Guia de seleção de material de núcleo de ferrite para SMPS

Neste artigo, aprendemos como selecionar o material do núcleo de ferrite com as especificações corretas para garantir a compatibilidade adequada com um determinado projeto de circuito SMPS

Por que núcleo de ferrite

Ferrite é uma substância essencial maravilhosa para transformadores , inversores e indutores no espectro de frequência de 20 kHz a 3 MHz, devido aos benefícios de despesas de núcleo reduzidas e perdas mínimas de núcleo.

Ferrite é um material eficaz para fontes de alimentação de inversores de alta frequência (20 kHz a 3 MHz).

As ferrites devem ser empregadas na abordagem de saturação para funcionamento de baixa potência e baixa frequência (<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.

O modelo com 2 transformadores oferece eficiência extraordinária, durabilidade de frequência fantástica e reduções mínimas de comutação.

Núcleos de ferrite são comumente usados ​​em versões de transformador fly-back , que fornecem custo mínimo de núcleo, despesas de circuito reduzidas e eficiência de tensão superior. Os núcleos de pó (MPP, High Flux, Kool Mμ®) produzem saturação mais suave, maior Bmax e constância de temperatura mais vantajosa e costuma ser a opção preferida em vários usos de flyback ou indutores.

As fontes de alimentação de alta frequência, tanto inversores quanto conversores, oferecem preços mais baratos e peso e estrutura reduzidos em comparação com as opções de alimentação tradicionais de 60 hertz e 400 hertz.

Vários núcleos neste segmento específico são designs típicos frequentemente usados ​​na profissão.

MATERIAIS PRINCIPAIS

Materiais F, P e R, facilitando as desvantagens mínimas do núcleo e a densidade de fluxo de saturação máxima, são recomendados para funcionalidade de alta potência / alta temperatura. Os déficits do núcleo do material P caem com a temperatura de até 70 ° C As perdas do material R diminuem para até 100 ° C.

Os materiais J e W fornecem impedância superior para transformadores largos, o que os torna também recomendados para transformadores de potência de baixo nível.

CORE GEOMETRIES

1) CORES PODEM

Os núcleos dos vasos são fabricados para circundar praticamente a bobina enrolada. Isso facilita a proteção da bobina da separação de EMI de alternativas externas.

As proporções do núcleo do pote praticamente todas seguem as especificações IEC para garantir que haja intercambialidade entre as empresas. As bobinas de circuito simples e impresso são
no mercado, assim como as ferramentas de montagem e montagem.

Devido ao seu layout, o núcleo do pote é geralmente um núcleo mais caro em comparação com formatos diferentes de tamanho análogo. Núcleos de maconha para fins de energia substancial não são facilmente acessíveis.

2) DUPLO SLAB E RM CORES

Os núcleos dos postes centrais sólidos com lados da laje são semelhantes aos núcleos do pote, mas ainda possuem um segmento minimizado em qualquer parte da saia. Entradas substanciais permitem que fios maiores sejam alojados e contribuem para eliminar o calor da instalação.

RM cores são semelhantes aos núcleos do pote, no entanto, são concebidos para reduzir a área do pcb, fornecendo um mínimo de 40% de redução no espaço de instalação.

Circuito impresso ou bobinas simples podem ser obtidos. As braçadeiras de 1 unidade simples permitem uma construção sem complicações. Contorno inferior é possível.

A peça intermediária robusta oferece menos perda de núcleo que, por sua vez, elimina o acúmulo de calor.

3) EP CORES

Os núcleos EP são projetos cúbicos circulares com colunas centrais que circundam a bobina completamente, com exceção dos terminais da placa de circuito impresso. A aparência específica elimina a influência das fendas do fluxo de ar estabelecidas nas paredes correspondentes na pista magnética e fornece uma relação de volume mais significativa para a área absoluta usada. A proteção contra RFs é muito boa.

4) PQ CORES

Os núcleos PQ são projetados de forma distinta para fontes de alimentação comutadas. O layout permite uma proporção maximizada de volume para região de enrolamento e área de superfície.

Portanto, tanto a indutância ideal quanto a superfície de enrolamento são alcançáveis ​​com a dimensão mínima absoluta do núcleo.

Os núcleos, como resultado, oferecem saída de energia ideal com a menor massa e dimensão do transformador montada, além de ocupar um nível mínimo de espaço na placa de circuito impresso.

A configuração com bobinas de circuito impresso e grampos de um bit é fácil. Este modelo econômico garante uma seção transversal muito mais homogênea, conseqüentemente, os núcleos costumam trabalhar com uma quantidade menor de posições quentes em comparação com layouts diferentes.

