Small Form Factor Flyback Converter

Abstract

Tämän insinöörityön tavoitteena oli suunnitella pienikokoinen tasavirtamuunnin teholähteeksi sarjalinkkimuuntajalaitteelle kiskokalustokäyttöön. Teholähde suunniteltiin käyttämään 24 V nimellistä syöttöjännitettä ja tuottamaan 1.2 W tehoa 5 V nimellisellä lähtöjännitteellä. Eristettyjä tasavirtamuuntajatyyppejä vertailtiin ja vertailun perusteella teholähteen topologiaksi valittiin Flyback-muunnin. Flyback-muuntimen periaatetta ja toimintaa tutkittiin ja simuloitiin. Prototyyppi teholähteelle suunniteltiin perustuen tutkittuun muuntajan toimintaan ja tehtyihin simulaatioihin. Prototyypille suoritettiin alustavia testejä. Teholähteen kuormantasaus (eng. load regulation) ja hyötysuhde (eng. efficiency) mitattiin eri käyttöjännitteillä. Lähtöjännitteen hurina (eng. ripple) mitattiin nimellisellä käyttöjännitteellä ja käyttäen sarjalinkkimuuntajaa vastaavaa kuormaa. Alustavan testauksen perusteella teholähde on kykenevä tuottamaan toivotun lähtötehon ja -jännitteen 12 – 36 V tulojännitteillä. Nimellisellä käyttöjännitteellä mitattu hurina pysyy hyväksyttävissä arvoissa. Lisää testejä on suoritettava teholähteelle liitettynä sarjalinkkimuuntajaan. Laitteen toiminta sille asetetulla toimintalämpötila-alueella on varmistettava, laitteen lähettämä elektromagneettinen häiriö on mitattava, ja sen alttius ulkoisille elektromagneettisille häiriöille on testattava.

The goal of this thesis work was to design a small form factor isolated DC/DC power supply to be used in a railway application. The power supply was designed to use 24 V nominal supply voltage and provide a rated 1.2 W output power to a serial link converter device at a nominal output voltage of 5 V. Isolated DC/DC converter topologies were compared and the Flyback topology was chosen based on this comparison. The operation of the Flyback topology was investigated and simulated. Based on the operation theory and simulations, as well as requirements set for the power supply, a prototype was designed. Preliminary testing was conducted on the prototype. The efficiency and load regulation of the power supply were measured at different supply voltages, and the output voltage ripple and switching waveforms were measured at the nominal supply voltage, using a load representative of the serial link converter. Based on the preliminary testing conducted on the prototype, the designed power supply module could supply the required output power at supply voltages ranging from 12 V to 26 V, with acceptable output voltage ripple. Additional testing is needed to validate the power supply’s EMI characteristics as well as operation in different ambient temperatures.

Keywords DC/DC, Flyback, Converter, Isolate