Hướng dẫn lựa chọn vật liệu lõi Ferrite cho SMPS

Trong bài đăng này, chúng ta tìm hiểu cách chọn vật liệu lõi ferit với các thông số kỹ thuật chính xác để đảm bảo khả năng tương thích thích hợp với thiết kế mạch SMPS nhất định

Tại sao lại có lõi Ferrite

Ferit là một chất cốt lõi tuyệt vời cho máy biến áp , bộ nghịch lưu và cuộn cảm trong dải tần từ 20 kHz đến 3 MHz, nhờ vào lợi ích của việc giảm chi phí lõi và tổn thất lõi tối thiểu.

Ferrite là một công cụ hiệu quả cho các bộ nguồn biến tần tần số cao (20 kHz đến 3 MHz).

Ferrit nên được sử dụng trong phương pháp bão hòa để hoạt động công suất thấp, tần số thấp (<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.

Mô hình 2 máy biến áp cung cấp hiệu suất phi thường độ bền tần số tuyệt vời và giảm thiểu chuyển mạch.

Lõi Ferrite thường được sử dụng trong các phiên bản máy biến áp bay ngược , cung cấp chi phí cốt lõi tối thiểu, giảm chi phí mạch và hiệu quả điện áp cao nhất. Các lõi bột (MPP, High Flux, Kool Mμ®) tạo ra độ bão hòa mềm hơn, Bmax lớn hơn và hằng số nhiệt độ có lợi hơn và thường là lựa chọn ưu tiên trong một số cách sử dụng flyback hoặc cuộn cảm.

Bộ nguồn tần số cao, cả bộ biến tần và bộ chuyển đổi, đề xuất giá rẻ hơn, giảm trọng lượng và cấu trúc so với các tùy chọn nguồn 60 hertz và 400 hertz truyền thống.

Một số lõi trong phân khúc cụ thể này là những thiết kế điển hình thường được sử dụng trong nghề.

TÀI LIỆU CỐT LÕI

Vật liệu F, P và R, tạo điều kiện thuận lợi cho các nhược điểm cốt lõi tối thiểu và mật độ thông lượng bão hòa tối đa, được khuyến nghị cho chức năng công suất cao / nhiệt độ cao. Sự thiếu hụt lõi vật liệu P giảm khi nhiệt độ lên đến 70 ° C R tổn thất vật liệu giảm xuống tới 100 ° C.

Vật liệu J và W cung cấp cho bạn trở kháng vượt trội cho các máy biến áp rộng, điều này làm cho chúng cũng được khuyến nghị cho các máy biến áp công suất cấp thấp.

HÌNH HỌC CỐT LÕI

1) CÓ THỂ MÀU SẮC

Lõi nồi, được sản xuất để bao quanh suốt chỉ quấn. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc bảo vệ cuộn dây khỏi việc chọn EMI từ các lựa chọn thay thế bên ngoài.

Tỷ lệ lõi nồi khá nhiều đều tuân theo các thông số kỹ thuật của IEC để đảm bảo rằng có sự thay thế cho nhau giữa các công ty. Cả suốt chỉ trơn và suốt mạch in đều
trên thị trường, cũng như phần cứng lắp ráp và lắp ráp.

Do cách bố trí của nó, lõi nồi thường là lõi có giá cao hơn so với các định dạng khác nhau có kích thước tương tự. Không dễ dàng tiếp cận các lõi nồi cho các mục đích sử dụng điện đáng kể.

2) DOUBLE SLAB VÀ RM CORES

Các lõi bài trung tâm rắn dạng phiến tương tự như lõi nồi, nhưng có một phân đoạn được giảm thiểu ở một trong hai phần của váy. Các lối vào đáng kể giúp cho các dây lớn hơn có thể mắc vào và góp phần loại bỏ nhiệt từ thiết lập.

RM màu sắc tương tự như lõi nồi, tuy nhiên được thiết kế để hạn chế diện tích pcb, giảm tối thiểu 40% không gian lắp đặt.

Có thể mua được mạch in hoặc suốt chỉ trơn. Kẹp 1 đơn vị đơn giản cho phép xây dựng không phức tạp. Đề cương thấp hơn có thể đạt được.

