Proyecto de Diseño de PCB para Módulo Convertidor Flyback

Si tienes un producto electrónico que convierte de AC a un voltaje moderado de DC al mismo tiempo que proporciona aislamiento, entonces lo más probable es que estés utilizando un convertidor flyback. Los convertidores DC/DC flyback proporcionan las grandes reducciones necesarias en sistemas conectados a AC que también requieren una salida de DC, pero sin un gran impacto en la eficiencia. En este ejemplo de proyecto, mostraré cómo diseñar un módulo convertidor flyback básico, tanto en esquemáticos como en un diseño de PCB.

Los convertidores flyback requieren un transformador, y el transformador que uses determinará el nivel de reducción y manejo de corriente que el dispositivo puede manejar. Una gran parte del diseño del convertidor flyback es el diseño y selección del transformador, lo que podría obligarte a usar un transformador personalizado. Veremos cómo surge esto en este proyecto. Al final de este artículo, tendrás la oportunidad de descargar los archivos de diseño y comenzar a usarlos en tus propios diseños.

Comenzando con un Convertidor Flyback

El diseño del convertidor flyback que mostraré en este proyecto está destinado a convertir una entrada de 120 V AC a una salida de 3.3 V. El controlador principal que se utilizará para ejecutar el convertidor flyback es el UCC28881 de Texas Instruments.

A nivel básico, el dispositivo que queremos diseñar incluye tres etapas:

1. Entrada de AC, protección de circuito y rectificación
2. Interruptor de convertidor flyback y transformador
3. Interfaz de salida y bucle de retroalimentación aislado

Los esquemáticos mostrados a continuación ilustran cada una de estas tres etapas conectadas juntas para producir la salida de 3V3. Se espera que este sistema maneje 1-2 A de corriente. Este sistema también mantendrá el aislamiento proporcionado por el transformador, lo que requiere una colocación cuidadosa de todos los componentes.

Entrada de AC

La entrada que conduce a nuestro transformador contiene componentes de protección de circuito y un puente rectificador (BR1). La protección de circuito proporcionada aquí incluye una resistencia fusible, varistor de óxido metálico, y una pequeña cantidad de capacitancia. En el lado de salida del puente rectificador, tenemos un diodo TVS y algo de capacitancia adicional para reducir el rizado de la rectificación.

El objetivo de esta sección es rectificar la entrada de AC y proporcionar una salida de DC semi-estable al seccionador mientras también proporciona protección de circuito. Aquí, no he añadido filtrado EMI, pero esto podría agregarse con filtrado de paso bajo y algunas bobinas (ver abajo). Cómo añades esos elementos depende de si mantendrás la conexión del chasis después de la entrada de AC. Por ahora, procedamos con una conexión de línea y neutro y omitamos la conexión a tierra.

Circuito Interruptor (UCC28881)

El circuito conmutador se basa en el número de parte UCC28881, que es un controlador de conmutación de drenaje abierto que incluye una conexión de retroalimentación y soporta un amplio rango de voltaje de entrada. El circuito amortiguador (compuesto por C1, R1, D1) proporciona estabilidad durante la conmutación para que se pueda suprimir el gran sobrepico/subpico durante la conmutación.

Salida de 3V3 y Retroalimentación

La etapa de salida se muestra en la imagen a continuación. Esto muestra cómo la salida se rectifica a una salida de CC a través de D2 y finalmente se estabiliza con algunos capacitores. La sección de salida incluye algunos puntos de prueba para sondeo manual si se desea, así como un bloque de terminales para conectar cables volantes. Note que C8 está marcado como DNP y es opcional; su colocación puede proporcionar una mayor estabilización si se requiere y se puede determinar fácilmente a partir de una medición comparativa con un osciloscopio.

La sección de retroalimentación utiliza un optoacoplador y un regulador de derivación de precisión para estabilizar la potencia a través del optoacoplador. El divisor de resistencia R3/R7 sesga el pin REF en el regulador LMV431AIMF a 1.244 V. Los pasivos adicionales proporcionan filtrado/estabilidad cuando el sistema está sesgado ON y el LMV431AIMF también cambia de OFF a ON. El divisor de voltaje R2/R4 sesga el optoacoplador al voltaje y corriente correctos, y solo permitirá el flujo de corriente cuando LMV431AIMF esté sesgado ON.

Diseño y Selección de Transformadores

Los convertidores flyback utilizan un transformador y su inductancia del lado primario para aumentar/disminuir el voltaje de entrada y regular el voltaje de salida. Son reguladores conmutados que utilizan la inductancia del lado primario como un convertidor buck típico usaría un inductor regular.

Para dimensionar correctamente el transformador, necesitamos determinar el ciclo de trabajo requerido, las inductancias de la bobina y las corrientes pico. Primero, necesitamos determinar la relación de vueltas para T1, que depende del voltaje de salida deseado (Vout) y la caída de voltaje hacia adelante del diodo (Vdiode, medida en D2 arriba). Esto también determinará el ciclo de trabajo para el conmutador:

Si tienes un transformador comercial que tiene una relación de vueltas especificada, entonces se puede determinar el voltaje flyback. O, si quieres que tu conmutador funcione a un ciclo de trabajo específico, entonces puedes determinar el voltaje flyback y así la relación de vueltas requerida.

A continuación, podemos determinar la conmutación máxima requerida dada la capacidad máxima del ciclo de trabajo y la corriente de salida objetivo.

A continuación, para ayudar a dimensionar el transformador, hay un requisito sobre la corriente máxima:

El desafío al diseñar el transformador para un convertidor flyback es encontrar un transformador que equilibre el factor de forma, el valor de inductancia, la relación de vueltas y el límite de manejo de corriente. La mayoría de los transformadores que puedes comprar ya hechos solo cumplirán con 2 o 3 de estos requisitos. Por lo que he visto, la mayoría de estos transformadores ya hechos que ofrecen la relación de vueltas y manejo de corriente requeridos, pero no proporcionarán el factor de forma necesario.

