Alimentazione: alcuni suggerimenti (parte 35) – Ridurre gli effetti della capacità di accoppiamento del trasformatore

Avete mai progettato un convertitore flyback di piccola potenza con un rapporto di trasformazione elevato? Se sì, probabilmente avrete riscontrato problemi con la capacità di accoppiamento. In questo Power Tip saranno esaminate le tecniche per ridurre gli effetti della capacità che consentono il funzionamento a frequenze maggiori.

In figura 1 viene illustrato un circuito indicativo del problema. In questo trasformatore, abbiamo iniziato con un rapporto di trasformazione elevato (40:1) tra il secondario e il primario. Il trasformatore presenta una capacità distribuita tra l’avvolgimento secondario e massa. La tensione di switching elevata al secondario fa sì che la corrente fluisca nella capacità, che viene riflessa nuovamente verso il primario.

Fig. 1 – La capacità di accoppiamento è problematica in caso di elevati rapporti di trasformazione

La capacità effettiva mostrata nel primario consiste nella capacità distribuita del secondario moltiplicata per il valore del rapporto di trasformazione al quadrato. Ad esempio, una capacità distribuita di 20 pF viene moltiplicata per 1600. Risulta così una capacità di 32 nF sul primario, che sarà responsabile di una perdita significativa. Ad esempio, a 100 kHz e con una tensione in ingresso pari a 12 volt, la perdita attribuita alla capacità è pari a circa 1 Watt in questo tipo di alimentazione da 4 Watt. Questa capacità rallenta la tensione del drain allo spegnimento del FET, riducendo il duty ciclo effettivo. Può inoltre causare una falsa attivazione della protezione di sovracorrente all’accensione del MOSFET.

Fig. 2 – L’avvolgimento a “batteria” riduce la capacità effettiva

Il segreto per ridurre la corrente che scorre attraverso la capacità è di ridurre al minimo il rapporto di trasformazione del trasformatore e la tensione che scorre lungo tale trasformatore. Esistono diversi modi per ridurre al minimo la tensione. Generalmente, nei circuiti ad alta tensione, gli avvolgimenti sono avvolti in layer. Con due layer, quando l’inizio e la fine si trovano sullo stesso lato della bobina, tra la prima e l‘ultima spira è presente la tensione di avvolgimento totale. Una tecnica per ridurre il gradiente tra le trasformazioni è denominata avvolgimento a “batteria”. I cavi sono avvolti come mostrato in figura 2. Questo metodo consente di ridurre significativamente la capacità limitando le tensioni tra gli avvolgimenti adiacenti. L’avvolgimento nelle sezioni con una bobina divisa è un’estensione di questo metodo.

Fig. 3 – La divisione del secondario può dimezzare la capacità distribuita

Nel caso in cui la capacità continui a rappresentare un problema, è possibile utilizzare alcuni stratagemmi a livello di circuito. In figura 3 viene mostrato un esempio. In questo progetto i secondari sono stati divisi per fornire la metà della tensione dei secondari mostrati in figura 1 ma per ogni uscita ne sono stati collegati due in serie. La tensione CA media sull’avvolgimento di tensione inferiore rimane invariato, mentre la tensione CA media sull’avvolgimento superiore viene ridotta del 66%. Questo metodo consente di ridurre la capacità effettiva del trasformatore di circa la metà. Questo metodo può essere esteso ad altre sezioni, anche in caso di tensioni maggiori.

Ricapitolando, la capacità di accoppiamento può rappresentare un problema se vengono utilizzati rapporti di trasformazione elevati, in particolar modo nel caso di convertitori di piccola potenza in cui le perdite possono rappresentare una percentuale significativa della potenza di carico. Il segreto per la progettazione di un trasformatore a bassa capacità è di ridurre al minimo il rapporto di trasformazione e la tensione negli avvolgimenti adiacenti. Ciò può essere realizzato mediante avvolgimenti di sezione o a “batteria”. È inoltre possibile dividere gli avvolgimenti e aggiungere raddrizzatori e filtri per ridurre ulteriormente la capacità. La capacità effettiva verrà ridotta in base al numero di sezioni. Ad esempio, quattro sezioni riducono la capacità di un fattore pari a quattro.

Nel prossimo incontro discuteremo delle implicazioni sull’efficienza dei LED ad alta tensione nel settore dell’illuminazione.

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Robert Kollman, Texas Instruments

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