Flyback dönüştürücü devresi

Elektronikte regülatör, güç çıkışını sürekli olarak düzenleyebilen bir cihaz veya mekanizmadır. Güç kaynağı alanında farklı türde düzenleyiciler bulunmaktadır. Ancak esas olarak, DC'den DC'ye dönüştürme durumunda, iki tür düzenleyici mevcuttur: Doğrusal veya Anahtarlama.

Bir lineer regülatör dirençli bir voltaj düşüşü ile çıkış düzenler. Bu Doğrusal regülatörler sayesinde daha düşük verim sağlar ve ısı şeklinde güç kaybeder. Geçiş düzenleyici kullanımı bobin, diyot ve çıkışı için kaynağından enerjinin transfer etmek için bir güç şalteri.

Anahtarlama Regülatörü Türleri

Üç tür anahtarlama regülatörü mevcuttur.

1. Yükseltici dönüştürücü (Yükseltme Düzenleyici)

2. Kademeli dönüştürücü (Buck regülatörü)

3. Flyback Dönüştürücü (İzole Regülatör)

Boost Regulator ve Buck Regulator devresini zaten açıkladık. Bu eğitimde Flyback Regulator devresini anlatacağız.

Direnç ve takviye regülatörü arasında bir fark kova regülatöründe, bobin, diyotun yerleştirilmesi ve sviçleme devresi takviye regülatörü farklıdır. Ayrıca, boost regülatörü durumunda çıkış voltajı giriş voltajından daha yüksektir, ancak buck regülatörde çıkış voltajı giriş voltajından daha düşük olacaktır. Bir buck topolojisi veya buck dönüştürücü, SMPS'de kullanılan en çok kullanılan temel topolojilerden biridir. Daha yüksek bir voltajı daha düşük bir çıkış voltajına dönüştürmemiz gereken popüler bir seçimdir.

Bu düzenleyiciler dışında, tüm tasarımcılar arasında popüler bir seçim olan Flyback düzenleyici veya Flyback dönüştürücü olan başka bir düzenleyici daha var. Bu, tek bir çıkış kaynağından çok sayıda çıkışın gerekli olduğu durumlarda kullanılabilen çok yönlü bir topolojidir. Sadece bu da değil, geri tepme topolojisi, tasarımcının aynı zamanda çıktının polaritesini değiştirmesine izin verir. Örneğin tek bir dönüştürücü modülden + 5V, + 9V ve -9V çıkış oluşturabiliriz. Her iki durumda da dönüşüm verimliliği yüksektir.

Flyback dönüştürücüdeki diğer bir şey, hem giriş hem de çıkıştaki elektriksel izolasyondur. Neden izolasyona ihtiyacımız var? Bazı özel durumlarda, güç gürültüsünü ve güvenlikle ilgili işlemleri en aza indirmek için, giriş kaynağının çıkış kaynağından tamamen izole edildiği izole bir işleme ihtiyacımız vardır. Temel tek çıktı geri dönüş işlemini inceleyelim.

Flyback Dönüştürücünün Devre Çalışması

Aşağıdaki resimdeki gibi temel tek çıktı geri dönüş tasarımını görürsek, bir tane oluşturmak için gerekli olan temel ana bileşenleri tanımlayacağız.

Temel bir geri dönüş dönüştürücü, bir FET veya transistör, bir Transformatör, bir çıkış Diyotu, bir Kapasitör olabilen bir anahtar gerektirir.

Ana şey transformatör. Gerçek devre çalışmasını anlamadan önce bir transformatörün düzgün çalışmasını anlamamız gerekir.

Transformatör, ikincil ve birincil bobin olarak bilinen, aralarında bir çekirdek bulunan bir bobin oluşturucuya sarılmış minimum iki indüktörden oluşur. Çekirdek, elektrik enerjisinin bir sargıdan diğerine aktarılması için önemli bir parametre olan akı yoğunluğunu belirler. Bir diğer en önemli şey, transformatör fazlamasıdır, birincil ve ikincil sargıda gösterilen noktalar.

Ayrıca, gördüğümüz gibi, transistör anahtarına bir PWM sinyali bağlanır. Anahtarın kapanma ve açma zamanının sıklığından kaynaklanmaktadır. PWM, Darbe Genişliği modülasyon tekniğinin kısaltmasıdır.

Geri dönüş regülatöründe iki devreli çalışma vardır; Biri, transformatörün birincil sargısı şarj olduğunda Açma fazı, diğeri ise elektrik enerjisi primerden sekondere aktarıldığında transformatörün Aktarma fazı ve nihayet yüke.

Anahtarın uzun bir süre KAPALI konumda olduğunu varsayarsak, devredeki akım 0'dır ve voltaj yoktur.

