№3 / 2017 Статья 2 Разработка Flyback-преобразователя с применением трансформатора Bourns

Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Топология обратноходовых преобразователей наиболее популярна для маломощных сетевых источников питания. Главные преимущества таких источников – невысокая стоимость и относительная простота реализации. Современные средства разработки позволяют максимально автоматизировать процесс их проектирования, однако расчет трансформатора по-прежнему приходится делать вручную. Но для наиболее популярных типов сетевых адаптеров можно воспользоваться готовыми решениями. Например, трансформатор SM91047EL производства компании Bourns является оптимальным выбором для широко распространенных блоков питания с выходным напряжением 5 В и током до 0,5 А.

Обратноходовые преобразователи чаще всего используются для построения маломощных сетевых адаптеров. Пример – зарядные устройства для различных мобильных устройств, блоки питания светодиодных ламп, дежурные блоки питания для систем безопасности и так далее. Причиной такой популярности являются дешевизна и максимальная простота реализации. Вместе с тем, у обратноходовых преобразователей есть и недостатки: высокий уровень генерируемых помех и низкий КПД. Процесс проектирования таких блоков также не всегда оказывается простым и быстрым.

С одной стороны современные системы проектирования, например, WEBENCH, созданная компанией Texas Instruments, позволяют за несколько кликов мыши создавать «скелет» обратноходовых преобразователей. При этом разработчик получает практически всю информацию для производства: принципиальную схему, спецификацию с указанием наименований компонентов и компаний-производителей, общую ориентировочную стоимость, расчетные значения характеристик схемы для требуемых рабочих точек. К тому же, возможна оптимизация устройства по занимаемой площади, цене и значению КПД. Единственным «темным» пятном в полученной схеме, как правило, становится трансформатор.

Программа ограничивается расчетом общих рекомендуемых электрических характеристик трансформатора: индуктивности и сопротивления первичной обмотки, индуктивности рассеяния, коэффициента передачи. Расчет конструктивных параметров (количества витков, типа сердечника, сечения провода и так далее) разработчику придется взять на себя. Очевидно, что при таком подходе невозможно обойтись без множества испытаний на практике.

Рис. 1. Внешний вид трансформатора SM91047EL производства Bourns

Рис. 1. Внешний вид трансформатора SM91047EL производства Bourns

Разработка и расчет собственного трансформатора является оправданным шагом при создании источников питания, к которым предъявляются уникальные требования. Вместе с тем, существуют сетевые адаптеры, которые давно стали негласным стандартом для различных приложений. Речь идет, например, о блоках питания с выходом 5 В и током 0,5 А. Они поставляются в комплекте практически с каждым мобильным устройством от смартфонов и планшетов до светильников и игрушек. Изобретать «велосипед» в виде собственного трансформатора в данном случае кажется нелогичным. Оптимальным решением здесь, скорее, будет использование готового решения. В частности, трансформатор SM91047EL производства компании Bourns рассчитан именно для работы в источниках питания с выходом 5 В/0,5 А (рисунок 1).

При использовании трансформаторов SM91047EL разработчики получают три основных преимущества. Во-первых, не требуется проводить сложные расчеты и оптимизировать характеристики трансформатора, так как SM91047EL уже оптимизирован для решений 5 В/0,5 А. Во-вторых, не требуется организация производства трансформаторов. В-третьих, SM91047EL является серийным продуктом, что отражается и на его стоимости.

Рассмотрим особенности использования трансформатора SM91047EL производства компании Bourns при проектировании обратноходовых преобразователей и приведем пример создания преобразователя 5 В/0,5 А на базе контроллера UCC28880 в среде разработки WEBENCH, созданной Texas Instruments.

Принцип работы неизолированного обратноходового преобразователя

Одним из преимуществ обратноходовых преобразователей является максимальная простота реализации (рисунок 2). Для его создания требуется всего несколько функциональных блоков: входной выпрямитель (VD1…VD4), входной фильтр (Сф1, Сф2, Lф), ШИМ-контроллер, который управляет силовым ключом (VT1), трансформатор (T1), снабберная цепь для защиты транзистора от перенапряжений (Сcl, Rcl, Dcl), выпрямительный диод (VDвых), выходной конденсатор фильтра (Свых), цепь обратной связи для контроля выходного напряжения (Rос1, Rос2, Cос). Как видим, между сетью и нагрузкой существует гальваническая связь (цепь обратной связи), это позволяет использовать один простой трансформатор без дополнительных обмоток, а схема оказывается неизолированной от первичной сети переменного тока.

