Obwód konwertera Flyback

W elektronice regulator to urządzenie lub mechanizm, który może stale regulować moc wyjściową. W dziedzinie zasilania dostępne są różne rodzaje regulatorów. Ale głównie w przypadku konwersji prądu stałego na prąd stały dostępne są dwa typy regulatorów: liniowy lub przełączający.

Liniowy regulator reguluje wyjście używając rezystancyjny spadek napięcia. Dzięki temu regulatory liniowe zapewniają niższą sprawność i tracą moc w postaci ciepła. Regulator przełączający wykorzystuje cewkę indukcyjną, diodę i wyłącznik zasilania do przenoszenia energii ze źródła na wyjście.

Rodzaje regulatorów przełączających

Dostępne są trzy typy regulatorów przełączających.

1. Konwerter podwyższający (regulator doładowania)

2. Konwerter obniżający (regulator Buck)

3. Konwerter Flyback (izolowany regulator)

Wyjaśniliśmy już Boost Regulator i obwód regulatora Buck. W tym samouczku opiszemy obwód regulatora Flyback.

Różnica między Buck i Boost regulatora jest w regulator buck umieszczenie cewki indukcyjnej, diody i układ przełączania jest inna niż regulatora doładowania. Również w przypadku regulatora doładowania napięcie wyjściowe jest wyższe niż napięcie wejściowe, ale w regulatorze buck napięcie wyjściowe będzie niższe niż napięcie wejściowe. Topologia buck lub konwerter buck to jedna z najczęściej używanych podstawowych topologii używanych w SMPS. Jest to popularny wybór, w przypadku którego musimy zamienić wyższe napięcie na niższe napięcie wyjściowe.

Oprócz tych regulatorów istnieje inny regulator, który jest popularny wśród wszystkich projektantów, a jest nim regulator Flyback lub przetwornik Flyback. Jest to wszechstronna topologia, która może być stosowana tam, gdzie potrzeba wielu wyjść z jednego źródła wyjściowego. Co więcej, topologia flyback pozwala projektantowi na jednoczesną zmianę polaryzacji wyjścia. Na przykład możemy stworzyć wyjście + 5V, + 9V i -9V z pojedynczego modułu konwertera. Wydajność konwersji jest wysoka w obu przypadkach.

Inną rzeczą w konwerterze Flyback jest izolacja galwaniczna na wejściu i wyjściu. Dlaczego potrzebujemy izolacji? W niektórych szczególnych przypadkach, w celu zminimalizowania zakłóceń zasilania i operacji związanych z bezpieczeństwem, potrzebujemy operacji izolowanej, w której źródło wejściowe jest całkowicie odizolowane od źródła wyjściowego. Przyjrzyjmy się podstawowej operacji flyback z pojedynczym wyjściem.

Działanie obwodów konwertera Flyback

Jeśli zobaczymy podstawowy projekt flyback z pojedynczym wyjściem, taki jak na poniższym obrazku, zidentyfikujemy podstawowe główne komponenty, które są wymagane do jego zbudowania.

Podstawowy konwerter typu flyback wymaga przełącznika, którym może być FET lub tranzystor, transformatora, diody wyjściowej, kondensatora.

Najważniejsze jest transformator. Musimy zrozumieć, jak działa transformator, zanim zrozumiemy rzeczywiste działanie obwodów.

Transformator składa się z co najmniej dwóch cewek, zwanych cewką wtórną i pierwotną, nawiniętych w cewkę z rdzeniem pomiędzy nimi. Rdzeń określa gęstość strumienia, która jest ważnym parametrem przy przesyłaniu energii elektrycznej z jednego uzwojenia do drugiego. Kolejną najważniejszą rzeczą jest fazowanie transformatora, kropki pokazane w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym.

Jak widać, sygnał PWM jest podłączony przez przełącznik tranzystorowy. Wynika to z częstotliwości wyłączania i włączania czasu przełącznika. PWM oznacza technikę modulacji szerokości impulsu.

W regulatorze Flyback działają dwa obwody, jeden to faza włączania, gdy uzwojenie pierwotne transformatora ładuje się, a drugi to wyłączanie lub faza transferu transformatora, gdy energia elektryczna jest przenoszona z pierwotnego do wtórnego wreszcie do ładunku.

Jeśli przyjmiemy, że przełącznik był wyłączony przez długi czas, prąd w obwodzie wynosi 0 i nie ma napięcia.

