Projektowanie transformatora impulsowego z rdzeniem i karkasem

W tym artykule omówię proces projektowania użyty do określenia parametrów projektowych transformatora wymaganych w moim wcześniejszym projekcie niestandardowego przetwornika flyback. W tym projekcie zaprojektowałem przetwornik flyback, który przyjmuje wejście AC, prostuje je do DC i obniża do wyjścia 3,3 V. Przetwornik opiera się na Texas Instruments UCC28881. Jak to ma miejsce w wielu izolowanych przetwornikach przełączających, dla projektu potrzebny był niestandardowy transformator. Narzędzie WEBench od Texas Instruments zapewnia wskazówki projektowe oraz rekomendację rdzenia/nawojnicy dla tego projektu. W tym procesie projektowym skorzystam z ich rekomendacji rdzenia i nawojnicy, aby ukończyć projekt transformatora. Obliczę również fizyczne parametry zaprojektowanego transformatora.

Rozpoczynanie projektowania niestandardowego transformatora

W izolowanym przetworniku przełączającym, uważam, że najlepszą strategią do określenia wymaganych parametrów transformatora jest rozpoczęcie od strony wtórnej (wyjściowej) i pracowanie w kierunku strony pierwotnej, jak również ewentualnych uzwojeń trzeciorzędowych. Rozpoczniemy od następującego procesu:

• Weryfikacja indukcyjności pierwotnej na podstawie częstotliwości PWM i cyklu pracy
• Użycie indukcyjności i napięć do określenia stosunku zwojów
• Określenie liczby wymaganych zwojów na podstawie właściwości materiałowych rdzenia
• Weryfikacja, czy rozmiar nawojnicy będzie odpowiedni na podstawie wymaganego przekroju drutu i powierzchni okna

Jednym ważnym punktem do zauważenia w tym procesie jest to, że niektóre z parametrów są wolne do Twojego ustalenia. Na przykład, możesz wybrać częstotliwości przełączania i docelowy minimalny/maksymalny cykl pracy PWM na podstawie możliwości Twojego przełącznika. Twoja indukcyjność może wymagać dostosowania, aby pomieścić wymagane zmiany w tych parametrach.

Następnie, na podstawie średniego prądu i średniej dostarczanej mocy, mogą istnieć ograniczenia co do rozmiaru przekroju drutu, który może być użyty w nawojnicy. Wyższy średni prąd będzie wymagał większego przekroju drutu, aby zapobiec zbytniemu nagrzewaniu się transformatora. Więc jeśli chcesz, aby Twój transformator dostarczał więcej mocy przy wyższym średnim prądzie, wtedy będziesz potrzebować fizycznie większego transformatora.

Z tym na uwadze, przejdźmy do indukcyjności.

Cewki pierwotne i wtórne (tryb nieciągły)

Najpierw możemy obliczyć indukcyjności cewek pierwotnych i wtórnych, jak następuje:

Równanie L(s) oznacza działanie w trybie nieciągłego prądu; zmień kierunek nierówności, a będziesz miał działanie w trybie ciągłym. V(diode) to napięcie przewodzenia diody prostowniczej po stronie wtórnej.

W tym równaniu chcemy określić limit indukcyjności wtórnej, który pozwoli przetwornicy ciągle regulować napięcie wyjściowe. W sterowaniu napięciowym, przetwornica dostosuje współczynnik wypełnienia, więc musisz użyć maksymalnego współczynnika wypełnienia i częstotliwości, aby określić górną granicę indukcyjności. Maksymalny prąd wyjściowy i napięcie wtórne są wartościami nominalnymi.

Stosunek zwojów i rzeczywisty współczynnik wypełnienia

Następnie musimy określić stosunek zwojów i rzeczywisty współczynnik wypełnienia, przy którym przetwornica jest wymagana do pracy. Dopóki rzeczywisty współczynnik wypełnienia jest mniejszy niż maksymalny współczynnik wypełnienia dla twojej przetwornicy, indukcyjność po stronie wtórnej nie będzie zbyt duża, aby utrzymać regulację, i projekt powinien być wykonalny.

To równanie daje ci związek między stosunkiem zwojów a współczynnikiem wypełnienia. Pamiętaj, że przetwornica może pracować przy dowolnym współczynniku wypełnienia do jego maksimum, a pętla sterowania dostosuje współczynnik wypełnienia PWM na podstawie pomiaru napięcia wyjściowego. Kiedy znasz współczynnik wypełnienia, wprowadź go do tego równania, aby uzyskać wymagany stosunek zwojów.

Następnie jest przydatne znanie szczytowego prądu po stronie pierwotnej, ponieważ jest to szczytowy prąd, który będzie przepływał przez przetwornicę. Jest to ważne, ponieważ niektóre przetwornice mogą mieć ochronę przed przeciążeniem prądowym, co obejmuje UCC28881. Teraz musimy użyć specyfikacji szczytowego prądu, docelowego współczynnika wypełnienia i wartości stosunku zwojów, aby sprawdzić szczytowe prądy. Dla UCC28881, limit szczytowego prądu pierwotnego przed wyłączeniem jest pokazany poniżej (440 mA ciągłe, 770 mA pulsacyjne).

