การออกแบบวงจร Power Supply ที่มีประสิทธิภาพถือเป็นความท้าทายไม่น้อย ผู้ที่เคยทำงานกับวงจร SMPS แล้วจะยอมรับได้อย่างง่ายดายว่าการออกแบบหม้อแปลงฟลายแบ็คมีบทบาทสำคัญในการออกแบบวงจรจ่ายไฟที่มีประสิทธิภาพ เวลาส่วนใหญ่หม้อแปลงเหล่านี้ไม่สามารถใช้งานได้จากชั้นวางในพารามิเตอร์เดียวกันกับที่เราออกแบบ ดังนั้นในบทช่วยสอนการออกแบบหม้อแปลงนี้เราจะเรียนรู้วิธีการสร้างหม้อแปลงของเราเองตามที่เราต้องการในการออกแบบวงจรของเรา โปรดทราบว่าบทช่วยสอนนี้ครอบคลุมเฉพาะทฤษฎีที่ใช้ซึ่งต่อไปในบทช่วยสอนอื่นเราจะสร้างวงจร 5V 2A SMPS ด้วยหม้อแปลงที่ทำด้วยมือดังที่แสดงในภาพด้านบนสำหรับการเปิดรับจริง หากคุณยังใหม่กับ Transformer โปรดอ่านบทความพื้นฐานของ Transformer เพื่อทำความเข้าใจกระบวนการนี้ให้ดียิ่งขึ้น
ชิ้นส่วนในหม้อแปลง SMPS
การออกแบบหม้อแปลง SMPSมีชิ้นส่วนหม้อแปลงที่แตกต่างกันซึ่งรับผิดชอบโดยตรงต่อประสิทธิภาพของหม้อแปลง ชิ้นส่วนนำเสนอในหม้อแปลงมีการอธิบายต่อไปนี้เราจะได้เรียนรู้ถึงความสำคัญของแต่ละส่วนและวิธีการที่ควรจะเลือกสำหรับการออกแบบหม้อแปลงของคุณ ชิ้นส่วนเหล่านี้ส่วนใหญ่เหมือนกันสำหรับหม้อแปลงประเภทอื่น ๆ เช่นกัน
แกน
SMPS ย่อมาจากหน่วยจ่ายไฟโหมดสวิตช์ คุณสมบัติของหม้อแปลง SMPS ขึ้นอยู่กับความถี่ในการทำงาน เปลี่ยนความถี่สูงเปิดขึ้นไปได้ที่จะเลือกที่มีขนาดเล็ก SMPS หม้อแปลงความถี่สูงเหล่านี้ SMPS หม้อแปลงใช้แกนเฟอร์ไรต์
การออกแบบแกนหม้อแปลงเป็นสิ่งที่สำคัญที่สุดในการสร้างหม้อแปลง SMPS คอร์มีA L (Ungapped core inductance Coefficient) ที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับวัสดุหลักขนาดแกนและประเภทของแกน ที่เป็นที่นิยมชนิดของวัสดุหลักเป็น N67, N87, N27, N26, PC47, PC95 ฯลฯ พารามิเตอร์นอกจากนี้ผู้ผลิตของแกนเฟอร์ไรต์ให้รายละเอียดในแผ่นข้อมูลซึ่งจะเป็นประโยชน์ในขณะที่การเลือกหลักสำหรับหม้อแปลงของคุณ
ตัวอย่างเช่นนี่คือแผ่นข้อมูลของ Core EE25 ยอดนิยม
ภาพด้านบนเป็นเอกสารข้อมูลของแกน EE25 ของวัสดุPC47จากผู้ผลิตหลักที่เป็นที่นิยมอย่างแพร่หลาย TDK ข้อมูลแต่ละบิตจะจำเป็นสำหรับการสร้างหม้อแปลง อย่างไรก็ตามคอร์มีความสัมพันธ์โดยตรงของกำลังวัตต์ที่ส่งออกดังนั้นสำหรับวัตต์ที่แตกต่างกันของ SMPS จะต้องมีรูปร่างและขนาดของแกนที่แตกต่างกัน
