ee452 finalreport liou mindy martinez tomas · 2013-11-20 · flyback converter mindy liou tomas...

33
Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project

Upload: hadieu

Post on 19-Jun-2018

221 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

   

Flyback Converter

Mindy Liou Tomas Martinez

Autumn 2012 EE 452 AB

Final Design Project

Page 2: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   2    

Table  of  Contents    Introduction  .................................................................................................................................  3  

Design  Specifications    ...............................................................................................................  3  

Design  Process  ............................................................................................................................  4  

Bode  Plots  .....................................................................................................................................  5  

Power  Stage  ..........................................................................................................................................  5  

Power  Stage  and  Controller  ...........................................................................................................  5  

Preliminary  Design  Schematic    .............................................................................................  7  

Preliminary  Design  Results  ....................................................................................................  8  

Open  ..........................................................................................................................................................  8  

Closed  .......................................................................................................................................................  12  

Circuit  Design  Results  ...............................................................................................................  15  

Open  ..........................................................................................................................................................  15  

Closed  .......................................................................................................................................................  17  

Design  Problems,  Decisions,  and  Solutions  ......................................................................  25  

Cost  Analysis  ................................................................................................................................  27  

Appendix  .......................................................................................................................................  28  

Table  of  Figures  ..........................................................................................................................  32  

References  ....................................................................................................................................  33  

Page 3: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   3    

Introduction    This  quarter,  our  lab  group  will  be  building  a  flyback  converter,  which  is  an  isolated  buck-­‐boost  switching  power  supply  that  uses  a  transformer.  This  lab  report  will  go  through  the  process   of   building   the  device,   including  design   specifications   for   a   closed   loop   feedback  case,   our   preliminary   design   for   both   the   open   and   closed   design,   our   results   from  implementing   the   hardware,   as   well   as   follow   up   details.   The   end   portion   will   include  problems  we  ran  into,  how  we  troubleshooted  the  issues  and  came  up  with  solutions,  how  we  could  have  proceeded  to  build  a  better  flyback  converter,  as  well  as  a  cost  analysis.    Design  Specifications    

• Input  voltage  magnitude:  10  V  • Output  voltage  magnitude:  5  V  to  15  V  (adjustable  at  Vref)  • Power  rating:  (maximum  output  wattage)  10  W  • Efficiency:  70%  • Maximum  output  voltage  ripple:  +/-­‐  2.5%  of  Vout  

• +/-­‐  0.125  V  for  a  5  V  output  • +/-­‐  0.375  V  for  a  15  V  output  

• Dynamic  regulation:  +/-­‐  25%  of  Vout  • +/-­‐  1.25  V  for  a  5  V  output  • +/-­‐  3.75  V  for  a  15  V  output  

• Overshoot:  <10%  of  Vout  • <  0.5  V  for  a  5  V  output  • <  1.5  V  for  a  15  V  output  

• Start  up  transient  magnitude:  <  25%  of  Vout  • <  1.25  V  for  a  5  V  output  • <  3.75  V  for  a  15  V  output  

• Start  up  duration:  <  500  ms    We  altered  several  of  the  design  specifications  after  realizing  it  would  either  be  too  difficult  or   unrealistic   to   reach   specifications   after   simulating   the   circuit   as   well   as   trying   to  implement  the  hardware  design.  The  original  design  specifications  and  explanation  to  the  new  specifications  are  included  in  the  appendix.    

Page 4: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   4    

Design  Process    While  researching  the  way  a  flyback  converter  functions,  we  found  a  forum  with  this  basic  open   loop   flyback   converter   design   simulation   provided   by   an   employee   of   National  Instruments  EWB  Group.  This  gave  us  guidance  on  the  way  a  flyback  converter  functions,  and  afterward  we  were  able  to  assess  each  individual  component  to  create  the  power  stage  model  and  the  controller.    

 Figure  1:  Isolated  Flyback  Simulation  designed  by  an  employee  of  National  Instruments  

 After  exploring  the  simulation  provided  by  NI,  we  broke  down  the  components  to  include  the  power  stage  model  and  controller  in  Multisim,  though  the  simulation  results  were  not  what  we  ideally  wanted.  To  gather  the  values,  we  built  the  transfer  functions  for  a  Type  3  Controller   Flyback   Converter   in   MATLAB,   determining   the   component   values.   Using   the  generated   bode   plots,  we   selected   a   crossover   frequency   of   1.26   kHz   and   calculated   the  design   of   the   converter   through   controller   design   equations   based   on   the   SG3524  controller  IC.  The  transformer  we  are  using  also  has  an  internal  inductance  of  85  µH,  and  that  was  factored  into  the  final  component  values.    

