Flyback átalakító áramkör

Az elektronikában a szabályozó olyan eszköz vagy mechanizmus, amely folyamatosan szabályozni tudja a teljesítményt. A tápegység területén különféle típusú szabályozók állnak rendelkezésre. De főleg DC-DC átalakítás esetén kétféle szabályozó áll rendelkezésre: Lineáris vagy Switching.

Egy lineáris szabályozó a kimenetet rezisztív feszültségesés segítségével szabályozza. Ennek köszönhetően a lineáris szabályozók alacsonyabb hatékonyságot biztosítanak, és hő formájában elveszítik az energiát. A kapcsolószabályozó az induktivitást, a diódát és a hálózati kapcsolót használja az energia átvitelére a forrásból a kimenetbe.

A kapcsolási szabályozó típusai

Háromféle kapcsolószabályozó áll rendelkezésre.

1. Fokozatos átalakító (Boost Regulator)

2. Léptető átalakító (Buck szabályozó)

3. Flyback átalakító (elszigetelt szabályozó)

Már ismertettük a Boost Regulator és a Buck Regulator áramkört. Ebben az oktatóanyagban leírjuk a Flyback Regulator áramkört.

A különbség a buck és a boost szabályozó között az, hogy a buck szabályozóban az induktor, a dióda és a kapcsoló áramkör elhelyezkedése eltér a boost szabályozótól. Emellett a boost szabályozó esetén a kimeneti feszültség magasabb, mint a bemeneti feszültség, de a buck szabályozóban a kimeneti feszültség alacsonyabb lesz, mint a bemeneti feszültség. A buck topológia vagy a buck konverter az egyik leggyakrabban használt alap topológia az SMPS-ben. Népszerű választás, ahol magasabb feszültséget kell alacsonyabb kimeneti feszültséggé alakítani.

Ezen szabályozókon kívül létezik egy másik szabályozó, amely népszerű választás minden tervező között, amely a Flyback szabályozó vagy a Flyback átalakító. Ez egy sokoldalú topológia, amely akkor használható, ahol több kimenetre van szükség egy kimeneti tápegységből. Nem csak, hogy a flyback topológia lehetővé teszi a tervező számára, hogy egyszerre változtassa meg a kimenet polaritását. Például egyetlen átalakító modulból létrehozhatunk + 5V, + 9V és -9V kimenetet. Az átalakítás hatékonysága mindkét esetben magas.

A Flyback átalakító másik dolga a bemenet és a kimenet elektromos leválasztása. Miért van szükségünk elszigeteltségre? Bizonyos speciális esetekben az áramzaj minimalizálásához és a biztonsággal kapcsolatos műveletekhez elszigetelt műveletre van szükségünk, ahol a bemeneti forrás teljesen el van szigetelve a kimeneti forrástól. Fedezzük fel az alapvető kimeneti repülési műveleteket.

A Flyback átalakító áramköri működése

Ha látjuk az alapvető kimeneti flyback tervezést, mint az alábbi kép, akkor azonosítani fogjuk azokat az alapvető fő összetevőket, amelyek szükségesek annak felépítéséhez.

Az alapvető visszacsatoló átalakítóhoz kapcsolóra van szükség, amely lehet FET vagy tranzisztor, transzformátor, kimeneti dióda, kondenzátor.

A lényeg a transzformátor. Meg kell értenünk a transzformátor megfelelő működését, mielőtt megértenénk az áramkör tényleges működését.

A transzformátor legalább két induktivitásból áll, amelyek másodlagos és elsődleges tekercsként ismertek, és tekercsbe vannak tekerve, amelynek magja van. A mag határozza meg a fluxus sűrűségét, amely fontos paraméter az elektromos energia egyik tekercsből a másikba történő átviteléhez. A másik legfontosabb dolog a transzformátor fázisa, az elsődleges és a másodlagos tekercsben látható pontok.

Továbbá, amint láthatjuk, egy PWM jel csatlakozik a tranzisztor kapcsolón. Ennek oka a kapcsoló kikapcsolásának és bekapcsolásának gyakorisága. A PWM a pulzusszélesség modulációs technikát jelenti.

A Flyback szabályozóban két áramkör működik, az egyik a bekapcsolási fázis, amikor a transzformátor primer tekercselése feltöltődik, a másik pedig a kikapcsolás vagy a transzformátor átviteli fázisa, amikor az elektromos energia átkerül a primerből a szekunderbe és végül a terhelésig.

