Zasilacz impulsowy flyback w Circuit Maker

1. Wstęp
Flyback to przetwornica zaporowa. To jedna z najpopularniejszych topologii stosowana do zasilania urządzeń o małej mocy, zdobyła popularność dzięki prostej konstrukcji oraz prostej zasadzie działania. Wiele firm dodało swoje rozwiązania, poprawiając niektóre parametry; zmniejszono straty dynamiczne na kluczu, emisję zakłóceń usunięto sprzężenie zwrotnego z transoptorem).

Zasadę działania obrazuje bardzo dobrze Wikipedia, więc ją zacytuję:



rys. 1 Schemat przekształtnika flyback



rys. 2 Dwa stany pracy przekształtnika


Schemat przekształtnika jest na rys. 1. Działa na zasadzie podobnej do przekształtnika buck-boost z rozdzielonym dławikiem tworzącym transformator. Gdy zachowany jest ciągły strumień indukcji magnetycznej w dławiku (tryb pracy ciągłej) to można wyróżnić dwa stany pracy:
- Gdy klucz jest zwarty (rys. 2 na górze), uzwojenie pierwotne podłączone jest do źródła napięcia. Płynący przez uzwojenie pierwotne prąd oraz strumień magnetyczny w rdzeniu zwiększają się, a energia jest gromadzona w transformatorze. Napięcie na uzwojeniu wtórnym polaryzuje diodę zaporowo. Wyjściowe obciążenie jest zasilane z kondensatora wyjściowego.
- Gdy klucz jest rozwarty (rys. 2 na dole), strumień magnetyczny w rdzeniu zmniejsza się. Napięcie na uzwojeniu wtórnym polaryzuje diodę w kierunku przewodzenia i prąd uzwojenia wtórnego płynie poprzez tę diodę do obciążenia oraz kondensatora.
https://pl.wikipedia.org/wiki/Przekszta%C5%82tnik_flyback

Schemat ideowy jest wersją uproszczoną, pozwalającą lepiej zrozumieć zasadę działania. Rzeczywisty układ boryka się z wieloma problemami, które w idealnym układzie nie wystąpiłyby, między innymi
straty dynamiczne na kluczu, przepięcia na uzwojeniu pierwotnym, potrzeba sprzężenia zwrotnego czy zasilenie sterownika. Poniższy materiał ma przybliżyć wymagania dotyczące wyposażenia warsztatu energoelektronicznego oraz problemy związane z projektowaniem PCB. Materiał powstał z pomocą użytkownika -RoMaN-, a wykorzystanym sterownikiem jest TNY280.

2. Narzędzia oraz sprzęt energoelektroniczny
Energoelektronika jest specjalizacją wymagającą specyficznej wiedzy oraz sprzętu w stosunku do ogólnej elektroniki. Trzeba mieć na uwadze, że praca z napięciem sieciowym jest ZAWSZE niebezpieczna. Obowiązkowa jest wiedza na temat ochrony przed porażeniem prądem elektrycznym oraz świadomość, czym może zakończyć się błąd.
W skrócie opiszę, z jakich narzędzi oraz sprzętu korzystałem w tym projekcie.

Circuit Maker

Jako oprogramowanie do projektowania PCB wybrałem Circuit Maker. Jest to okrojona wersja programu Altium Designer (Protel) dostępna za darmo. Jest to dla mnie wygodne narzędzie o nadal sporych możliwościach, dużej bazie projektów oraz połączenie z bazą elementów Octopart. To ostatnie jest wyjątkowo przydatne, gdyż jeśli ktoś korzystał już z potrzebnego nam elementu będziemy mieć gotowy model symbolu, footprint oraz czasem model 3D, jeśli korzystamy z elementu jako pierwsi w społeczności Circuit Maker to możemy go stworzyć, dodając swoją cegiełkę. Wiele elementów jest wykonanych bardzo dobrze (co uważam za spory plus Circuit Maker'a), jednak kilka trafiło mi się zrealizowanych fatalnie.