Page 5: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   5    

Matlab  Generated  Bode  Plot  of  Power  Stage    

 Figure  2:  Power  Stage  Bode  Plot  

 Matlab  Generated  Bode  Plot  of  Power  Stage  and  Controller    

 Figure  3:  Power  Stage  and  Controller  Bode  Plot  

Page 6: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   6    

 Design  components  to  be  used  based  on  MATLAB  code:    Flyback  Transformer  =  Coilcraft  Q4343BL,  Lm  =  85  µH    R1  =  361.55kΩ  R2  =  1.144kΩ  R3  =  973Ω  C1  =  2.53µF  C2  =  76.97nF  C3  =  7.98nF  Rb  =  10kΩ    Vref(5V)  =  0.1346  V  Vref(15V)  =  0.405    After  designing  the  hardware  circuit  and  testing  the  controller,  we  changed  the  components  and  used:    R1  =  20kΩ  R2  =  340Ω  R3  =  976Ω  C1  =  2.3  µF  C2  =  51nF  C3  =  1.9nF  Rb  =  10kΩ    Vref(5V)  =  1  V  Vref(15V)  =  3  V    (Component  calculations  included  in  the  appendix)

Page 7: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   7    

Preliminary  Design  Schematic    

 Figure  4:  Open  flyback  converter  average  model  design  

 

 Figure  5:  Closed  flyback  converter  design  

 While  designing  the  circuit,  some  of  the  decisions  we  had  to  make  were:  the  type  of  controller,  the  frequency,  and  which  transformer,  MOSFET,  and  driver  we  wanted  to  use.  We  chose  a  Type-­‐3  K  Factor  controller  based  on  the  MATLAB  script  that  determined  a  crossover  frequency  of  1.26  kHz  and  a  gain  of  29.3.  We  chose  the  Coilcraft  Q-­‐4343-­‐BL  transformer  since  it  could  handle  up  to  36  W,  thus  preventing  more  potential  issues.  We  also  selected  the  MTP3055  MOSFET  and  SG3524  Driver  due  to  familiarity  from  previous  lab  projects.  The  final  wiring  of  the  project  in  Multisim  as  well  as  the  circuit  built  on  the  proto-­‐board  are  included  in  the  appendix.

Page 8: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   8    

Design  Specification  Results:  Open  Circuit    The  main  concern  while  designing  the  open  circuit  simulation  was  ensuring  that  the  output  voltage  ripple  remained  as  little  as  possible.  This  would  be  the  foundation  for  the  final  output  voltage  ripple.    Maximum  output  voltage  ripple:  +/-­‐  2.5%  of  Vout    This  is  a  graph  of  the  5  V  output,  showing  the  output  voltage  ripple  for  the  simulated  design.    The  output  voltage  ripple  simulated  achieved  approximately  +/-­‐0.0295  V.    The  output  voltage  ripple  is  well  within  the  specifications  of  +/-­‐  0.125  V.    

 Figure  6:  Voltage  Ripple  of  4.9276V  to  4.9705V  

 

Page 9: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   9    

This  is  a  graph  of  the  15  V  output,  showing  the  output  voltage  ripple  for  the  simulated  design.    The  output  voltage  ripple  simulated  achieved  approximately  +/-­‐0.0705  V.    The  output  voltage  ripple  is  well  within  the  specifications  of  +/-­‐  0.375  V.      

 

 Figure  7:  Voltage  Ripple  of  14.9295V  to  14.9497V  

 Dynamic  Regulation:  +/-­‐  25%  of  Vout    

This  is  a  graph  of  the  dynamic  regulation  from  15  V  to  5  V  for  the  simulated  design.  As  shown  from  this  graph  there  is  undershoot  of  approximately  2.5284  V  from  the  steady  state  value.      This  was  not  within  the  specification  of  1.25  V.    

 Figure  8:  Dynamic  Regulation  for  maximum  to  minimum  output  voltage  

2.4389V  to  4.9673V  steady  state    

Page 10: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   10    

 This  is  a  graph  of  the  dynamic  regulation  from  5  V  to  15  V  for  the  simulated  design.  As  shown  from  this  graph  there  is  overshoot  of  approximately  9.3556  V  from  the  steady  state  value.    This  was  not  within  the  specification  of  3.75  V.    

 Figure  9:  Dynamic  Regulation  for  minimum  to  maximum  output  voltage  

24.3036V  to  14.9480V  steady  state    Dynamic  Regulation:    Although  we  did  not  achieve  the  dynamic  regulation  specifications  in  the  simulation  the  actual  values  for  dynamic  regulation  were  much  smaller.    The  simulation  was  used  as  a  base  for  circuit  implementation  and  therefore  reducing  the  dynamic  regulation  in  the  simulation  was  bypassed.  If  necessary  a  slow  start  circuit  could  be  implemented  to  reduce  the  dynamic  regulation  in  the  actual  final  circuit.    

Page 11: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   11    

Transient  Magnitude:  <  25%  of  Vout    This  is  a  graph  of  the  start  up  duration  and  transient  magnitude  for  the  simulated  15  V  output.    The  start  up  duration  is  approximately  482.6797  ms  which  is  just  within  the  specification  of  500  ms.    The  transient  magnitude  is  approximately  2.8832  V  which  is  within  the  specification  of  3.75  V.        

 Figure  10:  Transient  magnitude  and  start  up  duration  for  maximum  output  voltage  

17.9664V  to  15.0832V  steady  state    This  is  a  graph  of  the  start  up  duration  and  transient  magnitude  for  the  simulated  15  V  output.    The  start  up  duration  is  approximately  955.7662  ms  which  is  not  within  the  specification  of  500  ms.    Again  this  specification  was  bypassed  and  would  be  checked  in  the  actual  final  circuit.    The  transient  magnitude  is  approximately  0  V  which  is  within  the  specification  of  1.25  V.        

