Fuente conmutada (switching)

[ricardodeni]

Hola , aca dejo una pagina interesante sobre una fuente switch

saludos,Ricardo.

http://www.qrp4u.de/docs/en/smps_new/

 

[wacalo]

Hola Amigo Juan Romero de Perú:

Hace tiempo que no lo veo por el foro. Queria hacerle una pregunta sobre que topologia de SMPS me conviene. Pero antes de continuar voy a tratar de responder las preguntas que puso en el foro:
1)Un Regulador Switching creo que es un controlador + el mosfet, en cambio un convertidor (que creo que es lo mismo que el controlador) necesita de un MOSFET para cumplir su función.
2)Forma de onda de una topologia quasi-resonant: Solo sé que en esta topologia el momento de la apertura del MOSFET es cuando la onda de corriente pasa por cero.
3)Un snubber “amortigua” los picos de sobretensión, en cambio un clamp los “recorta”.
4)Por ejemplo en un diseño mío (una SMPS flyback) tengo Lpri=511uH y una Llk=5.5uH (o sea Llk = 1% de Lpri) (si tengo una Llk mayor de 10uH los picos que debe soportar el MOSFET son muy grandes)
5)No conozco el Buck converter : Creo que se usa para DC/DC, sospecho que la eficiencia debe andar en el 70%
6)Xxx
7)En un SMPS controller el OVP (over voltaje protection) creo que es una segunda barrera de protección: si se llega a cortar el lazo de realimentación (optoacoplador roto) el OVP no permitirá que la tensión llegue a extremos peligrosos, latcheando el Controlador en forma permanente o hasta que desaparezca la falla .
8)No sé quien patentó el cuk converter
9)CMC: Current Mode Control – VMC: Voltaje Mode Control
10)El UC3842 usa un control Modo Corriente (CMC)

La pregunta que quería hacerle es la siguiente: Quiero diseñar una SMPS multipropósito de 220VAC a 5/12/24VCC, con una potencia entre 80 y 180Watts, quisiera saber que me conviene más : Una flyback común, o una Forward. Para la flyback tengo el inconveniente de que no es fácil conseguir los Ferrite Cores con el GAP adecuado y para hacerlo en casa es medio complicado; en cambio una Forward no usa gap, pero en cambio debo usar el
Inductor a la salida. En lo que respecta al “ruído”, utilización del núcleo, eficiencia, complejidad, etc. tengo muchas dudas y me gustaría que pudiera darme algunas ideas.
Gracias.

Walter C. L. – Salta - Argentina

 

[Nilfred]

Según el manual de 80W a 150W va flyback y de 100W a 180W forward.
Nada impide que hagas una flyback mayor, con la forward en cambio se te va la eficiencia a la mierda en el primer tramo.
Y con respecto al costo, la forward es mas barata para 180W, y en eficiencia a la forward podes sacarle 80% con doble switch, lo que se conocía antes como topología asimétrica.

 

[wacalo]

Hola Nilfred:
Mira, los datos ciertos que me das son una obviedad de la recontra (perdoname la franqueza) y yo busco que alguien me diga algo que no sé. En cuanto a que a la topologia forward “se le va la eficiencia a la mierda”, la verdad que no sé de donde sacas eso.
Lo que yo buscaba era un análisis más profundo de las diferencias entre las topologias flyback y forward.
Supongamos una potencia de 160W, algunos de los ítems (no todos) para comparar entre ambas topologias, que me gustaría me den una mano son los siguientes :
1 – Ambas pueden trabajar con entrada universal? (90 a 250 Voltios)
2 – Cuál núcleo es más caro (para una misma potencia y frecuencia)
3 – Utilización del núcleo (Bipolar or unipolar flux)
4 – MOSFETs para cada caso
5 – Capacitares de filtro a la salida para cada caso
5 – Nivel de ruído a la salida (facilidad de filtrado)
6 – Controladores PWM (flyback y forward)
7 – Capacidad para salidas múltiples
8 – Etc. Etc.

Un saludo.

