คู่มือการเลือกวัสดุแกนเฟอร์ไรต์สำหรับ SMPS

ในโพสต์นี้เราเรียนรู้วิธีการเลือกวัสดุแกนเฟอร์ไรต์ที่มีคุณสมบัติที่ถูกต้องเพื่อให้แน่ใจว่าเข้ากันได้อย่างเหมาะสมกับการออกแบบวงจร SMPS ที่กำหนด

ทำไมต้อง Ferrite Core

เฟอร์ไรต์เป็นสารหลักที่ยอดเยี่ยม สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้า , อินเวอร์เตอร์และตัวเหนี่ยวนำในย่านความถี่ 20 kHz ถึง 3 MHz เนื่องจากประโยชน์ของค่าใช้จ่ายหลักที่ลดลงและการสูญเสียหลักน้อยที่สุด

เฟอร์ไรต์เป็นอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพสำหรับอุปกรณ์จ่ายไฟอินเวอร์เตอร์ความถี่สูง (20 kHz ถึง 3 MHz)

เฟอร์ไรต์ควรใช้ในวิธีการอิ่มตัวสำหรับพลังงานต่ำการทำงานความถี่ต่ำ (<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.

หม้อแปลง 2 รุ่นให้ประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมความทนทานความถี่ที่ยอดเยี่ยมและการลดการสลับน้อยที่สุด

แกนเฟอร์ไรต์มักใช้ในรุ่นฟลายแบ็คหม้อแปลง ซึ่งให้ต้นทุนหลักน้อยที่สุดค่าใช้จ่ายในวงจรลดลงและประสิทธิภาพแรงดันไฟฟ้าสูงสุด แกนผง (MPP, High Flux, Kool Mμ®) ให้ความอิ่มตัวที่นุ่มนวลขึ้น Bmax ที่มากขึ้นและความคงที่ของอุณหภูมิที่ได้เปรียบมากกว่าและมักเป็นตัวเลือกที่ต้องการในการใช้งานหรือตัวเหนี่ยวนำหลายแบบ

อุปกรณ์จ่ายไฟความถี่สูงทั้งอินเวอร์เตอร์และคอนเวอร์เตอร์เสนอราคาที่ถูกกว่าและน้ำหนักและโครงสร้างที่ลดลงเมื่อเทียบกับตัวเลือกพลังงาน 60 เฮิรตซ์และ 400 เฮิรตซ์แบบดั้งเดิม

คอร์หลายตัวในกลุ่มเฉพาะนี้เป็นการออกแบบทั่วไปที่ใช้บ่อยในอาชีพ

วัสดุหลัก

แนะนำให้ใช้วัสดุ F, P และ R ซึ่งช่วยลดข้อเสียของแกนน้อยที่สุดและความหนาแน่นของฟลักซ์อิ่มตัวสูงสุดสำหรับการทำงานที่มีกำลังไฟสูง / อุณหภูมิสูง การขาดแกนวัสดุ P ลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงถึง 70 ° C R การสูญเสียวัสดุลดลงมากถึง 100 ° C

วัสดุ J และ W ช่วยให้คุณมีอิมพีแดนซ์ที่เหนือกว่าสำหรับหม้อแปลงแบบกว้างซึ่งทำให้แนะนำให้ใช้กับหม้อแปลงไฟฟ้าระดับต่ำ

หลักภูมิศาสตร์

1) สามารถสี

Pot Cores ได้รับการผลิตขึ้นเพื่อล้อมรอบกระสวยที่เป็นแผล สิ่งนี้อำนวยความสะดวกในการป้องกันขดลวดจากการหยิบ EMI จากทางเลือกอื่น

สัดส่วนแกนหม้อเกือบทั้งหมดเป็นไปตามข้อกำหนดของ IEC เพื่อให้แน่ใจว่ามีความสามารถในการใช้แทนกันระหว่าง บริษัท ได้ มีทั้งแบบธรรมดาและแบบวงจรพิมพ์
ในตลาดเช่นเดียวกับการติดตั้งและการประกอบฮาร์ดแวร์

เนื่องจากรูปแบบของมันแกนหม้อมักเป็นแกนที่มีราคาสูงกว่าเมื่อเทียบกับรูปแบบต่างๆที่มีขนาดใกล้เคียงกัน แกนหม้อสำหรับจุดประสงค์ด้านพลังงานที่สำคัญไม่สามารถเข้าถึงได้ง่าย

