Как рассчитать трансформатор для импульсного блока питания

Обновлено: 04.07.2024

Обычно я работаю на своем ноутбуке, но у меня все еще есть настольный компьютер, который я использую для программных проектов. Во всех громоздких источниках питания, используемых в настольных компьютерах, и прецизионных источниках питания для гальванической развязки на входе стабилизатора используется трансформатор SMPS. Если вы проектируете импульсный источник питания, вам необходимо оценить поведение всех трансформаторов (как для входного выпрямления, так и в секции силового трансформатора), которые обеспечивают желаемое выходное напряжение и пульсации в пределах ваших допусков.

Что такое импульсный трансформатор?

Трансформатор SMPS используется в импульсном источнике питания для обеспечения гальванической развязки. Импульсный трансформатор в изолированном источнике питания обеспечивает четкий барьер, предотвращающий прохождение опасного высокого напряжения на выход, обеспечивая безопасность от поражения электрическим током на выходе. Недостатком изолированного источника питания является его низкий КПД и большие габариты. КПД неизолированного SMPS может превышать ~95 %, тогда как КПД изолированного источника питания обычно составляет от 70 % до 90 %.

Низкий КПД изолированного SMPS возникает из-за используемого в корпусе SMPS-трансформатора. Поскольку эти источники питания работают при высоком напряжении/токе, они пропускают сильные магнитные поля в сердечник трансформатора SMPS. Гистерезис будет возникать в магнитных сердечниках, используемых в трансформаторах SMPS, когда входной сигнал переменного тока колеблется. Существует опасность насыщения сердечника трансформатора во время работы при очень высоком входном токе, что приводит к более сильному гистерезису и рассеиванию тепла в сердечнике.

Изготовители трансформаторов SMPS и материалов сердечника обычно поставляют кривые гистерезиса со своими компонентами, что позволяет разработчику определить пределы входного тока. Блоки SMPS с более низкой эффективностью будут нагреваться до более высоких температур при работе с высоким напряжением / током, поэтому для отвода тепла им требуются некоторые стратегии управления тепловым режимом. В блоках питания с высокой выходной мощностью радиаторы обычно используются с установленными на корпусе вентиляторами для обеспечения достаточного охлаждения.

Размещение импульсного трансформатора

Трансформатор SMPS может быть размещен в одном или нескольких местах в цепи регулятора. Реальные источники питания обычно содержат несколько ступеней преобразования и регулирования мощности, и в любой из них может быть включен трансформатор SMPS. Поскольку трансформатор предназначен для обеспечения гальванической развязки, его обычно размещают между ступенью регулирования выхода и ступенью переключения. Точное расположение SMPS будет зависеть от топологии источника питания. Две распространенные топологии, в которых используется трансформатор SMPS, — это обратноходовой преобразователь и прямоходовой преобразователь.

Упрощенная блок-схема, показывающая типичное размещение импульсного трансформатора в топологии источника питания.

Выбор высокоэффективного импульсного трансформатора

Существует много типов импульсных трансформаторов, в которых используются различные материалы сердечника, направления намотки и количество катушек. В большинстве топологий SMPS будет использоваться трансформатор с 2 витками, в то время как в других (например, мост или LLC) будет использоваться трансформатор с 3 витками. Трансформатор с 3 катушками часто используется для обеспечения нескольких уровней выходной мощности от одной схемы SMPS.

Разные материалы сердечника насыщаются при разной напряженности магнитного поля, что определяет максимальное напряжение, которое можно использовать с трансформатором. Вы всегда должны выбирать трансформатор, который работает в диапазоне линейного гистерезиса для вашего источника питания, чтобы свести к минимуму нагрев и потери мощности. Некоторые данные о насыщении и потерях показаны в таблице ниже (источник данных).

Разработка эффективной схемы источника питания — не менее сложная задача. Те, кто уже работал со схемами SMPS, легко согласятся с тем, что конструкция трансформатора обратного хода играет жизненно важную роль в разработке эффективной схемы источника питания. В большинстве случаев эти трансформаторы не доступны в готовом виде с точно такими же параметрами, которые подходят для нашей конструкции. Итак, в этом уроке по проектированию трансформатора мы узнаем, как построить собственный трансформатор в соответствии с требованиями нашей схемы. Обратите внимание, что этот урок охватывает только теорию, с помощью которой позже в другом уроке мы создадим схему 5V 2A SMPS с самодельным трансформатором, как показано на изображении выше, для практического использования. Если вы новичок в Transformer, прочитайте статью «Основы Transformer», чтобы лучше понять процесс.

