SMPS için Ferrit Çekirdek Malzeme Seçim Kılavuzu

Bu yazıda, belirli bir SMPS devre tasarımı ile uygun uyumluluğu sağlamak için doğru özelliklere sahip ferrit çekirdek malzemesinin nasıl seçileceğini öğreneceğiz.

Neden Ferrit Çekirdek

Ferrit harika bir çekirdek maddedir transformatörler için , 20 kHz ila 3 MHz frekans spektrumundaki invertörler ve indüktörler, azaltılmış çekirdek masrafı ve minimum çekirdek kayıpları sayesinde.

Ferrit, yüksek frekanslı (20 kHz ila 3 MHz) invertör güç kaynakları için etkili bir malzemedir.

Düşük güç, düşük frekanslı işleyiş için doyurma yaklaşımında ferritler kullanılmalıdır (<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 transformatör modeli, olağanüstü verimlilik, fantastik frekans dayanıklılığı ve minimum anahtarlama dezavantajları sağlar.

Ferrit çekirdekler genellikle geri dönüşlü transformatör versiyonlarında kullanılır , minimum çekirdek maliyeti, azaltılmış devre masrafı ve en yüksek voltaj verimliliği sağlayan. Toz çekirdekler (MPP, High Flux, Kool Mμ®) daha yumuşak doygunluk, daha yüksek Bmax ve daha avantajlı sıcaklık sabitliği üretir ve çoğu kez bir dizi geri dönüş kullanımında veya indüktörde tercih edilen seçenektir.

İnvertörler ve dönüştürücüler gibi yüksek frekanslı güç kaynakları, geleneksel 60 hertz ve 400 hertz güç seçeneklerine kıyasla daha ucuz fiyat ve daha düşük ağırlık ve yapı sunar.

Bu spesifik segmentteki birkaç çekirdek, meslekte sıklıkla kullanılan tipik tasarımlardır.

TEMEL MALZEMELER

Minimum çekirdek dezavantajlarını ve maksimum doygunluk akı yoğunluğunu kolaylaştıran F, P ve R malzemeleri, yüksek güç / yüksek sıcaklık işlevselliği için önerilir. P malzeme çekirdek açıkları 70 ° C'ye kadar sıcaklıkla düşer R malzeme kayıpları 100 ° C'ye kadar düşer.

J ve W malzemeleri, geniş transformatörler için size üstün empedans sağlar, bu da onları düşük seviyeli güç transformatörleri için de tavsiye eder.

ÇEKİRDEK GEOMETRİLERİ

1) CAN RENKLERİ

Pot Çekirdekleri, sarılmış bobini hemen hemen çevrelemek için üretilmiştir. Bu, bobinin dışarıdaki alternatiflerden EMI'yi seçmesine karşı korumayı kolaylaştırır.

Pot çekirdek oranlarının hemen hemen tümü, şirketler arasında değiştirilebilirlik olmasını sağlamak için IEC spesifikasyonlarına uygundur. Hem düz hem de baskılı devre bobinleri
piyasada, montaj ve montaj donanımı gibi.

Yerleşimi nedeniyle, pot çekirdeği, benzer boyuttaki farklı formatlara kıyasla genellikle daha yüksek fiyatlı bir çekirdektir. Önemli güç amaçları için pot çekirdeklerine kolayca erişilemez.

2) ÇİFT LEVHA VE RM CORES

Levha kenarlı katı merkez direk göbekleri, çanak göbeklere benzer, ancak yine de eteğin her iki tarafında küçültülmüş bir segmente sahiptir. Önemli girişler, daha büyük kabloların yerleştirilmesini mümkün kılar ve kurulumdaki ısıyı ortadan kaldırmaya katkıda bulunur.

RM renkleri pot çekirdeklere benzer, ancak pcb alanını daraltacak şekilde tasarlanmıştır ve kurulum alanında minimum% 40 azalma sağlar.

Baskılı devre veya düz bobinler elde edilebilir. Basit 1 birim kelepçeler, sorunsuz bir yapı sağlar. Alt anahat elde edilebilir.

Sağlam orta parça daha az çekirdek kaybı sağlar ve bu da ısı birikimini ortadan kaldırır.

