ESCUELA POLITECNICA SUPERIOR DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA ELECTRONICA INGENIERIA TECNICA INDUSTRIAL: ELECTRONICA INDUSTRIAL Diseño de una fuente de alimentación versátil para sistemas de espectroscopia remota basada en reflexión difusa (DRS). PROYECTO FIN DE GRADO AUTOR: JAVIER VICENTE GONZALEZ DIRECTOR: JOSE RAMON LOPEZ FERNANDEZ TUTOR: PABLO ACEDO GALLARDO. JAVIER VICENTE GONZÁLEZ Diseño de una fuente de alimentación versátil para sistemas de espectroscopia remota difusa PROYECTO FIN DE GRADO Página i JAVIER VICENTE GONZÁLEZ Diseño de una fuente de alimentación versátil para sistemas de espectroscopia remota difusa AGRADECIMIENTOS Quiero agradecer tanto al director del proyecto José Ramón, como a mi tutor Pablo Acedo por haberme permitido realizar este proyecto, por la ayuda que me han prestado y por todo lo aprendido. Personalmente quiero agradecerles a mis padres Juan Carlos y Salobrar por el apoyo constante que me han brindado siempre, y por confiar en mí. A mi novia Lorena, por estar siempre a mi lado, apoyándome y animándome. Por creer siempre en mí y hacer que me supere cada día. Por último quiero agradecerle a mis compañeros y amigos de carrera, con los cuales he pasado cuatro grandes años. PROYECTO FIN DE GRADO Página ii JAVIER VICENTE GONZÁLEZ Diseño de una fuente de alimentación versátil para sistemas de espectroscopia remota difusa PROYECTO FIN DE GRADO Página iii JAVIER VICENTE GONZÁLEZ Diseño de una fuente de alimentación versátil para sistemas de espectroscopia remota difusa RESUMEN El presente proyecto final de grado consiste en el desarrollo de un convertidor DC-DC con aislamiento galvánico, con topología Flyback que va a ser integrado en un sistema de espectroscopia remota basado en reflexión difusa. Dicha aplicación marcará los requisitos para la fuente. Además dicha fuente tiene que ser versátil e integrable directamente en el sistema sustituyendo la actual fuente de origen comercial El diseño del convertidor se ha hecho desde cero, con la idea de obtener un bus principal y a partir del mismo obtener diferentes salidas mediante reguladores de tensión. A través del proyecto se va explicando porque se ha diseñado así y como llevarlo a cabo. Es un trabajo muy completo y con el que se adquiere una gran formación puesto que se va desde el diseño del circuito, hasta el diseño de la PCB del mismo. PROYECTO FIN DE GRADO Página iv JAVIER VICENTE GONZÁLEZ Diseño de una fuente de alimentación versátil para sistemas de espectroscopia remota difusa PROYECTO FIN DE GRADO Página v JAVIER VICENTE GONZÁLEZ Diseño de una fuente de alimentación versátil para sistemas de espectroscopia remota difusa ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN. .................................................................................................................... 1 1.1- OBJETIVOS DEL TRABAJO FINAL DE GRADO. ................................................................. 2 1.2 CAPTURA DE REQUISITOS PARA LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN. ..................................... 4 2. FUNDAMENTOS PARA EL DISEÑO DE UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN BASADA EN EL CONVERTIDOR FLYBACK. ............................................................................................................... 5 2.1-INTRODUCCIÓN. .................................................................................................................. 6 2.2-FUNCIONAMIENTO DE UN CONVERTIDOR FLYBACK. ECUACIONES DE DISEÑO. ................ 8 2.3-DISEÑO DEL CONDENSADOR DE SALIDA Y DE LA INDUCTACIA MAGNETIZANTE. ........... 16 2.4-CONTROL DEL CONVERTIDOR. .......................................................................................... 18 2.4.1-CONTROL EN MODO TENSIÓN ................................................................................... 18 2.4.2-CONTROL EN MODO CORRIENTE ............................................................................... 19 2.4.2.1-CONTROL POR CORRIENTE PROMEDIADA .............................................................. 20 2.4.2.2 -CONTROL POR PICO DE CORRIENTE ....................................................................... 21 2.5-CONCLUSIONES ................................................................................................................. 22 3. DISEÑO DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN ......................................................................... 23 3.1-REVISIÓN DE ESPECIFICACIONES. ...................................................................................... 24 3.2-SELECCIÓN DEL TRANSFORMADOR................................................................................... 25 3.3-DISEÑO DEL CONTROL....................................................................................................... 27 3.3.1- ACONDICIONAMIENTO DEL CIRCUITO DEL DRIVER, DISEÑO DEL BUS PRINCIPAL. ....... 28 3.4-DISEÑO DE LAS SALIDAS REGULADAS. ............................................................................. 39 3.5-DISEÑO DEL PCB ................................................................................................................ 44 4. DISEÑO PCB. ........................................................................................................................ 50 4.1- DISEÑO ORIGINAL ............................................................................................................ 