Детали трансформатора SMPS

Конструкция трансформатора SMPS состоит из различных частей трансформатора, которые непосредственно отвечают за производительность трансформатора.Детали, присутствующие в трансформаторе, объясняются ниже, мы узнаем важность каждой детали и то, как ее следует выбирать для вашей конструкции трансформатора. Эти детали в большинстве случаев одинаковы и для других типов трансформаторов.

Основной

SMPS расшифровывается как импульсный блок питания. Свойства трансформатора SMPS сильно зависят от частоты, на которой он работает. Высокая частота коммутации открывает возможности для выбора меньших импульсных трансформаторов. Эти высокочастотные импульсные трансформаторы используют ферритовые сердечники.

Конструкция сердечника трансформатора является наиболее важным моментом в конструкции трансформатора SMPS. Сердечник имеет другой тип A_L (коэффициент индуктивности сердечника без зазора) в зависимости от материала сердечника, размера сердечника и типа сердечника. Популярными типами материалов сердечника являются N67, N87, N27, N26, PC47, PC95 и т. д. Также производитель ферритовых сердечников предоставляет подробные параметры в таблице данных, которые будут полезны при выборе сердечника для вашего трансформатора

Например, вот техническое описание популярного ядра EE25.

Изображение выше представляет собой техническое описание сердечника EE25 из материала PC47 от широко популярного производителя сердечников TDK. Каждый бит информации будет необходим для конструкции трансформатора. Однако сердечники имеют прямую зависимость от выходной мощности, поэтому для различной мощности SMPS требуются сердечники различной формы и размера.

Вот список ядер в зависимости от мощности. Список основан на конструкции 0-100 Вт. Источник списка взят из документации Power Integration. Эта таблица будет полезна для выбора правильного сердечника для вашей конструкции трансформатора на основе его номинальной мощности.

EPC17, EFD15, EE16, EI16,

EF15, E187, EE19, EI19

EE19, EI19, EPC19, EF20,

EFD20, EE22, EI22

EPC30, EFD30, EF30, EI30,

EI28, EF30, EI30, ETD29,

EER28L, ETD34, EI35,

EER28L, ETD34, EER35

EPC30, EFD30, EF30, EI30,

Здесь термин TIW означает конструкцию провода с тройной изоляцией. Сердечники E являются наиболее популярными и широко используются в трансформаторах SMPS. Однако ядра E имеют несколько корпусов, таких как EE, EI, EFD, ER и т. д. Все они выглядят как буква «E», но центральная часть у каждого вещества разная. Распространенные типы сердечников E показаны ниже с помощью изображений.

Ядро EE

Ядро EI

Ядро электронной отчетности

Ядро EFD

Шпулька

Шпулька представляет собой корпус сердечников и обмоток. Бобина имеет эффективную ширину, которая необходима для расчета диаметров проволоки и конструкции трансформатора. Мало того, на бобине трансформатора также есть пунктирная метка, которая содержит информацию о первичных обмотках. Ниже показана широко используемая катушка трансформатора EE16

Первичная обмотка

Обмотка трансформатора SMPS будет иметь первичную обмотку и как минимум одну вторичную обмотку, в зависимости от конструкции она может иметь больше вторичной обмотки или вспомогательную обмотку. Первичная обмотка — это первая и самая внутренняя обмотка трансформатора. Он напрямую подключен к первичной стороне SMPS. Обычно количество обмоток на первичной обмотке больше, чем у других обмоток трансформатора. Найти первичную обмотку в трансформаторе легко; нужно просто проверить точечную сторону трансформатора на первичную обмотку. Обычно он расположен на стороне высокого напряжения MOSFET.

На схеме SMPS вы можете заметить высокое напряжение постоянного тока от высоковольтного конденсатора, подключенного к первичной стороне трансформатора, а другой конец подключен к драйверу питания (внутренний штырь стока MOSFET) или к отдельному высоковольтному Сливной штифт MOSFET.

Вторичная обмотка

Вторичная обмотка преобразует напряжение, а также ток на первичной обмотке в необходимое значение. Выяснить вторичный выход немного сложно, так как в некоторых конструкциях SMPS трансформатор обычно имеет несколько вторичных выходов. Однако выходная сторона или сторона низкого напряжения схемы SMPS обычно подключается к вторичной обмотке. Одна сторона вторичной обмотки - это постоянный ток, земля, а другая сторона подключена к выходному диоду.

Как уже говорилось, трансформатор SMPS может иметь несколько выходов. Поэтому трансформатор SMPS также может иметь несколько вторичных обмоток.