Рис. 2. Упрощенная схема обратноходового неизолированного преобразователя

Рис. 2. Упрощенная схема обратноходового неизолированного преобразователя

Принцип работы обратноходового преобразователя в общих чертах достаточно прост [1]. Переменное напряжение сети выпрямляется диодным мостом (VD1…VD4) и стабилизируется входным фильтром (Сф1, Сф2, Lф). Полученное постоянное напряжение преобразуется в импульсный сигнал с помощью силового ключа и ШИМ-контроллера. ШИМ-контроллер формирует сигнал управления затвором заданной частоты и с заданным коэффициентом заполнения (рисунок 3, Vgs). Первую часть периода транзистор открыт (рисунок 3, t0-t1). Ток протекает через первичную обмотку трансформатора (Iprim) – происходит запасание энергии. В течение этого времени на вторичной обмотке наводится ЭДС. Полярность этого напряжения противоположна полярности выпрямительного диода Vdвых, и ток во вторичной обмотке не течет. Питание нагрузки происходит за счет энергии, запасенной в выходном конденсаторе Свых.

Рис. 3. Временные диаграммы в режиме прерывистых токов

Рис. 3. Временные диаграммы в режиме прерывистых токов

Во второй части периода транзистор закрывается (рисунок 3, t1-t3). Ток в первичной обмотке прекращается. Это вызывает смену полярности напряжения на выводах как первичной, так и вторичной обмоток. Изменение полярности приводит к тому, что ток начинает протекать во вторичной обмотке (Isec). Происходит заряд выходного конденсатора Свых и питание нагрузки.

Как видим, трансформатор T1 используется не только для передачи переменной составляющей генерируемого импульсного сигнала, но и для запасания энергии. То есть Т1, по сути, работает как дроссель с дополнительной обмоткой. В таком случае очень важно не допускать насыщения сердечника.

Намагничивание и размагничивание сердечника зависит от характера протекающих в обмотках токов. Различают два основных режима работы: режим прерывистых токов (Discontinuous Conduction Mode, DCM) (рисунок 3) и режим непрерывных токов (Continuous Conduction Mode, CCM) (рисунок 4).

Рис. 4. Временные диаграммы в режиме непрерывных токов

Рис. 4. Временные диаграммы в режиме непрерывных токов

В режиме прерывистых токов к началу каждого нового периода ток во вторичной обмотке успевает уменьшиться до нуля (рисунок 3, t2), то есть, вся энергия, запасенная в дросселе, успевает передаться в нагрузку. Сердечник оказывается размагниченным. При этом коэффициент заполнения управляющего сигнала не должен превышать 0,5. На практике выбирается еще более низкое значение.

В режиме непрерывных токов ток во вторичной обмотке не спадает до нуля к концу периода (рисунок 4). Таким образом, сердечник всегда имеет некоторое подмагничивание.

Режим непрерывных токов отличается меньшими бросками напряжения при переключениях и менее подвержен возникновению колебаний. Он более подходит для чувствительных малопотребляющих приложений. Вместе с тем в таком режиме необходимо приложить дополнительные усилия для защиты сердечника от насыщения при изменении нагрузки. К счастью, современные контроллеры имеют возможность снижения частоты импульсов и коэффициента заполнения при уменьшении нагрузки. Примером такого преобразователя является UCC28880 производства компании Texas Instruments.

UCC28880 интегрирует в одном корпусе ШИМ-контроллер и силовой ключ. Он позволяет создавать простые и надежные низковольтные маломощные сетевые адаптеры. Еще одним достоинством этой микросхемы является наличие автоматизированной среды разработки WEBENCH от Texas Instruments. Данная среда позволяет генерировать обратноходовые преобразователи на базе UCC28880 за несколько кликов мыши. Однако расчет трансформатора разработчикам придется делать вручную.

Расчет параметров трансформатора для неизолированного обратноходового преобразователя

Расчет трансформатора может вестись различными путями. В нашем случае он начинается с определения минимального значения индуктивности, которое обеспечит режим непрерывных токов. Если индуктивность будет меньше этого значения – схема начнет работать с прерывистыми токами, уровень пульсаций возрастет, а стабильность преобразователя окажется под угрозой.

