フライバックコンバータモジュールのPCB設計プロジェクト

ACを中程度の電圧DCに変換し、同時に絶縁を提供する電子製品をお持ちの場合、ほとんどの場合、フライバックコンバーターを使用していることでしょう。フライバックDC/DCコンバーターは、DC出力が必要なAC接続システムで大きなステップダウンを提供しますが、効率に大きな影響を与えることはありません。このプロジェクトの例では、基本的なフライバックコンバーターモジュールの設計方法を、回路図とPCBレイアウトの両方で示します。

フライバックコンバーターにはトランスが必要で、使用するトランスがデバイスのステップダウンレベルと電流処理能力を決定します。フライバックコンバーター設計の大きな部分はトランスの設計と選択であり、カスタムトランスの使用を余儀なくされることがあります。このプロジェクトでこれがどのように生じるかを見ていきます。この記事の最後には、設計ファイルをダウンロードして、自分の設計で使用する機会があります。

フライバックコンバーターの始め方

このプロジェクトで示すフライバックコンバーター設計は、120V AC入力を3.3V出力に変換することを目的としています。フライバックコンバーターを動作させるために使用される主なコントローラーは、テキサス・インスツルメンツのUCC28881です。

基本的に、設計したいデバイスには次の3つの段階が含まれます：

1. AC入力、回路保護、および整流
2. フライバックコンバータースイッチャーとトランス
3. 出力インターフェースと絶縁されたフィードバックループ

以下に示す回路図は、これら3つの段階が接続されて3V3出力を生成することを示しています。このシステムは、1-2Aの電流を処理することが期待されています。このシステムは、トランスによって提供される絶縁を維持するために、すべてのコンポーネントの慎重な配置が必要です。

AC入力

トランスに導入される入力には、回路保護コンポーネントとブリッジ整流器（BR1）が含まれています。ここで提供される回路保護には、ヒューズ抵抗、金属酸化バリスタ、および少量のキャパシタンスが含まれます。ブリッジ整流器の出力側には、TVSダイオードと整流からのリップルを減少させるための追加のキャパシタンスがあります。

このセクションの目的は、入力ACを整流し、スイッチャーセクションに半安定のDC出力を提供すると同時に、回路保護を提供することです。ここではEMIフィルタリングを追加していませんが、ローパスフィルタリングといくつかのチョークを使用して追加することができます（以下参照）。これらの要素を追加する方法は、AC入力後にシャーシ接続を維持するかどうかによって異なります。今のところ、ラインとニュートラル接続を進め、アース接続は省略しましょう。

スイッチャー回路（UCC28881）

スイッチング回路は、部品番号UCC28881に基づいており、これはフィードバック接続を含むオープンドレインスイッチングコントローラで、広い入力電圧範囲をサポートしています。スナバ回路（C1、R1、D1で構成）はスイッチング中の安定性を提供し、スイッチング中の大きなオーバーシュート/アンダーシュートを抑制できます。

3V3出力とフィードバック

下の画像に出力段階が示されています。これは、出力がD2を介してDC出力に整流され、最終的にいくつかのキャパシタで安定化される様子を示しています。出力セクションには、必要に応じて手動でプロービングするためのテストポイントと、フライングリードを取り付けるための端子ブロックが含まれています。C8はDNPとマークされており、オプションです。必要に応じてさらなる安定化を提供することができ、スコープでの比較測定から簡単に決定できます。

フィードバックセクションは、オプトカプラーと精密シャントレギュレータを使用して、オプトカプラーを介して電力を安定化します。抵抗分割器R3/R7は、LMV431AIMFレギュレータのREFピンを1.244 Vにバイアスします。追加のパッシブ部品は、システムがONにバイアスされたときのフィルタリング/安定化を提供し、LMV431AIMFもOFFからONに切り替わります。R2/R4の電圧分割器は、オプトカプラーを正しい電圧と電流にバイアスし、LMV431AIMFがONにバイアスされたときにのみ電流の流れを許可します。

トランスフォーマーの設計と選択

フライバックコンバータは、入力電圧をステップアップ/ダウンし、出力電圧を調整するためにトランスフォーマーとその一次側インダクタンスを使用します。これらは、一般的なバックコンバータが通常のインダクタを使用するように、一次側インダクタンスを使用するスイッチングレギュレータです。

トランスフォーマーを適切にサイズ設定するには、必要なデューティサイクル、コイルインダクタンス、およびピーク電流を決定する必要があります。まず、所望の出力電圧（Vout）とダイオードの順方向電圧降下（上記のD2で測定されるVdiode）に依存するT1の巻数比を決定する必要があります。これにより、スイッチャーのデューティサイクルも決定されます：

指定された巻数比を持つ市販のトランスフォーマーを持っている場合、フライバック電圧を決定できます。または、特定のデューティサイクルでスイッチャーを動作させたい場合は、フライバック電圧を決定し、それによって必要な巻数比を決定できます。

次に、最大デューティサイクル能力と目標出力電流を考慮して、必要な最大スイッチングを決定できます。

次に、トランスのサイズを決定するために、ピーク電流に関する要件があります：

フライバックコンバーター用のトランスを設計する際の課題は、フォームファクター、インダクタンス値、巻数比、および電流処理限界をバランスさせるトランスを見つけることです。市販されているほとんどのトランスは、これらの要件の2つまたは3つしか満たしません。私が見たところ、必要な巻数比と電流処理を提供する市販のトランスは多いですが、必要なフォームファクターは提供しません。

