Κύκλωμα μετατροπέα Flyback

Στα ηλεκτρονικά, ένας ρυθμιστής είναι μια συσκευή ή μηχανισμός που μπορεί να ρυθμίζει συνεχώς την έξοδο ισχύος. Υπάρχουν διάφορα είδη ρυθμιστών διαθέσιμων στον τομέα παροχής ηλεκτρικού ρεύματος. Αλλά κυρίως, στην περίπτωση μετατροπής DC σε DC, υπάρχουν δύο τύποι ρυθμιστών: Linear ή Switching.

Ένας γραμμικός ρυθμιστής ρυθμίζει την έξοδο χρησιμοποιώντας μια αντίσταση πτώσης τάσης. Λόγω αυτού, οι γραμμικοί ρυθμιστές παρέχουν χαμηλότερη απόδοση και χάνουν ισχύ με τη μορφή θερμότητας. Ο ρυθμιστής μεταγωγής χρησιμοποιεί επαγωγέα, δίοδο και διακόπτη ισχύος για να μεταφέρει ενέργεια από την πηγή του στην έξοδο.

Τύποι ρυθμιστή εναλλαγής

Υπάρχουν τρεις τύποι ρυθμιστών εναλλαγής.

1. Μετατροπέας αναβάθμισης (Boost Regulator)

2. Μετατροπέας Step-Down (ρυθμιστής Buck)

3. Μετατροπέας Flyback (απομονωμένος ρυθμιστής)

Έχουμε ήδη εξηγήσει το κύκλωμα Boost Regulator και Buck Regulator. Σε αυτό το σεμινάριο, θα περιγράψουμε το κύκλωμα Flyback Regulator.

Η διαφορά μεταξύ του ρυθμιστή buck και boost είναι, στον ρυθμιστή buck η τοποθέτηση του επαγωγέα, της διόδου και του κυκλώματος μεταγωγής είναι διαφορετική από τον ρυθμιστή ενίσχυσης. Επίσης, στην περίπτωση του ρυθμιστή ενίσχυσης, η τάση εξόδου είναι υψηλότερη από την τάση εισόδου, αλλά στον ρυθμιστή buck, η τάση εξόδου θα είναι χαμηλότερη από την τάση εισόδου. Μια τοπολογία buck ή μετατροπέας buck είναι μια από τις πιο χρησιμοποιούμενες βασικές τοπολογίες που χρησιμοποιούνται στο SMPS. Είναι μια δημοφιλής επιλογή όπου πρέπει να μετατρέψουμε μια υψηλότερη τάση σε χαμηλότερη τάση εξόδου.

Εκτός από αυτούς τους ρυθμιστές, υπάρχει ένας άλλος ρυθμιστής που είναι μια δημοφιλής επιλογή μεταξύ όλων των σχεδιαστών, ο οποίος είναι ο ρυθμιστής Flyback ή ο μετατροπέας Flyback. Πρόκειται για μια ευέλικτη τοπολογία που μπορεί να χρησιμοποιηθεί όταν απαιτούνται πολλαπλές έξοδοι από μία μόνο παροχή εξόδου. Όχι μόνο αυτό, μια τοπολογία flyback επιτρέπει στον σχεδιαστή να αλλάζει την πολικότητα της εξόδου ταυτόχρονα. Για παράδειγμα, μπορούμε να δημιουργήσουμε έξοδο + 5V, + 9V και -9V από μία μονάδα μετατροπέα. Η απόδοση μετατροπής είναι υψηλή και στις δύο περιπτώσεις.

