Alimentatore switching 150W [progetto completo 2T forward]

Progetto di un Convertitore 2Transistor Forward

Un alimentatore switching da 150W isolato con PFC(ingresso 115Vac @400HZ e uscita1 24Vdc @5A ed uscita2 12Vdc @2A) in tipologia 2 Transistor Forward, specifico per il settore avionico (o rete elettrica americana), ma facilmente modificabile per ingresso a 230Vac @50Hz e per potenze maggiori, fino a 350W. 

Realizzare un alimentatore switching da 150W per un progettista elettronico, “microcontrollers oriented” come me, quindi con poca esperienza nella potenza, non è stata cosa semplice! Fino ad allora i miei switching erano i modulini dc/dc oppure i simple switcher, che molti conoscono.

Ma realizzare un vero e proprio alimentatore isolato con PFC, con potenze in gioco (quasi) importanti, partendo dalla tensione AC, insomma, è ben altra cosa.
In questo articolo vorrei condividere, non solo il progetto, ma tutta l’esperienza che mi ha portato alla realizzazione del convertitore, dalla ricerca, allo sviluppo, fino alla certificazione (con tutte le relative problematiche).
La prima cosa che ho imparato affrontando questa materia (SMPS) è che si chiamano convertitori, nessuno degli esperti (FAE ed amici) che ho contattato ha mai parlato di alimentatori switching, ma di convertitori e, nel caso specifico di 2 transistor forward.

Si, rispondo subito alla domanda:
Perche per potenze cosi basse (150W) non hai usato un Flyback o altre tipologie?

Perchè il progetto iniziale prevedeva 350W e poi, riguardo alle altre tipologie, provate voi ad iniziare a progettare il vostro primo alim.. convertitore serio, partendo da un quasi-risonante!

La ricerca nei convertitori SMPS

La fase di ricerca è stata affascinante, ed allo stesso tempo estenuante.
Ho scaricato decine e decine di application note, reference design, ho contattato FAE di importanti aziende (grazie PaoloA), addirittura ho scomodato ex-FAE considerati dei guru della Conversione di Potenza (grazie GiuseppeB) e titolari di aziende che si occupano solo di convertitori, in particolare militari (grazie Christian).

Tutto questo febbrile lavoro in fase iniziale, mi ha portato a stilare una lista di risorse da utilizzare quando si inizia nel progettare un convertitore ac/dc.
Siti aziendali dove fare riferimento per nozioni teoriche, applicazioni, progetti di riferimento ed ovviamente i componenti base:

Alimentatori Switching Texas Instruments (Unitrode)

Direi proprio il punto di riferimento. La lettura della documentazione Unitrode (acquisita da TI) è fondamentale sia per la teoria dei convertitori, compresa la correzione del fattore di potenza (PFC), che per il dimensionamento delle parti magnetiche. Nel sito TI invece sono disponibili componenti che offrono soluzioni integrate Combo PFC+PWM (in pratica 2 pwm, uno specifico per comandare il pfc e l’altro per il trasformatore di uscita)

Fairchild (MicroLinear) Convertitori switching

Discorso simile a quello precedente, con l’acquisizione di ML (MicroLinear) Farichild Semiconductors è diventata leader anche nella converione di potenza. Anche qui i Combo (PFC+PWM) oltre ad application note e reference design di facile comprensione.
da segnalare inotre, che Fairchild offre anche i MOSFET, cosa di non poco conto, considerando che, oltre ad essere la parte piu costosa tra tutti i componenti, sono anche l’elemento sensibile.

Infineon – Switching 2T Forward

Non mi risultano acquisizioni da parte di Infineon e la documentazione offerta non è a livello di TI e Fairchild, ma c’è un progetto di riferimento sui convertitori 2T Forward che è spettacolare! E poi anche in Infineon producono i MOSFET.
Quando dico Mosfet, intendo Mosfet di qualità per conversioni di potenza switching, quindi con caratteristiche di RDSon molto basse e Qc accettabili.

Siti di riferimento per teoria e calcoli, anche sulle parti magnetiche (che affronteremo piu avanti)

schmidt-walter.eit.h-da.de/smps_e/smps_e.html
smps.us & smpstech.com

Teoria delle parti magnetiche

Siti di riferimento:

Ferroxcube
(Philips-NXP)
Epcos
Whurt
Pulse

Ma il progetto dell’alimentatore?

Eccolo, eccolo, spero di non essermi dilungato troppo. Di seguito lo schema elettrico, il circuito stampato ed il dimensionamento delle parti magnetiche, vero cuore del progetto (un pò come il firmware per i progetti a microcontrollore) ed infine le prove tecniche e la certificazione.