5) E CORES

Os núcleos E são mais baratos do que os núcleos do pote, embora tenham os aspectos de enrolamento de bobina simples e montagem descomplicada. O enrolamento em grupo é possível para as bobinas colocadas em uso com esses núcleos.

E os núcleos nunca, apesar de tudo, apresentam autoproteção. Os layouts de laminação de tamanho E são projetados para acomodar bobinas comercialmente acessíveis em tempos passados, destinadas a conformar as estampagens de tiras das medidas de laminação habituais.

Métrica e Tamanhos DIN também pode ser encontrado. Os núcleos E são tipicamente incorporados a várias consistências, fornecendo uma variedade de áreas de seção transversal. Bobinas para essas várias áreas de seção transversal tendem a ser acessíveis comercialmente.

Os núcleos E são normalmente instalados em orientações exclusivas, caso seja preferível, conceda um perfil baixo.
Bobinas de circuito impresso podem ser encontradas para fixação de baixo perfil.

Os núcleos E são projetos bem conhecidos devido à sua taxa mais acessível, conveniência de montagem e enrolamento e a prevalência organizada de uma variedade de hardware.

6) PLANAR E CORES

Os núcleos do Planar E podem ser encontrados em praticamente todas as medições convencionais IEC, junto com várias capacidades suplementares.

O material do Magnetics R é perfeitamente adaptado às formas planas devido às perdas reduzidas do núcleo AC e perdas mínimas a 100 ° C.

Os layouts planos, na maioria dos casos, têm baixos números de espiras e dissipação térmica agradável, em oposição aos transformadores de ferrite padrão e, por essa razão, os projetos ideais para espaço e eficácia levam a densidades de fluxo aumentadas. Nessas variações, a vantagem de desempenho geral do material R é principalmente notável.

A extensão da perna e a elevação da janela (proporções B e D) são flexíveis para fins individuais sem novas ferramentas. Isso torna possível para o desenvolvedor ajustar as especificações do núcleo finalizadas para se encaixar com precisão na elevação da pilha de condutores planar, sem qualquer espaço gasto.

Clipes e slots para clipes são oferecidos em vários casos, que podem ser especificamente eficazes para prototipagem. Além disso, os I-cores são um padrão proposto, o que permite ainda mais adaptabilidade no layout.

Os padrões planares E-I são úteis para permitir a mistura de face eficaz em alta produção em massa, bem como para a criação de núcleos de indutores com folga, em que rebaixamentos de franjas precisam ser cuidadosamente considerados devido à estrutura plana.

7) EC, ETD, EER E ER CORES

Esses tipos de padrões são uma mistura entre núcleos E e núcleos de pot. Como os núcleos E, eles apresentam uma lacuna enorme em ambos os lados. Isso permite espaço satisfatório para os fios de tamanho maior necessários para fontes de alimentação de modo comutado de tensão de saída reduzida.

Além disso, garante uma circulação de ar que mantém a construção mais fria.

A peça do meio é circular, muito semelhante à do núcleo do pote. Um dos aspectos positivos do pilar central circular é que o enrolamento tem um período de curso menor em torno dele (11% mais rápido) em comparação com o fio em torno de um pilar central do tipo quadrado com a mesma área de seção transversal.

Isso reduz as perdas dos enrolamentos em 11% e também torna possível para o núcleo lidar com uma capacidade de produção aprimorada. O pilar central circular minimiza adicionalmente a dobra pontiaguda no cobre que ocorre com o enrolamento em um pilar central do tipo quadrado.

8) TORÓIDES

Consequentemente, os toróides são econômicos de produzir, são mais baratos dos projetos de núcleo mais relevantes. Como nenhuma bobina é necessária, acessórios e cargas de configuração são insignificantes.

O enrolamento é concluído em equipamento de enrolamento toroidal. O atributo de blindagem é muito bom.

Visão geral

As geometrias de ferrite oferecem uma grande variedade de tamanhos e estilos. Ao escolher um núcleo para utilizações de fonte de alimentação, as especificações exibidas na Tabela 1 devem ser avaliadas.

SELEÇÃO DE TAMANHO CENTRAL DO TRANSFORMADOR

A capacidade de processamento de energia em um núcleo de transformador é geralmente dependente de seu produto WaAc, em que Wa é o espaço da janela do núcleo oferecido e Ac é o espaço útil da seção transversal do núcleo.