Bu durumda, eğer anahtar AÇIK konuma getirilirse, akım artacaktır ve indüktör, birincil noktalı uçta voltaj daha negatif olduğundan nokta negatif olan bir voltaj düşüşü yaratacaktır. Bu durumda, çekirdekte üretilen akı nedeniyle enerji ikincil akıma akar. İkincil bobinde, aynı polaritede bir voltaj oluşturulur, ancak voltaj, İkincil ila Birincil bobin dönüş oranı ile doğru orantılıdır. Nokta negatif voltaj nedeniyle, diyot kapanır ve sekonderde akım akmaz. Kapasitör önceki KAPALI-AÇIK çevrimi sırasında şarj edilmişse, çıkış kapasitörü yüke yalnızca çıkış akımı sağlayacaktır.

Bir sonraki aşamada, anahtar kapatıldığında, birincil üzerindeki akım akışı azalır ve böylece ikincil nokta ucu daha pozitif hale gelir. Önceki AÇIK anahtar aşamasıyla aynı, birincil voltaj polaritesi ikincilde de aynı polariteyi yaratırken, ikincil voltaj birincil ve ikincil sargı oranı ile orantılıdır. Nokta pozitif uç nedeniyle, diyot açılır ve transformatörün ikincil indüktörü çıkış kondansatörüne ve yüke akım sağlar. Kondansatör AÇIK çevrimde şarjını kaybetti, şimdi tekrar dolduruldu ve AÇIK konuma geçme süresi boyunca yüke şarj akımı sağlayabilir.

Tüm Açma ve Kapatma döngüsünde, giriş güç kaynağı ile çıkış güç kaynağı arasında hiçbir elektrik bağlantısı mevcut değildi. Böylece, transformatör Giriş ve Çıkışı izole eder.

Açma ve kapama zamanlamasına bağlı olarak iki çalışma modu vardır. Geri dönüş dönüştürücü, sürekli modda veya kesintili modda çalışabilir.

Gelen sürekli modda, İlköğretim öncesinde olmak üzere, şimdiki Zero, döngü tekrar gider. Öte yandan, süreksiz modda, bir sonraki döngü yalnızca birincil indüktör akımı Sıfıra gittiğinde başlar.

Verimlilik

Şimdi, çıktının giriş gücüne oranı olan verimliliği araştırırsak:

(Pout / Pin) x% 100

Enerji yaratılamadığı veya yok edilemediği için, yalnızca dönüştürülebildiğinden, çoğu elektrik enerjisi kullanılmayan güçleri ısıya dönüştürür. Ayrıca pratik alanda ideal bir durum yoktur. Verimlilik, Voltaj regülatörlerini seçmek için büyük bir faktördür.

Bir anahtarlama regülatörü için ana güç kaybı faktörlerinden biri diyottur. Akımla çarpılan ileri voltaj düşüşü (Vf xi), ısıya dönüştürülen ve anahtarlama regülatör devresinin verimliliğini azaltan kullanılmayan watt değeridir. Ayrıca, bir soğutma bloğu kullanmak gibi termal / ısı yönetimi tekniklerinin veya devreyi dağıtılan ısıdan soğutmak için Fanlar için devre için ek maliyettir. Sadece ileri voltaj düşüşü değil, silikon diyotlar için ters geri kazanım da gereksiz güç kaybına ve genel verimliliğin azalmasına neden olur.

Standart bir kurtarma diyotundan kaçınmanın en iyi yollarından biri, düşük ileri voltaj düşüşüne ve daha iyi geri kazanıma sahip Schottky diyotlarını kullanmaktır. Başka bir açıdan, anahtar, kompakt ve daha küçük bir pakette verimliliğin artırıldığı modern MOSFET tasarımına değiştirildi.

Anahtarlamalı Regülatörlerin daha yüksek verime, sabit tasarım tekniğine, daha küçük bileşene sahip olmasına rağmen, lineer bir regülatörden daha gürültülü olmalarına rağmen yine de oldukça popülerdirler.

LM5160 kullanan Flyback Converter Örnek Tasarımı

Texas Instruments'dan bir geri dönüş topolojisi kullanırdık. Devre, veri sayfasında bulunabilir.

