Projet de conception de PCB pour module convertisseur Flyback

Si vous avez un produit électronique qui convertit l'AC en DC de tension modérée tout en fournissant également une isolation, alors il est très probable que vous utilisiez un convertisseur Flyback. Les convertisseurs DC/DC Flyback offrent les grandes réductions nécessaires dans les systèmes connectés à l'AC qui nécessitent également une sortie DC, mais sans une grande perte d'efficacité. Dans cet exemple de projet, je vais montrer comment concevoir un module de convertisseur Flyback de base, à la fois dans les schémas et dans une disposition de PCB.

Les convertisseurs Flyback nécessitent un transformateur, et le transformateur que vous utilisez déterminera le niveau de réduction et la capacité de gestion du courant que l'appareil peut gérer. Une grande partie de la conception du convertisseur Flyback est la conception et la sélection du transformateur, ce qui pourrait vous obliger à utiliser un transformateur personnalisé. Nous verrons comment cela se présente dans ce projet. À la fin de cet article, vous aurez la possibilité de télécharger les fichiers de conception et de commencer à les utiliser dans vos propres conceptions.

Commencer avec un convertisseur Flyback

Le design du convertisseur Flyback que je vais montrer dans ce projet est destiné à convertir une entrée de 120 V AC en une sortie de 3,3 V. Le contrôleur principal qui sera utilisé pour faire fonctionner le convertisseur Flyback est le UCC28881 de Texas Instruments.

Au niveau de base, le dispositif que nous voulons concevoir comprend trois étapes :

1. Entrée AC, protection de circuit et redressement
2. Commutateur de convertisseur Flyback et transformateur
3. Interface de sortie et boucle de rétroaction isolée

Les schémas ci-dessous illustrent chacune de ces trois étapes connectées ensemble pour produire la sortie 3V3. Ce système est censé gérer 1-2 A de courant. Ce système va également maintenir l'isolation fournie par le transformateur, ce qui nécessite un placement soigneux de tous les composants.

Entrée AC

L'entrée menant à notre transformateur contient des composants de protection de circuit et un pont redresseur (BR1). La protection de circuit fournie ici comprend une résistance fusible, varistance à oxyde métallique, et une petite quantité de capacité. Du côté de sortie du pont redresseur, nous avons une diode TVS et une capacité supplémentaire pour réduire l'ondulation due au redressement.

L'objectif de cette section est de redresser l'entrée AC et de fournir une sortie DC semi-stable à la section de commutation tout en fournissant également une protection de circuit. Ici, je n'ai pas ajouté de filtrage EMI, mais cela pourrait être ajouté avec un filtrage passe-bas et quelques chokes (voir ci-dessous). La manière d'ajouter ces éléments dépend de si vous allez conserver la connexion au châssis après l'entrée AC. Pour l'instant, procédons avec une connexion de ligne et neutre et omettons la connexion à la terre.

Circuit de commutation (UCC28881)

Le circuit de commutation est basé sur le numéro de pièce UCC28881, qui est un contrôleur de commutation à drain ouvert incluant une connexion de retour et supportant une large gamme de tensions d'entrée. Le circuit d'amortissement (composé de C1, R1, D1) assure la stabilité pendant la commutation afin que les grands dépassements/creux pendant la commutation puissent être supprimés.

Sortie 3V3 et retour

Le stade de sortie est montré dans l'image ci-dessous. Cela montre comment la sortie est redressée en une sortie DC via D2 et finalement stabilisée avec quelques condensateurs. La section de sortie inclut des points de test pour une sonde manuelle si désiré, ainsi qu'un bloc de jonction pour attacher des fils volants. Notez que C8 est marqué DNP et est optionnel ; son placement peut fournir une stabilisation supplémentaire si nécessaire et peut facilement être déterminé à partir d'une mesure comparative avec un oscilloscope.

