Розробка Flyback-перетворювача із застосуванням трансформатора Bourns

1. Принцип роботи неізольованого обратноходового перетворювача
2. Розрахунок параметрів трансформатора для неізольованого обратноходового перетворювача
3. Трансформатор SM91047EL - готове рішення від Bourns
4. Приклад створення неізольованого обратноходового перетворювача на базі UCC28880 від Texas Instruments
5. Висновок
6. література
7. Про компанію Bourns

Наши партнеры ArtmMisto

Топологія обратноходових перетворювачів найбільш популярна для малопотужних мережевих джерел живлення. Головні переваги таких джерел - невисока вартість і відносна простота реалізації. Сучасні засоби розробки дозволяють максимально автоматизувати процес їх проектування, однак розрахунок трансформатора як і раніше доводиться робити вручну. Але для найбільш популярних типів мережевих адаптерів можна скористатися готовими рішеннями. Наприклад, трансформатор SM91047EL виробництва компанії Bourns є оптимальним вибором для широко поширених блоків живлення з вихідною напругою 5 В і струмом до 0,5 А.

Обратноходового перетворювачі найчастіше використовуються для побудови малопотужних мережевих адаптерів. Приклад - зарядні пристрої для різних мобільних пристроїв, блоки живлення світлодіодних ламп, чергові блоки живлення для систем безпеки і так далі. Причиною такої популярності є дешевизна і максимальна простота реалізації. Разом з тим, у обратноходових перетворювачів є і недоліки: високий рівень генеруються перешкод і низький ККД. Процес проектування таких блоків також не завжди виявляється простим і швидким.

З одного боку сучасні системи проектування, наприклад, WEBENCH, створена компанією Texas Instruments, дозволяють за кілька кліків миші створювати «скелет» обратноходових перетворювачів. При цьому розробник отримує практично всю інформацію для виробництва: принципову схему, специфікацію із зазначенням найменувань компонентів і компаній-виробників, загальну орієнтовну вартість, розрахункові значення характеристик схеми для необхідних робочих точок. До того ж, можлива оптимізація пристрою за площею, ціною і значенням ККД. Єдиним «темним» плямою в отриманої схемою, як правило, стає трансформатор.

Програма обмежується розрахунком загальних рекомендованих електричних характеристик трансформатора: індуктивності і опору первинної обмотки, індуктивності розсіювання, коефіцієнта передачі. Розрахунок конструктивних параметрів (кількості витків, типу сердечника, перетину дроту і так далі) розробнику доведеться взяти на себе. Очевидно, що при такому підході неможливо обійтися без безлічі випробувань на практиці.

Мал. 1. Зовнішній вигляд трансформатора SM91047EL виробництва Bourns

Розробка і розрахунок власного трансформатора є виправданим кроком при створенні джерел живлення, до яких пред'являються унікальні вимоги. Разом з тим, існують мережеві адаптери, які давно стали негласним стандартом для різних додатків. Йдеться, наприклад, про блоки живлення з виходом 5 В і струмом 0,5 А. Вони поставляються в комплекті практично з кожним мобільним пристроєм від смартфонів і планшетів до світильників і іграшок. Винаходити «велосипед» у вигляді власного трансформатора в даному випадку здається нелогічним. Оптимальним рішенням тут, скоріше, буде використання готового рішення. Зокрема, трансформатор SM91047EL виробництва компанії Bourns розрахований саме для роботи в джерелах живлення з виходом 5 В / 0,5 А (малюнок 1).

При використанні трансформаторів SM91047EL розробники отримують три основних переваги. По-перше, не потрібно проводити складні розрахунки і оптимізувати характеристики трансформатора, так як SM91047EL вже оптимізований для рішень 5 В / 0,5 А. По-друге, не потрібно організація виробництва трансформаторів. По-третє, SM91047EL є серійним продуктом, що відбивається і на його вартості.

Розглянемо особливості використання трансформатора SM91047EL виробництва компанії Bourns при проектуванні обратноходових перетворювачів і наведемо приклад створення перетворювача 5 В / 0,5 А на базі контролера UCC28880 в середовищі розробки WEBENCH, створеної Texas Instruments.

