Navrhování účinného napájecího obvodu není menší výzvou. Ti, kteří již pracovali s obvody SMPS, by snadno souhlasili, že konstrukce zpětného transformátoru hraje zásadní roli při navrhování účinného napájecího obvodu. Většinou nejsou tyto transformátory k dispozici na skladě v přesně stejném parametru, který vyhovuje našemu designu. Takže v tomto výukovém programu pro návrh transformátorůNaučíme se, jak sestavit vlastní transformátor, jak to vyžaduje náš návrh obvodu. Všimněte si, že tento tutoriál pokrývá pouze teorii, pomocí které později v dalším tutoriálu postavíme 5V 2A SMPS obvod s ručně vyrobeným transformátorem, jak je znázorněno na obrázku výše, pro praktickou expozici. Pokud jste v transformátoru úplně noví, přečtěte si prosím článek Základy transformátoru, abyste lépe porozuměli postupu.
Díly v transformátoru SMPS
Návrh transformátoru SMPS má různé části transformátoru, které jsou přímo zodpovědné za výkon transformátoru. Tyto díly představí v transformátoru je vysvětleno níže, se dozvíme, že je důležité každé části a jak by měla být vybrána pro svůj design transformátoru. Tyto části platí ve většině případů stejně i pro jiné typy transformátorů.
Jádro
SMPS znamená spínaný napájecí zdroj. Vlastnosti transformátoru SMPS velmi závisí na frekvenci, na které pracují. Vysoká spínací frekvence otevírá možnosti výběru menších transformátorů SMPS. Tyto vysokofrekvenční transformátory SMPS používají feritová jádra.
Konstrukce jádra transformátoru je nejdůležitější věcí v konstrukci transformátoru SMPS. Jádro má jiný typ A L (Ungapped jádro indukčnost koeficient) v závislosti na materiálu jádra, základní velikosti, a jádra typu. Populární typy materiálů jádra jsou N67, N87, N27, N26, PC47, PC95 atd. Výrobce feritových jader také poskytuje v datovém listu podrobné parametry, které budou užitečné při výběru jádra pro váš transformátor
Zde je například datový list populárního jádra EE25.
Výše uvedený obrázek je datový list jádra EE25 z materiálu PC47 od široce populárního výrobce jádra TDK. Pro konstrukci transformátoru bude zapotřebí každý bit informací. Jádra však mají přímý vztah k výstupnímu příkonu, takže pro různé příkony SMPS jsou vyžadovány různé tvary a velikosti jader.
Zde je seznam jader v závislosti na příkonu. Seznam je založen na konstrukci 0-100W. Zdroj seznamu je převzat z dokumentace Power Integration. Tato tabulka bude užitečná pro výběr správného jádra pro návrh transformátoru na základě jeho příkonu.
| Maximální výstupní výkon | Feritová jádra pro konstrukci TIW | Feritová jádra pro konstrukci Margin Wound |
| 0-10 W. |
EPC17, EFD15, EE16, EI16, EF15, E187, EE19, EI19 |
EEL16, EF20, EEL19, EPC25, EFD25 |
| 10-20W |
EE19, EI19, EPC19, EF20, EFD20, EE22, EI22 |
EEL19, EPC25, EFD25, EF25 |
| 20 - 30 W. | EPC25, EFD25, E24 / 25, EI25, EF25, EI28 |
EPC30, EFD30, EF30, EI30, ETD29, EER28 |
| 30-50 W. |
EI28, EF30, EI30, ETD29, EER28 |
EI30, ETD29, EER28,
EER28L, EER35 |
| 50-70 W |
EER28L, ETD34, EI35, EER35 |
EER28L, ETD34, EER35, ETD39 |
| 70-100 W |
EPC30, EFD30, EF30, EI30, ETD29, EER28 |
EER35, ETD39, EER40, E21 |
Zde znamená TIW trojitou izolaci drátěných konstrukcí. E jádra jsou nejoblíbenější a jsou široce používána v transformátorech SMPS. Jádra E však mají několik případů, například EE, EI, EFD, ER atd. Všechna vypadají jako písmeno „E“, ale střední část je pro každou látku odlišná. Běžné typy E jader jsou níže ilustrovány pomocí obrázků.
EE jádro
EI jádro
ER jádro
EFD jádro
Cívka
Cívka je pouzdro jader a vinutí. Cívka má efektivní šířku, která je nezbytná pro výpočet průměrů drátu a konstrukce transformátoru. Cívka transformátoru má nejen tečkovanou značku, která poskytuje informace o primárních vinutích. Běžně používaná cívka transformátoru EE16 je uvedena níže
Primární vinutí
SMPS vinutí transformátoru bude mít primární vinutí a alespoň jedním sekundárním vinutím, na základě návrhu by mohlo nasbíral více sekundárních vinutí nebo pomocným vinutím. Primární vinutí je první a nejvnitřnější vinutí transformátoru. Je přímo připojen k primární straně SMPS. Obvykle je počet vinutí na primární straně větší než u ostatních vinutí transformátoru. Hledání primárního vinutí v transformátoru je snadné; stačí zkontrolovat tečkovou stranu transformátoru pro primární vinutí. Obecně se nachází přes vysokonapěťovou stranu mosfetu.