 Figure  11:  Transient  magnitude  and  start  up  duration  for  minimum  output  voltage  

Smooth  0  to  4.9607V  steady  state  

Page 12: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   12    

Design  Specifications  Results:  Closed  Circuit    Efficiency:    70%    This  is  a  graph  of  efficiency  for  the  simulated  closed  loop  15  V  output.    The  efficiency  is  approximately  73.2%  which  is  within  the  specification  of  70%.  This  was  actually  one  of  the  more  difficult  specifications  to  achieve  in  simulation  and  proved  to  be  the  most  difficult  as  well  in  the  actual  circuit.    

 Figure  12:  Efficiency  

Actual:  73.2%    

Page 13: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   13    

Maximum  output  voltage  ripple:  +/-­‐  2.5%  of  Vout    This  is  a  graph  of  the  5  V  output,  showing  the  output  voltage  ripple  for  the  simulated  closed  loop  design.    The  output  voltage  ripple  simulated  achieved  approximately  0  V.    The  output  voltage  ripple  is  well  within  the  specifications  of  +/-­‐  0.125  V.    

 Figure  13:  Voltage  Ripple  of  5  V  to  5  V  ripple  (no  ripple)  

 This  is  a  graph  of  the  15  V  output,  showing  the  output  voltage  ripple  for  the  simulated  closed  loop  design.    The  output  voltage  ripple  simulated  achieved  approximately  0  V.    The  output  voltage  ripple  is  well  within  the  specifications  of  +/-­‐  0.375  V.    

 Figure  14:  Voltage  ripple  of  14.8600  V  to  14.8600  V  ripple  (no  ripple)  

Page 14: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   14    

Dynamic  Regulation:  +/-­‐  25%  of  Vout    Under  the  recommendation  of  Professor  Christie,  these  simulations  were  under  automatically  determined  initial  conditions  by  Multisim,  instead  of  having  the  initial  conditions  set  to  zero.    This  is  a  graph  of  the  dynamic  regulation  from  15  V  to  5  V  for  the  simulated  closed  loop  design.  As  shown  from  this  graph  there  is  no  undershoot  from  the  steady  state  value.          

 Figure  15:  Dynamic  regulation  for  minimum  to  maximum  output  

Dynamic  regulation  from  5.0000  V  to  15.0438  V  (meets  our  specifications  of  18.75  V)    This  is  a  graph  of  the  dynamic  regulation  from  5  V  to  15  V  for  the  simulated  closed  loop  design.  As  shown  from  this  graph  there  is  no  overshoot  from  the  steady  state  value.      

 Figure  16:  Dynamic  regulation  for  maximum  to  minimum  output  

Dynamic  regulation  from  15.0457  V  to  5.0003  V  (meets  our  specifications  of  3.75  V)  

Page 15: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   15    

Circuit  Design  Implementation:  Open  Circuit    This  is  a  graph  of  the  5  V  output,  showing  the  output  voltage  ripple  for  the  actual  circuit.    The  output  voltage  ripple  achieved  approximately  +/-­‐0.072  V.    The  output  voltage  ripple  is  within  the  specifications  of  +/-­‐  0.125  V.    

 Figure  17:  5  V  output  

(Purple  =  Vout,  Teal  =  VG)  0.144V  Ripple  for  Vout  =  5  V  (CH3  window:  200  mV)    This  waveform  shows  the  voltage  drop  across  the  drain  of  the  MOSFET.    As  displayed  by  the  cursors  below  there  is  a  spike  of  3.2  V  that  occurs  at  the  beginning  of  each  pulse.    This  was  not  a  significant  problem  for  the  5  V  case.      

 Figure  18:  Voltage  drop  across  the  MOSFET  drain  for  5  V  output  

(Purple  =  Vout,  Teal  =  VD)  VDrain  =  20.8  V  with  a  3.2  V  initial  spike  for  Vout  =  5  V  

Page 16: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   16    

 This  is  a  graph  of  the  15  V  output,  showing  the  output  voltage  ripple  for  the  actual  circuit.    The  output  voltage  ripple  achieved  approximately  +/-­‐0.36  V.    The  output  voltage  ripple  is  just  within  the  specifications  of  +/-­‐  0.375  V.  

 

 Figure  19:  15  V  output  

(Purple  =  Vout)  0.720V  ripple  for  Vout  =  15  V  (CH3  window:  200  mV)    This  waveform  shows  the  voltage  drop  across  the  drain  of  the  MOSFET.    As  displayed  by  the  cursors  below  there  is  a  spike  of  16.8  V  that  occurs  at  the  beginning  of  each  pulse.    This  became  more  of  a  significant  problem  for  the  15  V  case  than  the  5  V  case.    This  spike  is  most  likely  the  major  cause  for  the  larger  output  voltage  ripple  in  the  15  V  case.  

