Como projetar seu próprio transformador para circuitos de fonte de alimentação SMPS

Projetar um circuito de fonte de alimentação eficiente não é um desafio menor. Aqueles que já trabalharam com circuitos SMPS concordariam facilmente que o design do transformador flyback desempenha um papel vital no projeto de um circuito de fonte de alimentação eficiente. Na maioria das vezes, esses transformadores não estão disponíveis na prateleira no mesmo parâmetro que se adequa ao nosso projeto. Portanto, neste tutorial de design artigo para entender melhor os procedimentos.Noções básicas do transformador, aprenderemos como construir nosso próprio transformador conforme exigido pelo design de nosso circuito. Observe que este tutorial cobre apenas a teoria usando a qual mais tarde em outro tutorial iremos construir um circuito SMPS 5V 2A com um transformador feito à mão como mostrado na imagem acima para uma exposição prática.

Peças em um transformador SMPS

Um projeto de transformador SMPS tem diferentes partes do transformador que são diretamente responsáveis ​​pelo desempenho do transformador. As peças presentes em um transformador são explicadas a seguir, aprenderemos a importância de cada peça e como ela deve ser selecionada para o projeto do seu transformador. Essas peças são iguais na maioria dos casos também para outros tipos de transformadores.

Construção de transformador

Na maioria das vezes, os transformadores não estão disponíveis na prateleira exatamente no mesmo parâmetro que se adequa ao nosso projeto. Portanto, aqui vamos projetar nosso próprio transformador, conforme exigido por nosso projeto de circuito. Abaixo está o diagrama da construção do transformador.

Essencial

SMPS significa unidade de fonte de alimentação comutada. As propriedades de um transformador SMPS são altamente dependentes da frequência em que operam. A alta frequência de comutação abre a possibilidade de escolher transformadores SMPS menores, esses transformadores SMPS usam núcleos de ferrite .

O projeto do núcleo do transformador é a coisa mais importante na construção de um transformador SMPS. Um núcleo tem um tipo diferente de A_L (coeficiente de indutância do núcleo sem lacuna) dependendo do material do núcleo, do tamanho do núcleo e do tipo do núcleo. Os tipos populares de material de núcleo são N67, N87, N27, N26, PC47, PC95, etc. Além disso, o fabricante de núcleos de ferrite fornece parâmetros detalhados na folha de dados, que serão úteis enquanto selecionar o núcleo para o seu transformador

Por exemplo, aqui está uma folha de dados do popular núcleo EE25.

A imagem acima é uma folha de dados do núcleo EE25 do PC47 material de um fabricante de núcleo amplamente conhecido TDK. Cada bit de informação será necessário para a construção do transformador. No entanto, os núcleos têm uma relação direta com a potência de saída, portanto, para diferentes potências de SMPS, são necessários diferentes formatos e tamanhos de núcleos.

Aqui está a lista de núcleos dependendo da potência. A lista é baseada na construção de 0-100W. A fonte da lista é retirada da documentação do Power Integration . Esta tabela será útil para selecionar o núcleo certo para o projeto do seu transformador com base em sua classificação de potência.

Aqui, o termo TIW significa construção de fio com isolamento triplo . Os núcleos E são os mais populares e são amplamente usados ​​em transformadores SMPS. No entanto, os núcleos E têm vários casos, como EE, EI, EFD, ER, etc. Todos eles se parecem com a letra ‘E’, mas a parte central é diferente para cada substância. Os tipos comuns de núcleos E são ilustrados abaixo com a ajuda de imagens.

EE Core

EI Core

ER Core

EFD Core

Bobina

Uma bobina é o alojamento de núcleos e enrolamentos . Uma bobina tem uma largura efetiva que é essencial para calcular os diâmetros dos fios e a construção do transformador. Além disso, a bobina de um transformador também possui uma marca pontilhada que fornece as informações dos enrolamentos primários. A bobina do transformador EE16 comumente usada é mostrada abaixo

Primeira frase

O enrolamento do transformador SMPS terá um enrolamento primário e no mínimo um enrolamento secundário, com base no projeto pode ter mais enrolamento secundário ou um enrolamento auxiliar. O enrolamento primário é o primeiro e mais interno de um transformador. Ele é conectado diretamente ao lado primário de um SMPS. Normalmente, o número de enrolamentos do lado primário é maior do que os outros enrolamentos do transformador. Encontrar o enrolamento primário em um transformador é fácil; basta verificar o lado pontilhado do transformador para o enrolamento primário. Geralmente está situado do outro lado do lado de alta tensão do mosfet .

Em um esquema SMPS, você pode notar a alta tensão DC do capacitor de alta tensão conectado com o lado primário do transformador e a outra extremidade está conectada com o driver de alimentação (pino de drenagem mosfet interno) ou com um pino de drenagem MOSFET de alta tensão separado .