นี่คือรายการแกนขึ้นอยู่กับกำลังวัตต์ รายการขึ้นอยู่กับโครงสร้าง 0-100W แหล่งที่มาของรายการนำมาจากเอกสารประกอบPower Integration ตารางนี้จะเป็นประโยชน์ในการเลือกแกนที่เหมาะสมสำหรับการออกแบบหม้อแปลงของคุณโดยพิจารณาจากพิกัดกำลังวัตต์
| กำลังขับสูงสุด | แกนเฟอร์ไรต์สำหรับการก่อสร้าง TIW | แกนเฟอร์ไรต์สำหรับการสร้าง Margin Wound |
| 0-10W |
EPC17, EFD15, EE16, EI16, EF15, E187, EE19, EI19 |
EEL16, EF20, EEL19, EPC25, EFD25 |
| 10-20 วัตต์ |
ศ. 19, EI19, EPC19, EF20, EFD20, EE22, EI22 |
EEL19, EPC25, EFD25, EF25 |
| 20-30 วัตต์ | EPC25, EFD25, E24 / 25, EI25, EF25, EI28 |
EPC30, EFD30, EF30, EI30, ETD29, EER28 |
| 30-50 วัตต์ |
EI28, EF30, EI30, ETD29, EER 28 |
EI30, ETD29, EER28,
EER28L, EER35 |
| 50-70 วัตต์ |
EER28L, ETD34, EI35, EER35 |
EER28L, ETD34, EER35, ETD39 |
| 70-100 วัตต์ |
EPC30, EFD30, EF30, EI30, ETD29, EER28 |
EER35, ETD39, EER40, E21 |
นี่คือคำTIWย่อมาจากทริปเปิก่อสร้างลวดแกน E เป็นที่นิยมมากที่สุดและใช้กันอย่างแพร่หลายในหม้อแปลง SMPS อย่างไรก็ตามแกน E มีหลายกรณีเช่น EE, EI, EFD, ER เป็นต้นซึ่งทั้งหมดมีลักษณะเหมือนตัวอักษร 'E' แต่ส่วนตรงกลางจะแตกต่างกันไปสำหรับแต่ละสาร ประเภททั่วไปของแกน Eแสดงอยู่ด้านล่างโดยใช้รูปภาพ
แกน EE
แกน EI
ER Core
แกน EFD
กระสวย
กระสวยเป็นที่อยู่อาศัยของแกนและขดลวดกระสวยมีความกว้างที่มีประสิทธิภาพซึ่งจำเป็นในการคำนวณเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นลวดและการสร้างหม้อแปลง ไม่เพียงแค่นี้กระสวยของหม้อแปลงยังมีเครื่องหมายจุดซึ่งให้ข้อมูลของขดลวดปฐมภูมิ ไส้กระสวยหม้อแปลง EE16 ที่ใช้กันทั่วไปแสดงอยู่ด้านล่าง
ขดลวดหลัก
หม้อแปลง SMPS คดเคี้ยวจะมีขดลวดหลักและต่ำสุดของหนึ่งในขดลวดทุติยภูมิบนพื้นฐานของการออกแบบก็อาจ hav รองมากขึ้นคดเคี้ยวหรือเสริมคดเคี้ยว ขดลวดปฐมภูมิคือขดลวดแรกและด้านในสุดของหม้อแปลง เชื่อมต่อโดยตรงกับด้านหลักของ SMPS โดยปกติแล้วจำนวนขดลวดที่ด้านหลักจะมากกว่าขดลวดอื่น ๆ ของหม้อแปลง การค้นหาขดลวดปฐมภูมิในหม้อแปลงเป็นเรื่องง่าย เราต้องตรวจสอบด้านดอทของหม้อแปลงสำหรับขดลวดปฐมภูมิ มันตั้งอยู่ทั่วไปทั่วทั้งด้านไฟฟ้าแรงสูงของMOSFET
ในแผนผัง SMPS คุณสามารถสังเกตเห็น DC แรงดันสูงจากตัวเก็บประจุแรงดันสูงที่เชื่อมต่อกับด้านหลักของหม้อแปลงและปลายอีกด้านหนึ่งเชื่อมต่อกับตัวขับกำลัง (ขาระบายมอสเฟตภายใน) หรือด้วยขาระบาย MOSFET แรงดันสูงแยกต่างหาก.
