Flyback converter circuit

Sa electronics, ang isang regulator ay isang aparato o mekanismo na maaaring regular na makontrol ang output ng lakas. Mayroong iba't ibang mga uri ng mga regulator na magagamit sa domain ng suplay ng kuryente. Ngunit higit sa lahat, sa kaso ng DC to DC conversion, mayroong dalawang uri ng mga regulator na magagamit: Linear o Switching.

Ang isang linear regulator ay kinokontrol ang output gamit ang isang resistive voltage drop. Dahil dito ang mga Linear regulator ay nagbibigay ng mas mababang kahusayan at nawawalan ng kuryente sa anyo ng init. Ang switching regulator ay gumagamit ng inductor, Diode, at isang power switch upang ilipat ang enerhiya mula sa pinagmulan nito patungo sa output.

Mga uri ng Switching Regulator

Mayroong tatlong uri ng mga switching regulator na magagamit.

1. Step-up converter (Boost Regulator)

2. Step-Down converter (Buck regulator)

3. Flyback Converter (Isolated Regulator)

Ipinaliwanag na namin ang Boost Regulator at circuit ng Buck Regulator. Sa tutorial na ito, ilalarawan namin ang circuit ng Flyback Regulator.

Ang pagkakaiba sa pagitan ng buck at boost regulator ay, sa buck regulator ang paglalagay ng inductor, diode at ang switching circuit ay naiiba kaysa sa boost regulator. Gayundin, sa kaso ng boost regulator ang output voltage ay mas mataas kaysa sa input voltage, ngunit sa regulator ng buck, ang output boltahe ay magiging mas mababa kaysa sa input boltahe. Ang isang buck topology o buck converter ay isa sa pinaka ginagamit na pangunahing topology na ginamit sa SMPS. Ito ay isang tanyag na pagpipilian kung saan kailangan naming i-convert ang isang mas mataas na boltahe sa isang mas mababang boltahe ng output.

Maliban sa mga regulator na iyon, may isa pang regulator na umiiral na kung saan ay isang tanyag na pagpipilian sa lahat ng mga taga-disenyo, na kung saan ay Flyback regulator o Flyback converter. Ito ay isang maraming nalalaman topology na maaaring magamit kung saan maraming mga output ang kinakailangan mula sa isang solong supply ng output. Hindi lamang iyon, pinapayagan ng isang topback na flyback ang taga-disenyo na baguhin ang polarity ng output nang sabay. Halimbawa, makakalikha kami ng + 5V, + 9V at -9V na output mula sa isang solong module ng converter. Ang kahusayan ng conversion ay mataas sa parehong mga kaso.

Ang isa pang bagay sa Flyback converter ay ang pagkakahiwalay ng kuryente sa parehong input at output. Bakit kailangan natin ng pagkakahiwalay? Sa ilang mga espesyal na kaso, para sa pag-minimize ng ingay ng kuryente, at mga operasyon na nauugnay sa kaligtasan, kailangan namin ng isang nakahiwalay na operasyon, kung saan ang mapagkukunan ng pag-input ay ganap na ihiwalay mula sa pinagmulan ng output. Tuklasin natin ang pangunahing solong output na operasyon ng flyback.

Operasyon ng Circuitry ng Flyback Converter

Kung nakita namin ang pangunahing solong output na disenyo ng flyback tulad ng imahe sa ibaba makikilala namin ang pangunahing pangunahing mga sangkap na kinakailangan upang bumuo ng isa.

Ang isang pangunahing converter ng flyback ay nangangailangan ng isang switch, na maaaring isang FET o transistor, isang Transformer, isang output Diode, isang Capacitor.

Ang pangunahing bagay ay ang transpormer. Kailangan nating maunawaan ang wastong pagtatrabaho ng isang transpormer bago maunawaan ang tunay na operasyon ng circuitry.

