Flyback-Wandler-Modul PCB-Design-Projekt

Wenn Sie ein elektronisches Produkt haben, das AC in eine moderate Spannung DC umwandelt und gleichzeitig eine Isolierung bietet, dann verwenden Sie höchstwahrscheinlich einen Flyback-Konverter. Flyback DC/DC-Wandler ermöglichen die großen Schritt-Reduzierungen, die in mit AC verbundenen Systemen benötigt werden, die auch einen DC-Ausgang erfordern, jedoch ohne großen Verlust an Effizienz. In diesem Projektbeispiel werde ich zeigen, wie man ein grundlegendes Flyback-Konvertermodul entwirft, sowohl in Schaltplänen als auch in einem PCB-Layout.

Flyback-Konverter benötigen einen Transformator, und der Transformator, den Sie verwenden, bestimmt das Niveau der Schritt-Reduzierung und die Strombelastbarkeit, die das Gerät bewältigen kann. Ein großer Teil des Designs von Flyback-Konvertern ist das Design und die Auswahl des Transformators, was Sie dazu zwingen könnte, einen benutzerdefinierten Transformator zu verwenden. Wir werden sehen, wie dies in diesem Projekt aufkommt. Am Ende dieses Artikels haben Sie die Möglichkeit, die Design-Dateien herunterzuladen und in Ihren eigenen Designs zu verwenden.

Erste Schritte mit einem Flyback-Konverter

Das Flyback-Konverter-Design, das ich in diesem Projekt zeigen werde, soll eine Eingangsspannung von 120 V AC auf einen Ausgang von 3,3 V umwandeln. Der primäre Controller, der verwendet wird, um den Flyback-Konverter zu betreiben, ist der UCC28881 von Texas Instruments.

Auf grundlegender Ebene umfasst das Gerät, das wir entwerfen wollen, drei Stufen:

1. AC-Eingang, Schutzschaltung und Gleichrichtung
2. Flyback-Konverter-Schalter und Transformator
3. Ausgangsschnittstelle und isolierte Rückkopplungsschleife

Die unten gezeigten Schaltpläne illustrieren jede dieser drei Stufen, die miteinander verbunden sind, um den 3V3-Ausgang zu erzeugen. Dieses System soll 1-2 A Strom bewältigen können. Dieses System wird auch die durch den Transformator bereitgestellte Isolierung aufrechterhalten, was eine sorgfältige Platzierung aller Komponenten erfordert.

AC-Eingang

Der Eingang, der zu unserem Transformator führt, enthält Schutzkomponenten und einen Brückengleichrichter (BR1). Der hier bereitgestellte Schutz umfasst einen schmelzbaren Widerstand, Metalloxid-Varistor und eine kleine Menge an Kapazität. Auf der Ausgangsseite des Brückengleichrichters haben wir eine TVS-Diode und zusätzliche Kapazität, um das Rauschen der Gleichrichtung zu reduzieren.

Das Ziel dieses Abschnitts ist es, den Eingangs-AC zu gleichrichten und einen halb-stabilen DC-Ausgang für den Schalterabschnitt bereitzustellen, während gleichzeitig Schutzschaltungen bereitgestellt werden. Hier habe ich keine EMI-Filterung hinzugefügt, aber dies könnte mit Tiefpassfilterung und einigen Drosseln hinzugefügt werden (siehe unten). Wie Sie diese Elemente hinzufügen, hängt davon ab, ob Sie die Chassisverbindung nach dem AC-Eingang beibehalten werden. Für jetzt fahren wir mit einer Linien- und Neutralverbindung fort und lassen die Erdverbindung weg.

Schalterkreis (UCC28881)

Der Schaltkreis basiert auf der Teilenummer UCC28881, einem Open-Drain-Schaltregler, der eine Rückkopplungsverbindung enthält und einen weiten Eingangsspannungsbereich unterstützt. Der Snubber-Kreis (bestehend aus C1, R1, D1) sorgt für Stabilität beim Schalten, sodass große Überschwinger/Unterschwinger beim Schalten unterdrückt werden können.

3V3 Ausgang und Rückkopplung

Die Ausgangsstufe ist im Bild unten dargestellt. Dies zeigt, wie der Ausgang über D2 zu einem Gleichstromausgang gleichgerichtet und schließlich mit einigen Kondensatoren stabilisiert wird. Der Ausgangsbereich umfasst einige Testpunkte für manuelle Messungen, wenn gewünscht, sowie einen Klemmenblock zum Anschließen von Flugleitungen. Beachten Sie, dass C8 als DNP markiert und optional ist; seine Platzierung kann weitere Stabilisierung bieten, falls erforderlich, und kann leicht durch einen Vergleichsmessung mit einem Oszilloskop bestimmt werden.