W następnej sekcji, użyję maksymalnego limitu prądu pulsacyjnego z pewnym zaniżeniem, aby sprawdzić, czy projekt może spełnić moje specyfikacje.

Sprawdzanie obliczeń

Tutaj, moim zamiarem jest zaprojektowanie przetwornicy i jej transformatora tak, aby maksymalny współczynnik wypełnienia 50% odpowiadał połowie dozwolonego szczytowego prądu, co da mi dużo marginesu. Teraz, kiedy mamy te równania, możemy wprowadzić kilka liczb i określić stosunek zwojów.

• Wartości wejściowe:
  • Maksymalne V(In) = 240 V AC RMS
  • f = 62 kHz, D(max) = 0,5 (na podstawie średniej wartości z karty katalogowej)
  • D(cel) = 0,3 (wybrane przez projektanta)
  • I(pk, pierwotny) = 0,385 A, I(śr, pierwotny) = 0,116 A
  • Napięcie przewodzenia diody Schottky'ego: V(diody) = 0,5 V
  • V(wyj) = 3,3 V
• Wartości wyjściowe
  • Na podstawie D(cel), Np/Ns = 19,17
  • I(pk, wtórny) = 8,45 A, I(śr, wtórny) = 2,54 A
  • L(s,max) = 3,02 uH

Na podstawie tych danych, projekt jest wykonalny i przetwornica nie powinna mieć problemów z dostarczeniem docelowego prądu wyjściowego, o ile uda się osiągnąć docelowe indukcyjności cewek. To właśnie teraz musimy przyjrzeć się rdzeniowi i formierze cewki, aby upewnić się, że można osiągnąć docelowe indukcyjności.

Rdzeń i formierz cewki z półki

Teraz, gdy znamy cel indukcyjności i stosunek zwojów, możemy zacząć wybierać rdzeń i formierz do budowy transformatora. Jak wspomniałem powyżej, wyższy prąd wyjściowy ograniczy przewody, które można użyć do nawijania cewki, więc będzie to z pewnością ważne przy wyborze rdzenia i formierza.

W tym momencie możesz swobodnie szukać w internecie zestawów rdzeni i formierzy, które pomogą ci osiągnąć cel indukcyjności. Rdzeń, formierz i jarzma polecane przez Texas Instruments to:

• Formierz (QTY 1): B66418W1008D001
• Sekcja rdzenia E z przerwą powietrzną (QTY 2): B66417U0250K187 lub Sekcja rdzenia E bez przerwy (QTY 2): B66417G0000X149 z 2 warstwami nawijania
• Jarzmo (QTY 2): B66418B2000X000

W karcie katalogowej rdzenia znajdziesz specyfikację zwaną współczynnikiem indukcyjności. Współczynnik indukcyjności mówi ci o indukcyjności na liczbę zwojów wokół rdzenia, zakładając, że używasz zalecanego formierza. Na podstawie wymienionego powyżej stosunku zwojów i wymagań prądowych, moglibyśmy użyć drutu AWG 26 z 3 zwojami dla cewki wtórnej, i drutu AWG 30 z 57 zwojami dla cewki pierwotnej (nawiniętej w 2 warstwy drutu). To daje:

• L(s) = 2,25 uH
• L(p) = 812,25 uH

Te wartości są nieco niższe niż zalecane przez TI wartości z WEBench, ale mieszczą się w typowych tolerancjach indukcyjności nawijania transformatora, więc oznaczam je jako ważne dla projektu w trybie nieciągłym. Jeśli chciałbyś zmienić tryb pracy na ciągły, potrzebowałbyś tylko 2 dodatkowych zwojów po stronie wtórnej. Zmniejszyłoby to również gęstość strumienia po stronie wtórnej.

Dodatkowa weryfikacja

Jednym z kroków weryfikacyjnych jest ustalenie, czy wybrany rozmiar przewodu nie spowoduje przepełnienia formy cewki. Używając średnicy izolacji przewodów, oblicz całkowitą długość zajmowaną przez cewki. Jeśli ta liczba przekracza długość twojej formy cewki, musisz użyć większej formy cewki lub przewodu o mniejszej średnicy. To ostatnie może wymagać od ciebie zmniejszenia dopuszczalnego prądu po stronie wtórnej, aby utrzymać temperaturę na niskim poziomie.

Ostatnia weryfikacja będzie porównaniem gęstości strumienia do strumienia nasycenia w materiale rdzenia. Wsparcie od dostawcy materiału rdzenia będzie tutaj bardzo ważne, ponieważ te wartości nie zawsze są podane w karcie katalogowej. Przy nasyceniu, efektywność zaczyna znacznie spadać, więc musisz upewnić się, że twoja gęstość strumienia jest poniżej gęstości nasycenia. To jeden z powodów, dla których faktycznie chcemy mieć więcej zwojów w cewce, a nie mniej. Możemy również chcieć użyć materiału rdzenia o mniejszej przenikalności, ponieważ to również redukuje gęstość strumienia.

Kiedykolwiek chcesz zbudować stabilne i niezawodne systemy zasilania, użyj kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i narzędzi CAD klasy światowej w Altium Designer®. Aby wdrożyć współpracę w dzisiejszym środowisku interdyscyplinarnym, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365™, aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

Przedstawiliśmy tylko niewielką część możliwości, jakie oferuje Altium Designer na platformie Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.