Принцип роботи неізольованого обратноходового перетворювача

Одним з переваг обратноходових перетворювачів є максимальна простота реалізації (рисунок 2). Для його створення потрібно всього кілька функціональних блоків: вхідний випрямляч (VD1 ... VD4), вхідний фільтр (Сф1, СФ2, Lф), ШІМ-контролер, який керує силовим ключем (VT1), трансформатор (T1), снабберная ланцюг для захисту транзистора від перенапруг (Сcl, Rcl, Dcl), випрямний діод (VDвих), вихідний конденсатор фільтра (Свих), ланцюг зворотного зв'язку для контролю вихідної напруги (Rос1, Rос2, Cос). Як бачимо, між мережею і навантаженням існує гальванічна зв'язок (ланцюг зворотного зв'язку), це дозволяє використовувати один простий трансформатор без додаткових обмоток, а схема виявляється неізольованою від первинної мережі змінного струму.

Мал. 2. Спрощена схема обратноходового неізольованого перетворювача

Принцип роботи обратноходового перетворювача в загальних рисах досить простий [1]. Змінна напруга мережі випрямляється доданими мостом (VD1 ... VD4) і стабілізується вхідним фільтром (Сф1, СФ2, Lф). Отримане постійна напруга перетворюється в імпульсний сигнал за допомогою силового ключа і ШІМ-контролера. ШІМ-контролер формує сигнал управління затвором заданої частоти і з заданим коефіцієнтом заповнення (рисунок 3, Vgs). Першу частину періоду транзистор відкритий (рисунок 3, t0-t1). Струм протікає через первинну обмотку трансформатора (Iprim) - відбувається запасання енергії. Протягом цього часу на вторинній обмотці наводиться ЕРС. Полярність цієї напруги протилежна полярності випрямного діода Vdвих, і струм у вторинній обмотці не тече. Харчування навантаження відбувається за рахунок енергії, запасеної в вихідному конденсаторі Свих.

Мал. 3. Тимчасові діаграми в режимі переривчастих струмів

У другій частині періоду транзистор закривається (рисунок 3, t1-t3). Струм у первинній обмотці припиняється. Це викликає зміну полярності напруги на висновках як первинної, так і вторинної обмоток. Зміна полярності призводить до того, що струм починає протікати у вторинній обмотці (Isec). Відбувається заряд вихідного конденсатора Свих і харчування навантаження.

Як бачимо, трансформатор T1 використовується не тільки для передачі змінної складової генерується імпульсного сигналу, але і для запасання енергії. Тобто Т1, по суті, працює як дросель з додатковою обмоткою. В такому випадку дуже важливо не допускати насичення сердечника.

Намагнічення і розмагнічування сердечника залежить від характеру протікають в обмотках струмів. Розрізняють два основні режими роботи: режим переривчастих струмів (Discontinuous Conduction Mode, DCM) (рисунок 3) і режим безперервних струмів (Continuous Conduction Mode, CCM) (рисунок 4).

Мал. 4. Тимчасові діаграми в режимі безперервних струмів

У режимі переривчастих струмів до початку кожного нового періоду струм у вторинній обмотці встигає зменшитися до нуля (рисунок 3, t2), тобто, вся енергія, збережена в дроселі, встигає передатися в навантаження. Сердечник виявляється розмагніченим. При цьому коефіцієнт заповнення керуючого сигналу не повинен перевищувати 0,5. На практиці вибирається ще більш низьке значення.

У режимі безперервних струмів струм у вторинній обмотці не спадає до нуля до кінця періоду (малюнок 4). Таким чином, сердечник завжди має деякий подмагничивание.

Режим безперервних струмів відрізняється меншими кидками напруги при перемиканні і менш схильний до виникнення коливань. Він більш підходить для чутливих малопотребляющіх додатків. Разом з тим в такому режимі необхідно докласти додаткових зусиль для захисту сердечника від насичення при зміні навантаження. На щастя, сучасні контролери мають можливість зниження частоти імпульсів і коефіцієнта заповнення при зменшенні навантаження. Прикладом такого перетворювача є UCC28880 виробництва компанії Texas Instruments.

UCC28880 інтегрує в одному корпусі ШІМ-контролер і силовий ключ. Він дозволяє створювати прості і надійні низьковольтні малопотужні мережеві адаптери. Ще однією перевагою цієї мікросхеми є наявність автоматизованої середовища розробки WEBENCH від Texas Instruments. Дане середовище дозволяє генерувати обратноходового перетворювачі на базі UCC28880 за кілька кліків миші. Однак розрахунок трансформатора розробникам доведеться робити вручну.

Розрахунок параметрів трансформатора для неізольованого обратноходового перетворювача

Розрахунок трансформатора може вестися різними шляхами. У нашому випадку він починається з визначення мінімального значення індуктивності, яке забезпечить режим безперервних струмів. Якщо індуктивність буде менше цього значення - схема почне працювати з переривчастими струмами, рівень пульсацій зросте, а стабільність перетворювача опиниться під загрозою.