3) EP ÇEKİRDEKLERİ

EP Çekirdekleri, baskılı devre kartı terminalleri haricinde bobini iyice çevreleyen dairesel merkez sonrası kübik tasarımlardır. Spesifik görünüm, manyetik yoldaki çiftleşme duvarlarında oluşan hava akışı yarıklarının etkisini ortadan kaldırır ve size kullanılan mutlak alana daha önemli bir hacim oranı verir. RF'lerden korunmak oldukça iyidir.

4) PQ RENKLERİ

PQ çekirdekleri, anahtarlamalı güç kaynakları için özel olarak tasarlanmıştır. Düzen, maksimize edilmiş bir yığın / sarım bölgesi ve yüzey alanı oranına izin verir.

Bu nedenle, mutlak minimum çekirdek boyutu ile hem optimum endüktans hem de sarım yüzeyi elde edilebilir.

Sonuç olarak çekirdekler, en az monte edilmiş transformatör kütlesi ve boyutu ile optimum güç çıkışı sağlar ve baskılı devre kartı üzerinde çıplak bir minimum seviyede yer kaplar.

Baskılı devre bobinleri ve tek uçlu kelepçelerle kurulum kolaylaştırılmıştır. Bu ekonomik model, çok daha homojen kesitsel kesiti garanti eder, dolayısıyla çekirdekler genellikle farklı düzenlere kıyasla daha az miktarda sıcak pozisyonla çalışır.

5) VE RENKLER

E nüveleri, basit bobin sarımı ve karmaşık olmayan montaj özelliklerine sahipken, pot çekirdeklerden daha ucuzdur. Bu çekirdekler kullanılarak kullanıma konulan bobinler için çete sarımı yapılabilir.

E çekirdeği hiçbir zaman aynı şekilde kendi kendini siper etmez. Laminasyon boyutu E düzenleri, alışılmış laminasyon ölçümlerinin şerit damgalarına uyması amacıyla geçmiş zamanlarda ticari olarak erişilebilir bobinleri barındıracak şekilde tasarlanmıştır.

Metrik ve DIN boyutları ayrıca bulunabilir. E çekirdekleri tipik olarak çeşitli tutarlılıklara gömülerek çeşitli kesit alanları sağlar. Bu çeşitli enine kesit alanları için bobinler ticari olarak erişilebilir olma eğilimindedir.

E çekirdekleri tipik olarak benzersiz yönlerde kurulur, tercih edilmesi durumunda düşük bir profil sağlar.
Düşük profilli sabitleme için baskılı devre bobinleri bulunabilir.

E çekirdekler, daha uygun fiyatları, montaj ve sarım kolaylığı ve çeşitli donanımların organize yaygınlığı nedeniyle iyi bilinen tasarımlardır.

6) PLANAR VE RENKLER

Planar E çekirdekleri, neredeyse tüm IEC konvansiyonel ölçümlerinde ve birkaç ek kapasitede bulunabilir.

Magnetics R malzemesi, azaltılmış AC çekirdek kayıpları ve 100 ° C'de minimum kayıpları sayesinde düzlemsel şekillere kusursuz bir şekilde eşleştirilir.

Çoğu durumda düzlemsel düzenler, standart ferrit transformatörlerin aksine düşük dönüş sayılarına ve kabul edilebilir termal yayılmaya sahiptir ve bu nedenle alan ve etkinlik için ideal tasarımlar, artan akı yoğunluklarına yol açar. Bu varyasyonlarda, R malzemesinin genel performans avantajı esas olarak oldukça dikkat çekicidir.

Bacak aralığı ve pencere yüksekliği (B ve D oranları), yeni alet gerektirmeden bireysel amaçlar için esnektir. Bu, geliştiricinin, herhangi bir genişletilmiş alan olmadan, düzlemsel iletken yığın yüksekliğine tam olarak uyması için nihai çekirdek özelliklerini ince ayarlamasını mümkün kılar.

Klipler ve klip yuvaları, prototip oluşturma için özellikle etkili olabilecek çok sayıda durumda sunulmaktadır. I-çekirdekler ayrıca, yerleşimde daha fazla uyarlanabilirliğe izin veren önerilen standarttır.