Projekt można znaleźć pod linkiem:
https://workspace.circuitmaker.com/Projects/Details/Kamil-Gulczuk/TNY280-flyback-12V-1A

Sprzęt do energoelektroniki


Rysunek 3. Sprzęt oraz stanowisko wykorzystywane do uruchomienia oraz pomiarów zasilacza.

Transformator separujący
Jest to jeden z najważniejszych elementów zapewniających ochronę przed uszkodzeniem sprzętu pomiarowego oraz przede wszystkim naszego zdrowia. ZAWSZE układ badany zasilamy z transformatora separującego! NIE PODŁĄCZAMY do niego oscyloskopu! Dlaczego? Ponieważ pozbywamy się uziemienia z obudowy oscyloskopu co jest niedopuszczalne, gdyż na obudowie urządzenia pomiarowego pojawi się niebezpieczne dla zdrowia napięcie!
Za porady z majstrowaniem przy przewodzie PE w urządzeniu pomiarowym, będę dawać z automatu ostrzeżenie!

Autotransformator
Czasem warto uruchomić układ z niższego napięcia, dla mniejszych efektów dźwiękowo-świetlnych chociaż nie jest to wymagane
Przypomnienie - autotransformator nie zapewnia galwanicznej izolacji.

Taka uwaga do transformatora oraz autotransformatora.

Początkowy prąd magnesujący transformator separujący i autotransformator może być na tyle duży, że może wyzwolić zabezpieczenie nadprądowe, co nie oznacza, że sprzęt jest uszkodzony. W celu uniknięcia wyzwolenia się zabezpieczenia polecam użycie w szeregu termistora NTC.

Sondy do oscyloskopu
Na wysokim potencjale używamy sond x100 z izolacją 2kV DC. Przepięcia w tego typu układach mogą sięgać nawet 1kV, a zwykłe sondy x10 mogę tego nie wytrzymać i doprowadzić do ich uszkodzenia.

Oscyloskop
Obecnie standardem jest pasmo 100 MHz, lecz do energoelektroniki nadal wystarczy zwykłe 25 MHz, gdyż operujemy na częstotliwości pierwszej harmonicznej do 300 KHz przebiegu prostokątnego oraz krotności pierwszej harmonicznej. Oczywiście im lepsze pasmo przenoszenia, tym oscylogramy dokładniejsze, ale nie jest to aż tak istotne.
Przypomnienie ? kanały oscyloskopu nie są zazwyczaj izolowane (w tanich oscyloskopach na pewno nie są) od siebie, więc ?masę? sond oscyloskopu wpinamy do jednego punktu, aby uniknąć zwarcia.

Stanowisko pracy
Osobiście mam wieczny bałagan na biurku, jednak miejsce gdzie uruchamiam układ ma być uporządkowane, czyste i z podłożem izolowanym (używam płyty z polipropylenu). Dlaczego? Uszkodzenie układu z powodu zagubionego gdzieś pod układem drucika z rezystora czy kulki cyny, jest tak samo efektowne co frustrujące.

3. Elementy schematu

Dlaczego TNY280? Jest to konstrukcja łatwa do zaprojektowania jednocześnie dająca zadowalający efekt końcowy.


Rysunek 4. schemat

Spoglądając na schemat już na pierwszy rzut oka widzimy, że jest on znacznie bardziej złożony niż schemat poglądowy z Wikipedii. Postaram się opisać poszczególne elementy funkcyjne w tym schemacie.

Gasik
Fundamentalną zasadą działania tej topologii jest gromadzenie energii w dławiku z dwoma (lub więcej) uzwojeniami, sprzężonymi polem magnetycznym. Niestety nie cały strumień jest sprzężony z uzwojeniami wtórnymi, przez co podczas procesu przejścia klucza w stan wysokiej impedancji energia zgromadzona w indukcyjności rozproszenia poszukuje ujścia w postaci źródła prądowego, przez to powstają spore przepięcia. Aby ograniczyć przepięcia stosujemy gasik (snubber). W przypadku tego projektu stosuję snubber RCD (RCD od Rezystor Kondensator Dioda), który obniża amplitudę przepięcia oraz pozwala wytracić energię z rozproszonej indukcyjności na rezystorze gasika.


