Progettazione del convertitore risonante LLC e layout PCB

I convertitori CC-CC possono risultare difficili da progettare e persino rivelarsi pericolosi, soprattutto se si considerano i convertitori a commutazione con alta corrente all'uscita. Tra i vari tipi di convertitori a commutazione e le relative topologie, i progetti di convertitori risonanti LLC (resonant LLC converter) non vengono spesso discussi finché non si esaminano le note applicative delle aziende di elettronica di potenza. Questi convertitori sono parti chiave di sistemi ad alta potenza come: banchi LED, elettrodomestici, alimentatori di desktop e server e molti altri sistemi di conversione di potenza.

Una volta esaminati gli algoritmi di controllo e i metodi per implementare un ciclo di feedback, un progetto di convertitore risonante LLC inizia a dimostrare il suo valore. È possibile implementare lo stesso tipo di algoritmo di controllo utilizzabile per un convertitore buck-boost per adattare un alimentatore con abbassamento o ondulazione eccessiva, ma è possibile ottenere potenze di uscita più elevate con questo tipo di convertitore a commutazione isolata. Quando hai tutto pronto per creare il layout PCB per questi sistemi, ci sono alcuni punti da ricordare per la sicurezza, la gestione del calore e l'eliminazione del rumore.

Progettazione di un resonant LLC converter

Un resonant LLC converter è un convertitore a commutazione isolato che controlla la tensione di uscita selezionando la frequenza appropriata per un segnale di commutazione. A differenza di un convertitore di commutazione standard (ad esempio, topologia buck o boost), in cui l'uscita è controllata attraverso il ciclo di lavoro di un segnale di commutazione. Questi sistemi godono di molte applicazioni ad alta potenza, anche in sistemi con ingresso di rete AC.

Lo schema a blocchi sottostante mostra le varie parti di un convertitore risonante LLC. La fase di ingresso del convertitore è generalmente costituita da un raddrizzatore, una fase di condizionamento dell'alimentazione (circuito PFC) e un banco di condensatori di livellamento. Se abbiamo a che fare con la rete CA, qui è possibile posizionare un filtro EMI. Occorre notare che la fase PFC non è strettamente necessaria per un progetto di convertitore risonante LLC, ma manterrà elevata l'efficienza della conversione di potenza, proprio come in qualsiasi altro regolatore di commutazione.

Commutazione Full Bridge vs. Half Bridge

L'elemento di commutazione in un design di resonant LLC converter è disponibile in due configurazioni possibili. In un circuito di commutazione a ponte completo, abbiamo 4 MOSFET, mentre un circuito di commutazione a semi ponte ha 2 MOSFET. Questi elementi si accendono e si spengono nello stesso modo in cui i diodi di un raddrizzatore a ponte passano dalla polarizzazione diretta a quella inversa quando vengono alimentati con corrente alternata. In questo caso, il ponte intero occuperà generalmente più spazio e genererà più rumore. Personalmente, preferisco un circuito di commutazione a semi ponte in quanto il condensatore necessario per il controllo della frequenza può essere posizionato direttamente nel circuito a semi ponte (C1 e C2).

Rettifica dell'output

La rettifica sul lato di output può essere applicata in diversi modi. L'obiettivo qui è controllare la direzione della corrente in modo che l'uscita sia sempre DC. I condensatori sul lato di uscita attenueranno qualsiasi ondulazione quando la sezione del ponte cambia. Nei convertitori LLC più semplici, la rettifica dell'uscita è fornita dai diodi, mentre la progettazione del convertitore risonante LLC a corrente più elevata può utilizzare i MOSFET per fornire la rettifica sul lato di uscita.

Controllo dell'output

L'uscita viene impostata selezionando il rapporto delle spire appropriato sul trasformatore, proprio come faresti con un circuito CA. Tuttavia, l'ordine di grandezza della tensione visualizzata sul lato principale del trasformatore è controllata regolando la frequenza di un segnale di guida inviato al circuito di commutazione. Questo segnale di guida è un segnale a modulazione di frequenza dell'impulso (PFM) con un ciclo di lavoro di circa il 50%.

Il circuito a serbatoio risonante LC avrà un certo guadagno, poiché l'unica resistenza presente nel circuito è la resistenza di stato dei MOSFET e la resistenza di avvolgimento delle bobine del trasformatore/induttore. I valori di guadagno tipici sono compresi tra 1 e 1,5. Man mano che l'alimentazione di uscita scende, il driver deve regolare la frequenza del segnale PFM e avvicinare il sistema alla risonanza. In questo modo, la potenza di uscita può essere aumentata sfruttando il guadagno appena sufficiente sul lato primario del trasformatore.

Questo tipo di metodo di controllo è abbastanza semplice da implementare con un anello di retroazione, un circuito di rilevamento della corrente o della tensione e un'unità MCU, come mostrato nella figura 3. Esistono anche PMIC integrati in grado di fornire questa funzionalità di rilevamento e il segnale di impulsi necessario per azionare il circuito a ponte. Generalmente è necessario un optoaccoppiatore per rilevare l'uscita e trasmetterla all'ingresso per la regolazione della frequenza di commutazione, consentendo di ritrasmettere un'uscita rilevata al lato principale mantenendo l'isolamento. Dopo aver terminato la progettazione dei circuiti e selezionato tutti i componenti richiesti, dovrai pensare a come inserire tutto nel tuo layout PCB.

Posizionamento dei componenti nel layout PCB

Poiché i progetti di LLC converter sono normalmente utilizzati in sistemi a tensione moderatamente elevata, è necessario seguire alcuni suggerimenti di base per la progettazione:

• Trasformatore di uscita: segui le best practice per gli alimentatori CC isolati quando posizioni il trasformatore finale. Il trasformatore isolerà il lato ad alta tensione dall'uscita, ma occorre fare attenzione: un operatore potrebbe comunque essere esposto all'alta tensione del circuito di retroazione.
• Rettificatore MOSFET: per i sistemi con alta corrente all'uscita, è possibile utilizzare MOSFET sul lato di uscita per fornire la rettifica di correnti elevate. Un gruppo di MOSFET potrebbe anche essere utilizzato in parallelo sul lato di uscita per fornire una corrente elevata senza rischiare guasti. 
• Autorizzazioni: se operi ad alta tensione, sfrutta le regole di progettazione delle distanze negli strumenti di progettazione PCB. Dovrai assicurarti che la scheda non violi gli standard di sicurezza relativi alle distanze tra i conduttori con un'elevata differenza di potenziale.
• Isolamento: come accennato brevemente in precedenza, l'isolamento deve essere mantenuto ritrasmettendo l'uscita rilevata al pin di feedback sul circuito integrato del controller utilizzando un optoaccoppiatore. Il trasformatore dovrà inoltre fornire un certo livello di tensione di isolamento fino a un certo limite di frequenza/tensione, che potrebbe essere specificato negli standard di settore (IEC o UL) o nelle normative.

Come nel caso della maggior parte dei sistemi ad alta potenza, il layout richiederà molto probabilmente dissipatori di calore, ventole o entrambi, montati su componenti particolari. Per qualcosa come una scheda LED, che potrebbe funzionare a 500 W o più, la soluzione migliore è utilizzare un PCB con anima in metallo poiché è in grado di fornire una naturale dissipazione del calore. Anche i via termici (fori di dissipazione) sui pad critici possono essere d'aiuto in questo caso, scaricando il calore su un layer piano.

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