Der Rückkopplungsabschnitt verwendet einen Optokoppler und einen Präzisions-Shunt-Regler, um die Leistung durch den Optokoppler zu stabilisieren. Der Widerstandsteiler R3/R7 polarisiert den REF-Pin am LMV431AIMF-Regler auf 1,244 V. Die zusätzlichen passiven Bauelemente bieten Filterung/Stabilität, wenn das System eingeschaltet ist, und der LMV431AIMF schaltet ebenfalls von AUS auf EIN. Der Spannungsteiler R2/R4 polarisiert den Optokoppler auf die richtige Spannung und den richtigen Strom, und er wird nur Stromfluss zulassen, wenn LMV431AIMF eingeschaltet ist.

Transformator-Design und -Auswahl

Flyback-Wandler verwenden einen Transformator und seine primärseitige Induktivität, um die Eingangsspannung hoch-/herunterzutransformieren und die Ausgangsspannung zu regulieren. Sie sind Schaltregler, die die primärseitige Induktivität wie ein typischer Buck-Wandler eine reguläre Induktivität verwenden. 

Um den Transformator richtig zu dimensionieren, müssen wir den erforderlichen Tastgrad, die Spuleninduktivitäten und die Spitzenströme bestimmen. Zuerst müssen wir das Übersetzungsverhältnis für T1 bestimmen, das von der gewünschten Ausgangsspannung (Vout) und dem Dioden-Vorwärtsspannungsabfall (Vdiode, gemessen an D2 oben) abhängt. Dies bestimmt auch den Tastgrad für den Schalter:

Wenn Sie einen fertigen Transformator mit einem spezifizierten Übersetzungsverhältnis haben, dann kann die Flyback-Spannung bestimmt werden. Oder, wenn Sie möchten, dass Ihr Schalter mit einem spezifischen Tastgrad läuft, dann können Sie die Flyback-Spannung und somit das erforderliche Übersetzungsverhältnis bestimmen.

Als Nächstes können wir den erforderlichen maximalen Schaltvorgang angesichts der maximalen Tastgradfähigkeit und des Ziel-Ausgangsstroms bestimmen.

Als Nächstes, um die Größe des Transformators zu bestimmen, gibt es eine Anforderung an den Spitzenstrom:

Die Herausforderung beim Entwerfen des Transformators für einen Flyback-Konverter besteht darin, einen Transformator zu finden, der das Formfaktor, den Induktivitätswert, das Übersetzungsverhältnis und das Strombelastungslimit ausbalanciert. Die meisten Transformatoren, die Sie von der Stange kaufen können, erfüllen nur 2 oder 3 dieser Anforderungen. Von dem, was ich gesehen habe, bieten die meisten dieser Transformatoren von der Stange das erforderliche Übersetzungsverhältnis und die Strombelastung, aber sie bieten nicht den erforderlichen Formfaktor.

Dies bedeutet, dass Sie möglicherweise einen benutzerdefinierten Transformator entwerfen oder mit einem Monteur zusammenarbeiten müssen, um einen benutzerdefinierten Transformator zu bauen. Es gibt Kern- und Spulenkörperkomponenten, die verwendet werden können, um einen benutzerdefinierten Transformator zu montieren, der Ihre Induktivitäts- und Übersetzungsverhältnisspezifikationen in einem spezifischen Formfaktor erfüllt. Sie müssen einen benutzerdefinierten Transformator sorgfältig montieren oder mit einem Anbieter zusammenarbeiten, um die Komponente montieren zu lassen.

Das unten gezeigte Design wird einen TDK-Kerneinsatz (PN: B66417G0000X149) und einen TDK-Spulenkörper (PN: B66418W1008D001) verwenden, der ein Durchsteckteil ist, das eine Mittelanzapfung ermöglichen könnte, wenn gewünscht. Basierend auf der Ziel-Ausgangsspannung von 3,3 V und einer vernünftigen Schaltfrequenz von 62 kHz für den UCC28881, ist das erforderliche Übersetzungsverhältnis 69:4 und die primäre Induktivität beträgt 984 uH. Der Spitzenstrom muss für ein Niedrigleistungs-Flyback-Konvertermodul nicht übermäßig groß sein, was einen kleinen Drahtdurchmesser von 26 AWG für die Wicklungen ermöglicht. Der erwartete Spitzenprimärstrom beträgt 0,44 A.

PCB-Layout

Das PCB-Layout wird in diesem Abschnitt gezeigt und es ist relativ einfach, den Ansatz dieses Layouts zu verstehen. Das Ziel hier ist es, zu veranschaulichen, wie die erforderliche Isolation für diesen DC/DC-Wandler aufrechterhalten und wie dies in einem Modulformfaktor implementiert werden kann.

Die anfängliche Platzierung wird unten gezeigt, und die Isolationsgrenze ist mit der gestrichelten weißen Linie markiert. Alle großen Durchsteckkomponenten wurden auf der oberen Schicht platziert, während die kleineren SMD-Komponenten auf der unteren Schicht platziert wurden. Der AC-Eingang wird mit fliegenden Leitungen angeschlossen, die an durchkontaktierten Löchern (linke Seite) gelötet werden, und der 3,3-V-Ausgang wird von einem 2-Schraubklemmenblock (rechte Seite) entnommen.

