Projeto de PCB para Módulo Conversor Flyback

Se você tem um produto eletrônico que converte AC para DC de tensão moderada enquanto também fornece isolamento, então é muito provável que você esteja usando um conversor flyback. Conversores DC/DC flyback proporcionam as grandes reduções necessárias em sistemas conectados à AC que também requerem uma saída DC, mas sem uma grande perda de eficiência. Neste exemplo de projeto, vou mostrar como projetar um módulo conversor flyback básico, tanto em esquemáticos quanto em um layout de PCB.

Conversores flyback requerem um transformador, e o transformador que você usar determinará o nível de redução e capacidade de manuseio de corrente que o dispositivo pode suportar. Uma grande parte do projeto do conversor flyback é o design e seleção do transformador, o que pode forçá-lo a usar um transformador personalizado. Veremos como isso surge neste projeto. Ao final deste artigo, você terá a chance de baixar os arquivos de design e começar a usá-los em seus próprios projetos.

Começando com um Conversor Flyback

O design do conversor flyback que mostrarei neste projeto é destinado a converter uma entrada de 120 V AC para uma saída de 3,3 V. O controlador principal que será usado para operar o conversor flyback é o UCC28881 da Texas Instruments.

Em um nível básico, o dispositivo que queremos projetar inclui três estágios:

1. Entrada AC, proteção de circuito e retificação
2. Chaveamento do conversor flyback e transformador
3. Interface de saída e loop de feedback isolado

Os esquemáticos mostrados abaixo ilustram cada um desses três estágios conectados juntos para produzir a saída de 3V3. Este sistema é esperado para manusear 1-2 A de corrente. Este sistema também vai manter o isolamento fornecido pelo transformador, o que requer um posicionamento cuidadoso de todos os componentes.

Entrada AC

A entrada que leva ao nosso transformador contém componentes de proteção de circuito e um retificador de ponte (BR1). A proteção de circuito fornecida aqui inclui um resistor fusível, varistor de óxido metálico, e uma pequena quantidade de capacitância. No lado de saída do retificador de ponte, temos um diodo TVS e alguma capacitância adicional para reduzir o ripple da retificação.

O objetivo desta seção é retificar a entrada AC e fornecer uma saída DC semi-estável para a seção de chaveamento enquanto também fornece proteção de circuito. Aqui, eu não adicionei filtragem EMI, mas isso poderia ser adicionado com filtragem passa-baixa e alguns indutores (veja abaixo). Como você adiciona esses elementos depende de se você manterá a conexão com o chassis após a entrada AC. Por agora, vamos prosseguir com uma conexão de linha e neutro e omitir a conexão terra.

Circuito Chaveador (UCC28881)

O circuito comutador é baseado no número de peça UCC28881, que é um controlador de comutação de dreno aberto que inclui uma conexão de feedback e suporta uma ampla faixa de tensão de entrada. O circuito snubber (composto por C1, R1, D1) proporciona estabilidade durante a comutação, de modo que grandes sobressaltos/abaixamentos durante a comutação podem ser suprimidos.

Saída 3V3 e Feedback

O estágio de saída é mostrado na imagem abaixo. Isso mostra como a saída é retificada para uma saída DC através de D2 e finalmente estabilizada com alguns capacitores. A seção de saída inclui alguns pontos de teste para sondagem manual, se desejado, bem como um bloco de terminais para anexar cabos volantes. Note que C8 é marcado como DNP e é opcional; sua colocação pode fornecer estabilização adicional, se necessário, e pode ser facilmente determinada a partir de uma medição comparativa com um osciloscópio.

A seção de feedback usa um optoacoplador e um regulador de shunt de precisão para estabilizar a energia através do optoacoplador. O divisor de tensão R3/R7 polariza o pino REF no regulador LMV431AIMF para 1,244 V. Os passivos adicionais fornecem filtragem/estabilidade quando o sistema está polarizado ON e o LMV431AIMF também comuta de OFF para ON. O divisor de tensão R2/R4 polariza o optoacoplador para a tensão e corrente corretas, e só permitirá fluxo de corrente quando o LMV431AIMF estiver polarizado ON.

Design e Seleção de Transformador

Conversores flyback usam um transformador e sua indutância do lado primário para aumentar/diminuir a tensão de entrada e regular a tensão de saída. Eles são reguladores de comutação que usam a indutância do lado primário como um conversor buck típico usaria um indutor regular.

Para dimensionar adequadamente o transformador, precisamos determinar o ciclo de trabalho necessário, indutâncias de bobina e correntes de pico. Primeiro, precisamos determinar a relação de voltas para T1, que depende da tensão de saída desejada (Vout) e da queda de tensão para frente do diodo (Vdiode, medida em D2 acima). Isso também determinará o ciclo de trabalho para o comutador:

Se você tem um transformador pronto que possui uma relação de voltas especificada, então a tensão flyback pode ser determinada. Ou, se você deseja que seu comutador funcione em um ciclo de trabalho específico, então você pode determinar a tensão flyback e, assim, a relação de voltas necessária.

Em seguida, podemos determinar a comutação máxima necessária dada a capacidade máxima do ciclo de trabalho e a corrente de saída alvo.

Em seguida, para ajudar a dimensionar o transformador, há uma exigência sobre a corrente de pico:

O desafio ao projetar o transformador para um conversor flyback é encontrar um transformador que equilibre o fator de forma, valor de indutância, relação de voltas e limite de corrente. A maioria dos transformadores que você compra prontos atenderá apenas 2 ou 3 desses requisitos. Pelo que observei, a maioria desses transformadores prontos oferece a relação de voltas e a capacidade de corrente necessárias, mas não fornecerão o fator de forma requerido.

