Guia de selecció de material de nucli de ferrita per a SMPS

En aquest post aprenem a seleccionar el material del nucli de ferrita amb les especificacions correctes per garantir una compatibilitat adequada amb un disseny de circuit SMPS determinat

Per què Nucli de ferrita

La ferrita és una substància bàsica meravellosa per a transformadors , inversors i inductors de l’espectre de freqüències de 20 kHz a 3 MHz, a causa dels avantatges de reduir la despesa del nucli i les mínimes pèrdues del nucli.

La ferrita és un producte eficaç per a fonts d’alimentació d’inversors d’alta freqüència (20 kHz a 3 MHz).

Les ferrites s’han d’utilitzar en l’enfocament de saturació per al funcionament de baixa potència i baixa freqüència (<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.

El model de 2 transformadors proporciona una eficiència extraordinària, fantàstica durabilitat de freqüència i mínims abatiments de commutació.

Els nuclis de ferrita s’utilitzen habitualment en les versions de transformador fly-back , que proporcionen un cost bàsic mínim, una despesa reduïda del circuit i una eficiència de voltatge superior. Els nuclis de pols (MPP, High Flux, Kool Mμ®) produeixen una saturació més suau, major Bmax i una constància de temperatura més avantatjosa i sovint és l'opció preferida en diversos usos o inductors de flyback.

Les fonts d’alimentació d’alta freqüència, ja siguin inversors i convertidors, proposen un preu més barat i un pes i una estructura reduïts en comparació amb les opcions tradicionals de potència de 60 i 400 Hz.

Diversos nuclis d’aquest segment específic són dissenys típics que s’utilitzen amb freqüència en la professió.

MATERIALS NUCLIARS

Es recomanen materials F, P i R, que faciliten els mínims desavantatges del nucli i la densitat màxima de flux de saturació, per a funcionalitats d'alta potència / alta temperatura. Els dèficits del nucli de material P baixen amb una temperatura de fins a 70 ° C. Les pèrdues de material R disminueixen fins a 100 ° C.

Els materials J i W us proporcionen una impedància superior per a transformadors amplis, cosa que els fa també recomanables per a transformadors de potència de baix nivell.

GEOMETRIES CENTRALS

1) POT CORES

Nucli de pot, es fabriquen per encerclar gairebé la bobina de la ferida. Això facilita la protecció de la bobina de la recollida d'EMI d'alternatives externes.

Les proporcions del nucli del pot s’adhereixen pràcticament a les especificacions IEC per garantir que hi hagi intercanviabilitat entre empreses. Tant les bobines de circuit imprès com les planes
al mercat, igual que el maquinari de muntatge i muntatge.

A causa del seu disseny, el nucli del pot sol ser un nucli més car en comparació amb diferents formats d’una mida anàloga. No es pot accedir fàcilment als nuclis de pot amb fins substancials de potència.

2) LLOSA DOBLE I NUCLI RM

Els nuclis postals centrals sòlids de costat de la llosa són similars als nuclis de pot, però, tot i això, tenen un segment minimitzat a les dues parts de la faldilla. Les entrades substancials permeten allotjar cables més grans i contribueixen a eliminar la calor de la instal·lació.

RM colors són similars als nuclis de pot, però estan dissenyats per reduir l’àrea del PCB, proporcionant una reducció mínima del 40% en l’espai d’instal·lació.

Es poden obtenir circuits impresos o bobines planes. Les pinces senzilles d’1 unitat permeten una construcció sense problemes. Es pot aconseguir un esquema inferior.

La resistent peça central proporciona menys pèrdues de nucli que al seu torn elimina l'acumulació de calor.

3) Nuclis EP

Els nuclis EP són dissenys cúbics circulars de post central que envolten la bobina a fons, a excepció dels terminals de la placa de circuit imprès. L'aspecte específic elimina la influència de les escletxes de flux d'aire establertes a les parets d'aparellament de la pista magnètica i proporciona una relació de volum més significativa respecte a l'àrea absoluta utilitzada. La protecció contra les RF és pràcticament fantàstica.

4) COLORS PQ

Els nuclis PQ estan destinats a les fonts d’alimentació en mode commutat. El disseny permet obtenir una proporció maximitzada de volum a la regió de bobinatge i la superfície.

Per tant, tant la inductància òptima com la superfície de bobinatge són assolibles amb la dimensió mínima del nucli absoluta.

Com a resultat, els nuclis ofereixen una potència de sortida òptima amb la massa i la dimensió del transformador mínim muntades, a més d’ocupar un nivell mínim d’espai a la placa de circuit imprès.

