Dissenyar un circuit eficient d’alimentació no és menys un repte. Aquells que ja han treballat amb circuits SMPS estarien fàcilment d’acord que el disseny del transformador flyback té un paper vital en el disseny d’un circuit d’alimentació eficient. La majoria de vegades, aquests transformadors no estan disponibles al prestatge amb el mateix paràmetre que s’adapta al nostre disseny. Així doncs, en aquest tutorial de disseny de transformadorsaprendrem a construir el nostre propi transformador segons el disseny del nostre circuit. Tingueu en compte que aquest tutorial només cobreix la teoria mitjançant la qual més endavant en un altre tutorial crearem un circuit SMPS de 5V 2A amb un transformador fet a mà, tal com es mostra a la imatge superior per a una exposició pràctica. Si sou completament nou en el transformador, llegiu l'article Basics of Transformer per entendre millor els procediments.
Peces d’un transformador SMPS
Un disseny de transformador SMPS té diferents parts del transformador que són directament responsables del rendiment del transformador. Les parts presents en un transformador s’expliquen a continuació, coneixerem la importància de cada part i com s’ha de seleccionar per al disseny del transformador. Aquestes parts són iguals en la majoria dels casos per a altres tipus de transformadors.
Nucli
SMPS significa unitat d’alimentació en mode de commutació. Les propietats d’un transformador SMPS depenen molt de la freqüència en què funcionen. L’alta freqüència de commutació obre les possibilitats d’escollir transformadors SMPS més petits. Aquests transformadors SMPS d’alta freqüència utilitzen nuclis de ferrita.
El disseny del nucli del transformador és el més important en una construcció de transformadors SMPS. Un nucli té un tipus diferent de A L (coeficient d’inductància del nucli sense separar) en funció del material del nucli, la mida del nucli i el tipus de nucli. Els tipus de materials bàsics més populars són N67, N87, N27, N26, PC47, PC95, etc. A més, el fabricant de nuclis de ferrita proporciona paràmetres detallats a la fitxa tècnica, que seran útils en seleccionar el nucli del transformador
Per exemple, aquí teniu un full de dades del popular nucli EE25.
La imatge anterior és un full de dades del nucli EE25 de material PC47 d’un fabricant de nuclis TDK molt popular. Es necessitarà tota la informació necessària per a la construcció del transformador. No obstant això, els nuclis tenen una relació directa de la potència de sortida, de manera que per a diferents potències de SMPS es necessiten diferents formes i mides dels nuclis.
Aquí teniu la llista de nuclis en funció de la potència. La llista es basa en la construcció de 0-100W. La font de la llista es basa en la documentació de Power Integration. Aquesta taula serà útil per seleccionar el nucli adequat per al disseny del transformador en funció de la seva potència nominal.
| Potència màxima de sortida | Nuclis de ferrita per a la construcció de TIW | Nuclis de ferrita per a la construcció de ferides de marge |
| 0-10W |
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 |
| 20-30W | EPC25, EFD25, E24 / 25, EI25, EF25, EI28 |
EPC30, EFD30, EF30, EI30, ETD29, EER28 |
| 30-50W |
EI28, EF30, EI30, ETD29, EER28 |
EI30, ETD29, EER28,
EER28L, EER35 |
| 50-70W |
EER28L, ETD34, EI35, EER35 |
EER28L, ETD34, EER35, ETD39 |
| 70-100W |
EPC30, EFD30, EF30, EI30, ETD29, EER28 |
EER35, ETD39, EER40, E21 |
Aquí el terme, TIW significa construcció de filferro aïllat triple. Els nuclis E són els més populars i s’utilitzen àmpliament en transformadors SMPS. No obstant això, els nuclis E tenen diversos casos, com ara EE, EI, EFD, ER, etc. Tots semblen la lletra "E", però la part central és diferent per a cada substància. A continuació, es mostren els tipus comuns de nuclis E amb ajuda d’imatges.
EE Core
EI Core
Nucli d’ER
EFD Core
Bobina
Una bobina és l’ allotjament de nuclis i bobinatges. Una bobina té una amplada efectiva que és essencial per calcular els diàmetres del fil i la construcció del transformador. No només això, una bobina d’un transformador també té una marca de punts que proporciona la informació dels bobinatges primaris. A continuació es mostra la bobina del transformador EE16 d’ús habitual
Bobinatge primari
L’ enrotllament del transformador SMPS tindrà un enrotllament primari i un mínim d’un enrotllament secundari, en funció del disseny, podria tenir més enrotllament secundari o un enrotllament auxiliar. El bobinatge primari és el primer i el més interior d’un transformador. Està directament connectat al costat principal d’un SMPS. Normalment, el nombre de bobinatges del costat primari és superior a la dels altres bobinats del transformador. Trobar l’enrotllament primari en un transformador és fàcil; només cal comprovar el costat del punt del transformador per al bobinatge primari. Generalment es troba a través del costat d’alta tensió del mosfet.
En un esquema SMPS, es pot notar el corrent continu d'alta tensió del condensador d'alta tensió connectat amb el costat principal del transformador i l'altre extrem està connectat amb el controlador d'alimentació (pin de drenatge intern del mosfet) o amb un pin de drenatge del MOSFET d'alta tensió separat..
Bobinatge secundari
El bobinatge secundari converteix el voltatge i el corrent del costat primari al valor requerit. Esbrinar la sortida secundària és una mica complex, ja que en alguns dissenys SMPS el transformador sol tenir diverses sortides secundàries. Tanmateix, la sortida o el costat de baixa tensió d’un circuit SMPS generalment està connectat al bobinatge secundari. Un costat del bobinatge secundari és el CC, el GND i l’altre costat està connectat a través del díode de sortida.
Com es va comentar, un transformador SMPS pot tenir diverses sortides. Per tant, un transformador SMPS també pot tenir múltiples bobinatges secundaris.
Bobinatges auxiliars
Hi ha diferents tipus de dissenys SMPS en què el circuit del controlador necessita una font de tensió addicional per alimentar l’IC del controlador. El bobinatge auxiliar s’utilitza per proporcionar aquesta tensió addicional al circuit del conductor. Per exemple, si el vostre controlador IC funciona a 12 V, el transformador SMPS tindrà un bobinatge de sortida auxiliar que es pot utilitzar per alimentar aquest CI.
Cinta aïllant
Els transformadors no tenen connexió elèctrica entre diferents bobinatges. Per tant, abans d’embolicar diferents bobinatges, cal cintes d’aïllament per embolicar-les al voltant dels bobinats per separar-les. Les cintes típiques de barrera de polièster s’utilitzen amb diferents amplades per a diferents tipus de bobines. Els gruixos de les cintes han de ser de 1-2 mil per proporcionar aïllament.
Passos de disseny del transformador:
Ara que coneixem els elements bàsics d’un transformador, podem seguir els passos següents per dissenyar el nostre propi transformador
Pas 1 : cerqueu el nucli adequat per a la sortida desitjada. Trieu els nuclis adequats que apareixen a la secció anterior.
Pas 2 : esbrinar els girs primaris i secundaris.
Els girs primaris i secundaris estan interconnectats i depenen d'altres paràmetres. La fórmula de disseny del transformador per calcular els girs primaris i secundaris són:
On,
N p és el primer gir, N s són els girs secundaris, Vmin és el voltatge d'entrada mínim, Vds és el voltatge de desguàs a la font del Mosfet d'energia, Vo és el voltatge de sortida
Vd és la caiguda de tensió directa dels díodes de sortida
I Dmax és el cicle de treball màxim.
Per tant, els girs primaris i secundaris estan interconnectats i tenen una relació de girs. A partir del càlcul anterior es pot establir la relació i, per tant, seleccionant els girs secundaris es poden esbrinar els girs primaris. La bona pràctica és utilitzar 1 volta per volta de sortida del bobinatge secundari.
Pas 3: la següent etapa és esbrinar la inductància primària dels transformadors. Això es pot calcular mitjançant la fórmula següent,
On, P 0 és la potència de sortida, z és el factor d'assignació de pèrdues, n és l'eficiència, f s és la freqüència de commutació, I p és el corrent primari màxim, K RP és la proporció de corrent i pic màxima.
Pas 4: la següent etapa és esbrinar la inductància efectiva per al nucli buit desitjat.
La imatge anterior mostra quin és el nucli buit. El gaping és una tècnica per reduir el valor de la inductància primària del nucli fins al valor desitjat. Els fabricants bàsics proporcionen un nucli obert per obtenir la qualificació LG desitjada. Si el valor no està disponible, podeu afegir separadors entre els nuclis o triturar-lo per obtenir el valor desitjat.
Pas 5: el següent pas és esbrinar el diàmetre dels cables primaris i secundaris. El diàmetre dels cables primaris en mil·límetres és
On, BW E és l’amplada efectiva de la bobina i N p és el nombre de voltes primàries.
El diàmetre dels cables secundaris en mil·límetres és
BW E és l’amplada efectiva de la bobina, N S és el nombre de girs secundaris i M és el marge a banda i banda. Els cables s’han de convertir en estàndard AWG o SWG.
Per al conductor secundari, no es permeten més de 26 AWG a causa de l'augment de l'efecte de la pell. En aquest cas es poden construir cables paral·lels. En bobinatge de fil paral·lel, això vol dir que quan es necessiten bobinar més de dos cables per al costat secundari, el diàmetre de cada cable pot representar el valor real de filferro senzill per facilitar el bobinatge a través del costat secundari del transformador. És per això que trobeu alguns transformadors amb cables dobles en una sola bobina.
Es tracta de dissenyar el transformador SMPS. A causa de la complexitat crítica relacionada amb el disseny, el programari de disseny SMPS com PI Expert per a la integració de potència o Viper de ST proporciona eines i excel·lències per canviar i configurar el transformador SMPS segons es requereixi. Per obtenir una exposició més pràctica, podeu consultar aquest tutorial de disseny SMPS de 5V 2A on vam utilitzar PI Expert per construir el nostre propi transformador utilitzant els punts comentats fins ara.
Espero que hàgiu entès el tutorial i us hagi agradat aprendre alguna cosa nova. Si teniu alguna pregunta, no dubteu a deixar-los a la secció de comentaris o publicar-los als fòrums per obtenir una resposta més ràpida.