LM5160 özellikleri-şu oluşmaktadır

• Geniş 4.5V - 65V Giriş Voltaj Aralığı
• Entegre Yüksek Taraf ve Düşük Taraf Anahtarları
  • Harici Schottky Diyotuna Gerek Yok
• 2-A Maksimum Yük Akımı
• Uyarlanabilir Sabit Zamanında Kontrol
  • Harici Döngü Telafisi Yok
  • Hızlı Geçici Yanıt
• Seçilebilir Zorunlu PWM veya DCM İşlemi
  • FPWM, Çok Çıkışlı Fly-Buck'ı Destekler
• Neredeyse Sabit Anahtarlama Frekansı
  • 1 MHz'e Kadar Ayarlanabilir Direnç
• Program Yumuşak Başlama Zamanı
• Ön Taraflı Başlangıç
• ±% 1 Geri Besleme Gerilimi Referansı
• LM5160A Harici VCC Sapmasına İzin Verir
• Sağlam Tasarım için Doğal Koruma Özellikleri
  • Tepe Akımı Sınırlama Koruması
  • Ayarlanabilir Giriş UVLO ve Histeresiz
  • VCC ve Gate Drive UVLO Koruması
  • Histerisiz Termal Kapatma Koruması
• WEBENCH® Power Designer ile LM5160A Kullanarak Özel Bir Tasarım Oluşturun

Giriş olarak 4,5V ile 70V arasında geniş bir giriş voltaj aralığını destekler ve 2A çıkış akımı sağlar. Zorunlu PWM veya DCM işlemlerini de seçebiliriz.

LM5160'ın pin çıkışı

IC, DIP paketinde veya kolay lehimlenebilir bir versiyonda mevcut değildir, ancak bu bir problemdir, ancak IC, PCB ısı bloğuna göre daha büyük bir termal performansın yanı sıra çok fazla PCB alanı tasarrufu sağlar. Pim diyagramı yukarıdaki resimde gösterilmektedir.

Mutlak Maksimum Puanlar

IC'nin mutlak maksimum derecesi konusunda dikkatli olmalıyız.

SS ve FB pini düşük voltaj toleransına sahiptir.

Flyback Dönüştürücü Devre Şeması ve çalışma

Bu LM5160'ı kullanarak aşağıdaki spesifikasyona göre 12V izole edilmiş bir güç kaynağını simüle edeceğiz. Devreyi, üreticinin web sitesinde her şey mevcut olduğundan seçtik.

Şema bol miktarda bileşen kullanır, ancak anlaşılması karmaşık değildir. Girişteki C6, C7 ve C8, giriş kaynağının filtrelenmesi için kullanılır. R6 ve R10 ise Düşük voltaj kilitleme ile ilgili amaçlar için kullanılır. R7 direnci, Zamanla ilgili amaç içindir. Bu pin, basit bir direnç kullanılarak programlanabilir. SS pini boyunca bağlanan C13 kondansatörü, yumuşak başlangıç ​​kondansatörüdür. AGND (Analog Toprak) ve PGND (Güç Topraklama) ve PAD, GND kaynağına bağlanır. Sağ tarafta, C5, 0.01 uF kapasitör, kapı sürücüsünün ön gerilimini sağlamak için kullanılan bir Bootstrap kapasitördür. R4, C4 ve C9, LM5160'ın geri besleme pinine geri besleme voltajı sağlayan R8 ve R9 gibi dalgacık filtreleridir. Bu iki direnç oranı çıkış voltajını belirler. C10 ve C11, birincil yalıtımsız çıkış filtrelemesi için kullanılır.

Önemli bir bileşen T1'dir. Her iki tarafta, birincil ve ikincil 60uH indüktöre sahip birleştirilmiş bir indüktördür. Aşağıdaki özelliklere sahip başka bir bağlı indüktör veya sepik indüktör seçebiliriz.

1. Döndürme Oranı SEC: PRI = 1.5: 1
2. Endüktans = 60uH
3. Doygunluk Akımı = 840mA
4. DC Direnci BİRİNCİL = 0,071 Ohm
5. DC Direnci SEKONDER = 0.211 Ohm
6. Frekans = 150 kHz

EMI stabilitesi için C3 kullanılır. D1, çıkışı dönüştüren ileri diyottur ve C1, C2 filtre kapaklarıdır, R2 başlangıç ​​için gerekli minimum yüktür.

Özel spesifikasyonlar için güç kaynağı yapmak ve değeri hesaplamak isteyenler, üretici, sadece verileri koyduğunuz ve excel'in veri sayfasında sağlanan formüllere bağlı olarak bileşenlerin değerini hesaplayacağı mükemmel Excel aracı sağlar.

Üretici, Texas Instrument'ın kendi SPICE tabanlı simülasyon aracı TINA-TI kullanılarak simüle edilebilen baharat modelinin yanı sıra eksiksiz bir şema da sağlamıştır. Aşağıda, üretici tarafından sağlanan TINA-TI aracı kullanılarak çizilen Şema bulunmaktadır.

Simülasyon sonucu, mükemmel yük akımı ve voltajının gösterilebildiği bir sonraki görüntüde gösterilebilir.