Es facilita la configuració amb bobines de circuit imprès i pinces d’un bit. Aquest model econòmic garanteix una secció transversal molt més homogènia, per la qual cosa els nuclis sovint funcionen amb una quantitat menor de posicions calentes en comparació amb diferents dissenys.

5) I COLORS

Els nuclis E són més econòmics que els nuclis de pot, tot i que presenten els aspectes d’un bobinatge de bobina senzill i un muntatge senzill. El bobinatge de colles és possible per a les bobines utilitzades amb aquests nuclis.

Els nuclis E mai, de totes maneres, presenten autoapantallament. Els dissenys de mida E de laminació estan dissenyats per acomodar bobines accessibles comercialment en temps passats destinats a conformar les estampacions de tires de les mesures de laminació habituals.

Mètrica i Mides DIN també es pot trobar. Els nuclis E solen estar incrustats amb una consistència diversa, proporcionant una gran varietat d'àrees transversals. Les bobines per a aquestes diverses àrees de secció transversal solen ser accessibles comercialment.

Els nuclis E solen instal·lar-se en orientacions úniques, si es prefereix, atorguen un perfil baix.
Es poden trobar bobines de circuits impresos per a la fixació de perfil baix.

Els nuclis E són dissenys coneguts per la seva tarifa més assequible, la seva comoditat de muntatge i bobinatge i la prevalença organitzada d’un assortiment de maquinari.

6) PLANAR I COLORS

Els nuclis planars E es poden trobar en pràcticament totes les mesures convencionals IEC, juntament amb diverses capacitats suplementàries.

El material Magnetics R s’adapta perfectament a les formes planes a causa de les seves pèrdues de nucli de CA reduïdes i pèrdues mínimes a 100 ° C.

Els dissenys plans en la majoria dels casos tenen un nombre de girs baix i una dissipació tèrmica agradable a diferència dels transformadors de ferrita estàndard, i per aquesta raó els dissenys ideals per a l’espai i l’eficàcia condueixen a augmentar les densitats de flux. En aquestes variacions, l'avantatge de rendiment general del material R és principalment bastant notable.

L’amplitud de la cama i l’elevació de la finestra (proporcions B i D) són flexibles per a propòsits individuals sense eines noves. Això fa que el desenvolupador pugui afinar les especificacions del nucli finalitzades per ajustar-les amb precisió a l’elevació de la pila de conductors plans, sense cap espai gastat.

Els clips i les ranures de clips s’ofereixen en nombrosos casos, que podrien ser específicament eficaços per prototipar. Els nuclis I també es proposen estàndard, cosa que permet una adaptabilitat encara més gran en el disseny.

Els patrons plans E-I són útils per permetre una barreja eficaç de la cara en una producció a granel, així com per a la creació de nuclis d’inductor buits, per la qual cosa s’ha de tenir en compte les reduccions de franges a causa de l’estructura plana.

7) Nuclis CE, ETD, EER i ER

Aquest tipus de patrons són una barreja entre nuclis E i nuclis de pot. Igual que els nuclis E, ofereixen un enorme buit a banda i banda. Això permet una sala satisfactòria per als cables de mida més gran necessaris per a fonts d’alimentació en mode commutat de tensió de sortida reduïda.

A part, garanteix una circulació d'aire que manté la construcció més freda.

La peça central és circular, molt semblant a la del nucli del test. Un dels aspectes positius del pilar central circular és que l’enrotllament té un període de recorregut més reduït al seu voltant (un 11% més ràpid) en comparació amb el filferro al voltant d’un pilar central de tipus quadrat amb la mateixa àrea de secció transversal.

Això redueix les pèrdues dels bobinats un 11% i també fa que el nucli pugui fer front a una capacitat de producció millorada. El pilar central circular minimitza, a més, el plec amb punxes del coure que transcorre amb bobinatge sobre un pilar central de tipus quadrat.

8) TOROIDES

En conseqüència, els toroides són rendibles per produir-los; són els menys costosos dels dissenys bàsics més rellevants. Com que no és necessària cap bobina, els càrrecs per accessoris i configuració són insignificants.

El bobinatge es completa en equips de bobinatge toroïdal. L’atribut de blindatge és força sòlid.

Visió general

Les geometries de ferrita us ofereixen una gran varietat de mides i estils. En triar un nucli per a usos de subministrament elèctric, s’han d’avaluar les especificacions que es mostren a la taula 1.

SELECCIÓ DE MESURA NUCLEAL DEL TRANSFORMADOR

La capacitat de processament de potència en un nucli del transformador sol dependre del seu producte WaAc, en què Wa és l'espai de la finestra del nucli ofert, i Ac és l'espai útil de la secció transversal del nucli.

