Przewodnik doboru materiału rdzenia ferrytowego do SMPS

W tym poście dowiemy się, jak wybrać materiał rdzenia ferrytowego z odpowiednimi specyfikacjami, aby zapewnić odpowiednią kompatybilność z danym projektem obwodu SMPS

Dlaczego rdzeń ferrytowy

Ferryt to wspaniała substancja rdzeniowa do transformatorów , falowniki i cewki indukcyjne w zakresie częstotliwości od 20 kHz do 3 MHz, dzięki korzyściom w postaci zmniejszonego kosztu rdzenia i minimalnych strat rdzenia.

Ferryt jest skutecznym materiałem do zasilania falowników o wysokiej częstotliwości (od 20 kHz do 3 MHz).

Ferryty powinny być stosowane w podejściu nasycającym do pracy przy niskiej mocy i niskiej częstotliwości (<50 watts and 10 kHz). For high power functionality a 2 transformer layout, employing a tape wrapped core as the saturating core and a ferrite core as the output transformer, delivers optimum execution.

Model z 2 transformatorami zapewnia niezwykłą wydajność, fantastyczną trwałość częstotliwości i minimalne spadki przełączania.

Rdzenie ferrytowe są powszechnie stosowane w wersjach transformatorów typu fly-back , które zapewniają minimalny koszt rdzenia, zmniejszony koszt obwodu i najwyższą sprawność napięciową. Rdzenie proszkowe (MPP, High Flux, Kool Mμ®) zapewniają bardziej miękkie nasycenie, większe Bmax i korzystniejszą stałość temperatury i są często preferowaną opcją w wielu zastosowaniach typu flyback lub cewkach.

Zasilacze wysokiej częstotliwości, zarówno falowniki, jak i przetwornice, oferują niższą cenę oraz mniejszą wagę i konstrukcję w porównaniu z tradycyjnymi opcjami zasilania 60 Hz i 400 Hz.

Kilka rdzeni w tym konkretnym segmencie to typowe konstrukcje często używane w zawodzie.

GŁÓWNE MATERIAŁY

Materiały F, P i R, ze względu na minimalne wady rdzenia i maksymalną gęstość strumienia nasycenia, są zalecane dla funkcji wysokiej mocy / wysokiej temperatury. Deficyt rdzenia materiału P spada wraz z temperaturą do 70 ° C Straty materiału R spadają nawet do 100 ° C.

Materiały J i W zapewniają doskonałą impedancję dla szerokich transformatorów, co sprawia, że ​​są one również zalecane do transformatorów niskiego poziomu.

GŁÓWNE GEOMETRIE

1) KOLORY PUSZKI

Rdzenie garnkowe są produkowane w taki sposób, aby prawie otaczały nawiniętą szpulę. Ułatwia to zabezpieczenie cewki przed wyrywaniem zakłóceń elektromagnetycznych z zewnętrznych rozwiązań alternatywnych.

W zasadzie wszystkie proporcje rdzenia garnka są zgodne ze specyfikacjami IEC, aby zapewnić wymienność między firmami. Zarówno szpule zwykłe, jak i drukowane są
na rynku, podobnie jak elementy montażowe i montażowe.

Ze względu na swój układ rdzeń puli jest zwykle droższym rdzeniem w porównaniu z różnymi formatami o analogicznej wielkości. Rdzenie garnkowe do dużych celów energetycznych nie są łatwo dostępne.

2) PODWÓJNE RDZENIE PŁYTY I RM

Solidne rdzenie środkowych słupków po bokach płyty są podobne do rdzeni doniczkowych, ale posiadają segmenty zminimalizowane na dowolnej części osłony. Obszerne wejścia umożliwiają ułożenie większych przewodów i przyczyniają się do eliminacji ciepła z układu.

Kolory RM są podobne do rdzeni garnkowych, jednak są zaprojektowane tak, aby ograniczać powierzchnię płytki drukowanej, zapewniając co najmniej 40% redukcję przestrzeni montażowej.

Dostępny jest obwód drukowany lub zwykłe szpulki. Proste, jednoczęściowe zaciski umożliwiają bezproblemową konstrukcję. Niższy zarys jest osiągalny.

