Выбор ферритового сердечника и конструкторские решения

В этой статье я познакомлю вас с рекомендациями по выбору стандартных ферритовых сердечников и процессом конструирования таких устройств, как преобразователь постоянного тока или дроссель фильтра питания. Процесс состоит из нескольких этапов, в ходе которых требуется использовать несколько технических спецификаций, а также определенного количества итераций, если возникает необходимость применить зазор в конструкции дросселя с ферритовым сердечником. Вот эти этапы:

Для начала следует проанализировать целесообразность использования ферритовых сердечников, а не каких-либо других материалов. Прежде чем приступить к работе, убедитесь в том, что это оптимальный материал для решения ваших задач.

Определение размеров сердечника (этап 1)

Конструкция, которую мы анализируем в этой статье, рассчитана на индуктивность около 1 мГн, а в качестве сердечника будет использоваться планарный феррит от компании Ferroxcube. Номер детали — E38/8/25, для формирования полного сердечника требуются две половинки:

Красной рамкой выделена эффективная длина сердечника (ℓ_e); это важный параметр для расчета пиковой плотности потока. Это среднее расстояние перемещения магнитного потока при сближении двух половинок сердечника. На рисунке ниже оно показано синей линией:

Справа показано, как сердечник и печатная плата объединяются в общую конструкцию; медные дорожки печатной платы образуют витки катушки и, чтобы получить нужное количество витков, возможно, потребуется объединить несколько небольших печатных плат в стек. Еще одна задача этой конструкции — максимально уменьшить общую высоту профиля. Следовательно, нам потребуется планарный сердечник.

Изучение и выбор ферритового материала (этапы 2 и 3)

Сердечник E38/8/25 может быть изготовлен из нескольких различных ферритовых материалов. Обычно применяются материалы 3C90 и 3F3. Теперь следует проанализировать оба этих материала, чтобы выяснить, какой из них предпочтительнее. Прежде всего они сравниваются по частотным характеристикам, т. е. на какой максимальной частоте может работать тот или иной материал:

Сплошными линиями показана магнитная проницаемость материала («фактор комфортности» феррита). На частоте 100 кГц у обоих материалов она имеет значение около 2000. Это показывает, насколько лучше, чем воздух, они (а) сосредотачивают магнитный поток и (б) удерживают его. Оба в 2000 раз лучше воздуха, и это важно. На частоте 100 кГц между ними нет большой разницы, и до частоты 1 МГц они оба обеспечивают приемлемые характеристики.

Пунктирными линиями показаны потери в материале сердечника, и на частоте 1 МГц материал 3F3 немного превосходит 3C90.

Следующее сравнение показывает, насколько меняется магнитная проницаемость при изменении температуры сердечника:

В типичном диапазоне рабочих температур от 0 до 100°C материал 3F3 выглядит предпочтительнее. Здесь не приведено еще одно важное сравнение — уровни насыщения сердечника. Но я не стал его учитывать, поскольку оба материала показывают довольно близкие результаты и это не влияет на выбор в пользу 3F3.

Резюме

Мы выбрали сердечник типа E38/8/25 (производства Ferroxcube) и выяснили, из каких материалов он может быть изготовлен. Оба материала 3C90 и 3F3 широко доступны, но, ознакомившись с их характеристиками, мы решили выбрать 3F3, так как он демонстрирует более высокую эффективность.

Чтобы прийти к этому решению, нам потребовалось изучить три разных спецификации. Техническое описание комплекта сердечников E38/8/25 содержит информацию о том, из каких материалов он может быть изготовлен, а также о критически важном параметре, называемом эффективной длиной (ℓ_e). Затем мы изучили спецификации двух возможных материалов и провели их сравнительный технический анализ.

Расчет количества витков (этап 4)

Теперь вернемся к спецификации сердечника E38/8/25 и найдем значение параметра A_L (коэффициент индуктивности):

Соответствующее значение 7250 находится слева внизу. Считается, что индуктивность одного витка медной обмотки составляет 7250 нГ (7,25 мкГ). Эта величина достигается при использовании двух одинаковых половинок планарного сердечника, соединенных вместе. Можно заметить, что соответствующее значение магнитной проницаемости сердечника (𝜇_e) равно 1570. В исходной спецификации материала указывалось значение 2000, однако при изготовлении сердечника оно немного уменьшилось. Буква «e» в μ_e означает «эффективная», т. е. μ_e —это эффективная проницаемость.

Поскольку ферритовые материалы фокусируют магнитный поток и (практически) обеспечивают связь всех витков обмотки друг с другом, то, соответственно, между числом витков и индуктивностью существует следующая зависимость:

L = A_{L .} N²

Нужная нам индуктивность составляет 1 мГн, поэтому нам потребуется витков. Получается 11,7 витков, но число витков должно быть целым, поэтому мы будем использовать 12 витков и «примем» индуктивность равной 1,044 мГн. Округление в большую или меньшую сторону будет зависеть от характера вашей схемы.

