Проект разработки печатной платы модуля преобразователя обратного хода

Если у вас есть электронное устройство, которое преобразует переменный ток в умеренный постоянный ток, обеспечивая при этом изоляцию, то скорее всего, вы используете преобразователь типа "flyback". Преобразователи DC/DC типа "flyback" обеспечивают большие понижения напряжения, необходимые в системах, подключенных к переменному току, которые также требуют выходного постоянного тока, но без больших потерь эффективности. В этом примере проекта я покажу, как спроектировать базовый модуль преобразователя типа "flyback", как в схематическом представлении, так и в компоновке печатной платы.

Преобразователи типа "flyback" требуют наличия трансформатора, и используемый вами трансформатор определит уровень понижения и способность устройства к передаче тока. Большая часть проектирования преобразователя типа "flyback" заключается в проектировании и выборе трансформатора, что может заставить вас использовать специальный трансформатор. Мы увидим, как это проявляется в этом проекте. В конце этой статьи у вас будет возможность скачать файлы дизайна и начать использовать их в своих собственных проектах.

Начало работы с преобразователем типа "flyback"

Преобразователь типа "flyback", который я покажу в этом проекте, предназначен для преобразования входного напряжения 120 В переменного тока в выходное напряжение 3,3 В. Основным контроллером, который будет использоваться для управления преобразователем типа "flyback", является UCC28881 от Texas Instruments.

На базовом уровне устройство, которое мы хотим спроектировать, включает в себя три стадии:

1. Вход переменного тока, защита схемы и выпрямление
2. Переключатель преобразователя типа "flyback" и трансформатор
3. Выходной интерфейс и изолированная обратная связь

На приведенных ниже схемах показаны все три стадии, соединенные вместе для получения выходного напряжения 3V3. Ожидается, что система будет обрабатывать ток 1-2 А. Эта система также будет поддерживать изоляцию, обеспечиваемую трансформатором, что требует тщательного размещения всех компонентов.

Вход переменного тока

На входе к нашему трансформатору находятся компоненты защиты схемы и мостовой выпрямитель (BR1). Защита схемы здесь включает в себя плавкий резистор, металлооксидный варистор и небольшое количество емкости. На выходной стороне мостового выпрямителя у нас есть диод TVS и дополнительная емкость для уменьшения пульсаций от выпрямления.

Цель этого раздела - выпрямить входной переменный ток и обеспечить полустабильный выход постоянного тока для переключающей секции, а также обеспечить защиту схемы. Здесь я не добавил фильтрацию ЭМИ, но это можно было бы сделать с помощью фильтров нижних частот и некоторых дросселей (см. ниже). Как вы добавите эти элементы, зависит от того, будете ли вы сохранять соединение с корпусом после входа переменного тока. Пока давайте продолжим с подключением линии и нейтрали и опустим заземляющее соединение.

Переключающая схема (UCC28881)

Схема коммутатора основана на номере детали UCC28881, который представляет собой контроллер коммутации с открытым стоком, включающий в себя обратную связь и поддерживающий широкий диапазон входных напряжений. Снабберная цепь (состоящая из C1, R1, D1) обеспечивает стабильность во время коммутации, так что большие перенапряжения/провалы во время коммутации могут быть подавлены.

Выход 3V3 и обратная связь

На изображении ниже показан выходной каскад. Здесь показано, как выход преобразуется в постоянный ток через D2 и в конечном итоге стабилизируется с помощью некоторых конденсаторов. В выходной секции предусмотрены точки для ручного зондирования, если это необходимо, а также клеммный блок для подключения летающих проводов. Обратите внимание, что C8 помечен как DNP и является необязательным; его установка может обеспечить дополнительную стабилизацию при необходимости и может быть легко определена с помощью сравнительного измерения с осциллографом.