Isso significa que você pode precisar projetar um transformador personalizado ou trabalhar com um montador para construir um transformador personalizado. Existem componentes de núcleo e carretel disponíveis que podem ser usados para montar um transformador personalizado que atenderá às suas especificações de indutância e relação de voltas em um fator de forma específico. Você precisará montar cuidadosamente um transformador personalizado ou contratar um fornecedor para ter o componente montado.

O design mostrado abaixo usará um inserto de núcleo da TDK (PN: B66417G0000X149) e um carretel da TDK (PN: B66418W1008D001), que é uma peça de montagem através de furo que poderia permitir uma derivação central, se desejado. Com base na tensão de saída alvo de 3,3 V e uma frequência de comutação razoável de 62 kHz para o UCC28881, a relação de voltas necessária é de 69:4 e a indutância primária é de 984 uH. A capacidade de corrente de pico não precisa ser excessivamente grande para um módulo conversor flyback de baixa potência, o que permite um diâmetro de fio pequeno de 26 AWG para as bobinas. A corrente primária de pico esperada é de 0,44 A.

Layout da PCB

O layout da PCB é mostrado nesta seção e é relativamente simples entender a abordagem deste layout. O objetivo aqui é ilustrar como manter o isolamento necessário para este conversor DC/DC e como implementar isso em um fator de forma de módulo.

A colocação inicial é mostrada abaixo, e o limite de isolamento é marcado usando a linha tracejada branca. Todos os componentes grandes de montagem através de furo foram colocados na camada superior, enquanto os componentes SMD menores foram colocados na camada inferior. A entrada AC será conectada usando cabos volantes que soldam em furos metalizados (lado esquerdo), e a saída de 3,3 V é retirada de um bloco de terminais de 2 parafusos (lado direito).

O CI que está atravessando a barreira de isolamento é o optoacoplador (U2). Este se conecta diretamente ao comutador UCC28881 (U1) e completa o loop de feedback. A colocação do optoacoplador é tal que garante uma lacuna de isolamento consistente perto do meio da PCB.

Para começar o roteamento, eu primeiro defini algumas distâncias de segurança que garantem um espaçamento suficientemente grande entre as partes no design de acordo com os padrões IPC-2221. Você pode calcular essas distâncias de segurança usando os dados mostrados neste artigo. As distâncias que uso assumem uma entrada AC de 120 V no lado primário.

A seguir, o roteamento é completado com traços um tanto largos para garantir capacidade de manuseio de corrente suficiente nos lados primário e secundário. Note que há uma lacuna consideravelmente grande ao redor dos traços de entrada de energia (linha e neutro), que poderia ser uma região onde ruído é recebido/emitido. Pode ser desejável usar polígonos maiores como preenchimentos para limitar a geração e recepção de ruído em baixas frequências.

Agora podemos desenhar os polígonos restantes para fornecer aterramento para a saída e o comutador. Estes são desenhados abaixo. Eu também limpei a serigrafia para prevenir erros de distância e sobreposições de designadores. As grandes seções de cobre mostradas abaixo fornecem tanto aterramento para o comutador para ajudar a garantir blindagem, quanto capacidade de manuseio de corrente para BR1.

Isso completa todo o roteamento e limpeza necessários para o design. O transformador é um elemento de comutação que pode ser bastante ruidoso, e abordar isso é uma das possíveis mudanças que poderiam ser implementadas no design.

Ideias Para Expandir Este Design

No seu nível mais básico, este circuito será funcional e mostrará alta eficiência. Ele possui todos os elementos básicos necessários para o design funcionar como um módulo regulador de AC para DC. Claro, eu sempre gosto de fazer uma seção curta sobre como o design poderia ser melhorado ou expandido. As ideias que listo abaixo não são requisitos para funcionalidade, embora possam ajudar a tornar o design melhor do ponto de vista EMC ou de confiabilidade.

• Adicione um capacitor tipo Y entre GND-P e GND
• Coloque indutores no lado de entrada e saída se o ruído de modo comum for um problema
• Adicione um recorte entre os terminais do transformador e optoacoplador para denotar claramente a região de isolamento
• Adicione uma derivação secundária adicional e altere a relação de enrolamento para produzir um módulo de trilho duplo
• Se colocado em uma caixa metalizada, adicione um anel de proteção do chassi e conexão com a terra
• Remova os furos de solda de entrada e adicione um receptáculo padrão para um plugue de CA

Para melhorar o design para EMI/EMC, os dois primeiros pontos dessa lista são importantes. Em relação ao primeiro ponto, esta é uma maneira típica de interligar terras em uma fonte de alimentação DC isolada, pois ajuda a controlar os caminhos de retorno para componentes de sinal de alta frequência originados da forma de onda de comutação. Se houver um problema com radiação de alta frequência do lado 3V3, isso pode ajudar a suprimir isso.

O segundo ponto é importante em geral para EMC. Criar um filtro EMI de entrada usando um filtro LC (filtro pi) e colocando indutores na entrada irá suprimir a radiação de modo comum vinda da entrada de linha AC. A saída também se conectará a fios ou um cabo, e gostaríamos de eliminar a radiação de modo comum nesse cabo, o que também pode requerer um indutor de modo comum.

Para baixar os arquivos originais do projeto, siga este link. Esses arquivos estão disponíveis sob uma licença CC.

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