Solidny element środkowy zapewnia mniejsze straty rdzenia, co z kolei eliminuje gromadzenie się ciepła.

3) RDZENIE EP

Rdzenie EP są okrągłymi, sześciennymi konstrukcjami środkowego słupka, które dokładnie otaczają cewkę, z wyjątkiem zacisków płytki drukowanej. Specyficzny wygląd eliminuje wpływ szczelin przepływu powietrza powstałych na współpracujących ścianach w torze magnetycznym i zapewnia bardziej znaczący stosunek objętości do bezwzględnej użytej powierzchni. Ochrona przed falami radiowymi jest całkiem niezła.

4) KOLORY PQ

Rdzenie PQ są przeznaczone specjalnie do zasilaczy impulsowych. Układ pozwala na maksymalny stosunek objętości do obszaru zwijania i pola powierzchni.

Dlatego zarówno optymalną indukcyjność, jak i powierzchnię uzwojenia można osiągnąć przy absolutnie minimalnym wymiarze rdzenia.

W rezultacie rdzenie zapewniają optymalną moc wyjściową przy najmniejszej masie i wymiarach zmontowanego transformatora, a także zajmują minimalny poziom miejsca na płytce drukowanej.

Konfiguracja za pomocą szpul z obwodem drukowanym i zacisków jednobitowych jest łatwa. Ten ekonomiczny model zapewnia znacznie bardziej jednorodny przekrój poprzeczny, w związku z czym rdzenie często pracują z mniejszą liczbą gorących pozycji w porównaniu z różnymi układami.

5) I KOLORY

Rdzenie E są tańsze niż rdzenie garnkowe, a jednocześnie charakteryzują się prostym nawijaniem szpulki i nieskomplikowanym montażem. Nawijanie zwoju jest osiągalne dla cewek używanych przy użyciu tych rdzeni.

Rdzenie E nigdy, mimo wszystko, nie mają samoosłaniania. Laminowane układy rozmiaru E są zaprojektowane tak, aby pomieścić dostępne w handlu szpule w przeszłości, mające na celu dopasowanie wytłoczek taśmowych do zwykłych pomiarów laminowania.

Metryczne i Rozmiary DIN można również znaleźć. Rdzenie typu E są zwykle osadzane w różnych konsystencjach, zapewniając różnorodne obszary przekroju. Szpule dla tych różnych obszarów przekroju są zwykle dostępne w handlu.

Rdzenie E są zwykle instalowane w unikalnych orientacjach, w przypadku preferowanych, zapewniają niski profil.
Do mocowania niskoprofilowego można znaleźć szpule z obwodem drukowanym.

Rdzenie E są konstrukcjami dobrze znanymi ze względu na ich bardziej przystępną cenę, wygodę montażu i uzwojenia oraz zorganizowaną przewagę asortymentu sprzętu.

6) PLANAR I KOLORY

Planarne rdzenie E można znaleźć w praktycznie wszystkich konwencjonalnych pomiarach IEC, wraz z kilkoma dodatkowymi pojemnościami.

Materiał Magnetics R jest bezbłędnie dopasowany do płaskich kształtów dzięki zmniejszonym stratom w rdzeniu AC i minimalnym stratom w temperaturze 100 ° C.

W większości przypadków układy planarne mają niską liczbę zwojów i przyjemne rozpraszanie ciepła w przeciwieństwie do standardowych transformatorów ferrytowych, iz tego powodu idealne projekty pod względem przestrzeni i wydajności prowadzą do zwiększonych gęstości strumienia. W tych odmianach ogólna przewaga wydajności materiału R. jest zasadniczo znacząca.

Rozpiętość nóg i wysokość okna (proporcje B i D) są elastyczne do indywidualnych celów bez nowych narzędzi. Umożliwia to deweloperowi dokładne dostrojenie ostatecznych specyfikacji rdzenia, aby dokładnie pasowały do ​​płaskiego wzniesienia stosu przewodów, bez zajmowanej przestrzeni.

