12 kroků pro design SMPS transformátoru

Navrhování magnetických součástí pro SMPS může být náročné vzhledem ke zvyšujícím se nárokům moderních elektronických návrhů. Dodržením těchto 12 kroků můžete technikům pomoci orientovat se v výzvách a zajistit úspěšný projekt.

Pro navrhování magnetických součástí SMPS jsou nezbytné následující parametry:

• Rozsah vstupního napětí
• Výstupní napětí
• Výstupní výkon nebo výstupní proud
• Spínací frekvence
• Pracovní režim
• Maximální pracovní cyklus IC
• Bezpečnostní požadavky
• Teplota okolí
• Požadavky na velikost

Krok 1: Výběr jádra

Proveďte předběžný výběr jádra na základě požadavků na napájení aplikace, topologie přepínání a frekvence. Feritová jádra jsou nejlepší volbou pro vysokofrekvenční aplikace. Pro provoz pod 500 KHz bude většina konstruktérů používat materiál jádra s propustností 2 000 až 2 500. Propustnost se významně liší s nárůstem teploty a hustotou provozního toku. Obecně to neovlivní provoz převodníku, pokud jádro není blízko nasycení, protože indukčnost (která řídí provozní režim) je primárně určena vzdušnou mezerou. Zvýšení teploty a hustota provozního toku však ovlivní ztráty v jádře, což je třeba vzít v úvahu, aby byl zajištěn spolehlivý provoz.

Tvar jádra

Tvar jádra a konfigurace jsou důležité pro návrh vysokofrekvenčního transformátoru pro minimalizaci ztrát. Oblast okna vinutí by měla být co nejširší, aby se maximalizovala šířka vinutí a minimalizoval počet vrstev. Tím se minimalizuje odpor vinutí střídavým proudem.

• Jádra EFD a EPC se používají, když je vyžadován nízký profil.
• EE a EF se obvykle používají s vertikálními nebo horizontálními cívkami (vertikální cívky jsou dobré, pokud je prostor konstrukce na špičkové úrovni).
• Jádra ETD a EER jsou obvykle větší, ale mají širokou oblast vinutí, díky čemuž jsou zvláště vhodná pro konstrukce s vyšším výkonem a návrhy s více výstupy.
• Jádra PQ jsou dražší, ale zabírají o něco méně místa na desce PC a vyžadují méně závitů než jádra E.
• Větší velikost jádra bude potřebná pro transformátor typu s okrajovým vinutím než pro typ s trojitou izolací, aby byl ponechán prostor pro okraje.

Velikost jádra

Při výběru vhodné velikosti jádra je na místě mnoho proměnných.

• Jedním ze způsobů, jak vybrat správné jádro, je odkazovat se na průvodce výběrem jádra výrobce.
• Produkt hlavní oblasti (W_aA_c), získaná vynásobením plochy průřezu jádra oblastí okna, která je k dispozici pro navíjení, se široce používá pro počáteční odhad velikosti jádra pro danou aplikaci.
• Schopnost manipulace s jádrem není lineárně škálována s produktem oblasti nebo objemem jádra. Větší transformátor musí pracovat při nižší hustotě energie, protože povrchové teplo odvádějící teplo se nezvyšuje úměrně objemu vytvářejícímu teplo.

Níže uvedená tabulka uvádí přehled typů jádra v závislosti na výkonu:

The W_aA_c / power output relationship is obtained by:

K_f = Form factor; for square wave K_f = 4
K_u = Window utilization factor
J = Current density
B_max = Operating flux density
F = Switching frequency
P_o = Output power

Krok 2: Hodnota produktu Volt-Time (V-µSec)

Determine the V-T value based upon the maximum allowable duty cycle and the frequency

Krok 3: Primární závity

Determine the minimum number of primary turns required to support the worst case V-T value.

Note : B < 0.3T for ferrite

Krok 4: Převodní poměr

Calculate the secondary/primary turns ratio

Isolated Topology	Secondary / Primary Turns Ratio
Flyback
Forward
Push-Pull
Half-Bridge
Full-Bridge

Note: Diode drop V_d = 0.5-1V

Krok 5: Sekundární závity

Choose the exact primary and secondary turn counts to be used based upon the N_p a N_s/N_p.

Krok 6: Primární indukčnost

Calculate the required primary inductance:

The table below shows typical efficiency figures:

Krok 7: Vzduchové mezery

Transformátorem s nejmenší velikostí a nejnižšími náklady se dosáhne úplného využití jádra. Ve specifické aplikaci je optimální využití jádra spojeno se specifickou optimální délkou jádrové mezery.

Mezera jádra bude určena počtem primárních závitů a specifikací indukčnosti. Konstruktér ověří, že mezera je dostatečná k zabránění nasycení jádra.

Note: Push-pull, forward, half-bridge, and full bridge converter topologies typically do not require an air gap, since it is actually true transformer action.

Krok 8: Velikost drátu

Jakmile jsou určeny všechny závity vinutí, měla by být správně vybrána velikost drátu, aby se minimalizovala ztráta vedení vinutí a indukčnost úniku. Ztráta vinutí závisí na aktuální hodnotě RMS, délce a šířce drátu, také na struktuře transformátoru.

