Das Entwerfen einer effizienten Stromversorgungsschaltung ist keine geringere Herausforderung. Diejenigen, die bereits mit SMPS-Schaltungen gearbeitet haben, würden leicht zustimmen, dass das Design des Flyback-Transformators eine entscheidende Rolle beim Entwurf einer effizienten Stromversorgungsschaltung spielt. In den meisten Fällen sind diese Transformatoren nicht mit genau dem Parameter erhältlich, der zu unserem Design passt. Also in diesem Transformator-Design-TutorialWir werden lernen, wie wir unseren eigenen Transformator bauen, wie es unser Schaltungsdesign erfordert. Beachten Sie, dass dieses Tutorial nur die Theorie behandelt, mit der wir später in einem anderen Tutorial eine 5V 2A SMPS-Schaltung mit einem handgefertigten Transformator bauen, wie in der Abbildung oben gezeigt, um die praktische Belichtung zu gewährleisten. Wenn Sie mit Transformatoren noch nicht vertraut sind, lesen Sie bitte den Artikel Grundlagen des Transformators, um die Vorgehensweise besser zu verstehen.
Teile in einem SMPS-Transformator
Ein SMPS-Transformator-Design besteht aus verschiedenen Transformatorteilen, die direkt für die Leistung des Transformators verantwortlich sind. Die in einem Transformator vorhandenen Teile werden nachfolgend erläutert. Wir erfahren, wie wichtig jedes Teil ist und wie es für Ihr Transformator-Design ausgewählt werden sollte. Diese Teile gelten in den meisten Fällen auch für andere Transformatortypen.
Ader
SMPS steht für Switch-Mode-Netzteil. Die Eigenschaften eines SMPS-Transformators hängen stark von der Frequenz ab, mit der er arbeitet. Eine hohe Schaltfrequenz eröffnet die Möglichkeit, kleinere SMPS-Transformatoren auszuwählen. Diese hochfrequenten SMPS-Transformatoren verwenden Ferritkerne.
Das Design des Transformatorkerns ist das Wichtigste bei einer SMPS-Transformatorkonstruktion. Ein Kern hat je nach Kernmaterial, Kerngröße und Kerntyp einen anderen Typ von A L (ungapter Kerninduktivitätskoeffizient). Beliebte Arten von Kernmaterialien sind N67, N87, N27, N26, PC47, PC95 usw. Der Hersteller von Ferritkernen gibt im Datenblatt detaillierte Parameter an, die bei der Auswahl des Kerns für Ihren Transformator hilfreich sind
Hier ist zum Beispiel ein Datenblatt des beliebten Kerns EE25.
Das obige Bild ist ein Datenblatt des EE25-Kerns aus PC47- Material eines weit verbreiteten Kernherstellers TDK. Für den Transformatoraufbau werden alle Informationen benötigt. Kerne haben jedoch eine direkte Beziehung zur Ausgangsleistung, daher sind für unterschiedliche Leistungen von SMPS unterschiedliche Formen und Größen von Kernen erforderlich.
Hier ist die Liste der Kerne in Abhängigkeit von der Leistung. Die Liste basiert auf einer 0-100W-Konstruktion. Die Quelle der Liste stammt aus der Power Integration- Dokumentation. Diese Tabelle ist nützlich, um den richtigen Kern für Ihr Transformator-Design basierend auf seiner Wattzahl auszuwählen.
| Maximale Ausgangsleistung | Ferritkerne für den TIW-Bau | Ferritkerne für den Randwundbau |
| 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 steht der Begriff TIW für Triple Insulated Wire Construction. Die E-Kerne sind die beliebtesten und werden häufig in SMPS-Transformatoren verwendet. E-Kerne haben jedoch mehrere Fälle, wie EE, EI, EFD, ER usw. Sie sehen alle wie der Buchstabe 'E' aus, aber der Mittelteil ist für jede Substanz unterschiedlich. Die gängigen Arten von E-Kernen werden im Folgenden anhand von Bildern dargestellt.
