Publicación de una fuente de alimentación conmutada tipo flyback (fuente de alimentación flyback) con entrada de voltaje amplio y salida de 24V 3A, potencia de 72 W, eficiencia máxima del 87,4 %, basada en el chip UC3842 y rectificación síncrona (UCC24612-1DB), que incluye cálculo de parámetros del circuito y del transformador, esquemático, PCB, modelo de simulación PSIM, especificaciones de fabricación del transformador, etc.
Introducción
Esta es mi primera vez diseñando una fuente de alimentación flyback; por favor, si hay algo que se pueda mejorar o errores cometidos, agradecería mucho sus consejos.
- Guía de cálculo de parámetros y selección de componentes para fuentes flyback, así como diseño y bobinado del transformador flyback: https://blog.zeruns.com/archives/909.html
- Guía comparativa de análisis y selección de componentes magnéticos/materiales magnéticos/estructuras del núcleo magnético: https://blog.zeruns.com/archives/897.html
De paso, también estoy buscando empleo. ¿Hay alguna empresa en Guangzhou/Foshan/Shenzhen que esté contratando? Pueden revisar mis proyectos abiertos en mi perfil de la plataforma Open Source Hardware de LCSC: https://oshwhub.com/zeruns/works
Video demostrativo del proyecto: https://www.bilibili.com/video/BV1ES4GzQE19/
Enlace al proyecto en la plataforma Open Source Hardware de LCSC: https://oshwhub.com/zeruns/24v3a-Flyback-Power-Supply-uc384x
Grupo QQ para intercambio técnico en electrónica/microcontroladores: 2169025065
¡La dirección para descargar los materiales está al final del artículo!
Advertencia: La construcción de fuentes de alimentación conmutadas implica un alto nivel de riesgo. No garantizo la exactitud de ningún circuito, parámetro o fórmula presentada aquí. Al replicar o usar este diseño, asume todos los posibles riesgos por tu cuenta.
El costo estimado por unidad en pequeñas cantidades (20 unidades) es de aproximadamente 25 RMB (sin incluir PCB ni transformador, calculado con precios de componentes de LCSC Mall). Incluyendo el PCB y el transformador, probablemente no supere los 50 RMB.
Parámetros de Diseño
| Parámetro | Valor |
|---|---|
| Voltaje nominal de entrada V_{acnom} | 220VAC |
| Voltaje mínimo de entrada V_{acmin} | 85VAC |
| Voltaje máximo de entrada V_{acmax} | 265VAC |
| Frecuencia de red f_L | 50Hz |
| Voltaje de salida V_{out} | 24V |
| Corriente de salida I_{out} | 3A |
| Frecuencia de trabajo f_s | 150kHz |
| Eficiencia de diseño η | 85% |
Dimensiones del PCB: 100x55 mm
Tipo de PCB: Doble capa, componentes montados en superficie en la capa inferior y componentes insertados en la capa superior.
Imágenes del Prototipo
La siguiente imagen muestra la segunda versión:
La siguiente imagen corresponde a la primera versión, que tenía algunos problemas (los transistores tendían a quemarse). El problema ya fue corregido en la segunda versión mostrada arriba:
Transformador de alta frecuencia:
Pruebas y mediciones de rendimiento
Prueba inicial de encendido
Durante la primera prueba, se debe conectar una bombilla en serie para evitar daños por cortocircuito. La fuente funcionó correctamente; el voltaje de salida medido fue de 24,1 V (en la imagen siguiente se muestra la prueba con una carga de 0,9 A).
La función de la bombilla en serie es: aprovechar su efecto limitador de corriente. En condiciones normales, la resistencia de la bombilla es baja, consume poco voltaje y apenas se ilumina o permanece apagada, sin afectar la prueba. Si hay un cortocircuito interno en la fuente, la corriente aumentará drásticamente; la bombilla, al tener una resistencia fija, absorberá la mayor parte del voltaje, limitando así la corriente excesiva y protegiendo los componentes de dañarse por sobrecorriente.