2) DOUBLE SLAB และ RM CORES

แกนโพสต์ตรงกลางแบบทึบด้านข้างมีลักษณะคล้ายกับแกนหม้อ แต่ยังมีส่วนที่ลดขนาดส่วนใดส่วนหนึ่งของกระโปรง ทางเข้าที่สำคัญทำให้สามารถยึดสายไฟที่ใหญ่ขึ้นได้และช่วยขจัดความร้อนจากการติดตั้ง

RM สี คล้ายกับแกนหม้อ แต่ถูกออกแบบมาเพื่อลดพื้นที่ pcb โดยให้พื้นที่ติดตั้งลดลงอย่างน้อย 40%

มีวงจรพิมพ์หรือไส้กระสวยธรรมดา แคลมป์ 1 ตัวที่ตรงไปตรงมาช่วยให้การก่อสร้างไม่ยุ่งยาก โครงร่างส่วนล่างทำได้

ชิ้นส่วนตรงกลางที่ทนทานช่วยให้สูญเสียแกนน้อยลงซึ่งจะช่วยลดการสะสมความร้อน

3) EP CORES

EP Cores เป็นการออกแบบทรงลูกบาศก์กึ่งกลาง - โพสต์แบบวงกลมซึ่งล้อมรอบขดลวดอย่างทั่วถึงยกเว้นขั้วของแผงวงจรพิมพ์ ลักษณะเฉพาะช่วยขจัดอิทธิพลของรอยแยกการไหลของอากาศที่เกิดขึ้นที่ผนังผสมพันธุ์ในรางแม่เหล็กและช่วยให้คุณมีอัตราส่วนปริมาตรที่สำคัญมากขึ้นต่อพื้นที่สัมบูรณ์ที่ใช้ การป้องกันจาก RF นั้นค่อนข้างดีมาก

4) สี PQ

แกน PQ มีไว้สำหรับพาวเวอร์ซัพพลายในโหมดสลับ เค้าโครงช่วยให้สามารถเพิ่มอัตราส่วนของจำนวนมากต่อพื้นที่คดเคี้ยวและพื้นที่ผิวได้สูงสุด

ดังนั้นทั้งการเหนี่ยวนำที่เหมาะสมและพื้นผิวที่คดเคี้ยวสามารถทำได้โดยมีขนาดแกนต่ำสุดแน่นอน

คอร์จึงให้กำลังขับที่เหมาะสมโดยมีมวลและขนาดของหม้อแปลงที่ประกอบน้อยที่สุดพร้อมกับการใช้พื้นที่ว่างบนแผงวงจรพิมพ์

การตั้งค่าด้วยไส้กระสวยวงจรพิมพ์และที่หนีบหนึ่งบิตทำได้ง่าย รุ่นประหยัดนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าส่วนตัดขวางที่เป็นเนื้อเดียวกันมากขึ้นดังนั้นคอร์มักจะทำงานร่วมกับตำแหน่งที่ร้อนน้อยกว่าเมื่อเทียบกับเลย์เอาต์ที่แตกต่างกัน

5) และสี

แกน E มีราคาถูกกว่าแกนหม้อในขณะที่มีลักษณะของการคดเคี้ยวกระสวยที่ตรงไปตรงมาและการประกอบที่ไม่ซับซ้อน Gang คดเคี้ยวสามารถทำได้สำหรับไส้กระสวยที่นำไปใช้โดยใช้แกนเหล่านี้

แกน E ไม่เคยเหมือนกันทั้งหมดนำเสนอการป้องกันตัวเอง เลย์เอาต์ขนาดการเคลือบ E ได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับไส้กระสวยที่สามารถเข้าถึงได้ในเชิงพาณิชย์ในช่วงเวลาที่ผ่านมาเพื่อให้สอดคล้องกับการประทับแถบของการวัดการเคลือบแบบทั่วไป

เมตริกและ ขนาด DIN นอกจากนี้ยังสามารถพบได้ โดยทั่วไปแล้วแกน E จะถูกฝังอยู่กับความสม่ำเสมอที่หลากหลายทำให้มีพื้นที่หน้าตัดที่หลากหลาย Bobbins สำหรับพื้นที่หน้าตัดต่างๆเหล่านี้มักจะสามารถเข้าถึงได้ในเชิงพาณิชย์

