Projetar componentes magnéticos para fontes chaveadas pode ser desafiador devido às crescentes demandas dos designs eletrônicos modernos. Seguir estes 12 passos pode ajudar engenheiros a superar os desafios e garantir o sucesso do projeto.
Parâmetros Essenciais para o Projeto de Componentes Magnéticos de fontes chaveadas
Os seguintes parâmetros são essenciais ao projetar componentes magnéticos para Fontes chaveadas:
- Faixa de tensão de entrada
- Tensão de saída
- Potência de saída ou corrente de saída
- Frequência de chaveamento
- Modo de operação
- Ciclo de trabalho máximo do CI
- Requisitos de segurança
- Temperatura ambiente
- Requisitos de tamanho
Passo 1: Escolha do Núcleo
Comece com a escolha preliminar do núcleo com base nos requisitos de potência da aplicação, na topologia de chaveamento e na frequência. Núcleos de ferrite são a melhor escolha para aplicações de alta frequência. Para operação abaixo de 500 kHz, a maioria dos designers utiliza um material de núcleo com permeabilidade entre 2000 e 2500. A permeabilidade varia significativamente com o aumento de temperatura e a densidade do fluxo de operação. Em geral, isso não afeta o funcionamento do conversor enquanto o núcleo não estiver próximo da saturação, uma vez que a indutância (que controla o modo de operação) é determinada principalmente pela folga de ar. No entanto, o aumento de temperatura e a densidade do fluxo de operação afetarão as perdas no núcleo, devendo ser consideradas para garantir uma operação confiável.
Formato do Núcleo
O formato do núcleo e a configuração da janela são importantes para o design de transformadores de alta frequência, a fim de minimizar as perdas. A área da janela de enrolamento deve ser o mais ampla possível para maximizar a largura do enrolamento e minimizar o número de camadas. Isso minimiza a resistência de enrolamento em corrente alternada (AC).
- Núcleos EFD e EPC são usados quando é necessário um perfil baixo.
- Núcleos EE e EF são boas escolhas, geralmente usados com bobinas verticais ou horizontais (bobinas verticais são úteis quando o espaço da placa é limitado).
- Núcleos ETD e EER são geralmente maiores, mas possuem uma ampla área de enrolamento, o que os torna particularmente bons para designs de alta potência e múltiplas saídas.
- Núcleos PQ são mais caros, mas ocupam menos espaço na placa de circuito impresso e requerem menos voltas do que núcleos do tipo E.
- Um núcleo maior será necessário para um transformador com enrolamento com margem de isolamento em comparação a um tipo com isolamento triplo para permitir espaço para as margens.
Tamanho do Núcleo
Há muitas variáveis envolvidas na estimativa do tamanho adequado do núcleo.
- Uma forma de selecionar o núcleo apropriado é consultar o guia de seleção do fabricante.
- O produto área do núcleo (“WaAc”), obtido multiplicando a área da seção transversal do núcleo pela área da janela disponível para enrolamento, é amplamente utilizado para uma estimativa inicial do tamanho do núcleo para uma determinada aplicação.
- A capacidade de manuseio de potência do núcleo não escala linearmente com o produto área ou com o volume do núcleo. Um transformador maior deve operar a uma densidade de potência menor porque a área de superfície que dissipa calor não aumenta na mesma proporção que o volume que produz o calor.
A tabela a seguir fornece uma visão geral dos tipos de núcleos em função da potência processada:
| Nível de Potência de Saída (watts) | Tipos de Núcleos Recomendados |
|---|---|
| 0–10 | EFD15, EF16, EE19, EFD20, EFD25 |
| 10–20 | EE19, EFD20, EF20, EI22, EFD25 |
| 20–30 | EI25, EFD25, EFD30, ETD29, EER28(L) |
| 30–50 | EI28, EER28(L), ETD29, EFD30, EER35 |
| 50–70 | EER28L, ETD34, EER35, ETD39 |
| 70–100 | ETD34, EER35, ETD39, EER40 |
| 100–150 | EI50, EE40, EER42 |
| 150–200 | EI60, EE50, EE60, EER49 |
| 200–500 | ETD44, ETD49, E55 |
| > 500 | ETD59, E65, E70, E80 |
Relação entre WaAc e Potência de Saída
A relação entre o produto área do núcleo (WaAc) e a potência de saída pode ser expressa pela seguinte fórmula:
Onde:
- \(K_f\): Fator de forma; para onda quadrada, K_f = 4
- \(K_u\): Fator de utilização da janela
- J: Densidade de corrente
- \(B_{max}\): Densidade de fluxo de operação
- F: Frequência de chaveamento
- \(P_o\): Potência de saída
Além disso, a equação da força eletromotriz (E) para um fluxo bipolar de onda quadrada é dada por:
Onde:
- F: Frequência
- A_c: Área da seção transversal do núcleo
- N: Número de espiras
- B: Fluxo bipolar
Essas relações são fundamentais para determinar o núcleo ideal e garantir uma operação eficiente do transformador.
