Att utforma en effektiv strömförsörjningskrets är inte mindre en utmaning. De som redan har arbetat med SMPS-kretsar skulle lätt vara överens om att konstruktionen av flyback-transformatorer spelar en viktig roll för att utforma en effektiv strömförsörjningskrets. De flesta gånger är dessa transformatorer inte tillgängliga från hyllan i exakt samma parameter som passar vår design. Så i denna handledning för transformatordesignvi lär oss hur vi bygger vår egen transformator enligt vår kretsdesign. Observera att denna handledning endast täcker teorin med vilken vi senare i en annan handledning bygger en 5V 2A SMPS-krets med en handgjord transformator som visas i bilden ovan för praktisk exponering. Om du är helt ny inom transformator läs artikeln Grundläggande om Transformer för att bättre förstå förfarandet.
Delar i en SMPS-transformator
En SMPS-transformatordesign har olika transformatordelar som är direkt ansvariga för transformatorns prestanda. De delar presenterar i en transformator förklaras nedan, kommer vi att lära sig vikten av varje del och hur den bör väljas för transformator design. Dessa delar håller samma i de flesta fall också för andra typer av transformatorer.
Kärna
SMPS står för switch-mode strömförsörjningsenhet. Egenskaperna hos en SMPS-transformator är starkt beroende av frekvensen i vilken de fungerar. Hög omkopplingsfrekvens öppnar upp möjligheterna att välja mindre SMPS-transformatorer. Dessa högfrekventa SMPS-transformatorer använder ferritkärnor.
Den transformatorkärnan designen är det viktigaste i en SMPS transformator konstruktion. En kärna har en annan typ av A L (utan luckor kärna induktans koefficient) beroende på kärnmaterialet, kärnstorlek, och kärntypen. Populär typ av kärnmaterial är N67, N87, N27, N26, PC47, PC95, etc. Tillverkaren av ferritkärnor ger också detaljerade parametrar i databladet, vilket kommer att vara användbart när du väljer kärnan för din transformator
Till exempel, här är ett datablad med populär kärna EE25.
Ovanstående bild är ett datablad med EE25-kärna av PC47- material från en mycket populär kärntillverkare TDK. Varje bit information kommer att behövas för transformatorkonstruktion. Emellertid har kärnor ett direkt förhållande mellan utgångseffekten, så för olika wattförbrukning av SMPS krävs olika form och storlek på kärnor.
Här är listan över kärnor beroende på effekt. Listan är baserad på 0-100W konstruktion. Källan till listan hämtas från Power Integration- dokumentationen. Denna tabell kommer att vara användbar för att välja rätt kärna för din transformatordesign baserat på dess wattvärde.
| Maximal uteffekt | Ferritkärnor för TIW-konstruktion | Ferritkärnor för Margin Wound-konstruktion |
| 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 |
Här står termen TIW för trippelisolerad trådkonstruktion. E-kärnorna är de mest populära och används ofta i SMPS-transformatorer. Emellertid har E-kärnor flera fall, såsom EE, EI, EFD, ER, etc. De ser alla ut som bokstaven "E", men mittdelen är olika för varje ämne. De vanligaste typerna av E-kärnor illustreras nedan med hjälp av bilder.
EE Core
EI Core
ER Core
EFD Core
Spole
En spole är höljet för kärnor och lindningar. En spole har en effektiv bredd som är nödvändig för att beräkna tråddiametrarna och transformatorns konstruktion. Inte bara detta, en spole på en transformator har också en prickad markering som ger information om primärlindningar. Den vanliga EE16-transformatorspolen visas nedan
Primärlindning
Den SMPS transformatorlindning kommer att ha en primärlindning och minst en sekundärlindning, baserat på designen kan det hav mer sekundärlindningen eller en hjälplindning. Primärlindningen är den första och innersta lindningen av en transformator. Den är direkt ansluten till den primära sidan av en SMPS. Vanligtvis är antalet lindningar på primärsidan mer än andra lindningar på transformatorn. Att hitta primärlindningen i en transformator är lätt; man behöver bara kontrollera pricksidan på transformatorn för primärlindning. Det ligger i allmänhet över högspänningssidan av mosfet.
I ett SMPS-schema kan du märka högspänningsströmmen från högspänningskondensatorn som är ansluten till transformatorns primära sida och den andra änden är ansluten till strömdrivrutinen (Internt mosfetavtappningsstift) eller med en separat högspännings MOSFETs avtappningsstift.
