Руководство по выбору материала ферритового сердечника для SMPS

В этом посте мы узнаем, как выбрать материал ферритового сердечника с правильными характеристиками для обеспечения надлежащей совместимости с данной схемой SMPS.

Почему ферритовый сердечник

Феррит - прекрасное ядро для трансформаторов , инверторы и катушки индуктивности в частотном диапазоне от 20 кГц до 3 МГц благодаря преимуществам снижения затрат на сердечник и минимальных потерь в сердечнике.

Феррит является эффективным материалом для высокочастотных (от 20 кГц до 3 МГц) инверторных источников питания.

Ферриты следует использовать в методе насыщения для работы с низкой мощностью и низкой частотой (<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.

Модель с двумя трансформаторами обеспечивает исключительную эффективность, фантастическую частотную стойкость и минимальные потери при переключении.

Ферритовые сердечники обычно используются в версиях с обратноходовым трансформатором. , которые обеспечивают минимальную стоимость ядра, снижение затрат на схему и максимальную эффективность напряжения. Порошковые сердечники (MPP, High Flux, Kool Mμ®) обеспечивают более мягкое насыщение, большее Bmax и более благоприятную постоянство температуры и часто являются предпочтительным вариантом в ряде применений обратного хода или индукторов.

Высокочастотные источники питания, инверторы и преобразователи, имеют более низкую цену, меньший вес и конструкцию по сравнению с традиционными вариантами питания 60 и 400 Гц.

Несколько ядер в этом конкретном сегменте представляют собой типичные конструкции, часто используемые в профессии.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Материалы F, P и R, обеспечивающие минимальные недостатки сердечника и максимальную плотность потока насыщения, рекомендуются для работы с высокой мощностью / высокой температурой. Дефицит материала сердечника P уменьшается с температурой до 70 ° C. Потери материала снижаются до 100 ° C.

Материалы J и W обеспечивают превосходное сопротивление для широких трансформаторов, что делает их также рекомендованными для силовых трансформаторов низкого уровня.

ОСНОВНАЯ ГЕОМЕТРИЯ

1) МОЖЕТ ЦВЕТА

Сердечники горшка изготавливаются так, чтобы в значительной степени охватить намотанную катушку. Это облегчает защиту катушки от воздействия электромагнитных помех извне.

Пропорции сердечника горшка практически полностью соответствуют спецификациям IEC, чтобы гарантировать взаимозаменяемость между компаниями. Как простые, так и печатные бобины
на рынке, а также монтажно-сборочное оборудование.

Из-за своей компоновки ядро ​​горшка обычно является более дорогим ядром по сравнению с другими форматами аналогичного размера. Ядра электролизера для значительного энергоснабжения труднодоступны.

2) ДВОЙНЫЕ ПЛИТЫ И ЯДЕРЫ RM

Сплошные сердечники центральной стойки с плоскими стенками похожи на сердечники горшков, но при этом имеют сегмент, минимизированный на любой части юбки. Значительные входы позволяют разместить провода большего размера и способствуют отводу тепла от установки.

RM цвета похожи на сердечники электролизера, но предназначены для сокращения площади печатной платы, что позволяет сократить пространство для установки как минимум на 40%.

Доступны печатные или простые шпульки. Простые зажимы на 1 шт. Обеспечивают беспроблемное строительство. Нижний контур достижим.

Прочная средняя часть обеспечивает меньшие потери в сердечнике, что, в свою очередь, устраняет накопление тепла.

3) ЯДРА EP

EP сердечники представляют собой круглые кубические конструкции с центральной стойкой, которые полностью окружают катушку, за исключением выводов печатной платы. Особый внешний вид устраняет влияние трещин воздушного потока, образовавшихся на сопрягаемых стенках магнитной дорожки, и дает вам более значительное отношение объема к абсолютной используемой площади. Защита от RF - это очень хорошо.

4) ЦВЕТА PQ

Ядра PQ предназначены исключительно для импульсных источников питания. Компоновка обеспечивает максимальное соотношение объема к области намотки и площади поверхности.

Следовательно, как оптимальная индуктивность, так и поверхность обмотки достигаются при абсолютно минимальном размере сердечника.

В результате сердечники обеспечивают оптимальную выходную мощность при минимальной массе и габаритах трансформатора в сборе, а также занимают минимальный уровень места на печатной плате.

