Progettare un efficiente circuito di alimentazione non è meno difficile. Coloro che hanno già lavorato con circuiti SMPS concorderebbero facilmente sul fatto che il design del trasformatore flyback gioca un ruolo vitale nella progettazione di un circuito di alimentazione efficiente. La maggior parte delle volte questi trasformatori non sono disponibili in commercio nello stesso identico parametro che si adatta al nostro design. Quindi in questo tutorial sulla progettazione del trasformatoreimpareremo come costruire il nostro trasformatore come richiesto dalla nostra progettazione del circuito. Si noti che questo tutorial copre solo la teoria utilizzando la quale più avanti in un altro tutorial costruiremo un circuito SMPS 5V 2A con un trasformatore fatto a mano come mostrato nell'immagine sopra per un'esposizione pratica. Se sei completamente nuovo al trasformatore, leggi l'articolo Nozioni di base sul trasformatore per comprendere meglio il procedimento.
Parti in un trasformatore SMPS
Un design del trasformatore SMPS ha diverse parti del trasformatore che sono direttamente responsabili delle prestazioni del trasformatore. Di seguito vengono spiegate le parti presenti in un trasformatore, impareremo l'importanza di ciascuna parte e come dovrebbe essere selezionata per la progettazione del trasformatore. Queste parti valgono nella maggior parte dei casi anche per altri tipi di trasformatori.
Nucleo
SMPS sta per alimentatore switching. Le proprietà di un trasformatore SMPS dipendono fortemente dalla frequenza con cui operano. L'elevata frequenza di commutazione offre la possibilità di scegliere trasformatori SMPS più piccoli. Questi trasformatori SMPS ad alta frequenza utilizzano nuclei di ferrite.
Il design del nucleo del trasformatore è l'elemento più importante nella costruzione di un trasformatore SMPS. Un nucleo ha un diverso tipo di A L (Ungapped core inductance Coefficient) a seconda del materiale del nucleo, delle dimensioni del nucleo e del tipo di nucleo. I tipi più diffusi di materiale del nucleo sono N67, N87, N27, N26, PC47, PC95, ecc. Inoltre, il produttore di nuclei di ferrite fornisce parametri dettagliati nella scheda tecnica, che sarà utile durante la selezione del nucleo per il trasformatore
Ad esempio, ecco una scheda tecnica del popolare core EE25.
L'immagine sopra è una scheda tecnica del core EE25 del materiale PC47 di un noto produttore di core TDK. Ogni bit di informazione sarà necessaria per la costruzione del trasformatore. Tuttavia, i core hanno una relazione diretta con il wattaggio in uscita, quindi per wattaggi diversi di SMPS sono necessarie forme e dimensioni diverse dei core.
Ecco l'elenco dei core a seconda del wattaggio. L'elenco si basa su una costruzione 0-100 W. La fonte dell'elenco è tratta dalla documentazione di Power Integration. Questa tabella sarà utile per selezionare il nucleo giusto per il progetto del trasformatore in base alla sua potenza nominale.
| Massima potenza di uscita | Nuclei di ferrite per la costruzione TIW | Nuclei di ferrite per costruzione Margin Wound |
| 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 |
| 20-30 W. | 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 |
Qui il termine TIW sta per costruzione di fili a triplo isolamento. I core E sono i più popolari e sono ampiamente utilizzati nei trasformatori SMPS. Tuttavia, i nuclei E hanno diversi casi, come EE, EI, EFD, ER, ecc. Sembrano tutti la lettera "E", ma la parte centrale è diversa per ciascuna sostanza. I tipi comuni di core E sono illustrati di seguito con l'aiuto di immagini.
EE Core
EI Core
ER Core
EFD Core
Bobina
Una bobina è l' alloggiamento di anime e avvolgimenti. Una bobina ha una larghezza effettiva che è essenziale per calcolare i diametri dei fili e la costruzione del trasformatore. Non solo questo, una bobina di un trasformatore ha anche un segno tratteggiato che fornisce le informazioni degli avvolgimenti primari. Di seguito è illustrata la bobina del trasformatore EE16 comunemente utilizzata
Avvolgimento primario
L' avvolgimento del trasformatore SMPS avrà un avvolgimento primario e un minimo di un avvolgimento secondario, in base al design potrebbe avere più avvolgimento secondario o un avvolgimento ausiliario. L'avvolgimento primario è il primo e più interno di un trasformatore. È collegato direttamente al lato primario di un SMPS. Di solito il numero di avvolgimenti sul lato primario è superiore a quello degli altri avvolgimenti del trasformatore. Trovare l'avvolgimento primario in un trasformatore è facile; basta controllare il lato del punto del trasformatore per l'avvolgimento primario. Si trova generalmente sul lato ad alta tensione del mosfet.
In uno schema SMPS, è possibile notare l'alta tensione CC dal condensatore ad alta tensione collegato al lato primario del trasformatore e l'altra estremità è collegata al driver di alimentazione (pin di drenaggio mosfet interno) o con un pin di drenaggio MOSFET ad alta tensione separato.
