Progettazione di circuiti isolati di convertitori Flyback: Progettazione del trasformatore (Calcolo dei valori numerici)

Delle fasi di progettazione del trasformatore richieste per un convertitore flyback, si inizia con il calcolo dei valori numerici necessari per la progettazione del trasformatore, sulla base delle specifiche dell’alimentazione. Fondamentalmente, i calcoli sono fatti secondo le equazioni fornite per ogni parametro. Per vostro riferimento, le informazioni rilevanti per la progettazione del trasformatore sono fornite nelle Note Applicative BM1P061FJ e in altri documenti per l’IC1 da utilizzare nel compito di progettazione. In questa sezione, per facilitare la comprensione, le parti da spiegare sono mostrate in viste ingrandite. Per la struttura dell’intero circuito, vedere la sezione su .

Lo schema circuitale mostrato sotto rappresenta estratti della parte del trasformatore T1 del circuito di esempio. Oltre all’avvolgimento primario di ingresso Np e all’avvolgimento secondario di uscita Ns, il trasformatore T1 include un avvolgimento Nd che genera la tensione VCC per l’IC1.

Procedura di progettazione del trasformatore T1
I punti elencati sotto descrivono la procedura di progettazione di un trasformatore T1. Nella seguente procedura, si calcolano i valori numerici e si ricavano i parametri per il trasformatore elencati nella tabella sottostante. Per gli avvolgimenti e i simboli della corrente elettrica che scorre, vedi il diagramma schematico del trasformatore fornito nell’area in basso a destra qui sotto.

(1) Impostare una tensione di flyback VOR
(2) Calcolare l’induttanza secondaria dell’avvolgimento Ls e la corrente di picco secondaria
-secondaria Ispk
(3) Calcolo dell’induttanza Lp dell’avvolgimento primario e della corrente di picco Ippk

(4) Determinazione della dimensione del trasformatore
(5) Calcolo delle spire dell’avvolgimento primario Np
(6) Calcolo delle spire dell’avvolgimento secondario Ns
(7) Calcolo delle spire dell’avvolgimento VCC Nd

I valori derivati come parametri del trasformatore T1

(1) Impostazione di una tensione di flyback VOR

La tensione di flyback VOR è uguale a VO (la Vout secondaria più la VF per il diodo secondario D6) moltiplicata per il rapporto di avvolgimento del trasformatore Np:Ns. L’impostazione della tensione di flyback VOR determina il rapporto di avvolgimento Np：Ns e il Duty ratio. L’equazione di base e un esempio sono riportati di seguito.

Nell’esempio, il rapporto di avvolgimento Np：Ns risulta essere 5,385, e il Duty (max) è 0,424. Empiricamente, un valore Duty (max) desiderabile è 0,5 o meno. Se il calcolo indica un valore di Duty maggiore di 0,5, il VOR dovrebbe essere regolato.

In termini di principi di funzionamento del convertitore flyback, abbiamo scelto come punto di partenza l’impostazione della tensione flyback VOR per identificare chiaramente la Vds del transistor di commutazione che viene applicata all’avvolgimento primario, cioè la quantità VIN + VOR. In un altro approccio, è possibile utilizzare il rapporto di servizio massimo come punto di partenza.

Per i dettagli sul funzionamento del circuito flyback e le tensioni, consultare “Funzionamento del convertitore flyback PWM (modalità continua)” in “Circuito di base e caratteristiche del convertitore flyback”

(2) Calcolo dell’induttanza Ls dell’avvolgimento secondario e della corrente di picco sul lato secondario
Ispk

In successione, calcoliamo l’induttanza Ls dell’avvolgimento secondario e la corrente di picco Ispk sul lato secondario. Le equazioni riportate di seguito rappresentano le condizioni per il modo discontinuo che è una condizione per il circuito di esempio, tale che dove l’uguaglianza rappresenta un punto critico (un punto di biforcazione tra i modi continuo e discontinuo). Il punto critico dovrebbe essere raggiunto quando la corrente di carico è uguale a Iomax.