Установка с помощью катушек с печатной схемой и зажимов с одной битой стала простой. Эта экономичная модель обеспечивает гораздо более однородное поперечное сечение, следовательно, сердечники часто работают с меньшим количеством горячих позиций по сравнению с другими компоновками.

5) И ЦВЕТА

Сердечники E дешевле, чем сердечники электролизера, но при этом имеют аспекты простой намотки катушки и несложной сборки. Для использованных катушек с этими сердечниками возможна групповая намотка.

Жилы E никогда, тем не менее, не имеют самозащиты. Макеты ламинирования размера E предназначены для размещения имеющихся в продаже бобин в прошлом и предназначены для соответствия тиснению на полосах обычных размеров ламинирования.

Метрическая и Размеры DIN также можно найти. Сердечники E обычно заделываются с различной консистенцией, обеспечивая различные площади поперечного сечения. Бобины для этих различных площадей поперечного сечения, как правило, доступны в продаже.

Сердечники E обычно устанавливаются в уникальной ориентации, в случае предпочтения - в низкопрофильном.
Печатные бобины можно найти для низкопрофильной фиксации.

Сердечники E - это хорошо известные конструкции из-за их более доступной цены, удобства сборки и намотки, а также организованного преобладания ассортимента оборудования.

6) ПЛАН И ЦВЕТА

Сердечники Planar E можно найти практически во всех стандартных измерениях IEC, а также в некоторых дополнительных емкостях.

Материал Magnetics R идеально подходит для плоских форм благодаря уменьшенным потерям в сердечнике переменного тока и минимальным потерям при 100 ° C.

Планарные схемы в большинстве случаев имеют низкое число витков и приемлемое тепловыделение, в отличие от стандартных ферритовых трансформаторов, и по этой причине идеальные конструкции с учетом пространства и эффективности приводят к увеличению плотности потока. В этих вариантах общее преимущество материала R в характеристиках в принципе весьма заметно.

Размах опор и высота окон (пропорции B и D) могут быть изменены для индивидуальных целей без использования новых инструментов. Это позволяет разработчику точно настроить окончательные спецификации сердечника, чтобы они точно соответствовали высоте плоского стека проводников, не имея при этом занимаемого места.

Во многих случаях предлагаются зажимы и слоты для зажимов, которые могут быть особенно эффективны для создания прототипов. Кроме того, I-ядра являются предлагаемым стандартом, что обеспечивает еще большую гибкость в компоновке.

Планарные узоры E-I пригодятся для обеспечения эффективного смешивания граней при крупномасштабном производстве, а также для создания сердечников индукторов с зазорами, в результате чего необходимо тщательно учитывать просадки краев с учетом планарной структуры.

7) ЯДРА EC, ETD, EER И ER

Эти типы шаблонов представляют собой смесь между сердечниками E и сердечниками горшка. Как и сердечники E, они создают огромный зазор с обеих сторон. Это дает достаточно места для проводов большего размера, необходимых для импульсных источников питания с пониженным выходным напряжением.

Кроме того, он обеспечивает циркуляцию воздуха, благодаря чему конструкция остается более холодной.

Средняя часть круглой формы, очень похожа на сердцевину горшка. Одним из положительных аспектов круглой центральной стойки является то, что обмотка имеет меньший период хода вокруг нее (на 11% быстрее) по сравнению с проводом вокруг центральной стойки квадратного типа с такой же площадью поперечного сечения.

Это снижает потери в обмотках на 11%, а также позволяет сердечнику справляться с улучшенными выходными характеристиками. Круглая центральная опора дополнительно минимизирует остроконечную складку меди, которая возникает при намотке на центральную опору квадратного типа.

8) ТОРОИДЫ

Производство тороидов является рентабельным, следовательно, они являются наименее дорогими из наиболее подходящих конструкций сердечников. Поскольку в шпульке нет необходимости, дополнительные расходы и затраты на установку незначительны.

Обмотка комплектуется на тороидальном намоточном оборудовании. Атрибут экранирования довольно хорош.

Обзор

Геометрия феррита предоставляет вам огромный выбор размеров и стилей. При выборе ядра для источников питания необходимо оценить характеристики, указанные в таблице 1.

ВЫБОР РАЗМЕРА СЕРДЕЧНИКА ТРАНСФОРМАТОРА

Возможности обработки мощности на сердечнике трансформатора обычно зависят от его продукта WaAc, в котором Wa - это предлагаемое пространство окна сердечника, а Ac - полезное пространство поперечного сечения сердечника.