โดยทั่วไปแล้วแกน E จะถูกติดตั้งในทิศทางที่ไม่ซ้ำกันในกรณีที่ต้องการจะให้ lowprofile
สามารถพบไส้กระสวยวงจรพิมพ์สำหรับการยึดที่มีรายละเอียดต่ำ

แกน E เป็นรูปแบบที่รู้จักกันดีเนื่องจากมีอัตราที่เหมาะสมกว่าความสะดวกในการประกอบและการไขลานและความชุกที่จัดระเบียบของฮาร์ดแวร์ประเภทต่างๆ

6) เครื่องบินและสี

แกนระนาบ E สามารถพบได้ในการวัดทั่วไปของ IEC เกือบทั้งหมดพร้อมกับความสามารถเสริมหลายประการ

วัสดุ Magnetics R จับคู่กับรูปทรงระนาบได้อย่างไม่มีที่ติเนื่องจากการสูญเสียแกน AC ที่ลดลงและการสูญเสียน้อยที่สุดที่ 100 ° C

โครงร่างระนาบในกรณีส่วนใหญ่มีจำนวนรอบต่ำและการกระจายความร้อนที่เหมาะสมเมื่อเทียบกับหม้อแปลงเฟอร์ไรต์มาตรฐานและด้วยเหตุนี้การออกแบบที่เหมาะสมที่สุดสำหรับพื้นที่และประสิทธิผลจึงนำไปสู่ความหนาแน่นของฟลักซ์ที่เพิ่มขึ้น ในรูปแบบเหล่านั้นข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพโดยรวมของวัสดุ R นั้นค่อนข้างโดดเด่น

ช่วงขาและความสูงของหน้าต่าง (สัดส่วน B และ D) มีความยืดหยุ่นสำหรับวัตถุประสงค์ส่วนบุคคลโดยไม่ต้องใช้เครื่องมือใหม่ สิ่งนี้ทำให้นักพัฒนาสามารถปรับแต่งข้อกำหนดหลักที่สรุปแล้วให้เหมาะสมกับการยกระดับสแต็กของตัวนำแบบระนาบได้อย่างถูกต้องโดยไม่มีพื้นที่ว่าง

คลิปและสล็อตคลิปมีให้ในหลาย ๆ กรณีซึ่งอาจมีประสิทธิภาพโดยเฉพาะสำหรับการสร้างต้นแบบ I-cores เป็นมาตรฐานที่เสนอเพิ่มเติมซึ่งช่วยให้สามารถปรับรูปแบบได้มากขึ้น

รูปแบบระนาบ E-I มีประโยชน์ในการช่วยให้สามารถผสมใบหน้าได้อย่างมีประสิทธิภาพในการผลิตจำนวนมากเช่นเดียวกับการสร้างแกนตัวเหนี่ยวนำที่มีช่องว่างโดยการดึงขอบจะต้องได้รับการพิจารณาอย่างละเอียดโดยคำนึงถึงโครงสร้างระนาบ

7) EC, ETD, EER และ ER CORES

รูปแบบประเภทนี้เป็นการผสมผสานระหว่างแกน E และแกนหม้อ เช่นเดียวกับแกน E พวกมันมีช่องว่างขนาดใหญ่ทั้งสองด้าน ทำให้มีพื้นที่ที่น่าพอใจสำหรับสายไฟที่มีขนาดใหญ่ขึ้นซึ่งจำเป็นสำหรับการลดแรงดันไฟฟ้าขาออกที่จ่ายไฟสลับโหมด

นอกจากนี้ยังรับประกันการไหลเวียนของอากาศซึ่งช่วยให้โครงสร้างเย็นลง

ชิ้นกลางเป็นวงกลมคล้ายกับแกนหม้อ ด้านบวกอย่างหนึ่งของเสากลางทรงกลมคือขดลวดมีระยะเวลารอบน้อยกว่า (เร็วขึ้น 11%) เมื่อเทียบกับลวดรอบเสากลางแบบสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่มีพื้นที่หน้าตัดเท่ากันมาก

ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียของขดลวดลง 11% และยังทำให้แกนสามารถรับมือกับความสามารถในการส่งออกที่ดีขึ้นได้ เสากลางทรงกลมยังช่วยลดรอยพับที่แหลมในทองแดงที่เกิดขึ้นพร้อมกับขดลวดบนเสากลางแบบสี่เหลี่ยมจัตุรัส