Ένα άλλο πράγμα στον μετατροπέα Flyback είναι η ηλεκτρική απομόνωση τόσο στην είσοδο όσο και στην έξοδο. Γιατί χρειαζόμαστε απομόνωση; Σε ορισμένες ειδικές περιπτώσεις, για την ελαχιστοποίηση του θορύβου ισχύος και των λειτουργιών που σχετίζονται με την ασφάλεια, χρειαζόμαστε μια μεμονωμένη λειτουργία, όπου η πηγή εισόδου είναι εντελώς απομονωμένη από την πηγή εξόδου. Ας εξερευνήσουμε τη βασική λειτουργία επιστροφής μεμονωμένων εξόδων

Λειτουργία κυκλώματος του μετατροπέα Flyback

Αν δούμε τη βασική σχεδίαση μίας εξόδου, όπως η παρακάτω εικόνα, θα προσδιορίσουμε τα βασικά βασικά στοιχεία που απαιτούνται για την κατασκευή ενός.

Ένας βασικός μετατροπέας flyback απαιτεί έναν διακόπτη, ο οποίος μπορεί να είναι ένα FET ή τρανζίστορ, ένας μετασχηματιστής, μια δίοδος εξόδου, ένας πυκνωτής.

Το κύριο πράγμα είναι ο μετασχηματιστής. Πρέπει να κατανοήσουμε τη σωστή λειτουργία ενός μετασχηματιστή πριν κατανοήσουμε την πραγματική λειτουργία κυκλωμάτων.

Ο μετασχηματιστής αποτελείται από τουλάχιστον δύο επαγωγείς, γνωστούς ως δευτερεύον και πρωτεύον πηνίο, που τυλίγονται σε ένα πηνίο με έναν πυρήνα στο μεταξύ. Ο πυρήνας καθορίζει την πυκνότητα ροής που είναι μια σημαντική παράμετρος για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας από τη μία περιέλιξη στην άλλη. Ένα άλλο πιο σημαντικό πράγμα είναι η φάση του μετασχηματιστή, οι κουκίδες που εμφανίζονται στην πρωτογενή και δευτερεύουσα περιέλιξη.

Επίσης, όπως μπορούμε να δούμε, ένα σήμα PWM συνδέεται μέσω του διακόπτη τρανζίστορ. Αυτό οφείλεται στη συχνότητα απενεργοποίησης και ενεργοποίησης του χρόνου του διακόπτη. Το PWM σημαίνει τεχνική διαμόρφωσης Pulse Width.

Στον ρυθμιστή Flyback, υπάρχει λειτουργία δύο κυκλωμάτων, το ένα είναι η φάση ενεργοποίησης όταν φορτίζεται η κύρια περιέλιξη του μετασχηματιστή και μια άλλη είναι η απενεργοποίηση ή η φάση μεταφοράς του μετασχηματιστή όταν η ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται από την πρωτογενή στη δευτερεύουσα και επιτέλους στο φορτίο.

Εάν υποθέσουμε ότι ο διακόπτης έχει απενεργοποιηθεί για μεγάλο χρονικό διάστημα, το ρεύμα στο κύκλωμα είναι 0 και δεν υπάρχει τάση.

Σε αυτήν την περίπτωση, εάν ο διακόπτης είναι ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗ, τότε το ρεύμα θα αυξηθεί και ο επαγωγέας θα δημιουργήσει πτώση τάσης, η οποία είναι αρνητική με τελείες, καθώς η τάση είναι πιο αρνητική στο πρωτεύον διακεκομμένο άκρο. Κατά τη διάρκεια αυτής της κατάστασης, η ενέργεια ρέει στο δευτερεύον λόγω της ροής που παράγεται στον πυρήνα. Στο δευτερεύον πηνίο, δημιουργείται τάση στην ίδια πολικότητα, αλλά η τάση είναι ευθέως ανάλογη με την αναλογία δευτερογενών προς πρωτογενή πηνία. Λόγω της αρνητικής τάσης κουκίδων, η δίοδος απενεργοποιείται και δεν θα ρέει ρεύμα στη δευτερεύουσα. Εάν ο πυκνωτής φορτίστηκε στον προηγούμενο κύκλο απενεργοποίησης-απενεργοποίησης, ο πυκνωτής εξόδου θα παρέχει μόνο το ρεύμα εξόδου στο φορτίο.