Rysunek 5. Snubber


Rysunek 6. Przebieg na drenie względem GND. W czerwonej ramce drgania na gasiku.

Sprzężenie zwrotne
Sprzężenie zwrotne w przypadku TNY280 jest zrealizowane w najprostszy sposób; gdy napięcie osiągnie zadaną wartość (dioda Zenera + Vf diody transoptora) pin EN/UV jest zwierany do GND, a sterownik się wyłącza. Jest to bardzo proste rozwiązanie w stosunku do np zmiany wypełnienia sygnału sterowania, jednocześnie bardzo skuteczne przy bardzo małych mocach i dobrym filtrze po stronie wtórnej. Takie rozwiązanie wprowadza znacznie większe tętnienia napięcia na wyjściu, ale upraszcza sprzężenie zwrotne do takiego stopnia, że nie musimy się obawiać, czy nasz układ będzie się rozbiegał (układ jest zawsze stabilny).


Rysunek 7. Sprzężenie zwrotne

Bias winding (uzwojenie pomocnicze)
W wielu sterownikach uzwojenie bias (pomocnicze) jest odpowiedzialne między innymi za zasilanie sterownika, jednak w przypadku TNY280 układ jest zasilany bezpośrednio z pinu drenu, a uzwojenie bias jest opcjonalne. Użycie uzwojenia bias w przypadku TNY280 zapewnia zmniejszenie zużycia energii przy niskim obciążeniu oraz możliwość skonfigurowania zabezpieczenia przepięciowego (overvoltage protection).


Rysunek 8. Uzwojenie bias

Transformator
Przy zasilaniu urządzenia z napięcia sieciowego trzeba zachować szczególną ostrożność oraz sam transformator musi spełnić normy bezpieczeństwa. Jeśli nie mamy wiedzy i doświadczenia w nawijaniu transformatorów nie polecam realizowania tego samodzielnie. Transformator użyty w artykule został nabyty w firmie Feryster o oznaczeniach TI-EF20-12V-1A-W.

4. Pomiary
Pomiar tętnień na wyjściu
Pomiar tętnień i sprzężenie zwrotne realizujemy bezpośrednio na kondensatorze wyjściowym. Aby zminimalizować wpływ tłumienia sygnału przez pętle samej sondy oscyloskopu stosujemy srebrzankę nawiniętą na sondę:


Rysunek 9. Sonda ze srebrzanką.

Sygnały nie mierzone w ten sposób mogą wyglądać lepiej (mniejsze tętnienia) z faktu wprowadzenia tłumienia.


Rysunek 10. Tętnienia na wyjściu

Sprawność

Sprawności jest tym parametrem, który chcemy poznać jako następny gdy już upewnimy się, że nasz układ działa poprawnie. Wielu początkujących nie posiada watomierzy, dzięki którym możemy w prosty i dokładny sposób zmierzyć moc pobieraną przez zasilacz z sieci.

Bazując na materiale:
https://www.power.com/sites/default/files/PIU-102_MeasuringEfficiency.pdf

Wykonam 3 pomiary dwoma równymi miernikami

1. Pomiar sondą prądową I-prober 520 oraz oscyloskopem SDS1022DL
2 i 3 Multimetr UT33C


Rysunek 11. Punkty pomiarowe.

Dla każdego z pomiarów korzystam z tego samego obciążenia - rezystor 20 Ohm. Prąd na obciążeniu:


Rysunek 12. Prąd na obciążeniu.

Moc rozproszona na rezystorze: 0.632 A * 12.11 = 7.654 W

Pomiar pierwszy

Sonda prądowa jest bardzo przydatnym narzędziem do wizualizowania przebiegu prądu w układzie.

