ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ CHIP NEWS УКРАИНА Сердечники из распыленного железа в импульсных источниках питания Джим Кокс Перевод Артема Терейковского, www.ferrite.com.ua ВВЕДЕНИЕ Р аспыленное железо в течение мно гих лет используется в качестве ма териала при изготовлении разнообраз ных сердечников для работы в широком диапазоне частот. Присущая этому ма териалу структура с распределенным воздушным зазором в сочетании с вы сокой индукцией насыщения делает его наиболее подходящим для различных применений, требующих накопления энергии в зазоре сердечника. При наи меньшей стоимости среди аналогичных материалов, сердечники из распылен ного железа могут успешно заменять более дорогие из молипермаллоя, ма териала HiFlux и альсифера (KoolMu). Они также могут применяться вместо ферритов с зазором и ленточных магни топроводов из металлических сплавов (типа Гаммамет) с зазором. Сердечники из распыленного желе за изготавливаются из мельчайших час тиц порошка железа высокой чистоты. Подготовленный порошок подвергается воздействию очень высокого давления для придания сердечнику необходимой формы и прочности. При этом создается магнитная структура с распределенным воздушным зазором. Существующие технологии позволя ют изготавливать сердечники различных форм и размеров. При помощи одной прессформы можно получать несколь ко отличающихся по толщине сердечни ков в зависимости от развиваемого прессом давления. Распыленное железо допускает до статочно жесткие условия эксплуата ции. Оно имеет относительно высокую температурную стабильность и выдер живает значительные механические нагрузки без заметных изменений 62 свойств, однако подвержено т.н. терми ческому старению, поэтому следует избегать длительной работы при высо ких температурах. Магнитные свойства распыленного железа наилучшим образом подходят для различных типов дросселей, однако не являются оптимальными при исполь зовании в трансформаторах. В статьях этого цикла описываются магнитные свойства различных марок распыленного железа и особенности ис пользования сердечников в сглаживаю щих дросселях, дифференциальных сете вых фильтрах, корректорах коэффициен та мощности, дросселях электронных балластов ламп дневного света и высо кочастотных преобразователях резо нансного типа. Будут приведены приме ры расчетов, а также рассмотрен метод аналитического определения потерь в сердечниках. Общие свойства различных марок (смесей) приведены в табл. 1. Относительная стоимость показыва ет сравнительную цену продажи колец диаметром 1 дюйм. Кольца меньших диаметров имеют менее значительную разницу в цене. Типичные применения различных сме сей представлены в табл. 2. ОПИСАНИЕ МАТЕРИАЛОВ • 2/14 смеси с низкой проницаемос тью предназначены для работы при меньших (по сравнению с другими ма териалами) значениях переменной индукции. Смесь 14 имеет немного большую проницаемость, чем 2. • 8 наилучший, но самый дорогой из высокочастотных материалов. Имеет наименьшие потери и нелинейность проницаемости при значительных то ках смещения/подмагничивания. • 18 имеет сравнимые со смесью 8 низкие потери при несколько более высокой проницаемости и меньшей стоимости. Прекрасные характерис тики при значительных токах смеще ния/подмагничивания. Таблица 1. Общие свойства различных марок распыленного железа Номер Начальная Плотность Относительная Цветная смеси проницаемость (г/см3) стоимость маркировка 2 10 5.0 2.7 Красный/нет цвета 8 35 6.5 5.0 Желтый/красный 14 14 5.2 3.6 Черный/красный 18 55 6.6 3.4 Салатный/красный 19 55 6.8 1.7 Красный/салатный 26 75 7.0 1.0 желтый/белый 30* 22 6.0 1.4 салатный/серый 34 * 33 6.2 1.5 Серый/голубой 35 * 33 6.3 1.4 Желтый/серый 38 85 7.1 1.1 Серый/черный 40 60 6.9 1.0 Салатный/желтый 45 100 7.2 2.6 Черный/черный 52 75 7.0 1.4 Салатный/голубой * Смесь –30 была разработана как улучшенная замена смеси –28. Аналогично, смеси –34 и –35 имеют меньшие потери и стоимость, чем предшествующая –33. Смеси –28 и –33 не представлены в этой таблице, но попрежнему производятся www.chipnews.com.ua ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ИНЖЕНЕРНАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА Таблица 2. Типичные области применения различных марок распылeнного железа Типичное применение 92 98 914 918 919 926 930 934 Дроссели электронных x балластов ламп дневного света Дроссели фильтров x дифференциальных ЭМ помех Дроссели с подмагничиванием: x x x <50 кГц, малое значение Et/N Дроссели с подмагничиванием: x x x x x x ≥50 кГц, большое значение Et/N Корректоры коэффициента x x x мощности: <50 кГц Корректоры коэффициента x x x x x x x мощности: ≥50 кГц Дроссели в резонансных x x преобразователях: ≥50 кГц • • • • • • 19 недорогая альтернатива смеси 18. Имеет такую же проницаемость при незначительно больших потерях. 26 широко применяемый материал. Экономически наиболее эффективен в разнообразных применениях в им пульсных источниках питания и филь трах электромагнитных помех. В пос ледние годы заменяется улучшенной смесью 52. 30 малая нелинейность проницае мости, низкая цена и относительно невысокая проницаемость сделали этот материал наиболее популярным при создании мощных источников бесперебойного питания (UPS). 34/35 недорогая альтернатива смеси 8 для применений, не критич ных к уровню потерь на высоких час тотах. Имеют малую нелинейность проницаемости при значительных токах смещения/подмагничивания. 40 самый дешевый материал. Харак теристики подобны популярной сме си 26. Чаще всего применяются коль ца больших размеров. 45 имеет самую высокую проницае мость. Заменяет смесь 52 при более высоком уровне потерь. 52 имеет меньшие потери на высо ких частотах и такую же проницае мость, что и другой популярный мате риал 26. Широко используется при изготовлении дросселей фильтров, работающих на высоких частотах. ни, температуры, размеров сердечника, рабочей частоты и плотности магнитно го потока. Данные факторы обязатель но следует учитывать при рабочих тем пературах, превышающих 75°C. Сниже ние температуры до 65°C не вызывает необратимых изменений параметров. В мощных устройствах потери в сер дечнике вносят заметный вклад в повыше ние рабочей температуры всего устрой ства, при этом снижение добротности уве личивает потери на вихревые токи, что вызывает дополнительный разогрев сер дечника и может вызвать необратимые изменения, вследствие которого сердеч ник из магнитодиэлектрика превращает ся в проводник. Следует избегать разра боток, в которых потери в сердечнике пре вышают потери в меди. Потери на гисте резис не изменяются вследствие терми ческого старения. Подробно термическое старение будет рассмотрено в одной из последу ющих статей этого цикла. ПОКРЫТИЕ Т ороидальные сердечники типоразме ров Т14, Т16 и Т20 имеют парилено вое покрытие (Parylene C). Сердечники больших размеров имеют двухцветное покрытие, сертифицированное Лабора торией по Технике Безопасности США. Все покрытия выдерживают действую щее значение переменного напряжения 500В, 60 Гц, и воздействия большинства ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ растворителей. Длительное воздействие некоторых растворителей может повре ердечники из распыленного железа дить покрытие. содержат органический компонент, поэтому подвержены т.