Στο επόμενο στάδιο, όταν ο διακόπτης είναι απενεργοποιημένος, η τρέχουσα ροή κατά μήκος του πρωτογενούς μειώνεται και καθιστώντας έτσι το τέλος της δευτερεύουσας κουκίδας πιο θετικό. Όπως με το προηγούμενο στάδιο ON, η πρωτεύουσα πολικότητα τάσης δημιουργεί την ίδια πολικότητα και στη δευτερεύουσα, ενώ η δευτερεύουσα τάση είναι ανάλογη με την πρωτογενή και δευτερεύουσα αναλογία περιέλιξης. Λόγω του θετικού άκρου κουκίδων, η δίοδος ενεργοποιείται και ο δευτερεύων επαγωγέας του μετασχηματιστή παρέχει ρεύμα στον πυκνωτή εξόδου και στο φορτίο. Ο πυκνωτής έχασε τη φόρτιση στον κύκλο ON, τώρα ξαναγεμίζει ξανά και είναι ικανός να παρέχει ρεύμα φόρτισης στο φορτίο κατά τη διάρκεια του διακόπτη ON.

Σε ολόκληρο τον κύκλο Ενεργοποίησης και Απενεργοποίησης, δεν υπήρχαν ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ της τροφοδοσίας εισόδου στην πηγή ισχύος εξόδου. Έτσι, ο μετασχηματιστής απομονώνει την είσοδο και την έξοδο.

Υπάρχουν δύο τρόποι λειτουργίας ανάλογα με τον χρόνο ενεργοποίησης και απενεργοποίησης. Ο μετατροπέας Flyback μπορεί να λειτουργήσει σε συνεχή ή ασυνεχή λειτουργία.

Σε συνεχή λειτουργία, πριν από την κύρια φόρτιση, το ρεύμα πηγαίνει στο μηδέν, ο κύκλος επαναλαμβάνεται. Από την άλλη πλευρά, σε ασυνεχή λειτουργία, ο επόμενος κύκλος ξεκινά μόνο όταν το πρωτεύον ρεύμα πηνίου πηγαίνει στο μηδέν.

Αποδοτικότητα

Τώρα, αν διερευνήσουμε την αποδοτικότητα, που είναι ο λόγος εξόδου προς ισχύ εισόδου:

(Σύκο / Καρφίτσα) x 100%

Καθώς η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ούτε να καταστραφεί, μπορεί να μετατραπεί μόνο, οι περισσότερες ηλεκτρικές ενέργειες χάνουν αχρησιμοποίητες δυνάμεις σε θερμότητα. Επίσης, δεν υπάρχει ιδανική κατάσταση στον πρακτικό τομέα. Η αποδοτικότητα είναι ένας μεγάλος παράγοντας για την επιλογή ρυθμιστών τάσης.

Ένας από τους κύριους παράγοντες απώλειας ισχύος για έναν ρυθμιστή εναλλαγής είναι η δίοδος. Η πτώση τάσης προς τα εμπρός πολλαπλασιάζεται με το ρεύμα (Vf xi) είναι η αχρησιμοποίητη ισχύ που μετατρέπεται σε θερμότητα και μειώνει την απόδοση του κυκλώματος ρυθμιστή μεταγωγής. Επίσης, είναι το επιπρόσθετο κόστος για τα κυκλώματα για τεχνικές θερμικής / θερμικής διαχείρισης, όπως η χρήση ψύκτρας ή ανεμιστήρων για την ψύξη του κυκλώματος από απορριμμένη θερμότητα. Όχι μόνο η πτώση τάσης προς τα εμπρός, η ανάστροφη ανάκτηση για διόδους πυριτίου παράγει επίσης περιττή απώλεια ισχύος και μείωση της συνολικής απόδοσης.