Мінімальна допустиме значення індуктивності визначається величиною необхідної енергії, що запасається при номінальному навантаженні. У свою чергу запасається енергія залежить від вхідного випрямленої напруги (VDC), величини струму через силовий ключ (IVT), робочої частоти (FSW) і коефіцієнта заповнення (D). У гіршому випадку вхідна напруга приймає мінімальне значення (VDCmin), при цьому ключ працює при максимальному навантаженні (IVTpeak) і максимальному коефіцієнті заповнення (Dmax). Таким чином, вихідними даними для розрахунку будуть: мінімальна вхідна напруга, робоча частота, максимальний струм ключа і максимальний коефіцієнт заповнення.

Мінімальна вхідна напруга визначається параметрами мережі. Якщо стоїть завдання зробити універсальний прилад для мереж 110/230 В, то, з урахуванням допустимої просадки, для розрахунків слід використовувати мінімальну чинне напруга, яке становить 90 В (мережа 110 В).

Ця напруга випрямляється і втрачає до 1 В на діодах моста. Далі відбувається заряд конденсаторів вхідного фільтру до пікового значення (формула 1):

(1)

Інші дані до розрахунку слід взяти з посібника користувача контролер. У нашому випадку це UCC28880. Для нього робоча частота становить 62 кГц, максимальний коефіцієнт заповнення - 0,5, піковий струм - 0,26 А (при 25 ° С). Для таких значень мінімальна індуктивність обчислюється таким чином (формула 2):

(2)

Тут відразу варто зазначити, що це значення припускає граничний випадок, коли струм в кінці періоду встигає опуститися до нуля. Для гарантованого забезпечення режиму безперервних струмів необхідно вибирати більшого значення. В результаті значення індуктивності вибирають на 20 ... 30% більше розрахованого за формулою 2.

Необмежене збільшення індуктивності має і негативні наслідки. Зокрема, це призводить до зростання накопиченої енергії і, відповідно, зростання енергії викидів напруги на силовому транзисторі при перемиканні. Наступним розрахунковим параметром трансформатора стає коефіцієнт трансформації. Його можна розрахувати за формулою 3:

(3)

Далі необхідно вибрати тип сердечника. Після цього можливо розрахувати перетин дроту і число витків первинної і вторинної обмоток. На цьому етапі дуже важливо враховувати особливості використовуваного магнітного матеріалу і наявність паразитних складових. Наприклад, магнітна проникність сердечника залежить від величини струму, що протікає, що призводить до зміни величини індуктивності. Наявність паразитних складових підвищує можливість коливальних процесів і знижує стійкість перетворювача.

Все це призводить до того, що розрахунок трансформатора виявляється утруднений і вимагає проведення практичних випробувань. В результаті проектування перетворюється в ітераційний процес з пошуком оптимальних значень і тестуванням одержуваних дослідних зразків. Очевидно, що такий підхід виявляється досить складним і витратним за часом. Він може бути виправданий, якщо ставиться завдання створення перетворювача з унікальними характеристиками. Якщо ж мова йде про типове джерелі, то слід вдатися до готових рішень з перевіреними характеристиками. Наприклад, для джерел живлення 5 В / 0,5 А існує трансформатор SM91047EL виробництва компанії Bourns. Розглянемо його характеристики більш докладно.

Трансформатор SM91047EL - готове рішення від Bourns

Трансформатор SM91047EL виробництва Bourns розроблявся спеціально для обратноходових перетворювачів 5 В / 0,5 А, що працюють в режимі безперервних струмів. Так як потужність джерела становить всього 2,5 Вт, то в якості основи дроселя був обраний стандартний сердечник розміром EP13 на основі Mn-Zn-фериту марки DMR44 з початковою проникністю 2400, а в якості форм-фактора - корпус для поверхневого монтажу (рисунок 5 ).

