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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

 

 

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ritratto di divivoma

spice...

Ciao..

Hai fatto anche simulazioni con spice...? Cioè il dimensionamento partendo dalle specifiche, lo hai sviluppato utilizzando un tool di simulazione immagino ??

Nel download ci sono tutti i passaggi comprese le simulazioni?

ritratto di Emanuele

Convertitore AC-DC con PFC

La fase di ricerca è basata su una application note Infineon che è specifica sulla conversione 2T realizzata con IC combo (pfc+pwm).
A questa ho unito alcune soluzioni offerte da Application Note Fairchild (MicroLinear per la precisione) e della Texas Instruments (Unitrode).

Alcune simulazioni sono state effettuate con tool online come quello fornito da
schmidt-walter
ma ti assicuro la parte piu complessa è stata la progettazione delle parti magnetiche,
in particolare il trasformatore di uscita.

ritratto di Romano P.

Ciao Emanuele, grazie per il

Ciao Emanuele, grazie per il progetto, soprattutto per la presentazione personale e "umana". Ma quindi convertitore e alimentatore switching sono la stessa cosa?

ritratto di Emanuele

SMPS

La mia era solo una battuta riferita al linguaggio usato dai progettisti elettronici esperti in convertitori, piuttosto che, in generale, agli alimentatori switching :)

ritratto di ingmarketz

info

Ciao ,... progetto molto interessante anche io in passato ho avuto a che fare con la progettazione di uno switching ma per solo scopo didattico chiaramente con potenze in gioco più basse, mi interessava sapere quantitativamente il tempo che hai dedicato alla ricerca della documentazione su questo argomento che mi sembra di capire che per te sia una nuova branca dell'elettronica che ti sei messo ad esplorare.
Inoltre mi interessava sapere quali sono gli argomenti di elettromagnetismo che hai ritenuto più ostici da apprendere, al fine di poterli applicare al tuo progetto(dal momento che hai affermato precedentemente che la progettazione dei componenti magnetici è stata la più complessa). Oppure, se è stata l'applicazione di tali concetti all'atto pratico a rendere la progettazione complessa.
Grazie ancora per aver condiviso la tua esperienza.

ritratto di Emanuele

SMPS

La fase di ricerca è durata molto, ho letto tantissime application note e reference design della Unitrode (ora TI) Fairchild, Infineon, Onsemi, Wurth. Ho fatto molta ricerca anche su siti specifici come indicato nell'articolo.
Poi ho incontrato, alcuni di persona, altri telefonicamente, veri e propri Guru italiani della conversione di potenza.
Preso appunti, studiato formule e poi confrontate con le applicazioni che avevo letto e reputato piu interessanti.

La parte piu difficile è stata quella relativa alle parti magnetiche. Nello specifico la differenza tra formule e pratica. Considera che, ad esempio, il trasformatore (per i prototipi) l'ho avvolto a mano quindi una certa differenza tra calcoli e pratica era inevitabile. Poi ho realizzato dei campioni avvolti a macchina ma davanti ai miei occhi :)

Comunque vorrei precisare che queste difficoltà sono emerse perche il progetto andava sottoposto a normative. Infatti i problemi da risolvere sono stati relativi alle emissioni di radiofrequenza ed alla 'tenuta' alla massima potenza (ed anche un relativo ronzio).

Per un funzionamento normale (educational), senza stress, non ci sarebbero stati problemi, ma è stata una buona palestra :)

ritratto di Alexi

EMC

Ciao, complimenti per il progettone e la descrizione.
Posso chiederti consigli più dettagliati sugli accorgimenti presi per ridurre le emissioni, quindi tutto ciò che ha a che fare con EMC. Sto lavorando con degli switching per circuiti radionavigatore e ho fastidiose emissioni visto che lavoro intorno ai 3A, magari le tue considerazioni possono tornarmi utili.
grazie ancora,
Ale

ritratto di PeSte

Ciao, complimenti per il

Ciao, complimenti per il lavoro e per l'articolo.
Un paio di anni fa realizzai un progetto per pilotare un carico da 120W con limitatore di corrente (era un led) direttamente da un doppio forward con pfc. Sostanzialmente il progetto era simile al tuo. In linea di massima concordo con la tua analisi sui produttori di silicio, vorrei solo aggiungere all'elenco OnSemi (ex Motorola). Ipotizzai anch'io vari componenti, la scelta ricadde su OnSemi perché era meglio supportato a livello di librerie pspice.
I risultati ottenuti furono ottimi, avevo
1)progetto sulla carta con conti fatti a mano
2)analisi pspisce del pfc e del 2T forward
3)misure sul prototipo
Tutte e tre erano coerenti tra loro.
Ciao
Ste

ritratto di cpezzi

alimentatori a corrente costante

Ciao.

Navigando ho trovato questo link e sono incuriosito perchè mi occupo di illuminazione stradale con utilizzo dei led ad alta potenza cree XM-l.

Ora solitamente abbiamo utilizzato degli alimentatori meanwell LPC-60-1400 ma si rimpono spesso o comunque soffrono le alte temperature.

Al momento si è deciso di spostare gli alimentatori lontano dai led e dai dissipatori però credo che avrei bisogno anche di alimentatori con qualche protezione contro le sovratensioni.

Mi sapreste consigliare? ovviamente senza spendere molto. Oppure potrei farmi realizzare uno con 120W a 1,4mAh?
Quanto costerebbe?

Grazie

Ciro

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