Progettare un alimentatore a commutazione con topologia flyback isolata

Dato che tutti i sistemi elettronici richiedono un certo tipo di alimentazione, gli alimentatori sono ben caratterizzati e senza grandi segreti. Tuttavia, la loro progettazione e selezione continua a rappresentare una sfida per gli ingegneri a causa della tendenza verso dimensioni sempre più compatte, maggiore efficienza, maggiore affidabilità e integrità di alimentazione superiore in applicazioni che vanno dai dispositivi mobili all'hardware alimentato dalla rete di distribuzione.

Con l'emergere di sistemi di comunicazione dati ad alta velocità come il 5G, i requisiti di temporizzazione e di margine di rumore tendono a estremizzarsi.

Per risolvere il problema di un'erogazione efficiente e affidabile di energia in un piccolo fattore di forma, i progettisti di alimentatori stanno utilizzando alimentatori a commutazione (SMPS) con topologia flyback. Questa topologia, utile per livelli di potenza fino a 150 watt, garantisce progetti con un numero ridotto di componenti, dimensioni ridotte e basso costo. Offre anche isolamento in ingresso/uscita e una buona efficienza.

Questo articolo illustrerà il funzionamento degli alimentatori a commutazione ed esplorerà brevemente il processo di fabbricazione a fronte della decisione di acquisto. Entrerà anche nel merito della progettazione di un alimentatore a singola uscita che utilizza la topologia flyback con un progetto di esempio utilizzando pezzi e componenti facilmente reperibili.

Alimentatori a commutazione

Un SMPS, o commutatore, è una fonte di alimentazione che utilizza un regolatore a commutazione per mantenere stabile la tensione di uscita proveniente da una fonte c.a. o c.c. Il regolatore a commutazione utilizza uno o più semiconduttori, quali un transistor a giunzione bipolare, MOSFET o una commutazione IGBT tra gli stati "On" e "Off", per mantenere la regolazione della tensione di uscita. Questi dispositivi possono funzionare con tempo "ON" fisso e una frequenza variabile o, più comunemente, a frequenza fissa e con ciclo di lavoro variabile. L'alta efficienza deriva dalla bassa dissipazione di potenza del dispositivo di commutazione sia da "acceso" che da "spento". Il dispositivo dissipa potenza solo durante le transizioni tra gli stati. Inoltre, poiché la frequenza di commutazione è generalmente dell'ordine di decine di kilohertz, i trasformatori, gli induttori e i condensatori possono essere molto più piccoli, garantendo un'elevata efficienza volumetrica.

I vantaggi dell'SMPS sono controbilanciati dal potenziale di interferenza elettromagnetica (EMI). Ciò è dovuto ai transitori di commutazione e può essere migliorato con un'attenta selezione dei componenti, del layout e della schermatura. Di conseguenza, i vantaggi dell'SMPS superano di gran lunga i suoi svantaggi, facendone l'alimentatore più usato, motivo per cui gli alimentatori lineari sono relegati solo alle applicazioni elettroniche più sensibili.

Topologia SMPS

L'SMPS può essere realizzato in una grande varietà di circuiti o topologie. Esistono oltre una decina di topologie di uso comune (Tabella 1).

Tabella 1: Le 10 topologie di alimentatori a commutazione più comuni (Fonte dati: DigiKey)

Topologia flyback

Il convertitore flyback è il circuito SMPS più usato (Figura 1).

Figura 1: Diagramma funzionale di un convertitore flyback con un singolo commutatore MOSFET e un trasformatore flyback (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Il vantaggio principale della topologia flyback è la sua semplicità. A qualsiasi determinato livello di potenza ha il più basso numero di componenti delle topologie SMPS. L'alimentazione può essere alimentata da una sorgente c.c. o c.a. Quando è configurato per funzionare dalla linea in c.a. (rete), la linea è generalmente rettificata a onda intera. La sorgente di ingresso (V_i) è c.c.