Ha azt feltételezzük, hogy a kapcsoló hosszú ideig KI volt kapcsolva, az áram az áramban 0 és nincs feszültség.

Ebben a helyzetben, ha a kapcsolót BE kapcsolják, akkor az áram növekszik, és az induktor feszültségesést hoz létre, amely pont-negatív, mivel a feszültség negatívabb az elsődleges pontozott végén. Ebben a helyzetben az energia a szekunderbe áramlik a magban keletkező fluxus miatt. A szekunder tekercsen feszültség jön létre ugyanabban a polaritásban, de a feszültség egyenesen arányos a szekunder és az elsődleges tekercs fordulási arányával. A pont negatív feszültség miatt a dióda kikapcsol, és a szekunder áramban nem folyik áram. Ha a kondenzátort az előző kikapcsolás-BE ciklusban töltötték fel, a kimeneti kondenzátor csak a kimeneti áramot adja a terheléshez.

A következő szakaszban, amikor a kapcsolót kikapcsolják, az elsődleges áramlás csökken és ezáltal a másodlagos pontvég pozitívabb lesz. A primer feszültség polaritása megegyezik az előző bekapcsolási fokozatéval, a másodlagos feszültség is megteremti a másodlagos feszültséget, míg a másodlagos feszültség arányos az elsődleges és a másodlagos tekercs arányával. A pont pozitív vége miatt a dióda bekapcsol, és a transzformátor szekunder induktora áramot szolgáltat a kimeneti kondenzátornak és a terhelésnek. A kondenzátor bekapcsolási ciklusban elveszítette a töltését, most újra feltöltődik, és képes a töltés áramát szolgáltatni a terhelésre a bekapcsolás ideje alatt.

A teljes BE és KI ciklusban nem voltak elektromos kapcsolatok a kimeneti áramforrás bemeneti tápellátása között. Így a transzformátor izolálja a bemenetet és a kimenetet.

A be- és kikapcsolás időzítésétől függően kétféle működési mód van. A Flyback átalakító folyamatos vagy szakaszos üzemmódban is működhet.

A folyamatos üzemmódban, mielőtt az elsődleges töltés, áram nullára, a ciklus ismétlés. Másrészt megszakító üzemmódban a következő ciklus csak akkor kezdődik, amikor az elsődleges induktivitási áram nullára megy.

Hatékonyság

Most, ha megvizsgáljuk a hatékonyságot, amely a kimenet és a bemeneti teljesítmény aránya:

(Pout / Pin) x 100%

Mivel az energiát nem lehet létrehozni és megsemmisíteni, csak átalakítani lehet, a legtöbb elektromos energia kihasználatlan energiát veszít hővé. A gyakorlati területen nincs is ideális helyzet. A hatékonyság nagy tényező a feszültségszabályozók kiválasztásában.

A kapcsolószabályozó egyik fő teljesítményveszteségi tényezője a dióda. Az előremenő feszültségesés szorzata árammal (Vf xi) a fel nem használt teljesítmény, amely hővé alakul, és csökkenti a kapcsolószabályozó áramkör hatékonyságát. Ezenkívül ez az áramköröknek további költségeket jelent a hő- / hőkezelési technikák számára, mint például hűtőborda használata vagy Ventilátorok az áramkör hűsítésére eloszlott hőtől. Nemcsak az előremenő feszültségesés, hanem a szilíciumdiódák fordított visszanyerése is szükségtelen energiaveszteséget okoz és csökkenti az általános hatékonyságot.

Az egyik legjobb módszer a standard helyreállítási dióda elkerülésére az, ha Schottky diódákat használunk, amelyeknek alacsony az előremenő feszültségesése és jobb a hátramenet. Egy másik szempontból a kapcsolót modern MOSFET kialakításra cserélték, ahol a hatékonyságot kompakt és kisebb csomagban javítják.

Annak ellenére, hogy a kapcsolószabályozók nagyobb hatékonysággal, helyhez kötött kivitelű technikával és kisebb alkatrészekkel rendelkeznek, zajosak, mint egy lineáris szabályozó, de mégis széles körben népszerűek.

Példa a Flyback Converter tervezésére LM5160 segítségével

A Texas Instruments flyback topológiáját használnánk. Az áramkör elérhető az adatlapon.