Ang transpormer ay binubuo ng minimum na dalawang mga inductor, na kilala bilang pangalawa at pangunahing likaw, na pinulupot sa isang likid na dating may isang core sa pagitan. Tinutukoy ng core ang density ng pagkilos ng bagay na kung saan ay isang mahalagang parameter para sa paglilipat ng elektrikal na enerhiya mula sa isang paikot-ikot na papunta sa isa pa. Ang isa pang pinakamahalagang bagay ay ang phasing ng transpormer, ang mga tuldok na ipinakita sa pangunahin at pangalawang paikot-ikot.

Gayundin, tulad ng nakikita natin, ang isang signal ng PWM ay konektado sa buong switch ng transistor. Ito ay dahil sa dalas ng pag-off at pag-on ng oras ng switch. Ang PWM ay nangangahulugang diskarte sa modulation ng Pulse Width.

Sa Flyback regulator, mayroong dalawang operasyon ng circuitry, Ang isa ay ang Switch On phase kapag ang pangunahing paikot-ikot ng transpormer na sisingilin, at isa pa ay patayin o ang yugto ng paglipat ng transpormer kapag ang elektrikal na enerhiya ay inililipat mula pangunahin hanggang sa pangalawa at sa wakas sa karga.

Kung ipinapalagay natin na ang switch ay naka-OFF nang mahabang panahon, ang kasalukuyang nasa circuit ay 0 at walang kasalukuyang boltahe.

Sa sitwasyong ito, Kung ang switch ay nakabukas ON ang kasalukuyang ay tataas at ang inductor ay lilikha ng isang drop ng boltahe, na kung saan ay tuldok-negatibo dahil ang boltahe ay mas negatibo sa pangunahing tuldok na dulo. Sa panahon ng sitwasyong ito, ang enerhiya ay dumadaloy sa pangalawang sanhi ng pagkilos ng bagay na nabuo sa core. Sa pangalawang likaw, ang isang boltahe ay nilikha sa parehong polarity ngunit ang boltahe ay direktang proporsyonal sa ratio ng Secondary to Primary coil turn. Dahil sa tuldok na negatibong boltahe, ang diode ay napapatay at walang kasalukuyang daloy sa pangalawa. Kung ang Capacitor ay nasingil sa nakaraang switch-OFF-ON cycle, ibibigay lamang ng output capacitor ang kasalukuyang output sa load.

Sa susunod na yugto, kapag naka-off ang switch, ang kasalukuyang daloy sa kabuuan ng pangunahing nabawasan at sa gayon ay ginagawang positibo ang pangalawang tuldok. Kapareho ng dating switch ON stage, ang pangunahing boltahe ng polarity ay lumilikha ng parehong polarity sa pangalawa din, samantalang ang pangalawang boltahe ay proporsyonal sa pangunahin at pangalawang paikot-ikot na ratio. Dahil sa positibong pagtatapos ng tuldok, naka-on ang diode at ang pangalawang inductor ng transpormer ay nagbibigay ng kasalukuyang sa output capacitor at ang load. Ang capacitor ay nawala ang singil sa ON cycle, ngayon ay muling pinunan ulit at may kakayahang magbigay ng kasalukuyang singil sa pag-load sa oras ng switch ON.

Sa buong ikot ng Switch ON at OFF, walang mga koneksyon sa kuryente ang naroroon sa pagitan ng input ng supply ng kuryente sa pinagmulan ng lakas na output. Kaya, ihiwalay ng transpormer ang Input at Output.

Mayroong dalawang mga mode ng pagpapatakbo depende sa switch on at off timing. Ang Flyback converter ay maaaring gumana sa tuluy-tuloy na mode o hindi nagpapatuloy na mode.

Sa tuluy-tuloy na mode, bago ang Pangunahing singil, kasalukuyang napupunta sa Zero, ulitin ang ikot. Sa kabilang banda, sa hindi nagpapatuloy na mode, ang susunod na ikot ay nagsisimula lamang kapag ang pangunahing kasalukuyang inductor ay napupunta sa Zero.