Ένας από τους καλύτερους τρόπους για να αποφύγετε μια τυπική δίοδο ανάκτησης είναι να χρησιμοποιήσετε δίοδο Schottky που έχουν χαμηλή πτώση τάσης προς τα εμπρός και καλύτερη ανάστροφη ανάκτηση. Σε μια άλλη άποψη, ο διακόπτης έχει αλλάξει σε μοντέρνο σχεδιασμό MOSFET όπου η απόδοση βελτιώνεται σε ένα μικρό και μικρότερο πακέτο.

Παρά το γεγονός ότι οι ρυθμιστές μεταγωγής έχουν υψηλότερη απόδοση, τεχνική στάσιμου σχεδιασμού, μικρότερο στοιχείο, είναι θορυβώδεις από έναν γραμμικό ρυθμιστή, αλλά εξακολουθούν να είναι ευρέως δημοφιλείς.

Παράδειγμα σχεδίασης του Flyback Converter με χρήση LM5160

Θα χρησιμοποιούσαμε μια τοπολογία flyback από την Texas Instruments. Το κύκλωμα μπορεί να είναι διαθέσιμο στο φύλλο δεδομένων.

Το LM5160 αποτελείται από τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:

• Ευρύ εύρος τάσης εισόδου 4,5V έως 65V
• Ενσωματωμένοι διακόπτες υψηλής και χαμηλής πλευράς
  • Δεν απαιτείται εξωτερική δίοδος Schottky
• 2-A Μέγιστο ρεύμα φόρτωσης
• Προσαρμοστικός σταθερός έγκαιρος έλεγχος
  • Χωρίς αντιστάθμιση εξωτερικού βρόχου
  • Γρήγορη παροδική απόκριση
• Επιλέξιμη αναγκαστική λειτουργία PWM ή DCM
  • Το FPWM υποστηρίζει Fly-Buck πολλαπλών εξόδων
• Σχεδόν σταθερή συχνότητα εναλλαγής
  • Αντίσταση Ρυθμιζόμενη έως 1 MHz
• Ώρα μαλακής έναρξης προγράμματος
• Προκριματική εκκίνηση
• ± 1% Αναφορά τάσης ανατροφοδότησης
• LM5160A Επιτρέπει εξωτερική μεροληψία VCC
• Ενσωματωμένες δυνατότητες προστασίας για στιβαρό σχεδιασμό
  • Προστασία περιορισμού ρεύματος αιχμής
  • Ρυθμιζόμενη είσοδος UVLO και υστέρηση
  • Προστασία UVLO VCC και Gate Drive
  • Προστασία θερμικού τερματισμού με υστέρηση
• Δημιουργήστε μια προσαρμοσμένη σχεδίαση χρησιμοποιώντας το LM5160A με το WEBENCH® Power Designer

Υποστηρίζει ένα ευρύ εύρος τάσης εισόδου από 4,5V έως 70V ως είσοδο και παρέχει 2Α ρεύματος εξόδου. Μπορούμε επίσης να επιλέξουμε τις βίαιες λειτουργίες PWM ή DCM.

Pinout του LM5160

Το IC δεν είναι διαθέσιμο σε πακέτο DIP ή σε μια εύκολη κολλητική έκδοση, αν και είναι πρόβλημα, αλλά το IC εξοικονομεί πολύ χώρο στο PCB καθώς και μεγαλύτερη θερμική απόδοση σε σχέση με το ψύκτρα PCB. Το διάγραμμα καρφιτσών φαίνεται στην παραπάνω εικόνα.

Απόλυτες μέγιστες βαθμολογίες

Πρέπει να είμαστε προσεκτικοί σχετικά με την απόλυτη μέγιστη βαθμολογία του IC.

Ο πείρος SS και FB έχει ανοχή χαμηλής τάσης.

Διάγραμμα κυκλώματος μετατροπέα Flyback και λειτουργεί

Χρησιμοποιώντας αυτό το LM5160 θα προσομοιώσουμε μια απομονωμένη τροφοδοσία 12V με βάση τις παρακάτω προδιαγραφές Επιλέξαμε το κύκλωμα καθώς όλα είναι διαθέσιμα στον ιστότοπο του κατασκευαστή.

