Guida alla selezione del materiale del nucleo di ferrite per SMPS

In questo post impariamo come selezionare il materiale del nucleo in ferrite con le specifiche corrette per garantire la corretta compatibilità con un dato progetto di circuito SMPS

Perché Ferrite Core

La ferrite è una meravigliosa sostanza di base per trasformatori , inverter e induttori nello spettro di frequenza da 20 kHz a 3 MHz, grazie ai vantaggi di una spesa ridotta del nucleo e perdite minime del nucleo.

La ferrite è un materiale efficace per alimentatori inverter ad alta frequenza (da 20 kHz a 3 MHz).

Le ferriti dovrebbero essere impiegate nell'approccio saturante per il funzionamento a bassa potenza e bassa frequenza (<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.

Il modello a 2 trasformatori offre un'efficienza straordinaria, una straordinaria durata della frequenza e riduzioni di commutazione minime.

I nuclei di ferrite sono comunemente usati nelle versioni con trasformatore fly-back , che forniscono un costo di base minimo, una spesa ridotta del circuito e un'elevata efficienza di tensione. I nuclei in polvere (MPP, High Flux, Kool Mμ®) producono una saturazione più morbida, una Bmax maggiore e una costanza di temperatura più vantaggiosa ed è spesso l'opzione preferita in numerosi utilizzi flyback o induttori.

Gli alimentatori ad alta frequenza, sia inverter che convertitori, propongono un prezzo più conveniente e un peso e una struttura ridotti rispetto alle tradizionali opzioni di alimentazione da 60 hertz e 400 hertz.

Diversi core in questo segmento specifico sono modelli tipici utilizzati frequentemente nella professione.

MATERIALI PRINCIPALI

I materiali F, P e R, che facilitano gli svantaggi minimi del nucleo e la massima densità di flusso di saturazione, sono consigliati per funzionalità ad alta potenza / alta temperatura. I deficit del materiale P diminuiscono con temperature fino a 70 ° C Le perdite di materiale R diminuiscono fino a 100 ° C.

I materiali J e W forniscono un'impedenza superiore per trasformatori larghi, il che li rende consigliati anche per trasformatori di potenza di basso livello.

GEOMETRIE FONDAMENTALI

1) CAN COLORI

Pot Core, sono prodotti per circondare praticamente la bobina avvolta. Ciò facilita la salvaguardia della bobina dal prelievo di EMI da alternative esterne.

Le proporzioni del pot core si attengono praticamente alle specifiche IEC per garantire che esista l'intercambiabilità tra le aziende. Sia le bobine del circuito stampato che quelle normali lo sono
sul mercato, così come la ferramenta di montaggio e assemblaggio.

A causa della sua disposizione, il nucleo del piatto è solitamente un nucleo più costoso rispetto a diversi formati di dimensioni analoghe. I nuclei pot per scopi di alimentazione sostanziale non sono facilmente accessibili.

2) DOPPIA LASTRA E ANIME RM

I nuclei del palo centrale solido sul lato della lastra sono simili ai nuclei del vaso, ma possiedono un segmento che si riduce al minimo su entrambe le parti della gonna. Gli ingressi sostanziali consentono di alloggiare cavi più grandi e contribuiscono ad eliminare il calore dall'installazione.

Colori RM sono simili ai pot core, tuttavia sono progettati per ridurre l'area del PCB, fornendo una riduzione minima del 40% nello spazio di installazione.

Sono disponibili bobine a circuito stampato o semplici. I semplici morsetti da 1 unità consentono una costruzione senza problemi. È possibile ottenere un contorno inferiore.

Il robusto pezzo centrale offre una minore perdita di nucleo che a sua volta elimina l'accumulo di calore.

3) EP CORES

I nuclei EP sono design cubici circolari a montante centrale che circondano completamente la bobina ad eccezione dei terminali del circuito stampato. L'aspetto specifico elimina l'influenza delle fessure del flusso d'aria stabilite sulle pareti di accoppiamento nel binario magnetico e offre un rapporto di volume più significativo rispetto all'area assoluta utilizzata. La salvaguardia dalle RF è praticamente eccezionale.

4) PQ COLORI

I core PQ sono destinati in modo particolare agli alimentatori switching. Il layout consente un rapporto massimizzato tra massa e regione di avvolgimento e superficie.

Pertanto, sia l'induttanza ottimale che la superficie dell'avvolgimento sono ottenibili con la dimensione minima assoluta del nucleo.

Di conseguenza, i nuclei offrono una potenza di uscita ottimale con la massa e le dimensioni del trasformatore meno assemblate, oltre a occupare un livello minimo di spazio sul circuito stampato.

L'installazione con bobine a circuito stampato e pinze a una punta è facilitata. Questo modello economico garantisce una sezione trasversale molto più omogenea, di conseguenza le anime lavorano spesso con una quantità minore di posizioni calde rispetto a layout differenti.