Il cuore del circuito è il trasformatore flyback. A differenza degli avvolgimenti convenzionali dei trasformatori, l'avvolgimento primario e quello secondario del tipo flyback non trasportano corrente contemporaneamente. Ciò è dovuto all'inversione della fase di avvolgimento, come indicato dalla notazione con il punto sugli avvolgimenti e dal diodo in serie sul secondario.

L'utilizzo del trasformatore flyback offre diversi vantaggi. Il primo è il fatto che i lati primario e secondario dell'alimentatore sono isolati elettricamente. L'isolamento riduce l'accoppiamento dei transitori dal lato primario, rimuove i loop di massa e offre una maggiore flessibilità nella polarità di uscita.

Il trasformatore consente di generare più tensioni di uscita. Al trasformatore vengono aggiunte ulteriori spire per ogni tensione. La regolazione si basa su una sola uscita e le uscite secondarie sono in genere regolate localmente.

Il funzionamento del circuito inizia con l'accensione del commutatore (ad esempio un MOSFET) (Figura 2).

Figura 2: Il funzionamento dell'alimentatore flyback con le forme d'onda principali per ognuna delle due modalità operative. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Quando il commutatore è acceso, V_DRAIN è vicino a zero volt e la corrente, I_P, passa attraverso l'avvolgimento primario del trasformatore. L'energia viene immagazzinata nell'induttanza magnetizzante del trasformatore. Questa corrente aumenta linearmente col tempo. Sul lato secondario il diodo in serie è polarizzato in senso inverso e nel secondario non scorre corrente. L'energia immagazzinata nel condensatore di uscita fornisce corrente all'uscita.

Quando il commutatore MOSFET è spento, l'energia immagazzinata nel trasformatore viene immessa attraverso il diodo nel condensatore di uscita e nel carico in uscita. La corrente secondaria inizia con un valore elevato e diminuisce linearmente. Se la corrente secondaria scende a zero prima che il commutatore venga riacceso, l'alimentazione viene definita alimentazione in modalità corrente discontinua (DCM). Se la corrente secondaria non scende a zero, l'alimentazione viene detta in modalità di corrente continua (CCM). Poiché l'energia immagazzinata nell'induttore viene interamente scaricata a ogni ciclo di commutazione, l'alimentatore DCM può utilizzare un trasformatore più piccolo. Inoltre, l'alimentazione è generalmente più stabile e produce EMI inferiori.

L'energia immagazzinata nell'induttanza di dispersione del trasformatore scorre nel primario quando il commutatore si spegne ed è assorbita dal morsetto di ingresso o dal circuito "soppressore", la cui funzione è proteggere l'interruttore a semiconduttore da tensioni induttive elevate. La potenza viene dissipata solo durante le transizioni del commutatore tra gli stati "On" e "Off" (Figura 3).

Figura 3: Misurazione di un'alimentazione flyback in cui sono rappresentate le forme d'onda della tensione e della corrente del commutatore MOSFET, oltre alla dissipazione di potenza istantanea. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

La traccia in alto nella Figura 3 è la tensione attraverso il commutatore MOSFET in un alimentatore flyback. Le sovrapposizioni colorate indicano lo stato del MOSFET. La sovrapposizione blu indica che il dispositivo sta conducendo, mentre le aree rosse indicano che il dispositivo è spento. La traccia centrale è la corrente attraverso il dispositivo. La traccia in basso mostra la potenza istantanea calcolata come prodotto della tensione applicata e della corrente risultante. Osservare che la dissipazione di potenza è più significativa durante le transizioni di commutazione. Le letture sotto la visualizzazione delle tracce mostrano (da sinistra a destra): perdite di potenza durante l'accensione, conduzione, spegnimento, durante lo stato di spegnimento, e la somma delle perdite di potenza per tutte le zone.

Controller/regolatori

Il dispositivo di commutazione, come il MOSFET nel diagramma (ancora Figura 2), è azionato da un controller o da un regolatore della modalità di commutazione. Nella maggior parte dei casi il controller applica una forma d'onda modulata a larghezza di impulso (PWM) all'elemento di controllo del commutatore, che per i MOSFET è il gate. L'uscita dell'alimentazione è accoppiata indietro al controller, che varia il ciclo di lavoro del segnale del gate driver per mantenere una tensione di uscita costante. In questo modo, il controller forma un sistema di controllo ad anello chiuso intorno al convertitore flyback.