• Velikost drátu mohla být určena RMS proudem vinutí.
• Ztráta vinutí je funkcí velikosti odporu v drátu.
• Odpor se skládá ze stejnosměrného odporu a střídavého odporu. Při nízkých frekvencích R_DC >> R_AC, R_AC lze účinně ignorovat.
• Při vysokých frekvencích může být nutné použít lankový / Litz drát nebo fólii, aby se minimalizoval AC odpor.
• Vzhledem ke skin a proximitnímu efektu vodiče by měl být průměr drátu / pramene menší než 0,5 mm 2*Δ_d (Δ_d = skin effect depth)
• Předpokládejme, že proudová hustota je obvykle 3–6 A/mm².

Krok 9: Fill faktor

Fill faktor znamená oblast vinutí celé oblasti okna jádra (měla by být <1). U počátečních návrhů se doporučuje, aby byl použit faktor plnění nejvýše asi 50%. U transformátorů s vysokou hustotou výkonu a více výstupů může být nutné tento faktor dále snížit.

• Po stanovení velikostí vodičů je nutné zkontrolovat, zda plocha okna s vybraným jádrem pojme vypočtené vinutí. Plocha okna vyžadovaná každým vinutím by měla být vypočtena, respektive sčítána, měla by být také brána v úvahu izolace mezi vinutím, cívka a mezery mezi závity.
• Na základě těchto úvah je pak celková požadovaná plocha okna porovnána s dostupnou oblastí okna vybraného jádra. Pokud je požadovaná plocha okna větší než vybraná, musí se zmenšit velikost drátu nebo musí být zvoleno větší jádro. Snížení velikosti drátu samozřejmě zvyšuje ztrátu mědi transformátoru.

Krok 10: Ztráty jádra

V transformátoru je ztráta jádra funkcí napětí aplikovaného přes primární vinutí. V induktoru je to funkce měnícího se proudu aplikovaného induktorem. V obou případech musí být stanovena úroveň hustoty provozního toku, aby bylo možné odhadnout ztrátu jádra. Při známé frekvenci a úrovni B lze ztrátu jádra odhadnout z křivek ztráty jádra materiálu.

Krok 11: Ztráty mědi

V transformátoru je ztráta mědi funkcí střídavých a stejnosměrných odporů.

Krok 12: Tepelné navýšení

Zvýšení teploty je důležité pro celkovou spolehlivost obvodu. Zůstat pod určitou teplotou zajišťuje, že izolace vodičů je platná, že aktivní součásti v okolí nepřekračují jejich jmenovitou teplotu a jsou splněny požadavky na celkovou teplotu. Může dojít k tepelnému úniku, který způsobí, že se jádro zahřeje na svou Curieovu teplotu, což má za následek ztrátu všech magnetických vlastností a katastrofické selhání. Celková ztráta se měří ve wattech a plocha povrchu je v cm².

Konstrukce transformátoru

Konstrukce transformátoru má velký vliv na indukčnost úniku primárního vinutí. Indukčnost úniku vede k napěťové špičce při vypnutí polovodičového spínače, takže minimalizace indukčnosti úniku bude mít za následek nižší napěťovou špičku a nižší nebo dokonce žádný požadavek na snubovací obvod na primární.

K minimalizaci indukčnosti úniku se používají následující techniky:

• Vinutí transformátorů by měla být vždy soustředná, tj. na sebe, aby se maximalizovalo spojení, z tohoto důvodu by se neměly používat dělené a vícesekční cívky.
• Použití rozděleného primárního vinutí, kde první vrstva vinutí je nejvnitřnějším vinutím a druhá vrstva je navinuta na vnější straně
• U transformátoru s více výstupy by měl být sekundár s největším výstupním výkonem umístěn co nejblíže k primárnímu, aby se dosáhlo co nejlepšího propojení a nejmenšího úniku.
• Sekundární vinutí s několika závity by měly být rozmístěny po celé šířce okna cívky místo toho, aby byly seskupeny dohromady, aby se maximalizovalo spojení s primárem. Použití více paralelních pramenů drátu je další technikou zvýšení faktoru plnění a spojení vinutí několika závity
• Chcete-li minimalizovat indukčnost úniku a stále splňovat požadavky na izolaci, navrhněte vinutí pomocí trojitě izolovaných vodičů a minimálních vrstev pásky.

Konstrukce s okrajovým vinutím nebo konstrukce s trojitým izolovaným drátem se používá pro splnění mezinárodních bezpečnostních norem.

Stínění transformátoru: Using a flux band (copper shield) around the entire transformer will provide a circumferential radiation shield for the eddy currents in the transformer. This shield is simply a grounded loop of copper foil around the entire assembly. Use of this technique requires careful consideration of isolation requirements and creepage and clearance issues.

Vacuum Impregnation: High-performance applications such as military, aerospace, medical, and high voltage often require an extra level of protection and isolation. Vacuum impregnation with epoxies and/or varnishes can ensure this high level of performance and endurance.

See other blog posts from Switched Mode category