Мал. 5. Зовнішній вигляд і призначення висновків трансформатора SM91047EL виробництва Bourns

Для забезпечення режиму безперервних струмів число витків первинної обмотки не повинно перевищувати таке значення (формула 4):

(4)

Величина індукції насичення Bsat для обраного матеріалу і типу сердечника становить 0,3 Тл, а ефективна площа Ae дорівнює 19,5 мм 2. Таким чином, мінімальне число витків в такому значенні (формула 5):

(5)

Дане значення є орієнтовними. Для уточнення числа витків необхідно врахувати залежність магнітної проникності від величини струму, що протікає. Експериментальні дані показують, що при використанні 170 витків магнітна проникність становить 145 при струмі 0,2 А (малюнок 6). Таким чином, реальна індуктивність виявляється рівною 4,1 мГн. Це досить близько до розрахованим мінімального значення 3,8 мГн. З цієї причини інженери Bourns збільшили число витків до 190, а початкова індуктивність зросла до 5 мГн. При струмі 0,2 А індуктивність знижується до 4,5 мГн, що цілком допустимо для нашого випадку.

Мал. 6. Залежність магнітної проникності сердечника від величини струму

Для трансформатора обраний коефіцієнт трансформації:

Загальні характеристики SM91047EL виявляються наступними:

• діапазон вхідних напруг: 100 ... 375 В DC;
• номінальна вихідна напруга: 5 В;
• номінальний вихідний струм: 0,4 А;
• коефіцієнт трансформації: 11,875;
• індуктивність первинної обмотки: 5,0 мГн ± 15%;
• падіння індуктивності при струмі 0,2 А: не більше 15% (4,25 мГн);
• опір первинної обмотки: 8 Ом ± 20%;
• опір вторинної обмотки: 0,104 Ом ± 30%;
• діапазон робочих температур: -40 ... 85 ° С.

При використанні SM91047EL розробнику не потрібно самостійно проводити проектування трансформатора. Замість цього він відразу зможе перейти до розрахунку інших елементів схеми. Для прискорення розробки слід скористатися безкоштовними системами автоматизованого проектування, наприклад, WEBENCH, створеної компанією Texas Instruments. В цьому випадку процес розробки джерела живлення може зайняти всього декілька хвилин. Розглянемо конкретний приклад розрахунку обратноходового перетворювача на базі UCC28880 виробництва Texas Instruments.

Мал. 7. Завдання вихідних даних для розрахунку в системі WEBENC H від TI

Приклад створення неізольованого обратноходового перетворювача на базі UCC28880 від Texas Instruments

Для створення обратноходового перетворювача на базі UCC28880 за допомогою онлайн-програми WEBENCH слід перейти на відповідну сторінку сайту Texas Instruments: http://www.ti.com/product/UCC28880. У стартовому вікні необхідно задати початкові дані для розрахунку (малюнок 7).

Програма WEBENCH проводить розрахунок для конкретних робочих точок, виходячи з початкових даних. Перелік характеристик робочої точки, яка призначається за замовчуванням, представлений в таблиці 1. Користувач може змінити ці параметри, а також встановити пріоритет при оптимізації схеми: за вартістю, габаритам або ефективності.

Таблиця 1. Вхідні дані до розрахунку, пропоновані в середовищі WEBENCH від TI

Значення Вхідна напруга, В 90 Частота мережі змінної напруги, Гц 50 Напруга на виході, В 5 Вихідний струм, А 0,5 Вихідна потужність, Вт 2,5 Режим CCM Робоча частота, кГц 62

Виходячи зі значень встановлених параметрів, система запропонує принципову схему із зазначенням найменувань і компаній-виробників використовуваних компонентів (рисунок 8).

Мал. 8. Референсна схема перетворювача на базі UC 28880 в середовищі WEBENCH

Мал. 9. Завдання параметрів трансформатора
SM91047EL в середовищі WEBENC H

При генерації схеми WEBENCH попереджає про те, що вибір трансформатора утруднений, і пропонує ввести параметри користувальницької моделі самостійно, або зробити автоматизований розрахунок з використанням стандартних сердечників. Утиліта для автоматизованого розрахунку, пропонована WEBENCH, дозволяє скоротити час на розробку, але не звільняє від проблем, описаних вище - користувачеві доведеться на практиці перевіряти отримані результати. При використанні готового трансформатора ці проблеми вдається обійти.

Для самостійного введення параметрів SM91047EL слід виділити графічне зображення трансформатора на принциповій схемі, вибрати пункт «Select Assembled off the Shelf transformer», а в меню натиснути кнопку «Create a custom part». У новому вікні необхідно заповнити порожні поля (малюнок 9). При цьому система WEBENCH пропонує оптимальні значення для кожного з параметрів.

После Вступ Функції трансформатора WEBENCH Здійснює перерахунок схеми. Користувачеві стає доступною специфікація кінцевого перетворювача і повний перелік характеристик (таблиця 2). Як вже говорилося вище, розрахункові дані наводяться для заданої робочої точки, при необхідності її можна перевизначити.