Az LM5160 a következő tulajdonságokkal rendelkezik:

• Széles 4,5 V-65 V bemeneti feszültségtartomány
• Beépített magas és alacsony oldali kapcsolók
  • Nincs szükség külső Schottky-diódára
• 2-A maximális terhelési áram
• Adaptív állandó folyamatos vezérlés
  • Nincs külső hurok kompenzáció
  • Gyors átmeneti válasz
• Választható kényszerített PWM vagy DCM művelet
  • Az FPWM támogatja a többkimenetes Fly-Buck-ot
• Szinte állandó kapcsolási frekvencia
  • Ellenállás állítható 1 MHz-ig
• Program Soft Start Time
• Előítéletes indítás
• ± 1% visszacsatolási feszültség referencia
• Az LM5160A lehetővé teszi a külső VCC torzítást
• Belső védelmi funkciók a robusztus kialakításhoz
  • Csúcsáram-korlátozás
  • Állítható bemenet UVLO és hiszterézis
  • VCC és Gate Drive UVLO védelem
  • Termikus leállítás elleni védelem hiszterézissel
• Hozzon létre egy egyedi tervet az LM5160A használatával a WEBENCH® Power Designerrel

Bemenetként széles, 4,5 V és 70 V közötti bemeneti feszültségtartományt támogat, és 2A kimeneti áramot biztosít. Kiválaszthatjuk az erőszakos PWM vagy DCM műveleteket is.

LM5160 pinoutja

Az IC nem áll rendelkezésre a DIP csomagban vagy egy könnyen forrasztható változatban, bár ez problémát jelent, de az IC sok PCB helyet takarít meg, valamint nagyobb hőteljesítményt biztosít a PCB hűtőbordájához képest. A tűs diagram a fenti képen látható.

Maximális abszolút értéke

Vigyáznunk kell az IC abszolút maximális minősítésére.

Az SS és FB tű alacsony feszültségtűréssel rendelkezik.

Flyback Converter áramköri ábra és működés

Az LM5160 használatával egy 12 V-os szigetelt tápegységet fogunk szimulálni a következő specifikációk alapján. Az áramkört választottuk, mivel minden megtalálható a gyártó weboldalán.

A vázlat rengeteg komponenst használ, de megértése nem bonyolult. A bemeneten található C6, C7 és C8 a bemeneti táp szűrésére szolgál. Míg az R6 és R10 a feszültség alatti zárolással kapcsolatos célokra szolgál. Az R7 ellenállás bekapcsolt időre vonatkozik. Ez a csap egyszerű ellenállás segítségével programozható. Az SS csapon keresztül összekapcsolt C13 kondenzátor egy lágyindító kondenzátor. Az AGND (analóg föld) és a PGND (áram föld), valamint a PAD a GND tápegységgel van összekötve. Jobb oldalon a C5, 0,01 uF kondenzátor egy Bootstrap kondenzátor, amelyet a kapu meghajtó előfeszítéséhez használnak. R4, C4 és C9 a hullámszűrő, ahol R8 és R9 biztosítja a visszacsatolási feszültséget az LM5160 visszacsatoló tűjéhez. Ez a két ellenállás aránya határozza meg a kimeneti feszültséget. A C10 és C11 az elsődleges, nem izolált kimeneti szűréshez használható.

Fő összetevője a T1. Ez egy kapcsolt induktivitás, amelynek mindkét oldalán elsődleges és szekunder 60uH-os induktor található. Bármely más kapcsolt induktivitást vagy szepikus induktivitást választhatunk a következő specifikációval-

1. Fordulási arány SEC: PRI = 1,5: 1
2. Induktivitás = 60uH
3. Telítettségi áram = 840mA
4. DC ellenállás ELSŐ = 0,071 Ohm
5. DC ellenállás MÁSODLAGOS = 0,211 Ohm
6. Frekvencia = 150 kHz

A C3-at használják az EMI-stabilitás érdekében. D1 a kimenetet átalakító előre dióda és C1, C2 a szűrőkupak, R2 az indításhoz szükséges legkisebb terhelés.

Azok, akik egyedi tápellátást szeretnének gyártani az egyedi specifikációkhoz, és ki akarják számolni az értéket, a gyártó kiváló Excel eszközt biztosít, ahova egyszerűen be kell tenni az adatokat, és az excel kiszámolja az összetevők értékét az adatlapon szereplő képletek függvényében.

A gyártó a fűszermodellt, valamint a teljes vázlatot is megadta, amely szimulálható a Texas Instrument saját SPICE alapú TINA-TI szimulációs eszközével. Az alábbiakban a gyártó által biztosított TINA-TI eszközzel rajzolt sematikus rajz látható.

A szimulációs eredmény a következő képen látható, ahol a tökéletes terhelési áram és feszültség látható -