E-I düzlemsel desenleri, yüksek hacimli üretimde etkili yüz harmanlamasının yanı sıra, düzlemsel yapı nedeniyle saçak düşmelerinin iyice dikkate alınması gereken boşluklu indüktör göbekleri oluşturmak için kullanışlıdır.

7) EC, ETD, EER VE ER ÇEKİRDEKLERİ

Bu tür desenler, E çekirdekleriyle çanak çekirdeklerin karışımıdır. E çekirdekleri gibi, her iki tarafta da muazzam bir boşluk bırakırlar. Bu, azaltılmış çıkış voltajı anahtarlamalı mod güç kaynakları için gerekli olan daha büyük kablolar için tatmin edici bir alan sağlar.

Bunun yanı sıra, yapıyı daha soğuk tutan bir hava sirkülasyonunu garanti eder.

Orta parça, çanak çekirdeğine çok benzeyen daireseldir. Dairesel merkezi sütunun olumlu yönlerinden biri, sargının, çok aynı kesit alanına sahip kare tip merkezi bir sütun etrafındaki tel ile karşılaştırıldığında, etrafında daha küçük bir rota süresi (% 11 daha hızlı) taşımasıdır.

Bu, sargıların kayıplarını% 11 oranında azaltır ve ayrıca çekirdeğin gelişmiş bir çıktı yeteneği ile başa çıkmasını mümkün kılar. Dairesel merkezi direk, ek olarak, kare tip bir merkezi direk üzerindeki sargı ile ortaya çıkan bakırdaki sivri kıvrımı en aza indirir.

8) TOROİDLER

Toroidlerin üretilmesi uygun maliyetlidir, bunlar çoğu ilgili çekirdek tasarıma göre en az pahalıdır. Bobin gerekmediğinden, aksesuar ve ayar ücretleri ihmal edilebilir.

Toroidal sargı ekipmanında sarım tamamlanır. Ekranlama özelliği oldukça sağlam.

Genel Bakış

Ferrit geometrileri size boyut ve stillerde çok çeşitli seçenekler sunar. Güç kaynağı kullanımları için bir çekirdek seçerken, Tablo 1'de gösterilen spesifikasyonlar değerlendirilmelidir.

TRANSFORMATÖR ÇEKİRDEK BOYUTU SEÇİMİ

Bir transformatör çekirdeğindeki güç işleme kapasitesi genellikle WaAc ürününe bağlıdır, burada Wa sunulan çekirdek pencere alanıdır ve Ac, yararlı çekirdek kesit alanıdır.

Yukarıdaki denklem WaAc'nin belirli çekirdek geometrisine bağlı olarak değiştirilmesini sağlarken, Pressman tekniği temel faktör olarak topolojiden yararlanır ve üreticinin akım yoğunluğunu belirlemesini sağlar.

GENEL BİLGİ

Mükemmel bir transformatör, en az oda hacmini talep ederken minimum çekirdek düşüşü vaat eden bir transformatördür.

Belirli bir çekirdekteki çekirdek kaybı, frekansla birlikte akı yoğunluğundan spesifik olarak etkilenir. Frekans, bir transformatörle ilgili en önemli faktördür. Faraday Yasası, frekans hızlandıkça akı yoğunluğunun da buna bağlı olarak azaldığını belirtir.

Çekirdek kaybetme işlemleri, frekans artışına kıyasla akı yoğunluğunun düşmesi durumunda çok daha fazla azalır. Örnek olarak, bir transformatör 100 ° C'de 250 kHz ve 2 kG R malzemede çalıştırıldığında, çekirdek arızaları muhtemelen 400 mW / cm3 civarında olacaktır.

Faraday yasasının bir sonucu olarak, frekans iki kez yapılırsa ve diğer sınırlamaların çoğu zarar görmezse, akı yoğunluğu muhtemelen 1kG olur ve sonuçta ortaya çıkan çekirdek dezavantajları kabaca 300 mW / cm3 olur.