W wielu przypadkach oferowane są klipsy i gniazda na klipsy, które mogą być szczególnie przydatne w przypadku prototypowania. Rdzenie I są ponadto proponowanym standardem, który pozwala na jeszcze większą adaptację w układzie.

Płaskie wzory E-I są przydatne, aby umożliwić efektywne mieszanie ścian w produkcji masowej, a także do tworzenia przerwanych rdzeni cewek indukcyjnych, przy czym ze względu na płaską strukturę należy dokładnie przeanalizować wypusty na krawędziach.

7) RDZENIE EC, ETD, EER I ER

Te typy wzorów są połączeniem rdzeni E i rdzeni garnkowych. Podobnie jak rdzenie E zapewniają ogromną lukę po obu stronach. Zapewnia to wystarczającą ilość miejsca na przewody o większych średnicach niezbędne do zasilaczy impulsowych o obniżonym napięciu wyjściowym.

Poza tym gwarantuje cyrkulację powietrza, dzięki czemu konstrukcja jest chłodniejsza.

Środkowa część jest okrągła, bardzo podobna do rdzenia garnka. Jednym z pozytywnych aspektów okrągłego środkowego słupka jest to, że uzwojenie ma mniejszy okres przebiegu wokół niego (11% szybciej) w porównaniu z drutem wokół kwadratowego środkowego słupka o bardzo tej samej powierzchni przekroju.

Zmniejsza to straty uzwojeń o 11%, a także umożliwia rdzeniowi radzenie sobie z lepszą wydajnością wyjściową. Okrągły środkowy słupek dodatkowo minimalizuje kolczaste fałdy w miedzi, które pojawiają się podczas nawijania na kwadratowym środkowym słupku.

8) TOROIDY

W związku z tym toroidy są opłacalne w produkcji, są one najtańsze z najbardziej odpowiednich projektów rdzeni. Ponieważ szpulka nie jest konieczna, ładunki akcesoriów i konfiguracji są znikome.

Uzwojenie jest zakończone na sprzęcie do uzwojenia toroidalnego. Atrybut ekranowania jest całkiem niezły.

Przegląd

Geometrie ferrytowe zapewniają ogromny wybór rozmiarów i stylów. Przy doborze rdzenia do wykorzystania zasilacza należy uwzględnić specyfikacje przedstawione w Tabeli 1.

WYBÓR ROZMIARU RDZENIA TRANSFORMATORA

Zdolność przetwarzania mocy rdzenia transformatora jest zwykle zależna od jego produktu WaAc, w którym Wa jest oferowaną przestrzenią okna rdzenia, a Ac jest użyteczną przestrzenią przekroju rdzenia.

Podczas gdy powyższe równanie umożliwia modyfikację WaAc w zależności od określonej geometrii rdzenia, technika Pressmana wykorzystuje topologię jako czynnik podstawowy i umożliwia producentowi wyznaczenie gęstości prądu.

INFORMACJE OGÓLNE

Idealny transformator to jednak taki, który zapewnia minimalny spadek liczby rdzeni, a jednocześnie wymaga najmniejszej ilości miejsca.

Strata w rdzeniu w określonym rdzeniu zależy w szczególności od gęstości strumienia wraz z częstotliwością. Częstotliwość jest kluczowym czynnikiem w przypadku transformatora. Prawo Faradaya wskazuje, że wraz ze wzrostem częstotliwości gęstość strumienia odpowiednio się zmniejsza.

Transakcje z utratą rdzenia zmniejszają się znacznie bardziej w przypadku spadku gęstości strumienia w porównaniu ze wzrostem częstotliwości. Przykładowo, gdy transformator pracuje przy 250 kHz i 2 kG na materiale R w 100 ° C, uszkodzenia rdzenia prawdopodobnie wyniosłyby około 400 mW / cm3.

Gdyby częstotliwość została zwiększona dwukrotnie, a większość innych ograniczeń pozostałaby bez szwanku, w wyniku prawa Faradaya, gęstość strumienia prawdopodobnie okazałaby się 1 kG, a wynikające z tego obniżenia wartości rdzenia wyniosłyby z grubsza 300 mW / cm3.

