Sprievodca výberom materiálu pre feritové jadrá pre SMPS

V tomto príspevku sa naučíme, ako zvoliť materiál feritového jadra so správnymi špecifikáciami, aby sa zabezpečila správna kompatibilita s daným dizajnom obvodu SMPS

Prečo feritové jadro

Ferit je úžasná základná látka pre transformátory invertory a tlmivky vo frekvenčnom spektre 20 kHz až 3 MHz z dôvodu výhod znížených nákladov na jadro a minimálnych strát jadra.

Ferit je účinná látka pre vysokofrekvenčné napájacie zdroje (20 kHz až 3 MHz).

Ferity by sa mali používať v režime nasýtenia pre nízky výkon a nízkofrekvenčné fungovanie (<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.

2 transformátorový model poskytuje mimoriadnu účinnosť, vynikajúcu frekvenciu a minimálne spínanie.

Feritové jadrá sa bežne používajú vo verziách so spätným chodom transformátora , ktoré poskytujú minimálne náklady na jadro, znížené náklady na obvod a najvyššiu účinnosť napätia. Práškové jadrá (MPP, High Flux, Kool Mμ®) produkujú mäkšiu sýtosť, väčšie Bmax a výhodnejšiu teplotnú stálosť a sú často preferovanou voľbou v mnohých použitiach spätného chodu alebo tlmivkách.

Vysokofrekvenčné napájacie zdroje, buď invertory, alebo meniče, ponúkajú lacnejšiu cenu a nižšiu hmotnosť a štruktúru v porovnaní s tradičnými možnosťami napájania 60 Hz a 400 Hz.

Niekoľko jadier v tomto špecifickom segmente je typickým dizajnom, ktorý sa v odbore často používa.

ZÁKLADNÉ MATERIÁLY

Pre funkčnosť vysokého výkonu / vysokej teploty sa odporúčajú materiály F, P a R, ktoré uľahčujú minimálne nevýhody jadra a maximálnu hustotu toku nasýtenia. Deficity jadra materiálu P klesajú s teplotou až do 70 ° C Straty materiálu R klesajú až na 100 ° C.

Materiály J a W vám poskytujú vynikajúcu impedanciu pre široké transformátory, vďaka čomu sa odporúčajú aj pre nízkoúrovňové výkonové transformátory.

ZÁKLADNÉ GEOMETRIE

1) MOŽNO FARBY

Jadrá hrnca sú vyrobené tak, aby do veľkej miery obopínali cievku s ranou. To uľahčuje ochranu cievky pred výberom EMI z externých alternatív.

Všetky základné proporcie sa takmer všetky držia špecifikácií IEC, aby sa zabezpečila vzájomná zameniteľnosť medzi spoločnosťami. Cievky obyčajného aj plošného spoja sú
na trhu, rovnako ako montážny a montážny hardvér.

Vďaka svojmu rozloženiu je jadro hrnca zvyčajne cenovo výhodnejším jadrom v porovnaní s rôznymi formátmi analogickej veľkosti. Jadrá hrncov na podstatné energetické účely nie sú ľahko dostupné.

2) DVOJITÁ DOSKA A JADRÁ RM

Doskové jadrá so stredným stĺpikom na jednej strane sú podobné jadrám s hrncami, majú však segment minimalizovaný na ktorejkoľvek časti sukne. Významné vstupy umožňujú ukladanie väčších drôtov a prispievajú k eliminácii tepla z inštalácie.

Farby RM sú podobné jadrám hrncov, avšak sú vyrobené tak, aby obmedzili plochu plošných spojov a poskytli minimálne 40% zníženie inštalačného priestoru.

K dispozícii je plošný spoj alebo ploché cievky. Jednoduché svorky pre 1 jednotku umožňujú bezproblémovú konštrukciu. Dolný obrys je dosiahnuteľný.

Robustný stredný kus poskytuje menšie straty jadra, čo zase eliminuje akumuláciu tepla.

3) JADRÁ EP

EP Cores sú kruhové kocky so stredovým stĺpikom, ktoré dôkladne obklopujú cievku, s výnimkou svoriek plošných spojov. Špecifický vzhľad eliminuje vplyv štrbín prúdenia vzduchu vytvorených na páriacich sa stenách v magnetickej dráhe a poskytuje výraznejší pomer objemu k použitej absolútnej ploche. Ochrana pred RF je vcelku skvelá.

4) PQ FARBY

PQ jadrá sú osobitne určené pre spínané zdroje. Usporiadanie umožňuje maximalizovať pomer objemu k oblasti navíjania a ploche povrchu.

Preto je možné dosiahnuť optimálnu indukčnosť aj povrch vinutia s absolútnym minimálnym rozmerom jadra.

Výsledkom je, že jadrá poskytujú optimálny výstupný výkon s najmenšou zmontovanou hmotou a rozmermi transformátora spolu s minimálnou úrovňou priestoru na doske s plošnými spojmi.

Nastavenie pomocou cievok s plošnými spojmi a svoriek s jedným bitom je jednoduché. Tento ekonomický model zaisťuje oveľa homogénnejší prierez, v dôsledku čoho jadrá často pracujú s menším počtom horúcich pozícií v porovnaní s rôznymi usporiadaniami.