н. термическому старению. При работе в условиях повы ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ шенной температуры окружающей сре ды или вследствие высоких потерь в сер оличество накапливаемой дроссе дечнике постепенно происходит умень лем энергии (в микроджоулях) вычис шение проницаемости и снижение доб ляется как половина произведения индук ротности. Масштабы этих изменений в тивности (в микрогенри) на квадрат тока значительной степени зависят от време (в Амперах). Эта энергия пропорциональ • С К Chip News Украина, #7 (47), сентябрь, 2005 935 x 938 940 945 x x x x x x x x x x x x x x 952 x x на квадрату действующего значения плотности магнитного потока, деленно го на эффективную проницаемость сер дечника в данных условиях (B2/μэфф). Для материалов, имеющих высокую началь ную проницаемость (ферриты), введение воздушного зазора позволяет снизить эффективную проницаемость и увеличить количество накапливаемой в сердечни ке энергии за счет дополнительной энер гии, накапливаемой в зазоре. При разработке накопительных дрос селей ограничения наступают вследствие насыщения сердечника или изза перегре ва, вызванного совокупными потерями в сердечнике и обмотке. В случае исполь зования распыленного железа ограниче ния, определяемые допустимым перегре вом, сказываются задолго до магнитного насыщения сердечника, благодаря срав нительно низкой (<100) проницаемости, умеренным потерям и «мягкой» характе ристике насыщения. Зависимости изменения проницае мости от напряженности постоянного магнитного поля для различных смесей показаны на рис. 1. Существуют форму лы, описывающие эти кривые. Для смесей с высокой начальной проницаемостью, таких, как 26 и 52, допустимой считает ся эксплуатация при снижении проница емости на 50%. На рис. 2 показано семейство кри вых, иллюстрирующих соотношение между ампервитками и количеством на капливаемой энергии колец из смеси 52, при условии, что почти весь ток, протекающий через обмотку, является постоянным. Это означает, что пере менная составляющая тока достаточно мала и не вызывает заметных потерь в сердечнике. Как видно из графиков, чем больше произведение I*N (ампервит ки), тем больше энергии накапливает сердечник. Например, при воздействии 150 ам первитков кольцо Т6852 накапливает 260 микроджоулей. Соответственно, при 600 ампервитках накапливаемая энер 63 ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ CHIP NEWS УКРАИНА Рисунок 1 Зависимость степени насыщения от напряженности постоянного магнитного поля Рисунок 2 Зависимость числа ампер9витков от накапливаемой сердечником энергии гия составляет 1400 мкДж. Эти результа Как было замечено выше, в большин ты определяются начальной индуктивно стве случаев допустимый температурный стью AL (нГн/вит2) и характеристикой на перегрев ограничивает количество накап сыщения материала. ливаемой в сердечнике энергии еще до 64 достижения магнитного насыщения мате риала. В представленной на рис. 2 табли це приведены максимальные значения на капливаемой энергии при заданном пре www.chipnews.com.ua ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ИНЖЕНЕРНАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА Рисунок 3 Зависимость потерь материала 952 от амплитудной индукции переменного поля вышении температуры для двух способов намотки. Из этой таблицы видно, что при однослойной намотке (80% внутреннего диаметра кольца остается незаполненным) кольцо T6852 может накопить 245 мкДж при перегреве 40 C°. Следовательно, в приведенном выше примере значение 150 ампервитков для накопления 260 мкДж приведут к разогреву немногим более 40 C°. При заполнении внутреннего диамет ра на 55% накопленная в сердечнике энер гия 260 мкДж вызовет повышение темпе ратуры менее 25 C°. Такая разница в зна чениях температуры определяется диамет ром используемых проводов. Информация, приведенная в таблице, получена экспериментально при длитель ной работе дросселя без воздушного об дува. При этих условиях, как видно из при мера выше, для накопления 1400 мкДж кольцо T6852 «потребует» 600 ампервит ков, что вызовет недопустимый перегрев изза повышенных потерь в обмотке. ПОТЕРИ В ОБМОТКЕ О бычный метод выбора диаметра провода, основанный на способ ности провода определенного сечения пропустить через себя ток определен ной силы, дает некорректный результат. Повышение температуры дросселя, выз ванное потерями в обмотке, напрямую связано с размерами кольца, диамет ром провода и способом намотки. На пример, температура дросселя постоян ного тока, имеющего незначительный скинэффект, намотанного в один слой проводом 0.404 мм для тока 1 А, повы сится всего на 10 C°. Тот же метод по рекомендует провод 2.05 мм для тока 25А, что повлечет повышение темпера туры на 40 C°. При намотке в один слой, повышение температуры зависит от плотности тока в обмотке и не зависит от размеров коль ца. С учетом этой особенности была по лучена табл. 3, в которой определены значения тока и диаметры проводов для допустимого повышения температуры на 10, 25 и 40 C°. Например, как следует из этой таб лицы, для тока 3 А при однослойной об мотке и допустимом нагреве на 10 C°, следует использовать провод диаметром 0.912 мм. Если допустимый нагрев изза потерь в меди не более 25 C°, этот же диаметр может пропустить ток до 5.26 А. При повышении температуры на 40 C° ток может достигать 6.81 А. Подобная таблица разработана для Chip News Украина, #7 (47), сентябрь, 2005 «полной» намотки (незаполненными ос таются 45% внутреннего диаметра коль ца). При постоянном коэффициенте за полнения медью становится возможным определить значения ампервитков как функцию допустимого повышения тем пературы для различных типоразмеров колец. В табл. 4 приведены максималь ные допустимые значения ампервитков при заданном нагреве 10, 25 и 40 C° со ответственно, возникающем изза по терь в обмотке, для некоторых типораз меров колец. В обеих таблицах приведены значе ния удельного сопротивления (мОм/см) проводов различного диаметра, а так же средняя длина витка для колец раз личного диаметра. Благодаря этому со противление обмотки может быть опре делено простым перемножением удель ного сопротивления провода на сред нюю длину витка и на количество вит ков. Также приведены значения эффек тивной площади поверхности (см2) ти пичных моточных изделий на основе ко лец разного диаметра. Эта информа ция полезна при определении темпера туры нагрева как функции рассеивае мой мощности. При получении данных обеих таблиц использовалась следую щая формула: 65 66 0.80 0.96 1.19 1.44 1.53 1.84 2.01 2.32 2.95 2.48 3.68 2.47 3.41 2.8 4.07 3.64 3.44 4.49 3.86 4.75 5.11 4.75 5.28 5.89 6.58 7.54 6.5 6.93 10.4 7.95 10.5 11.1 14.4 13.7 23.1 Т16 Т20 Т25 Т30 Т37 Т44 T50 T50B T50D T60 T60D T68 T68D T80 T80D T90 T94 T106 T106A T130 T131 T141 T150 T157 T175 T184 T200 T225 T250 T300 T300D T400 T400D T520 T650 Тип 223 301 384 496 986 89.2 90.9 109 166 173 42.1 46.8 53.2 63.2 79.1 22.4 22 31 26.8 42.2 14.3 11.2 15.2 15.5 22 5.23 6.86 7.83 9.87 9.84 0.80 1.16 1.88 2.79 4.77 422 494 494 680 769 202 270 305 270 422 134 188 180 204 230 115 117 118 118 165 67 74 74 103 103 43 59 59 59 67 9 11 18 25 37 0.64 1.07 1.38 2.13 R/l, мОм/см Максимальный ток, А, при доп. разогреве 10°C 25°C 40°C Средняя Площадь длина, поверх., см/вит. см2 0.32 Диаметр провода, мм 341 399 399 550 621 63 217 245 217 341 107 151 145 164 186 92 94 95 95 133 53 59 59 82 82 34 47 47 47 53 6 8 14 20 29 0.90 1.52 1.97 1.34 0.404 271 317 317 437 494 129 172 195 172 271 85 119 114 129 147 72 74 74 74 105 41 46 46 64 64 26 37 37 37 41 4 5 10 15 22 1.29 2.17 2.81 0.842 0.511 216 254 254 350 395 102 137 155 137 216 67 95 91 103 117 57 58 59 59 83 32 36 36 51 51 20 28 28 28 32 2 3 7 11 17 1.83 3.09 4.00 0.53 0.643 171 201 201 278 315 81 108 123 108 171 52 75 71 81 92 44 45 46 46 65 25 28 28 39 39 15 22 22 22 25 1 2 5 7 12 2.62 4.41 5.70 0.33 0.813 153 179 179 248 281 72 96 109 96 153 46 66 63 72 82 39 40 40 40 58 21 24 24 35 35 13 19 19 19 21 1 4 6 11 3.12 5.26 6.81 0.264 0.912 1.15 4.45 7.50 9.70 