8) ทอรอยด์

Toroids นั้นประหยัดต้นทุนในการผลิตดังนั้นสิ่งเหล่านี้จึงมีราคาถูกที่สุดในการออกแบบหลักที่เกี่ยวข้องมากที่สุด เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้ไส้กระสวยอุปกรณ์เสริมและการตั้งค่าจึงมีความสำคัญเล็กน้อย

การคดเคี้ยวเสร็จสมบูรณ์บนอุปกรณ์คดเคี้ยว toroidal คุณสมบัติการป้องกันเป็นเสียงที่ดี

ภาพรวม

รูปทรงเฟอร์ไรต์ช่วยให้คุณมีขนาดและรูปแบบให้เลือกมากมาย เมื่อเลือกแกนสำหรับการใช้งานแหล่งจ่ายไฟควรมีการประเมินข้อมูลจำเพาะที่แสดงในตารางที่ 1

TRANSFORMER CORE SIZE SELECTION

ความสามารถในการประมวลผลพลังงานบนแกนหม้อแปลงมักจะขึ้นอยู่กับผลิตภัณฑ์ WaAc ซึ่ง Wa เป็นพื้นที่หน้าต่างหลักที่นำเสนอและ Ac เป็นพื้นที่หน้าตัดหลักที่มีประโยชน์

ในขณะที่สมการข้างต้นช่วยให้ WaAc สามารถแก้ไขได้โดยขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตแกนเฉพาะเทคนิค Pressman ใช้ประโยชน์จากโทโพโลยีเป็นปัจจัยพื้นฐานและช่วยให้ผู้ผลิตสามารถกำหนดความหนาแน่นของกระแสได้

ข้อมูลทั่วไป

หม้อแปลงที่สมบูรณ์แบบเป็น แต่สิ่งที่สัญญาว่าจะลดลงของแกนน้อยที่สุดในขณะที่ต้องการปริมาณห้องน้อยที่สุด

การสูญเสียคอร์ในแกนเฉพาะได้รับผลกระทบโดยเฉพาะจากความหนาแน่นของฟลักซ์พร้อมกับความถี่ ความถี่เป็นปัจจัยสำคัญเกี่ยวกับหม้อแปลง กฎของฟาราเดย์ระบุว่าเมื่อความถี่สูงขึ้นความหนาแน่นของฟลักซ์จะลดลงตามลำดับ

การซื้อขายหลักที่สูญเสียจะลดลงได้มากในกรณีที่ความหนาแน่นของฟลักซ์ลดลงเมื่อเทียบกับความถี่ที่เพิ่มขึ้น ตามภาพประกอบเมื่อหม้อแปลงทำงานที่ 250 kHz และ 2 kG บนวัสดุ R ที่ 100 ° C ความล้มเหลวของแกนอาจอยู่ที่ประมาณ 400 mW / cm3

หากความถี่ถูกสร้างขึ้นสองครั้งและข้อ จำกัด อื่น ๆ ส่วนใหญ่ไม่ได้รับอันตรายอันเป็นผลมาจากกฎของ Faraday ความหนาแน่นของฟลักซ์น่าจะเป็น 1kG และผลที่ได้จากแกนหลักจะอยู่ที่ประมาณ 300mW / cm3

หม้อแปลงไฟฟ้าเฟอร์ไรต์มาตรฐานมีการสูญเสียแกนที่ จำกัด ตั้งแต่ 50-200mW / cm3 โมเดลระนาบสามารถทำงานได้อย่างมั่นใจมากขึ้นถึง 600 mW / cm3 เนื่องจากการกระจายกำลังที่ได้เปรียบมากกว่าและทองแดงในขดลวดน้อยลงอย่างมาก

หมวดหมู่วงจร

ข้อเสนอแนะพื้นฐานจำนวนหนึ่งเกี่ยวกับวงจรต่างๆ ได้แก่ : วงจรดันดึงมีประสิทธิภาพเนื่องจากอุปกรณ์ทำให้เกิดการใช้งานแกนหม้อแปลงแบบสองทิศทางทำให้เอาต์พุตมีการกระเพื่อมที่ลดลง อย่างไรก็ตามวงจรไฟฟ้ามีความซับซ้อนเป็นพิเศษและความอิ่มตัวของแกนหม้อแปลงอาจส่งผลให้ทรานซิสเตอร์พังเมื่อทรานซิสเตอร์กำลังมีคุณสมบัติการสลับที่ไม่เท่ากัน

