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design di 20W convertitore di cc cc con spazio di feedback isolato magnetico

design di 20W convertitore di cc cc con spazio di feedback isolato magnetico


Estratto: Questo il documento descrive la proposta progettuale di un flyback 20 w Vengono presentati il ​​convertitore cc a spazio di feedback isolato magnetico, la procedura di progettazione dello stadio di potenza e il circuito di feedback isolato, vengono inoltre forniti i risultati della simulazione e dell'esperimento.

chiave Parole: feedback magnetico isolato, singolo -end flyback, convertitore cc cc spaziale


1. Panoramica

nel comune convertitore cc cc a spazio isolato, l'isolamento del livello di potenza è solitamente realizzato dal trasformatore, e la parte di isolamento dal feedback è solitamente realizzata da optocoupler. Optoaccoppiatore il feedback di isolamento presenta i vantaggi di pochi dispositivi, circuito semplice e forte anti-interferenza capacità, ma il suo rapporto di trasferimento corrente (CTR) cambierà in modo significativo sotto irradiazione, che influenzerà direttamente le prestazioni di DCDC convertitore. per risolvere questo problema, feedback di isolamento magnetico che non è sensibile all'irradiazione viene solitamente utilizzato al posto di optocoupler isolamento nel campo dello spazio anti-irradiazione e alta affidabilità a lungo termine applicazioni.

Il la struttura più semplice del feedback di isolamento magnetico è collegata al primario PWM terminale di retroazione direttamente dal trasformatore o dal campionamento diretto dell'avvolgimento dell'induttore di uscita, utilizzando il minor numero di dispositivi, ma la velocità di regolazione e le prestazioni dinamiche di DCDC convertitore è scarso.In convertitore dc dc spaziale con requisiti rigorosi, in generale, il segnale di errore è modulato in ampiezza nel secondario utilizzando dispositivi ic o discreti, utilizzando un piccolo trasformatore per trasmettere il segnale al primario, e quindi attraverso il feedback del circuito di demodulazione a PWM. tipo di modulazione di ampiezza può fornire un buon indice di prestazione elettrica, ma è facile produrre bassa frequenza rumore quando la frequenza portante non è sincronizzata con la frequenza di commutazione

Il caratteristiche principali del convertitore cc cc spaziale progettato in questo carta fare riferimento a DVHF2815D convertitore dc dc spaziale di VPT Azienda, con potenza di uscita nominale di 20W e tensione di uscita di ± 15V. per soddisfare i requisiti di prestazioni elettriche e anti-radiazioni specifiche, uno schema di feedback di isolamento magnetico con viene adottata la frequenza portante sincrona e la frequenza di commutazione


2 progettazione del circuito del livello di potenza

2.1 selezione della topologia principale

nei convertitori cc cc a spazio isolato, le topologie comuni sono forward, flyback, push-pull e mezzo ponte. Push-pull e mezzo ponte struttura utilizza due MOSFET, che hanno un elevato utilizzo dei core, ma molti dispositivi e circuiti complessi e hanno il rischio comune di due MOSFET sotto irradiazione, formando un percorso a bassa resistenza da bus al terminale di terra di ingresso, con conseguenti gravi conseguenze di DCDC convertitore in esaurimento, quindi questo tipo di struttura non è generalmente utilizzato in anti-irradiazione space dc dc converter.Both single-ended avanti e single-ended flyback le strutture utilizzano un MOSFET, che è adatto per anti-radiazioni design, la differenza è che il trasformatore funziona in modi diversi, la struttura anteriore ha generalmente un induttore di uscita in più e un diodo a ruota libera il flyback struttura.

2.2 progettazione del trasformatore principale

Il flyback trasformatore ha molte funzioni come accumulo di energia, isolamento elettrico, induttanza di limitazione della corrente e spesso supporta la componente di corrente continua, quindi è necessario selezionare il nucleo magnetico con aria gap.

A evitare la saturazione del nucleo, il numero di spire nell'avvolgimento primario deve soddisfare la seguente formula:


(1) n è il numero di spire dell'avvolgimento primario;

v è la tensione CC primaria, unità V;

t è il tempo di accensione del tubo dell'interruttore, unit? S;

b è il picco-picco valore della variazione della densità del flusso magnetico ac, unità T;

a è l'area effettiva della colonna centrale del nucleo magnetico, in unità.

in questo design, la tensione di ingresso minima v = 18V, il duty cycle massimo del ciclo di commutazione d = 0.45, la frequenza di commutazione fs = 300kHz, la massima puntualità t = D / FS = 1.5μs, la variazione massima della densità di flusso b = 0.14T e l'area effettiva della colonna centrale a = 16mm2.


