéticos separados que colocar.
La figura 2 (que no está a escala) muestra, de forma muy esquemática, una tarjeta electrónica que implementa la invención. Esta tarjeta comprende un sustrato de circuito impreso de doble cara, SCI, que lleva una pluralidad de componentes eléctricos, electrónicos y magnéticos interconectados para formar el circuito que se muestra en la figura 1. En aras de la simplificación, sólo se muestran dos circuitos integrados de montaje superficial, C1 (montado en la cara trasera del sustrato SCI) y C2 (montado en la cara delantera), un transformador T y una bobina B, realizados en tecnología plana.
El transformador T comprende un primer elemento de núcleo magnético EM1T, por ejemplo de ferrita, del tipo "en E", es decir, con tres patas. El elemento EM1t está dispuesto en la cara frontal del sustrato SCI, con sus patas atravesando dicho sustrato para salir por la cara posterior. Los devanados primario y secundario son planos, es decir, constituidos por las pistas depositadas en al menos una cara del sustrato (aquí, la cara frontal); se identifican con la referencia EP.
La bobina B comprende un primer elemento de núcleo magnético EM1b, por ejemplo de ferrita, de tipo “en U”, es decir, con dos patas. El elemento EM1B también está dispuesto en la cara frontal del sustrato SCI, con sus patas atravesando dicho sustrato para salir por la cara posterior. En torno a una de las dos patas está dispuesto un único devanado plano EP.
El cierre de los dos circuitos magnéticos está proporcionado por un elemento de núcleo magnético común, EM2, que forma una placa llevada por la cara posterior del sustrato SCI, en contacto con los extremos de las patas de los primeros elementos EM1t y EM1b.
Las figuras 3 y 4 (que no están a escala y, por simplicidad, no muestran los componentes C1 y C2) muestran las líneas de campo magnético H dentro del núcleo magnético común EM2 cuando los devanados EP están alimentados con corriente. La figura 3, en particular, muestra que las líneas de campo magnético se extienden lateralmente más allá de las huellas de los primeros elementos del núcleo EM1t y EM1b, pero no lo suficiente como para proporcionar un acoplamiento magnético significativo entre la bobina y el transformador. Esto significa que el elemento de núcleo común se comporta como un par de elementos de núcleo separados que tienen una "anchura efectiva" mayor que la de los primeros elementos EM1t y EM1b. Como se ha mencionado anteriormente, esto permite reducir su grosor, en comparación con un caso convencional en el que el segundo elemento del núcleo de cada circuito magnético tiene una huella igual a la del primer elemento de núcleo correspondiente, sin aumentar su reluctancia. Ventajosamente, este espesor será como máximo igual al del componente electrónico montado en la cara posterior y que tiene la mayor altura con respecto a dicha cara (C1, en el ejemplo de la figura 2).
En la fase de diseño, será necesario asegurarse de que los primeros elementos de núcleo estén lo suficientemente separados entre sí para que, efectivamente, no haya acoplamiento magnético entre los diferentes circuitos magnéticos. Esto puede garantizarse mediante simulaciones numéricas. A título indicativo, el acoplamiento magnético entre dos circuitos magnéticos puede considerarse despreciable si la inductancia mutua entre dos devanados de dos circuitos diferentes es al menos un factor de 100 o incluso un factor de 1000 menor que la autoinductancia de cada uno de estos devanados.
Para reducir los acoplamientos magnéticos parásitos que podrían posiblemente permanecer, se puede utilizar un segundo elemento de núcleo EM2 que tenga una permeabilidad magnética que sea 100 o incluso 1000 veces mayor que la de los primeros elementos EM1t , EM1b. Esto tiene el efecto de "estrechar" las líneas del campo magnético. La invención se ha descrito con referencia a un modo de realización particular, dado como ejemplo no limitativo, pero admite numerosas variantes. En particular:
• La tarjeta electrónica puede constituir un circuito electrónico distinto del convertidor mostrado en la figura 1, o incluso una pluralidad de circuitos separados.