ขดลวดทุติยภูมิ
ขดลวดทุติยภูมิแปลงแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่ด้านปฐมภูมิเป็นค่าที่ต้องการ การค้นหาเอาต์พุตทุติยภูมินั้นค่อนข้างซับซ้อนเนื่องจากในการออกแบบ SMPS บางตัวหม้อแปลงมักจะมีเอาต์พุตทุติยภูมิหลายตัว อย่างไรก็ตามด้านเอาต์พุตหรือด้านแรงดันไฟฟ้าต่ำของวงจร SMPS โดยทั่วไปจะเชื่อมต่อกับขดลวดทุติยภูมิ ด้านหนึ่งของขดลวดทุติยภูมิคือ DC, GND และอีกด้านหนึ่งเชื่อมต่อผ่านไดโอดเอาต์พุต
ตามที่กล่าวไว้หม้อแปลง SMPS สามารถมีหลายเอาต์พุต ดังนั้นหม้อแปลง SMPS จึงสามารถมีขดลวดทุติยภูมิหลายเส้น
ขดลวดเสริม
มีหลายประเภทที่แตกต่างกันของการออกแบบวงจร SMPS ที่คนขับรถมีความต้องการแหล่งจ่ายแรงดันที่เพิ่มอำนาจ driver IC ขดลวดเสริมใช้เพื่อให้แรงดันไฟฟ้าเพิ่มเติมนี้แก่วงจรขับ ตัวอย่างเช่นถ้า IC ไดรเวอร์ของคุณทำงานที่ 12V หม้อแปลง SMPS จะมีขดลวดเอาต์พุตเสริมที่สามารถใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับ IC นี้
เทปฉนวน
หม้อแปลงไม่มีการเชื่อมต่อไฟฟ้าระหว่างขดลวดต่างๆ ดังนั้นก่อนที่จะพันขดลวดที่แตกต่างกันจำเป็นต้องพันเทปฉนวนรอบ ๆ ขดลวดเพื่อแยกออก เทปกั้นโพลีเอสเตอร์ทั่วไปใช้กับความกว้างที่แตกต่างกันสำหรับไส้กระสวยประเภทต่างๆ ความหนาของเทปจะต้องอยู่ที่ 1-2mil เพื่อให้ฉนวนกันความร้อน
ขั้นตอนการออกแบบหม้อแปลง:
ตอนนี้เรารู้องค์ประกอบพื้นฐานในหม้อแปลงแล้วเราสามารถทำตามขั้นตอนด้านล่างเพื่อออกแบบหม้อแปลงของเราเอง
ขั้นตอนที่ 1 : ค้นหาแกนที่เหมาะสมสำหรับผลลัพธ์ที่ต้องการ เลือกแกนที่ถูกต้องตามรายการในส่วนด้านบน
ขั้นตอนที่ 2 : ค้นหาผลัดหลักและรอง
การเลี้ยวหลักและรองเชื่อมต่อกันและขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์อื่น ๆ สูตรการออกแบบหม้อแปลง ในการคำนวณผลัดประถมศึกษาและมัธยมศึกษา are-
โดยที่
N p คือเทิร์นหลัก
N s คือรอบรอง
Vmin คือแรงดันไฟฟ้าอินพุตขั้นต่ำ
Vds คือการระบายไปยังแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าของ Power Mosfet
Vo คือแรงดันไฟฟ้าขาออก
Vd คือเอาท์พุทไดโอดแรงดันตกไปข้างหน้า
และ Dmax คือรอบการทำงานสูงสุด
ดังนั้นประถมและรอบรองที่เชื่อมต่อกันและมีอัตราการผลัดจากการคำนวณข้างต้นสามารถกำหนดอัตราส่วนได้และด้วยการเลือกรอบรองเราสามารถหาผลัดหลักได้ แนวปฏิบัติที่ดีคือใช้1 รอบต่อแรงดันขาออกของขดลวดทุติยภูมิ
