Diseñe una fuente de alimentación conmutada utilizando una topología flyback aislada

Como todos los sistemas electrónicos requieren algún tipo de energía, las fuentes de alimentación están bien descritas y se entienden. No obstante, el diseño y selección de la fuente de alimentación continúa desafiando a los ingenieros debido a la tendencia hacia un tamaño más pequeño, mayor eficiencia, mayor fiabilidad y mayor integridad de alimentación en aplicaciones desde dispositivos móviles hasta hardware con alimentación de línea.

Con los sistemas de comunicaciones de datos de alta velocidad como la nueva 5G, los requisitos de margen de ruido y sincronización se vuelven extremos.

Para resolver el problema del suministro de alimentación eficiente y confiable en un factor de forma pequeño, los diseñadores de fuentes de alimentación están utilizando fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) con una topología flyback. Esta topología, útil para niveles de potencia de hasta 150 vatios, ofrece diseños con bajo recuento de componentes para tamaño pequeño y bajo costo. También ofrece aislamiento de entrada/salida y buena eficiencia.

Este artículo abordará el funcionamiento de fuentes de alimentación conmutadas y explorará brevemente el proceso de decisión de compra versus fabricación de fuentes de alimentación. También investigará sobre el diseño de una fuente de salida simple utilizando una topología flyback y proporcionará un diseño de muestra utilizando piezas y componentes fácilmente disponibles.

Fuentes de alimentación conmutadas

Una SMPS, o conmutador, es una fuente de alimentación que utiliza un regulador de conmutación para mantener voltajes de salida estables de una fuente de CA o CC. El regulador de conmutación usa uno o más dispositivos semiconductores, como un transistor de empalme bipolar, un transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET) o un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) que alternan entre los estados de encendido y apagado para mantener la regulación de voltaje de salida. Estos dispositivos pueden funcionar con un tiempo de encendido fijo y frecuencia variable o, más comúnmente, con una frecuencia fija y un ciclo de trabajo variable. La alta eficiencia se origina de la baja disipación de potencia del dispositivo de conmutación cuando está en estado "encendido" o "apagado". El dispositivo disipa la potencia solo durante las transiciones entre estados. Además, como la frecuencia de conmutación es generalmente de decenas de kilohercios, los transformadores, inductores y condensadores pueden ser mucho más pequeños, lo que proporciona una alta eficiencia volumétrica.

Las ventajas de la SMPS se contrarrestan con el potencial de interferencia electromagnética (EMI). Esto se debe a los transitorios de conmutación y se puede mejorar mediante la selección cuidadosa de los componentes, el diseño y el blindaje. Como resultado, las ventajas de las SMPS superan con creces sus inconvenientes, convirtiéndolas en la fuente de alimentación más comúnmente utilizada, quedando las fuentes lineales relegadas a solo las aplicaciones electrónicas más sensibles.

Topología de la SMPS

La SMPS se puede realizar en una gran variedad de topologías o diseños de circuitos. Hay más de una docena de topologías de uso común (Tabla 1).

Tabla 1: Las 10 topologías de fuentes de alimentación conmutadas más comúnmente utilizadas. (Fuente de datos: DigiKey).

Topología flyback

El convertidor flyback es el circuito de SMPS más comúnmente utilizado (Figura 1).

Figura 1: Diagrama funcional de un convertidor flyback que usa un solo interruptor MOSFET y un transformador flyback. (Fuente de la imagen: DigiKey).

La principal ventaja de la topología flyback es su simplicidad. En cualquier nivel de potencia dado, tiene el recuento de componentes más bajo de las topologías de SMPS. El suministro puede alimentarse de una fuente de CC o CA. Cuando se configura para operar desde la línea de CA (red eléctrica), la línea generalmente está rectificada por onda completa. La fuente de entrada (V_i) es CC.