0.166 131 160 160 221 250 63 86 97 86 131 41 59 56 64 73 34 35 36 36 51 19 21 21 30 30 11 16 16 16 19 3 5 9 121 142 142 197 223 56 76 86 76 121 36 52 49 56 64 30 31 31 31 45 16 18 18 27 27 9 14 14 14 16 2 4 7 Число витков 3.72 6.27 8.11 0.21 1.02 108 136 136 176 199 50 67 76 67 108 32 46 44 50 57 26 27 27 27 40 14 16 16 23 23 7 12 12 12 14 1 3 6 5.33 8.97 11.60 0.132 1.29 Намотка в один слой Таблица 3. Зависимость числа витков от диаметра провода при однослойной намотке 1.45 96 113 113 156 177 44 60 68 60 96 28 40 34 44 50 23 24 24 24 35 12 14 14 20 20 6 10 10 10 12 2 5 6.35 10.70 13.80 0.104 1.63 85 100 100 139 158 38 53 60 53 85 24 35 38 39 44 20 21 21 21 31 10 12 12 17 17 5 8 8 8 10 1 4 7.60 12.80 16.80 0.0828 1.83 75 88 88 123 139 34 46 53 46 75 21 31 29 34 39 17 18 18 18 27 8 10 10 15 15 4 7 7 7 8 1 3 9.03 15.20 19.70 0.0651 2.05 66 78 78 109 124 29 41 46 41 66 18 27 26 30 34 15 15 15 15 23 7 8 8 13 13 3 6 6 6 7 2 10.60 18.20 23.50 0.0521 2.30 58 69 69 97 110 26 36 41 36 58 16 24 22 26 30 13 13 13 13 20 6 7 7 11 11 2 4 4 4 6 1 12.90 21.70 28.10 0.0413 2.60 52 61 61 86 98 22 31 36 31 52 13 20 19 23 26 11 11 11 11 17 4 5 5 7 7 1 3 3 3 4 1 3.55 4.79 6.1 7.88 15.7 1.42 1.45 1.74 2.63 2.75 0.669 0.744 0.846 1.01 1.26 0.356 0.35 0.492 0.427 0.671 0.228 0.178 0.241 0.246 0.35 0.083 0.109 0.125 0.157 0.156 0.013 0.016 0.030 0.044 0.060 10°C 10.6 14.3 18.2 23.6 46.9 4.25 4.33 5.21 7.68 8.23 2 2.23 2.53 3.01 3.76 1.07 1.05 1.47 1.28 2.01 0.681 0.533 0.722 0.736 1.05 0.249 0.326 0.373 0.47 0.468 0.038 0.055 0.089 0.133 0.180 25°C 18.7 25.2 32.1 41.5 82.5 7.47 7.61 9.16 13.9 14.5 3.52 3.92 4.45 5.29 6.16 1.88 1.85 2.59 2.25 3.53 1.2 0.936 1.27 1.3 1.84 0.437 0.574 0.659 0.826 0.824 0.067 0.097 0.157 0.233 0.316 40°C 0.0328 Общая рассеиваемая мощность, Вт, при 15.40 температуре 26.00 33.60 ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ CHIP NEWS УКРАИНА www.chipnews.com.ua 68 8 6 20 32 59 73 128 158 192 110 687 1266 1605 1256 2192 2770 2192 5277 7104 13300 17200 13 16 30 48 90 112 196 241 293 168 1050 1933 2453 1933 3348 4230 3348 7981 10800 20300 26200 0.80 1.16 1.88 2.79 3.77 5.23 6.86 9.84 11.2 13.3 42.2 63.2 79.1 89.2 90.9 109 166 173 301 496 986 0.80 0.96 1.19 1.44 1.53 1.84 2.01 2.48 2.47 3.15 4.95 5.89 6.58 7.54 6.5 6.93 10.4 7.95 11.1 13.7 23.1 T16 T20 T25 T30 T37 Т44 T50 T60 T68 T72 T132 T157 T175 T184 T200 T225 T250 T300 T400 T520 T650 Средняя Плщадь длина поверх., см/вит. см2 1.34 2.13 Уд. сопротивление, мОм/см Тип 0.404 0.32 Диаметр провода, мм 10900 1760 1393 3322 4515 8461 437 805 1021 805 1393 46 81 100 122 69 5 4 12 20 37 0.842 0.511 7057 1137 900 2146 2916 5465 282 520 659 520 933 30 52 65 78 45 3 2 8 13 24 0.53 0.643 4477 721 571 1361 1850 3467 179 329 418 329 571 19 33 41 50 28 2 2 5 8 15 0.33 0.813 3581 577 456 1089 1480 2773 143 263 334 263 456 15 26 33 40 22 1 1 4 6 12 2861 461 365 870 1162 2261 114 210 267 210 365 12 21 26 32 18 1 1 3 5 9 0.264 0.21 0.912 1.02 1.29 2280 367 290 693 942 1765 91 168 213 168 290 9 17 21 25 14 1 1 2 4 7 1824 294 232 554 754 1413 73 134 170 134 232 7 13 16 20 11 1 2 3 6 1.63 1.83 2.05 1458 235 186 443 602 1129 58 107 136 107 186 6 10 13 16 9 1 2 5 1159 186 148 352 479 898 46 85 108 85 148 5 8 10 13 7 1 2 4 914 147 116 278 376 708 36 67 85 67 116 3 6 8 10 5 1 1 3 729 117 93 221 301 564 29 53 68 53 93 3 5 6 8 4 1 2 0.104 0.0828 0.0651 0.0521 1.45 Число витков 0.166 0.132 1.15 «Полная» намотка (заполнение внутреннего диаметра 55%) Таблица 4. Зависимость числа витков от диаметра провода при многослойной намотке 82.5 46.9 463 581 9.16 139 14.5 25.2 41.5 5.21 7.68 8.23 14.3 23.6 74 59 140 191 358 93 74 176 240 450 2980 720 650 1170 1530 2420 5170 1260 1120 2030 2650 4180 460 700 830 730 1050 6850 1670 1490 2690 3510 5550 15.7 1.74 2.63 2.75 4.79 7.88 610 0.671 930 1.01 