Índice
Evaluar las métricas de diseño
1. Parámetros de entrada: tamaño de la tensión de entrada, CA o CC, número de fases, frecuencia, etc.
Los niveles de tensión internacionales incluyen 120Vac monofásicos, 220Vac, 230Vac, etc. El rango de tensión alterna aceptado internacionalmente es de 85~265V. Generalmente incluye la tensión nominal de entrada y su rango de variación;
La entrada monofásica suele utilizarse para potencias inferiores a 3 kW, y la trifásica para potencias superiores a 5 kW;
La frecuencia de la energía industrial suele ser de 50 Hz o 60 Hz, y la de la energía aeroespacial y naval, de 400 Hz.
Si hay indicadores de factor de potencia (Power Factor) y armónicos (Total Harmonics Distortion).
2. Parámetros de salida: potencia de salida, tensión de salida, corriente de salida, rizado, precisión de estabilización de la tensión (corriente constante), velocidad de ajuste, características dinámicas (tiempo de establecimiento: tiempo de estabilización), tiempo de arranque de la fuente de alimentación y tiempo de mantenimiento.
Tensión de salida: valor nominal + margen de ajuste. El límite superior de la tensión de salida debe estar lo más cerca posible del valor nominal para evitar un margen de diseño excesivo innecesario.
Corriente de salida: valor nominal + múltiple de sobrecarga. Si existe un requisito de corriente constante, también se especificará el rango de ajuste. Algunas fuentes de alimentación no permiten la ausencia de carga, por lo que también deberá especificarse un límite inferior de corriente.
Precisión de la estabilización de tensión y corriente: los factores que influyen son la tasa de regulación de la tensión de entrada, la tasa de regulación de la carga y la desviación por envejecimiento. La precisión de la fuente de referencia, la precisión de los componentes de detección y la precisión del amplificador operacional del circuito de control tienen una gran influencia en la precisión de la estabilización de la tensión y la estabilización de la corriente.
3. Eficiencia: relación entre la potencia de salida y la potencia activa de entrada a tensión nominal de entrada, tensión nominal de salida e intensidad nominal de salida.
Las pérdidas: Pérdidas estrechamente relacionadas con la frecuencia de conmutación: pérdidas de conmutación de los dispositivos de conmutación, pérdidas de hierro de los componentes magnéticos, pérdidas de los circuitos de absorción.
Pérdidas de estado pasante en el circuito: pérdidas de estado pasante de los dispositivos de conmutación, pérdidas de cobre de los componentes magnéticos, pérdidas de línea. Estas pérdidas dependen de la corriente.
Otras pérdidas: pérdidas en el circuito de control, pérdidas en el circuito de accionamiento, etc. Generalmente, la eficiencia de una fuente de alimentación con una tensión de salida más alta es mayor que la de una fuente de alimentación con una tensión de salida más baja. La eficiencia de la fuente de alimentación de alta tensión de salida puede alcanzar una eficiencia de 90% a 95%. La eficiencia de los circuitos de alta potencia puede ser mayor que la de los circuitos de baja potencia.
4. Tasa de regulación de la tensión y tasa de regulación de la carga
Tasa de regulación de la tensión (fuente): La tasa de regulación de la fuente de alimentación se basa normalmente en la tasa de desviación de la tensión de salida causada por cambios en la tensión de entrada en condiciones de carga nominal. Como se muestra en la siguiente fórmula Vo(max)-Vo(min) / Vo(normal), o la desviación de la tensión de salida debe estar dentro de los límites superior e inferior especificados, es decir, dentro del valor absoluto de los límites superior e inferior de la tensión de salida.
Regulación de carga: La definición de regulación de carga es la capacidad de una fuente de alimentación conmutada para proporcionar una tensión de salida estable cuando cambia la corriente de carga de salida. O cuando cambia la corriente de carga de salida, la desviación de la tensión de salida no debe superar los valores absolutos superior e inferior.
Método de prueba: Después de que la fuente de alimentación bajo prueba estabilice el motor térmico bajo condiciones normales de tensión de entrada y carga, mida el valor de tensión de salida bajo carga normal, y luego mida el valor de tensión de salida bajo carga ligera (Min) y carga pesada (Max) respectivamente (respectivamente Vmax y Vmin), la tasa de regulación de carga es generalmente el porcentaje de la tasa de desviación de tensión de salida causada por cambios en la corriente de carga bajo una tensión de entrada fija normal, como se muestra en la siguiente fórmula: V0(máx)-V0(mín) / V0(normal)
5. Características dinámicas: cambios en la tensión de salida cuando la carga cambia repentinamente.
La fuente de alimentación conmutada garantiza la estabilidad de su tensión de salida mediante un bucle de control de realimentación. De hecho, el bucle de control de realimentación tiene un cierto ancho de banda, que limita la respuesta de la fuente de alimentación a los cambios en la corriente de carga, lo que puede hacer que la fuente de alimentación conmutada se vuelva inestable, se descontrole u oscile. De hecho, la corriente de carga de la fuente de alimentación cambia dinámicamente cuando está funcionando, por lo que las pruebas de carga dinámica son extremadamente importantes para la fuente de alimentación.