La section de retour utilise un optocoupleur et un régulateur de shunt de précision pour stabiliser l'alimentation à travers l'optocoupleur. Le diviseur de tension R3/R7 polarise la broche REF sur le régulateur LMV431AIMF à 1,244 V. Les passifs supplémentaires fournissent un filtrage/stabilité lorsque le système est polarisé ON et le LMV431AIMF bascule également de OFF à ON. Le diviseur de tension R2/R4 polarise l'optocoupleur à la tension et au courant corrects, et il ne permettra le passage du courant que lorsque le LMV431AIMF est polarisé ON.

Conception et sélection du transformateur

Les convertisseurs Flyback utilisent un transformateur et son inductance côté primaire afin de monter/descendre la tension d'entrée et réguler la tension de sortie. Ce sont des régulateurs à découpage qui utilisent l'inductance côté primaire comme un convertisseur buck typique utiliserait un inducteur régulier. 

Pour dimensionner correctement le transformateur, nous devons déterminer le cycle de travail requis, les inductances de bobine et les courants de crête. D'abord, nous devons déterminer le rapport de transformation pour T1, qui dépend de la tension de sortie souhaitée (Vout) et de la chute de tension directe de la diode (Vdiode, mesurée sur D2 ci-dessus). Cela déterminera également le cycle de travail pour le commutateur :

Si vous avez un transformateur disponible dans le commerce qui a un rapport de transformation spécifié, alors la tension de flyback peut être déterminée. Ou, si vous voulez que votre commutateur fonctionne à un cycle de travail spécifique, alors vous pouvez déterminer la tension de flyback et ainsi le rapport de transformation requis.

Ensuite, nous pouvons déterminer le commutage maximal requis étant donné la capacité maximale du cycle de travail et le courant de sortie cible.

Ensuite, pour aider à dimensionner le transformateur, il y a une exigence concernant le courant de crête :

Le défi lors de la conception du transformateur pour un convertisseur flyback est de trouver un transformateur qui équilibre le facteur de forme, la valeur d'inductance, le rapport de transformation et la limite de courant admissible. La plupart des transformateurs disponibles sur le marché ne répondent qu'à 2 ou 3 de ces exigences. D'après ce que j'ai vu, la plupart de ces transformateurs disponibles sur le marché offrent le rapport de transformation et la capacité de courant nécessaires, mais ils ne fournissent pas le facteur de forme requis.

Cela signifie que vous pourriez avoir besoin de concevoir un transformateur sur mesure ou de travailler avec un assembleur pour construire un transformateur personnalisé. Il existe des composants de noyau et de bobine disponibles qui peuvent être utilisés pour assembler un transformateur personnalisé qui répondra à vos spécifications d'inductance et de rapport de transformation dans un facteur de forme spécifique. Vous devrez assembler soigneusement un transformateur personnalisé ou contracter avec un fournisseur pour faire assembler le composant.

Le design présenté ci-dessous utilisera un insert de noyau TDK (PN: B66417G0000X149) et un support de bobine TDK (PN: B66418W1008D001), qui est une pièce traversante qui pourrait permettre un point milieu si souhaité. Basé sur la tension de sortie cible de 3,3 V et une fréquence de commutation raisonnable de 62 kHz pour le UCC28881, le rapport de transformation requis est de 69:4 et l'inductance primaire est de 984 uH. Le courant de crête admissible n'a pas besoin d'être excessivement grand pour un module convertisseur flyback de faible puissance, ce qui permet un petit diamètre de fil de 26 AWG pour les enroulements. Le courant primaire de crête attendu est de 0,44 A.

Disposition PCB

La disposition PCB est présentée dans cette section et elle est relativement simple à comprendre. L'objectif ici est d'illustrer comment maintenir l'isolation requise pour ce convertisseur DC/DC et comment l'implémenter dans un facteur de forme de module.

Le placement initial est présenté ci-dessous, et la limite d'isolation est marquée à l'aide de la ligne pointillée blanche. Tous les composants traversants de grande taille ont été placés sur la couche supérieure, tandis que les composants SMD plus petits ont été placés sur la couche inférieure. L'entrée AC sera connectée à l'aide de fils volants qui se soudent à des trous métallisés (côté gauche), et la sortie de 3,3 V est prise à partir d'un bloc de terminaux à 2 vis (côté droit).

