Dự án Thiết kế PCB cho Mô-đun Chuyển đổi Flyback

Nếu bạn có một sản phẩm điện tử chuyển đổi từ AC sang DC với điện áp vừa phải đồng thời cung cấp cách ly, thì có khả năng bạn đang sử dụng bộ chuyển đổi flyback. Bộ chuyển đổi DC/DC flyback cung cấp khả năng giảm bước lớn cần thiết trong các hệ thống kết nối AC cũng cần một đầu ra DC, nhưng không làm giảm hiệu suất đáng kể. Trong ví dụ dự án này, tôi sẽ chỉ cách thiết kế một mô-đun bộ chuyển đổi flyback cơ bản, cả trong sơ đồ mạch và bố trí PCB.

Bộ chuyển đổi flyback yêu cầu một máy biến áp, và máy biến áp bạn sử dụng sẽ quyết định mức độ giảm bước và khả năng xử lý dòng điện mà thiết bị có thể xử lý. Một phần quan trọng của thiết kế bộ chuyển đổi flyback là thiết kế và lựa chọn máy biến áp, có thể buộc bạn phải sử dụng máy biến áp tùy chỉnh. Chúng ta sẽ thấy điều này xuất hiện trong dự án này. Cuối bài viết, bạn sẽ có cơ hội tải về các tệp thiết kế và bắt đầu sử dụng chúng trong các thiết kế của mình.

Bắt Đầu Với Bộ Chuyển Đổi Flyback

Thiết kế bộ chuyển đổi flyback mà tôi sẽ trình bày trong dự án này nhằm chuyển đổi đầu vào 120 V AC xuống còn 3.3 V đầu ra. Bộ điều khiển chính sẽ được sử dụng để vận hành bộ chuyển đổi flyback là UCC28881 từ Texas Instruments.

Ở cấp độ cơ bản, thiết bị mà chúng tôi muốn thiết kế bao gồm ba giai đoạn:

1. Đầu vào AC, bảo vệ mạch và chỉnh lưu
2. Bộ chuyển đổi flyback và máy biến áp
3. Giao diện đầu ra và vòng phản hồi cách ly

Sơ đồ dưới đây minh họa mỗi giai đoạn này được kết nối với nhau để tạo ra đầu ra 3V3. Hệ thống này dự kiến sẽ xử lý dòng điện 1-2 A. Hệ thống này cũng sẽ duy trì cách ly do máy biến áp cung cấp, yêu cầu phải đặt tất cả các linh kiện một cách cẩn thận.

Đầu Vào AC

Đầu vào dẫn đến máy biến áp của chúng tôi chứa các thành phần bảo vệ mạch và một cầu chỉnh lưu (BR1). Bảo vệ mạch ở đây bao gồm một điện trở có thể cháy, varistor oxit kim loại, và một lượng nhỏ dung lượng. Ở phía đầu ra của cầu chỉnh lưu, chúng tôi có một diode TVS và một số dung lượng bổ sung để giảm nhấp nhô từ việc chỉnh lưu.

Mục tiêu của phần này là để chỉnh lưu đầu vào AC và cung cấp một đầu ra DC tương đối ổn định cho phần chuyển mạch trong khi cũng cung cấp bảo vệ mạch. Ở đây, tôi không thêm bộ lọc EMI, nhưng điều này có thể được thêm vào với bộ lọc thông thấp và một số cuộn cảm (xem bên dưới). Cách bạn thêm các yếu tố này phụ thuộc vào việc bạn sẽ giữ kết nối vỏ sau đầu vào AC hay không. Bây giờ, hãy tiếp tục với kết nối dây và trung tính và bỏ qua kết nối đất.

Mạch Chuyển Mạch (UCC28881)

Mạch chuyển đổi dựa trên số phận UCC28881, là một bộ điều khiển chuyển đổi dạng mở kết hợp với kết nối phản hồi và hỗ trợ dải điện áp đầu vào rộng. Mạch snubber (bao gồm C1, R1, D1) cung cấp sự ổn định trong quá trình chuyển đổi để có thể giảm thiểu sự vượt quá/điều chỉnh quá mức trong quá trình chuyển đổi.

Đầu ra 3V3 và Phản hồi

Giai đoạn đầu ra được hiển thị trong hình dưới đây. Hình ảnh này cho thấy cách đầu ra được chỉnh lưu xuống thành đầu ra DC qua D2 và cuối cùng được ổn định với một số tụ điện. Phần đầu ra bao gồm một số điểm kiểm tra cho việc đo thủ công nếu mong muốn, cũng như một khối đầu cuối để gắn dây dẫn. Lưu ý rằng C8 được đánh dấu DNP và là tùy chọn; việc đặt nó có thể cung cấp sự ổn định thêm nếu cần và có thể dễ dàng xác định từ một phép đo so sánh với một oscilloscope.

