Flyback konverter kredsløb

I elektronik er en regulator en enhed eller mekanisme, der konstant kan regulere effektudgangen. Der findes forskellige typer regulatorer inden for strømforsyningsdomænet. Men hovedsageligt i tilfælde af DC til DC-konvertering er der to typer regulatorer til rådighed: Lineær eller Switching.

En lineær regulator regulerer output ved hjælp af et resistivt spændingsfald. På grund af dette giver lineære regulatorer lavere effektivitet og mister strøm i form af varme. Den switching regulator brug inductor, Diode, og en strømafbryder til energioverførsel fra dens udspring til udgangen.

Typer af skifteregulator

Der er tre typer omskifteregulatorer til rådighed.

1. Step-up konverter (Boost Regulator)

2. Step-Down konverter (Buck regulator)

3. Flyback-konverter (isoleret regulator)

Vi har allerede forklaret Boost Regulator og Buck Regulator kredsløb. I denne vejledning beskriver vi Flyback Regulator- kredsløbet.

Den Forskellen mellem buck og boost regulator er i buck regulator placeringen af induktoren, diode og omskifterkredsløbet er anderledes end boost regulator. I tilfælde af boost-regulator er udgangsspændingen også højere end indgangsspændingen, men i buck-regulatoren vil udgangsspændingen være lavere end indgangsspændingen. En buck-topologi eller buck-konverter er en af ​​de mest anvendte grundlæggende topologier, der anvendes i SMPS. Det er et populært valg, hvor vi har brug for at konvertere en højere spænding til en lavere udgangsspænding.

Bortset fra disse regulatorer findes der en anden regulator, som er et populært valg blandt alle designere, som er Flyback regulator eller Flyback converter. Dette er en alsidig topologi, der kan bruges, hvor der er behov for flere output fra en enkelt outputforsyning. Ikke kun det, en flyback-topologi gør det muligt for designeren at ændre polariteten af ​​output på samme tid. For eksempel kan vi oprette + 5V, + 9V og -9V output fra et enkelt konvertermodul. Konverteringseffektiviteten er høj i begge tilfælde.

En anden ting i Flyback-konverter er den elektriske isolering i både input og output. Hvorfor har vi brug for isolation? I nogle specielle tilfælde har vi brug for en isoleret operation for at minimere strømstøj og sikkerhedsrelaterede operationer, hvor inputkilden er fuldstændig isoleret fra outputkilden. Lad os undersøge grundlæggende singleback-flyback-operation.

Kredsløbsdrift af Flyback Converter

Hvis vi ser det grundlæggende single-output flyback-design som billedet nedenfor, identificerer vi de grundlæggende hovedkomponenter, der kræves for at bygge en.

En grundlæggende flyback-konverter kræver en switch, som kan være en FET eller transistor, en transformer, en udgangsdiode, en kondensator.

Det vigtigste er transformeren. Vi er nødt til at forstå, hvordan en transformer fungerer korrekt, før vi forstår den faktiske kredsløbsoperation.

Transformatoren består af mindst to induktorer, kendt som sekundær og primær spole, viklet op i en spoledannelse med en kerne imellem. Kernen bestemmer fluxdensiteten, som er en vigtig parameter til overførsel af elektrisk energi fra den ene vikling til den anden. En anden vigtigst ting er transformerfasningen, de prikker, der vises i den primære og sekundære vikling.

Som vi kan se, er et PWM-signal også forbundet over transistoromskifteren. Det skyldes hyppigheden for at slukke og tænde for kontakten. PWM står for pulsbreddemodulationsteknik.

I Flyback-regulator er der to kredsløb, den ene er tændingsfase, når transformatorens primære vikling er opladet, og en anden er slukket, eller transformerens overførselsfase, når den elektriske energi overføres fra primær til sekundær og endelig til belastningen.

Hvis vi antager, at kontakten har været slukket i lang tid, er strømmen i kredsløbet 0, og der er ingen spænding til stede.