Le CI qui traverse la barrière d'isolation est l'optocoupleur (U2). Celui-ci se connecte directement au commutateur UCC28881 (U1) et complète la boucle de rétroaction. Le placement de l'optocoupleur est tel qu'il assure un écart d'isolation constant près du milieu du PCB.

Pour commencer le routage, j'ai d'abord défini des dégagements qui assurent un espacement suffisamment grand entre les pièces dans la conception selon les normes IPC-2221. Vous pouvez calculer ces dégagements nécessaires en utilisant les données présentées dans cet article. Les dégagements que j'utilise supposent une entrée de 120 V AC du côté primaire.

Ensuite, le routage est complété avec des pistes assez larges pour assurer une capacité de gestion du courant suffisante sur les côtés primaire et secondaire. Notez qu'il y a un écart assez grand autour des pistes d'entrée de puissance (phase et neutre), qui pourrait être une région où le bruit est reçu/émis. Il peut être souhaitable d'utiliser de plus grands polygones comme versements pour limiter la génération et la réception de bruit à basse fréquence.

Maintenant, nous pouvons dessiner les polygones restants pour fournir la mise à la terre pour la sortie et le commutateur. Ceux-ci sont dessinés ci-dessous. J'ai également nettoyé le marquage pour éviter les erreurs de dégagement et les chevauchements de désignateurs. Les grandes sections de cuivre montrées ci-dessous fournissent à la fois la mise à la terre pour le commutateur pour aider à assurer le blindage, et cela fournira la capacité de gestion du courant pour BR1.

Cela complète tout le routage et le nettoyage requis pour la conception. Le transformateur est un élément de commutation qui pourrait être plutôt bruyant, et s'attaquer à ce problème est l'un des changements potentiels qui pourraient être mis en œuvre dans la conception.

Idées pour développer cette conception

Au niveau le plus basique, ce circuit sera fonctionnel et montrera une haute efficacité. Il possède tous les éléments de base nécessaires pour que la conception fonctionne comme un module régulateur AC-DC. Bien sûr, j'aime toujours faire une courte section sur comment la conception pourrait être améliorée ou développée. Les idées que je liste ci-dessous ne sont pas des exigences pour la fonctionnalité, bien qu'elles puissent aider à rendre la conception meilleure d'un point de vue CEM ou de fiabilité.

• Ajouter un condensateur de type Y entre GND-P et GND
• Placer des selfs sur les côtés entrée et sortie si le bruit en mode commun est un problème
• Ajouter une découpe entre le transformateur et les pattes de l'optocoupleur pour dénoter clairement la région d'isolation
• Ajouter un secondaire supplémentaire et changer le rapport de bobinage pour produire un module à double rail
• Si placé dans un boîtier métallisé, ajouter un anneau de garde de châssis et une connexion à la terre
• Retirer les trous de soudure d'entrée et ajouter une prise standard pour une fiche AC

Pour améliorer la conception pour l'EMI/EMC, les deux premiers points de cette liste sont importants. Concernant le premier point, c'est une manière typique de relier les masses dans une alimentation DC isolée comme cela aide à contrôler les chemins de retour pour les composants de signal haute fréquence provenant de la forme d'onde de commutation. Si il y a un problème avec le rayonnement haute fréquence du côté 3V3, cela peut aider à le supprimer.

Le deuxième point est important en général pour l'EMC. Créer un filtre EMI en amont en utilisant un filtre LC (filtre pi) et placer des selfs sur l'entrée va supprimer le rayonnement en mode commun venant de l'entrée de ligne AC. La sortie se connectera également à des fils ou un câble, et nous aimerions éliminer le rayonnement en mode commun sur ce câble, ce qui peut également nécessiter une self de mode commun.

Pour télécharger les fichiers de projet originaux, suivez ce lien. Ces fichiers sont disponibles sous une licence CC.

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