Diseño de circuitos de convertidores Flyback aislados: Diseño del transformador (Cálculo de valores numéricos)

De los pasos necesarios para el diseño del transformador de un convertidor flyback, se comienza con el cálculo de los valores numéricos necesarios para el diseño del transformador, a partir de las especificaciones de la fuente de alimentación. Básicamente, los cálculos se realizan según las ecuaciones proporcionadas para cada parámetro. Para su referencia, se proporciona información relevante sobre el diseño del transformador en las Notas de Aplicación del BM1P061FJ y otros documentos para el IC1 que se utilizará en la tarea de diseño. En esta sección, para facilitar la comprensión, las partes que se van a explicar se muestran en vistas ampliadas. Para la estructura de todo el circuito, véase la sección de .

El diagrama del circuito que se muestra a continuación representa extractos de la parte del transformador T1 del circuito de ejemplo. Además del devanado primario de entrada Np y el devanado secundario de salida Ns, el transformador T1 incluye un devanado Nd que genera la tensión VCC para el IC1.

Procedimiento de diseño del transformador T1
Los puntos enumerados a continuación describen el procedimiento para diseñar un transformador T1. En el siguiente procedimiento, se calculan los valores numéricos y se derivan los parámetros para el transformador enumerado en la tabla siguiente. Para los devanados y los símbolos de la corriente eléctrica que fluye, vea el diagrama esquemático del transformador proporcionado en el área inferior derecha de abajo.

(1) Ajuste de una tensión flyback VOR
(2) Cálculo de la inductancia del devanado secundario Ls y de la corriente de pico del lado secundario
-(3) Calcular la inductancia del devanado primario Lp y la corriente de pico del primario Ippk
(4) Determinar el tamaño del transformador
(5) Calcular las vueltas del devanado primario Np
(6) Calcular las vueltas del devanado secundario Ns
(7) Calcular las vueltas del devanado VCC Nd

Los valores derivados como parámetros del transformador T1

(1) Ajuste de una tensión flyback VOR

La tensión flyback VOR es igual a VO (la Vout secundaria más la VF del diodo secundario D6) multiplicada por la relación de bobinado del transformador Np:Ns. El ajuste de la tensión flyback VOR determina la relación de bobinado Np：Ns y la relación de servicio. La ecuación básica y un ejemplo se dan a continuación.

En el ejemplo, la relación de devanado Np：Ns resulta ser 5,385, y el Duty (máx) es 0,424. Empíricamente, un valor deseable de Duty (max) es 0,5 o menos. Si el cálculo indica un valor de Duty superior a 0,5, se debe ajustar el VOR.

En cuanto a los principios de funcionamiento del convertidor flyback, elegimos como punto de partida el ajuste de la tensión flyback VOR para identificar claramente la Vds del transistor de conmutación que se aplica al devanado primario, es decir, la cantidad VIN + VOR. En otro enfoque, es posible utilizar la relación de servicio máxima como punto de partida.

Para más detalles sobre el funcionamiento del circuito flyback y las tensiones, consulte «Funcionamiento del convertidor flyback PWM (modo continuo)» en «Circuito básico y características del convertidor flyback»

(2) Cálculo de la inductancia del devanado secundario Ls y de la corriente de pico del lado secundario
Ispk

En sucesivas ocasiones, calculamos la inductancia del devanado secundario Ls y la corriente de pico del lado secundario Ispk. Las ecuaciones dadas a continuación representan condiciones para el modo discontinuo que es una condición para el circuito de ejemplo, tal que donde la igualdad representa un punto crítico (un punto de bifurcación entre los modos continuo y discontinuo). El punto crítico debe alcanzarse cuando la corriente de carga es igual a Iomax.

Para proporcionar un margen, como un punto de protección de sobrecarga, la corriente de carga máxima debe ser 1,2 veces la Iout. Dado que las especificaciones para Iout son 3A, Iomax debería ser 3,6A. En términos de especificaciones, Vout debe ser igual a 12V, y los valores VF y Duty, calculados en el Paso (1) deben ser utilizados.

A partir de las ecuaciones anteriores, se calculó la inductancia del devanado del lado primario Ls=8,6μH y la corriente de pico del lado secundario Ispk = 12,5A. Para su referencia, las formas de onda de la corriente primaria y secundaria se muestran en los dibujos anteriores.

(3) Calcular la inductancia del devanado primario Lp y la corriente de pico del primario Ippk

En el siguiente paso, basándonos en las ecuaciones dadas a continuación y utilizando los resultados de los cálculos anteriores, obtenemos la inductancia del devanado primario Lp y la corriente de pico del primario Ippk:

donde el Lp calculado representa uno de los valores que se derivan como parámetros para el transformador T1.

(4) Determinación del tamaño del transformador

* Los valores anteriores sólo representan aproximaciones. Para más detalles, se debe consultar a los fabricantes de transformadores.

(5) Cálculo de las vueltas del devanado primario Np

Las vueltas del devanado primario Np deben ajustarse inicialmente para que la densidad de flujo magnético esté dentro del rango de tolerancia. Dado que la máxima densidad de flujo magnético B (T) para el núcleo de ferrita comúnmente disponible es de 0,4Tat 100℃, estableciendo Bsat = 0,35T y sustituyendo en Lp e Ippk, obtenemos las vueltas del devanado primario Np:

En el siguiente paso, para evitar la aparición de cualquier saturación magnética, establecemos Np a partir de las propiedades AL-Valor-NI. Al realizar este paso, debe satisfacerse la fórmula de la condición Bsat.

Si AL-Value=280nH/vueltas2,

Esto significa que si Lp es 249μH, el AL-Value para 30 vueltas es 249μH/302≒276,7nH/vueltas2.

El valor NI puede determinarse a partir de la siguiente ecuación:

Ahora que se han determinado el valor AL y el NI, a partir del gráfico de la característica AL-Valor-NI para el tamaño del núcleo EER28, confirmamos que los valores están dentro del rango de tolerancia. Si están fuera del rango, ajustamos el valor de Np.

(6) Calcular las vueltas del bobinado secundario Ns

Después de calcular las vueltas del bobinado primario, calculamos la cuenta del bobinado secundario Ns. Como ya hemos determinado que las vueltas del devanado primario Np son 34 vueltas y la relación Np:Ns es de 5:1, sustituimos estos valores en las siguientes ecuaciones:

(7) Cálculo de las vueltas del devanado VCC Nd

Por último, calculamos las vueltas del devanado necesarias para generar la VCC para IC1:

Dado que la VCC es de 15V, a través del diodo D6 basado en el número de vueltas, si el VF para el diodo, VF_vcc es de 1V,

Con esto concluyen los cálculos de los valores numéricos que determinan las especificaciones para el transformador. Sustituyendo los valores calculados en la tabla de especificaciones que se mostró al principio, se procede al paso de diseño estructural.

Aunque las ecuaciones anteriores, numerosas a primera vista, pueden parecer intimidantes, son fórmulas relativamente simples; debería intentar utilizarlas. Cuando las especificaciones generales hayan sido elaboradas, puede proceder a la tarea de diseño del transformador utilizando el apoyo disponible de los fabricantes de CI y transformadores.