Standart ferrit güç transformatörleri 50-200 mW / cm3 arasında çekirdek kaybı ile sınırlandırılmıştır. Daha avantajlı güç dağıtımı ve sargılarda önemli ölçüde daha az bakır olması nedeniyle düzlemsel modeller çok daha iddialı bir şekilde, 600 mW / cm3'e kadar çalıştırılabilir.

CIRCUIT Kategorileri

Çeşitli devreler üzerinde bir dizi temel geri bildirim şunlardır: İtme-çekme devresi etkilidir, çünkü cihaz bir transformatör çekirdeğinin iki yönlü kullanımına neden olur ve azaltılmış dalgalanma ile bir çıktı sunar. Buna rağmen, devre ekstra karmaşıktır ve transformatör çekirdek doygunluğu, güç transistörleri eşit olmayan anahtarlama özellikleri taşıdığında transistör arızasına neden olabilir.

İleri beslemeli devrelerin maliyeti daha ucuzdur ve yalnızca bir transistör uygulanır. Transistörün AÇIK veya KAPALI olup olmadığına bakılmaksızın, trafodaki görünüşte kararlı durum akım akışlarının olması nedeniyle dalgalanma minimumdur. Flyback pisti basit ve ekonomiktir. Ek olarak, EMI sorunları önemli ölçüde daha azdır. Buna rağmen trafo daha büyük ve dalgalanma daha önemli.

İTME-ÇEKME DEVRESİ

Şekil 2A'da geleneksel bir itme-çekme devresi gösterilmektedir. Besleme voltajı, transistörleri dönüşümlü olarak AÇIK ve KAPALI olarak salınan bir IC ağının veya saatin çıkışıdır. Transistör çıkışındaki yüksek frekanslı kare dalgalar, en sonunda dc oluşturarak rafine edilir.

İTME-ÇEKME DEVRESİNDE ÇEKİRDEK

Ferrit transformatörleri için, 20 kHz'de, ± 2 kG maksimum akı yoğunluğu (B) seviyesine sahip denklem (4) kullanmak genellikle iyi bilinen bir işlemdir.

Bu, Şekil 2B'deki Histerez Döngüsünün renkli bölümü ile çizilebilir. Bu B derecesi, temel olarak, bu frekansa sahip bir çekirdek seçmenin kısıtlayıcı yönü çekirdek kaybı olduğu için seçilir.

20 kHz'de, trafo doygunluk etrafındaki bir akı yoğunluğu için idealse (daha küçük frekans düzenleri için yapıldığı gibi), çekirdek kontrolsüz bir sıcaklık dalgalanması elde edecektir.

Bu nedenle, 2 kG'lik daha küçük çalışma akısı yoğunluğu çoğu durumda çekirdek kayıplarını sınırlayacak ve sonuç olarak çekirdekte makul bir sıcaklık artışına yardımcı olacaktır.

20 kHz'nin üzerinde çekirdek kayıpları maksimuma çıkar. SPS'yi yükseltilmiş frekanslarda yürütmek için, ± 2 kg'dan daha düşük çekirdek akı oranlarını yürütmek önemlidir. Şekil 3, 25 ° C'lik optimum sıcaklık artışıyla çeşitli frekanslarda sabit 100 mW / cm3 çekirdek kayıplarına katkıda bulunmak için hayati önem taşıyan MANYETİK “P” ferrit malzemesi için akı seviyelerindeki düşüşü göstermektedir.

Şekil 4A'da gösterilen ileri besleme devresinde, transformatör Histerez Döngüsünün 1. çeyreğinde çalışır. (Şekil 4B).

Yarı iletken cihaza uygulanan tek kutuplu darbeler, transformatör çekirdeğinin doygunluğa yakın BR değerinden beslenmesini sağlar. Darbeler sıfıra küçültüldükçe, çekirdek BR oranına geri döner.

Üstün bir verimi koruyabilmek için, birincil endüktans yüksek tutularak mıknatıslanma akımının azaltılmasına ve tel çekilmelerinin azaltılmasına yardımcı olur. Bu, çekirdeğin sıfır veya çıplak bir minimum hava akışı açıklığına sahip olması gerektiği anlamına gelir.