Вспомогательные обмотки

Существуют различные типы конструкций SMPS, в которых схеме драйвера требуется дополнительный источник напряжения для питания микросхемы драйвера. Вспомогательная обмотка используется для подачи этого дополнительного напряжения на схему драйвера. Например, если ваша микросхема драйвера работает от 12 В, то трансформатор SMPS будет иметь вспомогательную выходную обмотку, которую можно использовать для питания этой микросхемы.

Изоляционная лента

Трансформаторы не имеют электрического соединения между различными обмотками. Поэтому перед наматыванием разных обмоток необходимо обмотать обмотки изоляционными лентами для разделения. Типичные барьерные ленты из полиэстера используются с разной шириной для разных типов бобин. Для обеспечения изоляции толщина лент должна составлять 1–2 мил.

Этапы проектирования трансформатора:

Теперь, когда мы знаем основные элементы трансформатора, мы можем выполнить следующие шаги, чтобы спроектировать собственный трансформатор

Шаг 1. Найдите правильное ядро для желаемого результата. Выберите правильные ядра, указанные в разделе выше.

Шаг 2. Определение основных и дополнительных ходов.

Первичный и Второстепенный витки взаимосвязаны и зависят от других параметров. Расчетная формула трансформатора для расчета первичных и вторичных витков:

N_s — второстепенные повороты,

Vmin — минимальное входное напряжение,

Vds – это напряжение сток-исток Power Mosfet,

Vo — выходное напряжение

Vd – прямое падение напряжения на выходных диодах

А Dmax — максимальный рабочий цикл.

Поэтому первичный и вторичный витки взаимосвязаны и имеют соотношение витков. Из приведенного выше расчета можно установить соотношение, и, таким образом, выбрав вторичные витки, можно узнать первичные витки. Хорошей практикой является использование 1 витка на выходное напряжение вторичной обмотки.

Шаг 3: Следующим этапом является определение первичной индуктивности трансформатора. Это можно рассчитать по приведенной ниже формуле,

P₀ — выходная мощность,

z — коэффициент распределения убытков,

n — эффективность,

f_s — частота переключения,

I_p — пиковый первичный ток,

K_RP – отношение пульсирующего тока к пиковому значению.

Шаг 4. Следующим этапом является определение эффективной индуктивности нужного сердечника с зазором.

На изображении выше показано, что такое ядро с зазором. Зазор - это метод уменьшения значения первичной индуктивности сердечников до желаемого значения. Производители сердечников предоставляют сердечник с зазором для желаемого рейтинга A_LG. Если значение недоступно, можно добавить прокладки между сердечниками или отшлифовать его, чтобы получить желаемое значение.

Шаг 5. Следующим шагом является определение диаметра первичного и вторичного проводов. Диаметр первичных проводов в миллиметрах

Где BW_E — эффективная ширина бобины, а N_p — количество первичных витков.

Диаметр вторичных проводов в миллиметрах составляет-

BW_E — эффективная ширина бобины, N_S — количество витков вторичной обмотки, а M — запас по обеим сторонам. Стандарт AWG или SWG.

Для вторичного проводника сечение более 26 AWG недопустимо из-за усиления скин-эффекта. В таком случае можно построить параллельные провода. При параллельной обмотке это означает, что когда для вторичной стороны требуется намотать более двух проводов, диаметр каждого провода может соответствовать фактическому значению одиночного провода для облегчения намотки на вторичной стороне трансформатора. Вот почему некоторые трансформаторы имеют двойные провода на одной катушке.

Это все о разработке трансформатора SMPS. Из-за критической сложности, связанной с проектированием, программное обеспечение для проектирования SMPS, такое как PI Expert для интеграции питания или Viper от ST, предоставляет инструменты и превосходные инструменты для изменения и настройки трансформатора SMPS по мере необходимости. Чтобы получить более практическое представление, вы можете ознакомиться с этим учебным пособием по проектированию 5V 2A SMPS, где мы использовали PI Expert для создания нашего собственного трансформатора, используя обсуждавшиеся до сих пор моменты.

Надеюсь, вы поняли руководство и вам понравилось узнавать что-то новое. Если у вас есть какие-либо вопросы, не стесняйтесь оставлять их в разделе комментариев или публиковать их на форумах для более быстрого ответа.

Много раз мне приходилось просматривать старую документацию, чтобы понять, как намотать трансформатор. Я решил поместить расчеты в веб-калькулятор. Это простой калькулятор - он просто считает количество витков. Вы должны выяснить, насколько большой должна быть проволока и поместится ли она на катушке.

