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:

W_aA_c / výkon se získá vztahem:

K_f = tvarový faktor; pro čtvercovou vlnu K_f = 4
K_u = faktor využití okna
J = proudová hustota
B_max = hustota provozního toku
F = spínací frekvence
P_o = Výstupní výkon

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

Určete V-T hodnota založená na maximálním přípustném pracovním cyklu a frekvenci.

Krok 3: Primární závity

Určete minimální počet primárních závitů potřebných k zajištění nejhoršího případu V-T hodnotu.

Poznámka : B < 0,3T pro ferit

Krok 4: Převodní poměr

Vypočítejte poměr otáček sekundáru a primáru

Izolovaná topologie	Poměr sekundárních a primárních otáček
Flyback
Forward
Push-Pull
Polomůstek
Full-Bridge

Poznámka: Pokles diody V_d = 0.5-1V

Krok 5: Sekundární závity

Zvolte přesné počty primárních a sekundárních otáček, které se mají použít, na základě N_p a N_s/N_p.

Krok 6: Primární indukčnost

Vypočítejte požadovanou primární indukčnost:

V následující tabulce jsou uvedeny typické hodnoty účinnosti:

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.

Poznámka: Topologie měničů Push-pull, forward, half-bridge a full bridge obvykle nevyžadují vzduchovou mezeru, protože se jedná o skutečný transformátor.

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 = hloubka kožního efektu)
• 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: Použití proudového pásu (měděného stínění) kolem celého transformátoru zajistí obvodový radiační štít pro vířivé proudy v transformátoru. Toto stínění je jednoduše uzemněná smyčka z měděné fólie kolem celé sestavy. Použití této techniky vyžaduje pečlivé zvážení požadavků na izolaci a problémů s průchodností a vůlí.

Vakuová impregnace: Vysoce výkonné aplikace, jako jsou vojenské, letecké, lékařské a vysokonapěťové, často vyžadují vyšší úroveň ochrany a izolace. Vakuová impregnace epoxidy a/nebo laky může tuto vysokou úroveň výkonu a odolnosti zajistit.

Podívejte se na další příspěvky na blogu z kategorie Přepnutý režim