Việc thiết kế một mạch Nguồn cung cấp hiệu quả là một thách thức không nhỏ. Những người đã từng làm việc với mạch SMPS sẽ dễ dàng đồng ý rằng thiết kế biến áp flyback đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết kế một mạch cung cấp điện hiệu quả. Hầu hết các máy biến áp này không có sẵn trên kệ với cùng thông số phù hợp với thiết kế của chúng tôi. Vì vậy, trong bài hướng dẫn thiết kế máy biến áp nàychúng ta sẽ học cách chế tạo máy biến áp của riêng mình theo yêu cầu của thiết kế mạch của chúng ta. Xin lưu ý rằng hướng dẫn này chỉ bao gồm lý thuyết sử dụng mà sau này trong một hướng dẫn khác, chúng tôi sẽ xây dựng mạch SMPS 5V 2A với một biến áp thủ công như trong hình trên để tiếp xúc thực tế. Nếu bạn là người mới hoàn toàn sử dụng máy biến áp thì hãy đọc bài viết Cơ bản về Máy biến áp để hiểu rõ hơn về quy trình.
Các bộ phận trong máy biến áp SMPS
Một thiết kế máy biến áp SMPS có các bộ phận máy biến áp khác nhau chịu trách nhiệm trực tiếp về hiệu suất của máy biến áp. Các bộ phận có trong máy biến áp được giải thích dưới đây, chúng ta sẽ tìm hiểu tầm quan trọng của từng bộ phận và cách lựa chọn nó cho thiết kế máy biến áp của bạn. Các bộ phận này cũng giống nhau trong hầu hết các trường hợp đối với các loại máy biến áp khác.
Cốt lõi
SMPS là viết tắt của bộ cấp nguồn chuyển đổi chế độ. Các đặc tính của máy biến áp SMPS phụ thuộc nhiều vào tần số mà chúng hoạt động. Tần số chuyển mạch cao mở ra khả năng chọn các máy biến áp SMPS nhỏ hơn, các máy biến áp SMPS tần số cao này sử dụng lõi ferit.
Các thiết kế lõi biến áp là điều quan trọng nhất trong một SMPS xây dựng biến áp. Một lõi có một loại A L khác nhau (Hệ số điện cảm lõi không được bổ sung) tùy thuộc vào vật liệu lõi, kích thước lõi và loại lõi. Loại vật liệu lõi phổ biến là N67, N87, N27, N26, PC47, PC95, v.v. Ngoài ra, nhà sản xuất lõi ferit cung cấp các thông số chi tiết trong biểu dữ liệu, điều này sẽ hữu ích khi chọn lõi cho máy biến áp của bạn
Ví dụ, đây là biểu dữ liệu của EE25 lõi phổ biến.
Hình ảnh trên là biểu dữ liệu của lõi EE25 của vật liệu PC47 từ nhà sản xuất lõi phổ biến rộng rãi TDK. Mỗi bit thông tin sẽ cần thiết cho việc xây dựng máy biến áp. Tuy nhiên, Lõi có mối quan hệ trực tiếp của công suất đầu ra, do đó, đối với các công suất khác nhau của SMPS, hình dạng và kích thước lõi khác nhau được yêu cầu.
Dưới đây là danh sách các lõi tùy thuộc vào công suất. Danh sách dựa trên cấu trúc 0-100W. Nguồn của danh sách được lấy từ tài liệu Power Integration. Bảng này sẽ hữu ích để chọn lõi phù hợp cho thiết kế máy biến áp của bạn dựa trên xếp hạng công suất của nó.
| Công suất đầu ra tối đa | Lõi ferit để xây dựng TIW | Lõi ferit để xây dựng vết thương Margin |
| 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 |
| 20-30W | 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 |
Đây là thuật ngữ, TIW là viết tắt của cấu tạo dây cách điện Ba. Các lõi E là phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi trong các máy biến áp SMPS. Tuy nhiên, lõi E có một số trường hợp, chẳng hạn như EE, EI, EFD, ER, v.v. Chúng đều giống chữ 'E', nhưng phần trung tâm khác nhau đối với mỗi chất. Các loại lõi E phổ biến được minh họa bên dưới với sự trợ giúp của hình ảnh.