(2) np è il numero di spire dell'avvolgimento primario;

ns è il numero di spire dell'avvolgimento secondario

Vo è la tensione di uscita in unità di V.

vd è la caduta di tensione di conduzione del diodo raddrizzatore, unità V;

Vin (min). tensione CC di ingresso più bassa in v

d è il duty cycle.

in questo design, la tensione di uscita Vo = 15V, la caduta di tensione di accensione v = 1V, la tensione CC di ingresso minima Vin (min) = 18 V e il duty cycle massimo del ciclo di commutazione d = 0,45.

progettazione di 2.3 raddrizzatore di uscita e circuito di filtraggio

la figura 1 è il circuito del filtro del raddrizzatore di uscita, per flyback convertitore cc cc spaziale, l'uscita adotta semionda modalità raddrizzatore, la tensione inversa minima v del tubo raddrizzatore deve soddisfare la seguente formula:


(3) dove ns è il numero di giri dell'avvolgimento secondario

np è il numero di giri dell'avvolgimento primario;

Vin (Max) è la tensione CC in ingresso più alta, unità V;

Vo è la tensione di uscita in unità di V.

in questo schema di progettazione, la tensione di uscita Vo = 15 V, il rapporto di avvolgimento degli avvolgimenti secondario e primario del trasformatore è 13:12, la massima tensione CC in ingresso è 50 V, da quale v > 69.2V è ottenuto. considerando i requisiti di tensione di picco, progettazione del declassamento e corrente di uscita, 10CmQ150 Schottky il diodo dell'azienda ir è selezionato come raddrizzatore.

per prendere in tenere conto dell'indice di tensione di ondulazione in uscita e dei requisiti di dimensione del convertitore cc cc di spazio, l'uscita utilizzando il circuito del filtro aperto, compresa la grande capacità C1, C2 per 22F, induttanza del filtro secondario L1 per 1uH, capacità C1, C2 per 1pF, sopprimere così efficacemente il ripple di uscita tensione.


Fig. 1 diagramma schematico del raddrizzatore di uscita e del circuito del filtro


progettazione di circuiti di feedback isolati

3.1 progettazione del circuito dell'amplificatore di confronto del campionamento

nella progettazione del circuito amplificatore di confronto del campionamento secondario, il principio di funzionamento di base è ottenere il segnale di errore confrontando la resistenza del divisore con il riferimento, per impostare una rete di compensazione adeguata per soddisfare i requisiti di stabilità del convertitore cc cc spaziale, velocità di regolazione e indice dinamico, quindi per formare un segnale di modulazione dopo una certa proporzione di amplificazione e trasferirlo al feedback primario anello chiuso .

Fig. 2 è un diagramma schematico di un sottocampionamento circuito amplificatore di confronto, in quale un doppio amplificatore operazionale LM158 viene utilizzato come amplificatore di errore e come amplificatore inverso, si ottiene un segnale di errore confrontando un segnale di campionamento in uscita con una tensione di riferimento, quindi la tensione del segnale viene amplificata in una certa proporzione 5V la sorgente di riferimento è collegata a in-phase estremità di ingresso dell'amplificatore di errore e dell'amplificatore invertente, il full-range resistenze di campionamento R2 e R3 sono collegati tra l'uscita Vo + e Vo-, di cui è 11, i due divisori di tensione del resistore sono collegati all'estremità di ingresso invertente dell'amplificatore di errore, il NPN triodo Ⅵ 1 funziona in uno stato di commutazione, la base è collegata a un segnale sincrono a onda quadra per formare un'onda portante, il segnale di errore viene convertito in un segnale a impulsi dopo la modulazione di ampiezza, e viene trasmesso al primario tramite un trasformatore di isolamento T2. Quindi il circuito di demodulazione viene convertito in segnale cc e collegato a PWM terminale di feedback, in modo che il loop sia controllato.