Walter C.L. – Salta - Argentina

 

[hazard_1998]

hola wacalo, bueno, entre flyback y forward depende del costo que quieras manejar y obviamente tenes un limite de potencia en flyback, por un lado en flyback solo necesitas un transistor, y este esta referido a negativo, en una forward, si haces medio puente necesitas driver aislado para el transistor de arriba, si es forward de un solo transistor, tenes la misma regulacion que en flyback DCM, con el agregado de que necesitas un debanado auxiliar para resetear el nucleo, ya que el ciclo de magnetizacion es de 2 cuadrantes, en forward el tiempo de recuperacion del diodo de salida es mas critico que en flyback, ya que el mismo pasa de directa a inversa mientras circula corriente por el. en flyback DCM cuando el diodo de salida pasa a inversa la corriente es cero, por otro lado en flyback la proteccion de sobrecorriente es mas simple y teoricamente la salida esta protegida intrinsicamente ya que no puede entregar mas corriente que la que el transistor almaceno en el entrehierro, ademas en modo DCM el lazo de realimentacion es mas sensillo e inclusive al ser en modo corriente el control, la regulacion por linea y por carga se vuelve mas precisa.
el transformador en flyback se hace mas costoso, los debanados son con conductores mas gruesos, ya que la diferencia entre corriente media y corriente eficaz es muy alta, en flyback tenes mas ripple a la salida ya que el diodo tiene un tiempo de conduccion menor al 50% del ciclo, el resto del tiempo tiene que aguantar la corriente de salida el capacitor de salida, por eso las flyback DCM no se suelen usar para corrientes elevadas.
espero haberte aclarado las dudas.

 

[Nilfred]

Mira, los datos ciertos que me das son una obviedad de la recontra

Vos preguntaste obvidades y seguis preguntando obviedades, leete algo, para eso estan las fórmulas (perdoname la franqueza) Si te dice que el MOSFET es 2Vin, obviamente te va a salir mas caro que si te da 1.5Vin

En cuanto a que a la topologia forward “se le va la eficiencia a la mierda”, la verdad que no sé de donde sacas eso.

Momentito, que yo no dije exactamente eso, agregué "en el primer tramo", osea de 80W a 100W que era una de las condiciones de diseño.

Lo que yo buscaba era un análisis más profundo de las diferencias entre las topologias flyback y forward.
Supongamos una potencia de 160W, algunos de los ítems (no todos) para comparar entre ambas topologias, que me gustaría me den una mano

Seguro ya inventaste lá pólvora y ahora vas a inventar las conmutadas. Lamento informaciónrmarte que ya se inventó, ese análisis ya se hizo allá por el año 1989 si no me equivoco, de ese análisis salió una tabla, a esa tabla le entras con 160W y te sale Forward. Hasta el día de hoy no cambió mucho.
1 – Si
2 – Flyback, obvio, sale por fórmula y fué respondido por hazard_1998
3 – De fórmula
4 – De fórmula
5 – De fórmula
5 – Respondido por hazard_1998
6 – El controlador PWM bien puede ser el mismo en ambos casos.
7 – Si
8 – Depende.

 

[hazard_1998]

perdona que me meta nilfred, pero no esta bueno encasillarse, es desgastante y muy arbitrario tomar como axioma una simple tabla, el diseño de una fuente conmutada depende de la necesidad de diseño y de la facilidad de conseguir los componentes, hay que encontrar un punto intermedio entre el mejor producto producible y el costo, existen fuentes flyback de mas de 600w y forward medio puente de apenas 20w, de hecho los balastos electronicos de tubos fluorescentes son medio puente. por ej tambien, los PFC´s son topologia flyback (STEP UP) y existen de varios kw. aconsejo abrir la mente y no guiarse por tablas que lo unico que hacen es encasillar y simplificar algo que es infinitamente mas complejo y extenso como lo es el diseño de fuentes conmutadas.