I denne situation, hvis kontakten er tændt, vil strømmen stige, og induktoren vil skabe et spændingsfald, som er priknegativt, da spændingen er mere negativ over den primære stiplede ende. I denne situation strømmer energien til den sekundære på grund af strømmen genereret i kernen. På den sekundære spole oprettes en spænding i samme polaritet, men spændingen er direkte proportional med forholdet mellem sekundær og primær spoleomdrejning. På grund af punktnegativ spænding slukkes dioden, og der strømmer ikke strøm i sekundærstrømmen. Hvis kondensatoren blev opladet i den forrige tænd / sluk-cyklus, leverer udgangskondensatoren kun udgangsstrømmen til belastningen.

På det næste trin, når kontakten er slukket, reduceres strømmen over primær og dermed bliver den sekundære prikende mere positiv. Samme som det forrige tændt-trin, skaber den primære spændingspolaritet også den samme polaritet på den sekundære, mens den sekundære spænding er proportional med det primære og sekundære viklingsforhold. På grund af den positive punkt ende bliver dioden tændt, og transformatorens sekundære induktor giver strøm til udgangskondensatoren og belastningen. Kondensatoren mistede opladningen i ON-cyklus, nu genopfyldes den igen og er i stand til at give ladestrøm til belastningen under tændtiden.

I hele TÆND- og SLUK-cyklussen var der ingen elektriske forbindelser mellem indgangsforsyning til udgangsstrømkilden. Transformatoren isolerer således input og output.

Der er to driftsformer afhængigt af tænde og slukke for timingen. Flyback-konverter kan fungere i kontinuerlig eller diskontinuerlig tilstand.

I kontinuerlig tilstand, før den primære opladning, går strømmen til nul, cyklus gentages. På den anden side begynder den næste cyklus i diskontinuerlig tilstand kun, når den primære induktorstrøm går til nul.

Effektivitet

Nu, hvis vi undersøger effektiviteten, som er forholdet mellem output og inputeffekt:

(Pout / Pin) x 100%

Da energi ikke kan skabes eller ødelægges, kan den kun omdannes, de fleste elektriske energier mister ubrugte kræfter til varme. Der er heller ingen ideel situation på det praktiske område. Effektivitet er en stor faktor for valg af spændingsregulatorer.

En af de vigtigste effekttabfaktorer for en koblingsregulator er dioden. Fremspændingsfaldet ganget med strøm (Vf xi) er det ubrugte wattforbrug, der omdannes til varme og reducerer effektiviteten af ​​koblingsreguleringskredsløbet. Det er også de ekstra omkostninger for kredsløbet for termisk / varmestyringsteknik som at bruge en kølelegeme eller Ventilatorer til at afkøle kredsløbet fra spredt varme. Ikke kun det fremadrettede spændingsfald, omvendt opsving for siliciumdioder, producerer også unødvendigt effekttab og reduktion af den samlede effektivitet.

En af de bedste måder at undgå en standardgenoprettelsesdiode er at bruge Schottky-dioder, der har lavt spændingsfald fremad og bedre omvendt genopretning. I et andet aspekt er kontakten blevet ændret til moderne MOSFET-design, hvor effektiviteten forbedres i en kompakt og mindre pakke.

På trods af at skiftende regulatorer har højere effektivitet, stationær designteknik, mindre komponent, er de støjende end en lineær regulator, men de er stadig meget populære.

Eksempel på design af Flyback Converter ved hjælp af LM5160

Vi bruger en flyback-topologi fra Texas Instruments. Kredsløbet kan være tilgængeligt i databladet.