• Los circuitos magnéticos que comparten el mismo segundo elemento de núcleo pueden ser más de dos y tener más de dos o tres patas.
• La misma tarjeta electrónica puede tener una pluralidad de segundos elementos de núcleo, cada uno de ellos asociado a una pluralidad de primeros elementos respectivos.
• La identificación de una cara del sustrato como "cara frontal" o "cara posterior" es arbitraria. Las pistas conductoras y los componentes eléctricos o electrónicos pueden estar dispuestos en una sola de las caras o en ambas caras.
• No es esencial que el sustrato sea un sustrato de circuito impreso, que el o los circuitos electrónicos se realicen en tecnología de montaje superficial y/o que los devanados sean de tipo plano.
• Se puede utilizar cualquier material ferromagnético para la realización de los elementos de núcleo.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Tarjeta electrónica que comprende:
- un sustrato plano (SCI) que tiene una primera cara y una segunda cara opuesta a dicha primera cara; - al menos dos elementos de núcleo magnético (EM1t , EM1b), denominados primeros elementos, dispuestos en dicha primera cara de dicho sustrato y cada uno con al menos dos patas que atraviesan dicho sustrato; y
- al menos dos devanados (EP), dispuestos alrededor de al menos una pata de cada uno de dichos primeros núcleos magnéticos;
caracterizada porque:
- también comprende un segundo elemento de núcleo magnético en forma de placa (EM2) dispuesto en dicha segunda cara de dicho sustrato y en contacto con los respectivos extremos de dichas patas de dicho o al menos dos de dichos primeros elementos;
y porque:
- la separación entre dichos primeros elementos es suficiente para evitar cualquier acoplamiento magnético entre ellos a través de dicho segundo elemento;
por lo que dichos primeros elementos, dichos devanados y dicho segundo elemento forman al menos dos circuitos magnéticos no acoplados entre sí.
2. Tarjeta electrónica según la reivindicación 1, en la que dicho sustrato plano es un sustrato de circuito impreso.
3. Tarjeta electrónica según la reivindicación 2, en la que dichos devanados son devanados planos, formados por pistas conductoras depositadas sobre dicho sustrato plano.
4. Tarjeta electrónica según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende un circuito electrónico de potencia (CCC) realizado sobre dicho sustrato y que incluye dichos circuitos magnéticos no acoplados entre sí.
5. Tarjeta electrónica según la reivindicación 4, en la que dicho circuito electrónico de potencia es un convertidor corriente continua/corriente continua o corriente alterna/corriente continua.
6. Tarjeta electrónica según una de las reivindicaciones 4 ó 5, en la que al menos uno de dichos primeros elementos de núcleo magnético es un elemento de tipo "en E" (EM1T ) que forma, con dos de dichos devanados y dicho segundo elemento de núcleo magnético, un transformador (T), y al menos otro de dichos primeros elementos de núcleo magnético es un núcleo de tipo "en U" (EM1B) que forma, con uno de dichos devanados y dicho segundo elemento de núcleo magnético, una bobina (B).
7. Tarjeta electrónica según la reivindicación 6, en la que dicha bobina está conectada en serie con un devanado de dicho transformador.
8. Tarjeta electrónica según una de las reivindicaciones 4 a 7 en la que dicha segunda cara de dicho sustrato lleva al menos un componente eléctrico o electrónico, siendo la altura de dicho segundo elemento de núcleo magnético, con respecto a dicha segunda cara, menor o igual que la de dicho componente, o del componente que tenga la mayor altura.
9. Tarjeta electrónica según una de las reivindicaciones 4 a 8 en la que dicho circuito electrónico de potencia está realizado en tecnología de montaje superficial.
10. Tarjeta electrónica según una de las reivindicaciones anteriores, en la que dicho segundo elemento de núcleo magnético tiene una permeabilidad magnética superior en al menos un factor de 10, preferiblemente en al menos un factor de 100, a la de dichos primeros elementos de núcleo magnético.
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