en cuanto al rango de regulacion, si queres hacer una fuente multi salida de rango de entrada tan amplio no te aconsejo forward por los sig motivos:

las flybacks tienen mejor regulacion cruzada, (el lazo lo cerras desde la salida mas critca y de mayor potencia. ( ojo, depende de la reactancia de flujo disperso entre devanados, inclusive es mas importante el acoplamiento entre secundarios que entre sec y primario.)
el rango de tension de entrada no es compatible del todo con una doble forward ya que vas a tener que hacer un secundario de muchisima tension pico para que sigas teniendo regulacion en el rango de mas baja tension, eso te implica sobredimensionar el inductor y vas tener mucho tiempo de freeweeling en los diodos de salida.
una forward de un solo transistor no te lo aconsejo, tenes que usar 2 diodos a la salida por cada una de ellas, mas los ind de salida, ademas del debanado de reseteo con su diodo asociado, el cual debe ser de la misma corriente que el transistor del primario. y todo para tener el mismo funcionamiento que una flyback ( en realidad tendras algo menos de ripple que en flyback por tener el induct y el diodo de freeweeling) en cuanto a las tensiones de ruptura de los semiconductores, en una flyback la tension de ruptura del transistor debe ser mayor que la tension de alimentacion mas la tension de flyback, que no es otra cosa que la tension de salida de continua multiplicado por la relacion PRIM/SECUND. por lo cual te aconsejo que a la hora de calcular el transformador lo hagas teniendo en cuenta que la tension reflejada de flyback en el primario sea baja, te va a quedar con un tiempo de conduccion del transistor de entrada de corta duracion, y un tiempo de conduccion del diodo de bastante mas tiempo
otra cosa, aconsejo el uso de controles en modo corriente tipo uc384X que tengan limite de conduccion al 50% para asegurarte el funcionamiento en DCM y no pasarte a CCM ya que en modo de conduccion continua de corriente el diodo de salida se estresa mas, y el roll off del amplificadorfic de error es mas critico, inclusive tenes que hacer manganetas como compensaciones de pendiente de la corriente de entrada.
espero que esto sirva de ayuda, saludos desde argentina!.

 

[Nilfred]

Estamos de acuerdo en que no hay ninguna clase de límite en cuanto lo que se puede hacer, el tema es que es mas eficiente hacerlo de una forma que de otra, y esta eficiencia no es solo energética, sino tambien de costo.
Nadie te obliga a encasillarte en una tabla, si queres podes hacer el análisis caso por caso y terminas con el mismo resultado de la tabla. Con un poco de experiencia, metes el formulerío en una "tabla" de Excel, le das los valores de entrada y terminas con el mismo resultado. En fin, allá ustedes con sus ideas revolucionarias, si quieren hacerlo, metanlé, yo no me opongo.

Todo lo que vi en Active PFC es Step Up sin aislación galvánica, no Flyback.

Según mi tabla a partir de justamente 80W va CCM.
A simple vista me resulta una animalada DCM a partir de los 100W, será simple pero imposible conseguir los valores enormes que empiezan a dar los filtros de salida, por mencionar un componente que se beneficia con CCM.
Hay controladores que entran y salen automáticamente de CCM a DCM según el consumo, para esta aplicación puede servir.

Mi recomendación para 80-180W es: Flyback en CCM
En cambio para 100-180W recomiendo: Forward en CCM

 

[hazard_1998]

mira, justamente para el laburo estoy haciendo unas 50 fuentes de 220v /48 vcc 3A y es DCM, no es ninguna animalada te lo puedo asegurar, el transformador es una E42/21/15 con 1.5mm de gap, en cuanto a los pfc y step up SON flyback ya que lo que define la configuracion de una flyback no es la aislacion sino como se logra el traspaso de energia, forward = la corriente de rectificador de salida y de elemento de entrada estan en fase, flyback = esta corriente esta en oposicion, o conduce el rectificador o conduce el elemento de entrada. y esto pasa en un pfc

 

[wacalo]

Nilfred:
Parece que te enojaste, lo siento hombre pero si no conoces un tema, no estás obligado a contestar, y si contestas que sea para aportar algo, no para decir simplezas o verdades de Perogrullo.

Cito lo que dijiste:

Según el manual de 80W a 150W va flyback y de 100W a 180W forward.

¡Mira de lo que me vengo a enterar!

Nada impide que hagas una flyback mayor, con la forward en cambio se te va la eficiencia a mierda en el primer tramo.

No se de donde sacas que a una forward se le va la eficiencia a la mierda entre 80 y 100W. (Quizás quisiste decir que en la ecuación Costo-Beneficio, por debajo de los 80W gana la Flyback).