Esto significa que es posible que necesites diseñar un transformador personalizado o trabajar con un ensamblador para construir un transformador personalizado. Hay componentes de núcleo y bobina disponibles que se pueden usar para ensamblar un transformador personalizado que cumpla con tus especificaciones de inductancia y relación de vueltas en un factor de forma específico. Necesitarás ensamblar cuidadosamente un transformador personalizado o contratar a un proveedor para que ensamble el componente.

El diseño mostrado a continuación utilizará un inserto de núcleo de TDK (PN: B66417G0000X149) y un formador de bobina de TDK (PN: B66418W1008D001), que es una pieza de montaje pasante que podría permitir un toma central si se desea. Basado en el voltaje de salida objetivo de 3.3 V y una frecuencia de conmutación razonable de 62 kHz para el UCC28881, la relación de vueltas requerida es 69:4 y la inductancia primaria es 984 uH. La capacidad de manejo de corriente máxima no necesita ser excesivamente grande para un módulo convertidor flyback de baja potencia, lo que permite un diámetro de alambre pequeño de 26 AWG para los devanados. La corriente primaria máxima esperada es 0.44 A.

Diseño de PCB

El diseño de PCB se muestra en esta sección y es relativamente simple entender el enfoque de este diseño. El objetivo aquí es ilustrar cómo mantener el aislamiento requerido para este convertidor DC/DC y cómo implementar esto en un factor de forma de módulo.

La colocación inicial se muestra a continuación, y el límite de aislamiento está marcado usando la línea discontinua blanca. Todos los componentes de montaje pasante grandes se han colocado en la capa superior, mientras que los componentes SMD más pequeños se han colocado en la capa inferior. La entrada de CA se conectará usando cables volantes que se sueldan a agujeros metalizados (lado izquierdo), y la salida de 3.3 V se toma de un bloque terminal de 2 tornillos (lado derecho).

El CI que se extiende a través de la barrera de aislamiento es el optoacoplador (U2). Esto se conecta directamente al conmutador UCC28881 (U1) y completa el bucle de retroalimentación. La colocación del optoacoplador es tal que asegura una brecha de aislamiento consistente cerca del medio del PCB.

Para comenzar el enrutamiento, primero establecí algunas separaciones que aseguran un espaciado suficientemente grande entre las partes en el diseño de acuerdo con los estándares IPC-2221. Puedes calcular estas separaciones requeridas usando los datos mostrados en este artículo. Las separaciones que uso asumen una entrada de 120 V AC en el lado primario.

A continuación, el enrutamiento se completa con trazas algo grandes para asegurar un manejo de corriente suficiente en los lados primario y secundario. Note que hay una brecha bastante grande alrededor de las trazas de entrada de energía (línea y neutro), que podría ser una región donde se recibe/emite ruido. Puede ser deseable usar polígonos más grandes como vertidos para limitar la generación y recepción de ruido a bajas frecuencias.

Ahora podemos dibujar los polígonos restantes para proporcionar tierra para la salida y el conmutador. Estos se dibujan a continuación. También he limpiado la serigrafía para prevenir errores de separación y designadores superpuestos. Las grandes secciones de cobre mostradas a continuación proporcionan tanto tierra para el conmutador para ayudar a asegurar el blindaje, como capacidad de manejo de corriente para BR1.

Esto completa todo el enrutamiento y limpieza requeridos para el diseño. El transformador es un elemento de conmutación que podría ser bastante ruidoso, y abordar esto es uno de los posibles cambios que podrían implementarse en el diseño.

Ideas para expandir este diseño

A su nivel más básico, este circuito será funcional y mostrará alta eficiencia. Tiene todos los elementos básicos necesarios para que el diseño funcione como un módulo regulador de AC a DC. Por supuesto, siempre me gusta hacer una sección corta sobre cómo el diseño podría ser mejorado o expandido. Las ideas que listo a continuación no son requisitos para la funcionalidad, aunque pueden ayudar a hacer el diseño mejor desde una perspectiva de EMC o de fiabilidad.

• Añadir un capacitor tipo Y entre GND-P y GND
• Colocar bobinas de choque en el lado de entrada y salida si el ruido de modo común es un problema
• Añadir un recorte entre el transformador y las patillas del optoacoplador para denotar claramente la región de aislamiento
• Añadir un toma secundaria adicional y cambiar la relación de bobinado para producir un módulo de doble riel
• Si se coloca en una carcasa metalizada, añadir un anillo de guarda de chasis y conexión a tierra
• Eliminar los orificios de soldadura de entrada y añadir un receptáculo estándar para un enchufe de CA

Para mejorar el diseño para EMI/EMC, los dos primeros puntos de esa lista son importantes. Respecto al primer punto, esta es una manera típica de unir tierras en una fuente de alimentación de CC aislada ya que ayuda a controlar los caminos de retorno para los componentes de señal de alta frecuencia originados por la forma de onda de conmutación. Si hay un problema con la radiación de alta frecuencia del lado de 3V3, entonces esto puede ayudar a suprimirlo.

El segundo punto es importante en general para EMC. Crear un filtro EMI de entrada usando un filtro LC (filtro pi) y colocar bobinas de choque en la entrada suprimirá la radiación de modo común proveniente de la entrada de línea de CA. La salida también se conectará a cables o un cable, y nos gustaría eliminar la radiación de modo común en ese cable, lo que también puede requerir una bobina de choque de modo común.

Para descargar los archivos originales del proyecto, sigue este enlace. Estos archivos están disponibles bajo una licencia CC.

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