 

 Figure  20:  Voltage  drop  across  the  MOSFET  drain  for  15  V  output    (Teal  =  VD)  VDrain  =  44.4  V  with  a  16.8  V  initial  spike  for  Vout  =  15  V  

Page 17: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   17    

Circuit  Design  Implementation:  Closed  Circuit    This  is  a  graph  of  the  closed  loop  5  V  output,  showing  the  output  voltage  ripple  for  the  actual  circuit.    

 Figure  21:  Vout  =  5.11  V  

 This  is  a  graph  of  the  closed  loop  5.11  V  output,  showing  the  output  voltage  ripple  for  the  actual  circuit.    The  output  voltage  ripple  achieved  approximately  +/-­‐0.14  V.    The  output  voltage  ripple  is  just  shy  of  the  specifications  +/-­‐  0.125  V.    

 Figure  22:  Voltage  Ripple  for  minimum  output  voltage  

Did  not  achieve  specifications    

Page 18: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   18    

This  is  a  graph  of  the  transient  magnitude  for  the  closed  loop  5  V  output.    The  transient  magnitude  is  approximately  3.8  V  which  is  not  within  the  specification  of  1.25  V.      

 

 Figure  23:  Start  up  transient  magnitude  for  minimum  output  voltage  

Did  not  achieve  specifications    This  is  a  graph  of  the  start  up  duration  for  the  closed  loop  5  V  output.    The  start  up  duration  is  approximately  45  ms  which  is  well  within  the  specification  of  500  ms.    

 Figure  24:  Start  up  duration  for  minimum  output  voltage  

Achieved  specifications  

Page 19: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   19    

This  is  a  graph  of  the  closed  loop  overshoot  caused  by  increasing  the  input  voltage  from  10  V  to  11  V  for  a  5  V  output.  As  shown  from  this  graph  there  is  overshoot  of  approximately  0.216  V  from  the  steady  state  value.    This  is  within  the  specification  of  0.5  V.  

 

 Figure  25:  Overshoot  for  minimum  output  voltage  

Achieved  specifications    This  is  a  graph  of  the  closed  loop  dynamic  regulation  from  15  V  to  5  V  for  the  simulated  design.  As  shown  from  this  graph  there  is  undershoot  of  approximately  0.6  V  from  the  steady  state  value.    This  is  well  within  the  specification  of  1.25  V.    

 Figure  26:  Dynamic  regulation  for15  V  to  5  V  output  

Achieved  specifications      

Page 20: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   20    

This  is  a  graph  of  the  closed  loop  15  V  output,  showing  the  output  voltage  ripple  for  the  actual  circuit.  

 

 Figure  27:  Vout  =  14.8  V  

 This  is  a  graph  of  the  closed  loop  14.8  V  output,  showing  the  output  voltage  ripple  for  the  actual  circuit.    The  output  voltage  ripple  achieved  approximately  +/-­‐0.59  V.    The  output  voltage  ripple  is  not  within  the  specifications  of  +/-­‐  0.375  V.    

 Figure  28:  Voltage  Ripple  for  maximum  output  voltage    

Did  not  achieve  specifications        

Page 21: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   21    

This  is  a  graph  of  the  transient  magnitude  for  the  closed  loop  15  V  output.    As  shown  below  there  is  no  overshoot  from  the  steady  state  value  which  is  within  the  specification  of  3.75  V.      

 

 Figure  29:  Start  up  transient  magnitude  for  maximum  output  voltage  

Achieved  specifications    This  is  a  graph  of  the  start  up  duration  for  the  closed  loop  15  V  output.    The  start  up  duration  is  approximately  42  ms  which  is  well  within  the  specification  of  500  ms.    

 Figure  30:  Start  up  duration  for  maximum  output  voltage  

Achieved  specifications    

Page 22: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   22    

This  is  a  graph  of  the  closed  loop  overshoot  caused  by  increasing  the  input  voltage  from  10  V  to  11  V  for  a  15  V  output.  As  shown  from  this  graph  there  is  overshoot  of  approximately  2.16  V  from  the  steady  state  value.    This  is  not  within  the  specification  of  1.5  V.  

 

 Figure  31:  Overshoot  for  maximum  output  voltage  

Did  not  achieve  specifications    This  is  a  graph  of  the  dynamic  regulation  from  5  V  to  15  V  for  the  simulated  design.  As  shown  from  this  graph  there  is  no  overshoot  from  the  steady  state  value.    This  is  within  the  specification  of  3.75  V.    

 Figure  32:  Dynamic  regulation  from  5  V  to  15  V  output  

Achieved  specifications    

 

Page 23: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   23    

!""#$#%&$!!! =!!"#!!!

=!.!!! !

!"  !9.998! 0.2371! ×  100  % = !!.!%  

 

!""#$#%&$!!"! =!!"#!!"

=!".!! !

!"  !10.021! 2.0723! ×  100  % = !!.!%  

 

!"#$%  !"#$%!!! =5! !

20  Ω = 1.25  !    

!"#$%  !"#$%!!"! =15! !

20  Ω = 11.25  !    

