. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Power tipy XIII - Omezte ztráty v jádře indukčnosti
5. října 2010 - 9:33 | Robert Kollman | Power tipy XIII - Omezte ztráty v jádře indukčnosti | Komentářů: 1  

Power tipy XIII - Omezte ztráty v jádře indukčnosti

Power Tip zaměřující se na téma ztrát v magnetickém obvodu napájecího zdroje a možnosti jejich omezení či potlačení.

Také jste napájecí zdroj zatížil na plný výkon a překvapila vás vysoká teplota jeho indukčnosti? Je dost pravděpodobné, že na vině jsou nadměrné hysterezní ztráty v jádře, nebo ztráty v jádře způsobené vířivými proudy. Jde o to, že při pracovní frekvenci kolem 100 kHz nejsou tyto problémy obecně příliš známé, neboť zde ztráty v jádře představují zhruba pět až deset procent z celkových ztrát v obvodu. Z toho důvodu je jasné, že v podobných aplikacích nemohou být primárním strůjcem zvýšené teploty.

Typický postup při volbě vhodné indukčnosti začíná definicí maximálního zatěžovacího proudu a následuje určením indukčnosti pro 20 procent zvlnění výstupního napětí. Výsledkem je prakticky zanedbatelný nárůst teploty i celkových ztrát regulátoru. Problém však nastává v případě, zvýší-li se pracovní frekvence regulátoru nad hodnotu 500 kHz. V tento okamžik začne docházet k výraznému nárůstu ztrát jak v jádře, tak i samotném vinutí indukčnosti, vedoucích ke značnému snížení přípustného stejnosměrného proudu obvodem. Obecný postup, užívaný při výpočtu indukčnosti pro výstupní zvlnění nepřekračující hodnotu 20 procent, totiž stanoví tok v jádře použitého materiálu nezávisle na kmitočtu. Rovnice pro ztráty v jádře indukčnosti má obecnou podobu:

Jakmile se tedy pracovní frekvence (F) zdroje dostane na hodnotu mezi 100 až 500 kHz, zvyšují se základní ztráty o násobek osmi. Tento nárůst je uveden na obrázku 1. Rovněž si na obrázku 1 můžete prohlédnut přípustné ztráty v měděném vinutí, které s rostoucí ztrátou v jádře klesají. Na frekvenci 100 kHz je dominantní ztráta ve vinutí, z čehož plyne možnost pominutí všech ztrát v mědi a v obvodu je možné využít celou hodnotu stejnosměrného proudu. Při vyšších frekvencích se však stávají výraznějšími právě ztráty v jádře. Vzhledem k tomu, že celkové přípustné ztráty jsou rovny součtu všech ztrát v indukčnosti, musí být ztráty ve vinutí omezeny na přijatelnou velikost. Tím, jak ztráty v jádře rostou, musí ztráty ve vinutí klesat, až dosáhnou stejné hodnoty. Tento stav je optimální při vyšších frekvencích, kde je nutné maximální ztráty obzvláště dobře hlídat. Výsledkem je mez maximálního výstupního proudu, který je v obvodu využitelný.


Obr. 1: Nad 0,5 MHz dochází k výraznému nárůstu ztrát v jádře použité indukčnosti

Obrázky 1 - 2 vycházejí z pevné velikosti jádra a plochy cívky, pouze se mění počet závitů. Obrázek 2 zachycuje velikost indukčnosti a přípustného stejnosměrného proudu, ztráty v jádře jsou již uvedeny na obrázku 1. Pod frekvencí 1,3 MHz je indukčnost nepřímo úměrná pracovní frekvenci. Minimum indukčnosti je dosaženo právě kolem frekvence 1,3 MHz. Nad touto frekvencí musí být základní tok indukčností omezen, čímž se omezí i další ztráty, aby nepřekročily hodnotu padesáti procent z celkové hodnoty. Samozřejmě je zde třeba počítat i s výsledným proudem indukčností. To však platí i při nízkých kmitočtech, kdy ztráty v jádře nejsou tolik významné a mezní proud je určen vodivostí vinutí.

Z Rovnice 1 vyplývá, že počet závitů je úměrný převrácené hodnotě druhé odmocnině pracovní frekvence. Pokud tedy indukčnost klesne na polovinu, je potřeba použít dvojnásobnou pracovní frekvenci. Výsledkem je konstantní hodnota 0,707 na každý závit.

(Rovnice 1)

Správný výpočet s odporem vinutí má hned dvě výhody. Je možné použít až o 30 procent méně závitů a zároveň je k dispozici až o 41 procent více prostoru pro každé vinutí. Vzhledem k tomu, že odpor vinutí je závislý na počtu závitů, je možné konstatovat, že se snižuje lineárně se zvyšující se frekvencí, nebo jako v uvedeném příkladě, o násobek dvěma.

