Het ontwerpen van een efficiënt voedingscircuit is niet minder een uitdaging. Degenen die al met SMPS-circuits hebben gewerkt, zullen het er gemakkelijk mee eens zijn dat het ontwerp van de terugslagtransformator een cruciale rol speelt bij het ontwerpen van een efficiënt voedingscircuit. Meestal zijn deze transformatoren niet uit de winkel verkrijgbaar in exact dezelfde parameter die bij ons ontwerp past. Dus in deze tutorial over het ontwerpen van transformatorenwe zullen leren hoe we onze eigen transformator kunnen bouwen zoals vereist door ons circuitontwerp. Houd er rekening mee dat deze tutorial alleen de theorie behandelt waarmee we later in een andere tutorial een 5V 2A SMPS-circuit zullen bouwen met een handgemaakte transformator zoals weergegeven in de bovenstaande afbeelding voor praktische belichting. Als u volledig nieuw bent bij Transformer, lees dan het artikel Basics of Transformer om de procedure beter te begrijpen.
Onderdelen in een SMPS-transformator
Een SMPS-transformatorontwerp heeft verschillende transformatordelen die direct verantwoordelijk zijn voor de prestaties van de transformator. De onderdelen die aanwezig zijn in een transformator worden hieronder uitgelegd, we zullen het belang van elk onderdeel leren kennen en hoe het moet worden geselecteerd voor uw transformatorontwerp. Deze onderdelen gelden in de meeste gevallen ook voor andere soorten transformatoren.
Kern
SMPS staat voor switch-mode power supply unit. De eigenschappen van een SMPS-transformator zijn sterk afhankelijk van de frequentie waarmee ze werken. Hoge schakelfrequentie opent de mogelijkheden om kleinere SMPS-transformatoren te kiezen. Deze hoogfrequente SMPS-transformatoren gebruiken ferrietkernen.
Het ontwerp van de transformatorkern is het belangrijkste in een SMPS-transformatorconstructie. Een kern heeft een ander type A L (Ungapped core inductance Coefficient), afhankelijk van het kernmateriaal, de kerngrootte en het kerntype. Populair type kernmateriaal zijn N67, N87, N27, N26, PC47, PC95, enz. Ook biedt de fabrikant van ferrietkernen gedetailleerde parameters in het gegevensblad, wat handig zal zijn bij het selecteren van de kern voor uw transformator
Hier is bijvoorbeeld een datasheet van populaire kern EE25.
De bovenstaande afbeelding is een datasheet van EE25-kern van PC47- materiaal van een zeer populaire kernfabrikant TDK. Elk stukje informatie is nodig voor de constructie van de transformator. Cores hebben echter een directe relatie met het uitgangsvermogen, dus voor verschillende wattages van SMPS zijn verschillende vorm en grootte van cores vereist.
Hier is de lijst met kernen, afhankelijk van het wattage. De lijst is gebaseerd op een 0-100W constructie. De bron van de lijst is afkomstig uit de Power Integration- documentatie. Deze tabel is handig om de juiste kern voor uw transformatorontwerp te selecteren op basis van het wattage.
| Maximaal uitgangsvermogen | Ferrietkernen voor TIW-constructie | Ferrietkernen voor Margin Wound-constructie |
| 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 |
Hier staat de term, TIW voor drievoudige geïsoleerde draadconstructie. De E-kernen zijn het populairst en worden veel gebruikt in SMPS-transformatoren. E-kernen hebben echter verschillende gevallen, zoals EE, EI, EFD, ER, etc. Ze zien er allemaal uit als de letter 'E', maar het middengedeelte is voor elke stof anders. De meest voorkomende typen E-kernen worden hieronder geïllustreerd met behulp van afbeeldingen.
EE Core
EI Core
ER Core
EFD-kern
Spoel
Een spoel is de behuizing van kernen en wikkelingen. Een klosje heeft een effectieve breedte die essentieel is voor het berekenen van de draaddiameters en de opbouw van de transformator. Niet alleen dit, een spoel van een transformator heeft ook een gestippelde markering die de informatie van primaire wikkelingen geeft. De veelgebruikte EE16-transformatorspoel wordt hieronder weergegeven
Primaire wikkeling
De SMPS-transformatorwikkeling heeft een primaire wikkeling en minimaal één secundaire wikkeling, afhankelijk van het ontwerp kan deze meer secundaire wikkeling of een hulpwikkeling hebben. De primaire wikkeling is de eerste en binnenste wikkeling van een transformator. Het is rechtstreeks verbonden met de primaire kant van een SMPS. Gewoonlijk is het aantal wikkelingen aan de primaire zijde meer dan bij andere wikkelingen van de transformator. Het vinden van de primaire wikkeling in een transformator is eenvoudig; je hoeft alleen maar de puntzijde van de transformator te controleren voor de primaire wikkeling. Het bevindt zich over het algemeen aan de hoogspanningszijde van de mosfet.
In een SMPS-schema kunt u de hoogspannings-gelijkstroom zien van de hoogspanningscondensator die is verbonden met de primaire zijde van de transformator en het andere uiteinde is verbonden met de stroomdriver (interne mosfet-afvoerpen) of met een afzonderlijke hoogspannings-MOSFET-afvoerpen.