Schema elettrico convertitore switching 2T forward

Alimentatore

La prima parte dello schema elettrico del convertitore comprende la parte filtro di ingresso, la rettificazione in tensione continua DC e poi la parte BOOST con la prima bobina di potenza (su rocchetto RM12) che, tramite il primo Mosfet di potenza FCBN2060 si occuperà dell’innalzamento della tensione proprio per avere un PFC più possibile uguale a 1.

Nella stessa pagina dello schema tutta la regolazione, affidata al Combo UCC28514N (PFC+PWM) che si occupa della generazione dei segnali pwm e della relativa retroazione monitorando tensione e corrente.

Convertitore switching

La seconda parte dello schema elettrico dell’alimentatore switching presenta la configurazione a 2 Transistor Forward quindi il PWM del Combo comanda i 2 Mosfet di uscita FCBN2060 che generano la sinusoide necessaria al trasformatore di uscita (su ETD34) per funzionare. La tensione, azi le tensioni di uscita vengono rettificate dai diodi di potenza e filtrate dalle relative induttanze di uscita, per poi fornire in uscita la 24Vdc di potenza (5A) e la 12Vdc (2A).

Importante_1:La seconda uscita a 12V può essere utilizzata SOLO se gli assorbimenti sulla 24V sono costanti per problemi dovuti al trasferimento di energia da parte del trasformatore. Quindi se avete necessita di carichi di uscita variabili sui 24V oppure di stabilità nei 12V dovete usare una soluzione differente.E cioè eliminare la parte di uscita a 12V ed inserire un modulino DC-DC sui 24V (PTN78060HAZ). soluzione semplice, da me utilizzata. Oppure lavorare sulla possibilità di avere un doppio avvolgimento sulla bobina di uscita, quindi sia i 12V che i 24V utilizzano la stessa bobina bilanciandosi. Purtroppo non ho avuto il tempo di sperimentare questa interessante soluzione.

Importante_2:Il rocchetto dell’induttore di PFC su RM12, è stato sostituito con un core toroid TN25 .Il rocchetto del trasformatore di uscita, per un core in ferrite ETD34 è stato sostituito da un ring-core N30. Questo per ottenere significativi miiglioramenti in termini di rumore (ronzio) e di emissioni radiate durante le prove di marcatura CE. La soppressione delle condotte invece è stata possibile tramite l’utilizzo di un filtro di ingresso a 2 stadi supplementare a quello inserito nella scheda.

Parti magnetiche usate per il convertitore 2T forward

Le parti magnetiche usate sono state progettate secondo i calcoli forniti dal sito di shmidt-walter utilizzando RM12 ed ETD34 poi sostituite con i Core-Ring.

Tali formule sono state poi verificate tramite i principi base per il calcolo spire

N = 180*10^9 /2f * B * AEmin

e

L = N^2 * AL

Certificazione alimentatore switching

L’alimentatore, dopo i problemi sopraelencati ha passato la certificazione, sia per le emissioni condotte (filtro di ingresso a 2 stadi supplementare) e per le radiate (Cambio tipologia di trasformatore di uscita).

Documentazione fornita per alimentatore switching in configurazione 2T Forward

  • Schema elettrico
  • Lista parti (con indicazioni per parti magnetiche)
  • PCB layout circuito stampato per una rapida prototipazione
  • Cartella di progetto con tutti file PDF delle applicazion note e reference design con formule e soluzioni

ATTENZIONE: seppur funzionante, testato piu volte, a vuoto, sotto carico resistivo, sotto carico induttivo (controllo motori) e per varie ore di funzionamento alla massima tensione di uscita ed inoltre testato in camera anecoica e verificato in emissioni condotte e radiate, il progetto è comunque da considerarsi comunque come base di partenza per la vostra applicazione (il classico reference design). Con una progetto di partenza cosi, modificarlo (e rifare le prove) per la vostra applicazione vi farà risparmiare molte giornate di lavoro!

Download Convertitore 150W

Usate i commenti qui sotto per ogni eventuale richiesta e/o domanda per lo sviluppo. Ho cercato di essere piu completo possibile ma è difficile essere esaustivi quando si tratta di progetti del genere. Postate i vostri commenti qui sotto, vi risponderò ad integrazione dell’articolo. Grazie

5 Comments

  1. divivoma 1 febbraio 2012
  2. Emanuele 1 febbraio 2012
  3. Emanuele 1 febbraio 2012
  4. ingmarketz 1 febbraio 2012
  5. Emanuele 6 febbraio 2012

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