Phần phản hồi sử dụng một optocoupler và một bộ điều chỉnh shunt chính xác để ổn định công suất qua optocoupler. Bộ chia điện trở R3/R7 tạo bias cho chân REF trên bộ điều chỉnh LMV431AIMF đến 1.244 V. Các linh kiện phụ trợ bổ sung cung cấp bộ lọc/ổn định khi hệ thống được bias ON và LMV431AIMF cũng chuyển từ OFF sang ON. Bộ chia điện áp R2/R4 tạo bias cho optocoupler đến điện áp và dòng điện chính xác, và nó chỉ cho phép dòng điện chảy khi LMV431AIMF được bias ON.

Thiết kế và Lựa chọn Máy Biến Áp

Các bộ chuyển đổi Flyback sử dụng một máy biến áp và độ tự cảm bên phía sơ cấp của nó để tăng/giảm điện áp đầu vào và điều chỉnh điện áp đầu ra. Chúng là các bộ điều chỉnh chuyển đổi sử dụng độ tự cảm bên phía sơ cấp như một bộ chuyển đổi buck thông thường sẽ sử dụng một cuộn cảm thông thường.

Để xác định kích thước máy biến áp một cách chính xác, chúng ta cần xác định chu kỳ làm việc cần thiết, độ tự cảm của cuộn dây, và dòng điện đỉnh. Đầu tiên, chúng ta cần xác định tỷ lệ vòng quay cho T1, phụ thuộc vào điện áp đầu ra mong muốn (Vout) và sự giảm điện áp tiến của diode (Vdiode, được đo trên D2 ở trên). Điều này cũng sẽ xác định chu kỳ làm việc cho bộ chuyển đổi:

Nếu bạn có một máy biến áp sẵn có với tỷ lệ vòng quay được chỉ định, thì điện áp flyback có thể được xác định. Hoặc, nếu bạn muốn bộ chuyển đổi của mình hoạt động ở một chu kỳ làm việc cụ thể, thì bạn có thể xác định điện áp flyback và do đó xác định tỷ lệ vòng quay cần thiết.

Tiếp theo, chúng ta có thể xác định dòng điện chuyển đổi tối đa cần thiết dựa trên khả năng chu kỳ làm việc tối đa và dòng điện đầu ra mục tiêu.

Tiếp theo, để giúp xác định kích thước của máy biến áp, có một yêu cầu về dòng điện cực đại:

Thách thức khi thiết kế máy biến áp cho bộ chuyển đổi flyback là tìm một máy biến áp cân bằng giữa hình dạng, giá trị cảm ứng, tỷ lệ vòng quấn, và giới hạn xử lý dòng điện. Hầu hết các máy biến áp mua sẵn chỉ đáp ứng được 2 hoặc 3 trong số các yêu cầu này. Từ những gì tôi đã thấy, hầu hết các máy biến áp mua sẵn này cung cấp tỷ lệ vòng quấn và khả năng xử lý dòng điện cần thiết, nhưng chúng sẽ không đáp ứng được yêu cầu về hình dạng.

Điều này có nghĩa là bạn có thể cần thiết kế một máy biến áp tùy chỉnh hoặc làm việc với một nhà lắp ráp để xây dựng một máy biến áp tùy chỉnh. Có các thành phần lõi và bobin có sẵn có thể được sử dụng để lắp ráp một máy biến áp tùy chỉnh sẽ đáp ứng được thông số cảm ứng và tỷ lệ vòng quấn của bạn trong một hình dạng cụ thể. Bạn sẽ cần phải lắp ráp một máy biến áp tùy chỉnh một cách cẩn thận hoặc hợp đồng với một nhà cung cấp để có thành phần được lắp ráp.

Thiết kế dưới đây sẽ sử dụng lõi chèn TDK (PN: B66417G0000X149) và cuộn dây TDK (PN: B66418W1008D001), đây là một bộ phận xuyên lỗ có thể cho phép gõ giữa nếu mong muốn. Dựa trên điện áp đầu ra mục tiêu là 3.3 V và tần số chuyển mạch hợp lý là 62 kHz cho UCC28881, tỷ lệ vòng quấn cần thiết là 69:4 và cảm ứng chính là 984 uH. Dòng điện cực đại không cần phải quá lớn cho một mô-đun bộ chuyển đổi flyback công suất thấp, cho phép sử dụng đường kính dây nhỏ 26 AWG cho các cuộn dây. Dòng điện cực đại chính dự kiến là 0.44 A.

Bố Cục PCB

Bố cục PCB được hiển thị trong phần này và nó tương đối dễ hiểu về cách tiếp cận này. Mục tiêu ở đây là minh họa cách duy trì sự cách ly cần thiết cho bộ chuyển đổi DC/DC này và cách triển khai điều này trong một hình dạng mô-đun.

Việc đặt ban đầu được hiển thị dưới đây, và ranh giới cách ly được đánh dấu bằng đường kẻ đứt màu trắng. Tất cả các thành phần xuyên lỗ lớn đã được đặt ở lớp trên cùng, trong khi các thành phần SMD nhỏ hơn đã được đặt ở lớp dưới. Đầu vào AC sẽ được kết nối bằng dây dẫn bay được hàn vào các lỗ mạ (phía bên trái), và đầu ra 3.3 V được lấy từ một khối đầu nối 2 vít (phía bên phải).