EE Core
EI Core
ER Core
EFD Core
Suốt chỉ
Một suốt chỉ là nơi chứa lõi và cuộn dây. Một suốt chỉ có chiều rộng hiệu dụng là điều cần thiết để tính toán đường kính dây và cấu tạo của máy biến áp. Không chỉ vậy, suốt chỉ của máy biến áp còn có một dấu chấm cung cấp thông tin của cuộn sơ cấp. Cuộn dây biến áp EE16 thường được sử dụng được hiển thị bên dưới
Cuộn sơ cấp
Các cuộn biến áp SMPS sẽ có một cuộn sơ cấp và tối thiểu một cuộn thứ cấp, dựa trên thiết kế nó có thể hav quanh co thứ nhiều hơn hoặc một phụ uốn lượn. Dây quấn sơ cấp là dây quấn đầu tiên và trong cùng của máy biến áp. Nó được kết nối trực tiếp với mặt chính của SMPS. Thông thường số cuộn dây phía sơ cấp nhiều hơn các cuộn dây khác của máy biến áp. Tìm cuộn sơ cấp trong máy biến áp rất dễ dàng; người ta chỉ cần kiểm tra phía chấm của máy biến áp đối với cuộn sơ cấp. Nó thường nằm ở phía điện áp cao của mosfet.
Trong sơ đồ SMPS, bạn có thể nhận thấy điện áp cao DC từ tụ điện cao áp được kết nối với phía sơ cấp của máy biến áp và đầu còn lại được kết nối với trình điều khiển nguồn (chân xả MOSFET bên trong) hoặc với chân thoát của MOSFET điện áp cao riêng biệt.
Cuộn thứ cấp
Cuộn thứ cấp biến đổi điện áp cũng như cường độ dòng điện ở phía sơ cấp đến giá trị cần thiết. Việc tìm ra đầu ra thứ cấp hơi phức tạp vì trong một số thiết kế SMPS, máy biến áp thường có nhiều đầu ra thứ cấp. Tuy nhiên, đầu ra hoặc phía điện áp thấp của mạch SMPS thường được kết nối với cuộn thứ cấp. Một bên của cuộn thứ cấp là DC, GND và bên kia được kết nối qua diode đầu ra.
Như đã thảo luận, một máy biến áp SMPS có thể có nhiều đầu ra. Do đó một máy biến áp SMPS cũng có thể có nhiều cuộn dây thứ cấp.
Cuộn dây phụ
Có nhiều kiểu thiết kế SMPS khác nhau trong đó mạch trình điều khiển cần một nguồn điện áp bổ sung để cấp nguồn cho IC trình điều khiển. Cuộn dây phụ được sử dụng để cung cấp điện áp bổ sung này cho mạch điều khiển. Ví dụ nếu IC trình điều khiển của bạn đang hoạt động trên 12V thì biến áp SMPS sẽ có một cuộn dây đầu ra phụ có thể được sử dụng để cấp nguồn cho IC này.
Băng dính cách điện
Máy biến áp không có kết nối điện giữa các cuộn dây khác nhau. Vì vậy, trước khi quấn các cuộn dây khác nhau, cần phải quấn băng cách điện xung quanh các cuộn dây để tách. Băng cản polyester điển hình được sử dụng với chiều rộng khác nhau cho các loại suốt chỉ khác nhau. Độ dày của các dải băng được yêu cầu từ 1-2mil để cung cấp cách nhiệt.
Các bước thiết kế máy biến áp:
Bây giờ chúng ta đã biết các yếu tố cơ bản trong máy biến áp, chúng ta có thể làm theo các bước dưới đây để thiết kế máy biến áp của riêng mình
Bước 1 : Tìm đúng lõi cho đầu ra mong muốn. Chọn đúng lõi được liệt kê trong phần trên.
Bước 2 : Tìm ra lượt chính và lượt phụ.
