Alcuni utili suggerimenti per chi si cimenta della progettazioni di stadi di alimentazione che utilizzano la topologia flyback.
I numerosi vantaggi dei convertitori flyback includono il fatto di essere il convertitore di potenza isolato più economico, di fornire facilmente più tensioni di uscita, un semplice controller primario, un’erogazione di potenza fino a 300 W. I convertitori flyback sono utilizzati in molte applicazioni offline, dai televisori ai caricabatterie per telefoni, nonché nelle telecomunicazioni e nelle applicazioni industriali. Il loro funzionamento di base può sembrare complicato e le scelte di progettazione sono molteplici, soprattutto per coloro che non ne hanno mai progettato uno prima.
Per aiutare i progettisti che affrontano questa topologia, in questo articolo forniamo una serie di considerazioni di progettazione per un flyback in modalità di conduzione continua (CCM) da 53 VDC a 12 V con 5 A.
La figura 1 mostra uno schema flyback dettagliato da 60 W, funzionante a 250 kHz. Quando il FET Q2 si accende, la tensione di ingresso viene applicata attraverso l’avvolgimento primario del trasformatore. La corrente nell’avvolgimento ora aumenta, consentendo all’energia di essere immagazzinata nel trasformatore. Poiché il raddrizzatore di uscita D1 è polarizzato inversamente, il flusso di corrente verso l’uscita viene bloccato. Quando Q2 si spegne, la corrente primaria viene interrotta, forzando le polarità di tensione dell’avvolgimento a invertirsi. La corrente ora fluisce dall’avvolgimento secondario, invertendo la polarità della tensione dell’avvolgimento con la tensione del punto positiva. D1 conduce, erogando corrente al carico di uscita e ricaricando i condensatori di uscita.
Figura 1 – Schema del convertitore flyback CCM da 60 W.
Si possono aggiungere ulteriori avvolgimenti del trasformatore, o addirittura impilarli sopra altri avvolgimenti, per ottenere uscite aggiuntive. Tuttavia, più uscite vengono aggiunte, peggiore sarà la loro regolazione. Questo a causa dei collegamenti di flusso magnetico imperfetti tra gli avvolgimenti e il nucleo (accoppiamento) e della separazione fisica degli avvolgimenti, creando induttanza di dispersione. L’induttanza di dispersione agisce come induttanza parassita in serie con gli avvolgimenti primari e di uscita. Ciò crea una caduta di tensione involontaria in serie con gli avvolgimenti, riducendo di fatto la precisione della regolazione della tensione di uscita.
Una regola generale è quella di aspettarsi che le uscite non regolate varino del ± 5÷10%, rispetto al carico trasversale, con un trasformatore correttamente avvolto. Inoltre, un’uscita regolata con forte carico può causare un grande aumento della tensione di un’uscita secondaria scarica tramite picchi di tensione indotti da perdite di rilevamento del picco. In questo caso, un precarico o un soft clamp possono aiutare a limitare la tensione.
Il funzionamento in modalità CCM e DCM (Discontinuous-Conduction Mode) ha i suoi vantaggi. Per definizione, il funzionamento DCM si verifica quando la corrente del raddrizzatore di uscita diminuisce a 0 A prima dell’inizio del ciclo successivo. I vantaggi del funzionamento DCM includono un’induttanza primaria inferiore che in genere si traduce in un trasformatore di potenza più piccolo, l’eliminazione delle perdite di recupero inverso del raddrizzatore e delle perdite di accensione del FET e l’assenza di zero nel semipiano destro.
Tuttavia, questi vantaggi sono compensati da correnti di picco più elevate nel primario e nel secondario, maggiori capacità di ingresso e uscita, maggiori interferenze elettromagnetiche (EMI) e funzionamento del duty-cycle ridotto a basso carico rispetto al CCM.
Figura 2 – Confronto delle correnti del raddrizzatore e del FET flyback CCM e DCM.
La Figura 2 illustra come le correnti in Q2 e D1 cambiano mentre al minimo VIN e il carico diminuisce dal massimo al ~25% sia in CCM che in DCM. In CCM, il ciclo di lavoro è costante per una tensione di ingresso fissa e quando il carico è compreso tra il suo livello di progettazione massimo e minimo (~25%).