ขั้นตอนที่ 3: ขั้นตอนต่อไปคือการค้นหาตัวเหนี่ยวนำหลักของหม้อแปลง สามารถคำนวณได้จากสูตรด้านล่าง
ที่ไหน
P 0คือกำลังขับ
z คือปัจจัยการจัดสรรการสูญเสีย
n คือประสิทธิภาพ
f sคือความถี่ในการเปลี่ยน
I p คือกระแสไฟหลักสูงสุด
K RPคืออัตราส่วนกระแสกระเพื่อมต่อจุดสูงสุด
ขั้นตอนที่ 4: ขั้นตอนต่อไปคือการค้นหาการเหนี่ยวนำที่มีประสิทธิภาพสำหรับแกนที่มีช่องว่างที่ต้องการ
ภาพด้านบนแสดงให้เห็นว่าแกนที่มีช่องว่างคืออะไร Gapping เป็นเทคนิคในการลดค่าของแกนเหนี่ยวนำหลักให้เป็นค่าที่ต้องการ ผู้ผลิตหลักมีแกนที่มีช่องว่างสำหรับการ จัดอันดับA LG ที่ต้องการ หากไม่มีค่าสามารถเพิ่มสเปเซอร์ระหว่างแกนหรือบดเพื่อให้ได้ค่าที่ต้องการ
ขั้นตอนที่ 5: ขั้นตอนต่อไปคือการค้นหาเส้นผ่านศูนย์กลางของสายไฟหลักและสายรอง เส้นผ่านศูนย์กลางของสายไฟหลักเป็นมิลลิเมตร
โดยที่ BW E คือความกว้างของกระสวยที่มีประสิทธิภาพและ N p คือจำนวนรอบหลัก
เส้นผ่าศูนย์กลางของสายรองในหน่วยมิลลิเมตรล์
BW Eคือความกว้างของกระสวยที่มีประสิทธิภาพ N S คือจำนวนรอบรองและ M คือระยะขอบทั้งสองด้านต้องแปลงสายไฟตามมาตรฐาน AWG หรือ SWG
สำหรับตัวนำมัธยมศึกษาขนาดใหญ่กว่า 26 AWG ไม่ได้รับอนุญาตเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของผิวผลในกรณีเช่นนี้สามารถสร้างสายไฟขนานได้ ในการม้วนลวดแบบขนานนั่นหมายความว่าเมื่อต้องพันสายไฟมากกว่าสองเส้นสำหรับด้านทุติยภูมิเส้นผ่านศูนย์กลางของแต่ละเส้นสามารถแทนค่าของสายเดี่ยวที่แท้จริงได้เพื่อให้ง่ายขึ้นในการพันด้านที่สองของหม้อแปลง นี่คือเหตุผลที่คุณพบว่าหม้อแปลงบางตัวมีสายคู่ในขดลวดเดียว
ทั้งหมดนี้เกี่ยวกับการออกแบบหม้อแปลง SMPS เนื่องจากความซับซ้อนที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบที่สำคัญซอฟต์แวร์ออกแบบ SMPS เช่น PI Expert สำหรับการรวมพลังงานหรือ Viper จาก ST จึงมีเครื่องมือและความสามารถพิเศษสำหรับการเปลี่ยนและกำหนดค่าหม้อแปลง SMPS ตามที่ต้องการ เพื่อให้ได้รับการเปิดรับที่เป็นประโยชน์มากขึ้นคุณสามารถตรวจสอบบทช่วยสอนการออกแบบ 5V 2A SMPS ที่เราใช้ผู้เชี่ยวชาญ PI เพื่อสร้างหม้อแปลงของเราเองโดยใช้ประเด็นที่กล่าวถึง
หวังว่าคุณจะเข้าใจบทช่วยสอนและสนุกกับการเรียนรู้สิ่งใหม่ ๆ หากคุณมีคำถามใด ๆ โปรดอย่าลังเลที่จะทิ้งไว้ในส่วนความคิดเห็นหรือโพสต์ไว้ในฟอรัมเพื่อการตอบสนองที่เร็วขึ้น