Две вещи, которые вам нужно знать о трансформаторе, — это Bmax, которую обычно можно определить без особых проблем, и площадь поперечного сечения в см 2 . Bmax — это максимальная плотность потока, которую вы хотите получить в сердечнике. 1500G с сердечником 3622-77 на частоте 25 кГц будет давать потери в сердечнике 0,68 Вт. Уменьшайте Bmax по мере увеличения частоты. Не используйте тип 77 выше 100 кГц. Для типа 77 похоже, что вы не сможете насытить ядро, если будете держать Bmax ниже 3000, но тогда эти потери в сердечнике вас достанут. Лучше от половины до трети. Количество ваших ходов будет увеличиваться по мере уменьшения Bmax. Как и ваши потери в обмотке. Ae — это площадь поперечного сечения, и она всегда указана в техническом описании. Если оно указано в мм 2 , разделите его на 100, чтобы получить см 2 .

Обратите внимание на частоту переключения. Если вы используете что-то вроде LM3524D, частота его работы в два раза превышает фактическую частоту трансформатора. Если он имеет тактовую частоту 50 кГц, трансформатор работает только на 25 кГц. Если вы не примете это во внимание, вы сконструируете трансформатор, который будет слишком мал для частоты.

Когда я получаю дробную очередь на первичном, я округляю. Это безопаснее, чем округление в меньшую сторону. Более высокие витки на первичной обмотке означают большую индуктивность и меньший ток на той же частоте. Если вы округлите в меньшую сторону, вы можете увеличить B до точки насыщения или перегрева ядра. Вам также придется решить, нужно ли округлять какие-либо вторичные элементы, так как округление первичного изменяет количество витков, требуемых для вторичного.

Схема трансформатора

На приведенной выше схеме показан трансформатор для двухтактного прямого преобразователя. Оставьте все второстепенные, которые вам не нужны. Если вы делаете обратное движение, все ставки сняты. Расчеты трансформатора не совпадают.

Схема обратного преобразования Недавно разработчики обнаружили, что небольшие LC-шумовые фильтры эффективны. Обратноходовой преобразователь имеет два режима работы. Один из них — полное преобразование энергии. Вся энергия, накопленная в цикле накопления трансформатора, передается в цикле обратного хода. Другой - неполное преобразование энергии. Часть энергии, накопленной в трансформаторе во время цикла накопления энергии, сохраняется в цикле обратного хода до следующего цикла накопления энергии. При использовании режима полного преобразования энергии в импульсном ШИМ-преобразователе ширина пускового импульса схемы управления может быть уменьшена. Но есть некоторые проблемы, такие как искажение формы волны и трудности модуляции 7. Здесь обсуждается только метод неполного преобразования энергии.

Откройте для себя мировые исследования

20 миллионов участников
135 миллионов публикаций
Более 700 тыс. исследовательских проектов

Контент этой работы может использоваться в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution 3.0. Любое дальнейшее распространение

данной работы необходимо указать автора(ов) и название работы, цитирование в журнале и DOI.

При разработке импульсных источников питания эффективность является одним из наиболее важных показателей.

На сегодняшний день КПД бытовых импульсных источников питания в основном составляет около 70%. Чтобы ответить на

потеря импульсного источника питания состоит из потери входного выпрямителя, потери коммутации, потери буферной цепи,

потери проводимости, потери трансформатора и индуктивности и т. д. Помимо потерь входного выпрямителя, другие потери

выпрямитель 2 . В будущем для снижения легкой нагрузки и потерь в режиме ожидания можно будет использовать управление периодической скачкообразной перестройкой.

выпрямитель, микросхема управления малой мощностью и т. д. Топология обратного хода оказалась эффективным решением для

Остальная часть этой статьи организована следующим образом. Во-первых, принципы работы будут предложены в разделе

расчет для выбора трансформаторов будет представлен в разделе 4, как и некоторые другие параметры

Чтобы адаптироваться к различной выходной мощности, импульсный источник питания имеет различные топологии: повышение, понижение,

Flyback, forward, half bridge, full bridge и т. д. 5. В этом дизайне основные индексы следующие:

соответственно. Следовательно, в этой статье выбрана топология обратного хода, отвечающая требованиям простой

схема и уровень мощности. Так называемый обратный ход означает, что полярность первичной обмотки трансформатора

трансформатор, а когда выключатель выключен, диод выходного выпрямителя включается, обеспечивая питание

выходной конденсатор и нагрузка. В то же время импульсный источник питания обратного хода может выводить несколько наборов

конец первичной обмотки трансформатора положительный, верхний конец вторичной обмотки отрицательный [ 6 ] .

