Flyback-omvandlare krets

I elektronik är en regulator en anordning eller mekanism som kan reglera effektutgången hela tiden. Det finns olika typer av regulatorer tillgängliga i strömförsörjningsdomänen. Men främst, när det gäller DC till DC-omvandling, finns det två typer av regulatorer tillgängliga: Linjär eller Switching.

En linjär regulator reglerar utgången med hjälp av ett resistivt spänningsfall. På grund av detta ger linjära regulatorer lägre effektivitet och tappar kraft i form av värme. Den omkopplingsregulator användning induktor, Diod, och en strömbrytare för att energiöverföring från dess källa till utgången.

Typer av växlingsregulator

Det finns tre typer av omkopplingsregulatorer tillgängliga.

1. Steg-upp-omvandlare (Boost Regulator)

2. Steg-ner-omvandlare (Buck regulator)

3. Flyback-omvandlare (isolerad regulator)

Vi har redan förklarat kretsen för Boost Regulator och Buck Regulator. I denna handledning kommer vi att beskriva Flyback Regulator- kretsen.

Den Skillnaden mellan bock och boost-regulator är, i buck regulator placeringen av induktorn, dioden och omkopplingskretsen är annorlunda än den boost-regulator. Vid boostregulator är utspänningen också högre än ingångsspänningen, men i buckregulator kommer utspänningen att vara lägre än ingångsspänningen. En buck-topologi eller buck-omvandlare är en av de mest använda grundläggande topologi som används i SMPS. Det är ett populärt val där vi behöver konvertera en högre spänning till en lägre utspänning.

Förutom dessa regulatorer finns det en annan regulator som är ett populärt val bland alla designers, som är Flyback-regulator eller Flyback-omvandlare. Detta är en mångsidig topologi som kan användas där flera utgångar behövs från en enda utmatning. Inte bara det, en flyback-topologi gör det möjligt för designern att ändra polariteten på utmatningen samtidigt. Till exempel kan vi skapa + 5V, + 9V och -9V utgång från en enda omvandlarmodul. Omvandlingseffektiviteten är hög i båda fallen.

En annan sak i Flyback-omvandlaren är den elektriska isoleringen i både ingång och utgång. Varför behöver vi isolering? I vissa speciella fall, för att minimera effektbruset och säkerhetsrelaterade operationer, behöver vi en isolerad operation, där ingångskällan är helt isolerad från utgångskällan. Låt oss utforska grundläggande flyback-operation för enstaka utdata.

Kretsdrift av Flyback Converter

Om vi ​​ser den grundläggande enkelbackutgångsdesignen som bilden nedan kommer vi att identifiera de grundläggande huvudkomponenter som krävs för att bygga en.

En grundläggande flyback-omvandlare kräver en omkopplare som kan vara en FET eller transistor, en transformator, en utgångsdiod, en kondensator.

Det viktigaste är transformatorn. Vi måste förstå hur en transformator fungerar korrekt innan vi förstår den faktiska kretsfunktionen.

Transformatorn består av minst två induktorer, så kallade sekundära och primära spolar, lindade i en spolbildare med en kärna däremellan. Kärnan bestämmer flödestätheten som är en viktig parameter för att överföra elektrisk energi från en lindning till en annan. En annan viktigast sak är transformatorfasningen, de punkter som visas i primär- och sekundärlindningen.

Som vi kan se är också en PWM-signal ansluten över transistoromkopplaren. Det beror på frekvensen för att stänga av och slå på tid för omkopplaren. PWM står för Pulse Width-moduleringsteknik.

I Flyback-regulatorn är det två kretsdrift, en är påkopplingsfas när transformatorns primärlindning laddas upp, och en annan är avstängd eller transformatorns överföringsfas när den elektriska energin överförs från primär till sekundär och äntligen till lasten.

Om vi ​​antar att strömbrytaren har stängts av under lång tid är strömmen i kretsen 0 och det finns ingen spänning närvarande.

I denna situation, Om strömbrytaren är PÅ ökar strömmen och induktorn skapar ett spänningsfall, vilket är punktnegativt eftersom spänningen är mer negativ över den primära prickade änden. Under denna situation flyter energin till sekundären på grund av det flöde som genereras i kärnan. På sekundärspolen skapas en spänning med samma polaritet men spänningen är direkt proportionell mot förhållandet sekundär till primär spolvarv. På grund av den negativa spänningen stängs dioden av och ingen ström kommer att strömma i sekundärströmmen. Om kondensatorn laddades i föregående avstängningscykel kommer utgångskondensatorn endast att ge utströmmen till belastningen.

I nästa steg, när strömbrytaren stängs av, minskar strömflödet över primär och därmed blir den sekundära punktänden mer positiv. Samma som föregående switch ON-steg, skapar primärspänningspolariteten samma polaritet även på sekundären, medan sekundärspänningen är proportionell med primär- och sekundärlindningsförhållandet. På grund av punktens positiva ände slås dioden på och transformatorns sekundära induktor ger ström till utgångskondensatorn och belastningen. Kondensatorn förlorade laddningen i PÅ-cykeln, nu fylls den på nytt och kan ge laddström till belastningen under PÅ-tiden.

Under hela PÅ- och AV-cykeln fanns det inga elektriska anslutningar mellan ingångsströmförsörjning till utgångskällan. Således isolerar transformatorn in- och utgången.

Det finns två driftsätt beroende på till- och frånkoppling. Flyback-omvandlare kan fungera i kontinuerligt eller diskontinuerligt läge.

I kontinuerligt läge, före primärladdningen, går strömmen till noll, cykeln upprepas. Å andra sidan, i diskontinuerligt läge, börjar nästa cykel bara när den primära induktansströmmen går till noll.