Page 24: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   24    

 

Specification   5  V  expected  

5  V  actual  

15  V  expected  

15  V  actual  

Output  voltage  ripple   +/-­‐  0.125  V   +/-­‐  0.14  V   +/-­‐  0.375  V   +/-­‐  0.59  V  

Dynamic  regulation   +/-­‐  1.25  V   0.6  V   +/-­‐  3.75  V   0  V  

Overshoot   <  0.5  V   0.216  V   <  1.5  V   2.16  V  

Start  up  transient  magnitude   <  1.25  V   3.8  V   <  3.75  V   0  V  

Start  up  duration   <  500  ms   45  ms   <  500  ms   42  ms  

Efficiency   >  70  %   55.1%   >  70%   52.7%  

Power  rating   10  W   1.25  W   10  W   11.25  W  

Table  1:  Specifications  and  results      How  to  achieve  better  efficiency?  We  could  have  improved  the  efficiency  with  several  additional  steps.  We  first  could  have  checked  the  transformer  to  make  sure  it  did  not  saturate  since  it  was  operating  at  a  lower  frequency  (50  kHz  instead  of  our  original  100  kHz).  Not  only  that,  but  the  zener  diode  that  was  included  at  the  MOSFET  gate  should  have  been  in  parallel  with  the  resistance  as  opposed  to  in  series.  The  way  the  diode  was  set  up  enabled  the  current  to  go  into  the  MOSFET,  but  prevented  the  current  from  leaving.  A  third  option  was  to  forgo  the  breadboard  and  build  a  smaller,  soldered,  circuit.    How  to  decrease  startup  transient  magnitude  and  overshoot?  The  best  process  to  lower  the  overshoot  was  to  include  a  slow  start  circuit.  Based  on  Lab  3,  “When  the  converter  is  first  energized,  the  startup  transient  can  cause  output  voltage  far  in  excess  of  the  voltage  specification…therefore,  it  is  useful  to  bring  the  converter  up  to  operating  voltage  relatively  slowly,  minimizing  any  overshoot  during  startup…minimize[ing]  the  error  between  a  reference  voltage  and  output  voltage.”  (Christie)    How  to  improve  power  rating?  Based  on  our  specifications,  we  were  not  able  to  reach  a  power  rating  of  10  W.  We  realized  that  since  the  output  voltage  was  adjustable,  it  was  necessary  to  be  able  to  adjust  the  required  power  rating  or  adjust  the  load  resistance.  We  ultimately  decided  not  to  change  the  load  resistance  in  order  to  maintain  consistent  and  comparable  results.

Page 25: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   25    

Design  Problems,  Decisions,  and  Solutions    

We  ran  into  several  problems  throughout  the  entire  process,  from  simulation,  to  open  loop  hardware  implementation,  to  closed  loop  hardware  implementation.  Some  of  the  issues  include  the  inductance  of  the  transformer,  the  floor  limiter,  the  inverted  error  amplifier  inputs,  difficulty  with  lab  benches,  and  overheated  MOSFETs  and  BJTs.  

One  of  the  issues  that  came  up  with  the  software  while  simulating  the  circuit  was  trying  to  meet  the  dynamic  regulation  specifications  of  +/-­‐  25%  of  the  output  voltage.  We  discovered  that  Multisim  had  a  tendency  to  crash  during  simulation  at  odd  points  especially  while  the  output  was  in  the  process  of  reaching  steady  state.  One  of  the  solutions  that  helped  to  observe  dynamic  regulation  was  to  change  the  initial  conditions  to  be  automatically  set  by  Multisim,  as  opposed  to  having  it  initially  set  to  zero.  Once  the  simulations  simulated  properly  and  we  ordered  the  transformer,  we  realized  that  the  original  design  of  having  an  inductance  of  216  µH  would  not  be  possible  because  the  Coilcraft  transformer  had  an  internal  inductance  of  85  µH  and  we  would  not  be  able  to  increase  that  since  it  was  an  internal  component.  This  wasn’t  as  large  of  a  problem  as  we  anticipated  since  we  were  able  to  go  back  to  the  simulated  design  and  recalculate  some  of  the  components  from  the  base  circuit  that  was  already  designed.  

When  we  were  implementing  the  circuit  design,  each  stage  of  the  design  process  had  issues  that  had  to  be  addressed.  First,  while  testing  the  transformer  with  the  function  generator,  the  turns  ratio  wasn’t  exactly  1:0.8  like  the  circuit  design  was  based  on.  In  addition,  it  was  difficult  to  get  an  accurate  understanding  of  the  piece  using  the  function  generator  due  to  internal  resistance  of  the  generator,  however  we  recognized  that  the  turns  ratio  did  not  have  to  be  exact  while  implementing  the  actual  circuit  because  the  rest  of  the  circuit  design  left  room  to  be  flexible  turns  ratio.  Not  only  that,  but  once  the  open  loop  circuit  was  set  up,  we  realized  that  components  and  physical  pieces  would  not  always  function  as  if  it  were  ideal  conditions.  One  of  the  best  processes  we  discovered  was  to  go  through  the  circuit  through  the  individual  stages  to  consider  the  expected  results,  then  test  and  observe  the  circuit  to  see  if  the  actual  results  met  what  we  were  expecting,  and  if  not  we  could  analyze  where  the  issues  stemmed  from.  