EE Core
EI Core
ER Core
EFD Core
Spule
Eine Spule ist das Gehäuse von Kernen und Wicklungen. Eine Spule hat eine effektive Breite, die für die Berechnung der Drahtdurchmesser und des Aufbaus des Transformators unerlässlich ist. Nicht nur das, eine Spule eines Transformators hat auch eine gepunktete Markierung, die die Information der Primärwicklungen liefert. Die häufig verwendete EE16-Transformatorspule ist unten dargestellt
Primärwicklung
Die SMPS-Transformatorwicklung hat eine Primärwicklung und mindestens eine Sekundärwicklung, je nach Ausführung kann sie mehr Sekundärwicklungen oder eine Hilfswicklung aufweisen. Die Primärwicklung ist die erste und innerste Wicklung eines Transformators. Es ist direkt mit der Primärseite eines SMPS verbunden. Normalerweise ist die Anzahl der Wicklungen auf der Primärseite höher als bei anderen Wicklungen des Transformators. Das Auffinden der Primärwicklung in einem Transformator ist einfach; Man muss nur die Punktseite des Transformators auf die Primärwicklung prüfen. Es befindet sich im Allgemeinen auf der Hochspannungsseite des Mosfets.
In einem SMPS-Schema können Sie den Hochspannungsgleichstrom von dem Hochspannungskondensator feststellen, der mit der Primärseite des Transformators verbunden ist, und das andere Ende ist mit dem Leistungstreiber (interner Mosfet-Drain-Pin) oder mit einem separaten Hochspannungs-MOSFET-Drain-Pin verbunden.
Sekundärwicklung
Die Sekundärwicklung wandelt sowohl die Spannung als auch den Strom auf der Primärseite in den erforderlichen Wert um. Das Herausfinden des sekundären Ausgangs ist etwas komplex, da bei einigen SMPS-Konstruktionen der Transformator normalerweise mehrere sekundäre Ausgänge hat. Die Ausgangs- oder Niederspannungsseite einer SMPS-Schaltung ist jedoch im Allgemeinen mit der Sekundärwicklung verbunden. Eine Seite der Sekundärwicklung ist DC, GND und die andere Seite ist über die Ausgangsdiode geschaltet.
Wie bereits erwähnt, kann ein SMPS-Transformator mehrere Ausgänge haben. Daher kann ein SMPS-Transformator auch mehrere Sekundärwicklungen aufweisen.
Hilfswicklungen
Es gibt verschiedene Arten von SMPS-Designs, bei denen die Treiberschaltung eine zusätzliche Spannungsquelle benötigt, um den Treiber-IC mit Strom zu versorgen. Die Hilfswicklung wird verwendet, um diese zusätzliche Spannung an die Treiberschaltung zu liefern. Wenn Ihr Treiber-IC beispielsweise mit 12 V betrieben wird, verfügt der SMPS-Transformator über eine zusätzliche Ausgangswicklung, mit der dieser IC mit Strom versorgt werden kann.
Isolierband
Transformatoren haben keine elektrische Verbindung zwischen verschiedenen Wicklungen. Vor dem Umwickeln verschiedener Wicklungen müssen daher Isolierbänder zur Trennung um die Wicklungen gewickelt werden. Typische Polyestersperrbänder werden mit unterschiedlicher Breite für verschiedene Arten von Spulen verwendet. Die Dicke der Bänder muss 1-2 mil betragen, um die Isolierung zu gewährleisten.
Entwurfsschritte für Transformatoren:
Nachdem wir die Grundelemente eines Transformators kennen, können wir die folgenden Schritte ausführen, um unseren eigenen Transformator zu entwerfen
Schritt 1 : Finden Sie den richtigen Kern für die gewünschte Ausgabe. Wählen Sie die richtigen Kerne aus, die im obigen Abschnitt aufgeführt sind.
Schritt 2 : Herausfinden der primären und sekundären Windungen.