Per prevedere un margine, come un punto di protezione da sovraccarico, la massima corrente di carico dovrebbe essere 1,2 volte la Iout. Poiché le specifiche per Iout sono 3A, Iomax dovrebbe essere 3,6A. In termini di specifiche, Vout dovrebbe essere uguale a 12V, e i valori VF e Duty, calcolati nel passo (1) dovrebbero essere usati.

Dalle equazioni di cui sopra, l’induttanza dell’avvolgimento lato primario Ls=8.6μH e la corrente di picco lato secondario Ispk = 12.5A sono stati calcolati. Per il vostro riferimento, le forme d’onda della corrente primaria e secondaria sono mostrate nei disegni di cui sopra.

(3) Calcolo dell’induttanza dell’avvolgimento primario Lp e della corrente di picco primaria Ippk

Nel prossimo passo, basandoci sulle equazioni date sotto e usando i risultati del calcolo di cui sopra, otteniamo l’induttanza dell’avvolgimento primario Lp e la corrente di picco primaria Ippk:

dove la Lp calcolata rappresenta uno dei valori che sono derivati come parametri del trasformatore T1.

(4) Determinazione della dimensione del trasformatore

* I valori sopra riportati rappresentano solo approssimazioni. Per i dettagli, i produttori di trasformatori dovrebbero essere consultati.

(5) Calcolo delle spire dell’avvolgimento primario Np

Le spire dell’avvolgimento primario Np devono essere impostate inizialmente in modo che la densità di flusso magnetico rientri nel campo di tolleranza. Dato che la massima densità di flusso magnetico B (T) per il nucleo di ferrite comunemente disponibile è 0.4Tat 100℃, impostando Bsat = 0.35T e sostituendo in Lp e Ippk, otteniamo le spire dell’avvolgimento primario Np:

Nel passo successivo, per prevenire il verificarsi di qualsiasi saturazione magnetica, abbiamo impostato Np dalle proprietà AL-Valore-NI. Nell’eseguire questo passo, la formula della condizione Bsat deve essere soddisfatta.

Se AL-Valore=280nH/turns2,

Questo significa che se Lp è 249μH, il valore AL per 30 giri è 249μH/302≒276.7nH/turns2.

Il valore NI può essere determinato dalla seguente equazione:

Ora che AL-Valore e NI sono stati determinati, dal grafico caratteristico AL-Valore-NI per la dimensione del nucleo EER28, confermiamo che i valori sono all’interno del range di tolleranza. Se sono fuori dal range, aggiustiamo il valore di Np.

(6) Calcolo delle spire dell’avvolgimento secondario Ns

Dopo aver calcolato le spire dell’avvolgimento primario, calcoliamo il numero Ns dell’avvolgimento secondario. Poiché abbiamo già determinato che il numero di giri dell’avvolgimento primario Np è 34 giri e il rapporto Np:Ns è 5:1, sostituiamo questi valori nelle seguenti equazioni:

(7) Calcolo delle spire dell’avvolgimento VCC Nd

Infine, calcoliamo le spire necessarie per generare la VCC per IC1:

Siccome VCC è 15V, attraverso il diodo D6 in base al numero di giri, se il VF per il diodo, VF_vcc è 1V,

Questo conclude i calcoli dei valori numerici che determinano le specifiche del trasformatore. Sostituendo i valori calcolati nella tabella delle specifiche che è stata mostrata all’inizio, si procede con la fase di progettazione strutturale.

Anche se le equazioni precedenti, numerose a prima vista, possano sembrare intimidatorie, sono formule relativamente semplici; dovreste provare ad usarle. Quando le specifiche generali sono state elaborate, si può procedere con il compito di progettare il trasformatore utilizzando il supporto disponibile dai produttori di circuiti integrati e trasformatori.