Den LM5160 består følgende funktioner-

• Bredt 4,5V til 65V indgangsspændingsområde
• Integrerede switche til høj og lav side
  • Ingen ekstern Schottky-diode påkrævet
• 2-A maksimal belastningsstrøm
• Adaptiv konstant tidskontrol
  • Ingen ekstern løkkekompensation
  • Hurtigt forbigående respons
• Valgbar tvungen PWM- eller DCM-drift
  • FPWM Understøtter multi-output Fly-Buck
• Næsten konstant skiftefrekvens
  • Modstand Justerbar op til 1 MHz
• Program blød starttid
• Forudindtaget opstart
• ± 1% feedback spændingsreference
• LM5160A Tillader ekstern VCC-bias
• Iboende beskyttelsesfunktioner til robust design
  • Beskyttelse mod maksimal strømbegrænsning
  • Justerbar input UVLO og hysterese
  • VCC og Gate Drive UVLO-beskyttelse
  • Beskyttelse mod termisk nedlukning med hysterese
• Opret et brugerdefineret design ved hjælp af LM5160A med WEBENCH® Power Designer

Den understøtter et bredt indgangsspændingsområde fra 4,5V til 70V som input og giver 2A udgangsstrøm. Vi kan også vælge de tvangsmæssige PWM- eller DCM-operationer.

Pinout af LM5160

IC'en er ikke tilgængelig ved DIP-pakke eller en let loddelig version, selvom det er et problem, men IC sparer meget PCB-plads samt en større termisk ydeevne i forhold til PCB-kølelegemet. Stiftdiagrammet er vist i ovenstående billede.

Absolutte maksimale vurderinger

Vi skal være forsigtige med den absolutte maksimale vurdering af IC.

SS- og FB-stiften har lav spændingstolerance.

Flyback Converter Circuit Diagram og arbejde

Ved at bruge denne LM5160 simulerer vi en 12V isoleret strømforsyning baseret på følgende specifikation. Vi valgte kredsløbet, da alt er tilgængeligt på producentens websted.

Skematisk bruger masser af komponenter, men det er ikke kompliceret at forstå. C6, C7 og C8 på indgangen bruges til filtrering af indgangsforsyningen. Mens R6 og R10 bruges til de spændingsrelaterede formål under spænding. R7-modstanden er til det tidsmæssige formål. Denne pin kan programmeres ved hjælp af en simpel modstand. C13 kondensator forbundet over SS-stiften er en soft start kondensator. AGND (Analog Ground) og PGND (Power Ground) og PAD er forbundet med forsyningen GND. På højre side er C5, 0,01 uF kondensator en Bootstrap kondensator, der bruges til forspænding af portdriveren. R4, C4 og C9 er krusningsfilteret, hvor R8 og R9 leverer feedback-spændingen til feedback-stiften på LM5160. Denne to modstandsrationer bestemmer udgangsspændingen. C10 og C11 bruges til primær ikke-isoleret outputfiltrering.

En hovedkomponent er T1. Det er en koblet spole med en 60uH spole på begge sider, primær og sekundær. Vi kan vælge en hvilken som helst anden koblet induktor eller sepic-induktor med følgende specifikation-

1. Drejer forhold SEC: PRI = 1,5: 1
2. Induktans = 60uH
3. Mætningsstrøm = 840mA
4. DC-modstand PRIMÆR = 0,071 ohm
5. DC-modstand SEKONDÆR = 0,211 ohm
6. Freq = 150 kHz

C3 bruges til EMI-stabilitet. D1 er den forreste diode, der konverterer output og C1, C2 er filterhætterne, R2 er den mindste belastning, der kræves til opstart.

Dem, der ønsker at fremstille strømforsyningen til brugerdefinerede specifikationer og ønsker at beregne værdien, producenten leverer et fremragende Excel-værktøj, hvor du bare lægger dataene, og excel beregner komponentværdien afhængigt af formlerne i databladet.

Producenten har også leveret krydderimodellen samt komplet skematisk, som kan simuleres ved hjælp af Texas Instruments eget SPICE-baserede simuleringsværktøj TINA-TI. Nedenfor er skematisk tegnet med TINA-TI-værktøj leveret af producenten.

Simuleringsresultatet kan vises i det næste billede, hvor perfekt belastningsstrøm og spænding kan vises-