El corazón del circuito es el transformador flyback. A diferencia de los bobinados de transformadores convencionales, el bobinado primario y el secundario del transformador flyback no transportan corriente al mismo tiempo. Esto se debe a que la fase de bobinado se invierte, como lo indican la notación de punto en los bobinados y el diodo en serie en el lado secundario.

El uso del transformador flyback ofrece varios beneficios. El primero es que los lados primario y secundario de la fuente están aislados eléctricamente. El aislamiento reduce el acoplamiento de los transitorios desde el lado primario, elimina los bucles de conexión a tierra y ofrece una mayor flexibilidad en la polaridad de salida de la fuente.

El transformador permite que se generen múltiples voltajes de salida en la fuente. Se agregan al transformador bobinados adicionales para cada voltaje. La regulación se basa únicamente en una salida simple, y las salidas secundarias generalmente se regulan localmente.

El funcionamiento del circuito comienza con el encendido (Figura 2) del interruptor (como un MOSFET).

Figura 2: El funcionamiento de la fuente flyback que muestra las formas de onda principales para cada uno de los dos modos de funcionamiento. (Fuente de la imagen: DigiKey).

Cuando el interruptor está encendido, V_DRENAJE está cerca de cero voltios y la corriente, I_P, fluye a través del bobinado primario del transformador. La energía se almacena en la inductancia magnética del transformador. Esta corriente aumenta linealmente con el tiempo. En el lado secundario, el diodo en serie está polarizado inversamente y no fluye corriente en el secundario. La energía almacenada en el condensador de salida suministra corriente a la salida.

Cuando se apaga el interruptor MOSFET, la energía almacenada en el transformador se envía hacia afuera a través del diodo al condensador de salida y la carga de salida. La corriente secundaria comienza en un valor alto y baja linealmente. Si la corriente secundaria cae a cero antes de volver a encender el interruptor, la fuente se conoce como fuente de modo de corriente discontinua (DCM). Si la corriente secundaria no cae a cero, entonces la fuente se llama fuente de modo de corriente continua (CCM). Como la energía almacenada en el inductor está completamente descargada en cada ciclo de conmutación, el suministro de DCM puede usar un transformador más pequeño. Además, el suministro es generalmente más estable y produce menos EMI.

La energía almacenada en la inductancia de fuga del transformador fluye en el primario cuando el interruptor se apaga y es absorbida por la fijación de entrada o el circuito de amortiguación (snubber), cuya función es proteger el interruptor de semiconductor de altos voltajes inductivos. La potencia se disipa solo durante las transiciones del interruptor entre los estados de encendido y apagado (Figura 3).

Figura 3: Medición de una fuente flyback que muestra las formas de onda de corriente y voltaje en el interruptor MOSFET, junto con la disipación de potencia instantánea. (Fuente de la imagen: DigiKey).

La traza superior en la Figura 3 es el voltaje que fluye a través del interruptor MOSFET en una fuente de alimentación flyback. Las superposiciones de colores indican el estado del MOSFET. La superposición azul indica que el dispositivo está conduciendo energía, mientras que las áreas rojas indican que el dispositivo está APAGADO. La traza central es la corriente que fluye a través del dispositivo. La traza inferior muestra la potencia instantánea calculada como el producto del voltaje aplicado y la corriente resultante. Observe que la disipación de potencia es más significativa durante las transiciones de conmutación. Las lecturas que se encuentran debajo de la pantalla de las trazas muestran (de izquierda a derecha) pérdidas de energía durante el encendido, conducción, apagado, durante el estado apagado y la suma de pérdidas de energía para todas las zonas.

Controlador/reguladores

El dispositivo de conmutación, como el MOSFET en el diagrama (Figura 2 otra vez), es accionado por un controlador o regulador conmutado. En la mayoría de los casos, el controlador aplica una forma de onda con modulación por ancho de pulsos (PWM) al elemento de control del interruptor, que para los MOSFET es la compuerta. La salida del suministro se acopla nuevamente al controlador, que varía el ciclo de trabajo de la señal del controlador de compuerta para mantener un voltaje de salida constante. Como tal, el controlador forma un sistema de control de bucle cerrado sobre el convertidor flyback.