Các lượt sơ cấp và thứ cấp được kết nối với nhau và phụ thuộc vào các thông số khác. Công thức thiết kế máy biến áp để tính số vòng dây sơ cấp và thứ cấp là-
Trong đó,
N p là các lượt chính, N s là lượt thứ cấp, Vmin là điện áp đầu vào tối thiểu, Vds là nguồn điện áp nguồn của Power Mosfet, Vo là điện áp đầu ra
Vd là giảm điện áp chuyển tiếp điốt đầu ra
Và Dmax là chu kỳ nhiệm vụ tối đa.
Do đó, lượt sơ cấp và lượt thứ cấp được kết nối với nhau và có tỷ lệ lượt. Từ tính toán trên, tỷ lệ có thể được thiết lập và do đó bằng cách chọn các lượt thứ cấp, người ta có thể tìm ra các lượt sơ cấp. Thực hành tốt là sử dụng 1 vòng cho mỗi điện áp đầu ra của cuộn thứ cấp.
Bước 3: Bước tiếp theo là tìm điện cảm sơ cấp của máy biến áp. Điều này có thể được tính bằng công thức dưới đây,
Ở đâu, P 0 là công suất đầu ra, z là hệ số phân bổ tổn thất, n là hiệu quả, f s là tần số chuyển mạch, I p là dòng điện chính cao nhất, K RP là tỷ số dòng gợn sóng trên đỉnh.
Bước 4: Bước tiếp theo là tìm ra điện cảm hiệu dụng cho lõi có ga mong muốn.
Hình ảnh trên cho thấy lõi gapped là gì. Gapping là một kỹ thuật để giảm giá trị của điện cảm chính của lõi đến một giá trị mong muốn. Các nhà sản xuất cốt lõi cung cấp lõi có lỗ hổng cho xếp hạng A LG mong muốn. Nếu giá trị không có sẵn, người ta có thể thêm miếng đệm giữa các lõi hoặc mài nó để có được giá trị mong muốn.
Bước 5: Bước tiếp theo là tìm đường kính của dây sơ cấp và dây thứ cấp. Đường kính của dây sơ cấp tính bằng milimét là
Trong đó, BW E là chiều rộng suốt chỉ hiệu dụng và N p là số vòng quay sơ cấp.
Các đường kính của dây thứ cấp bằng mm là-
BW E là chiều rộng suốt chỉ hiệu dụng, N S là số vòng dây thứ cấp và M là lề ở cả hai bên. Các dây cần được chuyển đổi theo tiêu chuẩn AWG hoặc SWG.
Đối với dây dẫn thứ cấp, không cho phép lớn hơn 26 AWG do hiệu ứng da tăng lên. Trong trường hợp này có thể cấu tạo các dây song song. Trong cuộn dây song song, có nghĩa là khi cần quấn nhiều hơn hai dây cho phía thứ cấp, đường kính của mỗi dây có thể thay cho giá trị dây đơn thực tế để cuộn qua phía thứ cấp của máy biến áp dễ dàng hơn. Đây là lý do tại sao bạn thấy một số máy biến áp có dây kép trên một cuộn dây đơn.
Đây là tất cả về thiết kế máy biến áp SMPS. Do sự phức tạp liên quan đến thiết kế quan trọng, phần mềm thiết kế SMPS như PI Expert để tích hợp nguồn hoặc Viper từ ST cung cấp các công cụ và ưu việt để thay đổi và cấu hình máy biến áp SMPS theo yêu cầu. Để tiếp xúc thực tế hơn, bạn có thể kiểm tra hướng dẫn thiết kế 5V 2A SMPS này, nơi chúng tôi đã sử dụng PI Expert để xây dựng máy biến áp của riêng mình bằng cách sử dụng các điểm đã thảo luận cho đến nay.
Hy vọng bạn đã hiểu hướng dẫn và thích học một cái gì đó mới, nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào, vui lòng để lại chúng trong phần bình luận hoặc đăng chúng trên diễn đàn để được phản hồi nhanh hơn.