Flyback-omzettercircuit

In de elektronica is een regelaar een apparaat of mechanisme dat het vermogen constant kan regelen. Er zijn verschillende soorten regelaars beschikbaar op het gebied van stroomvoorziening. Maar vooral, in het geval van DC naar DC-conversie, zijn er twee soorten regelaars beschikbaar: Lineair of Switching.

Een lineaire regelaar regelt de output met behulp van een resistieve spanningsval. Hierdoor zorgen lineaire regelaars voor een lager rendement en verliezen ze vermogen in de vorm van warmte. De schakelende regelaar gebruikt inductor, diode en een stroomschakelaar om energie van de bron naar de uitgang over te brengen.

Soorten schakelregelaars

Er zijn drie soorten schakelregelaars beschikbaar.

1. Step-up converter (Boost Regulator)

2. Step-Down-omzetter (Buck-regelaar)

3. Flyback-converter (geïsoleerde regelaar)

We hebben het Boost Regulator- en Buck Regulator-circuit al uitgelegd. In deze tutorial zullen we het Flyback Regulator- circuit beschrijven.

Het verschil tussen de buck en boost regulator is dat bij de buck regulator de plaatsing van inductor, diode en het schakelcircuit anders is dan bij de boost regulator. Ook in het geval van een boostregelaar is de uitgangsspanning hoger dan de ingangsspanning, maar in de buckregelaar zal de uitgangsspanning lager zijn dan de ingangsspanning. Een buck-topologie of buck-converter is een van de meest gebruikte basistopologieën die in SMPS wordt gebruikt. Het is een populaire keuze waarbij we een hogere spanning naar een lagere uitgangsspanning moeten converteren.

Naast deze regelaars bestaat er nog een andere regelaar die populair is bij alle ontwerpers, namelijk de Flyback-regelaar of de Flyback-converter. Dit is een veelzijdige topologie die kan worden gebruikt waar meerdere uitgangen nodig zijn van een enkele uitgang. Niet alleen dat, een flyback-topologie stelt de ontwerper in staat om de polariteit van de uitvoer tegelijkertijd te wijzigen. We kunnen bijvoorbeeld + 5V, + 9V en -9V uitvoer creëren vanuit een enkele convertormodule. Het omzettingsrendement is in beide gevallen hoog.

Een ander ding in de Flyback-omzetter is de elektrische isolatie in zowel invoer als uitvoer. Waarom hebben we isolatie nodig? In sommige speciale gevallen hebben we een geïsoleerde werking nodig, waarbij de ingangsbron volledig geïsoleerd is van de uitgangsbron, om de stroomruis tot een minimum te beperken en om veiligheidsgerelateerde operaties te minimaliseren. Laten we de standaard flyback-bewerking met enkele uitvoer bekijken.

Circuitwerking van Flyback-converter

Als we het standaard flyback-ontwerp met enkele uitvoer zien, zoals de afbeelding hieronder, zullen we de belangrijkste hoofdcomponenten identificeren die nodig zijn om er een te bouwen.

Een eenvoudige flyback-omzetter vereist een schakelaar, die een FET of transistor kan zijn, een transformator, een uitgangsdiode, een condensator.

Het belangrijkste is de transformator. We moeten de juiste werking van een transformator begrijpen voordat we de feitelijke werking van het circuit begrijpen.

De transformator bestaat uit minimaal twee inductoren, bekend als secundaire en primaire spoel, opgewikkeld in een spoelkoker met een kern ertussen. De kern bepaalt de fluxdichtheid, wat een belangrijke parameter is voor het overbrengen van elektrische energie van de ene wikkeling naar de andere. Een ander belangrijk ding is de fasering van de transformator, de stippen die worden weergegeven in de primaire en secundaire wikkeling.

Zoals we kunnen zien, is ook een PWM-signaal verbonden over de transistorschakelaar. Dit komt door de frequentie waarmee de schakelaar wordt uitgeschakeld en ingeschakeld. PWM staat voor Pulse Width-modulatietechniek.

In de Flyback-regelaar zijn er twee schakelingen: de ene is de inschakelfase wanneer de primaire wikkeling van de transformator is opgeladen en de andere is de uitschakelfase of de overdrachtsfase van de transformator wanneer de elektrische energie wordt overgedragen van de primaire naar de secundaire en eindelijk naar de lading.

Als we aannemen dat de schakelaar lange tijd UIT heeft gestaan, is de stroom in het circuit 0 en is er geen spanning aanwezig.