Секция обратной связи использует оптопару и точный шунтирующий регулятор для стабилизации мощности через оптопару. Делитель напряжения R3/R7 смещает вывод REF на регуляторе LMV431AIMF до 1.244 В. Дополнительные пассивные элементы обеспечивают фильтрацию/стабильность, когда система включена, и LMV431AIMF также переключается с ВЫКЛ на ВКЛ. Делитель напряжения R2/R4 смещает оптопару до правильного напряжения и тока, и она будет пропускать ток только когда LMV431AIMF смещен в положение ВКЛ.

Проектирование и выбор трансформатора

Обратноходовые преобразователи используют трансформатор и его первичную индуктивность для повышения/понижения входного напряжения и регулирования выходного напряжения. Это коммутируемые регуляторы, которые используют первичную индуктивность так же, как обычный понижающий преобразователь использует обычный индуктор.

Чтобы правильно подобрать трансформатор, нам нужно определить требуемый рабочий цикл, индуктивности катушек и пиковые токи. Сначала нам нужно определить коэффициент трансформации для T1, который зависит от желаемого выходного напряжения (Vout) и падения напряжения на диоде (Vdiode, измеренного на D2 выше). Это также определит рабочий цикл для коммутатора:

Если у вас есть трансформатор с завода, который имеет указанный коэффициент трансформации, то можно определить напряжение обратной связи. Или, если вы хотите, чтобы ваш коммутатор работал с определенным рабочим циклом, то вы можете определить напряжение обратной связи и, таким образом, требуемый коэффициент трансформации.

Далее, мы можем определить требуемую максимальную коммутацию, учитывая максимальную способность рабочего цикла и целевой выходной ток.

Далее, чтобы помочь в выборе размера трансформатора, существует требование к пиковому току:

Проблема при проектировании трансформатора для преобразователя flyback заключается в нахождении трансформатора, который бы сбалансировал форм-фактор, значение индуктивности, соотношение витков и предел токовой нагрузки. Большинство трансформаторов, которые вы можете купить готовыми, удовлетворяют только 2 или 3 из этих требований. По моему опыту, большинство этих готовых трансформаторов предлагают необходимое соотношение витков и токовую нагрузку, но они не обеспечивают требуемый форм-фактор.

Это означает, что вам может потребоваться разработать собственный трансформатор или работать с собирателем для создания индивидуального трансформатора. Существуют компоненты сердечника и катушки, которые можно использовать для сборки собственного трансформатора, который будет соответствовать вашим спецификациям по индуктивности и соотношению витков в определенном форм-факторе. Вам нужно будет тщательно собрать собственный трансформатор или заключить контракт с поставщиком на сборку компонента.

На рисунке ниже показано использование сердечника TDK (PN: B66417G0000X149) и каркаса катушки TDK (PN: B66418W1008D001), который является деталью с монтажом через отверстие, что может позволить использовать центральный отвод при желании. Исходя из целевого выходного напряжения 3,3 В и разумной частоты переключения 62 кГц для UCC28881, требуемое соотношение витков составляет 69:4, а первичная индуктивность - 984 мкГн. Пиковый ток не должен быть слишком большим для модуля преобразователя flyback малой мощности, что позволяет использовать провод малого диаметра 26 AWG для обмоток. Ожидаемый пиковый первичный ток составляет 0,44 А.

Расположение на печатной плате

Расположение на печатной плате показано в этом разделе и его относительно просто понять. Здесь цель - показать, как поддерживать необходимую изоляцию для этого DC/DC преобразователя и как реализовать это в форм-факторе модуля.

Начальное размещение показано ниже, и граница изоляции отмечена пунктирной белой линией. Все крупные детали с монтажом через отверстие были размещены на верхнем слое, в то время как меньшие компоненты SMD были размещены на нижнем слое. Вход AC будет подключаться с помощью летающих проводов, которые припаиваются к металлизированным отверстиям (левая сторона), а выход 3,3 В берется с клеммного блока на 2 винта (правая сторона).