5) A FARBY

E jadrá sú lacnejšie ako jadrá hrncov, pričom majú aspekty priameho navíjania cievky a nekomplikovanej montáže. Vinutie gangu je dosiahnuteľné pre cievky použité pri použití týchto jadier.

E jadrá nikdy nie sú rovnaké, chránia seba. Rozloženie laminácie veľkosti E sú navrhnuté tak, aby vyhovovali komerčne dostupným cievkam v minulosti, ktoré sú v súlade s výliskmi pásov obvyklých meraní laminácie.

Metrické a Veľkosti DIN možno tiež nájsť. E jadrá sú zvyčajne zaliate do rôznej konzistencie a poskytujú tak rôzne prierezové plochy. Cievky pre tieto rôzne prierezové plochy majú tendenciu byť komerčne dostupné.

E jadrá sa zvyčajne inštalujú v jedinečných orientáciách, v prípade potreby poskytnite nízky profil.
Cievky s plošnými spojmi možno nájsť na nízkoprofilové upevnenie.

E jadrá sú známe dizajny z dôvodu ich dostupnejšej ceny, pohodlnosti montáže a vinutia a organizovaného rozšírenia sortimentu hardvéru.

6) PLANÁR A FARBY

Planárne jadrá E možno nájsť prakticky vo všetkých konvenčných meraniach IEC spolu s niekoľkými doplnkovými kapacitami.

Materiál Magnetics R je bezchybne zladený s rovinnými tvarmi vďaka zníženým stratám v jadre striedavého prúdu a minimálnym stratám pri 100 ° C.

Plošné rozloženia majú vo väčšine prípadov na rozdiel od štandardných feritových transformátorov nízky počet závitov a príjemný rozptyl tepla, a preto ideálne priestorové a efektívne prevedenie vedie k zvýšeniu hustoty toku. V týchto variantoch je celková výkonová výhoda materiálu R v zásade pozoruhodná.

Rozpätie nôh a elevácia okna (proporcie B a D) sú flexibilné pre jednotlivé účely bez nových nástrojov. To umožňuje vývojárovi doladiť dokončené špecifikácie jadra tak, aby presne vyhovovali nadmorskej výške stohu rovinných vodičov, pričom mu chýba akýkoľvek priestor.

V mnohých prípadoch sú ponúkané svorky a svorky na klip, ktoré by mohli byť konkrétne účinné pri prototypovaní. I-jadrá sa ďalej navrhujú ako štandard, ktorý umožňuje ešte väčšiu adaptabilitu v usporiadaní.

Planárne vzory E-I sa hodia na to, aby umožnili efektívne zmiešanie tvárí vo vysokej hromadnej výrobe, ako aj na vytváranie medzery indukčných jadier, pričom vzhľadom na rovinnú štruktúru je potrebné dôsledne zohľadniť okrajové čerpania.

7) ES, ETD, EER A ER JADRÁ

Tieto typy vzorov sú kombináciou medzi E jadrami a jadrami hrncov. Rovnako ako E jadrá, vytvárajú enormnú medzeru na oboch stranách. To poskytuje uspokojivý priestor pre vodiče väčšej veľkosti potrebné pre napájané zdroje so zmeneným výstupným napätím.

Okrem toho zaručuje cirkuláciu vzduchu, ktorá udržuje konštrukciu chladnejšiu.

Stredný kus je kruhový, veľmi podobný jadru hrnca. Jedným z pozitívnych aspektov kruhového stredového stĺpu je, že vinutie nesie okolo seba menšiu periódu (o 11% rýchlejšie) v porovnaní s drôtom okolo centrálneho stĺpu štvorcového typu s veľmi rovnakou prierezovou plochou.

To znižuje straty na vinutí o 11% a tiež umožňuje jadru vyrovnať sa so zlepšenou výstupnou schopnosťou. Kruhový stredový stĺpik navyše minimalizuje ostnatý záhyb medi, ktorý sa pri navíjaní prejavuje na strednom stĺpiku štvorcového typu.

8) TOROIDY

Toroidy sú rentabilné na výrobu, sú teda najlacnejšie z najrelevantnejších návrhov jadier. Pretože nie je potrebná žiadna cievka, príslušenstvo a nastavenie poplatkov sú zanedbateľné.

Vinutie je ukončené na toroidnom navíjacom zariadení. Tieňový atribút je pekný zvuk.

Prehľad

Feritové geometrie vám poskytujú obrovský výber veľkostí a štýlov. Pri výbere jadra na využitie napájania je potrebné posúdiť špecifikácie uvedené v tabuľke 1.

VÝBER VEĽKOSTI TRANSFORMÁTORA

Schopnosť spracovania energie v jadre transformátora je zvyčajne podmienená produktom WaAc, v ktorom Wa je ponúkaný okenný priestor jadra a Ac je užitočný prierezový priestor jadra.