Secundaire wikkeling
Secundaire wikkeling converteert zowel de spanning als de stroom aan de primaire zijde naar de gewenste waarde. Het vinden van de secundaire uitgang is een beetje ingewikkeld, aangezien in sommige SMPS-ontwerpen de transformator meestal meerdere secundaire uitgangen heeft. De uitgangs- of laagspanningszijde van een SMPS-circuit is echter over het algemeen verbonden met de secundaire wikkeling. De ene kant van de secundaire wikkeling is de DC, GND en de andere kant is verbonden met de uitgangsdiode.
Zoals besproken kan een SMPS-transformator meerdere uitgangen hebben. Daarom kan een SMPS-transformator ook meerdere secundaire wikkelingen hebben.
Hulpwikkelingen
Er zijn verschillende soorten SMPS-ontwerpen waarbij het stuurcircuit een extra spanningsbron nodig heeft om het stuur-IC van stroom te voorzien. De hulpwikkeling wordt gebruikt om deze extra spanning aan het stuurcircuit te leveren. Als uw driver-IC bijvoorbeeld op 12V werkt, heeft de SMPS-transformator een hulpuitgangswikkeling die kan worden gebruikt om dit IC van stroom te voorzien.
Isolatietape
Transformatoren hebben geen elektrische verbinding tussen verschillende wikkelingen. Daarom, voordat verschillende wikkelingen worden gewikkeld, moeten isolatietapes om de wikkelingen worden gewikkeld voor scheiding. Typische polyester afzetlinten worden gebruikt met verschillende breedtes voor verschillende soorten klossen. De dikte van de tapes moet 1-2 mil zijn om isolatie te bieden.
Ontwerpstappen transformator:
Nu we de basiselementen van een transformator kennen, kunnen we de onderstaande stappen volgen om onze eigen transformator te ontwerpen
Stap 1 : Zoek de juiste kern voor de gewenste output. Kies de juiste kernen die in het bovenstaande gedeelte worden vermeld.
Stap 2 : De primaire en secundaire beurten vinden.
Primaire en secundaire windingen zijn met elkaar verbonden en afhankelijk van andere parameters. De ontwerpformule van de transformator om de primaire en secundaire windingen te berekenen is-
Waar,
N p is de primaire windingen, N s is de secundaire windingen, Vmin is de minimale ingangsspanning, Vds is de afvoer naar bronspanning van de Power Mosfet, Vo is de uitgangsspanning
Vd is de voorwaartse spanningsval van de uitgangsdiodes
En Dmax is de maximale inschakelduur.
Daarom zijn primaire en secundaire windingen met elkaar verbonden en hebben ze een windingsverhouding. Uit de bovenstaande berekening kan de verhouding worden ingesteld en dus door de secundaire windingen te selecteren, kan men de primaire windingen achterhalen. De goede gewoonte is om 1 omwenteling per uitgangsspanning van de secundaire wikkeling te gebruiken.
Stap 3: De volgende fase is om de primaire inductantie van de transformator te achterhalen. Dit kan worden berekend met de onderstaande formule,
Waar, P 0 is het uitgangsvermogen, z is de verliesallocatiefactor, n is de efficiëntie, f s is de schakelfrequentie, Ik p is de piek primaire stroom, K RP is de verhouding tussen rimpelstroom en piek.
Stap 4: De volgende stap is om de effectieve inductantie voor de gewenste tussenruimte te vinden.
De bovenstaande afbeelding laat zien wat de tussenruimte is. Gapping is een techniek om de waarde van de primaire inductantie van de kernen te verlagen tot een gewenste waarde. Kernfabrikanten bieden een lege kern voor de gewenste A LG- beoordeling. Als de waarde niet beschikbaar is, kunt u afstandhouders tussen de kernen toevoegen of deze slijpen om de gewenste waarde te krijgen.
Stap 5: De volgende stap is om de diameter van primaire en secundaire draden te achterhalen. Diameter van primaire draden in millimeters is
Waarbij BW E de effectieve spoelbreedte is en N p het aantal primaire windingen.
De diameter van secundaire draden in millimeters is-
BW E is de effectieve spoelbreedte, N S is het aantal secundaire windingen en M is de marge aan beide zijden. De draden moeten worden omgezet in AWG- of SWG-standaard.
Voor de secundaire geleider is groter dan 26 AWG niet toegestaan vanwege het verhoogde huideffect. In dat geval kunnen parallelle draden worden geconstrueerd. Bij parallelle draadwikkeling, dat betekent dat wanneer er meer dan twee draden moeten worden gewikkeld voor de secundaire zijde, de diameter van elke draad de werkelijke enkele draadwaarde kan zijn voor gemakkelijker wikkelen over de secundaire zijde van de transformator. Dit is waarom sommige transformatoren dubbele draden op een enkele spoel hebben.
Dit gaat allemaal over het ontwerpen van de SMPS-transformator. Vanwege de kritische ontwerpgerelateerde complexiteit biedt SMPS-ontwerpsoftware zoals PI Expert voor stroomintegratie of Viper van ST tools en blinkt uit voor het naar wens wijzigen en configureren van de SMPS-transformator. Voor een meer praktische belichting kun je deze 5V 2A SMPS-ontwerptutorial bekijken waarin we PI Expert hebben gebruikt om onze eigen transformator te bouwen met behulp van de tot nu toe besproken punten.
Ik hoop dat je de tutorial hebt begrepen en het leuk vond om iets nieuws te leren, als je vragen hebt, laat ze dan achter in het commentaargedeelte of plaats ze op de forums voor een snellere reactie.