Минимальное допустимое значение индуктивности определяется величиной необходимой запасаемой энергии при номинальной нагрузке. В свою очередь запасаемая энергия зависит от входного выпрямленного напряжения (VDC), величины тока через силовой ключ (IVT), рабочей частоты (FSW) и коэффициента заполнения (D). В худшем случае входное напряжение принимает минимальное значение (VDCmin), при этом ключ работает при максимальной нагрузке (IVTpeak) и максимальном коэффициенте заполнения (Dmax). Таким образом, исходными данными для расчета будут: минимальное входное напряжение, рабочая частота, максимальный ток ключа и максимальный коэффициент заполнения.

Минимальное входное напряжение определяется параметрами сети. Если стоит задача сделать универсальный прибор для сетей 110/230 В, то, с учетом допустимой просадки, для расчетов следует использовать минимальное действующее напряжение, которое составляет 90 В (сеть 110 В).

Это напряжение выпрямляется и теряет до 1 В на диодах моста. Далее происходит заряд конденсаторов входного фильтра до пикового значения (формула 1):

form_1(1)

Остальные данные к расчету следует взять из документации на используемый контроллер. В нашем случае это UCC28880. Для него рабочая частота составляет 62 кГц, максимальный коэффициент заполнения – 0,5, пиковый ток – 0,26 А (при 25°С). Для таких значений минимальная индуктивность вычисляется следующим образом (формула 2):

form_2_long(2)

Здесь сразу стоит отметить, что это значение предполагает предельный случай, когда ток в конце периода успевает опуститься до нуля. Для гарантированного обеспечения режима непрерывных токов необходимо выбирать большее значение. В итоге значение индуктивности выбирают на 20…30% больше рассчитанного по формуле 2.

Неограниченное увеличение индуктивности имеет и негативные последствия. В частности, это приводит к росту накопленной энергии и, соответственно, росту энергии выбросов напряжения на силовом транзисторе при переключении. Следующим расчетным параметром трансформатора становится коэффициент трансформации. Его можно рассчитать по формуле 3:

form_3 (3)

Далее необходимо выбрать тип сердечника. После этого возможно рассчитать сечение провода и число витков первичной и вторичной обмоток. На этом этапе очень важно учитывать особенности используемого магнитного материала и наличие паразитных составляющих. Например, магнитная проницаемость сердечника зависит от величины протекающего тока, что приводит к изменению величины индуктивности. Наличие паразитных составляющих повышает возможность колебательных процессов и снижает устойчивость преобразователя.

Все это приводит к тому, что расчет трансформатора оказывается затруднен и требует проведения практических испытаний. В результате проектирование превращается в итерационный процесс с поиском оптимальных значений и тестированием получаемых опытных образцов. Очевидно, что такой подход оказывается достаточно сложным и затратным по времени. Он может быть оправдан, если ставится задача создания преобразователя с уникальными характеристиками. Если же речь идет о типовом источнике, то следует прибегнуть к готовым решениям с проверенными характеристиками. Например, для источников питания 5 В/0,5 А существует трансформатор SM91047EL производства компании Bourns. Рассмотрим его характеристики более подробно.

Трансформатор SM91047EL – готовое решение от Bourns

Трансформатор SM91047EL производства Bourns разрабатывался специально для обратноходовых преобразователей 5 В/0,5 А, работающих в режиме непрерывных токов. Так как мощность источника составляет всего 2,5 Вт, то в качестве основы дросселя был выбран стандартный сердечник размером EP13 на основе Mn-Zn-феррита марки DMR44 с начальной проницаемостью 2400, а в качестве форм-фактора – корпус для поверхностного монтажа (рисунок 5).

Рис. 5. Внешний вид и назначение выводов трансформатора SM91047EL производства Bourns

Рис. 5. Внешний вид и назначение выводов трансформатора SM91047EL производства Bourns

Для обеспечения режима непрерывных токов число витков первичной обмотки не должно превышать следующее значение (формула 4):

form_4 (4)

Величина индукции насыщения Bsat для выбранного материала и типа сердечника составляет 0,3 Тл, а эффективная площадь Ae равна 19,5 мм2. Таким образом, минимальное число витков имеет следующее значение (формула 5):

form_5 (5)

Данное значение является ориентировочным. Для уточнения числа витков необходимо учесть зависимость магнитной проницаемости от величины протекающего тока. Экспериментальные данные показывают, что при использовании 170 витков магнитная проницаемость составляет 145 при токе 0,2 А (рисунок 6). Таким образом, реальная индуктивность оказывается равной 4,1 мГн. Это достаточно близко к рассчитанному минимальному значению 3,8 мГн. По этой причине инженеры Bourns увеличили число витков до 190, а начальная индуктивность возросла до 5 мГн. При токе 0,2 А индуктивность снижается до 4,5 мГн, что вполне допустимо для нашего случая.

Рис. 6. Зависимость магнитной проницаемости сердечника от величины тока

Рис. 6. Зависимость магнитной проницаемости сердечника от величины тока

Для трансформатора выбран коэффициент трансформации:

form_6

Общие характеристики SM91047EL оказываются следующими:

  • диапазон входных напряжений: 100…375 В DC;
  • номинальное выходное напряжение: 5 В;
  • номинальный выходной ток: 0,4 А;
  • коэффициент трансформации: 11,875;
  • индуктивность первичной обмотки: 5,0 мГн ±15%;
  • падение индуктивности при токе 0,2 А: не более 15% (4,25 мГн);
  • сопротивление первичной обмотки: 8 Ом ±20%;
  • сопротивление вторичной обмотки: 0,104 Ом ±30%;
  • диапазон рабочих температур: -40…85°С.

При использовании SM91047EL разработчику не требуется самостоятельно проводить проектирование трансформатора. Вместо этого он сразу сможет перейти к расчету остальных элементов схемы. Для ускорения разработки следует воспользоваться бесплатными системами автоматизированного проектирования, например, WEBENCH, созданной компанией Texas Instruments. В этом случае процесс разработки источника питания может занять всего несколько минут. Рассмотрим конкретный пример расчета обратноходового преобразователя на базе UCC28880 производства Texas Instruments.

Рис. 7. Задание исходных данных для расчета в системе WEBENC H от TI

Рис. 7. Задание исходных данных для расчета в системе WEBENC H от TI

Пример создания неизолированного обратноходового преобразователя на базе UCC28880 от Texas Instruments

Для создания обратноходового преобразователя на базе UCC28880 с помощью онлайн-программы WEBENCH следует перейти на соответствующую страницу сайта Texas Instruments: http://www.ti.com/product/UCC28880. В стартовом окне необходимо задать начальные данные для расчета (рисунок 7).

Программа WEBENCH производит расчет для конкретных рабочих точек, исходя из начальных данных. Перечень характеристик рабочей точки, назначаемой по умолчанию, представлен в таблице 1. Пользователь может изменить эти параметры, а также установить приоритет при оптимизации схемы: по стоимости, габаритам или эффективности.

Таблица 1. Входные данные к расчету, предлагаемые в среде WEBENCH от TI

Параметр Значение
Входное напряжение, В 90
Частота сети переменного напряжения, Гц 50
Выходное напряжение, В 5
Выходной ток, А 0,5
Выходная мощность, Вт 2,5
Режим CCM
Рабочая частота, кГц 62

Исходя из значений установленных параметров, система предложит принципиальную схему с указанием наименований и компаний-производителей используемых компонентов (рисунок 8).

Рис. 8. Референсная схема преобразователя на базе UC 28880 в среде WEBENC H

Рис. 8. Референсная схема преобразователя на базе UC 28880 в среде WEBENCH

Рис. 9. Задание параметров трансформатора SM91047EL в среде WEBENC H

Рис. 9. Задание параметров трансформатора
SM91047EL в среде WEBENC H

При генерации схемы WEBENCH предупреждает о том, что выбор трансформатора затруднен, и предлагает ввести параметры пользовательской модели самостоятельно, либо произвести автоматизированный расчет с использованием стандартных сердечников. Утилита для автоматизированного расчета, предлагаемая WEBENCH, позволяет сократить время на разработку, но не освобождает от проблем, описанных выше – пользователю придется на практике проверять полученные результаты. При использовании готового трансформатора эти проблемы удается обойти.

Для самостоятельного ввода параметров SM91047EL следует выделить графическое изображение трансформатора на принципиальной схеме, выбрать пункт «Select Assembled off the Shelf transformer», а в появившемся меню нажать кнопку «Create a custom part». В новом окне необходимо заполнить пустые поля (рисунок 9). При этом система WEBENCH предлагает оптимальные значения для каждого из параметров.

