Projekt PCB modułu przetwornicy typu Flyback

Jeśli posiadasz produkt elektroniczny, który przekształca prąd przemienny (AC) na prąd stały (DC) o umiarkowanym napięciu, zapewniając jednocześnie izolację, to najprawdopodobniej używasz przetwornicy typu flyback. Przetwornice DC/DC typu flyback umożliwiają duże obniżenia napięcia wymagane w systemach podłączonych do prądu przemiennego, które również wymagają wyjścia prądu stałego, ale bez dużego wpływu na efektywność. W tym przykładowym projekcie pokażę, jak zaprojektować podstawowy moduł przetwornicy typu flyback, zarówno w schematach, jak i w układzie PCB.

Przetwornice typu flyback wymagają transformatora, a transformator, którego użyjesz, określi poziom obniżenia napięcia i zdolność do obsługi prądu, jaką urządzenie może obsłużyć. Ważną częścią projektowania przetwornicy typu flyback jest projektowanie i dobór transformatora, co może zmusić Cię do użycia transformatora na zamówienie. Zobaczymy, jak to się pojawia w tym projekcie. Na końcu tego artykułu będziesz miał możliwość pobrania plików projektowych i zacząć używać ich w swoich własnych projektach.

Rozpoczynanie pracy z przetwornicą typu Flyback

Projekt przetwornicy typu flyback, który pokażę w tym projekcie, ma na celu przekształcenie wejścia 120 V AC na wyjście 3,3 V. Głównym kontrolerem, który będzie używany do sterowania przetwornicą typu flyback, jest UCC28881 od Texas Instruments.

Na podstawowym poziomie, urządzenie, które chcemy zaprojektować, obejmuje trzy etapy:

1. Wejście AC, ochrona obwodu i prostowanie
2. Przełącznik przetwornicy typu flyback i transformator
3. Interfejs wyjściowy i izolowana pętla sprzężenia zwrotnego

Schematy pokazane poniżej ilustrują każdy z tych trzech etapów połączonych razem, aby wyprodukować wyjście 3V3. Ten system ma obsługiwać prąd 1-2 A. System ten będzie również utrzymywać izolację zapewnianą przez transformator, co wymaga starannego rozmieszczenia wszystkich komponentów.

Wejście AC

Wejście prowadzące do naszego transformatora zawiera komponenty ochrony obwodu i mostek prostowniczy (BR1). Ochrona obwodu zapewniona tutaj obejmuje rezystor topikowy, warystor tlenkowy i niewielką ilość pojemności. Po stronie wyjściowej mostka prostowniczego mamy diodę TVS i dodatkową pojemność, aby zmniejszyć tętnienia z prostowania.

Celem tej sekcji jest prostowanie wejściowego AC i zapewnienie półstabilnego wyjścia DC do sekcji przełącznika, zapewniając jednocześnie ochronę obwodu. Tutaj nie dodałem filtrowania EMI, ale można je dodać za pomocą filtrowania dolnoprzepustowego i kilku dławików (patrz poniżej). Sposób dodania tych elementów zależy od tego, czy po wejściu AC zachowasz połączenie z obudową. Na razie przejdźmy do połączenia linii i neutralnego i pomińmy połączenie z ziemią.

Obwód przełącznika (UCC28881)

Układ przełączający opiera się na numerze części UCC28881, który jest kontrolerem przełączającym z otwartym drenem, zawierającym połączenie zwrotne i obsługującym szeroki zakres napięć wejściowych. Układ tłumiący (składający się z C1, R1, D1) zapewnia stabilność podczas przełączania, tak aby duże przekroczenia/ubytki napięcia podczas przełączania mogły być tłumione.

Wyjście 3V3 i sprzężenie zwrotne

Na poniższym obrazie pokazano stopień wyjściowy. Pokazuje to, jak wyjście jest prostowane do wyjścia DC za pomocą D2 i ostatecznie stabilizowane za pomocą niektórych kondensatorów. Sekcja wyjściowa zawiera niektóre punkty testowe do ręcznego sondowania, jeśli jest to pożądane, oraz blok zaciskowy do podłączania przewodów latających. Należy zauważyć, że C8 jest oznaczone jako DNP i jest opcjonalne; jego umieszczenie może zapewnić dalszą stabilizację, jeśli jest wymagana i może być łatwo określone na podstawie porównawczego pomiaru z oscyloskopem.

