Progetto di PCB per Modulo Convertitore Flyback

Se hai un prodotto elettronico che converte l'AC in un DC di tensione moderata fornendo anche isolamento, allora molto probabilmente stai utilizzando un convertitore flyback. I convertitori DC/DC flyback offrono le grandi riduzioni richieste nei sistemi collegati all'AC che richiedono anche un'uscita DC, ma senza un grande impatto sull'efficienza. In questo esempio di progetto, mostrerò come progettare un modulo convertitore flyback di base, sia negli schemi che in un layout PCB.

I convertitori flyback richiedono un trasformatore, e il trasformatore che utilizzi determinerà il livello di riduzione e la gestione della corrente che il dispositivo può gestire. Una grande parte della progettazione del convertitore flyback è la progettazione e la selezione del trasformatore, che potrebbe costringerti a utilizzare un trasformatore personalizzato. Vedremo come questo emerge in questo progetto. Alla fine di questo articolo, avrai la possibilità di scaricare i file di progetto e iniziare a utilizzarli nei tuoi design.

Iniziare con un Convertitore Flyback

Il design del convertitore flyback che mostrerò in questo progetto è destinato a convertire un ingresso di 120 V AC in un'uscita di 3,3 V. Il controller primario che verrà utilizzato per gestire il convertitore flyback è il UCC28881 di Texas Instruments.

A livello base, il dispositivo che vogliamo progettare include tre fasi:

1. Ingresso AC, protezione del circuito e rettificazione
2. Interruttore convertitore flyback e trasformatore
3. Interfaccia di uscita e loop di feedback isolato

Gli schemi mostrati di seguito illustrano ciascuna di queste tre fasi collegate insieme per produrre l'uscita 3V3. Questo sistema dovrebbe gestire 1-2 A di corrente. Questo sistema manterrà anche l'isolamento fornito dal trasformatore, che richiede un posizionamento attento di tutti i componenti.

Ingresso AC

L'ingresso che porta al nostro trasformatore contiene componenti di protezione del circuito e un ponte raddrizzatore (BR1). La protezione del circuito fornita qui include una resistenza fusibile, varistore di ossido metallico, e una piccola quantità di capacità. Sul lato di uscita del ponte raddrizzatore, abbiamo un diodo TVS e ulteriore capacità per ridurre l'ondulazione dalla rettificazione.

L'obiettivo di questa sezione è rettificare l'ingresso AC e fornire un'uscita DC semi-stabile alla sezione dell'interruttore, fornendo anche protezione del circuito. Qui, non ho aggiunto la filtrazione EMI, ma questa potrebbe essere aggiunta con filtraggio passa-basso e alcune bobine (vedi sotto). Come aggiungere questi elementi dipende dal fatto che manterrai o meno la connessione al telaio dopo l'ingresso AC. Per ora, procediamo con una connessione di linea e neutro e omettiamo la connessione a terra.

Circuito Interruttore (UCC28881)

Il circuito di commutazione si basa sul numero di parte UCC28881, che è un controllore di commutazione a drenaggio aperto che include una connessione di feedback e supporta un ampio intervallo di tensioni di ingresso. Il circuito di smorzamento (composto da C1, R1, D1) fornisce stabilità durante la commutazione in modo che grandi sovratensioni/sottotensioni durante la commutazione possano essere soppressi.

Uscita 3V3 e Feedback

La fase di uscita è mostrata nell'immagine sottostante. Questo mostra come l'uscita viene raddrizzata a un'uscita DC tramite D2 e infine stabilizzata con alcuni condensatori. La sezione di uscita include alcuni punti di prova per il sondaggio manuale se desiderato, così come un blocco terminale per attaccare fili volanti. Si noti che C8 è marcato DNP ed è opzionale; il suo posizionamento può fornire ulteriore stabilizzazione se necessario e può essere facilmente determinato da una misurazione comparativa con un oscilloscopio.