Ve schématu SMPS si můžete všimnout vysokonapěťového stejnosměrného proudu z vysokonapěťového kondenzátoru připojeného k primární straně transformátoru a druhý konec je spojen s výkonovým ovladačem (interní odtokový kolík mosfet) nebo se samostatným odtokovým kolíkem MOSFET vysokého napětí.
Sekundární vinutí
Sekundární vinutí převádí napětí i proud na primární straně na požadovanou hodnotu. Zjištění sekundárního výstupu je trochu složité, protože u některých návrhů SMPS má transformátor obvykle několik sekundárních výstupů. Výstupní nebo nízkonapěťová strana obvodu SMPS je však obecně připojena k sekundárnímu vinutí. Jedna strana sekundárního vinutí je DC, GND a druhá strana je připojena přes výstupní diodu.
Jak již bylo uvedeno, transformátor SMPS může mít více výstupů. Transformátor SMPS proto může mít také několik sekundárních vinutí.
Pomocná vinutí
Existují různé typy designu SMPS, kde obvod ovladače potřebuje další zdroj napětí pro napájení IC ovladače. Pomocné vinutí se používá k dodávání tohoto dodatečného napětí do obvodu budiče. Například pokud váš ovladač IC pracuje na 12V, pak bude mít transformátor SMPS pomocné výstupní vinutí, které lze použít k napájení tohoto IC.
Izolační páska
Transformátory nemají elektrické spojení mezi různými vinutími. Proto je před zabalením různých vinutí nutné oddělit kolem vinutí izolační pásky. Typické polyesterové bariérové pásky se používají pro různé typy cívek s různou šířkou. Tloušťky pásek musí být pro zajištění izolace 1–2 mil.
Kroky návrhu transformátoru:
Nyní, když známe základní prvky v transformátoru, můžeme podle níže uvedených kroků navrhnout vlastní transformátor
Krok 1 : Najděte správné jádro pro požadovaný výstup. Vyberte správná jádra uvedená ve výše uvedené části.
Krok 2 : Zjištění primárního a sekundárního kola.
Primární a sekundární otáčky jsou vzájemně propojeny a závisí na dalších parametrech. Konstrukce transformátoru Vzorec pro výpočet primární a sekundární zatáčky jsou-
Kde
N p je primární závit, N s jsou sekundární otáčky, Vmin je minimální vstupní napětí, Vds je odběr na zdrojové napětí Power Mosfet, Vo je výstupní napětí
Vd jsou poklesy dopředného napětí výstupních diod
A Dmax je maximální pracovní cyklus.
Proto jsou primární a sekundární otáčky vzájemně propojeny a mají poměr otáček. Z výše uvedeného výpočtu lze nastavit poměr a tak výběrem sekundárních závitů lze zjistit primární obraty. Osvědčeným postupem je použít 1 otáčky na výstupní napětí sekundárního vinutí.
Krok 3: Dalším krokem je zjištění primární indukčnosti transformátorů. To lze vypočítat podle následujícího vzorce,
Kde, P 0 je výstupní výkon, z je faktor alokace ztráty, n je účinnost, f s je spínací frekvence, I p je špičkový primární proud, K RP je poměr zvlnění proudu k špičce.
Krok 4: Dalším krokem je zjištění efektivní indukčnosti pro požadované jádro s mezerou.
Výše uvedený obrázek ukazuje, jaké je jádro s mezerami. Gapping je technika ke snížení hodnoty primární indukčnosti jader na požadovanou hodnotu. Výrobci jádra poskytují mezeru jádra pro požadované hodnocení LG. Pokud hodnota není k dispozici, můžete přidat mezikusy mezi jádra nebo ji rozdrtit, abyste získali požadovanou hodnotu.
Krok 5: Dalším krokem je zjištění průměru primárních a sekundárních vodičů. Průměr primárních vodičů v milimetrech je
Kde BW E je efektivní šířka cívky a N p je počet primárních závitů.
Průměr sekundárních vodičů v milimetrech je-
BW E je efektivní šířka cívky, N S je počet sekundárních závitů a M je okraj na obou stranách. Dráty je třeba převést na standard AWG nebo SWG.
U sekundárního vodiče není přípustné větší než 26 AWG z důvodu zvýšení efektu kůže. V takovém případě mohou být konstruovány paralelní vodiče. U paralelního vinutí drátu to znamená, že když je třeba navinout více než dva vodiče pro sekundární stranu, může průměr každého drátu odpovídat skutečné hodnotě jednoho drátu pro snazší navíjení přes sekundární stranu transformátoru. Proto najdete některé transformátory, které mají duální vodiče na jedné cívce.
Jedná se o návrh transformátoru SMPS. Kvůli kritické složitosti související s designem poskytuje návrhový software SMPS, jako je PI Expert pro integraci napájení nebo Viper od ST, nástroje a exceluje pro změnu a konfiguraci transformátoru SMPS podle potřeby. Chcete-li získat praktičtější expozici, můžete zkontrolovat tento výukový program SMV 5V 2A, kde jsme pomocí PI Expert sestavili vlastní transformátor pomocí dosud diskutovaných bodů.
Doufám, že jste pochopili výukový program a bavilo vás učit se něco nového. Pokud máte nějaké dotazy, můžete je zanechat v sekci komentářů nebo je zveřejnit ve fórech pro rychlejší reakci.