Pomiary zostały wykonane przy dwóch różnych napięciach przemiennego : 230 V oraz 142 V

Wyniki dla 230 V


Rysunek 13. Przebiegi prądu za mostkiem prostowniczym dla 230V


Rysunek 14. Pojedynczy impuls prądu za mostkiem prostowniczym dla 230 V

Wyniki dla 142 V


Rysunek 15. Przebiegi prądu za mostkiem prostowniczym dla 142 V


Rysunek 16. Pojedynczy impuls prądu za mostkiem prostowniczym dla 142V

Nie chce się tutaj rozpisywać z obliczeniami tak, więc podam wyniki końcowe:

Dla 230 V - 97.6%
Dla 142 V - 86.2%

Pomiar drugi

Wykonany w tym samym punkcie co poprzedni, ale za pomocą multimetra UT33C. Z faktu, że w zdjęciu wyświetlacza alfanumerycznego nie ma nic ciekawego podam tylko wyniki:

Dla 230 V - 84.2%
Dla 142 V - 87.4%

Pomiar trzeci

-RoMaN- polecił mi zrealizowanie pomiaru w jeszcze jednym miejscu, w którym wyniki będą bardziej miarodajne. W tym miejscu również dokonałem pomiaru multimetra UT33C.

Dla 230 V - 86.1%
Dla 142 V - 87.6%

Z przyczyn słabej jakości oscyloskopu i jego rozdzielczości przy obliczeniach średniej sygnału (4 mA) te wyniki są całkowicie nie miarodajne i trzeba je odrzucić, jednak same przebiegi bardzo dobrze pokazują, że peak prądu przy obciążeniu raptem 7.65 W wynosi dla zasilania 230 V aż 284 mA! Mam nadzieje, że to pomoże zobrazować, dlaczego układy PFC (układy poprawy współczynnika mocy) są tak istotne w zasilaczach impulsowych.

Pozostałe pomiary wyglądają bardziej wiarygodnie, jedyną ciekawostką jest fakt, że sprawność jest lepsza przy niższym napięciu zasilania. Wynika to z faktu, że przyrost strat związanych z przewodzeniem (diody, rezystancja miedzi, prąd upływu kondensatorów itp.) jest mniejszy, niż przyrost strat związanych z zwiększeniem napięcia zasilania (straty dynamiczne na kluczu).

5. PCB

Realizacja schematu jest bardzo ważnym etapem projektu urządzenia, jednak wyzwaniem jest również poprawne rozłożenie elementów na powierzchni PCB. Schemat jest rozpatrywany jako zbiór elementów idealnych, gdzie np. GND ma wszędzie ten sam potencjał. Niestety częsty błąd, który obserwuję to traktowanie tak samo GND na fizycznej płytce.
Wymienię kilka porad związanych z fizycznym rozmieszczaniem elementów na PCB.

1. Kondensatory blisko elementów odsprzęganych
Nawiązując do artykułu o zakłóceniach EMI:
https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3563554.html

Przy rozkładaniu elementów na PCB powinniśmy mieć na uwadze pętle prądowe. W przypadku flyback mamy dwa stany: klucz otwarty oraz klucz zamknięty. W pierwszym przypadku prąd płynie przez uzwojenie pierwotne, klucz oraz wyższe harmoniczne przez pierwszy kondensator:


Rysunek 17. Pętla prądu dla otwartego klucza


W drugim wypadku gdy klucz przestaje przewodzić, energia zgromadzona w indukcyjności rozproszenia transformatora rozpatrywana jest jako źródło prądowe, którego energię musimy rozproszyć na gasiku.
Czerwona ścieżka pokazuje przepływ prądu w warunkach, gdy energia jest gromadzona w kondensatorze C3, żółta pokazuje przepływ pętli prądu przez transil jeśli amplituda przepięcia będzie wyższa od napięcia zadziałania transila (gdy kondensator C3 zgromadzi za dużo energii).


Rysunek 18. Pętla prądu dla zamkniętego klucza


Celem poprawnego projektu PCB jest zminimalizowanie pola powierzchni tych pętli. Można to zrealizować jeszcze lepiej poprzez dwuwarstwowy projekt PCB czy stawianiu elementów w pionie.