I livelli di “piedistallo” della corrente diminuiscono con un carico ridotto fino al raggiungimento di DCM, punto in cui il ciclo di lavoro diminuisce. In DCM, il ciclo di lavoro massimo si verifica solo al minimo VIN e al carico massimo. Il ciclo di lavoro diminuisce per un aumento della tensione di ingresso o un carico ridotto.
Ciò può ridurre il duty-cycle a linea alta e carico minimo, quindi bisogna assicurarsi che il controller possa funzionare correttamente con questo minimo tempo di accensione. Il funzionamento DCM introduce un tempo morto per i duty-cycle inferiori al 50% dopo che la corrente del raddrizzatore raggiunge 0 A. È caratterizzato da una tensione sinusoidale sul drain FET da corrente residua, capacità parassite e induttanza di dispersione, ma è generalmente un buon compromesso. Per questo progetto, è stato scelto il funzionamento CCM perché è possibile ottenere una maggiore efficienza da perdite di commutazione e del trasformatore ridotte.
Questo progetto utilizza un avvolgimento di polarizzazione primario da 14 V con riferimento per alimentare il controller dopo che l’uscita da 12 V raggiunge la regolazione, riducendo le perdite rispetto all’alimentazione diretta dall’ingresso. Ho scelto un filtro di uscita a due stadi per una tensione a bassa ondulazione. I condensatori ceramici del primo stadio gestiscono l’elevata corrente RMS dalle correnti pulsanti in D1. La loro tensione di ondulazione è ridotta dal filtro L1 e C9/C10, fornendo circa 10 volte la riduzione dell’ondulazione, insieme a correnti RMS ridotte in C9/C10. Se è accettabile una tensione di ondulazione di uscita più elevata, il filtro induttore-condensatore può essere eliminato, ma i condensatori di uscita devono essere in grado di gestire l’intera corrente RMS.
Il controller UCC3809-1 o UCC3809-2 di Texas Instruments è progettato per interfacciarsi direttamente con l’optoaccoppiatore U2 per un’applicazione isolata. Nei progetti non isolati, U2 e U3 possono essere eliminati insieme al resistore-partitore di retroazione di tensione collegato direttamente a un controller, come la serie UCC3813-x con amplificatore di errore interno.
Le tensioni di commutazione su Q2 e D1 creano correnti di modo comune ad alta frequenza nell’avvolgimento intermedio del trasformatore e nelle capacità parassite dei componenti. Senza il condensatore EMI C12 che fornisce un percorso di ritorno, queste correnti fluirebbero nell’ingresso e/o nell’uscita, aumentando il rumore e introducendo un funzionamento irregolare.
La combinazione di Q3/R19/C18/R17 fornisce una compensazione della pendenza sommando la rampa di tensione dell’oscillatore nella tensione di rilevamento della corrente primaria di R18, che viene utilizzata per il controllo della modalità di corrente. La compensazione della pendenza elimina l’oscillazione sub-armonica, un fenomeno caratterizzato da un impulso di ciclo di lavoro ampio seguito da uno stretto. Poiché questo convertitore è progettato per non superare il 50% di funzionamento, ho invece aggiunto una compensazione della pendenza per ridurre la suscettibilità allo switch-jitter.
Tuttavia, una pendenza di tensione eccessiva può spingere il loop di controllo verso il controllo della modalità di tensione e verso una possibile instabilità. Infine, l’optoaccoppiatore trasferisce il segnale di errore dal lato secondario per mantenere la tensione di uscita regolata. Il segnale di feedback (FB) comprende la rampa di corrente, la compensazione della pendenza, il segnale di errore di uscita e l’offset DC per ridurre la soglia di sovracorrente.
La figura 3 mostra le forme d’onda di tensione per Q2 e D1, che mostrano una certa induttanza di dispersione e una risonanza indotta dal recupero inverso del diodo.
Figura 3 – Le oscillazioni del FET e del raddrizzatore sono limitate da un clamp e da uno snubber (57 VIN, 12 V a 5 A).
I flyback sono considerati lo standard nelle applicazioni che richiedono un convertitore isolato a basso costo. Questo esempio di progettazione copre le considerazioni di progettazione di base per un progetto flyback CCM.
Ulteriori informazioni e suggerimenti sono disponibili sulla serie di blog Power Tips di Texas Instruments su Power House.
I seguenti articoli forniscono ulteriori interessanti informazioni:
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John Betten è Applications Engineer and Senior Member of Group Technical Staff presso Texas Instruments.