Once  the  open  circuit  was  built,  we  tested  the  output  voltage  ripple  to  determine  if  it  was  within  the  specifications.  We  realized  that  the  best  achievable  voltage  ripple  was  around  3.3%,  as  opposed  to  the  goal  of  2.5%.  Since  the  controller  would  not  regulate  the  output  voltage,  we  chose  to  proceed  with  3.3%.  Some  of  the  alterations  we  made  to  the  circuit  included  adding  snubbers  across  the  MOSFET  and  diode,  changing  the  MUR420  power  diode  to  a  Schottkey  diode,  increasing  various  capacitances  across  the  input  and  output  voltage  to  reduce  spiking,  and  changing  the  frequency  from  100  kHz  to  50  kHz.  We  

Page 26: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   26    

noticed  that  this  gave  us  a  larger  range  of  output  voltage,  however  this  also  meant  there  was  the  potential  risk  of  running  into  the  problem  of  saturating  the  transformer.  

Some  of  the  biggest  issues  were  built  around  the  controller;  due  to  the  way  that  the  SG3524  PWM  was  designed,  we  had  to  include  a  floor  limiter  in  the  Type  3  feedback  controller  to  ensure  that  the  PWM  did  not  exceed  its  ramp  voltage  of  0.8  V  to  3.5  V  while  also  inverting  the  error  amplifier  inputs.  We  finally  set  the  floor  limiter  to  1  V,  and  this  was  enough  to  properly  regulate  the  output  voltages.  

The  final  step  that  we  anticipated  was  isolating  the  circuit.  Throughout  the  entire  testing  process,  we  used  two  power  supplies:  one  to  power  the  PWM  Controller,  and  another  to  supply  voltage  to  the  transformer.  Changing  to  one  source  proved  to  have  no  problems  for  the  circuit.    The  next  step  for  the  circuit  would  be  to  add  an  optocoupler  to  completely  isolate  the  output  from  the  input  to  create  an  isolated  flyback  converter.  Another  design  decision  that  we  had  to  make  was  to  capture  dynamic  regulation.  We  were  controlling  the  output  voltage  through  a  potentiometer  that  fed  into  Pin  1  that  was  powered  through  Pin  16  of  the  PWM  Controller  that  supplied  5  V.  To  get  an  output  voltage  of  5  V,  we  set  the  potentiometer  to  feed  1  V  into  Pin  1,  and  to  get  an  output  voltage  of  15  V,  we  set  the  potentiometer  to  feed  3  V  into  Pin  1.  However  that  required  adjusting  the  potentiometer,  which  would  not  be  effective  to  measure  dynamic  regulation,  so  we  decided  to  use  a  switch  and  have  two  potentiometers  regulating  Vref.    

Outside  of  the  circuit  design,  one  of  our  problems  was  difficulty  with  lab  benches  that  provided  inconsistent  results.  Several  of  the  stations  did  not  have  power  supplies  that  would  be  useful  enough  for  testing  the  circuit,  mostly  due  to  limited  output  current.  However  once  we  found  a  station  that  was  in  line  with  what  we  wanted  for  the  circuit,  we  ran  into  problems  of  overheating  many  MOSFETs  and  BJTs.  This  was  mostly  caused  by  not  realizing  the  components  were  overloading  and  putting  more  current  into  the  circuit  than  the  circuit  could  handle.  One  of  the  ways  we  could  have  prevented  this  from  happening  was  actually  putting  a  maximum  amount  of  current  that  could  go  through  the  circuit  while  we  were  testing  it  instead  of  setting  the  maximum  current  to  be  the  maximum  amount  that  the  power  supply  could  provide.  

 

Page 27: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   27    

Cost  Analysis        Controller   Part  Number   Cost  per  

unit  QTY   Total  

Cost  C1  (uF)   CE4.7-­‐50              Capacitor,  electrolytic  4.7uF  50V    $0.30     2    $0.60    C2  (nF)   CC-­‐.001U            Capacitor,  ceramic  disc  0.001uF    $0.20     1    $0.20         CC-­‐.05U              Capacitor,  ceramic  disc  0.050uF    $0.20     1    $0.20    C3  (nF)   CC-­‐.0018U          Capacitor,  ceramic  disc  0.0018uF    $0.20     1    $0.20    R1  (kohm)   R1-­‐20.0k        Resistor,  1%,  ¼W,  20.0k    $0.10     2    $0.20    R2  (kohm)   R1-­‐340            Resistor,  1%,  ¼W,  340ohm    $0.10     1    $0.10    R3  (ohm)   R1-­‐976            Resistor,  1%,  ¼W,  976ohm    $0.10     1    $0.10    Rb  (kohm)   R1-­‐10.0k        Resistor,  1%,  ¼W,  10.0k    $0.10     1    $0.10    NPN  Transistor   2N3904                  Transistor,  NPN,  GP  Amplifier    $0.20     1    $0.20    Potentiometer   T34-­‐10k                Trimmer,  ¾  turn,  10kohm    $1.00     1    $1.00                        Open  Circuit   Part  Number   Cost  per  