Обратноходовой преобразователь широко используется благодаря высокому КПД, простой схеме и многоканальному выходу.

энергия, накопленная в трансформаторе во время цикла накопления энергии, сохраняется в цикле обратного хода до тех пор, пока

Схема обратноходового преобразования описана на рис.1. Когда ключевой транзистор Tr закрыт, энергия

накопленный на первичной стороне трансформатора передается на вторичную сторону. В это время

положительная проводимость. Напряжение проводимости фильтруется конденсатором C1 для питания нагрузки

Р. Когда накопленная энергия на первичной стороне трансформатора высвобождается до определенной степени,

транзистор выключен и начинается новый разряд. Во время цикла зарядки выходное напряжение

Чтобы блок питания работал стабильно в практических приложениях, часто необходимо установить

защита от высокого напряжения, подавление помех проводимости, энергосбережение и другие функции.

необходимо учитывать температурную защиту. Для достижения вышеуказанных показателей конструкция

ядро в системе в зависимости от входной и выходной мощности. Затем можно выбрать соответствующее ядро приложения

номер жилы в таблице спецификаций по значениям геометрического параметра для

к n = 0,8. Есть две группы выходов. Один — основной выход 12 В, 3,4 А. Другой — вспомогательный

диаметр провода 0,12 мм, потому что ток очень мал. Для повышения эффективности и

В этой статье для разработки импульсного источника питания используется топология обратного хода. Для реализации данного

дизайнерские индикаторы, каркас оснащен интегральной схемой ШИМ в качестве ядра. Это ключ

процедура выбора трансформатора при проектировании источника питания. Поэтому метод выбора

значительные параметры, мы получаем детали трансформатора следующим образом: коэффициент трансформации 7,

Эта работа была частично поддержана Проектом развития научных исследований Университета Хубэй

<р>. Когда переключатель включен, выпрямительный диод находится в положении обратного смещения, поэтому энергия может накапливаться только в этом трансформаторе. Затем, когда переключатель выключен, диод выпрямителя является проводящим, накопленная энергия будет передана конденсатору и нагрузке [5]. .

Генератор с одним источником может изменять частоту и рабочий цикл импульса для управления выходным напряжением импульсного источника питания обратного хода. Для проектирования высоковольтного трансформатора можно использовать различные методы и расчеты, такие как метод AP, который будет использоваться в этом трансформаторе, метод k g и метод K RP. В этой статье шаг за шагом будет обсуждаться процесс выбора магнитопровода и других параметров трансформатора. Сначала напряжение на выходе будет более двух тысяч пятисот. Генератор с одним источником, изменяющий частоту и рабочий цикл, выходное напряжение будет оставаться стабильным на пятисотом напряжении. Размер трансформатора меньше, чем тот, который был использован, поэтому он будет полезен для встроенной схемы.

Нановолокно — это одномерный материал, который имеет широкое применение. Его можно получить, поместив источник высокого напряжения на раствор полимера, чтобы раствор полимера стал заряженным. Используя сильное электрическое поле, заряженный полимерный раствор формируется в виде конуса Тейлора, а затем вытягивается к коллектору, образуя длинные нановолокна. Этот метод известен как электропрядение. Существует два типа метода электропрядения; они бывают игольчатого и безыгольного электропрядения. Последний предназначен для массового производства нановолокон, так как может производить от десятков до сотен струй одновременно. Поэтому источник высокого напряжения, необходимый для процесса безыгольного электропрядения, должен иметь более высокое напряжение и силу тока по сравнению с таковыми для игольчатого. Соответственно, был спроектирован и разработан высоковольтный источник питания с использованием обратноходового преобразователя Mazzilli ZVS последовательной конфигурации. Обратноходовой преобразователь Mazzilli мог генерировать высокое напряжение при относительно большой мощности. Два преобразователя были соединены последовательно для получения большего выходного напряжения. Выходное напряжение регулировалось изменением входного напряжения. Один преобразователь может генерировать высокое напряжение до 34 кВ, тогда как преобразователь последовательной конфигурации может увеличить напряжение на 98,41% до 67 кВ. Выходное напряжение преобразователя было относительно стабильным и достаточным для осуществления синтеза нановолокон методом безыгольного электропрядения. Визуальное наблюдение подтвердило, что нановолокна хорошо сформировались на коллекторе.

Читайте также: