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diseño de 20W espacio de retroalimentación aislado magnético dc dc convertidor

diseño de 20W espacio de retroalimentación aislado magnético dc dc convertidor


Resumen: Este artículo describe la propuesta de diseño de un flyback de 20 w convertidor dc dc de espacio de retroalimentación aislado magnético, se presentan el procedimiento de diseño de la etapa de potencia y el circuito de retroalimentación aislado, también se dan los resultados de la simulación y el experimento.

clave Palabras: retroalimentación magnética aislada, simple flyback, espacio dc dc convertidor


1. Información general

en el convertidor dc dc de espacio aislado común, el aislamiento del nivel de potencia generalmente se realiza mediante un transformador y la parte de aislamiento de retroalimentación generalmente se realiza mediante un optoacoplador. Optoacoplador la retroalimentación de aislamiento tiene las ventajas de pocos dispositivos, circuito simple y fuerte antiinterferencias capacidad, pero su tasa de transferencia actual (CTR) cambiará significativamente bajo irradiación, que afectará directamente al rendimiento de DCDC convertidor. para resolver esto problema, retroalimentación de aislamiento magnético no es sensible a la irradiación se suele utilizar en lugar de optoacoplador aislamiento en el campo del espacio anti-irradiación y aplicaciones de alta fiabilidad a largo plazo.

El La estructura más simple de la retroalimentación de aislamiento magnético está conectada al primario PWM terminal de retroalimentación directamente por el transformador o el devanado del inductor de salida de muestreo directo, utilizando la menor cantidad de dispositivos, pero la tasa de ajuste y el rendimiento dinámico de DCDC convertidor es pobre. convertidor dc dc espacial con requisitos estrictos, en general, la señal de error se modula en amplitud en el secundario usando dispositivos ic o discretos, usando un pequeño transformador para transmitir la señal al primario, y luego a través del circuito de demodulación de retroalimentación a PWM. El tipo de modulación de amplitud puede proporcionar un buen índice de rendimiento eléctrico, pero es fácil de producir baja frecuencia ruido cuando la frecuencia portadora no está sincronizada con la frecuencia de conmutación.

El principales especificaciones del convertidor dc dc espacial diseñado en este consulte el documento DVHF2815D convertidor dc dc espacial de VPT Empresa, con potencia de salida nominal de 20W y voltaje de salida de ± 15V. con el fin de cumplir los requisitos de rendimiento eléctrico y antirradiación especificaciones, un esquema de retroalimentación de aislamiento magnético con Se adopta la frecuencia portadora síncrona y la frecuencia de conmutación.


Diseño de circuito de 2 niveles de potencia

2.1 selección de topología principal

en los convertidores dc dc de espacio aislado, las topologías comunes son adelante, atrás, y medio puente Empujar-tirar y medio puente estructura utiliza dos MOSFET, que tienen una alta utilización del núcleo, pero muchos dispositivos y circuitos complejos, y tienen el riesgo común de dos MOSFET bajo irradiación, formando un camino de baja resistencia bus al terminal de tierra de entrada, lo que tiene como resultado graves consecuencias de DCDC convertidor quemado, entonces esto tipo de estructura generalmente no se utiliza en anti-irradiación espacio dc dc convertidor Ambos de un solo extremo adelante y de un solo extremo flyback estructuras utilizan un MOSFET, que es adecuado para anti-radiación diseño, la diferencia es que el transformador funciona de diferentes maneras, la estructura directa generalmente tiene un inductor de salida más y un diodo de rueda libre que el flyback estructura.

2.2 diseño del transformador principal

El flyback El transformador tiene muchas funciones, como almacenamiento de energía, aislamiento eléctrico, inductancia limitadora de corriente y, a menudo, admite componentes de corriente continua, por lo que es necesario seleccionar el núcleo magnético con espacio de aire.

Para Para evitar la saturación del núcleo, el número de vueltas del devanado primario debe satisfacer la siguiente fórmula:


(1) n es el número de vueltas del devanado primario;

v es el voltaje de CC primario, unidad V;

t es el tiempo de encendido del tubo del interruptor, unidad? S;

b es el pico a pico valor del cambio de densidad de flujo magnético de CA, unidad T;

a es el área efectiva de la columna central del núcleo magnético, en unidades.

en esto diseño, el voltaje de entrada mínimo v = 18 V, el ciclo de trabajo máximo del ciclo de conmutación d = 0,45, la frecuencia de conmutación fs = 300 kHz, el máximo puntualidad t = D / FS = 1.5μs, el cambio máximo en la densidad de flujo b = 0.14T, y el área efectiva de la columna del núcleo a = 16 mm2.


(2) np es el número de vueltas del devanado primario;

ns es el número de vueltas del devanado secundario;

Vo es el voltaje de salida en unidades de V.

vd es la caída de voltaje de conducción del diodo rectificador, unidad V;

Vin (min). voltaje de CC de entrada más bajo en v

d es el ciclo de trabajo.

en esto diseño, la tensión de salida Vo = 15 V, la caída de voltaje de encendido v = 1V, el voltaje de CC de entrada mínimo Vin (min) = 18 V, y el ciclo de trabajo del ciclo de conmutación máximo d = 0,45.

diseño de 2.3 rectificador de salida y circuito de filtro

la figura 1 es el circuito del filtro del rectificador de salida, para flyback convertidor dc dc espacial, la salida adopta media onda modo rectificador, el voltaje inverso mínimo v del tubo rectificador debe cumplir la siguiente fórmula:


(3) donde ns es el número de vueltas del devanado secundario

np es el número de vueltas del devanado primario

Vin (Máx.) es el voltaje de CC de entrada más alto, unidad V;

Vo es el voltaje de salida en unidades de V.

en esto esquema de diseño, la tensión de salida Vo = 15 V, la relación de devanado de los devanados secundarios y primarios del transformador es 13:12, el voltaje de CC de entrada máximo es 50 V, desde que v > 69,2V se obtiene considerando los requisitos de voltaje pico, diseño de reducción y corriente de salida, 10CmQ150 Schottky diodo de la empresa ir se selecciona como rectificador.

para tomar en Tenga en cuenta el índice de voltaje de ondulación de salida y los requisitos de tamaño del convertidor de CC CC del espacio, la salida utilizando un circuito de filtro abierto, incluida la gran capacitancia C1, C2 para 22F, inductancia de filtro secundario L1 para 1uH, capacitancia C1, C2 para 1pF, por lo tanto suprime eficazmente el voltaje de ondulación de salida.


Fig. 1 diagrama esquemático del rectificador de salida y circuito de filtro


diseño de circuito de retroalimentación aislado

3,1 diseño de circuito amplificador de comparación de muestreo

en el diseño del circuito amplificador de comparación de muestreo secundario, el principio de funcionamiento básico es obtener la señal de error comparando la resistencia del divisor con la referencia, para establecer una red de compensación adecuada para cumplir con los requisitos de estabilidad del convertidor dc dc espacial, tasa de ajuste e índice dinámico, y luego formar una señal de modulación después de una cierta proporción de amplificación y transferirla a la retroalimentación primaria lazo cerrado .

Fig. 2 es un diagrama esquemático de un submuestreo circuito amplificador de comparación, en el cual un amplificador operacional doble LM158 se utiliza como amplificador de error y amplificador inverso, se obtiene una señal de error comparando una señal de muestreo de salida con un voltaje de referencia, y luego el voltaje de la señal se amplifica en una cierta proporción. 5V la fuente de referencia está conectada al en fase extremo de entrada del amplificador de error y del amplificador inversor, el rango completo resistencias de muestreo R2 y R3 están conectados entre la salida Vo + y Vo-, cuyo relación es 11, los dos divisores de voltaje de resistencia están conectados al extremo de entrada inversora del amplificador de error, el NPN triodo Ⅵ 1 funciona en un estado de conmutación, la base está conectada a una señal de onda cuadrada síncrona para formar una onda portadora, la señal de error se convierte en una señal de pulso después de la modulación de amplitud, y se transmite al primario a través de un transformador de aislamiento T2. Luego el circuito de demodulación se convierte en dc y conectado al PWM terminal de retroalimentación, de modo que el lazo esté controlado.


Fig. 2 diagrama esquemático del circuito amplificador de comparación de muestreo

3,2 diseño de circuito oscilante

para obtener la señal portadora sincronizada con la frecuencia de conmutación, una idea simple es tomar la forma de onda de operación del tubo de conmutación primario a través del devanado del transformador, o tomar directamente la forma de onda de operación del tubo rectificador secundario, después de recortar y dar forma, para obtener la señal de onda cuadrada apropiada. el espacio dc dc convertidor en este esquema de diseño, es difícil tomar la forma de onda de operación del tubo rectificador para salida dual, por lo que el devanado del transformador se utiliza como señal portadora.


Fig. 3 diagrama esquemático del circuito oscilante

Fig. 3 es un diagrama esquemático de un circuito de oscilación, en el que bobinado p4-m4 toma un transformador autónomo y proporciona una señal de oscilación síncrona con un terminal negativo de salida Vo- como referencia potencial. a medida que cambia la relación de trabajo de la señal con el cambio de una carga y un voltaje de entrada, el ancho de pulso del flyback El método de conexión no cambia obviamente en comparación con el del método de conexión directa, y la salida del convertidor dc dc espacial no está fácilmente fuera de control cuando el método de conexión directa no está en uso o cuando la entrada está en un nivel alto.

3.3 diseño de circuito de demodulación

Fig. 4 es un diagrama esquemático del circuito de demodulación, en el que el VREF es el terminal de referencia del primario PWM y proporciona una tensión de polarización de CC para el transformador T2; la señal de error secundaria Vea se modula y transmite al primario a través del transformador de aislamiento T2; el diodo 1, la resistencia R1 y el condensador C1 constituyen un detector para convertir la señal de CA en una señal de error de CC y luego las resistencias R2 y R3 están conectados al terminal de realimentación VFB del PWM por división de voltaje para formar un circuito cerrado del sistema.


Fig. 4 diagrama esquemático del circuito de demodulación

4 resultados de simulación y prueba

Para cada parte del esquema de diseño anterior, el rendimiento eléctrico se verifica mediante simulación y prueba de software de sable.

4.1 forma de onda de circuito simulado

utilizando software de sable para simular en el dominio del tiempo y estableciendo el tiempo de simulación en 15 ms, la forma de onda de DCDC convertidor de La estabilización de inicio a salida se puede obtener con precisión, como se muestra en Figs. 5 ~ 10.


figura 5 MOSFET forma de onda de simulación de drenaje


Fig. 6 forma de onda de simulación del ánodo rectificador


Fig. 7 formas de onda de simulación de la unidad de aislamiento magnético


figura 8 inicio Sobreimpulso / Retraso forma de onda de simulación


figura 9 forma de onda de simulación de pasos de carga (100 % -50 %)


figura 10 forma de onda de simulación de pasos de carga (50 % -100 %)

4.2 resultados de prueba simulados

Basado en el circuito de simulación, se configura una placa de prueba de simulación, el estado técnico del circuito se determina mediante depuración y optimización de parámetros, y las formas de onda de varios puntos en la prueba de simulación del convertidor dc dc espacial se miden utilizando un almacenamiento digital osciloscopio, como se muestra en Fig. 11-16. en comparación, las formas de onda de prueba son consistentes con se verifican las formas de onda de simulación y la racionalidad del funcionamiento del circuito.


figura 11 MOSFET forma de onda de prueba de drenaje


Fig. Forma de onda de prueba de 12 ánodos del tubo rectificador


Fig. 13 forma de onda de prueba de unidad de aislamiento magnético


figura 14 inicio Sobreimpulso / Retraso forma de onda de prueba


figura 15 forma de onda de prueba de paso de carga (100 % -50 %)


figura 16 forma de onda de prueba de paso de carga (50 % -100 %)

después de las pruebas, los principales indicadores técnicos del tablero de prueba de simulación cumplen los requisitos del acuerdo, como se muestra en el cuadro 1.


5 observaciones finales

Este paper presenta el diseño e implementación de un 20W flyback circuito de retroalimentación de aislamiento magnético, y verifica el principio y el rendimiento del circuito mediante software de simulación y placa de prueba.


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