unit  QTY   Total  

Cost  Resistors   R4-­‐10            Resistor,  5%,  5W,  10ohm    $0.50     2    $1.00         R1-­‐2.00k        Resistor,  1%,  ¼W,  2.00k    $0.10     2    $0.20         R1-­‐25.5k        Resistor,  1%,  ¼W,  25.5k    $0.10     1    $0.10         R5-­‐2.0k        Resistor,  5%,  ¼W,  2.0k      $0.10     2    $0.20         R5-­‐300          Resistor,  5%,  ¼W,  300ohm    $0.10     2    $0.20         R6-­‐1.0k        Resistor,  5%,  ½W,  1.0k      $0.10     1    $0.10         R5-­‐100          Resistor,  5%,  ¼W,  100ohm    $0.10     1    $0.10    Capacitors   CC-­‐.01U              Capacitor,  ceramic  disc  0.01uF    $0.20     1    $0.20         CC-­‐.1U                Capacitor,  ceramic  disc  0.1uF    $0.20     6    $1.20         CC-­‐.001U            Capacitor,  ceramic  disc  0.001uF    $0.20     1    $0.20         CE470-­‐50              Capacitor,  electrolytic  470uF  50V    $0.30     2    $0.60    Schottky  Diode   1N5819                  Diode,  Schottky  Rectifier    $0.30     1    $0.30    Diode   1N4732                  Zener  Diode,  4.7v    $0.30     2    $0.60    Transformer   Coilcraft  Flyback  Regulator  Transformer  Q4343-­‐

BL    $4.71     1    $4.71    

Potentiometer   T34-­‐10k                Trimmer,  ¾  turn,  10kohm    $1.00     2    $2.00    Switch   SWDIP2                DIP  switch,  2  position  rocker    $1.00     1    $1.00    MOSFET   MTP3055                MOSFET,  N-­‐Channel,  Power    $1.00     1    $1.00    PWM  Controller  

SG3524            Regulating  Pulse  Width  Modulator    $1.60     1    $1.60    

    Heat  Sync    $0.40     1    $0.40                               Total    $18.61    

Table  2:  Cost  Analysis  

Page 28: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   28    

Appendix    Original  intended  specifications  (underlined  specifications  altered):    

• Input  voltage  magnitude:  10  V  • Output  voltage  magnitude:  5  V  to  20  V  (adjustable  at  controller)  • Power  rating:  (maximum  wattage)  1  W  • Efficiency:  70%  • Maximum  output  voltage  ripple:  +/-­‐  2.5%  of  Vout  

• +/-­‐  0.125  V  for  a  5  V  output  • +/-­‐  0.375  V  for  a  15  V  output  

• Dynamic  regulation:  +/-­‐  25%  of  Vout  • +/-­‐  1.25  V  for  a  5  V  output  • +/-­‐  3.75  V  for  a  15  V  output  

• Overshoot:  <10%  of  Vout  • <  0.5  V  for  a  5  V  output  • <  1.5  V  for  a  15  V  output  

• Start  up  transient  magnitude:  <  25%  of  Vout  • <  1.25  V  for  a  5  V  output  • <  3.75  V  for  a  15  V  output  

• Start  up  duration:  <  500  µs    Since  the  transformer  had  an  internal  inductance  of  85  µH,  we  had  to  change  the  power  rating  in  order  to  best  accommodate  that  component  as  well  as  the  additional  capacitance.  We  also  changed  the  start  up  duration  from  500  µs  to  500  ms  because  after  simulating  the  circuit,  we  realized  that  it  was  not  realistic  to  get  the  circuit  to  reach  steady  state  that  quickly.  The  simulation  reached  steady  state  at  approximately  200ms  when  Multisim  was  not  set  to  automatically  determine  the  initial  conditions.  One  problem  we  ran  into  was  that  the  simulation  would  not  even  properly  function  when  it  was  set  to  zero.      Power  Stage  MATLAB  Script    Vin = 10; D = 0.652; L = 85e-6; Le = L/(1-D)^2; R = 20; r = 10e-3; C = 47e-6; Vr = 3.5 - 0.8; Gpwm = 1/Vr; s = tf('s');

Page 29: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   29    

a = (Vin/(1-D)^2); b = (1-(s * D * (Le/R))); n = (1+(s * r * C)); d = (Le * C) * (s^2 + (s * ((1/(R*C))+(r/Le))) + (1/(Le * C))); Gps = a * b * (n/d); G = Gps * Gpwm; bode(G); grid on;

 Power  Stage  +  Controller  MATLAB  Script    Vin = 10; Vo = 15; D = 0.652; L = 85e-6; Le = L/(1-D)^2; R = 20; r = 10e-3; C = 47e-6; Vr = 3.5 - 0.8; Gpwm = 1/Vr; fcr = 1.26e3; %input Gps_fcr_gain = 29.3; %input Gps_fcr_angle = (185-360); %input boost = 60 - Gps_fcr_angle - 90; K = tand(boost/4 + 45); fz = fcr/K; fp = fcr*K; wz = 2*pi*fz; wp = 2*pi*fp; Gps_fcr = 10^(Gps_fcr_gain/20); kfb = 1; Gc_fcr = 1/(kfb*Gpwm*Gps_fcr); kc = Gc_fcr*wz/K; s = tf('s'); a = (Vin/(1-D)^2); b = (1-(s * D * (Le/R))); n = (1+(s * r * C)); d = (Le * C) * (s^2 + (s * ((1/(R*C))+(r/Le))) + (1/(Le * C))); e = kc/s; f = (1+s/wz)^2/(1+s/wp)^2; Gl = a*b*(n/d)*kfb*e*f*Gpwm; bode(Gl); grid on; gm = 0.002; Rb = 10000; R1 = 1.1*(wp/wz - 1)*Rb C2 = (gm/kc)*(wz/wp)*(Rb/(Rb + R1)) C1 = ((gm/kc)*(Rb/(Rb + R1)) - C2)