Conector de protección para reparación de fuentes conmutadas: https://s.click.taobao.com/OiMyz3q
También puedes probarla con entrada de corriente continua. Comprobé que con 60 V de entrada DC inicia correctamente y entrega 24 V de salida. Sin embargo, debes cambiar la resistencia de arranque de 200 kΩ (R24+R16) a 100 kΩ (puenteando una de ellas), porque con la resistencia original demasiado alta, no arranca a bajo voltaje.
Prueba de eficiencia de conversión
Equipos utilizados:
- Medidor de energía Joule: https://u.jd.com/0gXabte
- Carga electrónica Joule: https://s.click.taobao.com/DvbzQ4q
Datos reales medidos:
| Voltaje entrada (V) | Corriente entrada (A) | Potencia aparente entrada (W) | Potencia activa entrada (W) | Voltaje salida (V) | Corriente salida (A) | Potencia salida (W) | Eficiencia (%) | Factor de potencia |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 219.85 | 0.029 | 6.38 | 2.10 | 24.13 | 0.00 | — | — | 0.33 |
| 219.83 | 0.251 | 55.18 | 28.69 | 24.10 | 1.00 | 24.10 | 83.99 | 0.52 |
| 219.59 | 0.438 | 96.18 | 55.78 | 24.07 | 2.00 | 48.14 | 86.30 | 0.58 |
| 219.65 | 0.637 | 139.92 | 82.55 | 24.05 | 3.00 | 72.15 | 87.40 | 0.59 |
| 111.55 | 0.036 | 4.02 | 1.81 | 24.13 | 0.00 | — | — | 0.45 |
| 111.13 | 0.406 | 45.12 | 28.88 | 24.10 | 1.00 | 24.10 | 83.46 | 0.64 |
| 110.89 | 0.753 | 83.50 | 56.78 | 24.06 | 2.00 | 48.12 | 84.75 | 0.68 |
| 110.58 | 1.097 | 121.31 | 84.91 | 24.00 | 3.00 | 72.00 | 84.79 | 0.70 |
La eficiencia máxima medida fue del 87,4 %, con un consumo en vacío mínimo de 1,81 W, lo cual es ligeramente alto.
Los datos anteriores fueron obtenidos usando rectificación con diodo, sin rectificación síncrona, ya que el MOSFET seleccionado para la rectificación síncrona tiene una resistencia interna un poco elevada, lo que redujo la eficiencia. Puedes sustituirlo por un MOSFET mejor. Se requiere una tensión de bloqueo de al menos 200 V (si colocas una resistencia de 20 Ω y un condensador de 2,2 nF en R9 y C8 respectivamente, podrías considerar uno de 150 V).
Prueba de rizado del voltaje de salida
Osciloscopio usado: RIGOL DHO914S: https://blog.zeruns.com/archives/764.html
Durante la prueba, la sonda del osciloscopio estaba conectada a un cable de salida de unos 15 cm de largo, sin usar anillo de tierra ni conectar directamente a los terminales del condensador de salida, por lo que el valor medido del rizado puede estar sobreestimado.
Rizado sin carga: valor pico-pico de aproximadamente 730 mV, frecuencia del rizado de 138,96 kHz, cercana a la frecuencia de conmutación.
Rizado con carga de 3 A: valor pico-pico de aproximadamente 562,08 mV.
Formas de onda del MOSFET
Formas de onda del voltaje en el transistor MOSFET primario cuando la entrada es 220 V AC, salida 24 V con carga de 1 A: amarillo = voltaje entre compuerta y fuente (GS), azul = voltaje entre drenaje y fuente (DS).
En la imagen se observa que el pico de voltaje en el drenaje durante el apagado del MOSFET es de aproximadamente 440 V (como se usó una bombilla en serie y olvidé desconectarla, el voltaje real de entrada podría haber sido solo de unos cien voltios, por lo que la medición está subestimada).