После введения характеристик трансформатора WEBENCH производит перерасчет схемы. Пользователю становятся доступна спецификация конечного преобразователя и полный перечень характеристик (таблица 2). Как уже говорилось выше, расчетные данные приводятся для заданной рабочей точки, при необходимости ее можно переопределить.

Таблица 2. Расчетные значения для обратноходового преобразователя
при Uвх = 90 В, Iвых = 0,5 А

Параметр Значение
Коэффициент заполнения 41,67657406
Минимальное действующее входное напряжение, В 89,0946
Расчетное значение выходного напряжения, В 5,013574661
Начальная точность выходного напряжения, % 2,531810889
Размах пульсаций выходного напряжения, В 0,013940101
Общие потери мощности, Вт 0,643478544
КПД 79,53
Средняя рассеиваемая мощность на диодном мосте, Вт 0,040127461
Среднеквадратичный ток через Cbulk, А 0,031829773
Мощность потерь Cbulk, Вт 0,026888589
Среднеквадратичный ток через Cout, А 0,516534697
Мощность потерь Cout, Вт 0,002668081
Среднеквадратичный ток через Coutx, А 0,02292483
Мощность потерь Coutx, Вт 2,12E-06
Рассеиваемая мощность диода Dsec, Вт 0,127165026
Общая площадь компонентов на плате, мм² 1914
Мощность, рассеиваемая на контроллере IC, Вт 0,193959285
Температура кристалла контроллера, °С 56,06812795
Действующий входной ток, А 0,034928
Пиковое выпрямленное входное напряжение, В 127,278
Пиковый ток в первичной обмотке T1, А 0,117390324
Среднеквадратичный ток в первичной обмотке T1, А 0,061940067
Пиковый ток во вторичной обмотке T1, А 1,394010096
Среднеквадратичный ток во вторичной обмотке T1, А 0,735538294
Потери в сердечнике трансформатора, Вт 0,078941962
Полные потери мощности на трансформаторе, Вт 0,157883925

Ряд характеристик может быть выведен в виде графиков, например, зависимости КПД от величины тока, зависимости величины тока от коэффициента заполнения и так далее (рисунок 10).

Рис. 10. Расчетные значения КП Д и коэффициента заполнения в среде WEBENC H

Рис. 10. Расчетные значения КП Д и коэффициента заполнения в среде WEBENCH

Как видно из расчетов (таблица 2, рисунок 10), при минимальном входном напряжении 90 В и выходном токе 0,5 А КПД составляет почти 80%, а потери – 0,64 Вт.

Представленный пример показывает, что при использовании готового трансформатора SM91047EL и современных бесплатных средств проектирования процесс создания обратноходового преобразователя становится предельно простым. Сокращение времени на разработку, привлекательная стоимость и максимальная простота реализации делают данный вид источников питания еще более привлекательным для разработчиков электроники.

Заключение

С появлением бесплатных сред автоматизированного проектирования процесс создания различных преобразователей значительно упростился. Например, при использовании среды WEBENCH, созданной TI, «скелет» обратноходового преобразователя на базе UCC28880 можно получить всего за несколько минут. Единственной проблемой для пользователя останется разработка и производство оптимального трансформатора.

Практика показывает, что проектирование трансформатора представляет собой сложный многоступенчатый процесс, который потребует не только теоретических расчетов, но множества практических испытаний. Для уникальных источников питания такой подход может быть оправдан. Однако в случае стандартных преобразователей стоит обратить внимание на существующие готовые решения.

Трансформатор SM91047EL производства компании Bourns разработан специально для обратноходовых преобразователей 5 В/0,5 А, работающих в режиме непрерывных токов. Такие источники питания фактически являются стандартом для большинства портативных устройств, светильников, игрушек, систем безопасности и прочего. При использовании трансформаторов SM91047EL и автоматизированной среды WEBENCH процесс проектирования источников 5 В/0,5 А становится предельно простым и быстрым.

Литература

  1. О работе импульсного обратноходового преобразователя (Flyback). НПО Полюс, 2015, www.npl-polus.ru/.
  2. Transformers for Offline Flyback Converters. WHITE PAPER. Bourns, 2016. www.bourns.com/.