51 4.2-CAMBIOS SOBRE EL DISEÑO ORIGINAL. ............................................................................ 55 5. VALIDACIÓN Y VERIFICAIÓN. ............................................................................................... 60 5.1-VALIDACIÓN DE LOS DATOS OBTENIDOS MEDIANTE SIMULACIÓN. ................................ 61 6. CONCLUSIONES. .................................................................................................................. 64 7. BIBLIOGRAFÍA. ..................................................................................................................... 65 8. PRESUPUESTO. .................................................................................................................... 68 9. ANEXOS. .............................................................................................................................. 70 9.1-DISEÑO DE REGULADORES LINEALES MEDIANTE POWER ARCHITECT. ............................ 71 PROYECTO FIN DE GRADO Página vi JAVIER VICENTE GONZÁLEZ Diseño de una fuente de alimentación versátil para sistemas de espectroscopia remota difusa 9.2-FORMAS DE ONDA Y ANÁLISIS DE LOS REGULADORES. .................................................... 76 9.3-LISTA DE MATERIALES: ...................................................................................................... 91 9.4 CONEXIONADO DE LOS PINES PC-104. .............................................................................. 93 9.5 DISEÑO JERARQUICO EN ORCAD. ...................................................................................... 94 9.6 DIAGRAMA DE GANNT. ..................................................................................................... 97 PROYECTO FIN DE GRADO Página vii JAVIER VICENTE GONZÁLEZ Diseño de una fuente de alimentación versátil para sistemas de espectroscopia remota difusa ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Sistema de espectroscopia remota basada en reflexión difusa ................................... 2 Figura 1.2 Diagrama de bloques de la fuente de alimentación. ................................................... 3 Figura 2.1 Esquema de la fuente detallado ................................................................................... 6 Figura 2.2 Transformación Buck-Boost a Flyback [18] .................................................................. 8 Figura 2.3 Circuito equivalente convertidor Flyback..................................................................... 8 Figura 2.4 Circuito equivalente Flyback durante Ton ................................................................... 9 Figura 2.5 Circuito equivalente Flyback Toff ............................................................................... 10 Figura 2.6 Rizado de tensión [19]. ............................................................................................... 10 Figura 2.7 Formas de onda MCC [18]. ......................................................................................... 11 Figura 2.8 Formas de onda MCD [18]. ........................................................................................ 12 Figura 2.9 Formas de onda corriente [18] ................................................................................... 16 Figura 2.10 Formas de onda carga y descarga del condensador [16]. ........................................ 17 Figura 2.11 Diagrama de bloques control en modo tensión. ...................................................... 18 Figura 2.12- Control en modo corriente promediada [17] ......................................................... 20 Figura 2.13-Control en modo corriente de pico .......................................................................... 21 Figura 3.1 Esquema de la fuente detallado. ................................................................................ 24 Figura 3.2 Transformador ............................................................................................................ 25 Figura 3.3 Tabla de características del transformador ................................................................ 26 Figura 3.4 Esquema interno LTC3873 [15]. ................................................................................. 27 Figura 3.5 Control de encendido y apagado del LTC3873 [15]. .................................................. 28 Figura 3.6 Esquema eléctrico del convertidor ............................................................................ 29 Figura 3.7 Comparador de tensión. ............................................................................................. 32 Figura 3.8 Forma de onda recuperación inversa del diodo [16]. ................................................ 34 Figura 3.9 Corriente a través de los diodos de salida ................................................................. 35 Figura 3.10 Transistor Mosfet [6]. ............................................................................................... 37 Figura 3.11 Diagrama de bloques del convertidor completo. ..................................................... 39 Figura 3.12 Diagrama de bloques en Orcad ................................................................................ 40 Figura 3.13 TES 3-1222 ................................................................................................................ 41 Figura 3.14 Esquema eléctrico del regulador TPS62130 ............................................................ 