5) E COLORI

Le anime E sono più economiche delle anime pot, pur avendo gli aspetti di un semplice avvolgimento della bobina e un assemblaggio semplice. L'avvolgimento multiplo è realizzabile per le bobine utilizzate utilizzando queste anime.

I nuclei E non presentano mai una schermatura automatica. I layout di dimensione E di laminazione sono progettati per ospitare bobine commercialmente accessibili in tempi passati, intese a conformarsi agli stampaggi delle strisce delle misurazioni di laminazione abituali.

Metrico e Dimensioni DIN può anche essere trovato. I nuclei E sono tipicamente incorporati in varie consistenza, fornendo una varietà di aree di sezione trasversale. Le bobine per queste varie aree di sezione trasversale tendono ad essere accessibili in commercio.

I core E sono tipicamente installati in orientamenti univoci, nel caso preferito, garantiscono un basso profilo.
Le bobine del circuito stampato possono essere trovate per il fissaggio a basso profilo.

I nuclei E sono progetti ben noti per la loro tariffa più conveniente, la comodità di assemblaggio e avvolgimento e la prevalenza organizzata di un assortimento di hardware.

6) PLANARE E COLORI

I nuclei E planari possono essere trovati praticamente in tutte le misurazioni convenzionali IEC, insieme a molte delle capacità supplementari.

Il materiale Magnetics R è perfettamente abbinato alle forme planari grazie alle sue perdite ridotte nel nucleo CA e alle perdite minime a 100 ° C.

I layout planari nella maggior parte dei casi hanno un numero di giri basso e una dissipazione termica gradevole rispetto ai trasformatori di ferrite standard, e per questo motivo i progetti ideali per lo spazio e l'efficacia portano a maggiori densità di flusso. In queste variazioni, il vantaggio in termini di prestazioni complessive del materiale R è principalmente piuttosto notevole.

L'apertura delle gambe e l'elevazione della finestra (proporzioni B e D) sono flessibili per scopi individuali senza nuovi utensili. Ciò consente allo sviluppatore di mettere a punto le specifiche di base finalizzate per adattarle accuratamente all'elevazione dello stack del conduttore planare, senza spazio necessario.

Clip e slot per clip sono offerti in numerosi casi, che potrebbero essere particolarmente efficaci per la prototipazione. Gli I-core sono inoltre proposti come standard, il che consente ancora più adattabilità nel layout.

I modelli planari E-I sono utili per consentire un'efficace fusione delle facce in una produzione di massa elevata, nonché per la creazione di nuclei di induttori con gap, per cui è necessario considerare attentamente i drawdown delle frange a causa della struttura planare.

7) EC, ETD, EER ED ER CORES

Questi tipi di pattern sono un mix tra E core e pot core. Come i core E, offrono un enorme spazio su entrambi i lati. Ciò consente uno spazio soddisfacente per i cavi di dimensioni maggiori necessari per alimentatori a commutazione a tensione di uscita ridotta.

Inoltre garantisce una circolazione dell'aria che mantiene la costruzione più fredda.

Il pezzo centrale è circolare, molto simile a quello del nucleo del vaso. Uno degli aspetti positivi del pilastro centrale circolare è che l'avvolgimento ha un periodo di corso più piccolo attorno ad esso (11% più veloce) rispetto al filo attorno a un pilastro centrale di tipo quadrato con la stessa area della sezione trasversale.

Ciò riduce le perdite degli avvolgimenti dell'11% e consente anche al nucleo di far fronte a una migliore capacità di uscita. Il pilastro centrale circolare riduce inoltre al minimo la piega a spillo nel rame che traspira con l'avvolgimento su un pilastro centrale di tipo quadrato.

8) TOROIDI

I toroidi sono convenienti da produrre di conseguenza, questi sono i meno costosi dei progetti di nucleo più rilevanti. Poiché non è necessaria alcuna bobina, gli accessori e le spese di installazione sono trascurabili.

L'avvolgimento è completato su apparecchiature di avvolgimento toroidale. L'attributo di schermatura è piuttosto valido.

Panoramica

Le geometrie di ferrite ti offrono una vasta scelta di dimensioni e stili. Quando si sceglie un nucleo per l'utilizzo di alimentazione, è necessario valutare le specifiche visualizzate nella tabella 1.

SELEZIONE DIMENSIONI NUCLEO DEL TRASFORMATORE

La capacità di elaborazione della potenza su un nucleo del trasformatore dipende solitamente dal suo prodotto WaAc, in cui Wa è lo spazio della finestra del nucleo offerto e Ac è lo spazio della sezione trasversale del nucleo utile.

Mentre l'equazione precedente consente di modificare WaAc a seconda della particolare geometria del nucleo, la tecnica Pressman sfrutta la topologia come fattore fondamentale e consente al produttore di designare la densità di corrente.