Passo 2: Valor do Produto Volt-Tempo (V-µSec)
Determine o valor de V-T com base no ciclo de trabalho máximo permitido e na frequência:
Onde:
- F: Frequência de chaveamento
- \(D_{max}\): Ciclo de trabalho máximo permitido
- \(V_{DCmin}\): Tensão DC mínima
Estas fórmulas são essenciais para garantir o dimensionamento adequado do transformador e o desempenho desejado para a fonte chaveada.
Passo 3: Número de Espiras Primárias (Np)
Determine o número mínimo de espiras primárias necessárias para suportar o pior caso do valor de V-T:
Onde:
- V-T: Produto Volt-Tempo calculado anteriormente
- B: Densidade de fluxo magnético, para ferrite B < 0,3 T
- \(A_e\): Área efetiva do núcleo
Nota: Para núcleos de ferrite, recomenda-se manter B abaixo de 0,3 T para evitar saturação.
Estas fórmulas ajudam a garantir que o transformador tenha o número adequado de espiras para suportar as tensões e correntes do circuito, assegurando um desempenho estável e confiável.
Passo 4: Relação de Espiras (Turns Ratio)
Calcule a relação entre as espiras secundárias e primárias (N_s / N_p) para diferentes topologias isoladas de transformadores:
Onde:
- \(V_s\): Tensão no secundário
- \(V_d\): Queda de tensão no diodo (tipicamente entre 0,5 V e 1 V)
- \(D_{max}\): Ciclo de trabalho máximo permitido
- \(V_{DCmin}\): Tensão mínima de entrada em corrente contínua (DC)
- Reg: Percentual de regulação desejada
Essas relações de espiras são críticas para ajustar as tensões primárias e secundárias, garantindo o funcionamento correto e eficiente da fonte chaveada.
Passo 5: Espiras Secundárias
Escolha o número exato de espiras primárias e secundárias a serem usadas com base nos valores de e calculados anteriormente.
Passo 6: Indutância Primária (Lp)
Calcule a indutância primária necessária:
Onde:
- η: Eficiência da topologia, conforme indicado na tabela abaixo
- \(V_{DCmin}\): Tensão DC mínima
- \(D_{max}\): Ciclo de trabalho máximo permitido
- \(P_o\): Potência de saída
- F: Frequência de chaveamento
A tabela a seguir mostra os valores típicos de eficiência (η) para cada topologia:
| Topologia | Faixa de Eficiência (η) |
| Flyback | > 70% |
| Forward | > 85% |
| Push-Pull | > 90% |
| Half-Bridge | > 90% |
| Full-Bridge | > 90% |
Essas fórmulas e valores são importantes para determinar a indutância adequada e garantir que a operação da fonte chaveada seja estável e eficiente.
Passo 7: Gap de Ar (Air Gap)
O menor tamanho e menor custo do transformador são alcançados utilizando totalmente o núcleo. Em uma aplicação específica, a utilização ideal do núcleo está associada a um comprimento ótimo de gap de ar.
O gap do núcleo será determinado pelo número de espiras primárias e pela especificação da indutância. O projetista deve verificar se o gap é suficiente para evitar a saturação do núcleo.
Onde:
- \(A_L\): Indutância por espira ao quadrado
- \(N_p\): Número de espiras primárias
- \(A_e\): Área efetiva do núcleo
- \(L_p\): Indutância primária
- \(l_c\): Comprimento do caminho magnético
- \(μ_i\): Permeabilidade inicial do núcleo
Nota: Topologias como push-pull, forward, half-bridge e full-bridge geralmente não requerem um gap de ar, pois funcionam como verdadeiros transformadores.
Estas fórmulas ajudam a garantir que o gap de ar seja dimensionado corretamente, de modo a evitar a saturação do núcleo e garantir a eficiência do transformador.
Passo 8: Tamanho do Fio (Wire Size)
Depois de determinar todas as espiras de enrolamento, o tamanho do fio deve ser escolhido corretamente para minimizar as perdas por condução do enrolamento e a indutância de fuga. A perda no enrolamento depende do valor da corrente RMS, do comprimento e da largura do fio, além da estrutura do transformador.
- O tamanho do fio pode ser determinado pela corrente RMS do enrolamento.
- A perda do enrolamento é uma função da quantidade de resistência no fio.
- A resistência é composta pela resistência DC e resistência AC. Em baixas frequências, , e pode ser efetivamente ignorada.
- Em altas frequências, pode ser necessário usar fios trançados (fio Litz) ou folha para minimizar a resistência AC.
- Devido ao efeito pelicular (skin effect) e ao efeito de proximidade do condutor, o diâmetro do fio/fio trançado deve ser menor que ( profundidade do efeito pelicular).
- Considere que a densidade de corrente está tipicamente entre 3–6 A/mm².
Estas orientações ajudam a garantir a escolha adequada do fio para suportar a corrente de maneira eficiente e minimizar as perdas nos enrolamentos.
