Thiết kế biến áp Flyback với lõi và cuộn dây

Trong bài viết này, tôi sẽ trình bày quy trình thiết kế được sử dụng để xác định các thông số thiết kế biến áp cần thiết trong dự án dự án chuyển đổi flyback tùy chỉnh trước đây của tôi. Trong dự án thiết kế này, tôi đã thiết kế một bộ chuyển đổi flyback nhận đầu vào AC, chỉnh lưu nó thành DC và giảm nó xuống còn 3.3 V đầu ra. Bộ chuyển đổi dựa trên Texas Instruments UCC28881. Như trường hợp với nhiều bộ chuyển đổi cách ly chuyển mạch, một biến áp tùy chỉnh là cần thiết cho thiết kế.

Công cụ WEBench từ Texas Instruments cung cấp hướng dẫn thiết kế và khuyến nghị lõi/cuộn dây cho thiết kế này. Trong quy trình thiết kế này, tôi sẽ sử dụng khuyến nghị lõi và cuộn dây của họ để hoàn thành thiết kế biến áp. Tôi cũng sẽ tính toán các thông số vật lý cho biến áp được thiết kế.

Bắt đầu với Thiết kế Biến Áp Tùy Chỉnh

Trong một bộ chuyển đổi cách ly chuyển mạch, tôi nghĩ chiến lược tốt nhất để xác định các thông số biến áp cần thiết là bắt đầu từ phía thứ cấp (đầu ra) và làm việc theo hướng tới phía sơ cấp, cũng như bất kỳ cuộn thứ ba nào. Chúng ta sẽ bắt đầu với quy trình sau:

• Xác minh độ tự cảm sơ cấp dựa trên tần số PWM và chu kỳ làm việc
• Sử dụng độ tự cảm và điện áp để xác định tỷ lệ vòng quay
• Xác định số vòng quay cần thiết dựa trên tính chất vật liệu của lõi
• Xác minh rằng kích thước cuộn dây sẽ phù hợp dựa trên kích thước dây dẫn cần thiết và diện tích cửa sổ

Một điểm quan trọng cần lưu ý trong quy trình này là một số thông số bạn có thể tự quyết định. Ví dụ, bạn có thể chọn tần số chuyển mạch và một chu kỳ làm việc PWM tối thiểu/tối đa mục tiêu dựa trên khả năng của bộ chuyển đổi của bạn. Độ tự cảm của bạn có thể cần được điều chỉnh để phù hợp với những thay đổi cần thiết trong các thông số này.

Tiếp theo, dựa trên dòng điện trung bình và công suất trung bình cung cấp, có thể có các hạn chế về kích thước dây dẫn có thể được sử dụng trong cuộn dây. Dòng điện trung bình cao hơn sẽ đòi hỏi dây dẫn có kích thước lớn hơn để ngăn chặn biến áp nóng lên quá mức. Vì vậy, nếu bạn muốn biến áp của mình cung cấp nhiều công suất hơn với dòng điện trung bình cao hơn, thì bạn sẽ cần một biến áp có kích thước vật lý lớn hơn.

Với điều đó trong tâm trí, hãy nhảy vào các độ tự cảm.

Cuộn Sơ Cấp và Thứ Cấp (Chế Độ Không Liên Tục)

Đầu tiên, chúng ta có thể tính toán độ tự cảm của cuộn sơ cấp và thứ cấp như sau:

Phương trình L(s) biểu thị hoạt động chế độ dòng không liên tục; thay đổi hướng của bất đẳng thức và bạn sẽ có hoạt động chế độ liên tục. V(diode) là điện áp thuận của diode chỉnh lưu ở phía thứ cấp.

Trong phương trình này, chúng ta muốn xác định giới hạn về độ tự cảm thứ cấp mà sẽ cho phép bộ chuyển đổi điều chỉnh liên tục điện áp đầu ra. Trong điều khiển theo chế độ điện áp, bộ chuyển đổi sẽ điều chỉnh chu kỳ làm việc, vì vậy bạn cần sử dụng chu kỳ làm việc tối đa và tần số để xác định giới hạn trên của các độ tự cảm. Dòng điện đầu ra tối đa và điện áp thứ cấp là các giá trị danh nghĩa.