INFORMAZIONE GENERALE

Un trasformatore perfetto è solo uno che promette un declino del nucleo minimo mentre richiede il minimo volume di spazio.

La perdita del nucleo in un particolare nucleo è specificamente influenzata dalla densità del flusso insieme alla frequenza. La frequenza è il fattore cruciale per quanto riguarda un trasformatore. La legge di Faraday indica che all'aumentare della frequenza, la densità del flusso si riduce di conseguenza.

Le operazioni di core loss si riducono molto di più nel caso in cui la densità del flusso diminuisca rispetto a quando la frequenza aumenta. A titolo illustrativo, quando un trasformatore funziona a 250 kHz e 2 kG su materiale R a 100 ° C, i guasti al nucleo sarebbero probabilmente di circa 400 mW / cm3.

Se la frequenza fosse stata impostata due volte e la maggior parte delle altre limitazioni non venissero danneggiate, come risultato della legge di Faraday, la densità di flusso risulterebbe probabilmente pari a 1 kg e gli abbassamenti del nucleo risultanti sarebbero di circa 300 mW / cm3.

I trasformatori di potenza in ferrite standard hanno una limitazione della perdita del nucleo che va da 50 a 200 mW / cm3. I modelli planari potrebbero essere utilizzati in modo molto più assertivo, fino a 600 mW / cm3, grazie a una dissipazione di potenza più vantaggiosa e una quantità significativamente inferiore di rame negli avvolgimenti.

Categorie di CIRCUITO

Alcuni feedback di base sui vari circuiti sono: Il circuito push-pull è efficace poiché il dispositivo provoca l'utilizzo bidirezionale di un nucleo del trasformatore, presentando un'uscita con ondulazione ridotta. Nonostante ciò, i circuiti sono estremamente sofisticati e la saturazione del nucleo del trasformatore può provocare la rottura del transistor quando i transistor di potenza hanno proprietà di commutazione disuguali.

I circuiti feed forward sono più economici in termini di costi, applicando un solo transistor. L'ondulazione è minima a causa del fatto che la corrente di stato apparentemente stabile scorre nel trasformatore indipendentemente dal fatto che il transistor sia acceso o spento. Il circuito flyback è semplice e conveniente. Inoltre, i problemi di EMI sono notevolmente inferiori. Nonostante ciò, il trasformatore è più grande e l'ondulazione è più significativa.

CIRCUITO PUSH-PULL

Un circuito push-pull convenzionale è presentato nella Figura 2A. La tensione di alimentazione è l'uscita di una rete IC, o clock, che fa oscillare i transistor alternativamente ON e OFF. Le onde quadre ad alta frequenza sull'uscita del transistor vengono infine perfezionate, generando cc.

NUCLEO NEL CIRCUITO PUSH-PULL

Per i trasformatori di ferrite, a 20 kHz, di solito è un processo ben noto impiegare l'equazione (4) con un livello di densità di flusso (B) di ± 2 kG max.

Questo può essere estratto dalla sezione colorata del ciclo di isteresi nella Figura 2B. Questo grado B viene selezionato principalmente perché l'aspetto restrittivo della selezione di un nucleo con questa frequenza è la perdita del nucleo.

A 20 kHz, se il trasformatore è ideale per una densità di flusso intorno alla saturazione (come avviene per i layout di frequenza più piccoli), il nucleo acquisirà un picco di temperatura incontrollato.

Per questo motivo, la minore densità di flusso operativo di 2 kG nella maggior parte dei casi limiterà le perdite del nucleo, aiutando di conseguenza un aumento della temperatura a prezzi accessibili nel nucleo.

Al di sopra di 20 kHz, le perdite del core massimizzano. Per eseguire l'SPS a frequenze elevate, è importante eseguire velocità di flusso del nucleo inferiori a ± 2 kg. La Figura 3 mostra la diminuzione dei livelli di flusso per il materiale MAGNETICO in ferrite “P” vitale per contribuire a perdite costanti del nucleo di 100 mW / cm3 a numerose frequenze, con un picco di temperatura ottimale di 25 ° C.

Nel circuito di feed forward illustrato nella figura 4A, il trasformatore funziona nel 1 ° quadrante del ciclo di isteresi. (Fig 4B).

Gli impulsi unipolari implementati nel dispositivo a semiconduttore fanno sì che il nucleo del trasformatore venga alimentato dal suo valore BR vicino alla saturazione. Quando gli impulsi vengono ridotti a zero, il nucleo ritorna alla sua velocità BR.

Per essere in grado di mantenere un'efficienza superiore, l'induttanza primaria viene mantenuta alta per aiutare a ridurre la corrente di magnetizzazione e ridurre gli assorbimenti del filo. Ciò implica che il nucleo deve avere un'apertura del flusso d'aria pari a zero o minimo.