Při vyšších frekvencích začnou ztráty v jádře limitovat přípustné ztráty ve vedení a to až do té míry, kdy získají stejnou velikost. V tomto bodě je třeba pro snížení toku zvýšit indukčnost a to především přidáním dalších závitů, což však zároveň zvyšuje i odpor vinutí. Proud indukčností poté klesá. Výsledkem je optimální poměr frekvence a velikosti indukčnosti.


Obr. 2: Maximální výkon zdroje omezují ztráty v jádře indukčnosti

Z uvedených informací vyplývá, že zvyšující se pracovní frekvence vede k menší velikosti jádra indukčnosti, ovšem jen do té míry, kdy se ztráty v jádře vyrovnají ztrátám v mědi. Do tohoto bodu tedy uvedená věta platí. Zároveň si dovolím upozornit, že dnes existuje velké množství produktů využívajících vysoké spínací frekvence, avšak v málokteré aplikační poznámce jsou uvedeny možné problémy s nadměrnou energetickou ztrátou v jádře použitých indukčností a transformátorů.

V příštím díle seriálu Power Tip budeme společně diskutovat o výhodách topologie SEPIC s více výstupy.

Pro více informací o tomto a dalších řešeních napájení navštivte: www.ti.com/power-ca.

O autorovi:
Robert Kollman je Senior Applications Manager a Distinguished Member of the Technical Staff v Texas Instruments. Má více než 30 let praxe v oboru výkonové elektroniky a návrhu magnetických obvodů pro napájecí zdroje výkonů od jednotek wattů do MW s provozní frekvencí v rozsahu MHz. Je držitelem ocenění BSEE z Texas A&M University a MSEE z Southern Methodist University.
V případě dotazů je možný kontakt prostřednictvím mailové adresy powertips@list.ti.com.

Autor: Robert Kollman, Texas Instruments







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk
Příbuzné články:
Power tipy I - Výběr správné pracovní frekvence spínaného zdroje
Power tipy II - Jak omezit vliv rušení zdroje
Power tipy III - Tlumení vstupního filtru - Díl 1 z 2
Power tipy IV - Tlumení vstupního filtru - Díl 2 z 2
Power tipy V - Záporné napětí ze snižujícího regulátoru
Power tipy VI - Správné měření napájecího zdroje
Power tipy VII - Efektivní napájení výkonových LED
Power tipy VIII - Omezení EMI technikou rozprostřeného spektra
Power tipy IX - Odhad nárůstu teploty výkonových součástek
Power tipy X - Přechodová odezva napájecího zdroje
Power tipy XI - Řešení ztrát v obvodu napájení
Power tipy XII - Maximalizování účinnosti napájecího zdroje
Power tipy XIII - Omezte ztráty v jádře indukčnosti
Power tipy XIV - Zdroj topologie SEPIC zajišťuje vyšší účinnost
Power tipy XV - Levný a výkonný budič LED
Power tipy XVI - Tlumení propustného měniče
Power tipy XVII - Komutační obvod u Flyback regulátoru
Power tipy XVIII - Jednoduché zlepšení stability regulátoru
Power tipy XIX - Snadné získání více záporných napětí
Power tipy XX - Parazitní rezonance v napájecím zdroji
Power tipy XXI - Hlídejte RMS proud kondenzátorů
Power tipy XXII - Vyhněte se častým problémům s chybovým zesilovačem
Power tipy XXIII - Zlepšení regulační odezvy zdroje - část 1
Power tipy XXIV - Převod paralelní impedance na sériovou
Power tipy XXV - Zlepšení regulační odezvy zdroje - část 2
Power tipy XXVI - Přenos vysokofrekvenční energie vodičem
Power tipy XXVII - Paralelní řazení napájecích zdrojů
Power tipy XXIIX - Krátkodobé zvýšení teploty v obvodech MOSFET - část 1
Power tipy XXIX - Krátkodobé zvýšení teploty v obvodech MOSFET - část 2
Power tipy XXX - Síťový zdroj s obyčejným obvodem
Power tipy XXXI - Poměr vnitřních odporů v synchronním regulátoru
Power tipy XXXII - Pozor na proudy v regulátorech SEPIC – část 1
Power tipy XXXIII - Pozor na proudy v regulátorech SEPIC – část 2
Power tipy XXXIV - Jednoduchý izolovaný napájecí zdroj
Power tipy XXXV - Omezení parazitní kapacity v transformátorech

Komentáře (1):

Zobrazit starší 30 dnů (1)...

host
1. Dne 05. 10. 2010 v 14:17 zaslal host
Bez titulku
To znamená, že se použití regulátorů s frekvencí vyšší jak 500 kHz ani nevyplatí. Nejen že jsou dražší, ale navíc potřebují i předimenzované indukčnosti.


Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
WIZ107SR-RS232
Převodník TCP/IP <-> RS232 s RJ45 konektorem.
Skladem od 600 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007