Enquanto a equação acima permite que o WaAc seja modificado dependendo da geometria do núcleo particular, a técnica de Pressman tira proveito da topologia como o fator fundamental e permite que o fabricante designe a densidade de corrente.

INFORMAÇÕES GERAIS

Um transformador perfeito é aquele que promete um declínio mínimo do núcleo enquanto exige o mínimo de volume de espaço.

A perda do núcleo em um determinado núcleo é especificamente afetada pela densidade do fluxo junto com a frequência. A frequência é o fator crucial em um transformador. A Lei de Faraday indica que conforme a frequência aumenta, a densidade do fluxo reduz de forma correspondente.

As negociações com perda de núcleo reduzem muito mais no caso de a densidade do fluxo cair em comparação com quando a frequência aumenta. Como ilustração, quando um transformador é operado a 250 kHz e 2 kG em material R a 100 ° C, as falhas do núcleo provavelmente seriam em torno de 400 mW / cm3.

Se a frequência foi feita duas vezes e a maioria das outras limitações ilesa, como resultado da lei de Faraday, a densidade de fluxo provavelmente seria de 1kG e os rebaixamentos de núcleo resultantes seriam aproximadamente 300mW / cm3.

Os transformadores de potência de ferrite padrão têm restrição de perda de núcleo na faixa de 50-200mW / cm3. Os modelos planos poderiam ser operados de forma muito mais assertiva, até 600 mW / cm3, por conta da dissipação de energia mais vantajosa e significativamente menos cobre nos enrolamentos.

Categorias de CIRCUITO

Uma série de feedbacks básicos nos diversos circuitos são: O circuito push-pull é eficaz, pois o dispositivo provoca o uso bidirecional de um núcleo de transformador, apresentando uma saída com ondulação reduzida. Apesar disso, o circuito é extremamente sofisticado e a saturação do núcleo do transformador pode resultar na quebra do transistor quando os transistores de potência carregam propriedades de chaveamento desiguais.

Os circuitos de alimentação direta são mais baratos, aplicando apenas um transistor. A ondulação é mínima devido ao fato de que a corrente de estado aparentemente estável flui no transformador, não importa se o transistor está LIGADO ou DESLIGADO. O circuito flyback é simples e acessível. Além disso, os problemas de EMI são consideravelmente menores. Apesar disso, o transformador é maior e a ondulação é mais significativa.

CIRCUITO PUSH-PULL

Um circuito push-pull convencional é apresentado na Figura 2A. A tensão de alimentação é a saída de uma rede IC, ou relógio, que oscila os transistores alternadamente ON e OFF. Ondas quadradas de alta frequência na saída do transistor são eventualmente refinadas, gerando CC.

NÚCLEO NO CIRCUITO PUSH-PULL

Para transformadores de ferrite, a 20 kHz, é normalmente um processo bem conhecido o emprego da equação (4) com um nível de densidade de fluxo (B) de ± 2 kG máx.

Isso pode ser extraído pela seção colorida do loop de histerese na Figura 2B. Este grau B é selecionado principalmente porque o aspecto restritivo de selecionar um núcleo com esta frequência é a perda do núcleo.

A 20 kHz, se o transformador for ideal para uma densidade de fluxo em torno da saturação (como realizado para layouts de frequência menores), o núcleo vai adquirir um pico de temperatura descontrolado.

Por essa razão, a menor densidade de fluxo operacional de 2 kG na maioria dos casos confinará as perdas do núcleo, conseqüentemente ajudando um aumento de temperatura acessível no núcleo.

Acima de 20 kHz, as perdas do núcleo são maximizadas. Para executar o SPS em frequências elevadas, é importante executar as taxas de fluxo do núcleo menores que ± 2 kg. A Figura 3 exibe o declínio nos níveis de fluxo para o material de ferrita MAGNETICS “P” vital para contribuir com perdas de núcleo constantes de 100mW / cm3 em várias frequências, com um pico de temperatura ideal de 25 ° C.

No circuito de alimentação direta apresentado na Figura 4A, o transformador é executado no primeiro quadrante do circuito de histerese. (Fig 4B).

Pulsos unipolares implementados no dispositivo semicondutor fazem com que o núcleo do transformador seja alimentado a partir de seu valor BR próximo à saturação. Conforme os pulsos são reduzidos a zero, o núcleo reverte para sua taxa BR.

Para ser capaz de manter uma eficiência superior, a indutância primária é mantida alta para ajudar a reduzir a corrente de magnetização e diminuir o rebaixamento do fio. Isso implica que o núcleo precisa ter um zero ou um mínimo de abertura de fluxo de ar.