Интегральная схема, которая пересекает изоляционный барьер, это оптопара (U2). Она напрямую подключается к переключателю UCC28881 (U1) и замыкает контур обратной связи. Размещение оптопары обеспечивает постоянный изоляционный зазор в середине печатной платы.

Для начала трассировки я сначала установил некоторые зазоры, которые обеспечивают достаточно большое расстояние между частями в дизайне в соответствии со стандартами IPC-2221. Вы можете рассчитать эти необходимые зазоры используя данные, показанные в этой статье. Зазоры, которые я использую, предполагают входное напряжение 120 В переменного тока на первичной стороне.

Затем трассировка завершается с использованием довольно широких дорожек для обеспечения достаточной пропускной способности тока на первичной и вторичной сторонах. Обратите внимание, что вокруг дорожек подачи питания (фаза и ноль) имеется достаточно большой зазор, который может быть областью приема/излучения помех. Может быть желательно использовать большие полигоны в качестве заливок для ограничения генерации и приема помех на низких частотах.

Теперь мы можем нарисовать оставшиеся полигоны для обеспечения заземления выхода и переключателя. Они нарисованы ниже. Я также произвел очистку шелкографии, чтобы предотвратить ошибки зазоров и перекрытие обозначений. Большие участки меди, показанные ниже, обеспечивают заземление для переключателя, помогая обеспечить экранирование, а также обеспечивают способность пропускания тока для BR1.

Это завершает всю трассировку и очистку, необходимые для дизайна. Трансформатор является переключающим элементом, который может быть довольно шумным, и устранение этого является одним из потенциальных изменений, которые могут быть реализованы в дизайне.

Идеи для расширения этого дизайна

На самом базовом уровне, этот контур будет функциональным и показывать высокую эффективность. В нем есть все основные элементы, необходимые для работы дизайна как модуля регулятора AC-DC. Конечно, мне всегда нравится делать короткий раздел о том, как дизайн можно было бы улучшить или расширить. Идеи, которые я перечисляю ниже, не являются требованиями для функциональности, хотя они могут помочь сделать дизайн лучше с точки зрения электромагнитной совместимости или надежности.

• Добавьте Y-тип конденсатор между GND-P и GND
• Установите дроссели на входной и выходной стороне, если проблема с общим режимом помех
• Добавьте вырез между выводами трансформатора и оптопары, чтобы четко обозначить зону изоляции
• Добавьте дополнительный вторичный отвод и измените соотношение витков для создания модуля с двойным напряжением
• Если размещено в металлизированном корпусе, добавьте защитное кольцо шасси и соединение с землей
• Удалите отверстия для пайки на входе и добавьте стандартный разъем для подключения сетевой вилки

Для улучшения конструкции с точки зрения EMI/EMC, первые два пункта в этом списке важны. Что касается первого пункта, это типичный способ соединения земель в изолированном источнике питания постоянного тока, поскольку это помогает контролировать пути возврата для компонентов высокочастотного сигнала, возникающих из-за коммутирующей формы волны. Если есть проблема с высокочастотным излучением со стороны 3V3, это может помочь подавить его.

Второй пункт важен в общем для EMC. Создание входного EMI-фильтра с использованием LC-фильтра (пи-фильтра) и установка дросселей на входе подавит излучение общего режима, исходящее от входа переменного тока. Выход также будет подключен к проводам или кабелю, и мы хотели бы устранить излучение общего режима на этом кабеле, что также может потребовать дроссель общего режима.

Чтобы скачать оригинальные файлы проекта, перейдите по этой ссылке. Эти файлы доступны под лицензией CC.

Когда вы хотите создать стабильные и надежные системы питания, используйте полный набор функций проектирования печатных плат и инструментов CAD мирового класса в Altium Designer®. Для реализации сотрудничества в современной междисциплинарной среде, инновационные компании используют платформу Altium 365™ для легкого обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните ваш бесплатный пробный период Altium Designer + Altium 365 сегодня.