Fig. 2 diagramma schematico del circuito dell'amplificatore di confronto del campionamento

3.2 progettazione di circuiti oscillanti

per ottenere il segnale portante sincronizzato con la frequenza di commutazione, un'idea semplice è quella di prendere la forma d'onda del funzionamento del tubo di commutazione primario attraverso l'avvolgimento del trasformatore, o prendere direttamente la forma d'onda del funzionamento del tubo del raddrizzatore secondario, dopo il clipping e la modellatura, per ottenere il segnale onda quadra appropriato. lo spazio dc dc converter in this schema di progettazione, è difficile prendere la forma d'onda del funzionamento del tubo raddrizzatore per la doppia uscita, quindi l'avvolgimento del trasformatore viene utilizzato come segnale portante.


Fig. 3 diagramma schematico del circuito oscillante

Fig. 3 è un diagramma schematico di un circuito di oscillazione, in cui avvolgimento p4-m4 prende un trasformatore autonomo e fornisce un segnale di oscillazione sincrona con un terminale negativo di uscita Vo- come riferimento potenziale. poiché il rapporto di lavoro del segnale cambia con il cambiamento di un carico e di una tensione di ingresso, la larghezza di impulso del flyback il metodo di connessione non cambia ovviamente rispetto a con quello del metodo di connessione diretta, e l'uscita del convertitore cc cc spaziale non è facilmente fuori controllo quando il metodo di connessione in avanti non è in uso o quando l'input è a end.

3.3 progettazione di circuiti di demodulazione

Fig. 4 è un diagramma schematico del circuito di demodulazione, in cui il VREF è il terminale di riferimento del PWM primario e fornisce una tensione di polarizzazione cc per il trasformatore T2; il segnale di errore secondario Vea viene modulato e trasmesso al primario tramite il trasformatore di isolamento T2; il diodo 1, il resistore R1 e il condensatore C1 costituiscono un rilevatore per convertire il segnale CA in un errore cc segnale; e poi le resistenze R2 e R3 sono collegati al terminale di feedback VFB del PWM per divisione di tensione per formare un anello chiuso del sistema.


Fig. 4 diagramma schematico del circuito di demodulazione

4 simulazione e risultati dei test

Per ogni parte dello schema di progettazione di cui sopra, le prestazioni elettriche sono verificate dal software sabre simulation and simulation test.

4.1 forma d'onda del circuito simulato

utilizzando il software Sabre per simulare nel dominio del tempo e impostando il tempo di simulazione a 15 ms, la forma d'onda di DCDC convertitore da La stabilizzazione dall'avvio all'uscita può essere ottenuta con precisione, come mostrato nelle Figg. 5 ~ 10.


figura 5 MOSFET forma d'onda di simulazione dello scarico


Fig. 6 forma d'onda di simulazione dell'anodo del raddrizzatore


Fig. 7 simulazione della forma d'onda del drive di isolamento magnetico


figura 8 avvio Overshoot / Delay forma d'onda di simulazione


figura 9 forma d'onda di simulazione della fase di carico (100 % -50 %)


figura 10 forma d'onda di simulazione della fase di carico (50 % -100 %)

4.2 risultati dei test simulati

in base al circuito di simulazione, viene impostata una scheda di test di simulazione, lo stato tecnico del circuito è determinato dal debug e dall'ottimizzazione dei parametri e le forme d'onda di vari punti nel test di simulazione del convertitore cc cc spaziale vengono misurate utilizzando una memoria digitale oscilloscopio, come mostrato in Fig. 11-16. in confronto, le forme d'onda del test sono coerenti con le forme d'onda di simulazione e la razionalità del funzionamento del circuito è verificata.


figura 11 MOSFET forma d'onda del test di drenaggio


Fig. 12 forma d'onda della prova dell'anodo del tubo raddrizzatore


Fig. 13 forma d'onda del test dell'azionamento dell'isolamento magnetico


figura 14 iniziazione Overshoot / Delay forma d'onda di prova


figura 15 forma d'onda del test della fase di carico (100 % -50 %)


figura 16 forma d'onda del test della fase di carico (50 % -100 %)

dopo il test, i principali indicatori tecnici del simulation test board soddisfano i requisiti dell'accordo, come mostrato nella tabella 1.


5 considerazioni conclusive

Questo paper introduce la progettazione e l'implementazione di un 20W flyback circuito di feedback ad isolamento magnetico e verifica il principio e le prestazioni del circuito mediante software di simulazione e test board.


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