1110 1.26 970 1.42 1400 1.45 0.083 0.109 0.156 0.178 0.212 3.53 5.29 6.16 7.47 7.61 260 400 480 420 510 110 160 200 230 170 2.01 3.01 3.76 4.25 4.33 18 34 43 34 59 23 42 54 42 74 87 120 150 170 130 0.013 0.016 0.030 0.044 0.060 Во многих устройствах переменная составляющая тока, протекающего че рез дроссель, достаточно мала, чтобы вызвать заметные потери, однако в слу чаях, когда пульсации имеют высокую частоту повторения, при разработке дросселей корректоров коэффициента мощности и высоковольтных устройств, потери должны приниматься во внима ние. Конструкции дросселей сетевых (50/60 Гц) фильтров дифференциальных помех и преобразователей напряжения резонансного типа в значительной сте пени определяются уровнем потерь в сердечнике. 50 73 87 100 75 23 29 45 62 96 25°C 40°C 0.437 0.574 0.824 0.936 1.11 2 3 4 5 3 2 4 5 6 3 17 21 34 47 72 10 12 19 27 42 40°C 10°C 0.249 0.326 0.468 0.533 0.634 1 1 2 25°C 10°C Общая рассеиваемая мощность, Вт, при температуре нагрева 0.067 0.097 0.157 0.233 0.316 0.0328 0.0413 Ампер9витки при температуре нагрева из9за потерь в обмотке . 0.038 0.055 0.089 0.133 0.180 2.6 2.3 ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ CHIP NEWS УКРАИНА ПОТЕРИ В СЕРДЕЧНИКЕ озникают вследствие переменного магнитного поля в сердечнике. Поте ри для конкретного материала зависят от рабочей частоты, размаха магнитной ин дукции (ΔB), и пропорциональны площа ди петли гистерезиса. Они имеют три со ставляющих: потери на перемагничива ние (гистерезис), вихревые токи и оста точные потери. Распыленное железо имеет более высокие потери по сравнению с другими материалами с высокой индукцией насы щения (Мопермаллой, альсифер), что может ограничить его применение при относительно большом токе пульсаций на высоких частотах. Следовательно, важно уметь правильно определять ре альные потери в сердечнике. Семейство кривых, характеризую щих потери для материала 52, показа ны на рис. 3, в виде зависимости мощ ности рассеяния (мВт/см3) от амплитуды размаха магнитной индукции (гаусс). Ин формация получена эксперименталь ным путем при помощи ваттметра фир мы ClarkeHesse. Для описания амплитуды магнитной индукции используется следующая фор мула: В , где Bpk – амплитудное значение магнит ной индукции (гаусс), ERMS – действую щее значение напряжения (Вольт), A – площадь эффективного сечения сер дечника (см2), N – число витков, f – час тота (Герц). Эта формула применима для вычис ления амплитудного значения индукции, www.chipnews.com.ua ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ИНЖЕНЕРНАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА Рисунок 4 Магнитная индукция, возникающая в сердечнике из которого определяется уровень по терь по рис. 3, при синусоидальной фор ме тока в обмотке. При этом в сердечни ке возникает магнитная индукция, размах которой (ΔB) вдвое превышает получен ное по формуле амплитудное значение (Bpk) (см. рис 4). Подмагничивание сердечника посто янным током сдвигает частную петлю гис терезиса, но не вызывает заметных допол нительных потерь в сердечнике. Потери зависят только от размаха переменной магнитной индукции (ΔB) (см. рис 5). На рисунке 6 изображена типичная форма прямоугольного сигнала, воздей ствующего на дроссель в импульсном ис точнике питания: Так как произведения E * t (вольтсе кунд) во время включенного и выклю ченного полупериодов должны быть равны при неизменной скважности, размах индукции ΔB для прямоугольно го сигнала (не обязательно симметрич ного) описывается следующей форму лой в системе СГС: Рисунок 5 Магнитная индукция, возникающая в сердечнике кции амплитудного значения магнитной индукции при симметричной форме сиг нала, приведенные кривые потерь под разумевают амплитудное значение ин дукции Bpk , равное половине размаха ΔB. Частота пульсаций, соответственно, равна 