Enrolamento secundário

O enrolamento secundário converte a tensão, bem como a corrente no lado primário, para o valor necessário. Descobrir a saída secundária é um pouco complexo, pois em alguns projetos SMPS o transformador geralmente tem várias saídas secundárias . No entanto, a saída ou o lado de baixa tensão de um circuito SMPS é geralmente conectado ao enrolamento secundário. Um lado do enrolamento secundário é o DC, GND e o outro lado é conectado através do diodo de saída.

Conforme discutido, um transformador SMPS pode ter várias saídas. Portanto, um transformador SMPS também pode ter vários enrolamentos secundários.

Enrolamentos auxiliares

Existem diferentes tipos de design SMPS onde o circuito do driver precisa de uma fonte de tensão adicional para alimentar o IC do driver . O enrolamento auxiliar é usado para fornecer esta tensão adicional ao circuito do driver. Por exemplo, se o IC do driver está operando em 12 V, o transformador SMPS terá um enrolamento de saída auxiliar que pode ser usado para alimentar este IC.

Fita isolante

Os transformadores não têm uma conexão elétrica entre enrolamentos diferentes. Portanto, antes de envolver diferentes enrolamentos, fitas de isolamento devem ser enroladas em volta dos enrolamentos para separação. Fitas de barreira de poliéster típicas são usadas com larguras diferentes para diferentes tipos de bobinas. As espessuras das fitas devem ser de 1-2mil para fornecer isolamento.

Etapas do projeto do transformador:

Agora que conhecemos os elementos básicos de um transformador, podemos seguir as etapas abaixo para projetar nosso próprio transformador

Etapa 1 : Encontre o núcleo certo para a saída desejada. Escolha os núcleos corretos listados na seção acima.

Etapa 2 :  Descobrir as curvas primária e secundária.

Curvas primárias e secundárias são interconectadas e dependem de outros parâmetros. A  fórmula do projeto do transformador  para calcular as voltas primária e secundária são

Onde,
N_p são as voltas primárias,

N_s são as voltas secundárias,

Vmin é a tensão de entrada mínima,

Vds é o dreno para a tensão da fonte do Power Mosfet,

Vo é a tensão de saída

Vd é a queda de tensão direta dos diodos de saída

E Dmax é o ciclo de trabalho máximo.

Portanto, as espiras primária e secundária são interconectadas e têm uma relação de espiras . A partir do cálculo acima, a relação pode ser definida e, portanto, ao selecionar as voltas secundárias, pode-se descobrir as voltas primárias. A boa prática é usar 1 volta por tensão de saída do enrolamento secundário.

Etapa 3: a próxima etapa é descobrir a indutância primária do transformador. Isso pode ser calculado pela fórmula abaixo,

Onde,

P ₀ é a potência de saída,

z é o fator de alocação de perda,

n é a eficiência,

f _s é a frequência de comutação,

I _p  é a corrente primária de pico,

K _RP é a relação entre corrente de ondulação e pico.

Etapa 4: a próxima etapa é descobrir a indutância efetiva para o núcleo com lacuna desejado.

A imagem acima mostra o que é o núcleo lacrado. Gapping é uma técnica para reduzir o valor da indutância primária do núcleo a um valor desejado. Os fabricantes de núcleo fornecem um núcleo com lacuna para a  classificação A _LG desejada . Se o valor não estiver disponível, pode-se adicionar espaçadores entre os núcleos ou retificá-lo para obter o valor desejado.

Etapa 5: a próxima etapa é descobrir o diâmetro dos fios primários e secundários. O diâmetro dos fios primários em milímetros é

Onde, BW _E  é a largura efetiva da bobina e N _p  é o número de voltas primárias.

O diâmetro dos fios secundários em milímetros é

BW_E é a largura efetiva da bobina, N _S  é o número de voltas secundárias e M é a margem em ambos os lados. Os fios precisam ser convertidos no padrão AWG ou SWG.

Para o condutor secundário, maior que 26 AWG não é permitido devido ao aumento do efeito de pele . Nesse caso, podem ser construídos fios paralelos. No enrolamento de fio paralelo, isso significa que quando mais de dois fios precisam ser enrolados para o lado secundário, o diâmetro de cada fio pode representar o valor real do fio único para enrolamento mais fácil no lado secundário do transformador. É por isso que você encontra alguns transformadores com fios duplos em uma única bobina.

Trata-se de projetar o transformador SMPS. Devido à complexidade crítica relacionada ao design, o software de design SMPS, como PI Expert para integração de energia ou Viper da ST, fornece ferramentas e se destaca para alterar e configurar o transformador SMPS conforme necessário. Para obter uma exposição mais prática, você pode verificar este tutorial de design 5V 2A SMPS, onde usamos o PI Expert para construir nosso próprio transformador usando os pontos discutidos até agora.

Espero que você tenha entendido o tutorial e gostado de aprender algo novo. Se você tiver alguma dúvida, fique à vontade para deixá-la na seção de comentários.