Avvolgimento secondario
L'avvolgimento secondario converte la tensione e la corrente sul lato primario nel valore richiesto. Scoprire l'uscita secondaria è un po 'complesso poiché in alcuni progetti SMPS il trasformatore di solito ha più uscite secondarie. Tuttavia, l'uscita o il lato a bassa tensione di un circuito SMPS è generalmente collegato all'avvolgimento secondario. Un lato dell'avvolgimento secondario è la CC, GND e l'altro lato è collegato attraverso il diodo di uscita.
Come discusso, un trasformatore SMPS può avere più uscite. Pertanto un trasformatore SMPS può anche avere più avvolgimenti secondari.
Avvolgimenti ausiliari
Esistono diversi tipi di design SMPS in cui il circuito del driver necessita di una fonte di tensione aggiuntiva per alimentare il driver IC. L'avvolgimento ausiliario viene utilizzato per fornire questa tensione aggiuntiva al circuito di pilotaggio. Ad esempio, se il driver IC funziona a 12V, il trasformatore SMPS avrà un avvolgimento di uscita ausiliario che può essere utilizzato per alimentare questo IC.
Nastro isolante
I trasformatori non hanno una connessione elettrica tra diversi avvolgimenti. Pertanto, prima di avvolgere avvolgimenti diversi, è necessario avvolgere nastri isolanti attorno agli avvolgimenti per la separazione. I tipici nastri barriera in poliestere vengono utilizzati con larghezza diversa per diversi tipi di bobine. Gli spessori dei nastri devono essere 1-2mil per fornire l'isolamento.
Passaggi di progettazione del trasformatore:
Ora che conosciamo gli elementi di base in un trasformatore, possiamo seguire i passaggi seguenti per progettare il nostro trasformatore
Passaggio 1 : trova il core giusto per l'output desiderato. Scegli i core giusti elencati nella sezione precedente.
Passaggio 2 : scoprire i turni primari e secondari.
Le spire primarie e secondarie sono interconnesse e dipendono da altri parametri. La formula di progettazione del trasformatore per calcolare le spire primarie e secondarie sono:
Dove,
N p è la svolta primaria, N s è le svolte secondarie, Vmin è la tensione di ingresso minima, Vds è il voltaggio drain to source del Power Mosfet, Vo è la tensione di uscita
Vd è la caduta di tensione diretta dei diodi di uscita
E Dmax è il ciclo di lavoro massimo.
Pertanto, le spire primarie e secondarie sono interconnesse e hanno un rapporto di spire. Dal calcolo di cui sopra è possibile impostare il rapporto e quindi selezionando le spire secondarie si possono trovare le spire primarie. La buona pratica è utilizzare 1 spire per tensione di uscita dell'avvolgimento secondario.
Passaggio 3: la fase successiva è scoprire l'induttanza primaria dei trasformatori. Questo può essere calcolato dalla formula seguente,
Dove, P 0 è la potenza di uscita, z è il fattore di allocazione delle perdite, n è l'efficienza, f s è la frequenza di commutazione, I p è la corrente primaria di picco, K RP è il rapporto tra corrente di ondulazione e picco.
Passaggio 4: la fase successiva consiste nello scoprire l'induttanza effettiva per il nucleo con gap desiderato.
L'immagine sopra mostra cos'è il nucleo con gap. Il gap è una tecnica per ridurre il valore dell'induttanza primaria dei nuclei a un valore desiderato. I produttori principali forniscono un nucleo con gap per la valutazione A LG desiderata. Se il valore non è disponibile si possono aggiungere distanziatori tra le anime o molarlo per ottenere il valore desiderato.
Passaggio 5: il passaggio successivo è scoprire il diametro dei fili primari e secondari. Il diametro dei fili primari in millimetri è
Dove, BW E è la larghezza effettiva della bobina e N p è il numero di giri primari.
Il diametro dei fili secondari in millimetri è-
BW E è la larghezza effettiva della bobina, N S è il numero di giri secondari e M è il margine su entrambi i lati. I fili devono essere convertiti in standard AWG o SWG.
Per il conduttore secondario non è consentito un valore superiore a 26 AWG a causa dell'aumento dell'effetto pelle. In tal caso possono essere costruiti fili paralleli. Nell'avvolgimento del filo parallelo, ciò significa che quando è necessario avvolgere più di due fili per il lato secondario, il diametro di ciascun filo può rappresentare il valore effettivo del filo singolo per un avvolgimento più facile sul lato secondario del trasformatore. Questo è il motivo per cui trovi alcuni trasformatori con doppi fili su una singola bobina.
Si tratta di progettare il trasformatore SMPS. A causa della complessità critica relativa alla progettazione, il software di progettazione SMPS come PI Expert per l'integrazione dell'alimentazione o Viper di ST fornisce strumenti ed eccelle per modificare e configurare il trasformatore SMPS secondo necessità. Per ottenere un'esposizione più pratica, puoi controllare questo tutorial di progettazione SMPS 5V 2A in cui abbiamo utilizzato PI Expert per costruire il nostro trasformatore utilizzando i punti discussi finora.
Spero che tu abbia capito il tutorial e ti sia piaciuto imparare qualcosa di nuovo, se hai domande non esitare a lasciarle nella sezione commenti o pubblicarle nei forum per una risposta più rapida.