1/tp (рис. 6). В большинстве случаев для расчета амплитудного значения индукции в дрос селе с постоянным током подмагничива ния используются следующие формулы: , где Bpk = ΔB/2 = амплитуда переменной индукции (гаусс), Epk = амплитуда напря жения на дросселе (Вольт) за время t, t = продолжительность замкнутого состояния ключа (сек), A = эффективная площадь се чения сердечника (см2), N = число витков. Для расчетов дросселей со связанны ми обмотками используются те же фор мулы при допущении, что дроссель име ет одну обмотку, так как все обмотки ра ботают согласованно и значения вольт секунд на виток для них одинаковы. В некоторых применениях, например, корректорах коэффициента мощности, форма сигнала не является симметрич ной, так как соотношение времени вклю ченного и выключенного состояния клю ча непрерывно меняется в течение пери ода основной частоты (50 или 60 Гц). В этом случае потери в сердечнике опре деляются как усредненные во времени потери от каждого воздействующего им пульса. Возбуждаемая магнитная индук Таблица 5. Рассеиваемая мощность (мВт/см3) при допустимом перегреве Кольцо 10 C° 25 C° 40 C° T30 T50 T80 T94 T130 T200 T400 400 307 212 160 117 87 43 1148 874 602 454 331 260 130 2026 1535 1056 802 582 436 228 , где ΔB – размах индукции (гаусс), Epk – амплитуда напряжения на дросселе (Вольт) за время t, t – продолжительность замкнутого состояния ключа (сек), A – эф фективная площадь сечения сердечника (см2), N – число витков. В однополярных применениях, на пример, обратноходовых источниках пи тания, приведенные выше формулы сле дует использовать для проверки превы шения допустимого для сердечника раз маха индукции. В связи с тем, что на практике приня то описание потерь сердечника как фун Рисунок 6 Chip News Украина, #7 (47), сентябрь, 2005 Типичная форма напряжения на дросселе в импульсном преобразователе 69 ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ Рисунок 7 Соотношение ампер9витков, накапливаемой энергии и степени насыщения для материала 952 ция пропорциональна произведению E * t, в то время как потери в сердечнике при близительно пропорциональны квадра ту индукции. Для оценки потерь на высо ких частотах в подобных устройствах ре 70 CHIP NEWS УКРАИНА комендуется использовать предыдущую формулу, в которую подставляется ус редненное действующее значение на пряжения за период рабочей частоты корректора (1/tp). Помимо рабочей частоты, основ ная частота (50 или 60 Гц) также вызы вает потери в сердечнике, которые сле дует учитывать при определении сово купных потерь. www.chipnews.com.ua ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ИНЖЕНЕРНАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА Рисунок 8 Так как теплоотдача кольца пропор циональна площади поверхности, т.е. находится в квадратичной зависимости от линейных размеров, а выделение теп ла пропорционально объему (кубичес кая зависимость), следовательно, ма ленькие кольца лучше рассеивают теп ло по сравнению с кольцами больших размеров. В таблице 5 приведена зави симость рассеиваемой мощности от до пустимого нагрева для разных типораз меров колец. Кольцо Т30 имеет наруж ный диаметр 0.30 дюйма; кольцо Т400 соответственно 4 дюйма. Chip News Украина, #7 (47), сентябрь, 2005 ДРОССЕЛИ С ПОСТОЯННЫМ ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ П оскольку постоянный ток в обмотке не вызывает потерь в сердечнике, в большинстве случаев основными кри териями, определяющими работу дрос 71 ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ Рисунок 9 Структурная схема ИВЭП с тремя выходными напряжения селей с постоянным током подмагничи вания при малых напряжениях и часто тах до 50 кГц, становятся насыщение сердечника и потери в обмотке. Приве денные на рис. 7 кривые получены из потерь в обмотке и характеристик на сыщения материала