W tej sytuacji, jeśli przełącznik jest włączony, prąd wzrośnie, a cewka indukcyjna spowoduje spadek napięcia, który jest ujemny, ponieważ napięcie jest bardziej ujemne na pierwotnym, przerywanym końcu. W tej sytuacji energia przepływa do wtórnego z powodu strumienia generowanego w rdzeniu. Na cewce wtórnej wytwarzane jest napięcie o tej samej polaryzacji, ale napięcie jest wprost proporcjonalne do stosunku zwojów cewki wtórnej do pierwotnej. Ze względu na ujemne napięcie punktowe dioda wyłącza się i w obwodzie wtórnym nie płynie prąd. Jeśli kondensator został naładowany w poprzednim cyklu wyłączania i włączania, kondensator wyjściowy zapewni tylko prąd wyjściowy do obciążenia.

Na następnym etapie, gdy wyłącznik jest wyłączony, przepływ prądu w obwodzie pierwotnym zmniejsza się, co powoduje, że kropka wtórna kończy się bardziej dodatnio. Podobnie jak w poprzednim etapie włączania, polaryzacja napięcia pierwotnego tworzy taką samą polaryzację również na stronie wtórnej, podczas gdy napięcie wtórne jest proporcjonalne do stosunku uzwojenia pierwotnego i wtórnego. Ze względu na dodatni koniec kropki dioda zostaje włączona, a cewka wtórna transformatora dostarcza prąd do kondensatora wyjściowego i obciążenia. Kondensator stracił ładunek w cyklu włączenia, teraz jest ponownie napełniany i jest w stanie zapewnić prąd ładowania do obciążenia podczas czasu włączenia.

W całym cyklu włączania i wyłączania nie było połączeń elektrycznych między zasilaniem wejściowym a wyjściowym źródłem zasilania. W ten sposób transformator izoluje wejście i wyjście.

Istnieją dwa tryby działania w zależności od czasu włączenia i wyłączenia. Konwerter Flyback może pracować w trybie ciągłym lub nieciągłym.

W trybie ciągłym, przed ładowaniem pierwotnym, prąd spada do zera, cykl się powtarza. Z drugiej strony, w trybie nieciągłym, następny cykl zaczyna się tylko wtedy, gdy prąd pierwotnego cewki indukcyjnej osiągnie zero.

Wydajność

Teraz, jeśli zbadamy sprawność, która jest stosunkiem mocy wyjściowej do mocy wejściowej:

(Pout / Pin) x 100%

Ponieważ energii nie można stworzyć ani zniszczyć, można ją jedynie przekształcić, większość energii elektrycznej traci niewykorzystane moce w ciepło. Nie ma też idealnej sytuacji w praktyce. Sprawność jest ważnym czynnikiem przy wyborze regulatorów napięcia.

Jednym z głównych czynników strat mocy regulatora impulsowego jest dioda. Spadek napięcia przewodzenia pomnożony przez prąd (Vf xi) to niewykorzystana moc, która jest zamieniana na ciepło i zmniejsza sprawność obwodu regulatora przełączającego. Jest to również dodatkowy koszt dla obwodów elektrycznych związanych z technikami zarządzania ciepłem / ciepłem, takimi jak użycie radiatora lub wentylatorów do chłodzenia obwodów z rozpraszanego ciepła. Nie tylko spadek napięcia w przód, ale także powrót do stanu początkowego dla diod krzemowych powoduje również niepotrzebne straty mocy i zmniejszenie ogólnej sprawności.

Jednym z najlepszych sposobów uniknięcia standardowej diody odzyskiwania jest użycie diod Schottky'ego, które mają niski spadek napięcia przewodzenia i lepsze odzyskiwanie wstecz. W innym aspekcie przełącznik został zmieniony na nowoczesną konstrukcję MOSFET, w której wydajność jest poprawiona w kompaktowej i mniejszej obudowie.

Pomimo faktu, że regulatory przełączające mają wyższą wydajność, stacjonarną technikę projektowania, mniejszy komponent, są głośne niż regulatory liniowe, ale nadal są szeroko popularne.

Przykładowy projekt konwertera Flyback przy użyciu LM5160

Użylibyśmy topologii flyback firmy Texas Instruments. Obwód może być dostępny w arkuszu danych.