Sekcja sprzężenia zwrotnego używa optoprzekaźnika i precyzyjnego regulatora szeregowego do stabilizacji mocy przez optoprzekaźnik. Dzielnik rezystorowy R3/R7 polaryzuje pin REF na regulatorze LMV431AIMF do 1,244 V. Dodatkowe elementy pasywne zapewniają filtrację/stabilność, gdy system jest spolaryzowany w stanie ON, a LMV431AIMF również przełącza się z OFF na ON. Dzielnik napięcia R2/R4 polaryzuje optoprzekaźnik do odpowiedniego napięcia i prądu, i będzie on pozwalał na przepływ prądu tylko, gdy LMV431AIMF jest spolaryzowany w stanie ON.

Projektowanie i dobór transformatora

Przetwornice flyback używają transformatora i jego pierwotnej indukcyjności w celu podniesienia/obniżenia napięcia wejściowego i regulacji napięcia wyjściowego. Są to regulatory przełączające, które używają pierwotnej indukcyjności tak, jak typowy przetwornik buck używałby zwykłego induktora. 

Aby odpowiednio dobrać transformator, musimy określić wymagany cykl pracy, indukcyjności cewek i maksymalne prądy szczytowe. Najpierw musimy określić stosunek zwojów dla T1, który zależy od pożądanego napięcia wyjściowego (Vout) i spadku napięcia przewodzenia diody (Vdiode, zmierzonego na D2 powyżej). To również określi cykl pracy dla przełącznika:

Jeśli masz transformator dostępny w sprzedaży, który ma określony stosunek zwojów, wtedy można określić napięcie flyback. Lub, jeśli chcesz, aby Twój przełącznik pracował przy określonym cyklu pracy, wtedy możesz określić napięcie flyback, a tym samym wymagany stosunek zwojów.

Następnie możemy określić wymagany maksymalny przełącznik biorąc pod uwagę maksymalną zdolność cyklu pracy i docelowy prąd wyjściowy.

Następnie, aby pomóc w doborze transformatora, istnieje wymaganie dotyczące maksymalnego prądu:

Wyzwaniem przy projektowaniu transformatora do przetwornicy flyback jest znalezienie transformatora, który zrównoważy formę, wartość indukcyjności, stosunek zwojów i limit prądowy. Większość transformatorów dostępnych od ręki spełnia tylko 2 lub 3 z tych wymagań. Z tego, co widziałem, większość tych transformatorów dostępnych od ręki oferuje wymagany stosunek zwojów i limit prądowy, ale nie zapewniają wymaganej formy.

Oznacza to, że możesz potrzebować zaprojektować transformator na zamówienie lub współpracować z montażystą, aby zbudować transformator na zamówienie. Dostępne są komponenty rdzenia i szpuli, które można wykorzystać do zmontowania transformatora na zamówienie, który spełni Twoje specyfikacje indukcyjności i stosunku zwojów w określonej formie. Będziesz musiał starannie zmontować transformator na zamówienie lub zawrzeć umowę z dostawcą na zmontowanie komponentu.

Projekt pokazany poniżej będzie używał wkładki rdzenia TDK (PN: B66417G0000X149) i formiera cewki TDK (PN: B66418W1008D001), który jest częścią przelotową, która może umożliwić odczep środkowy, jeśli jest to pożądane. Bazując na docelowym napięciu wyjściowym 3,3 V i rozsądnym częstotliwości przełączania 62 kHz dla UCC28881, wymagany stosunek zwojów to 69:4, a indukcyjność pierwotna to 984 uH. Maksymalny prąd nie musi być zbyt duży dla modułu przetwornicy flyback o niskiej mocy, co pozwala na użycie cienkiego drutu o średnicy 26 AWG do nawijania. Oczekiwany maksymalny prąd pierwotny to 0,44 A.

Układ PCB

Układ PCB jest pokazany w tej sekcji i jest stosunkowo prosty do zrozumienia podejścia do tego układu. Celem tutaj jest zilustrowanie, jak utrzymać wymaganą izolację dla tego przetwornika DC/DC i jak zaimplementować to w formie modułu.

Początkowe rozmieszczenie jest pokazane poniżej, a granica izolacji jest oznaczona przerywaną białą linią. Wszystkie duże komponenty przelotowe zostały umieszczone na górnej warstwie, podczas gdy mniejsze komponenty SMD zostały umieszczone na dolnej warstwie. Wejście AC będzie podłączone za pomocą przewodów latających, które są lutowane do otworów pokrytych (lewa strona), a wyjście 3,3 V jest pobierane z bloku zaciskowego na 2 śruby (prawa strona).

