BJT vs MOSFET para convertidor flyback de muy baja potencia

Recientemente he terminado un diseño similar. Ahora estamos en la fase de preproducción, habiendo validado ya los primeros prototipos, que funcionan perfectamente bajo restricciones similares a las que describe en su pregunta. Debido a las limitaciones de los derechos de propiedad intelectual, solo puedo brindarle algunas pautas generales.

Basado en los siguientes supuestos:

• Está tratando de evitar el uso de un transformador por todos los medios (que puede no ser el caso),
• Los requisitos de potencia de la carga están en el rango de milivatios,
• No desea aumentar primero el suministro de voltaje, pero usará los 2 V CC directamente para alimentar su bloque de diseño flyback.
• Debe mantener el costo y el espacio de PCB al mínimo absoluto.

Sugiero el siguiente enfoque:

1. Descarte el MOSFET y use un BJT de alto voltaje de conmutación rápida (clasificado al menos a 200 V, mejor aún a 300 V).
2. Seleccione el inductor más apropiado para sus limitaciones y según sus requisitos de potencia máxima entregada a la carga.
3. Calcule el voltaje de retorno máximo y asegúrese de que puede obtener "picos" de retorno de voltaje de más de 200 V. Los parámetros involucrados aquí son: ILpk (corriente máxima del inductor), Cts (suma total de capacitancias parásitas en el nodo flyback) y VELOCIDAD DE CONMUTACIÓN del BJT.
4. El último es muy importante y rara vez se menciona en la literatura técnica. Es posible que tenga un ILpk grande y Cts muy pequeños, pero si su velocidad de conmutación (apagado) no es lo suficientemente rápida, el voltaje de retorno se verá afectado. Recordatorio: Vflyback = -L * dI/dt.

Lo anterior se puede implementar con:

1. Un inductor simple (único) o
2. Un inductor acoplado 1:1.

Aparentemente, desde el punto de vista de las ecuaciones de diseño, no parece haber necesidad del inductor acoplado 1:1, ya que el inductor único funcionará exactamente igual, muy probablemente con menos aparatos de resonancia. Sin embargo, el uso de un inductor acoplado 1:1 ayudará a evitar la generación de EMI. Sugiero usar el inductor acoplado 1: 1 en caso de que tenga que certificar EMI su producto final.

** Sin embargo, las suposiciones anteriores, si desea explorar el enfoque del transformador flyback, ahora existen transformadores flyback SMD en miniatura (micro-potencia) muy agradables. **

Por ejemplo, este modelo de Coilcraft permite una relación de vueltas de hasta 1:100 con un aislamiento de 300 Vrms entre las bobinas primaria y secundaria:

http://www.coilcraft.com/lpr6235.cfm

Usar un transformador es mi opción preferida. El primario estaría conectado al centro y conectado al riel de 2v. Los transistores tirarían hacia abajo en cada pata del primario a una frecuencia razonable de aproximadamente 100 kHz. Esto convierte su voltaje primario en 8v pp$^1$.

Si su relación de giros fuera 200:8, no me parecería tan mal. La salida sería un poco menos de 200 voltios, pero un poco de sintonización de resonancia en el secundario pronto resolvería eso.

Incluso podría justificar una relación de vueltas más pequeña con un multiplicador de diodo Cockcroft Walton en la parte trasera para duplicar o triplicar el voltaje.

Muchos transistores harían esto y varios mosfets proporcionarían un umbral de voltaje de puerta inferior a 1v.

Por supuesto, podría mirar un chip de recolección de energía para obtener 5v y luego usar un conmutador de retorno de personas como la tecnología lineal. Aquí hay un dispositivo bastante útil de tecnología lineal: -

La aplicación 1 funciona con un suministro de tan solo 1,2 V y produce 5 V a más de 200 mA. Esto podría entonces alimentar el segundo circuito que puede producir hasta 350V. Cabe señalar quizás que el transistor de conmutación interno es bipolar en este chip. También tenga en cuenta el uso de un multiplicador de diodo-capacitor Cockcroft Walton de 2 etapas en la salida del segundo circuito.

$^1$Antes de que alguien comience a votar negativamente por decir 8Vp-p, debe analizar qué sucede en el primario. Después de conectar a tierra un lado del transformador, aumentará hasta el doble de la tensión de alimentación (es decir, 4 V) debido a que el otro transistor conecta a tierra el otro lado del transformador. Por lo tanto, un lado tiene 4Vp-p y el otro lado tiene 4Vp-p en antifase. Efecto neto 8Vp-p.

No necesita MOSFET de alto voltaje. Para proporciones tan grandes, el transformador es una elección natural. De esta manera, en el lado primario, los voltajes serán lo suficientemente bajos para ser manejados con MOSFET de baja potencia, lo que proporcionará una mayor eficiencia y un diseño más sencillo.

Por supuesto, es posible usar BJT y no consumen energía cuando están apagados. Conducir BJT desde 2V es fácil. Como regla general, BJT consumirá un poco más de energía que MOSFET, ya que consume una potencia base constante cuando se enciende.

Pero el problema con los BJT es el mismo: dudo mucho que sea posible aumentar el voltaje de 1.5V a 200V sin transformador. En teoría sí, pero en la práctica...