Tot i que l’equació anterior permet modificar WaAc en funció de la geometria del nucli particular, la tècnica Pressman aprofita la topologia com a factor fonamental i permet al fabricant designar la densitat de corrent.

INFORMACIÓ GENERAL

Un transformador perfecte és només un que promet una mínima disminució del nucli alhora que exigeix ​​el mínim volum d’espai.

La pèrdua del nucli en un nucli particular es veu específicament afectada per la densitat del flux juntament amb la freqüència. La freqüència és el factor crucial pel que fa a un transformador. La llei de Faraday indica que a mesura que s’accelera la freqüència, la densitat de flux es redueix corresponentment.

Les operacions de pèrdua de nucli redueixen molt més en cas que la densitat de flux caigui en comparació amb quan augmenta la freqüència. A tall d’il·lustració, quan un transformador funciona a 250 kHz i 2 kG en material R a 100 ° C, les falles del nucli probablement rondarien els 400 mW / cm3.

Si la freqüència es fes dues vegades i la majoria de les altres limitacions no resultessin il·leses, com a resultat de la llei de Faraday, la densitat de flux probablement seria d’1 kG i les reduccions del nucli resultants serien aproximadament de 300 mW / cm3.

Els transformadors de potència de ferrita estàndard tenen una pèrdua de nucli restringida que oscil·la entre els 50 i els 200 mW / cm3. Els models plans es podrien operar de manera molt més assertiva, fins a 600 mW / cm3, a causa de la dissipació de la potència més avantatjosa i de significativament menys coure en els bobinats.

Categories del CIRCUIT

Hi ha una sèrie de comentaris bàsics sobre els diversos circuits: El circuit push-pull és eficaç ja que el dispositiu provoca l’ús bidireccional d’un nucli de transformador, presentant una sortida amb una ondulació reduïda. Malgrat això, els circuits són molt sofisticats i la saturació del nucli del transformador pot provocar la ruptura del transistor quan els transistors de potència tenen propietats de commutació desiguals.

Els circuits d’alimentació directa tenen un cost més baix, aplicant només un transistor. La ondulació és mínima pel fet que els corrents d’estat aparentment estables al transformador, independentment de si el transistor està ON o OFF. El circuit flyback és senzill i assequible. A més, els problemes EMI són considerablement menors. Malgrat això, el transformador és més gran i l’ondulació és més significativa.

CIRCUIT PUSH-PULL

A la figura 2A es presenta un circuit convencional push-pull. La tensió d'alimentació és la sortida d'una xarxa IC, o rellotge, que oscil·la alternativament els transistors ON i OFF. Les ones quadrades d’alta freqüència a la sortida del transistor s’acaben refinant, generant corrent continu.

NUCLI DEL CIRCUIT PUSH-PULL

Per als transformadors de ferrita, a 20 kHz, se sol fer un procés ben conegut per emprar l’equació (4) amb un nivell de densitat de flux (B) de ± 2 kG màx.

Això es pot extreure mitjançant la secció de colors del bucle d’histèresi de la figura 2B. Aquest grau B se selecciona principalment perquè l’aspecte restringit de seleccionar un nucli amb aquesta freqüència és la pèrdua de nucli.

A 20 kHz, si el transformador és ideal per a una densitat de flux al voltant de la saturació (com es realitza per a dissenys de freqüència menors), el nucli adquirirà un augment de temperatura incontrolat.

Per aquest motiu, la densitat de flux operatiu més petita de 2 kG limitarà en la majoria dels casos les pèrdues del nucli, cosa que contribuirà a un augment assequible de la temperatura del nucli.

Per sobre de 20 kHz, les pèrdues del nucli es maximitzen. Per executar el SPS a freqüències elevades, és important executar les velocitats de flux del nucli inferiors a ± 2 kg. La Figura 3 mostra la disminució dels nivells de flux per al material de ferrita MAGNETICS “P”, vital per contribuir a pèrdues de nucli constants de 100 mW / cm3 a nombroses freqüències, amb un augment òptim de temperatura de 25 ° C.

Al circuit d’alimentació avançat que es mostra a la figura 4A, el transformador s’executa al 1r quadrant del bucle d’histèresi. (Fig 4B).

Els polsos unipolars implementats al dispositiu semiconductor provoquen que el nucli del transformador s’alimenti des del seu valor BR prop de la saturació. A mesura que els polsos es redueixen a zero, el nucli torna a la seva taxa de BR.

Per poder mantenir una eficiència superior, la inductància primària es manté elevada per ajudar a reduir el corrent d’imantació i reduir els estiraments de cables. Això implica que el nucli ha de tenir un zero o un mínim d'obertura de flux d'aire.