Las cargas electrónicas programables se pueden utilizar para simular las peores condiciones de carga cuando la fuente de alimentación está funcionando realmente, como la subida y bajada rápidas de la corriente de carga, la pendiente y el ciclo. Si la fuente de alimentación está sometida a condiciones de carga severas, aún puede mantener una tensión de salida estable. No provoque sobretensiones ni subtensiones, de lo contrario la tensión de salida de la fuente de alimentación superará el rango de trabajo del componente de carga (por ejemplo, la tensión instantánea de salida de un circuito TTL debe estar entre 4,75V y 5,25V, para no provocar el mal funcionamiento del circuito lógico TTL).
6. Tiempo de arranque (Set-Up Time) y tiempo de mantenimiento (Hold-Up Time)
Tiempo de arranque: se refiere al tiempo que transcurre desde que la fuente de alimentación se conecta a la entrada hasta que su tensión de salida alcanza el rango regulado. Tomando como ejemplo una fuente de alimentación con una salida de 5V, el tiempo de arranque es desde que se conecta la fuente de alimentación hasta que la tensión de salida alcanza los 4,75V. hasta el momento.
Tiempo de mantenimiento: Es el tiempo que transcurre desde que se corta la alimentación de entrada hasta que la tensión de salida cae fuera del rango regulado. Tomando como ejemplo una fuente de alimentación con una salida de 5V, el tiempo de mantenimiento es desde que se corta la alimentación hasta que la tensión de salida es inferior a 4,75V. Tiempo, el valor general es de 10-20ms, para evitar que el funcionamiento de la carga se vea afectado debido a una interrupción de tensión de corta duración (medio o un ciclo de tensión de red) en la alimentación de la compañía eléctrica.
7. Tasa de ajuste cruzado de la fuente de alimentación de salida multicanal:
La multisalida también debe tener en cuenta la tasa de ajuste cruzado (Cross Regulation).
¿Cuál es la tasa de ajuste cruzado?
Cuando la carga de una salida cambia, el rango de cambio de la otra tensión de salida.
Métodos convencionales para mejorar la tasa de ajuste cruzado: ajuste post-etapa
Tales como: salida multicanal de baja potencia Flyback
Rango de tensión de entrada............90～264VAC, 120-370VDC
Corriente de entrada......................2.0A/115V 1.1A/230V, frecuencia de entrada: 47～63HZ
Corriente de irrupción............. Corriente de arranque en frío 20A/115V 40A/230V
Corriente de fuga................< 2mA/240VAC
Rango de ajuste de la tensión de salida..........CH1: -5～+10%
Tasa de regulación de tensión............CH1: < 1%, CH2: < 1%
Tasa de regulación de carga......CH1: < 3%, CH2/3: < 4-8%
Protección contra sobrecarga............105%～150% Tipo de protección: límite de corriente, recuperación automática
Protección contra sobretensión............115-135%CH1 tensión nominal de salida
Coeficiente de temperatura............±0,03%℃(0～50℃)
Tiempo de inicio, subida, mantenimiento...800ms, 60ms, 20ms
Resistencia a los choques............10～500Hz, 2G, tres ejes 10min./1 ciclo, 1 hora por eje
Resistencia a la presión......................Entrada-salida: 3KVAC, entrada-carcasa: 1,5KVAC,
Salida-Encerramiento: 0,5KVAC 1 minuto
Resistencia de aislamiento............Entrada-salida, entrada-tierra, salida-tierra 500VDC/100M Ohmios
Temperatura y humedad de trabajo......-10℃～+60℃, 20%～90%RH (0-45℃/100%, -10℃/80%, 60℃/60 % CARGA)
Temperatura y humedad de almacenamiento......-20℃～+85℃, 10%～95RH
Dimensiones totales............199*99*50mm CASE 916A
Peso............0.6kg; 20pcs/13kg/1.17CUFT
Normas de seguridad......................Cumple los requisitos UL1310, TUV EN60950
EMC/Normas armónicas............Meet
EN55022 clase B/A,EN61000-3-2,3
EN61000-4-2,3,4,5,6,8,11,ENV50204
2. Seleccione la topología de circuito principal adecuada (AC-DC)
Principios básicos: nivel de potencia, coste, eficiencia, tamaño
Cuando la potencia es inferior a 75 vatios, no suele haber restricciones para los armónicos del lado de entrada. Por lo tanto, se selecciona un circuito flyback de circuito sencillo y bajo coste. Japón limita la potencia por debajo de 50W. El requisito de iluminación es mayor, 25W.
