Cuando el convertidor Flyback alcanza sus límites

Las fuentes de alimentación aisladas galvánicamente se utilizan en numerosas aplicaciones. Hay diferentes razones para esto. En algunos circuitos, el aislamiento galvánico es necesario debido a consideraciones de seguridad. En otros circuitos, el aislamiento funcional se usa para bloquear cualquier interferencia en las señales.

Una fuente de alimentación aislada galvánicamente suele diseñarse con un convertidor flyback. Estos reguladores tienen un diseño muy simple. La Figura 1 muestra un diseño típico para un regulador de este tipo con un controlador flyback ADP1071. Podemos ver que es un convertidor flyback porque los puntos no coinciden en el transformador. Se utiliza un interruptor de alimentación del lado primario (Q1). Además, se requiere un circuito rectificador del lado secundario. Esto se puede ejecutar con un diodo Schottky, pero para mayores eficiencias, se usa comúnmente un interruptor activo (Q2 en la Figura 1). El controlador ADP1071 correspondiente se encarga de controlar los interruptores y proporciona el aislamiento galvánico para la ruta de retroalimentación FB.

Aunque los convertidores flyback son muy populares, esta topología tiene limitaciones prácticas. El transformador T1 de la Figura 1 en realidad no se usa como un transformador clásico. Cuando Q1 está encendido, no fluye corriente a través del devanado secundario de T1. La energía de la corriente del lado primario se almacena casi por completo en el núcleo del transformador. De manera similar a cómo un convertidor reductor almacena energía en un estrangulador (inductor), un convertidor flyback hace esto en el transformador. Cuando Q1 está en estado apagado, se desarrolla un flujo de corriente en el lado secundario de T1. Esto alimenta el condensador de salida C_AFUERA y la salida con energía. Este concepto es muy fácil de implementar pero tiene limitaciones inherentes a mayor potencia. El transformador T1 se utiliza como elemento de almacenamiento de energía. Por esta razón, el transformador también puede denominarse inductor acoplado (choke). Esto requiere que el transformador pueda almacenar la energía requerida. Cuanto mayor sea la clase energética de la fuente de alimentación, más grande y más caro será el transformador. En la mayoría de las aplicaciones, el límite superior es de aproximadamente 60 W.

Si se requiere una fuente de alimentación con aislamiento galvánico para una mayor potencia, un convertidor directo es una opción adecuada. El concepto se muestra en la Figura 2. Aquí, el transformador realmente se usa como un transformador clásico. Mientras que la corriente fluye a través de Q1 en el lado primario, también se desarrolla un flujo de corriente en el lado secundario. Por lo tanto, el transformador no necesita proporcionar ninguna capacidad de almacenamiento de energía. De hecho, lo opuesto es verdad. Se debe asegurar que el transformador esté siempre descargado durante el tiempo de inactividad de Q1 para que no alcance la saturación inadvertida después de algunos ciclos.

Para la misma potencia, un convertidor directo necesita un transformador más pequeño que un convertidor flyback. Esto hace que el convertidor directo sea práctico y sensato para su uso incluso a niveles de potencia inferiores a 60 W. Una desventaja es que el núcleo del transformador debe liberarse de la energía almacenada no intencionadamente con cada ciclo, lo que se implementa mediante el cableado de abrazadera activa con interruptor Q4 y condensador. C_C en la Figura 2. Un convertidor directo también suele requerir un inductor L1 adicional en el lado de salida. Sin embargo, a través de esto, el voltaje de salida también puede tener una ondulación más baja que la de un convertidor flyback al mismo nivel de potencia.

Los circuitos integrados de administración de energía como el ADP1074 de Analog Devices ofrecen una solución muy compacta para diseñar un convertidor directo. Esta arquitectura suele utilizarse cuando se requieren niveles de potencia superiores a los 60 W aproximadamente. Por debajo de 60 W, un convertidor directo también podría ser una mejor opción que un convertidor flyback en función de la complejidad del circuito y las eficiencias alcanzables. Para simplificar la decisión sobre qué topología utilizar, se recomienda la simulación con el simulador de circuito libre LTspice. La Figura 3 muestra el esquema de simulación de un circuito convertidor directo ADP1074 en el entorno de simulación LTspice.