Tỷ lệ Quấn và Chu kỳ Làm Việc Thực tế

Tiếp theo, chúng ta cần xác định tỷ lệ quấn và chu kỳ làm việc thực tế mà bộ chuyển đổi cần hoạt động. Miễn là chu kỳ làm việc thực tế nhỏ hơn chu kỳ làm việc tối đa cho bộ chuyển đổi của bạn, thì độ tự cảm ở phía thứ cấp sẽ không quá lớn để duy trì điều chỉnh và thiết kế sẽ khả thi.

Phương trình này cho bạn một mối quan hệ giữa tỷ lệ quấn và chu kỳ làm việc. Nhớ rằng, bộ chuyển đổi có thể hoạt động ở bất kỳ chu kỳ làm việc nào lên đến mức tối đa của nó, và vòng lặp điều khiển sẽ điều chỉnh chu kỳ làm việc PWM dựa trên việc đo điện áp đầu ra. Khi bạn biết chu kỳ làm việc, hãy cắm nó vào phương trình này để có được tỷ lệ quấn cần thiết.

Tiếp theo, việc biết dòng điện đỉnh ở phía sơ cấp là hữu ích vì đây là dòng điện đỉnh sẽ chảy qua bộ chuyển đổi. Điều này quan trọng vì một số bộ chuyển đổi có thể có bảo vệ quá dòng, và điều này bao gồm UCC28881. Bây giờ chúng ta cần sử dụng thông số dòng điện đỉnh, chu kỳ làm việc mục tiêu, và giá trị tỷ lệ quấn để kiểm tra các dòng điện đỉnh. Đối với UCC28881, giới hạn dòng điện đỉnh sơ cấp trước khi tắt là như dưới đây (440 mA liên tục, 770 mA xung).

Trong phần tiếp theo, tôi sẽ sử dụng giới hạn dòng điện xung tối đa với một số giảm tải để kiểm tra xem thiết kế có đáp ứng được các thông số kỹ thuật của tôi không.

Kiểm Tra Toán Học

Ở đây, mục đích của tôi là thiết kế bộ chuyển đổi và máy biến áp của nó sao cho chu kỳ làm việc tối đa 50% tương ứng với một nửa dòng điện đỉnh cho phép, điều này sẽ cho tôi nhiều dư địa giảm tải. Bây giờ chúng ta đã có những phương trình này, chúng ta có thể cắm vào một số con số và xác định tỷ lệ quấn.

• Giá trị đầu vào:
  • V(In) tối đa = 240 V AC RMS
  • f = 62 kHz, D(max) = 0.5 (dựa trên giá trị trung bình từ bảng dữ liệu)
  • D(mục tiêu) = 0.3 (chọn theo thiết kế)
  • I(pk, sơ cấp) = 0.385 A, I(Avg, sơ cấp) = 0.116 A
  • Điện áp tiến của diode chỉnh lưu Schottky: V(diode) = 0.5 V
  • V(out) = 3.3 V
• Giá trị đầu ra
  • Dựa trên D(mục tiêu), Np/Ns = 19.17
  • I(pk, thứ cấp) = 8.45 A, I(Avg, thứ cấp) = 2.54 A
  • L(s,max) = 3.02 uH

Dựa trên những con số này, thiết kế là khả thi và bộ chuyển đổi không nên gặp vấn đề gì trong việc cung cấp dòng ra mục tiêu của chúng ta miễn là chúng ta có thể đạt được độ tự cảm cuộn dây mục tiêu. Đây là lúc chúng ta cần xem xét lõi và khung cuộn để đảm bảo có thể đạt được độ tự cảm mục tiêu.

Lõi và Khung Cuộn Sẵn Có

Giờ đây, khi chúng ta biết mục tiêu về độ tự cảm và tỷ lệ quấn, chúng ta có thể bắt đầu chọn lõi và khung cuộn để xây dựng máy biến áp. Như tôi đã đề cập ở trên, dòng ra cao hơn sẽ hạn chế loại dây bạn có thể sử dụng để quấn cuộn, vì vậy đây chắc chắn sẽ là một yếu tố cần xem xét khi chọn lõi và khung cuộn.