Los requisitos generales de la fuente de alimentación para potencias de circuito superiores a 75 vatios cumplen la norma sobre armónicos IEC61000-3-2. Generalmente se requiere la corrección del factor de potencia, por lo que se suele utilizar una solución de dos etapas. Boost PFC+Flyback; <100W, Boost PFC+medio puente 100W< <500W
Para potencias superiores (más de 500 vatios), se puede utilizar un medio puente o un puente completo. Si los requisitos de coste son estrictos, elija medio puente, y si la potencia es alta, elija puente completo. Los circuitos push-pull suelen utilizarse en situaciones en las que la potencia es relativamente alta y la tensión de entrada es muy baja.
Generalmente, cuando la potencia es inferior a 20W, dado que las pérdidas de la fuente de alimentación son principalmente componentes magnéticos, interruptores y pérdidas de accionamiento, la proporción de pérdidas en estado encendido es pequeña (la corriente es pequeña), por lo que se opta por una solución con una topología de circuito sencilla. Por ejemplo, DCM Flyback.
Cuando la pérdida de la fuente de alimentación es principalmente pérdida de estado pasante (alta potencia, o baja tensión y alta corriente), es necesario considerar una solución que pueda reducir la pérdida de estado pasante. Por ejemplo: rectificación síncrona, conversión multietapa, conexión en paralelo, topología híbrida, etc.
3. Diseño de componentes
Ejemplo: ¿Qué componentes del circuito principal del Flyback debemos diseñar?
① Calcular los parámetros de funcionamiento del circuito. Tensión de entrada y salida
② Parámetros de funcionamiento. Frecuencia de conmutación, ciclo de trabajo máximo.
③ Transformador.
④ Tubo de conmutación: tensión, corriente.
⑤ Diodo del lado secundario: tensión, corriente.
⑥ Condensador de filtro de salida
⑦ Circuito de absorción
pasos de diseño
(1) Determinar el rango de variación de tensión del bus de CC de entrada:
1) El alcance cambia con la entrada
2) Cambios de tensión dentro de cada ciclo de frecuencia de alimentación
(2) Frecuencia de conmutación de diseño fs, ciclo de trabajo máximo Dmax=0,45
- Ajuste la frecuencia de conmutación según sea necesario
- En base a la potencia de entrada, y suponiendo la tensión más baja y el ciclo de trabajo máximo, sólo la continuidad crítica, a continuación, determinar la corriente de pico del inductor
Pinmax＝Pomax/eficiencia
Iavgmáx=Pinmáx/VCCmín
Ipico=2*Iavgmáx/D
(3) Diseño del transformador flyback
- Determine la inductancia primaria en función de la corriente de pico máxima
Pinmax＝0,5*Lm*Ipeak2*fs
- Basándose en la experiencia, seleccione el tamaño del núcleo y calcule el número de vueltas primarias.
Np＝（Lm*Ipico)/(Ae*Bmax)
Ae es el área de la sección transversal del núcleo; Bmax es la densidad de flujo magnético máxima diseñada.
- Diseña el entrehierro en función de la inductancia y el número de espiras.
- Seleccione la relación de vueltas adecuada en función de la tensión nominal del primario. Para obtener una mejor regulación cruzada del secundario, a veces es necesario ajustar el número de espiras del primario del transformador.
Ejemplo: lado secundario Vo1: Vo2=5:3
Los cálculos preliminares muestran: Ns1=3, Ns2=1,8; si Ns2 da 2 vueltas, el índice de ajuste puede ser deficiente. Por lo tanto, modificar el número de vueltas secundarias, Ns1=5, Ns2=3.
(4) Selección del tubo de conmutación: MOSFET de potencia
Tensión de conmutación:
Por ejemplo: Si se selecciona un MOSFET de 650V en el lado primario, el esfuerzo de tensión del tubo de conmutación en el lado primario no debe superar los 600V.
Así que calcula la tensión máxima: Vpmax=VDCmax+(Vo+Vdrop)*Np/Ns+60V
Tensión de corriente del tubo de conmutación:
Calcular la corriente máxima en el primario del transformador
Normalmente: Vo*Np/Ns<140V;
Considera un compromiso entre la tensión del tubo de conmutación primario, la tensión del diodo secundario y el ciclo de trabajo máximo.