วงจรฟีดฟอร์เวิร์ดมีต้นทุนที่ถูกกว่าโดยใช้ทรานซิสเตอร์เพียงตัวเดียว Ripple มีน้อยเนื่องจากเห็นได้ชัดว่ากระแสกระแสไฟฟ้าในหม้อแปลงมีเสถียรภาพไม่ว่าทรานซิสเตอร์จะเปิดหรือปิด วงจรฟลายแบ็คนั้นตรงไปตรงมาและราคาไม่แพง นอกจากนี้ปัญหา EMI ยังมีน้อยกว่ามาก อย่างไรก็ตามหม้อแปลงมีขนาดใหญ่กว่าและการกระเพื่อมมีความสำคัญมากกว่า

วงจร PUSH-PULL

วงจรดันดึงธรรมดาแสดงในรูปที่ 2A แรงดันฟีดคือเอาต์พุตของเครือข่าย IC หรือนาฬิกาซึ่งจะแกว่งทรานซิสเตอร์สลับกันเป็นเปิดและปิด คลื่นกำลังสองความถี่สูงบนเอาต์พุตทรานซิสเตอร์จะถูกกลั่นออกมาในที่สุดทำให้เกิดกระแสตรง

CORE ในวงจร PUSH-PULL

สำหรับหม้อแปลงเฟอร์ไรต์ที่ 20 kHz มักเป็นกระบวนการที่รู้จักกันดีในการใช้สมการ (4) ที่มีความหนาแน่นของฟลักซ์ (B) สูงสุด± 2 kG

สิ่งนี้สามารถวาดออกมาได้โดยส่วนสีของ Hysteresis Loop ในรูปที่ 2B ระดับ B นี้ถูกเลือกเป็นหลักเนื่องจากข้อ จำกัด ในการเลือกแกนที่มีความถี่นี้คือการสูญเสียคอร์

ที่ 20 kHz หากหม้อแปลงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับความหนาแน่นของฟลักซ์รอบ ๆ ความอิ่มตัว (ตามที่ดำเนินการสำหรับรูปแบบความถี่ที่เล็กกว่า) แกนจะได้รับอุณหภูมิที่ไม่สามารถควบคุมได้

ด้วยเหตุนี้ความหนาแน่นของฟลักซ์ปฏิบัติการที่น้อยกว่า 2 กก. ในกรณีส่วนใหญ่จะ จำกัด การสูญเสียแกนดังนั้นจึงช่วยให้อุณหภูมิที่เหมาะสมในแกนเพิ่มขึ้น

สูงกว่า 20 kHz การสูญเสียหลักจะเพิ่มขึ้นสูงสุด ในการดำเนินการ SPS ที่ความถี่ที่สูงขึ้นสิ่งสำคัญคือต้องดำเนินการอัตราฟลักซ์หลักที่น้อยกว่า± 2 กก. รูปที่ 3 แสดงการลดลงของระดับฟลักซ์สำหรับวัสดุเฟอร์ไรต์ MAGNETICS“ P” ที่มีความสำคัญต่อการสูญเสียแกนคงที่ 100mW / cm3 ในหลายความถี่โดยมีอุณหภูมิที่เหมาะสมที่ 25 ° C

ในวงจรฟีดฟอร์เวิร์ดที่วางไว้ในรูปที่ 4A หม้อแปลงจะทำงานในส่วนที่ 1 ของ Hysteresis Loop (รูปที่ 4B)

Unipolar พัลส์ที่นำไปใช้กับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ทำให้แกนของหม้อแปลงถูกขับเคลื่อนจากค่า BR ใกล้อิ่มตัว เมื่อพัลส์ถูกลดขนาดเป็นศูนย์แกนกลางจะเปลี่ยนกลับเป็นอัตรา BR

เพื่อให้สามารถรักษาประสิทธิภาพที่เหนือกว่าได้ค่าความเหนี่ยวนำหลักจะยังคงอยู่ในระดับสูงเพื่อช่วยลดกระแสแม่เหล็กและลดการดึงลวด นี่หมายความว่าแกนกลางต้องมีช่องเปิดการไหลของอากาศเป็นศูนย์หรือต่ำสุด