Оптимизация индивидуального проектирования индукционных элементов
18 мая 2020
Введение
Чтобы соответствовать требованиям для конкретных применений, многие проекты высокочастотных намоточных элементов должны быть адаптированы под заказ клиента. Успешному проектированию хорошо помогает то, что группы опытных инженеров могут делать и программную часть проекта, и аппаратную и все это в одной лаборатории. Поддержать проект заказчика помогает: комбинация инженерных талантов, своевременный вывод изделия и преимущества в конфигурации. В статье освещаются сильные преимущества, полученные при использовании анализа методом конечных элементов для определения оптимального порядка намотки, до этапа физических прототипов. В статье также указывается, как фактически может измениться прототип от просчета до моделирования, поэтому крайне важно иметь возможность создавать прототипы и моделировать программную часть в одном месте.
Работа с первичной спецификацией
Первым делом, при создании намоточного компонента необходима предварительная спецификация самого источника питания, включая дополнительную информацию: топологию, производителя, серию микросхем управления питанием. Базовая электрическая блок-схема системы укажет количество задействованных обмоток.
Рисунок 1: Блок-схема источника питания с обратной связью.
На рисунке 1 показан изолированный источник питания переменного/постоянного тока с обратной связью мощностью 70 Вт с усиленной изоляцией. Контур управления состоит из вторичной обратной связи по напряжению, и первичного тока. Координация полевого транзистора и синхронного выпрямителя осуществляется с использованием вспомогательной (AUX) обмотки и микросхемы контроллера для измерения времени размагничивания. В этом случае измерения рассеяния индуктивности будут определять время, которое длится всплеск рассеяния индуктивности, и определяют время цикла каждого колебания, когда вторичная обмотка полностью размагничена. Проектирование трансформатора с несколькими обмотками для обеспечения оптимального рассеяния индуктивности будет иметь большое значение для такой конструкции.
Рисунок 2: Напряжение вспомогательной обмотки и управляющее напряжение синхронного выпрямителя в источнике питания с обратной связью.
Если имеется примечание по применению от поставщика контроллера питания, оно может помочь определить электрические параметры трансформатора, включая первичную индуктивность и пиковый ток насыщения (в случае обратной связи). Например, для этого конкретного случая первичная индуктивность будет рассчитана с использованием формулы для трансформатора с обратной связью:
Fsw = Частота переключения Ip = Пиковый ток в первичном контуре VF = Падение напряжения синхронного выпрямителя
Размеры трансформатора будут в первую очередь определяться целевой мощностью, рассеиваемой в трансформаторе, а также заданной рабочей температурой. Также важны габариты платы и корпуса устройства, которые диктуются требованиями безопасности, установленными клиентом. Отделение BOURNS в Европе использует ПО Solid Works для проектирования. На рисунке 3 показан пример конструкции трансформатора. Выделенная синяя линия измеряет кратчайшее расстояние между вторичным контактом и обмоткой.
Рисунок 3: Пример расчета траектории утечки.
Если клиенту срочно требуются инженерные образцы, то наличие всех материалов на складе является явным преимуществом, поскольку помогает избежать задержек. Обычно BOURNS предлагает более 179 различных форм и размеров магний-цинковых ферритовых сердечников для новых разработок. Если этого недостаточно, с помощью 3D-принтера создаются бобины из различных видов пластика в течение нескольких часов.
Оптимизированное программное обеспечение для моделирования Трудоемкий метод проб и ошибок при сборке и тестировании различных вариантов может быть упрощен, если в первую очередь использовать такие инструменты, как ANSYS (ПО для инженерного моделирования и 3D-дизайна). Такое программное обеспечение используется для определения оптимальной конструкции. Трансформатор с обратной связью как на рисунке 1 предназначен для изолированного выхода 12В / 6А (SELV) с нерегулируемым неизолированным выходом 12В / 0,18А (NSELV).
На рисунке 4 показаны три различные структуры обмоток, которые были проанализированы ANSYS.
Рисунок 4: Схема порядка намотки для трех разных вариаций.
Программа оптимизирует компоновку обмоток, но допускает ручное размещение обмоток. Это позволяет использовать, например, изоляционную ленту, которая может влиять на индуктивность рассеяния. Требование по изоляции между двумя неизолированными обмотками (при 500В переменного тока) не может быть выполнено, если обмотки расположены рядом. Они должны быть отделены как минимум одним слоем ленты. Ширину между витками также можно регулировать. Утечка из первичного к вторичному контуру при мощной обратной связи со вспомогательной обмоткой с использованием вторичного регулирования делится пополам путем разделения первичной обмотки. Это удваивает длину пути магнитного поля и уменьшает вдвое интенсивность магнитного поля.
В вариации намотки “B” обеспечивается оптимальный баланс между питанием от сети к SELV и от утечки AUX до NSELV. Порядок намотки “A” имеет самую низкую индуктивность утечки к SELV, но имеет более высокую утечку от AUX до NSELV. Увеличение расстояния между витками фактически увеличило индуктивность рассеяния, длина пути увеличивается, следовательно, снижается напряженность поля. Увеличение расстояния между витками позволяет части потока проходить в пространство между обмотками. Однако существует компромисс в расстоянии между витками и общей длиной обмотки. Поэтому при создании исходных образцов использовалась лента, чтобы держать витки близко друг к другу. Результаты измерений подтвердили, что порядок намотки “B” был лучшим вариантом. Измерения показали, что распространение обмотки по катушке оказывает обратный эффект на индуктивность рассеяния.
Различия в реальных и смоделированных измерениях индуктивности рассеяния могут быть частично обусловлены следующими факторами:
• Короткое замыкание • Распределение намотки по поверхности катушки • Допуск толщины изоляционного материала
Важно отметить, что, хотя моделирование помогает сравнивать различные варианты исполнения и выбирать подходящую структуру обмоток, необходимо создавать образец и тщательно его тестировать.
Возможности силовой лаборатории BOURNS Иногда клиентам может потребоваться поддержка с тестированием трансформаторов на платах при определенных условиях. Например, у BOURNS есть программа Altium Designer для проектирования схем и печатных плат. Лаборатория имеет ряд источников питания и электронных нагрузок вместе с температурной камерой и инфракрасной камерой для тестирования плат. BOURNS также может помочь клиентам с тестированием платы на электромагнитные помехи.
Лаборатория BOURNS эффективно поддерживает заказчиков в разработке, моделировании и конструировании образцов высокочастотных силовых намоточных элементов. Лаборатория имеет опыт работы с передовыми инструментами проектирования программного обеспечения, которые позволят выбрать оптимальный дизайн магнетиков для заказчика перед изготовлением инженерных образцов. Наличие механического и электрического оборудования в одном месте, а также доступного запаса ферритовых сердечников и 3D-принтера позволяет быстро произвести технические образцы. В то время как инструменты моделирования экономят время, определяя оптимальный дизайн, ничто не может заменить тестирование реальных образцов и проверку результатов.