Page 30: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   30    

R2 = 1/(wz*C1) R3 = (R1/(wp - wz))*(wz - wp*(Rb/(Rb + R1))) C3 = 1/(wz*(R1 + R3)) Vref = Vo*(Rb/(Rb + R1))

 Circuit  built  on  the  proto-­‐board    

 Figure  33:  Proto-­‐board  circuit  

 The  controller  is  on  the  right  breadboard,  though  it  was  not  connected  to  the  rest  of  the  circuit  when  the  picture  was  taken.    

Page 31: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   31    

Final  Closed  Loop  Design  Schematic    

 Figure  34:  Final  Closed  Loop  Design  Schematic  

Page 32: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   32    

Table  of  Figures    Figure  1:  Isolated  Flyback  Simulation  designed  by  an  employee  of  National  Instruments  Figure  2:  Power  Stage  Bode  Plot  Figure  3:  Power  Stage  and  Controller  Bode  Plot  Figure  4:  Open  flyback  converter  average  model  design  Figure  5:  Closed  flyback  converter  design    Design  Specification  Results:  Open  Circuit  Figure  6:  Voltage  Ripple  of  4.9276V  to  4.9705V  Figure  7:  Voltage  Ripple  of  14.9295V  to  14.9497V  Figure  8:  Dynamic  Regulation  for  maximum  to  minimum  output  voltage  Figure  9:  Dynamic  Regulation  for  minimum  to  maximum  output  voltage  Figure  10:  Transient  magnitude  and  start  up  duration  for  maximum  output  voltage  Figure  11:  Transient  magnitude  and  start  up  duration  for  minimum  output  voltage    Design  Specification  Results:  Closed  Circuit  Figure  12:  Efficiency  Figure  13:  Voltage  Ripple  of  5  V  to  5  V  ripple  (no  ripple)  Figure  14:  Voltage  ripple  of  14.8600  V  to  14.8600  V  ripple  (no  ripple)  Figure  15:  Dynamic  regulation  for  minimum  to  maximum  output  Figure  16:  Dynamic  regulation  for  maximum  to  minimum  output    Circuit  Design  Implementation:  Open  Circuit  Figure  17:  5  V  output  Figure  18:  Voltage  drop  across  the  MOSFET  drain  for  5  V  output  Figure  19:  15  V  output  Figure  20:  Voltage  drop  across  the  MOSFET  drain  for  15  V  output      Circuit  Design  Implementation:  Closed  Circuit  Figure  21:  Vout  =  5.11  V  Figure  22:  Voltage  Ripple  for  minimum  output  voltage  Figure  23:  Start  up  transient  magnitude  for  minimum  output  voltage  Figure  24:  Start  up  duration  for  minimum  output  voltage  Figure  25:  Overshoot  for  minimum  output  voltage  Figure  26:  Dynamic  regulation  for15  V  to  5  V  output  Figure  27:  Vout  =  14.8  V  Figure  28:  Voltage  Ripple  for  maximum  output  voltage  Figure  29:  Start  up  transient  magnitude  for  maximum  output  voltage  Figure  30:  Start  up  duration  for  maximum  output  voltage  Figure  31:  Overshoot  for  maximum  output  voltage  Figure  32:  Dynamic  regulation  from  5  V  to  15  V  output    Figure  33:  Proto-­‐board  circuit  Figure  34:  Final  Closed  Loop  Design  Schematic  Table  1:  Specifications  and  results  Table  2:  Cost  analysis  

Page 33: EE452 FinalReport Liou Mindy Martinez Tomas · 2013-11-20 · Flyback Converter Mindy Liou Tomas Martinez Autumn 2012 EE 452 AB Final Design Project !

 

Autumn  2012  EE  452  AB  Final  Design  Project   33    

References    Christie,  Rich.  Closed  Loop  Flyback  Converter.  EE  452  Power  Electronics  Design.  N.p.,  19  

Oct.  2012.  Web.    National  Instruments  EWB  Group,  Max.  "Isolated  Flyback  Simulation?"  NI  Discussion  

Forums.  National  Instruments,  01  Mar.  2011.  Web.  20  Nov.  2012  <http://forums.ni.com/t5/Circuit-­‐Design-­‐Suite-­‐Multisim/Isolated-­‐flyback-­‐simulation/td-­‐p/1463858>.  

 "Q4343-­‐BLFlyback  Regulator  Transformer."  Coilcraft  Q4343-­‐BL  Flyback  Regulator  

Transformer.  Coilcraft,  13  Nov.  2012.  Web.  12  Dec.  2012.