これは、カスタムトランスを設計するか、組み立て業者と協力してカスタムトランスを製造する必要があることを意味します。特定のフォームファクターでインダクタンスと巻数比の仕様を満たすカスタムトランスを組み立てるために使用できるコアとボビンのコンポーネントがあります。カスタムトランスを慎重に組み立てるか、ベンダーと契約してコンポーネントを組み立ててもらう必要があります。

以下に示す設計では、TDKコアインサート（PN: B66417G0000X149）とTDKコイルフォーマー（PN: B66418W1008D001）を使用し、これは中心タッピングが可能なスルーホール部品です。UCC28881のための合理的なスイッチング周波数である62 kHzと目標出力電圧3.3 Vに基づいて、必要な巻数比は69:4で、一次インダクタンスは984 uHです。低電力フライバックコンバーターモジュールのため、ピーク電流処理は過度に大きくする必要はなく、巻線には26 AWGの小径ワイヤーが使用されます。予想されるピーク一次電流は0.44 Aです。

PCBレイアウト

このセクションではPCBレイアウトが示されており、このレイアウトへのアプローチを理解するのは比較的簡単です。ここでの目標は、このDC/DCコンバーターに必要な絶縁を維持する方法と、これをモジュールフォームファクターで実装する方法を示すことです。

初期配置は以下に示され、絶縁境界は点線の白線を使用してマークされています。すべての大きなスルーホールコンポーネントは上層に配置され、より小さなSMDコンポーネントは下層に配置されています。AC入力は飛び出しリードを使用して接続され、はんだ付けされた穴（左側）にはんだ付けされ、3.3 V出力は2スクリューターミナルブロック（右側）から取り出されます。

絶縁バリアをまたいでいるICはオプトカプラ（U2）です。これは直接UCC28881スイッチャー（U1）に接続され、フィードバックループを完成させます。オプトカプラの配置は、PCBの中央付近で一貫した絶縁ギャップを確保するようになっています。

ルーティングを開始するにあたり、まずIPC-2221基準に従って、設計内の部品間に十分な大きさのクリアランスを確保するためのいくつかのクリアランスを設定しました。この記事に示されているデータを使用して、必要なクリアランスを計算できます。私が使用するクリアランスは、一次側に120V AC入力を想定しています。

次に、一次側と二次側で十分な電流処理能力を確保するために、やや大きなトレースでルーティングが完了します。電源入力トレース（ラインとニュートラル）の周りにはかなり大きなギャップがあり、これはノイズが受信/発信される可能性のある領域かもしれません。低周波でのノイズ生成と受信を制限するために、より大きなポリゴンをプアとして使用することが望ましいかもしれません。

これで、出力とスイッチャーのためのグラウンドを提供する残りのポリゴンを描くことができます。以下に示されています。また、シルクスクリーンをクリーンアップして、クリアランスエラーや重複するデザイネーターを防ぎました。以下に示されている大きな銅のセクションは、スイッチャーのシールドを確保するのに役立つだけでなく、BR1の電流処理能力を提供します。

これで、設計に必要なすべてのルーティングとクリーンアップが完了しました。トランスフォーマーはかなりノイズが多いスイッチング要素であり、設計に実装される可能性のある変更の一つです。

この設計を拡張するためのアイデア

最も基本的なレベルでは、この回路は機能し、高い効率を示します。AC-DCレギュレーターモジュールとして機能するために必要な基本要素がすべて揃っています。もちろん、設計を改善または拡張する方法についての短いセクションを行うのが好きです。以下にリストするアイデアは機能性の要件ではありませんが、EMCの観点や信頼性の観点から設計をより良くするのに役立つかもしれません。

• GND-PとGNDの間にY型キャパシタを追加する
• 共通モードノイズが問題であれば、入力側と出力側にチョークを配置する
• トランスフォーマーとオプトカプラーのリードの間にカットアウトを追加して、絶縁領域を明確に示す
• 追加のセカンダリタップを追加し、巻線比を変更してデュアルレールモジュールを生成する
• 金属化されたエンクロージャに配置される場合は、シャーシガードリングとアースへの接続を追加する
• 入力のはんだ穴を取り除き、ACプラグ用の標準レセプタクルを追加する

EMI/EMCの設計を改善するために、リストの最初の2点が重要です。最初の点に関しては、これはスイッチング波形から発生する高周波信号成分のリターンパスを制御するのに役立つため、絶縁されたDC電源でグラウンドをブリッジする典型的な方法です。3V3側からの高周波放射が問題である場合、これにより抑制できます。

第二の点は一般的にEMCにとって重要です。LCフィルター（πフィルター）を使用してフロントエンドEMIフィルターを作成し、入力にチョークを配置することで、ACライン入力から来る共通モード放射を抑制します。出力もワイヤーやケーブルに接続され、そのケーブル上の共通モード放射も排除したいと考えていますが、これには共通モードチョークが必要になる場合があります。

オリジナルのプロジェクトファイルをダウンロードするには、このリンクに従ってください。これらのファイルはCCライセンスの下で利用可能です。

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