LM5160 składa następujące Features-

• Szeroki zakres napięcia wejściowego od 4,5 V do 65 V.
• Zintegrowane przełączniki high-side i low-side
  • Nie jest wymagana zewnętrzna dioda Schottky'ego
• Maksymalny prąd obciążenia 2 A
• Adaptacyjna stała kontrola czasu
  • Brak kompensacji pętli zewnętrznej
  • Szybka odpowiedź przejściowa
• Możliwość wyboru wymuszonej pracy PWM lub DCM
  • FPWM obsługuje wielowyjściowy Fly-Buck
• Prawie stała częstotliwość przełączania
  • Rezystor regulowany do 1 MHz
• Zaprogramuj czas miękkiego startu
• Precyzyjny start-up
• ± 1% odniesienia napięcia sprzężenia zwrotnego
• LM5160A umożliwia zewnętrzne odchylenie VCC
• Wbudowane funkcje ochronne dla solidnej konstrukcji
  • Ochrona przed ograniczeniem prądu szczytowego
  • Regulowane wejściowe UVLO i histereza
  • Ochrona VCC i Gate Drive UVLO
  • Zabezpieczenie termiczne wyłączające z histerezą
• Stwórz własny projekt za pomocą LM5160A z WEBENCH® Power Designer

Obsługuje szeroki zakres napięcia wejściowego od 4,5 V do 70 V jako wejście i zapewnia 2 A prądu wyjściowego. Możemy również wybrać wymuszone operacje PWM lub DCM.

Pinout LM5160

Układ scalony nie jest dostępny w pakiecie DIP lub w wersji łatwej do lutowania, chociaż jest to problem, ale układ scalony oszczędza dużo miejsca na PCB, a także lepszą wydajność termiczną w porównaniu z radiatorem PCB. Schemat pinów pokazano na powyższym obrazku.

Bezwzględne maksymalne oceny

Musimy uważać na absolutną maksymalną ocenę IC.

Pin SS i FB ma niską tolerancję napięcia.

Schemat obwodu konwertera Flyback i działanie

Używając tego LM5160, zasymulujemy izolowany zasilacz 12 V w oparciu o następującą specyfikację. Wybraliśmy obwód, ponieważ wszystko jest dostępne na stronie producenta.

Schemat wykorzystuje wiele komponentów, ale nie jest skomplikowany do zrozumienia. C6, C7 i C8 na wejściu służą do filtracji zasilania wejściowego. Natomiast R6 i R10 są używane do celów związanych z blokadą podnapięciową. Rezystor R7 służy do celów związanych z czasem. Ten pin jest programowalny za pomocą prostego rezystora. Kondensator C13 podłączony przez pin SS to kondensator łagodnego rozruchu. AGND (uziemienie analogowe) i PGND (uziemienie zasilania) oraz PAD są połączone z zasilaniem GND. Po prawej stronie kondensator C5, 0,01 uF to kondensator Bootstrap, który służy do polaryzacji sterownika bramki. R4, C4 i C9 to filtr tętnienia, w którym R8 i R9 dostarczają napięcie sprzężenia zwrotnego do styku sprzężenia zwrotnego LM5160. Ta proporcja dwóch rezystorów określa napięcie wyjściowe. C10 i C11 są używane do pierwotnej nieizolowanej filtracji wyjściowej.

Głównym elementem jest T1. Jest to cewka sprzężona z cewką 60uH po obu stronach, pierwotną i wtórną. Możemy wybrać dowolny inny sprzężony cewkę indukcyjną lub cewkę sepiczną o następującej specyfikacji:

1. Stosunek obrotów SEC: PRI = 1,5: 1
2. Indukcyjność = 60uH
3. Prąd nasycenia = 840 mA
4. Rezystancja DC PRIMARY = 0,071 oma
5. Opór DC WTÓRNY = 0,211 oma
6. Częst. = 150 kHz

C3 służy do stabilności EMI. D1 to dioda przewodzenia, która konwertuje wyjście, a C1, C2 to nasadki filtrów, R2 to minimalne obciążenie wymagane do uruchomienia.

Tym, którzy chcą wykonać zasilacz dla niestandardowych specyfikacji i chcą obliczyć wartość, producent zapewnia doskonałe narzędzie Excel, w którym wystarczy umieścić dane, a Excel obliczy wartość komponentów w zależności od wzorów podanych w arkuszu danych.

Producent dostarczył również model przyprawy, a także kompletny schemat, który można zasymulować za pomocą własnego narzędzia symulacyjnego TINA-TI firmy Texas Instrument. Poniżej znajduje się schemat narysowany przy użyciu narzędzia TINA-TI dostarczonego przez producenta.

Wynik symulacji można przedstawić na następnym obrazku, na którym można pokazać doskonały prąd obciążenia i napięcie -