Y con respecto al costo, la forward es mas barata para 180W, y en eficiencia a la forward podes sacarle 80% con doble switch, lo que se conocía antes como topología asimétrica.

¡Otra vez no dices nada!

Todo lo que vi en Active PFC es Step Up sin aislación galvánica, no Flyback.

Ya te aclaró hazard_1998 que Step-Up es Flyback.

Una “última cosa” sigue practicando el sarcasmo, con el tiempo puede que llegues a manejarlo.

Walter C.L. – Salta - Argentina

 

[hazard_1998]

chicos no estamos aca para pelear, si para discutir un tema, en un brain storming se pueden gestar grandes cosas, pero en peleas no se gana nada, nadie tiene LA VERDAD, entre todos podemos encontrarla pero no nos quedemos con que la razon es propiedad de uno solo, es interesante discutir un tema pero no sirve imponer las cosas....

otra cosa, vi que la tablita que posteaste nilfred es del libro de marty brown, ojo con ese libro que tiene unas cuantas cosas que son verdades a medias y otras que le pifia! como por ej los metodos de calculo de transformadores forward y doble forward, donde toma como metodo de calculo la tension media de entrada y la frec, cuando en realidad lo mas acertado es usar la ley de faraday, donde interviene unicamente el area producto de tension y tiempo, (volt-segundo).

 

[hazard_1998]

aca agregando otro comentario sobre el libro de marty brown, en la tabla 3.1 de la seg edicion de ese libro dice que un convertidor buck (step down) es hasta 40V de entrada, mas no se puede?!,.... y rendimiento maximo 80%. es asi e indeclinable, osea que si yo hago una de 92% a potencia nominal y >95% a media potencia soy un sapo de otro pozo, soy un marciano que usa tecnologia extraterreste...
esas tablas solo sirven a modo orientativo nilfred, no quiere decir que si tenes que hacer una fuente de 180w la hagas SOLO de una manera porque marty brown la tiene re clara y la tablita manda!... no es asi... open your brain.!


ahh aca encuentro mas sanata... pushpull con tensiones de entrada de 50 a 1000V? y con que hago la mañobra? con valvulas de transmision? ( +2500Vp entre col y emisor......)
de menos de 50V no se recomienda?. si justamente la configuracion pushpull esta orientada para grandes corrientes de entrada y bajas tensiones, porque los transist de mañobra tienen que soportar 2 x Vin + spkikes.... por eso se usa en convertidores e inversores de 12, 24, 36 y 48Vcc de entrada

 

[Nilfred]

Tene en cuenta que eso es de 1989, no seas tan duro hermano, open your brain.!
Si le sacas 92%, estas usando 2 tecnologías: APFC y rectificación sincrónica, si no es así, hay un error de cálculo o estas tomando en cuenta solo la conversión DC-DC. Tambien puede ser que la tensión de salida sea alta, 95% a 48v es una cagada mientras que 95% a 3.3v es fantástico. Todo depende.
Como siempre: Toma lo bueno, deja lo malo.

 

[hazard_1998]

en un buck no uso pfc, si es con rectificacion sincronica, obviamente tomo solamente la conversion dc dc, si de eso se trata un buck, no es para nada una cagada sacar 95% de eficiencia de conversion a 48V de salida, ya que estas usando transistores de alta tension, donde tenes resistencias de cierre mas elevadas, ademas de que las perdidas de conmutacion aumentan con la tension de bus, otra cosa, la 2da version del switch mode power supply cookbook de marty brown es del 2002... sin palabras....

 

[hazard_1998]

otra cosa, los datos que te paso sobre rendimiento son mediciones realizadas sobre convertidores que realice de 60v de entrada a 30v de salida, 50A de salida nominal con un ripple de tension de salida inferior a 30mVrms.. menor al 0.1% de ripple

 

[wacalo]