Standardowe ferrytowe transformatory mocy mają ograniczenie strat w rdzeniu w zakresie 50-200 mW / cm3. Modele planarne mogłyby być obsługiwane dużo bardziej asertywnie, do 600 mW / cm3, ze względu na korzystniejsze rozpraszanie mocy i znacznie mniej miedzi w uzwojeniach.

Kategorie OBWODÓW

Oto kilka podstawowych informacji zwrotnych na temat kilku obwodów: Obwód przeciwsobny jest skuteczny, ponieważ urządzenie powoduje dwukierunkowe wykorzystanie rdzenia transformatora, prezentując wyjście o zmniejszonych tętnieniach. Pomimo tego obwody są wyjątkowo wyrafinowane, a nasycenie rdzenia transformatora może spowodować uszkodzenie tranzystora, gdy tranzystory mocy mają nierówne właściwości przełączania.

Obwody sprzężenia zwrotnego są tańsze, stosując tylko jeden tranzystor. Tętnienie jest minimalne ze względu na fakt, że pozornie stabilny stan prądu płynie w transformatorze niezależnie od tego, czy tranzystor jest włączony, czy wyłączony. Tor flyback jest prosty i niedrogi. Ponadto problemy związane z EMI są znacznie mniejsze. Mimo to transformator jest większy, a tętnienie jest bardziej znaczące.

OBWÓD PUSH-PULL

Konwencjonalny obwód przeciwsobny przedstawiono na rysunku 2A. Napięcie zasilania jest wyjściem sieci IC lub zegara, który oscyluje na przemian w tranzystorach ON i OFF. Fale prostokątne o wysokiej częstotliwości na wyjściu tranzystora są ostatecznie udoskonalane, generując prąd stały.

RDZENIE W OBWODZIE PUSH-PULL

W przypadku transformatorów ferrytowych, przy 20 kHz, powszechnie znanym procesem jest zastosowanie równania (4) przy gęstości strumienia (B) na poziomie maks. ± 2 kG.

Można to nakreślić za pomocą kolorowej sekcji pętli histerezy na rysunku 2B. Ten stopień B jest wybierany głównie dlatego, że ograniczającym aspektem wyboru rdzenia o tej częstotliwości jest strata w rdzeniu.

Przy 20 kHz, jeśli transformator jest idealny dla gęstości strumienia w pobliżu nasycenia (jak to ma miejsce dla mniejszych układów częstotliwości), rdzeń uzyska niekontrolowany wzrost temperatury.

Z tego powodu mniejsza gęstość strumienia roboczego wynosząca 2 kG w większości przypadków ograniczy straty w rdzeniu, w konsekwencji przyczyniając się do przystępnego wzrostu temperatury w rdzeniu.

Powyżej 20 kHz maksymalne są straty w rdzeniu. Aby wykonać SPS przy podwyższonych częstotliwościach, ważne jest, aby natężenia strumienia rdzenia były mniejsze niż ± 2 kg. Rysunek 3 przedstawia spadek poziomów strumienia dla materiału ferrytowego MAGNETICS „P” niezbędnego do zapewnienia stałych strat w rdzeniu 100 mW / cm3 przy wielu częstotliwościach, przy optymalnym wzroście temperatury wynoszącym 25 ° C.

W obwodzie sprzężenia zwrotnego przedstawionym na rysunku 4A, transformator pracuje w 1. ćwiartce pętli histerezy. (Ryc. 4B).

Impulsy jednobiegunowe zaimplementowane w urządzeniu półprzewodnikowym powodują, że rdzeń transformatora jest zasilany z wartości BR w pobliżu nasycenia. Gdy impulsy są zmniejszane do zera, rdzeń powraca do swojej szybkości BR.

Aby móc utrzymać najwyższą sprawność, indukcyjność pierwotna jest utrzymywana na wysokim poziomie, co pomaga zmniejszyć prąd magnesujący i zmniejszyć zużycie drutu. Oznacza to, że rdzeń musi mieć zerowy lub absolutny minimalny otwór przepływu powietrza.