Effektivitet

Om vi ​​nu undersöker effektiviteten, vilket är förhållandet mellan utgång och ingångseffekt:

(Pout / Pin) x 100%

Eftersom energi inte kan skapas eller förstöras kan den bara omvandlas, de flesta elektriska energier förlorar oanvända krafter till värme. Det finns inte heller någon ideal situation på det praktiska området. Effektivitet är en stor faktor för val av spänningsregulatorer.

En av de viktigaste effektförlustfaktorerna för en omkopplingsregulator är dioden. Framspänningsfallet multiplicerat med ström (Vf xi) är den oanvända wattomvandlingen som omvandlas till värme och minskar effektiviteten hos omkopplingsregulatorns krets. Det är också tilläggskostnaden för kretsarna för värme- / värmehanteringsteknik som att använda en kylfläns eller fläktar för att kyla ned kretsarna från försvunnen värme. Inte bara framspänningsfallet, omvänd återhämtning för kiseldioder ger också onödig strömförlust och minskning av den totala effektiviteten.

Ett av de bästa sätten att undvika en standardåtervinningsdiod är att använda Schottky-dioder som har lågt spänningsfall framåt och bättre omvänd återhämtning. I en annan aspekt har omkopplaren bytt till modern MOSFET-design där effektiviteten förbättras i ett kompakt och mindre paket.

Trots det faktum att växlingsregulatorer har högre effektivitet, stationär designteknik, mindre komponent, är de bullriga än en linjär regulator men de är fortfarande mycket populära.

Exempel på design av Flyback-omvandlare med LM5160

Vi skulle använda en flyback-topologi från Texas Instruments. Kretsen kan finnas i databladet.

Den LM5160 består följande funktioner-

• Brett 4.5V till 65V ingångsspänningsområde
• Integrerade omkopplare på höga och låga sidor
  • Ingen extern Schottky-diod krävs
• 2-A maximal belastningsström
• Adaptiv konstant tidsstyrning
  • Ingen extern slingkompensation
  • Snabbt övergående svar
• Valbar tvångs PWM- eller DCM-funktion
  • FPWM stöder Fly-Buck med flera utgångar
• Nästan konstant omkopplingsfrekvens
  • Motstånd Justerbar upp till 1 MHz
• Programmera mjuk starttid
• Förutbestämd start
• ± 1% återkopplingsspänningsreferens
• LM5160A Tillåter extern VCC-förspänning
• Inneboende skyddsfunktioner för robust design
  • Skydd mot toppströmbegränsning
  • Justerbar ingång UVLO och hysteres
  • VCC och Gate Drive UVLO-skydd
  • Termiskt avstängningsskydd med hysteres
• Skapa en anpassad design med LM5160A med WEBENCH® Power Designer

Den stöder ett brett ingångsspänningsområde från 4,5V till 70V som ingång och ger 2A utgångsström. Vi kan också välja de PWM- eller DCM-operationer som krävs.

Pinout av LM5160

IC finns inte på DIP-paket eller en lätt lödbar version, även om det är ett problem men IC sparar mycket PCB-utrymme samt en högre termisk prestanda över PCB-kylfläns. Stiftdiagrammet visas i bilden ovan.

Absolut högsta betyg

Vi måste vara försiktiga med IC: s absoluta maximala betyg.

SS- och FB-stiftet har låg spänningstolerans.

Flyback Converter Circuit Diagram och arbete

Genom att använda denna LM5160 simulerar vi en 12V isolerad strömförsörjning baserat på följande specifikation. Vi valde kretsen eftersom allt finns tillgängligt på tillverkarens webbplats.

Schemat använder många komponenter men det är inte komplicerat att förstå. C6, C7 och C8 på ingången används för filtrering av ingångsförsörjningen. Medan R6 och R10 används för spänningsrelaterade ändamål. R7-motståndet är för On Time-relaterat syfte. Denna stift är programmerbar med ett enkelt motstånd. C13 kondensator ansluten över SS-stiftet är en mjukstartkondensator. AGND (Analog Ground) och PGND (Power Ground) och PAD är ansluten till GND-nätet. På höger sida är C5, 0,01 uF kondensator en Bootstrap kondensator som används för förspänning av gate-drivrutinen. R4, C4 och C9 är krusningsfiltret där R8 och R9 tillhandahåller återkopplingsspänningen till återkopplingsstiftet på LM5160. Dessa två motståndsrationer bestämmer utspänningen. C10 och C11 används för primär icke isolerad utfiltrering.

En viktig komponent är T1. Det är en kopplad induktor med en 60uH induktor på båda sidor, primär och sekundär. Vi kan välja vilken som helst annan kopplad induktor eller sepic-induktor med följande specifikation-

1. Vänder förhållande SEC: PRI = 1,5: 1
2. Induktans = 60uH
3. Mättnadsström = 840mA
4. DC-motstånd PRIMÄR = 0,071 ohm
5. DC-motstånd SEKONDÄR = 0,211 ohm
6. Freq = 150 kHz

C3 används för EMI-stabilitet. D1 är den främre dioden som omvandlar utgången och C1, C2 är filterlocken, R2 är den minsta belastning som krävs för igångsättningen.

De som vill göra strömförsörjningen för anpassade specifikationer och vill beräkna värdet, tillverkaren tillhandahåller ett utmärkt Excel-verktyg där du helt enkelt lägger in data och excel beräknar komponentvärdet beroende på formlerna i databladet.

Tillverkaren har också tillhandahållit kryddmodellen samt ett komplett schema som kan simuleras med Texas Instruments eget SPICE-baserade simuleringsverktyg TINA-TI. Nedan visas schemat som ritats med TINA-TI-verktyget från tillverkaren.

Simuleringsresultatet kan visas i nästa bild där perfekt belastningsström och spänning kan visas-