No entiendo bien eso de que en una flyback cuando la diferencia entre corrientre media y eficaz es mas grande se necesitan conductores más gruesos.
Lo que yo entiendo del tema es que en un bobinado de un transformador de alta frecuencia el diámetro del Cu no debe ser mayor que DPEN (penetration depth) por el problema del skin effect (efecto piel).
Para una frecuencia de 100 kHz tenemos:
DPEN = 7.6/raiz de f = 0.024 cm --> DPEN = 0.24 mm (Es raiz cuadrada de f)
Teniendo en cuenta que el bobinado está hecho con vueltas unas junto a las otras en cada capa (layer), el espesor efectivo de la capa “layer Thickness” (LTef) es (de acuerdo a las investigaciones de Dowell) 0.85 veces el diámetro del hilo (Cu). (Eddy Current Losses in Transformer Windings and Circuit Wiring)
Ahora podemos calcular el Diámetro Máximo “Ømax” permisible en los conductores de los bobinados para que el Skin Effect no sea un problema:
Lo que se considera óptimo es una Fr = Rac/Rdc = 1.5 (una relación Rac/Rdc más pequeña requiere hilos más delgados y comienza a tomar importancia el espesor del aislamiento, el espacio entre los hilos de Cu y las pérdidas DC); para lograrlo se debe tener una
Q = LTef/DPEN ≤ 1.6 .
Resumiendo:
Lo ideal es una relación Rac/Rdc = 1
Rdc no se puede cambiar (salvo que usemos hilos de Ag o Au)
Rac si se puede cambiar: Disminuyendo el diámetro de los hilos de Cu.
El límite (óptimo) para Rac/Rdc es 1.5
El límite para LTef (espesor de capa) es 1.6Dpen (máximo)
En base a lo anterior calculamos de acuerdo a la frecuencia de trabajo el diámetro máximo de los hilos de Cu. (por esto es que a veces se usan flejes de Cu en vez de hilos)

Dime por favor si me equivoco.

Saludos cordiales,

Walter C. L. – Salta - Argentina

 

[hazard_1998]

wacalo, estas en lo cierto con respecto al skin effect, pero yo me referia a otra cosa.
supone lo sig, para una potencia dada, dependiendo de la tension de entrada tendras un tiempo de conduccion mayor o menor, variando proporcionalmente la corriente media, ahora bien, lo que calienta al cobre es la corriente eficaz, y esta no varia proporcionalmente con la variacion del tiempo de conduccion... suponiendo una corriente de forma rectangular si varias el ciclo de trabajo de por ej 0.5 a 0.25 % la corriente media baja de 1 a 0.5, mientras que la corriente eficaz va de 1 a 0.707, entonces en un transformador donde el rango de modulacion es tan amplio, tenes que calcular los alambres para la peor condicion.

otra cosa, yo uso flejes en casos en los que las corrientes son elevadas, pero ojo, los hilos de litz tienen varios beneficios a la hora de trabajar con transformadores de Lprim y Lsec importante, ya que te permite minimizar de manera mas sencilla y eficiente el problema de las capacidades distribuidas, ya que la capacidad que aparece entre espiras muy proximas entre si no estan aplicadas sobre el mismo conductor, sino que aparece sobre algun otro conductor del mazo trenzado, en la practica lo he comprobado resolviendo este problema en fuentes de laboratorio de alta tension de mi autoria. (0-500v / 0-150mA)

 

[hazard_1998]

wacalo, ahi estuve leyendo lo que te postie ayer y a lo que te referias recien, lo que te explicaba es que la corriente media de entrada circula durante un lapso muy corto, consecuencia la relacion entre corriente media y eficaz es alta, la potencia de entrada en un convertidor dc dc esta dada por la corriente media x tension media, y lo que calienta el cobre esta dado por la eficaz, en todo transformador, sea de conmutacion como de linea, la menor perdida en el cobre se produce cuando la Irms = a la Iav por eso que en un transformador flyback los devanados estan sobredimensionados con respecto a la Iav de salida.

 

[hazard_1998]

aca te paso un pdf interesante sobre topologias de fuentes conmutadas, ademas te recomiendo que entres a www.smps.us, tiene bastante literatura interesante, yo no te puedo subir mas pdf porque son muy pesados y me tira error la pagina

 

[Nilfred]

¡Muy buena la flyback con doble switch, esa no la tenía!
No hace falta subir ese pdf acá si está públicamente disponible: TOPOLOGIES FOR SWITCH MODE POWER SUPPLIERS Quizas puedas hacer lo mismo con los otros que comentas, de última contactá un moderador para subir archivos mas grandes, no hay problema.