42 Figura 3.15 Esquema eléctrico del regulador LMR10510X ......................................................... 43 Figura 3.16 Tamaño y posicionamiento PCB [13] ....................................................................... 44 Figura 3.17 Rutado condensadores de desacoplo [10] ............................................................... 46 Figura 3.18 PCB Trace Width Calculator. .................................................................................... 47 Figura 3.19 Conector PCI-104 ...................................................................................................... 48 Figura 3.20- Asignación de pines de alimentación al PCI-104 ..................................................... 48 Figura 4.1 Rutado del PCB sin Plano de Masa ............................................................................. 51 Figura 4.2 Rutado del PCB con Plano de Masa ............................................................................ 52 Figura 4.3. Fotolito capa TOP ...................................................................................................... 52 Figura 4.4. Fotolito capa Bottom ................................................................................................. 53 Figura 4.5- Fotolito Capa INNER. ................................................................................................. 53 Figura 4.6. Fotolito INNER2 ......................................................................................................... 54 Figura 4.7 Errores de diseño de la fuente. .................................................................................. 55 Figura 4.8. Footprint final del transformador ............................................................................ 56 PROYECTO FIN DE GRADO Página viii JAVIER VICENTE GONZÁLEZ Diseño de una fuente de alimentación versátil para sistemas de espectroscopia remota difusa Figura 4.9 Footprint original del transformador. ........................................................................ 56 Figura 4.10 Footprint original del transistor. .............................................................................. 56 Figura 4.11 Footprint final del transistor. ................................................................................... 56 Figura 4.12 Diseño inicial del PCB. .............................................................................................. 57 Figura 4.13 Diseño final del PCB. ................................................................................................. 57 Figura 4.14. Montaje original de la Fuente de alimentación ...................................................... 58 Figura 4.15. Fuente modificada en el laboratorio. ...................................................................... 59 Figura 5.1 Esquema del banco de pruebas. ................................................................................ 61 Figura 9.1-Power Architect ......................................................................................................... 71 Figura 9.2-Power Architect- Optimización del diseño ................................................................ 72 Figura 9.3- Power Architec- Edición del diseño........................................................................... 72 Figura 9.4- Power Architec- Regulador 5V .................................................................................. 73 Figura 9.5-Power Architec- Establecimiento de la corriente de carga ........................................ 73 Figura 9.6-Power Architect- Selección del Regulador más apropiado ........................................ 74 Figura 9.7-Power Architect-Diseño del Regulador 3.3V. ............................................................. 74 Figura 9.8-Power Architect- Obtención del diseño y optimización. ........................................... 75 Figura 9.9-Power Architect- Exportación del diseño................................................................... 75 Figura 9.10. Tensión de salida con tensión de entrada de 10V .................................................. 76 Figura 9.11 Tensión de salida con tensión de entrada de 32V ................................................... 77 Figura 9.12 Tensión de salida con tensión de entrada de 52 V................................................... 77 Figura 9.13- Tensión del bus principal ........................................................................................ 78 Figura 9.14- Tensión de sensado ................................................................................................. 78 Figura 9.15- Tensión de comparación de error. .......................................................................... 79 Figura 9.16- Rizado de la tensión de comparación ..................................................................... 79 Figura 9.20 Aislamiento con diferenciación de masas ................................................................ 95 Figura 9.21-Conectores TES 3-1212 ............................................................................................ 95 Figura 9.22-PC-104. Conectores. ................................................................................................. 96 Figura 9.23- Diagrama de Gannt ................................................................................................. 97 PROYECTO FIN DE GRADO Página ix