постоянным током с уровнем пульсаций до 1%, при кото ром влиянием переменной составляю щей можно пренебречь. На рис. 7 изображены два семейства кривых. В верхней части показаны зави симости накапливаемой энергии как фун кции произведения ампервитков для материала 52. Графики в нижней части показывают зависимость накапливае мой энергии от степени насыщения (сте пень насыщения = 100% – % от началь ной проницаемости). Понятие «степень насыщения» зача стую вызывает вопросы. Например, если проницаемость сердечника составляет 90% от начальной (индуктивность дрос селя равна 90% от минимального значе ния без нагрузки), то сердечник насыщен на 10%. Аналогично, проницаемость на сыщенного на 30% сердечника составит 70% от начальной величины. Использование обоих семейств кривых позволит без труда определить требуемое количество витков для заданного объема накапливаемой энергии и изменение ин дуктивности дросселя, возникающее как следствие изменения рабочего тока. Воспользуемся этими графиками для определения параметров дросселя, име ющего индуктивность 30 мкГн при токе подмагничивания 10 А. При этих услови ях накапливаемая дросселем энергия со ставит 1500 мкДж. Из таблицы в верхней части рисунка 7 следует, что кольцо Т106 способно накопить 1500 мкДж при на мотке в один слой и допустимом нагре ве 25 C°. Кривая для кольца Т106 пока 72 CHIP NEWS УКРАИНА зывает, что для этого потребуется око ло 250 ампервитков. Так как величина тока в обмотке составляет 10 А, число витков принимаем равным 25. Далее, кривая в нижней части рисунка показы вает, что для накопления 1500 мкДж ко льцо Т106 должно будет работать при степени насыщения 49%. Это означает, что при небольшом токе индуктивность дросселя будет достигать 59 мкГн. Из таблицы диаметров для однослойной намотки получаем подходящий диаметр провода, равный 1.29 мм. Если рассматривать в качестве мате риала сердечника смесь 8, с помощью таблицы на рис. 8 приходим к выводу, что в этом случае также подходит кольцо Т106. Для этого потребуется 270 ампер витков, или 27 витков провода 1.29 мм. Анализируя семейство кривых для смеси 8, получаем, что кольцо Т1068 будет функционировать при степени насыще ния всего 10%. Это означает, что при малых токах индуктивность дросселя уве личится всего на 3 мкГн, т.е. смесь 8 име ет значительно меньшую нелинейность магнитной проницаемости. Дроссели со связанными обмотками обычно используют на выходе преобра зователей с несколькими выходными на пряжениями для улучшения характерис тики регулирования. В этом случае так же могут быть использованы кривые за висимости накапливаемой энергии. Ти пичная ситуация показана на рис. 9. Для нормальной работы дросселя со связанными обмотками необходимо, что Рисунок 10 Эквивалентный дроссель бы отношения витков обмоток трансфор матора и дросселя были одинаковыми: , Если рассматривать амепрвитки об моток N2 и N3 так, как будто они все вклю чены в N1, то данный дроссель можно рассматривать как однообмоточный (см. рис. 10). , Поскольку все ампервитки считают ся включенными в обмотку N1, общая на капливаемая дросселем энергия опреде ляется исходя из эквивалентной индуктив ности обмотки 1 и эффективного тока IX: , Полученное количество энергии ис пользуется для последующего определе ния требуемого размера Еобразного или тороидального сердечника. По кривым накапливаемой энергии определяется значение ампервитков (N1IX), из которо го легко вычисляется количество витков N1. Витки N2 и N3 вычисляются из извест ных соотношений между обмотками. В рассмотренных выше примерах переменная составляющая тока в об мотке полагалась достаточно малой и не учитывалась при расчетах. Такой подход значительно упрощает расчеты, однако при возрастании рабочей час тоты следует учитывать все составляю щие потерь. (Продолжение следует) www.chipnews.com.ua