In deze situatie, als de schakelaar is ingeschakeld, zal de stroom toenemen en zal de inductor een spanningsval veroorzaken, die punt-negatief is naarmate de spanning negatiever is over het primaire gestippelde uiteinde. Tijdens deze situatie stroomt de energie naar de secundaire door de flux die in de kern wordt gegenereerd. Op de secundaire spoel wordt een spanning gecreëerd met dezelfde polariteit, maar de spanning is recht evenredig met de verhouding tussen secundaire en primaire spoelwindingen. Vanwege de negatieve puntspanning wordt de diode uitgeschakeld en loopt er geen stroom in de secundaire. Als de condensator in de vorige uitschakelcyclus is opgeladen, levert de uitgangscondensator alleen de uitgangsstroom aan de belasting.

In de allereerste fase, wanneer de schakelaar wordt uitgeschakeld, wordt de stroom over het primaire gedeelte verminderd, waardoor het secundaire puntuiteinde positiever wordt. Hetzelfde als de vorige inschakeltrap, de primaire spanningspolariteit creëert dezelfde polariteit ook op de secundaire spanning, terwijl de secundaire spanning evenredig is met de primaire en secundaire wikkelingsverhouding. Vanwege het positieve puntuiteinde wordt de diode ingeschakeld en levert de secundaire inductor van de transformator stroom aan de uitgangscondensator en de belasting. De condensator verloor de lading tijdens de AAN-cyclus, nu wordt hij opnieuw gevuld en kan hij laadstroom leveren aan de belasting tijdens de AAN-tijd.

In de gehele AAN- en UIT-cyclus waren er geen elektrische verbindingen tussen de ingangsvoeding en de uitgangsstroombron. De transformator isoleert dus de invoer en uitvoer.

Er zijn twee bedieningsmodi, afhankelijk van het tijdstip van in- en uitschakelen. Flyback-omzetter kan in continue modus of discontinue modus werken.

In continue modus, vóór de primaire lading, gaat de stroom naar nul, de cyclus wordt herhaald. Aan de andere kant begint in de discontinue modus de volgende cyclus pas wanneer de primaire inductorstroom naar nul gaat.

Efficiëntie

Als we nu de efficiëntie onderzoeken, de verhouding tussen output en inputvermogen:

(Steenbolk / speld) x 100%

Omdat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd, kan het alleen worden omgezet, de meeste elektrische energieën verliezen ongebruikte krachten in warmte. Ook in de praktijk is er geen ideale situatie. Efficiëntie is een grote factor bij het selecteren van spanningsregelaars.

Een van de belangrijkste factoren voor vermogensverlies voor een schakelende regelaar is de diode. De voorwaartse spanningsval vermenigvuldigd met stroom (Vf xi) is het ongebruikte wattage dat wordt omgezet in warmte en de efficiëntie van het schakelende regelcircuit vermindert. Het zijn ook de extra kosten voor het circuit voor thermische / warmtebeheertechnieken zoals het gebruik van een koellichaam of ventilatoren om het circuit af te koelen van gedissipeerde warmte. Niet alleen de voorwaartse spanningsval, omgekeerd herstel voor siliciumdiodes zorgt ook voor onnodig vermogensverlies en een vermindering van de algehele efficiëntie.

Een van de beste manieren om een ​​standaard hersteldiode te vermijden, is door Schottky-diodes te gebruiken met een lage voorwaartse spanningsval en een beter omgekeerd herstel. In een ander aspect is de schakelaar veranderd in een modern MOSFET-ontwerp waarbij de efficiëntie is verbeterd in een compact en kleiner pakket.

Ondanks het feit dat Switching Regulators een hogere efficiëntie hebben, een stationaire ontwerptechniek, een kleinere component, zijn ze luidruchtiger dan een lineaire regelaar, maar toch zijn ze erg populair.

Voorbeeldontwerp van Flyback-converter met LM5160

We zouden een flyback-topologie van Texas Instruments gebruiken. Het circuit is beschikbaar in de datasheet.