Mảnh ở giữa chắc chắn giúp giảm thiểu sự thất thoát lõi do đó loại bỏ sự tích tụ nhiệt.

3) CÔNG TY CỔ PHẦN EP

Lõi EP là các thiết kế hình khối tròn trung tâm bao quanh cuộn dây hoàn toàn ngoại trừ các đầu nối bảng mạch in. Sự xuất hiện cụ thể giúp loại bỏ ảnh hưởng của các khe hở dòng khí được thiết lập tại các bức tường giao phối trong rãnh từ tính và mang lại cho bạn tỷ lệ thể tích đáng kể hơn so với diện tích sử dụng tuyệt đối. Bảo vệ khỏi RFs là khá nhiều.

4) MÀU SẮC PQ

Các lõi PQ được thiết kế đặc biệt cho các bộ nguồn ở chế độ chuyển mạch. Cách bố trí cho phép tối đa hóa tỷ lệ khối lượng lớn trên vùng uốn lượn và diện tích bề mặt.

Do đó, cả điện cảm tối ưu và bề mặt cuộn dây đều có thể đạt được với kích thước lõi tối thiểu tuyệt đối.

Do đó, các lõi tạo ra sản lượng điện tối ưu với khối lượng và kích thước máy biến áp được lắp ráp ít nhất, cùng với việc chiếm một mức không gian tối thiểu trần trên bảng mạch in.

Dễ dàng cài đặt với suốt chỉ mạch in và kẹp một bit. Mô hình kinh tế này đảm bảo tiết diện đồng nhất hơn nhiều, do đó các lõi thường làm việc với số lượng vị trí nóng ít hơn so với các bố trí khác nhau.

5) VÀ MÀU SẮC

Lõi E rẻ hơn lõi nồi, trong khi có các khía cạnh của cuộn suốt chỉ đơn giản và lắp ráp không phức tạp. Có thể đạt được cuộn dây đối với các suốt chỉ được sử dụng bằng cách sử dụng các lõi này.

Các lõi E không bao giờ giống nhau, hiện có khả năng tự bảo vệ. Các bố trí kích thước cán E được thiết kế để chứa các suốt chỉ có thể tiếp cận được với mục đích thương mại trong thời gian trước đây nhằm phù hợp với các dải dập của các phép đo cán thông thường.

Chỉ số và Kích thước DIN cũng có thể được tìm thấy. Các lõi E thường được nhúng với nhiều tính nhất quán khác nhau, cung cấp nhiều khu vực mặt cắt ngang khác nhau. Bobbins cho các khu vực mặt cắt ngang khác nhau này có xu hướng được tiếp cận thương mại.

Các lõi E thường được cài đặt theo các hướng duy nhất, trong trường hợp được ưu tiên, hãy cấp một cấu hình thấp.
Có thể tìm thấy suốt chỉ mạch in để cố định cấu hình thấp.

Các lõi E là những thiết kế nổi tiếng do giá cả phải chăng hơn, sự thuận tiện trong việc lắp ráp và cuộn dây cũng như sự phổ biến có tổ chức của nhiều loại phần cứng.

6) KẾ HOẠCH VÀ MÀU SẮC

Có thể tìm thấy lõi phẳng E trong hầu như tất cả các phép đo thông thường của IEC, cùng với một số công suất bổ sung.

Vật liệu Magnetics R phù hợp hoàn hảo với hình dạng phẳng do giảm tổn thất lõi AC và tổn thất tối thiểu ở 100 ° C.

Trong hầu hết các trường hợp, bố trí phẳng có số vòng quay thấp và khả năng tản nhiệt dễ chịu, trái ngược với máy biến áp ferit tiêu chuẩn, và vì lý do đó, các thiết kế lý tưởng cho không gian và hiệu quả dẫn đến mật độ thông lượng tăng lên. Trong các biến thể đó, lợi thế về hiệu suất tổng thể của vật liệu R về cơ bản là khá đáng chú ý.

Khoảng chân và độ cao cửa sổ (tỷ lệ B và D) linh hoạt cho các mục đích cá nhân mà không cần dụng cụ mới. Điều này giúp nhà phát triển có thể tinh chỉnh các thông số kỹ thuật cốt lõi đã hoàn thiện để phù hợp chính xác với độ cao ngăn xếp dây dẫn phẳng, không thiếu bất kỳ không gian rộng rãi nào.