В то время как приведенное выше уравнение позволяет изменять WaAc в зависимости от конкретной геометрии сердечника, метод Pressman использует топологию в качестве фундаментального фактора и позволяет производителю определять плотность тока.

ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Идеальный трансформатор - это всего лишь такой трансформатор, который обещает минимальный износ сердечника при минимальном объеме помещения.

На потери в конкретном сердечнике, в частности, влияет плотность потока и частота. Частота - решающий фактор для трансформатора. Закон Фарадея указывает, что с увеличением частоты соответственно уменьшается плотность потока.

Основные убыточные сделки уменьшаются намного больше в случае падения плотности потока по сравнению с увеличением частоты. В качестве иллюстрации, когда трансформатор работает на частоте 250 кГц и 2 кГс на материале R при 100 ° C, отказы сердечника, вероятно, составят около 400 мВт / см3.

Если бы частота была сделана дважды и большинство других ограничений не пострадали, в результате закона Фарадея плотность потока, вероятно, оказалась бы равной 1 кГс, а результирующие потери в активной зоне составили бы примерно 300 мВт / см3.

Для стандартных ферритовых силовых трансформаторов потери в сердечнике ограничены в пределах 50-200 мВт / см3. Планарные модели могут работать намного более агрессивно, до 600 мВт / см3, благодаря более выгодному рассеиванию мощности и значительно меньшему количеству меди в обмотках.

ЦЕПИ Категории

Ряд основных обратных связей по нескольким схемам: Двухтактная схема эффективна, поскольку устройство вызывает двунаправленное использование сердечника трансформатора, обеспечивая выход с уменьшенной пульсацией. Несмотря на это, схема очень сложна, и насыщение сердечника трансформатора может привести к пробою транзистора, когда силовые транзисторы обладают неодинаковыми коммутационными свойствами.

Цепи прямой связи дешевле по стоимости, поскольку в них используется всего один транзистор. Пульсации минимальны из-за того, что в трансформаторе течет очевидно стабильное состояние тока, независимо от того, включен ли транзистор или нет. Схема обратного хода проста и доступна. Кроме того, значительно меньше проблем с EMI. Несмотря на это, трансформатор больше, а пульсации более значительны.

ЦЕПЬ НАДПИСИ

Обычная двухтактная схема представлена ​​на рисунке 2А. Напряжение питания является выходным сигналом сети IC или часами, которые попеременно включают и выключают транзисторы. Высокочастотные прямоугольные волны на выходе транзистора со временем улучшаются, генерируя постоянный ток.

СЕРДЕЧНИК В ЦЕПИ ТЯГА

Для ферритовых трансформаторов на частоте 20 кГц обычно хорошо известно использование уравнения (4) с уровнем плотности потока (B) не более ± 2 кГс.

Это можно увидеть по цветному участку петли гистерезиса на рисунке 2B. Эта степень B выбрана главным образом потому, что ограничивающим аспектом выбора сердечника с этой частотой являются потери в сердечнике.

На частоте 20 кГц, если трансформатор идеально подходит для плотности потока около насыщения (как это делается для схем с меньшей частотой), сердечник будет испытывать неконтролируемый скачок температуры.

По этой причине меньшая рабочая плотность потока, равная 2 кГс, в большинстве случаев ограничивает потери в сердечнике, следовательно, способствует доступному повышению температуры в сердечнике.

Выше 20 кГц потери в сердечнике максимальны. Для выполнения SPS на повышенных частотах важно обеспечить интенсивность магнитного потока в сердечнике менее ± 2 кг. На рисунке 3 показано снижение уровня магнитного потока для магнитного феррита типа «P», жизненно важного для обеспечения постоянных потерь в сердечнике 100 мВт / см3 на различных частотах с оптимальным скачком температуры 25 ° C.

В схеме прямой связи, показанной на рисунке 4A, трансформатор работает в 1-м квадранте контура гистерезиса. (Рис. 4B).

Униполярные импульсы, подаваемые на полупроводниковое устройство, приводят к тому, что сердечник трансформатора получает питание от значения BR, близкого к насыщению. Когда импульсы уменьшаются до нуля, ядро ​​возвращается к своей скорости BR.

Чтобы поддерживать высокий КПД, индуктивность первичной обмотки поддерживается на высоком уровне, что помогает снизить ток намагничивания и уменьшить просадки проводов. Это означает, что сердечник должен иметь нулевое или минимальное отверстие для воздушного потока.