La sezione di feedback utilizza un optoaccoppiatore e un regolatore di shunt di precisione per stabilizzare l'alimentazione attraverso l'optoaccoppiatore. Il divisore di tensione R3/R7 polarizza il pin REF sul regolatore LMV431AIMF a 1,244 V. I passivi aggiuntivi forniscono filtraggio/stabilità quando il sistema è polarizzato ON e il LMV431AIMF passa anche da OFF a ON. Il divisore di tensione R2/R4 polarizza l'optoaccoppiatore alla corretta tensione e corrente, e permetterà il flusso di corrente solo quando LMV431AIMF è polarizzato ON.

Progettazione e Selezione del Trasformatore

I convertitori flyback utilizzano un trasformatore e la sua induttanza lato primario per aumentare/diminuire la tensione di ingresso e regolare la tensione di uscita. Sono regolatori di commutazione che utilizzano l'induttanza lato primario come un tipico convertitore buck utilizzerebbe un induttore regolare.

Per dimensionare correttamente il trasformatore, dobbiamo determinare il ciclo di lavoro richiesto, le induttanze delle bobine e le correnti di picco. Prima, dobbiamo determinare il rapporto di trasformazione per T1, che dipende dalla tensione di uscita desiderata (Vout) e dalla caduta di tensione in avanti del diodo (Vdiode, misurata su D2 sopra). Questo determinerà anche il ciclo di lavoro per il commutatore:

Se si dispone di un trasformatore commerciale che ha un rapporto di trasformazione specificato, allora la tensione di flyback può essere determinata. Oppure, se si desidera che il commutatore funzioni a un ciclo di lavoro specifico, allora si può determinare la tensione di flyback e quindi il rapporto di trasformazione richiesto.

Successivamente, possiamo determinare la massima commutazione richiesta data la capacità massima del ciclo di lavoro e la corrente di uscita target.

In seguito, per aiutare a dimensionare il trasformatore, c'è un requisito sulla corrente di picco:

La sfida nella progettazione del trasformatore per un convertitore flyback è trovare un trasformatore che bilanci il fattore di forma, il valore dell'induttanza, il rapporto di trasformazione e il limite di corrente gestibile. La maggior parte dei trasformatori che si acquistano già pronti soddisferà solo 2 o 3 di questi requisiti. Da quello che ho visto, la maggior parte di questi trasformatori già pronti che offrono il rapporto di trasformazione e la gestione della corrente richiesti, ma non daranno il fattore di forma richiesto.

Questo significa che potrebbe essere necessario progettare un trasformatore personalizzato o lavorare con un assemblatore per costruire un trasformatore personalizzato. Ci sono componenti di nucleo e bobina disponibili che possono essere utilizzati per assemblare un trasformatore personalizzato che soddisferà le vostre specifiche di induttanza e rapporto di trasformazione in un fattore di forma specifico. Sarà necessario assemblare con cura un trasformatore personalizzato o stipulare un contratto con un fornitore per avere il componente assemblato.

Il design mostrato di seguito utilizzerà un inserto di nucleo TDK (PN: B66417G0000X149) e un supporto per bobina TDK (PN: B66418W1008D001), che è un componente passante che potrebbe permettere un tapping centrale se desiderato. Basandosi sulla tensione di uscita target di 3,3 V e su una frequenza di commutazione ragionevole di 62 kHz per l'UCC28881, il rapporto di trasformazione richiesto è 69:4 e l'induttanza primaria è 984 uH. La gestione della corrente di picco non deve essere eccessivamente grande per un modulo convertitore flyback a bassa potenza, il che consente un piccolo diametro del filo di 26 AWG per le avvolgimenti. La corrente primaria di picco prevista è 0,44 A.

Layout PCB

Il layout del PCB è mostrato in questa sezione ed è relativamente semplice comprendere l'approccio a questo layout. L'obiettivo qui è illustrare come mantenere l'isolamento richiesto per questo convertitore DC/DC e come implementarlo in un fattore di forma modulare.

La disposizione iniziale è mostrata di seguito, e il confine di isolamento è segnato usando la linea tratteggiata bianca. Tutti i componenti passanti di grandi dimensioni sono stati posizionati sullo strato superiore, mentre i componenti SMD più piccoli sono stati posizionati sullo strato inferiore. L'ingresso AC sarà collegato utilizzando cavi volanti che si saldano a fori metallizzati (lato sinistro), e l'uscita di 3,3 V è presa da un blocco terminale a 2 viti (lato destro).