Ở thời điểm này, bạn có thể tự do tìm kiếm trực tuyến các bộ lõi và khung cuộn giúp bạn đạt được mục tiêu về độ tự cảm. Khung cuộn, lõi và yên được Texas Instruments khuyến nghị là:

• Khung cuộn (Số lượng 1): B66418W1008D001
• Phần lõi E có khe hở (Số lượng 2): B66417U0250K187 hoặc Phần lõi E không khe hở (Số lượng 2): B66417G0000X149 với 2 lớp quấn
• Yên (Số lượng 2): B66418B2000X000

Trong bảng dữ liệu lõi, bạn sẽ thấy một thông số gọi là hệ số tự cảm. Hệ số tự cảm cơ bản cho bạn biết độ tự cảm trên mỗi vòng quấn xung quanh lõi, giả sử bạn đang sử dụng khung cuộn được khuyến nghị. Dựa trên tỷ lệ quấn được liệt kê ở trên và yêu cầu về dòng điện được liệt kê ở trên, chúng ta có thể sử dụng dây AWG 26 với 3 vòng cho cuộn thứ cấp, và dây AWG 30 với 57 vòng cho cuộn sơ cấp (quấn trong 2 lớp dây). Điều này cho:

• L(s) = 2.25 uH
• L(p) = 812.25 uH

Đây là một chút thấp hơn so với các giá trị được Texas Instruments khuyến nghị từ WEBench, nhưng chúng nằm trong phạm vi dung sai độ tự cảm quấn tiêu biểu cho một máy biến áp, vì vậy tôi đánh dấu chúng là hợp lệ cho một thiết kế chế độ không liên tục. Nếu bạn muốn thay đổi chế độ hoạt động sang liên tục, bạn chỉ cần thêm 2 vòng quấn nữa ở phía thứ cấp. Điều này cũng sẽ giảm mật độ từ trường ở phía thứ cấp.

Xác minh bổ sung

Một bước xác minh là xác định xem liệu đường kính dây bạn chọn có làm đầy quá mức cuộn dây không. Sử dụng đường kính vỏ bọc của dây điện của bạn, tính toán tổng khoảng cách mà các vòng dây bao phủ. Nếu con số này vượt quá chiều dài của cuộn dây của bạn, thì bạn cần sử dụng cuộn dây lớn hơn hoặc đường kính dây nhỏ hơn. Phương án sau có thể yêu cầu bạn giảm dòng điện cho phép ở mặt thứ cấp để giữ nhiệt độ ổn định.

Bước xác minh cuối cùng sẽ là so sánh mật độ từ trường với từ trường bão hòa trong vật liệu lõi của bạn. Đây là lúc sự hỗ trợ từ nhà cung cấp vật liệu lõi trở nên rất quan trọng vì những giá trị này không phải lúc nào cũng được nêu rõ trong bảng dữ liệu. Khi bão hòa, hiệu suất bắt đầu giảm mạnh, vì vậy bạn cần đảm bảo rằng mật độ từ trường của bạn thấp hơn mật độ bão hòa. Đây là một lý do tại sao chúng ta thực sự muốn có nhiều vòng dây trong cuộn hơn là ít vòng dây. Chúng ta cũng có thể muốn sử dụng vật liệu lõi có độ từ thấp hơn vì điều này cũng giảm mật độ từ trường.

Khi bạn muốn xây dựng hệ thống điện ổn định và đáng tin cậy, hãy sử dụng bộ đầy đủ các tính năng thiết kế PCB và công cụ CAD hàng đầu thế giới trong Altium Designer®. Để thực hiện sự hợp tác trong môi trường đa ngành nghề ngày nay, các công ty đổi mới đang sử dụng nền tảng Altium 365™ để dễ dàng chia sẻ dữ liệu thiết kế và đưa dự án vào sản xuất.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện được với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.