Расчет требуемого тока (этап 5)

У нас есть комплект сердечника (и его материал), мы уже рассчитали необходимое количество витков, но какой ток нам потребуется пропускать, и не вызовет ли это проблем? Слишком большой ток может вызвать насыщение сердечника, этого следует избегать, но для расчета тока нам нужно немного больше знать о возможном применении. В нашем примере речь идет о преобразователе постоянного тока DC-DC, для которого используется руководство по выбору ферритового сердечника и обмотки как для ферритовых сердечников обратноходового импульсного трансформатора DCM.

Поскольку это обратноходовая схема, нам не нужно анализировать какие-либо аспекты вторичной цепи для расчета первичного тока; нам просто нужно знать максимальную мощность, подаваемую на нагрузку и рабочую частоту. Предположим, что рабочая частота составляет 100 кГц, а потребляемая нагрузкой мощность — 40 Вт.

Разделив мощность нагрузки на частоту, мы получим энергию в джоулях, которая должна накапливаться в первичной обмотке и передаваться во вторичную на каждом цикле переключения. Поскольку при этом будут некоторые потери, для их учета увеличим энергию на 10 %. Воспользовавшись «общеизвестной» формулой расчета энергии дросселя (E = ½ L^⋅I2), можно рассчитать пиковый ток, который должен протекать в первичной обмотке с помощью следующего уравнения:

Разумеется, если вы планируете использовать обмотку в другой схеме, то расчет тока может оказаться более простым. Но в любом случае нужно рассчитать пиковый ток, чтобы понять, возможно ли насыщение сердечника.

В нашем случае мы получили ток 0,918 А и знаем, что это ток намагничивания ферритового сердечника трансформатора для обратноходового преобразователя. Поэтому он легко может вызвать насыщение сердечника.

Расчет плотности потока (этап 6)

Для расчета плотности потока нам потребуются пиковый ток, количество витков и значение эффективной длины (_ℓe), которое мы нашли на этапе 1 (52,4 мм для двух половинок сердечника E38/8/25). Помните эту величину?

Все эти данные, пиковый ток, число витков и ℓ_e , позволяют определить величину, известную как напряженность магнитного поля, H:

Если умножить H на магнитную проницаемость, то мы получим плотность потока В. Мы знаем, что магнитная проницаемость по сравнению с воздухом (𝜇_e) имеет значение 1570, а также знаем (из различных источников), что абсолютная проницаемость воздуха составляет 1,257 𝜇Гн на метр. Таким образом, мы можем вычислить B следующим образом:

B = 210,2 ×1570 ×1,257 ×10^-6 = 0,4148 Тл

Это прогнозируемая пиковая плотность потока, и из литературы мы знаем, что для ферритовых сердечников она слишком велика. Феррит сильно насыщается в районе 0,4 Тл, поэтому нам нужно несколько переосмыслить подход.

Определение потребности в зазоре (этап 7)

Простой ответ гласит: да, нужно уменьшить прогнозируемую пиковую плотность потока. Хорошая новость заключается в том, что можно приобрести уже готовый комплект сердечников E38/8/25. Помните эту таблицу данных из этапа 4?

Таким образом, вместо того чтобы выбирать два сердечника без зазора, мы можем выбрать один сердечник с зазором и один — без зазора. В результате получается следующая конструкция сердечника:

Таким образом, если выбрать сердечник с зазором 0,25 мм (250 𝜇м), то значение AL уменьшается до 1000, а это значит, что для получения индуктивности 1 мГн нам требуется больше витков.

• Теперь, начиная с четвертого этапа, мы должны использовать 32 витка, чтобы получить 1,024 мГн.
• Начиная с пятого этапа, пиковый ток должен составлять 0,927 А (ранее он был 0,918 А).
• Начиная с шестого этапа, значение H составляет 566,1 ампер-витков/м (ранее оно было 210,2 ампер-витков/м)

А теперь мы можем пересчитать пиковую плотность потока, используя значение магнитной проницаемости с зазором 𝜇_e  216.

B = 566,1 ×216 ×1,257 ×10^-6 = 0,153 Тл

Это результат простого добавления зазора. Для нашего обратноходового преобразователя было бы желательно получить менее 0,2 тесла, так что это вполне приемлемое значение. Вот что показывает моделирование (своего рода проверка работоспособности):

Результаты достаточно убедительны. Для комплекта сердечников с зазором и полем H, равным 566,1, смоделированная плотность потока составила 129 мТл, тогда как при ручном расчете было получено значение 153 мТл. Для комплекта сердечников без зазора с 12 витками и полем H 210,2 мы получаем смоделированную плотность потока 413 мТл (очень близко к рассчитанному вручную значению 414,8 мТл).

Заключение

Во-первых, при проектировании ферритового сердечника трансформатора или использовании дросселя с ферритовым сердечником необходимо придерживаться правильного порядка проектирования. Во-вторых, невозможно обойтись без заключительных испытаний в реальных условиях. Они необходимы для любого компонента конструкции, изготовленного собственными силами. Эта статья лишь демонстрирует порядок действий, однако можно надеяться, что следуя ему, вы получите хорошие результаты. А если при этом вы приобретете более глубокие знания о конструировании дросселей на ферритовых сердечниках с зазором, то это станет приятным бонусом.

Остались вопросы? Обратитесь к специалисту Altium и узнайте, какую помощь мы можем оказать при разработке очередного проекта печатной платы.