Ampliación de la forma de onda de voltaje en la compuerta:
Formas de onda del diodo rectificador de salida
Voltaje en los extremos del diodo rectificador de salida cuando la entrada es 60 V DC y salida 24 V sin carga. El pico máximo de voltaje es de aproximadamente 56 V. (Al soldar una resistencia de 20 Ω y un condensador de 2,2 nF en R9 y C8 respectivamente, el pico disminuye a 42 V.)
Voltaje en los extremos del diodo rectificador de salida cuando la entrada es 60 V DC, salida 24 V con carga de 1 A. El pico máximo de voltaje es de aproximadamente 190 V. (Tras añadir la resistencia de 20 Ω y el condensador de 2,2 nF, el pico disminuye a 81 V.)
Forma de onda de voltaje de salida durante arranque sin carga
Voltaje de salida cuando la entrada es 60 V DC y salida 24 V sin carga. El voltaje tarda 7 ms en pasar de 0 V a 24 V.
Temperatura de operación
Imagen térmica de la parte inferior de la fuente sin carga: el punto más caliente está en la resistencia de arranque, con una temperatura de aproximadamente 60 °C (temperatura ambiente ~25 °C); la temperatura del MOSFET primario es de aproximadamente 48 °C.
Imagen térmica de la parte inferior de la fuente con carga de 3 A: el punto más caliente está en el MOSFET primario o en la resistencia del circuito de absorción RCD, con temperaturas superiores a 88 °C (temperatura ambiente ~26 °C). El diodo rectificador secundario también debería estar por encima de los 60 °C.
La temperatura en carga completa es bastante alta. Si se va a trabajar durante largos períodos a plena carga, el transistor MOSFET primario necesita un disipador de calor o debe encapsularse con resina para transferir el calor al exterior.
Direcciones para compra de componentes- Muestra de resistencias y capacitores SMD: https://s.click.taobao.com/ngH2RGq
- Núcleo y bobina para transformador PQ: https://s.click.taobao.com/EJtb04q
- Chip UC3842: https://s.click.taobao.com/7pfvQGq
- Optoacoplador PC817A: https://s.click.taobao.com/Le1X04q
- Puente rectificador MSB40M: https://s.click.taobao.com/7HqQQGq
- Diodo SBDD10200CT: https://s.click.taobao.com/izw104q
- Controlador de rectificación síncrona UCC24612-1: https://s.click.taobao.com/K1gEQGq
- Referencia de voltaje TL431: https://s.click.taobao.com/DPxnz3q
- Inductor común UU10.5: https://s.click.taobao.com/D1t1z3q
- Resistencia térmica 5D-11: https://s.click.taobao.com/IsOry3q- Condensador de seguridad X2: https://s.click.taobao.com/vBeCPGq
- Condensador de seguridad Y: https://s.click.taobao.com/sas5PGq
Se recomienda comprar los componentes electrónicos en LCSC (Lichuang Mall): https://activity.szlcsc.com/invite/D03E5B9CEAAE70A4.html
En el enlace abierto de Lichuang, haga clic en “BOM” y luego en “Pedir ahora en LCSC” para importar automáticamente todos los componentes necesarios al carrito de compras.
Esquema
PCB
Capa superior
Capa inferior
Enlaces para descargar materiales
Los siguientes enlaces contienen: archivos del proyecto de EasyEDA, esquemático en PDF, archivos Gerber para fabricación de PCB, herramienta de diseño de fuentes conmutadas SMPSKit, hoja de cálculo para transformadores flyback (Mathcad), diagrama de serigrafía, especificaciones de fabricación del transformador, hojas técnicas de los chips utilizados, modelos de simulación PSIM, código Matlab para gráficas BODE y otros documentos de referencia (algunos materiales recopilados de internet).
- Nube 123: https://www.123684.com/s/2Y9Djv-2hTdH
- Disco Baidu: https://pan.baidu.com/s/1767xJthTFWQbxgeZQXM_Hg?pwd=9527 Código de acceso: 9527
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Versión en inglés del artículo: https://blog.zeruns.top/archives/74.html