Το σχηματικό χρησιμοποιεί πολλά συστατικά, αλλά δεν είναι περίπλοκο να κατανοηθεί. Τα C6, C7 και C8 στην είσοδο χρησιμοποιούνται για φιλτράρισμα της τροφοδοσίας εισόδου. Ενώ τα R6 και R10 χρησιμοποιούνται για σκοπούς σχετικούς με το κλείδωμα υπό τάση. Η αντίσταση R7 προορίζεται για σχετικό χρόνο. Αυτός ο πείρος μπορεί να προγραμματιστεί χρησιμοποιώντας μια απλή αντίσταση. Ο πυκνωτής C13 που είναι συνδεδεμένος στον πείρο SS είναι ένας πυκνωτής μαλακής εκκίνησης. Το AGND (Αναλογική γείωση) και το PGND (Ισχύς ισχύος) και το PAD συνδέονται με το τροφοδοτικό GND. Στη δεξιά πλευρά, ο πυκνωτής C5, 0,01 uF είναι ένας πυκνωτής Bootstrap που χρησιμοποιείται για την πόλωση του οδηγού πύλης. Τα R4, C4 και C9 είναι το φίλτρο κυματισμού όπου τα R8 και R9 παρέχουν τάση ανάδρασης στον πείρο ανάδρασης του LM5160. Αυτή η αναλογία δύο αντιστάσεων καθορίζει την τάση εξόδου. Τα C10 και C11 χρησιμοποιούνται για πρωτογενή μη απομονωμένο φιλτράρισμα εξόδου.

Ένα σημαντικό συστατικό είναι το T1. Είναι ένας συζευγμένος επαγωγέας με έναν επαγωγέα 60uH και στις δύο πλευρές, πρωτεύων και δευτερεύων. Μπορούμε να επιλέξουμε οποιονδήποτε άλλο επαγωγέα ή σεπικό επαγωγέα με τις ακόλουθες προδιαγραφές-

1. Αναλογία στροφών SEC: PRI = 1,5: 1
2. Επαγωγή = 60uH
3. Ρεύμα κορεσμού = 840mA
4. DC Resistance PRIMARY = 0,071 Ohms
5. DC Resistance SECONDARY = 0,211 Ohms
6. Συχνότητα = 150 kHz

Το C3 χρησιμοποιείται για τη σταθερότητα του EMI. D1 είναι η προς τα εμπρός δίοδος που μετατρέπει την έξοδο και C1, C2 είναι τα καπάκια φίλτρου, το R2 είναι το ελάχιστο φορτίο που απαιτείται για την εκκίνηση.

Όσοι θέλουν να κάνουν το τροφοδοτικό για προσαρμοσμένες προδιαγραφές και θέλουν να υπολογίσουν την τιμή, ο κατασκευαστής παρέχει εξαιρετικό εργαλείο Excel όπου απλά τοποθετείτε τα δεδομένα και το excel θα υπολογίσει την τιμή των εξαρτημάτων ανάλογα με τους τύπους που παρέχονται στο φύλλο δεδομένων.

Ο κατασκευαστής παρείχε επίσης το μοντέλο μπαχαρικών καθώς και πλήρες σχηματικό σχήμα που μπορεί να προσομοιωθεί χρησιμοποιώντας το εργαλείο προσομοίωσης TINA-TI με βάση το SPICE του Texas Instrument. Ακολουθεί το Σχέδιο που σχεδιάστηκε χρησιμοποιώντας το εργαλείο TINA-TI που παρέχεται από τον κατασκευαστή.

Το αποτέλεσμα προσομοίωσης μπορεί να εμφανιστεί στην επόμενη εικόνα όπου μπορεί να εμφανιστεί τέλειο ρεύμα φορτίου και τάση-