2. Niebezpieczeństwo przebicia

Pracując z wysokim napięciem musimy pamiętać, że odległość między ścieżkami - gdzie znajduje się spora różnica potencjałów - może łatwo ulec przebiciu (prądy pełzające). Wpływ na odległość, w jakiej dojdzie do przebicia zależy od napięcia, wysokości (ciśnienia), zanieczyszczeń, temperatury otoczenia czy kształtu elektrod. Do przebicia dochodzi znacznie łatwiej w konfiguracji ostrze-ostrze, więc unikamy prowadzenia kanciastych ścieżek, aby zminimalizować szansę przebicia.
W zależności od warunków pracy i użytych materiałów przerwa między ścieżkami powinna mieścić się w granicach 4mm do 12.6mm.


Rysunek 19. Celowo niewypośrodkowana ścieżka

Chociaż na Rys 19. chciało by się poprowadzić ścieżki idealnie pomiędzy dwoma sąsiadującymi, to jednak przesunięcie jest wprowadzone umyślnie.

3. Odprowadzanie ciepła z elementów (moc rozproszenia elementu a radiator)

Częsty błąd u początkujących to błędne zrozumienie parametru rozproszenia mocy na elemencie. Ten parametr jest podawany dla bardzo dobrego (w praktycznych warunkach nieosiągalnego) odprowadzania ciepła przez radiator. W przypadku TNY280, mamy podane dwie powierzchnie PCB, które pełnią funkcję radiatora (thermal pad) (232 mm^2 oraz 645 mm^2) dla których są podane rezystancje termiczne (analogicznie 70 stopni/W oraz 60 stopni/W). W moim przypadku jest to trochę ponad 300 mm^2 oraz nie przeciążam układu ponad to, co podał producent. Dodatkowo warto pamiętać, że na diodzie zaporowej po stronie wtórnej również odkłada się dość sporo mocy, więc warto ją też zaopatrzyć w większy thermal pad.
Trzeba pamiętać, że takie thermal pad'y utrudniają przylutowanie elementów, gdyż moc zaczyna się rozpraszać na radiatorze, przez co znacznie trudniej rozgrzać punkt lutowniczy.


Rysunek 20. Zdjęcie z kamery termowizyjnej. Całe PCB


Rysunek 21. Zdjęcie z kamery termowizyjnej. Dioda na stronie wtórnej.

6. Uwagi
Projekt zrobiłem całkowicie dla sportu (doświadczenie to podstawa), jednak podzielę się, jakie popełniłem błędy:
- za małe pady wokół elementów THT, przez co przy obcinaniu drucików kilka padów mi odpadło
- zapomniałem o punktach testowych, musiałem więc lutować dodatkowe ?druciki? do wyprowadzeń elementów
- jeden z elementów był źle zaprojektowany i posiadał obrys na warstwie outline, która jest frezowana przez maszynę - zamiast kondensatora miał bym dziurę w PCB, ale podczas weryfikacji gerberów udało się to dostrzec i zmienić
- kilka pomyłek z rozmiarem elementów i rozstawem (C3, C8 i C4)

Tego typu błędy się zdarzają, więc praktycznie nigdy nie można zakładać, że pierwsza rewizja PCB spełni nasze oczekiwania, więc trzeba zakładać przynajmniej 2-3 wersję płytki, aby pozbyć się wszelakich niedoróbek.

7. Wnioski
Chociaż projekt może wiele osób zawieść, gdyż nie ma tutaj obliczeń związanych z poszczególnymi elementami (snubber, transformator, filtry), jednak celem tego artykułu było pokazanie, że poza tymi obliczeniami jest jeszcze bardzo dużo równie istotnych kroków, przy których bardzo wiele osób popełnia błędy. Aby poprawnie zaprojektować urządzenie trzeba wykonać poprawnie wszystkie kroki, jeśli gdzieś popełnimy błąd, urządzenie nie będzie działać poprawnie. Warto więc ograniczyć ilość miejsc gdzie potencjalnie możemy popełnić błędy poprzez skorzystanie z oprogramowań dostarczonych przez producenta sterownika lub zlecić wykonanie elementów wymagających precyzji firmom, które mają w tej dziedzinie doświadczenie. Im mniejsze pole do popełnienia błędu, tym szybciej można zdiagnozować miejsce, w którym został popełniony błąd, mniej więc nas kosztuje czasu i nerwów.