Zatiaľ čo vyššie uvedená rovnica umožňuje modifikovať WaAc v závislosti od konkrétnej geometrie jadra, Pressmanova technika využíva ako základný faktor topológiu a umožňuje výrobcovi určiť prúdovú hustotu.

VŠEOBECNÉ INFORMÁCIE

Perfektný transformátor je ten, ktorý sľubuje minimálny pokles jadra pri súčasnom vyžadovaní najmenšieho objemu miestnosti.

Strata jadra v konkrétnom jadre je špecificky ovplyvnená hustotou toku spolu s frekvenciou. Frekvencia je rozhodujúcim faktorom pri transformátore. Faradayov zákon naznačuje, že s rastúcou frekvenciou sa hustota toku zodpovedajúcim spôsobom znižuje.

Obchody so stratou jadra sa oveľa viac znižujú v prípade, že hustota toku klesne v porovnaní s nárastom frekvencie. Na ilustráciu, keď je transformátor prevádzkovaný na 250 kHz a 2 kG na R materiále pri 100 ° C, poruchy jadra by boli pravdepodobne okolo 400 mW / cm3.

Ak by bola frekvencia vykonaná dvakrát a väčšina ďalších obmedzení by bola nepoškodená, v dôsledku Faradayovho zákona by sa hustota toku pravdepodobne ukázala byť 1 kG a výsledné odbery jadra by boli zhruba 300 mW / cm3.

Štandardné feritové výkonové transformátory obmedzujú stratu jadra v rozmedzí od 50 do 200 mW / cm3. Planárne modely mohli byť prevádzkované oveľa asertívnejšie, až do 600 mW / cm3, kvôli výhodnejšiemu rozptylu výkonu a podstatne menšej miere medi vo vinutí.

OBVODOVÉ KATEGÓRIE

Existuje niekoľko základných spätných väzieb k niekoľkým obvodom: Obvod push-pull je efektívny, pretože zariadenie spôsobuje obojsmerné použitie jadra transformátora a predstavuje výstup so zníženým zvlnením. Napriek tomu sú obvody mimoriadne sofistikované a nasýtenie jadra transformátora môže mať za následok poruchu tranzistora, keď výkonové tranzistory nesú nerovnaké spínacie vlastnosti.

Obvody spätného napájania sú lacnejšie a používajú iba jeden tranzistor. Zvlnenie je minimálne kvôli skutočnosti, že zjavne stabilný prúd prúdi v transformátore bez ohľadu na to, či je tranzistor zapnutý alebo vypnutý. Okruh flybacku je priamy a cenovo dostupný. Okrem toho je problematika EMI podstatne menšia. Napriek tomu je transformátor väčší a zvlnenie výraznejšie.

OBVOD STLAČTE-VYTLAČTE

Bežný push-pull obvod je znázornený na obrázku 2A. Napájacie napätie je výstup z IC siete alebo hodín, ktoré striedavo oscilujú tranzistory ZAPNUTÉ a VYPNUTÉ. Vysokofrekvenčné štvorcové vlny na výstupe tranzistora sa nakoniec zdokonalia a generujú dc.

JADRO V OBVODU TLAČENÍM

Pre feritové transformátory pri 20 kHz je zvyčajne známy proces využívania rovnice (4) s hladinou toku (B) max. ± 2 kG.

Toto môže byť nakreslené farebnou časťou hysteréznej slučky na obrázku 2B. Tento stupeň B sa vyberá hlavne preto, že obmedzujúcim aspektom výberu jadra s touto frekvenciou je strata jadra.

Ak je pri 20 kHz ideálny transformátor pre hustotu toku okolo saturácie (ako je to uskutočňované pri menších frekvenčných usporiadaniach), jadro nadobudne nekontrolovaný teplotný nárast.

Z tohto dôvodu bude menšia hustota prevádzkového toku 2 kG vo väčšine prípadov obmedzovať straty v aktívnej zóne, čo následne pomôže dostupnému zvýšeniu teploty v aktívnej zóne.

Nad 20 kHz sa straty jadra maximalizujú. Na vykonanie SPS pri zvýšených frekvenciách je dôležité vykonať rýchlosti toku jadra menšie ako ± 2 kg. Obrázok 3 ukazuje pokles hladín toku pre MAGNETICKÝ feritový materiál „P“ nevyhnutný pre prispievanie konštantnými stratami jadra 100 mW / cm3 pri mnohých frekvenciách s optimálnym teplotným nárastom 25 ° C.

V obvode posuvu dopredu znázornenom na obrázku 4A sa transformátor vykonáva v 1. kvadrante hysteréznej slučky. (Obr. 4B).

Unipolárne impulzy implementované do polovodičového zariadenia spôsobujú, že jadro transformátora bude napájané z jeho hodnoty BR blízko saturácie. Keď sú impulzy zmenšené na nulu, jadro sa vráti k svojej rýchlosti BR.

Aby bolo možné udržať vynikajúcu účinnosť, je primárna indukčnosť udržiavaná na vysokej hodnote, aby sa pomohlo znížiť magnetizačný prúd a znížiť odťahy drôtov. To znamená, že v jadre musia byť nulové alebo úplné minimum otvoru na prúdenie vzduchu.