De LM5160 heeft de volgende kenmerken:

• Breed ingangsspanningsbereik van 4,5V tot 65V
• Geïntegreerde high-side en low-side schakelaars
  • Geen externe Schottky-diode vereist
• 2-A maximale laadstroom
• Adaptieve constante tijdregeling
  • Geen externe luscompensatie
  • Snelle voorbijgaande reactie
• Selecteerbare gedwongen PWM- of DCM-werking
  • FPWM Ondersteunt Fly-Buck met meerdere uitgangen
• Bijna constante schakelfrequentie
  • Weerstand instelbaar tot 1 MHz
• Programmeer de zachte starttijd
• Voorafgaande start
• ± 1% Feedbackspanningsreferentie
• LM5160A Staat externe VCC-bias toe
• Inherente beschermingsfuncties voor robuust ontwerp
  • Piekstroombeperkende bescherming
  • Instelbare ingang UVLO en hysterese
  • VCC en Gate Drive UVLO-bescherming
  • Thermische uitschakelbeveiliging met hysterese
• Maak een aangepast ontwerp met behulp van de LM5160A met de WEBENCH® Power Designer

Het ondersteunt een breed ingangsspanningsbereik van 4,5V tot 70V als ingang en levert 2A uitgangsstroom. We kunnen ook de gedwongen PWM- of DCM-operaties selecteren.

Pinout van LM5160

Het IC is niet verkrijgbaar bij een DIP-pakket of een eenvoudig soldeerbare versie, hoewel het een probleem is, maar het IC bespaart veel PCB-ruimte en levert betere thermische prestaties op dan het PCB-koellichaam. Het pin-diagram wordt getoond in de bovenstaande afbeelding.

Absolute maximale beoordelingen

We moeten voorzichtig zijn met de absolute maximale beoordeling van de IC.

De SS- en FB-pin hebben een lage spanningstolerantie.

Flyback-converter schakelschema en werkend

Door deze LM5160 te gebruiken, simuleren we een 12V geïsoleerde voeding op basis van de volgende specificaties. We kozen voor het circuit omdat alles beschikbaar is op de website van de fabrikant.

Het schema gebruikt veel componenten, maar het is niet ingewikkeld om te begrijpen. De C6, C7 en C8 op de ingang worden gebruikt voor filtratie van de ingangstoevoer. Terwijl R6 en R10 worden gebruikt voor de onderspanningsvergrendeling. De R7-weerstand is bedoeld voor tijdgerelateerde doeleinden. Deze pin is programmeerbaar met een eenvoudige weerstand. C13-condensator die over de SS-pin is aangesloten, is een soft-startcondensator. De AGND (Analog Ground) en PGND (Power Ground) en de PAD is verbonden met de voeding GND. Aan de rechterkant, C5, 0.01 uF condensator is een Bootstrap-condensator die wordt gebruikt voor de voorspanning van de gate-driver. R4, C4 en C9 zijn het rimpelfilter, terwijl R8 en R9 de feedbackspanning leveren aan de feedbackpin van de LM5160. Deze verhouding van twee weerstanden bepaalt de uitgangsspanning. C10 en C11 worden gebruikt voor primaire niet-geïsoleerde uitgangsfiltering.

Een belangrijk onderdeel is de T1. Het is een gekoppelde inductor met een 60uH inductor aan beide zijden, primair en secundair. We kunnen elke andere gekoppelde inductor of sepische inductor kiezen met de volgende specificatie-

1. Schakelt Ratio SEC: PRI = 1,5: 1 in
2. Zelfinductie = 60uH
3. Verzadigingsstroom = 840mA
4. DC-weerstand PRIMAIR = 0,071 Ohm
5. DC-weerstand SECUNDAIR = 0,211 Ohm
6. Freq = 150 kHz

C3 wordt gebruikt voor EMI-stabiliteit. D1 is de voorwaartse diode die de output omzet en C1, C2 zijn de filterkappen, R2 is de minimale belasting die nodig is voor het opstarten.

Degenen die de voeding willen maken voor aangepaste specificaties en de waarde willen berekenen, de fabrikant biedt een uitstekende Excel-tool waarbij u gewoon de gegevens plaatst en de Excel de componentenwaarde berekent, afhankelijk van de formules in het gegevensblad.

De fabrikant heeft ook het specerijenmodel geleverd, evenals een compleet schema dat kan worden gesimuleerd met behulp van Texas Instrument's eigen SPICE-gebaseerde simulatietool TINA-TI. Hieronder ziet u het schema dat is getekend met behulp van de TINA-TI-tool van de fabrikant.

Het simulatieresultaat kan worden weergegeven in de volgende afbeelding waar de perfecte belastingsstroom en spanning kunnen worden weergegeven-