Kahusayan

Ngayon, kung susuriin natin ang kahusayan, na kung saan ang ratio ng output sa pag-input ng lakas:

(Pout / Pin) x 100%

Dahil ang enerhiya ay hindi maaaring malikha o masira, maaari lamang itong mai-convert, karamihan sa mga enerhiya sa kuryente ay maluwag ang mga hindi nagamit na kapangyarihan sa init. Gayundin, walang perpektong sitwasyon sa praktikal na larangan. Ang kahusayan ay isang malaking kadahilanan para sa pagpili ng Mga regulator ng Boltahe.

Ang isa sa mga pangunahing kadahilanan sa pagkawala ng kuryente para sa isang switching regulator ay ang diode. Ang pasulong na boltahe ay bumaba ng kasalukuyang (Vf xi) ay ang hindi nagamit na wattage na na-convert sa init at binabawasan ang kahusayan ng switching regulator circuit. Gayundin, ito ang karagdagang gastos sa circuitry para sa thermal / heat technics na pamamahala tulad ng paggamit ng isang heatsink, o Mga Tagahanga upang palamigin ang circuitry mula sa nawala na init. Hindi lamang ang pagbagsak ng boltahe sa unahan, Ang kabaligtaran na pagbawi para sa mga diode ng silikon ay gumagawa din ng hindi kinakailangang pagkawala ng kuryente at pagbawas ng pangkalahatang kahusayan.

Ang isa sa pinakamahusay na paraan upang maiwasan ang isang karaniwang pag-diode ng pagbawi ay ang paggamit ng mga Schottky diode na may mababang boltahe na pagbaba ng boltahe at mas mahusay na pag-recover. Sa isa pang aspeto, ang switch ay binago sa modernong disenyo ng MOSFET kung saan ang kahusayan ay napabuti sa isang siksik at mas maliit na pakete.

Sa kabila ng katotohanang ang Lumilipat na Mga Regulator ay may Mas Mataas na kahusayan, Teknikal na disenyo ng Stationary, mas maliit na sangkap, maingay sila kaysa sa isang linear regulator ngunit pa rin sila ay sikat.

Halimbawa ng Disenyo ng Flyback Converter gamit ang LM5160

Gumagamit kami ng isang flyback topology mula sa Texas Instruments. Maaaring magamit ang circuit sa datasheet.

Ang LM5160 ay binubuo ng mga sumusunod na tampok-

• Malawak na 4.5V hanggang 65V Saklaw ng Boltahe ng Input
• Pinagsamang High-Side at Low-Side Switch
  • Walang Kinakailangan na Panlabas na Schottky Diode
• 2-Isang Kasalukuyang Maximum Load
• Adaptive Constant On-Time Control
  • Walang Bayad sa Panlabas na Loop
  • Mabilis na Lumilipas na Tugon
• Napipiling Sapilitang PWM o DCM Operation
  • Sinusuportahan ng FPWM ang Multi-output Fly-Buck
• Halos Patuloy na Frequency ng Paglipat
  • Maaaring iakma ang Resistor hanggang sa 1 MHz
• Programa ng Soft Oras ng Pagsisimula
• Simula sa Pre pre-up
• ± 1% Sanggunian ng Boltahe ng Feedback
• Pinapayagan ng LM5160A ang Mga Panlabas na VCC Bias
• Mga Tampok na Pangangalaga ng Proteksyon para sa Matapang na Disenyo
  • Pinagmumulan ng Kasalukuyang Proteksyon sa Kasalukuyang
  • Naaayos na Input UVLO at Hysteresis
  • Proteksyon ng VCC at Gate Drive UVLO
  • Proteksyon ng Thermal Shutdown Sa Hysteresis
• Lumikha ng isang Pasadyang Disenyo Gamit ang LM5160A Gamit ang WEBENCH® Power Designer

Sinusuportahan nito ang isang malawak na saklaw ng boltahe ng pag-input mula 4.5V hanggang 70V bilang input at nagbibigay ng 2A ng kasalukuyang output. Maaari din nating piliin ang puwersahang PWM o DCM na operasyon.