I controller possono anche gestire diverse funzioni ausiliarie, come la protezione dell'alimentazione da sovraccarichi, sovratensioni o condizioni di linea bassa. Possono anche gestire l'avviamento dell'alimentazione per assicurare una entrata in servizio ben controllata (senza problemi), riducendo al minimo i transitori iniziali di tensione e corrente.

Progettazione di SMPS

Diversi fornitori di componenti a semiconduttori offrono strumenti di progettazione per agevolare la progettazione di alimentatori a commutazione, come ad esempio WEBENCH Power Designer di Texas Instruments (Figura 4).

Figura 4: La pagina iniziale del Centro di progettazione WEBENCH di Texas Instruments mostra la specifica base per un progetto SMPS di un alimentatore flyback da 25 watt e 5 volt. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

La progettazione inizia quando l'utente inserisce le specifiche dell'intervallo della tensione di alimentazione, della tensione di uscita desiderata e della corrente. In questo caso il progetto desiderato riguardava un alimentatore da 5 volt e 5 ampere da corrente alternata con una topologia isolata. Per alimentatori multi-uscita più complessi è disponibile Power Architect, uno strumento di progettazione avanzato.

Da questo punto in poi, il software avvia una serie di progettazioni e chiede all'utente di scegliere il controller. L'utente può rivedere ogni progetto per esaminare lo schema, i costi della distinta base (BOM), l'efficienza e numerose altre specifiche relative al circuito.

In questo esempio è stato scelto il convertitore flyback UCC28740 di Texas Instruments ed è stato visualizzato lo schema della progettazione (Figura 5).

Figura 5: Schema dell'SMPS da 25 watt c.a. con feedback isolato otticamente suggerito da WEBENCH. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Puntando su un qualsiasi componente dello schema viene richiamata la sua descrizione dettagliata e viene data la possibilità di selezionare un componente alternativo. Il controller (U1) riceve un feedback dall'uscita tramite un optoisolatore CEL PS2811-1-F3-A. Questo metodo di feedback mantiene l'isolamento elettrico tra la sezione primaria e secondaria del circuito. Il controller fornisce il segnale di azionamento PWM all'interruttore di alimentazione M1, il MOSFET a 900 V, 18,5 A STB21N90K5 di STMicroelectronics. Lo strumento di progettazione aiuta anche a selezionare o progettare il trasformatore flyback.

Una pagina di riepilogo offre una panoramica degli elementi chiave del progetto (Figura 6).

Figura 6: Il riepilogo consolida tutti gli elementi del progetto suggerito (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

La sezione dedicata alla regolazione dell'ottimizzatore consente all'utente di ottimizzare il progetto per ridurre al minimo il costo della distinta base e l'ingombro e ottenere la massima efficienza. L'utilizzo di questo strumento consente ai progettisti meno esperti di fare esperienza esaminando più progetti e osservando gli effetti prodotti dalle modifiche apportate ai componenti.

Produrre o acquistare?

Non esistono dubbi sul fatto che, a meno che un ingegnere non abbia esperienza con gli SMPS, ci sarà una curva di apprendimento. Se i tempi di commercializzazione rappresentano un fattore cruciale, allora è meglio acquistare un alimentatore standard o chiedere un progetto personalizzato. Se si dispone di tempo e del personale tecnico, specie se più progetti richiedono degli alimentatori, sarebbe utile progettarli. Ciò detto, l'utilizzo ripetuto della progettazione di SMPS farà crescere le competenze necessarie negli addetti alla progettazione.

Conclusione

Gli alimentatori a commutazione offrono alta efficienza e dimensioni compatte. Per livelli di potenza inferiori a 150 watt, gli alimentatori con topologia flyback offrono i vantaggi di uscite multiple, numero ridotto di componenti e isolamento della linea.