(5) Selección del diodo del lado secundario:
- Diodo de recuperación rápida
- Calcular la tensión soportada por el diodo
VD＝(Vdcmax*Ns/Np+Vo)*1,3
(6) Selección del condensador del filtro de salida:
Seleccione los condensadores electrolíticos en función de los requisitos de tensión/corriente y rizado.
(7) Circuito de absorción RCD
Considera los puntos problemáticos:
1) Efecto de absorción
2) Es probable que la pérdida sea pequeña
Compromiso entre efecto de absorción y pérdida
El mismo principio de diseño se aplica no sólo a FLYback, sino también a todos los circuitos de absorción con R.
Método de estimación de pérdidas:
1) Psnuber=Vc2/R
Cuando el MOSFET está apagado, cuando Vds supera la tensión VSN en el condensador del circuito de amortiguación RCD, el diodo de amortiguación se enciende. La corriente de pico es absorbida por el circuito RCD, reduciendo así la corriente de pico. El condensador de amortiguación debe ser lo suficientemente grande para garantizar que la tensión a través del condensador no cambie significativamente durante el ciclo. Sin embargo, si la capacitancia de absorción es demasiado grande, también aumentará la pérdida del circuito amortiguador. Debe haber un compromiso.
La potencia consumida por el circuito de absorción puede calcularse mediante la siguiente fórmula. A continuación, tome una resistencia de potencia con una resistencia de 3W, y sus valores de resistencia y capacitancia pueden ser calculados por el software, como se muestra a continuación
4. Otros modos de diseño flyback
Diseño CCM/DCM Flyback
Cuando la potencia es mayor, como 65W. Con el fin de reducir la baja presión
La pérdida de conducción en la entrada hace que el dispositivo entre en modo CCM a baja tensión de entrada. Cuando entra alta tensión, modo DCM.
Los pasos de diseño son los mismos que en el modelo DCM, pero la fórmula de diseño es diferente.
- La fórmula para calcular el valor de la inductancia primaria es diferente
- La fórmula para calcular la relación de vueltas es diferente
- Calcular las diferentes tensiones de tensión y corriente de los tubos de conmutación
- Calcular las diferencias de tensión y corriente de los diodos
- La ondulación de salida calculada es diferente Límite CM Flyback
Dentro del rango variable de tensión de bus, el modo es crítico. (Conversión de frecuencia) Los mismos pasos y patrones de método que el diseño DCM.
Ventajas de BCM/DCM:
1) La pérdida de encendido del tubo de conmutación primario es pequeña.
2) La corriente de recuperación inversa del diodo del lado secundario es pequeña.
3) El ruido de modo común causado por la recuperación inversa es pequeño
4) El esfuerzo de tensión del diodo es pequeño, por lo que deben seleccionarse dispositivos de baja tensión.
Desventajas del modelo BCM:
1) La pérdida de conducción del tubo de conmutación primario es grande.
2) Cambios de frecuencia, el filtro de modo diferencial debe diseñarse en función de la frecuencia más baja. Los filtros de modo común deben diseñarse para frecuencias más altas.
Dos condiciones hacen que las deficiencias anteriores dejen de tener importancia:
1) Con la mejora de los dispositivos MOSFET, Rdson es cada vez menor. Reduce la proporción de la pérdida de conducción primaria con respecto a la pérdida total.
2) El BCM reduce el modo común causado por la recuperación inversa del diodo en el secundario.
5. Diseño térmico
Por lo general, el tubo del interruptor necesita un radiador, y entre el radiador y el tubo del interruptor debe aplicarse una junta aislante y silicona disipadora del calor.
En el diseño de las fuentes de alimentación conmutadas de alta potencia, se suelen instalar ventiladores para utilizar la refrigeración por aire forzado.
6. Diseño del cableado y EMI
Las patillas de cada componente, especialmente el condensador, deben ser lo más cortas posible, de lo contrario el condensador tendrá un efecto de absorción pobre en altas frecuencias;
Los cables de interconexión por los que circulan grandes corrientes deben ser gruesos o cortos;
Trate de no formar un bucle grande, de lo contrario la interferencia será demasiado grande y afectará a la depuración.
El cableado del circuito de control debe estar separado del cableado del circuito de potencia.
El chip de control y el transformador deben instalarse con asientos para facilitar el desmontaje. Al cablear, tenga muy en cuenta la disipación del calor y la comodidad para las pruebas. Es limpio y ordenado, y cada módulo funcional es claro.
