ترانسفورماتورهای حالت سوئیچ (فرکانس بالا): چرا شارژر تلفن شما بسیار کوچک است

آنچه هست، به زبان ساده

مخزن آبی را تصور کنید که در حالی که یک شیر بسته است پر می شود و در لحظه باز شدن شیر از طریق یک لوله تخلیه می شود. یک ترانسفورماتور منبع تغذیه حالت سوئیچ (SMPS) بر اساس همین ایده کار می کند. برخلاف ترانسفورماتور آهنی سنگین در زنگ در قدیمی که مستقیماً از شبکه 50/60 هرتز کار می کند، ترانسفورماتور کوچک داخل شارژر تلفن شما جریان را در هر ثانیه ده ها هزار بار روشن و خاموش می کند. این سرعت سوئیچ بالا ترفندی است که آن را کوچک، سبک و کارآمد می‌کند - و به همین دلیل است که این قطعه در قلب تقریباً هر دستگاه الکترونیکی مدرن قرار می‌گیرد.

اصل و انواع

در اکثر طرح های کم مصرف، ترانسفورماتور SMPS در واقع یک سلف جفت شده است تا یک ترانسفورماتور کلاسیک (طبق IEEE Technology Navigator). در طول بازه روشن، جریان اولیه به دنبال di/dt = Vin/Lp افزایش می‌یابد (که Lp اندوکتانس مغناطیسی اولیه است) و انرژی در هسته مغناطیسی ذخیره می‌شود. هنگامی که سوئیچ باز می شود، میدان فرو می ریزد و آن انرژی به ثانویه ایزوله آزاد می شود. از آنجایی که دو سیم پیچ هرگز به طور همزمان هدایت نمی شوند، یک شکاف هوا در هسته فریت برای ذخیره انرژی بدون اشباع ضروری است (طراحی الکترونیکی، "به شکاف فکر کنید").

توپولوژی های رایج عبارتند از flyback (تقریباً 5-150 W، یک سوئیچ، چندین خروجی ایزوله)، فوروارد و رزونانس LLC. هسته های فریت (منگنز-روی یا نیکل-روی) انتخاب استاندارد برای محدوده 20 کیلوهرتز تا چند صد کیلوهرتز هستند.

پارامترهای کلیدی که یک مهندس باید تنظیم کند

• نسبت چرخش Np:Ns - همراه با چرخه وظیفه D ولتاژ خروجی را تنظیم می کند (ROHM: D = (Vout + Vf)·Np/Ns / (Vin + (Vout + Vf)· Np/Ns)).

• اندوکتانس مغناطیسی اولیه Lp - حداکثر جریان و انرژی ذخیره شده را تنظیم می کند (E = ½·Lp·Ip²).

• حداکثر نوسان چگالی شار - Bmax ≤ را در حدود 0.4 T در 100 درجه سانتیگراد نگه دارید (یادداشت طراحی ROHM) برای جلوگیری از اشباع.

• اندوکتانس نشتی - باعث افزایش ولتاژ خاموش می شود که نیاز به گیره یا گیره فعال دارد (طبق منابع طراحی فلای بک از Texas Instruments).

مثال کاربردی

در یک آداپتور 12 ولت / 2.5 وات، ترانسفورماتور فلای بک معمولاً از هسته فریت EP7 یا EE16، Lp ≈ 30-250 µH، Np: Ns ≈ 5: 1، سوئیچینگ نزدیک به 65-140 کیلوهرتز استفاده می کند (Texas Instruments، ROHM). جداسازی گالوانیکی بین اولیه و ثانویه توسط سیستم عایق سیم پیچ و با فاصله خزش / فاصله - بخش مهم ایمنی طراحی - ارائه می شود.

تصور غلط رایج و یک واقعیت جالب

تصور اشتباه: "ترانسفورماتور یک ترانسفورماتور است - من فقط می توانم یک ترانسفورماتور 50/60 هرتز را رها کنم." اشتباه است. یک ترانسفورماتور SMPS را در فرکانس خط اجرا کنید و تقریباً فوراً اشباع می شود، زیرا قانون فارادی به فرکانس بالا (یا هسته بزرگ) نیاز دارد تا در محدوده شار باقی بماند.

واقعیت جالب: همان اصل فلای بک زمانی ولتاژ پرتوی 15 تا 30 کیلوولت را در تلویزیون های CRT تولید می کرد - نام "فلای بک" از آنجا می آید.

استاندارد ایمنی

چنین ترانسفورماتورهایی توسط IEC 61558-2-16:2021 ، الزامات ویژه برای واحدهای منبع تغذیه حالت سوئیچ و ترانسفورماتورهای واحدهای منبع تغذیه حالت سوئیچ ، که همراه با IEC 61558-1:2017 استفاده می شوند، کنترل می شوند. طبق IEC، SMPS هوا خنک با ولتاژ نامی تغذیه ≤ 1100 ولت AC، فرکانس منبع تغذیه ≤ 500 هرتز، فرکانس کاری داخلی > 500 هرتز تا 100 مگاهرتز و خروجی نامی ≤ 1 کیلو ولت آمپر یا 1 کیلو وات را پوشش می دهد. ایمنی در سطح سیستم ممکن است به IEC 62368-1 نیز ارجاع دهد.