Sekundärlindning
Sekundärlindning omvandlar såväl spänningen som strömmen på primärsidan till önskat värde. Att ta reda på den sekundära utgången är lite komplex, eftersom transformatorn i vissa SMPS-konstruktioner vanligtvis har flera sekundära utgångar. Emellertid är utgången eller lågspänningssidan av en SMPS-krets i allmänhet ansluten till sekundärlindningen. En sida av sekundärlindningen är DC, GND och den andra sidan är ansluten över utgångsdioden.
Som diskuterat kan en SMPS-transformator ha flera utgångar. Därför kan en SMPS-transformator också ha flera sekundära lindningar.
Hjälplindningar
Det finns olika typer av SMPS-design där förarkretsen behöver en extra spänningskälla för att driva drivrutinen IC. Hjälplindningen används för att ge denna ytterligare spänning till förarkretsen. Till exempel om din förar-IC arbetar på 12V så kommer SMPS-transformatorn att ha en extra utgångslindning som kan användas för att driva denna IC.
Isoleringstejp
Transformatorer har ingen elektrisk anslutning mellan olika lindningar. Innan olika lindningar lindas in behövs därför isoleringstejp för att lindas runt lindningarna för separering. Typiska polyesterbarriärband används med olika bredd för olika typer av spolar. Bandets tjocklek måste vara 1-2 mil för att ge isolering.
Steg för transformatordesign:
Nu när vi känner till grundelementen i en transformator kan vi följa stegen nedan för att designa vår egen transformator
Steg 1 : Hitta rätt kärna för önskad utgång. Välj de rätta kärnorna som anges i avsnittet ovan.
Steg 2 : Ta reda på de primära och sekundära svängarna.
Primära och sekundära varv är sammankopplade och beror på andra parametrar. Den transformatorkonstruktion formeln för att beräkna de primära och sekundära varv är-
Där,
N p är de primära varv, N s är sekundära varv, Vmin är minsta ingångsspänning, Vds är avloppet till källspänningen för Power Mosfet, Vo är utspänningen
Vd är utgångsdiodernas spänningsfall framåt
Och Dmax är den maximala arbetscykeln.
Därför är primära och sekundära varv sammankopplade och har ett varvförhållande. Från ovanstående beräkning kan förhållandet ställas in och därmed genom att välja sekundära varv kan man ta reda på de primära varv. God praxis är att använda 1 varv per sekundärlindningens utspänning.
Steg 3: Nästa steg är att ta reda på transformatorns primära induktans. Detta kan beräknas med formeln nedan,
Var, P 0 är uteffekten, z är förlustallokeringsfaktorn, n är effektiviteten, f s är omkopplingsfrekvensen, I p är topp primärström, K RP är förhållandet mellan rippelström och topp.
Steg 4: Nästa steg är att ta reda på den effektiva induktansen för den önskade kärnan.
Ovanstående bild visar vad den gappade kärnan är. Gapping är en teknik för att minska värdet på kärnans primära induktans till ett önskat värde. Kärntillverkare tillhandahåller en gapad kärna för önskad LG- betyg. Om värdet inte är tillgängligt kan man lägga till distanser mellan kärnorna eller slipa det för att få önskat värde.
Steg 5: Nästa steg är att ta reda på diametern på primära och sekundära ledningar. Diametern på primärtrådarna i millimeter är
Där är BW E den effektiva spolbredden och Np är antalet primära varv.
Den diameter av sekundära ledningar i millimeter är-
BW E är den effektiva spolbredden, N S är antalet sekundära varv och M är marginalen på båda sidor. Ledningarna måste konverteras i AWG- eller SWG-standard.
För sekundärledaren är större än 26 AWG inte tillåtet på grund av ökad hudeffekt. I sådana fall kan parallella ledningar konstrueras. I parallell trådlindning, det vill säga när mer än två trådar behövs för att lindas för sekundärsidan, kan diametern på varje tråd uppgå till det faktiska enkeltrådsvärdet för enklare lindning över sekundärsidan av transformatorn. Det är därför du hittar några transformatorer med dubbla ledningar på en enda spole.
Allt handlar om att designa SMPS-transformatorn. På grund av den kritiska designrelaterade komplexiteten tillhandahåller SMPS-designprogramvara som PI Expert för kraftintegrering eller Viper från ST verktyg och utmärker sig för att ändra och konfigurera SMPS-transformatorn efter behov. För att få en mer praktisk exponering kan du kolla in den här 5V 2A SMPS-designhandledningen där vi använde PI Expert för att bygga vår egen transformator med hjälp av de punkter som diskuterats hittills.
Hoppas att du förstod handledningen och tyckte om att lära dig något nytt, om du har några frågor är du välkommen att lämna dem i kommentarsektionen eller skicka dem i forumet för snabbare svar.