Układ scalony, który znajduje się przez barierę izolacyjną, to optoprzekaźnik (U2). Jest on bezpośrednio połączony z przetwornikiem UCC28881 (U1) i zamyka pętlę sprzężenia zwrotnego. Umieszczenie optoprzekaźnika zapewnia stałą przerwę izolacyjną w pobliżu środka płytki PCB.

Aby rozpocząć trasowanie, najpierw ustawiłem pewne odstępy, które zapewniają wystarczająco duże rozstawienie części w projekcie zgodnie z normami IPC-2221. Wymagane odstępy można obliczyć korzystając z danych przedstawionych w tym artykule. Odstępy, których używam, zakładają wejście 120 V AC po stronie pierwotnej.

Następnie trasowanie jest zakończone stosunkowo dużymi ścieżkami, aby zapewnić wystarczającą zdolność przenoszenia prądu po stronie pierwotnej i wtórnej. Należy zauważyć, że wokół ścieżek wejściowych mocy (faza i neutralny) znajduje się dość duża przerwa, która może być regionem, gdzie odbierane lub emitowane są zakłócenia. Może być pożądane użycie większych poligonów jako zalania, aby ograniczyć generowanie i odbiór zakłóceń na niskich częstotliwościach.

Teraz możemy narysować pozostałe poligony, aby zapewnić masę dla wyjścia i przetwornika. Są one narysowane poniżej. Dokonałem również oczyszczenia sitodruku, aby zapobiec błędom odstępów i nakładaniu się oznaczeń. Duże sekcje miedzi pokazane poniżej zapewniają masę dla przetwornika, co pomaga zapewnić ekranowanie, a także zapewnią zdolność przenoszenia prądu dla BR1.

To kończy wszystkie trasowania i czyszczenie wymagane dla projektu. Transformator jest elementem przełączającym, który może być dość hałaśliwy, i adresowanie tego problemu jest jedną z potencjalnych zmian, które mogą być wdrożone w projekcie.

Pomysły na rozwinięcie tego projektu

Na najbardziej podstawowym poziomie, ten obwód będzie funkcjonalny i wykaże wysoką efektywność. Posiada wszystkie podstawowe elementy potrzebne do działania modułu regulatora AC-DC. Oczywiście, zawsze lubię robić krótką sekcję na temat tego, jak projekt mógłby być ulepszony lub rozwinięty. Poniżej wymienione pomysły nie są wymogami dla funkcjonalności, chociaż mogą pomóc uczynić projekt lepszym z perspektywy EMC lub niezawodności.

• Dodaj kondensator typu Y pomiędzy GND-P a GND
• Umieść dławiki po stronie wejściowej i wyjściowej, jeśli problemem jest szum wspólny
• Dodaj wycięcie między przewodami transformatora a optycznego sprzęgacza, aby wyraźnie oznaczyć obszar izolacji
• Dodaj dodatkowe wtórne odczepienie i zmień stosunek uzwojeń, aby uzyskać moduł z podwójnym szynowaniem
• Jeśli umieszczony w metalizowanej obudowie, dodaj pierścień ochronny obudowy i połączenie z ziemią
• Usuń otwory lutownicze wejściowe i dodaj standardowe gniazdo dla wtyczki AC

Aby poprawić projekt pod kątem EMI/EMC, pierwsze dwa punkty z tej listy są ważne. Odnośnie pierwszego punktu, jest to typowy sposób na połączenie mas w izolowanym zasilaczu DC, ponieważ pomaga kontrolować ścieżki powrotne dla składowych sygnału wysokiej częstotliwości pochodzących z przebiegu przełączania. Jeśli występuje problem z wysokoczęstotliwościowym promieniowaniem po stronie 3V3, może to pomóc w jego tłumieniu.

Drugi punkt jest ważny ogólnie dla EMC. Stworzenie filtru EMI na wejściu za pomocą filtru LC (filtr pi) i umieszczenie dławików na wejściu będzie tłumić promieniowanie wspólnego trybu pochodzące z wejścia linii AC. Wyjście będzie również połączone z przewodami lub kablem, i chcielibyśmy wyeliminować promieniowanie wspólnego trybu na tym kablu, co może również wymagać dławika wspólnego trybu.

Aby pobrać oryginalne pliki projektu, kliknij ten link. Te pliki są dostępne na licencji CC.

Kiedykolwiek chcesz zbudować stabilne i niezawodne systemy zasilania, użyj kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD w Altium Designer®. Aby wdrożyć współpracę w dzisiejszym środowisku interdyscyplinarnym, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365™, aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

Dotknęliśmy tylko powierzchni tego, co jest możliwe z Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.