Primär- und Sekundärwindungen sind miteinander verbunden und hängen von anderen Parametern ab. Die Transformator-Entwurfsformel zur Berechnung der Primär- und Sekundärwindungen lautet:
Wobei
N p die Primärwindungen sind, N s ist die Sekundärwindung, Vmin ist die minimale Eingangsspannung, Vds ist die Drain-Source-Spannung des Power Mosfet.
Vo ist die Ausgangsspannung
Vd ist der Vorwärtsspannungsabfall der Ausgangsdioden
Und Dmax ist das maximale Tastverhältnis.
Daher sind Primär- und Sekundärwindungen miteinander verbunden und haben ein Windungsverhältnis. Aus der obigen Berechnung kann das Verhältnis eingestellt werden, und somit kann man durch Auswahl der Sekundärwindungen die Primärwindungen herausfinden. Es wird empfohlen, 1 Windungen pro Ausgangsspannung der Sekundärwicklung zu verwenden.
Schritt 3: Als nächstes müssen Sie die Primärinduktivität des Transformators ermitteln. Dies kann durch die folgende Formel berechnet werden:
Wo, P 0 ist die Ausgangsleistung, z ist der Verlustverteilungsfaktor, n ist die Effizienz, f s ist die Schaltfrequenz, I p ist der Spitzenprimärstrom, K RP ist das Verhältnis von Welligkeitsstrom zu Spitzenwert.
Schritt 4: Als nächstes müssen Sie die effektive Induktivität für den gewünschten Spaltkern ermitteln.
Das obige Bild zeigt, was der Spaltkern ist. Die Lücke ist eine Technik, um den Wert der Primärinduktivität der Kerne auf einen gewünschten Wert zu reduzieren. Kernhersteller bieten einen Spaltkern für die gewünschte A LG- Bewertung an. Wenn der Wert nicht verfügbar ist, können Abstandhalter zwischen den Kernen hinzugefügt oder geschliffen werden, um den gewünschten Wert zu erhalten.
Schritt 5: Der nächste Schritt besteht darin, den Durchmesser der Primär- und Sekundärdrähte zu ermitteln. Der Durchmesser der Primärdrähte in Millimetern beträgt
Wobei BW E die effektive Spulenbreite und N p die Anzahl der Primärwindungen ist.
Der Durchmesser der Sekundärdrähte in Millimetern beträgt-
BW E ist die effektive Spulenbreite, N S ist die Anzahl der Sekundärwindungen und M ist der Rand auf beiden Seiten. Die Drähte müssen in AWG- oder SWG-Standard umgewandelt werden.
Für den Sekundärleiter, die größer als 26 AWG ist nicht zulässig, aufgrund der Zunahme des Hauteffektes. In diesem Fall können parallele Drähte konstruiert werden. Bei der parallelen Drahtwicklung, dh wenn mehr als zwei Drähte für die Sekundärseite gewickelt werden müssen, kann der Durchmesser jedes Drahtes dem tatsächlichen Einzeldrahtwert entsprechen, um das Wickeln über die Sekundärseite des Transformators zu erleichtern. Aus diesem Grund finden Sie einige Transformatoren mit zwei Drähten auf einer einzelnen Spule.
Hier geht es um die Entwicklung des SMPS-Transformators. Aufgrund der kritischen Komplexität im Zusammenhang mit dem Design bietet SMPS-Design-Software wie PI Expert für die Energieintegration oder Viper von ST Tools und hervorragende Funktionen zum Ändern und Konfigurieren des SMPS-Transformators nach Bedarf. Um eine praktischere Belichtung zu erhalten, können Sie dieses 5V 2A SMPS-Design-Tutorial lesen, in dem wir PI Expert verwendet haben, um unseren eigenen Transformator unter Verwendung der bisher diskutierten Punkte zu bauen.
Ich hoffe, Sie haben das Tutorial verstanden und es genossen, etwas Neues zu lernen. Wenn Sie Fragen haben, können Sie diese gerne im Kommentarbereich hinterlassen oder in den Foren veröffentlichen, um eine schnellere Antwort zu erhalten.