Pinout ng LM5160

Ang IC ay hindi magagamit sa DIP package o isang madaling solderable na bersyon, kahit na ito ay isang problema ngunit ang IC ay nagse-save ng maraming puwang PCB pati na rin ang isang mas malawak na pagganap ng thermal sa PCB heatsink. Ang diagram ng pin ay ipinapakita sa imahe sa itaas.

Ganap na Maximum na Pagraranggo

Kailangan nating mag-ingat tungkol sa ganap na maximum na rating ng IC.

Ang SS at FB pin ay may mababang tolerance ng boltahe.

Flyback Converter Circuit Diagram at gumagana

Sa pamamagitan ng paggamit ng LM5160 na ito ay gagayahin namin ang isang 12V na nakahiwalay na supply ng kuryente batay sa sumusunod na spec. Pinili namin ang circuit dahil ang lahat ay magagamit sa website ng tagagawa.

Gumagamit ang eskematiko ng maraming mga bahagi ngunit hindi ito kumplikado upang maunawaan. Ang C6, C7, at C8 sa input ay ginagamit para sa pagsasala ng supply ng input. Sapagkat ang R6 at R10 ay ginagamit para sa mga layuning kaugnay ng Under voltage lockout. Ang R7 risistor ay para sa layunin na nauugnay sa oras. Ang pin na ito ay napaprograma gamit ang isang simpleng resistor. Ang C13 capacitor na konektado sa buong SS pin ay isang soft start capacitor. Ang AGND (Analog Ground) at PGND (Power Ground) at ang PAD ay konektado sa supply GND. Sa kanang bahagi, ang C5, 0.01 uF capacitor ay isang Bootstrap capacitor na ginagamit para sa bias ng driver ng gate. Ang R4, C4 at C9 ay ang ripple filter kung saan bilang R8 at R9 na nagbibigay ng boltahe ng feedback sa feedback pin ng LM5160. Ang dalawang rasyon ng resistors na ito ay tumutukoy sa boltahe ng output. Ang C10 at C11 ay ginagamit para sa pangunahing hindi nakahiwalay na pagsala ng output.

Ang isang pangunahing sangkap ay ang T1. Ito ay isang kaisa na inductor na may isang 60uH inductor sa magkabilang panig, pangunahin at pangalawa. Maaari kaming pumili ng anumang iba pang kaisa na inductor o sepic inductor na may sumusunod na detalye-

1. Lumiliko ang Ratio SEC: PRI = 1.5: 1
2. Inductance = 60uH
3. Kasalukuyang saturation = 840mA
4. Paglaban ng DC PRIMARY = 0.071 Ohms
5. Paglaban ng DC SECONDARY = 0.211 Ohms
6. Freq = 150 kHz

Ang C3 ay ginagamit para sa katatagan ng EMI. Ang D1 ay ang pasulong na diode na nagko-convert ng output at C1, C2 ang mga filter cap, ang R2 ay ang minimum na karga na kinakailangan para sa pagsisimula.

Ang mga nais na gumawa ng supply ng kuryente para sa mga pasadyang pagtutukoy at nais na kalkulahin ang halaga, nagbibigay ang tagagawa ng mahusay na tool sa Excel kung saan inilalagay mo lamang ang data at kakalkulahin ng excel ang halaga ng mga bahagi depende sa mga formula na ibinigay sa datasheet.

Ang tagagawa ay nagbigay din ng modelo ng pampalasa pati na rin ang kumpletong eskematiko na maaaring gayahin gamit ang sariling tool ng simulation na batay sa SPICE na TINA-TI ng Texas Instrument. Nasa ibaba ang inilabas na iskematika gamit ang tool na TINA-TI na ibinigay ng gumagawa.

Ang resulta ng simulation ay maaaring ipakita sa susunod na imahe kung saan maaaring ipakita ang perpektong kasalukuyang pag-load at boltahe-