Kẹp và khe kẹp được cung cấp trong nhiều trường hợp, có thể đặc biệt hiệu quả cho việc tạo mẫu. I-core cũng là tiêu chuẩn được đề xuất, cho phép khả năng thích ứng hơn nữa trong bố cục.

Các mẫu phẳng E-I rất hữu ích để cho phép trộn mặt hiệu quả trong sản xuất số lượng lớn, cũng như để tạo lõi cuộn cảm có rãnh theo đó các ngăn kéo có viền cần được xem xét kỹ lưỡng do cấu trúc phẳng.

7) EC, ETD, EER VÀ ER CORES

Các loại mẫu này là sự pha trộn giữa lõi E và lõi nồi. Giống như lõi E, chúng tạo ra một khoảng trống rất lớn ở cả hai phía. Điều này cho phép đủ chỗ cho các dây kích thước lớn hơn cần thiết để giảm điện áp đầu ra cho nguồn điện ở chế độ chuyển mạch.

Bên cạnh đó, nó đảm bảo sự lưu thông không khí duy trì công trình lạnh hơn.

Miếng ở giữa có hình tròn, rất giống với phần lõi nồi. Một trong những mặt tích cực của trụ trung tâm hình tròn là dây quấn có chu kỳ quay quanh nó nhỏ hơn (nhanh hơn 11%) so với dây xung quanh trụ trung tâm kiểu vuông có diện tích mặt cắt ngang rất giống nhau.

Điều này làm giảm tổn thất của các cuộn dây xuống 11% và cũng làm cho lõi có thể đối phó với khả năng đầu ra được cải thiện. Cột trụ trung tâm tròn bổ sung giảm thiểu nếp gấp có gai bằng đồng thoát ra khi uốn lượn trên cột trụ trung tâm kiểu vuông.

8) TOROIDS

Do đó, các Toroid có hiệu quả về chi phí để sản xuất, đây là loại thiết bị ít tốn kém nhất trong số các thiết kế lõi có liên quan. Vì không cần suốt chỉ nên phí phụ kiện và thiết lập là không đáng kể.

Việc quấn dây được hoàn thành trên thiết bị quấn dây hình xuyến. Thuộc tính che chắn là âm thanh khá.

Tổng quat

Hình học Ferrite cung cấp cho bạn nhiều lựa chọn về kích thước và kiểu dáng. Khi chọn một lõi để sử dụng nguồn điện, phải đánh giá các thông số kỹ thuật hiển thị trong Bảng 1.

LỰA CHỌN KÍCH THƯỚC CỐT LÕI MÁY BIẾN ÁP

Khả năng xử lý công suất trên lõi máy biến áp thường phụ thuộc vào sản phẩm WaAc của nó, trong đó Wa là không gian cửa sổ lõi được cung cấp và Ac là không gian mặt cắt ngang lõi hữu ích.

Trong khi phương trình trên cho phép WaAc được sửa đổi tùy thuộc vào hình dạng lõi cụ thể, kỹ thuật Pressman tận dụng cấu trúc liên kết làm yếu tố cơ bản và cho phép nhà sản xuất chỉ định mật độ dòng điện.

THÔNG TIN CHUNG

Một máy biến áp hoàn hảo nhưng hứa hẹn sự suy giảm lõi tối thiểu trong khi yêu cầu thể tích phòng ít nhất.

Suy hao lõi trong một lõi cụ thể bị ảnh hưởng đặc biệt bởi mật độ thông lượng cùng với tần số. Tần số là yếu tố quan trọng liên quan đến máy biến áp. Định luật Faraday chỉ ra rằng khi tần số tăng tốc, mật độ thông lượng giảm tương ứng.

Các giao dịch thua lỗ cốt lõi giảm nhiều hơn trong trường hợp mật độ dòng giảm so với khi tần số tăng. Như một minh họa, khi một máy biến áp được làm việc ở 250 kHz và 2 kG trên vật liệu R ở 100 ° C, lỗi lõi có thể sẽ vào khoảng 400 mW / cm3.

Nếu tần số được thực hiện hai lần và hầu hết các giới hạn khác không bị ảnh hưởng, do kết quả của định luật Faraday, mật độ thông lượng có thể sẽ là 1kG và kết quả rút ra của lõi sẽ là khoảng 300mW / cm3.