Der IC, der die Isolationsbarriere überbrückt, ist der Optokoppler (U2). Dieser speist direkt in den UCC28881-Schalter (U1) ein und schließt die Rückkopplungsschleife. Die Platzierung des Optokopplers sorgt dafür, dass eine konsistente Isolationslücke nahe der Mitte der Leiterplatte gewährleistet ist.

Um mit dem Routing zu beginnen, habe ich zunächst einige Abstände festgelegt, die einen ausreichend großen Abstand zwischen den Teilen im Design gemäß den IPC-2221-Standards sicherstellen. Diese erforderlichen Abstände können Sie anhand der in diesem Artikel gezeigten Daten berechnen. Die von mir verwendeten Abstände gehen von einem 120 V AC-Eingang auf der Primärseite aus.

Als Nächstes wird das Routing mit einigermaßen großen Leiterbahnen abgeschlossen, um eine ausreichende Stromtragfähigkeit auf der Primär- und Sekundärseite zu gewährleisten. Beachten Sie, dass es einen anständig großen Abstand um die Stromzufuhrleiterbahnen (Phase und Neutral) gibt, was eine Region sein könnte, in der Störungen empfangen/ausgesendet werden. Es könnte wünschenswert sein, größere Polygone als Flächen zu verwenden, um die Erzeugung und den Empfang von Störungen bei niedrigen Frequenzen zu begrenzen.

Nun können wir die verbleibenden Polygone zeichnen, um Masse für den Ausgang und den Schalter zu bieten. Diese sind unten dargestellt. Ich habe auch den Siebdruck bereinigt, um Abstandsfehler und überlappende Bezeichner zu vermeiden. Die großen Kupferabschnitte unten bieten sowohl Masse für den Schalter zur Gewährleistung der Abschirmung als auch sie werden die Stromtragfähigkeit für BR1 bereitstellen.

Damit sind alle für das Design erforderlichen Routing- und Bereinigungsarbeiten abgeschlossen. Der Transformator ist ein Schaltelement, das ziemlich laut sein könnte, und die Behandlung dessen ist eine der möglichen Änderungen, die im Design implementiert werden könnten.

Ideen zur Erweiterung dieses Designs

Auf der grundlegendsten Ebene wird diese Schaltung funktionsfähig sein und eine hohe Effizienz aufweisen. Sie verfügt über alle grundlegenden Elemente, die für das Funktionieren des Designs als AC-DC-Reglermodul erforderlich sind. Natürlich mag ich es immer, einen kurzen Abschnitt darüber zu machen, wie das Design verbessert oder erweitert werden könnte. Die unten aufgeführten Ideen sind keine Anforderungen für die Funktionalität, obwohl sie dazu beitragen können, das Design aus Sicht der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) oder der Zuverlässigkeit zu verbessern.

• Fügen Sie einen Y-Typ-Kondensator zwischen GND-P und GND ein
• Platzieren Sie Drosseln auf der Eingangs- und Ausgangsseite, wenn Störungen durch Gleichtaktstörungen ein Problem darstellen
• Fügen Sie einen Ausschnitt zwischen dem Transformator und den Optokoppler-Anschlüssen ein, um die Isolationszone deutlich zu kennzeichnen
• Fügen Sie einen zusätzlichen Sekundärtap hinzu und ändern Sie das Wicklungsverhältnis, um ein Dual-Rail-Modul zu erzeugen
• Wenn in einem metallisierten Gehäuse platziert, fügen Sie einen Chassis-Schutzring und eine Verbindung zur Erde hinzu
• Entfernen Sie die Eingangslötstellen und fügen Sie eine Standardbuchse für einen AC-Stecker hinzu

Um das Design hinsichtlich EMI/EMC zu verbessern, sind die ersten beiden Punkte in dieser Liste wichtig. Bezüglich des ersten Punktes ist dies eine typische Methode, um Erden in einer isolierten Gleichstromversorgung zu überbrücken, da es hilft, Rückwege für Hochfrequenzsignal-Komponenten, die vom Schaltwellenform stammen, zu kontrollieren. Wenn es ein Problem mit Hochfrequenzstrahlung von der 3V3-Seite gibt, dann kann dies helfen, diese zu unterdrücken.

Der zweite Punkt ist allgemein für EMC wichtig. Das Erstellen eines Front-End-EMI-Filters mit einem LC-Filter (Pi-Filter) und das Platzieren von Drosseln am Eingang wird die Gleichtaktstrahlung, die vom AC-Leitungseingang kommt, unterdrücken. Der Ausgang wird ebenfalls mit Drähten oder einem Kabel verbunden, und wir möchten die Gleichtaktstrahlung auf diesem Kabel eliminieren, was auch eine Gleichtaktdrossel erfordern kann.

Um die Originalprojektdateien herunterzuladen, folgen Sie diesem Link. Diese Dateien sind unter einer CC-Lizenz verfügbar.

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