Таблиця 2. Розрахункові значення для обратноходового перетворювача
при Uвх = 90 В, Iвих = 0,5 А

Значення Коефіцієнт заповнення +41,67657406 Мінімальна чинне вхідна напруга, В 89,0946 Розрахункове значення вихідної напруги, В 5,013574661 Початкова точність вихідної напруги,% 2,531810889 Розмах пульсацій вихідної напруги, В 0,013940101 Загальні втрати потужності, Вт 0, 643478544 ККД 79,53 Середня розсіює потужність на діодному мосту, Вт 0,040127461 середньоквадратичне ток через Cbulk, А 0,031829773 потужність втрат Cbulk, Вт 0,026888589 середньоквадратичне ток через Cout, А 0,516534697 потужність втрат Cout, Вт 0,002668081 середньоквадратичний ток через Coutx, А 0,02292483 Потужність втрат C outx, Вт 2,12E-06 Потужність, що розсіюється діода Dsec, Вт 0,127165026 Загальна площа компонентів на платі, мм² 1914 Потужність, що розсіюється на контролері IC, Вт 0,193959285 Температура кристала контролера, ° С +56,06812795 Чинний вхідний струм, А 0,034928 Пікове випрямлена вхідна напруга, в 127,278 Піковий струм в первинній обмотці T1, А 0,117390324 середньоквадратичне струм у первинній обмотці T1, А 0,061940067 Піковий струм у вторинній обмотці T1, А 1,394010096 середньоквадратичне струм у вторинній обмотці T1, А 0,735538294 втрати в осерді трансформатора, Вт 0,078941962 Повні втрати потужності на трансф рматоре, Вт 0,157883925

Ряд характеристик може бути виведений у вигляді графіків, наприклад, залежності ККД від величини струму, залежності величини струму від коефіцієнта заповнення і так далі (рисунок 10).

Мал. 10. Розрахункові значення КП Д і коефіцієнта заповнення в середовищі WEBENCH

Як видно з розрахунків (таблиця 2, рисунок 10), при мінімальному вхідному напрузі 90 В і вихідному струмі 0,5 А ККД становить майже 80%, а втрати - 0,64 Вт.

Представлений приклад показує, що при використанні готового трансформатора SM91047EL і сучасних безкоштовних засобів проектування процес створення обратноходового перетворювача стає гранично простим. Скорочення часу на розробку, приваблива вартість і максимальна простота реалізації роблять даний вид джерел живлення ще більш привабливим для розробників електроніки.

Висновок

З появою безкоштовних середовищ автоматизованого проектування процес створення різних перетворювачів значно спростився. Наприклад, при використанні середовища WEBENCH, створеної TI, «скелет» обратноходового перетворювача на базі UCC28880 можна отримати всього за кілька хвилин. Єдиною проблемою для користувача залишиться розробка і виробництво оптимального трансформатора.

Практика показує, що проектування трансформатора являє собою складний багатоступінчастий процес, який вимагає не тільки теоретичних розрахунків, але безлічі практичних випробувань. Для унікальних джерел живлення такий підхід може бути виправданий. Однак в разі стандартних перетворювачів варто звернути увагу на існуючі готові рішення.

Трансформатор SM91047EL виробництва компанії Bourns розроблений спеціально для обратноходових перетворювачів 5 В / 0,5 А, що працюють в режимі безперервних струмів. Такі джерела живлення фактично є стандартом для більшості портативних пристроїв, світильників, іграшок, систем безпеки та іншого. При використанні трансформаторів SM91047EL і автоматизованої середовища WEBENCH процес проектування джерел 5 В / 0,5 А стає гранично простим і швидким.

література

1. Про роботу імпульсного обратноходового перетворювача (Flyback). НВО Полюс, 2015-го, www.npl-polus.ru/.
2. Transformers for Offline Flyback Converters. WHITE PAPER. Bourns, 2016. www.bourns.com/ .

Про компанію Bourns

Компанія була заснована подружжям Marlan і Rosemary Bourns в 1947 році і почала свою діяльність в їх маленькому гаражі в Каліфорнії, США. Винахід одного з перших в світі мініатюрних потенціометрів було стимулом до перетворення їх крихітного бізнесу в глобальну корпорацію, що виробляє цілий спектр продуктів, які впливають майже на кожен аспект сучасної електронної промисловості. У 1952 році Bourns запатентував перший у світі підлаштування потенціометр під торговою маркою Trimpot®. ... Читати далі