Máy biến áp công suất ferrite tiêu chuẩn bị hạn chế tổn hao lõi trong khoảng 50- 200mW / cm3. Các mô hình phẳng có thể được vận hành mạnh mẽ hơn rất nhiều, lên đến 600 mW / cm3, do khả năng tiêu tán công suất thuận lợi hơn và ít đồng hơn đáng kể trong các cuộn dây.

Danh mục MẠCH

Một số phản hồi cơ bản về một số mạch là: Mạch đẩy kéo có hiệu quả vì thiết bị gây ra việc sử dụng hai chiều của lõi biến áp, hiển thị đầu ra với độ gợn sóng giảm. Mặc dù vậy, mạch điện cực kỳ phức tạp và sự bão hòa lõi biến áp có thể dẫn đến sự cố bóng bán dẫn khi các bóng bán dẫn công suất mang các đặc tính chuyển mạch không bình đẳng.

Chi phí chuyển tiếp nguồn cấp dữ liệu rẻ hơn, chỉ áp dụng một bóng bán dẫn. Ripple là tối thiểu vì thực tế là dòng điện trạng thái rõ ràng ổn định trong máy biến áp bất kể bóng bán dẫn đang BẬT hay TẮT. Mạch flyback đơn giản và giá cả phải chăng. Ngoài ra, các vấn đề về EMI ít hơn đáng kể. Mặc dù vậy, máy biến áp lớn hơn và gợn sóng đáng kể hơn.

MẠCH PUSH-KÉO

Một mạch kéo đẩy thông thường được trình bày trong Hình 2A. Điện áp nguồn là đầu ra của mạng IC, hay đồng hồ, làm dao động các bóng bán dẫn luân phiên BẬT và TẮT. Sóng vuông tần số cao trên đầu ra bóng bán dẫn cuối cùng được tinh chỉnh, tạo ra một chiều.

CỐT LÕI TRONG MẠCH PUSH-PULL

Đối với máy biến áp ferit, ở 20 kHz, quy trình nổi tiếng thường sử dụng phương trình (4) với mức mật độ từ thông (B) tối đa là ± 2 kG.

Điều này có thể được vẽ ra bởi phần màu của Vòng lặp trễ trong Hình 2B. Mức độ B này được chọn chủ yếu vì khía cạnh hạn chế của việc chọn lõi với tần số này là tổn thất lõi.

Ở 20 kHz, nếu máy biến áp là lý tưởng cho mật độ từ thông xung quanh độ bão hòa (như được thực hiện cho các bố trí tần số nhỏ hơn), lõi sẽ nhận được sự tăng nhiệt độ không kiểm soát được.

Vì lý do đó, mật độ thông lượng hoạt động nhỏ hơn 2 kG trong hầu hết các trường hợp sẽ hạn chế tổn thất lõi, do đó giúp tăng nhiệt độ hợp lý trong lõi.

Trên 20 kHz, tổn thất lõi tối đa. Để thực thi SPS ở tần số cao hơn, điều quan trọng là phải thực hiện tốc độ thông lượng lõi nhỏ hơn ± 2 kg. Hình 3 cho thấy sự suy giảm mức thông lượng đối với TỪ VỰNG Vật liệu ferit “P” rất quan trọng để đóng góp tổn thất lõi 100mW / cm3 liên tục ở nhiều tần số, với mức tăng nhiệt độ tối ưu là 25 ° C.

Trong mạch chuyển tiếp nguồn được trình bày trong Hình 4A, máy biến áp thực hiện ở góc phần tư thứ nhất của Vòng lặp trễ. (Hình 4B).

Các xung đơn cực được thực hiện tới thiết bị bán dẫn làm cho lõi biến áp được cấp nguồn từ giá trị BR gần bão hòa của nó. Khi các xung được giảm kích thước xuống 0, lõi sẽ trở lại tốc độ BR của nó.

Để có thể duy trì hiệu suất vượt trội, độ tự cảm sơ cấp được duy trì ở mức cao để giúp giảm dòng điện từ hóa và giảm sự cố đứt dây. Điều này có nghĩa là lõi cần có độ mở luồng không khí bằng 0 hoặc tối thiểu.