Il componente IC che attraversa la barriera di isolamento è l'optoaccoppiatore (U2). Questo si collega direttamente allo switcher UCC28881 (U1) e completa il ciclo di feedback. La posizione dell'optoaccoppiatore è tale da garantire un costante spazio di isolamento vicino al centro del PCB.

Per iniziare il routing, ho prima impostato alcune distanze di sicurezza che assicurano un ampio spazio tra le parti nel design secondo gli standard IPC-2221. Puoi calcolare queste distanze di sicurezza utilizzando i dati mostrati in questo articolo. Le distanze che utilizzo presuppongono un ingresso AC di 120 V sul lato primario.

In seguito, il routing viene completato con tracce piuttosto larghe per garantire una sufficiente capacità di gestione della corrente sui lati primario e secondario. Si noti che c'è un'ampia distanza intorno alle tracce di ingresso di potenza (linea e neutro), che potrebbe essere una regione dove si riceve/emette rumore. Potrebbe essere desiderabile utilizzare poligoni più grandi come riempimenti per limitare la generazione e la ricezione di rumore a basse frequenze.

Ora possiamo disegnare i poligoni rimanenti per fornire la terra all'uscita e allo switcher. Questi sono disegnati qui sotto. Ho anche pulito il serigrafato per prevenire errori di distanza e sovrapposizioni di designatori. Le grandi sezioni di rame mostrate qui sotto forniscono sia la terra per lo switcher per garantire lo schermaggio, sia la capacità di gestione della corrente per BR1.

Questo completa tutto il routing e la pulizia necessari per il design. Il trasformatore è un elemento di commutazione che potrebbe essere piuttosto rumoroso, e affrontare questo è uno dei potenziali cambiamenti che potrebbero essere implementati nel design.

Idee per Espandere Questo Design

Al suo livello più basilare, questo circuito sarà funzionale e mostrerà un'alta efficienza. Ha tutti gli elementi di base necessari affinché il design funzioni come un modulo regolatore da AC a DC. Naturalmente, mi piace sempre fare una breve sezione su come il design potrebbe essere migliorato o espanso. Le idee che elenco di seguito non sono requisiti per la funzionalità, sebbene possano aiutare a rendere il design migliore da un punto di vista EMC o di affidabilità.

• Aggiungi un condensatore di tipo Y tra GND-P e GND
• Posiziona induttori sul lato di ingresso e uscita se il rumore in modo comune è un problema
• Aggiungi un'incisione tra il trasformatore e i terminali dell'optoisolatore per denotare chiaramente la regione di isolamento
• Aggiungi un ulteriore rubinetto secondario e cambia il rapporto di avvolgimento per produrre un modulo a doppio binario
• Se posizionato in un involucro metallizzato, aggiungi un anello di guardia del telaio e connessione a terra
• Rimuovi i fori di saldatura dell'ingresso e aggiungi una presa standard per una spina AC

Per migliorare il progetto per EMI/EMC, i primi due punti di quella lista sono importanti. Riguardo al primo punto, questo è un modo tipico per collegare le masse in un alimentatore DC isolato poiché aiuta a controllare i percorsi di ritorno per i componenti del segnale ad alta frequenza originati dalla forma d'onda di commutazione. Se c'è un problema con la radiazione ad alta frequenza dal lato 3V3, questo può aiutare a sopprimerla.

Il secondo punto è importante in generale per EMC. Creare un filtro EMI front-end utilizzando un filtro LC (filtro pi) e posizionando induttori sull'ingresso sopprimerà la radiazione in modo comune proveniente dall'ingresso della linea AC. L'uscita si collegherà anche a fili o un cavo, e vorremmo eliminare la radiazione in modo comune su quel cavo, che potrebbe richiedere anche un induttore in modo comune.

Per scaricare i file originali del progetto, segui questo link. Questi file sono disponibili sotto licenza CC.

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