Passo 9: Fator de Preenchimento (Fill Factor)
O fator de preenchimento refere-se à área de enrolamento em relação à área total da janela do núcleo (deve ser < 1). Para projetos iniciais, recomenda-se um fator de preenchimento não superior a cerca de 50%. Para transformadores de alta densidade de potência e múltiplas saídas, este fator pode precisar ser reduzido ainda mais.
- Depois de determinar os tamanhos dos fios, é necessário verificar se a área da janela do núcleo selecionado pode acomodar os enrolamentos calculados. A área da janela necessária para cada enrolamento deve ser calculada e somada, considerando também a área para o isolamento entre enrolamentos, carretel e os espaços existentes entre as espiras.
- Com base nessas considerações, a área total da janela necessária é então comparada com a área disponível do núcleo selecionado. Se a área da janela necessária for maior que a área selecionada, o tamanho do fio deve ser reduzido ou um núcleo maior deve ser escolhido. Naturalmente, a redução no tamanho do fio aumenta as perdas de cobre do transformador.
Passo 10: Perda no Núcleo (Core Loss)
Em um transformador, a perda no núcleo é uma função da tensão aplicada ao enrolamento primário. Em um indutor, é uma função da corrente variável aplicada através do indutor. Em ambos os casos, o nível de densidade de fluxo de operação precisa ser determinado para estimar a perda no núcleo. Com a frequência e o nível de B conhecidos, a perda no núcleo pode ser estimada a partir das curvas de perda do material do núcleo.
Passo 11: Perda de Cobre (Copper Loss)
Em um transformador, a perda de cobre é uma função das resistências AC e DC dos enrolamentos.
Passo 12: Aumento de Temperatura (Temperature Rise)
O aumento de temperatura é importante para a confiabilidade geral do circuito. Manter-se abaixo de uma temperatura determinada garante que o isolamento dos fios seja válido, que os componentes ativos próximos não ultrapassem sua temperatura nominal, e que os requisitos gerais de temperatura sejam atendidos. O sobreaquecimento térmico pode ocorrer, fazendo com que o núcleo aqueça até sua temperatura de Curie, resultando na perda de todas as propriedades magnéticas e falha catastrófica. A perda total é medida em watts e a área de superfície em cm².
Onde:
- ΔT: Aumento de temperatura em graus Celsius
- Perda Total: Perda total em watts
- Área de Superfície: Área de superfície em cm²
Estas fórmulas ajudam a determinar o aumento de temperatura esperado e a garantir que o transformador opere dentro dos limites seguros de temperatura.
Construção do Transformador
A construção do transformador tem um grande efeito na indutância de fuga do enrolamento primário. A indutância de fuga leva a um pico de tensão no desligamento do interruptor semicondutor, portanto, minimizar a indutância de fuga resultará em um pico de tensão menor e menor ou até nenhuma necessidade de circuito snubber no primário.
As seguintes técnicas são usadas para minimizar a indutância de fuga:
- Os enrolamentos do transformador devem sempre ser concêntricos, ou seja, um sobre o outro para maximizar o acoplamento; por isso, bobinas divididas e de várias seções não devem ser usadas.
- Uso de um enrolamento primário dividido, onde a primeira camada do enrolamento é a camada mais interna e a segunda camada é enrolada na parte externa.
- Em um transformador de múltiplas saídas, o secundário com a maior potência de saída deve ser colocado mais próximo ao primário para obter o melhor acoplamento e menor indutância de fuga.
- Enrolamentos secundários com apenas algumas espiras devem ser distribuídos por toda a largura da janela do carretel em vez de serem agrupados, a fim de maximizar o acoplamento com o primário. O uso de múltiplos fios paralelos é uma técnica adicional para aumentar o fator de preenchimento e o acoplamento de um enrolamento com poucas espiras.
- Para minimizar a indutância de fuga e ainda atender aos requisitos de isolamento, projete os enrolamentos usando fios triplamente isolados e camadas mínimas de fita.
A construção com margem de isolamento ou com fio triplamente isolado é usada para atender aos padrões internacionais de segurança.
Blindagem do Transformador
O uso de uma banda de fluxo (blindagem de cobre) ao redor de todo o transformador fornecerá uma blindagem contra a radiação circunferencial dos correntes parasitas no transformador. Esta blindagem é simplesmente um laço de folha de cobre aterrada ao redor de todo o conjunto. O uso desta técnica requer consideração cuidadosa dos requisitos de isolamento e das questões de distância de isolamento e espaçamento.
Impregnação a Vácuo
Aplicações de alto desempenho, como militares, aeroespaciais, médicas e de alta tensão, geralmente exigem um nível extra de proteção e isolamento. A impregnação a vácuo com epóxis e/ou vernizes pode garantir este alto nível de desempenho e resistência.
Artigo Traduzido de https://talema.com/smps-transformer-design/, autora original Bhuvana Madhaiyan