Los controladores también pueden manejar varias funciones auxiliares, como proteger el suministro de sobrecargas, sobretensiones o condiciones de línea baja. También puede administrar el arranque de la fuente para asegurar un arranque bien controlado ("suave") que minimice los transitorios de corriente y voltaje iniciales.

Diseño de SMPS

Varios proveedores de componentes semiconductores ofrecen herramientas de diseño para ayudar a diseñar fuentes de alimentación conmutadas, como WEBENCH Power Designer de Texas Instruments (Figura 4).

Figura 4: La página de inicio del Centro de diseño de alimentación WEBENCH de Texas Instruments muestra las especificaciones básicas para un diseño de SMPS de una fuente de alimentación flyback de 25 vatios y 5 voltios. (Fuente de la imagen: DigiKey).

El diseño comienza con las especificaciones de alimentación que ingresa el usuario del rango de tensión de alimentación, el voltaje de salida deseado y la corriente. En este caso, el diseño deseado era para una fuente de 5 voltios y 5 amperios que funcionaba con CA con una topología aislada. Para suministros más complejos y de múltiples salidas, existe una herramienta avanzada de diseño Power Architect.

A partir de este momento, el software inicia una serie de diseños y le pide al usuario que elija el controlador. El usuario puede revisar cada diseño para ver el esquema, los costos de la lista de materiales (BOM), la eficiencia y varias especificaciones de circuitos relacionados.

En este ejemplo, se seleccionó el convertidor flyback UCC28740 de Texas Instruments y se mostró el esquema de diseño (Figura 5).

Figura 5: Esquema de la SMPS de CA de 25 vatios que utiliza retroalimentación aislada ópticamente como lo sugiere WEBENCH. (Fuente de la imagen: DigiKey).

Al apuntar cualquier componente en el esquema, aparece una descripción detallada de la parte y la oportunidad de seleccionar un componente alternativo. El controlador (U1) recibe retroalimentación de la salida a través de un optoacoplador CEL PS2811-1-F3-A. Este método de retroalimentación mantiene el aislamiento eléctrico entre las secciones primaria y secundaria del circuito. El controlador proporciona la señal de control de PWM al interruptor de alimentación M1, de STMicroelectronics, STB21N90K5, de 900 voltios y 18.5 amperios, MOSFET. La herramienta de diseño también ayuda a seleccionar o diseñar el transformador flyback.

Una página de resumen del diseño proporciona una descripción general de los elementos clave del diseño (Figura 6).

Figura 6: El resumen del diseño consolida todos los elementos del diseño sugerido. (Fuente de la imagen: DigiKey).

La sección de ajuste del optimizador le permite al usuario optimizar el diseño para obtener el costo de BOM más bajo, el espacio más pequeño o la más alta eficiencia. El uso de esta herramienta permite a los diseñadores inexpertos obtener experiencia al revisar múltiples diseños y ver los efectos que se producen con los cambios en los componentes.

¿Hacer o comprar?

No hay duda de que, a menos que un ingeniero tenga experiencia con las SMPS, habrá una curva de aprendizaje. Si el tiempo de comercialización es una gran preocupación, es mejor comprar una fuente estándar o solicitar un diseño de fuente de alimentación personalizada. Si se cuenta con el tiempo y el personal técnico, especialmente si múltiples proyectos necesitan suministros, el diseño de una fuente valdría la pena. Dicho esto, la exposición repetida al diseño de SMPS agregará la experiencia necesaria para el personal de diseño.

Conclusión

Las fuentes de alimentación conmutadas ofrecen alta eficiencia y pequeño tamaño. Para niveles de potencia por debajo de 150 vatios, las fuentes de topología flyback presentan ventajas de múltiples salidas, bajo recuento de componentes y aislamiento de línea.