IC nằm trải qua hàng rào cách ly là optocoupler (U2). Điều này cung cấp trực tiếp vào bộ chuyển đổi UCC28881 (U1) và hoàn thành vòng phản hồi. Việc đặt optocoupler đảm bảo một khoảng cách ly nhất quán gần giữa PCB.

Để bắt đầu định tuyến, tôi đầu tiên thiết lập một số khoảng cách rõ ràng đảm bảo khoảng cách đủ lớn giữa các bộ phận trong thiết kế theo tiêu chuẩn IPC-2221. Bạn có thể tính toán các khoảng cách cần thiết này sử dụng dữ liệu được hiển thị trong bài viết này. Các khoảng cách tôi sử dụng giả định một đầu vào AC 120 V ở phía chính.

Sau đó, việc định tuyến được hoàn thành với các đường dẫn khá lớn để đảm bảo khả năng xử lý dòng điện đủ mạnh ở cả hai phía chính và phụ. Lưu ý rằng có một khoảng trống khá lớn xung quanh các đường dẫn điện vào (dây dẫn và trung tính), có thể là khu vực nhận/phát ra tiếng ồn. Có thể mong muốn sử dụng các đa giác lớn hơn như đổ để hạn chế việc tạo ra và nhận tiếng ồn ở tần số thấp.

Bây giờ chúng ta có thể vẽ các đa giác còn lại để cung cấp mặt đất cho đầu ra và bộ chuyển đổi. Chúng được vẽ dưới đây. Tôi cũng đã làm sạch lớp silkscreen để tránh lỗi khoảng cách và chồng chéo các ký hiệu. Các phần lớn của đồng được hiển thị dưới đây cả hai đều cung cấp mặt đất cho bộ chuyển đổi để giúp đảm bảo chắn, và nó sẽ cung cấp khả năng xử lý dòng điện cho BR1.

Điều này hoàn thành tất cả việc định tuyến và dọn dẹp cần thiết cho thiết kế. Bộ biến áp là một yếu tố chuyển mạch có thể khá ồn ào, và việc giải quyết điều này là một trong những thay đổi tiềm năng có thể được thực hiện trong thiết kế.

Ý tưởng để Mở rộng Thiết kế này

Ở mức cơ bản nhất, mạch này sẽ hoạt động và thể hiện hiệu suất cao. Nó có tất cả các yếu tố cơ bản cần thiết cho thiết kế để hoạt động như một mô-đun điều chỉnh AC-DC. Tất nhiên, tôi luôn thích thực hiện một phần ngắn về cách thiết kế có thể được cải thiện hoặc mở rộng. Các ý tưởng tôi liệt kê dưới đây không phải là yêu cầu về chức năng, mặc dù chúng có thể giúp thiết kế tốt hơn từ góc độ EMC hoặc độ tin cậy.

• Thêm tụ loại Y giữa GND-P và GND
• Đặt cuộn cảm ở phía đầu vào và đầu ra nếu nhiễu chế độ chung là vấn đề
• Thêm một khoảng cắt giữa biến áp và chân optocoupler để rõ ràng chỉ ra khu vực cách ly
• Thêm một vòi phụ thứ cấp và thay đổi tỷ lệ quấn để tạo ra một mô-đun đường ray kép
• Nếu đặt trong vỏ kim loại, thêm một vòng bảo vệ khung máy và kết nối với mặt đất
• Loại bỏ các lỗ hàn đầu vào và thêm một ổ cắm tiêu chuẩn cho phích cắm AC

Để cải thiện thiết kế cho EMI/EMC, hai điểm đầu tiên trong danh sách này là quan trọng. Về điểm đầu tiên, đây là một cách điển hình để nối các mặt đất trong một nguồn cung cấp điện DC cách ly vì nó giúp kiểm soát các đường trở về cho các thành phần tín hiệu tần số cao phát sinh từ dạng sóng chuyển đổi. Nếu có vấn đề với bức xạ tần số cao từ phía 3V3, thì điều này có thể giúp giảm bớt điều đó.

Điểm thứ hai quan trọng chung cho EMC. Tạo một bộ lọc EMI ở đầu vào bằng cách sử dụng bộ lọc LC (bộ lọc pi) và đặt cuộn cảm ở đầu vào sẽ giảm bức xạ chế độ chung phát ra từ đầu vào dòng AC. Đầu ra cũng sẽ kết nối với dây hoặc cáp, và chúng tôi muốn loại bỏ bức xạ chế độ chung trên cáp đó, có thể cũng cần một cuộn cảm chế độ chung.

Để tải xuống các tệp dự án gốc, theo dõi liên kết này. Các tệp này có sẵn dưới giấy phép CC.

Khi bạn muốn xây dựng các hệ thống điện ổn định và đáng tin cậy, hãy sử dụng bộ đầy đủ các tính năng thiết kế PCB và công cụ CAD hàng đầu thế giới trong Altium Designer®. Để thực hiện sự hợp tác trong môi trường đa ngành nghề ngày nay, các công ty đổi mới đang sử dụng nền tảng Altium 365™ để dễ dàng chia sẻ dữ liệu thiết kế và đưa dự án vào sản xuất.

Chúng tôi chỉ mới khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.