Mạch chuyển đổi Flyback

Trong điện tử, bộ điều chỉnh là một thiết bị hoặc cơ chế có thể điều chỉnh liên tục sản lượng điện. Có nhiều loại bộ điều chỉnh khác nhau có sẵn trong lĩnh vực cung cấp điện. Nhưng chủ yếu, trong trường hợp chuyển đổi DC sang DC, có hai loại bộ điều chỉnh có sẵn: Tuyến tính hoặc Chuyển mạch.

Một bộ điều chỉnh tuyến tính điều chỉnh đầu ra bằng cách sử dụng giảm điện trở. Do điều chỉnh tuyến tính này cung cấp hiệu suất thấp hơn và mất điện dưới dạng nhiệt. Bộ điều chỉnh chuyển mạch sử dụng cuộn cảm, Diode và công tắc nguồn để truyền năng lượng từ nguồn đến đầu ra.

Các loại bộ điều chỉnh chuyển mạch

Có ba loại bộ điều chỉnh chuyển mạch có sẵn.

1. Bộ chuyển đổi từng bước (Boost Regulator)

2. Bộ chuyển đổi Step-Down (Bộ điều chỉnh Buck)

3. Công cụ chuyển đổi Flyback (Bộ điều chỉnh cách ly)

Chúng tôi đã giải thích mạch Boost Regulator và Buck Regulator. Trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ mô tả mạch Flyback Regulator.

Sự khác biệt giữa bộ điều chỉnh buck và bộ điều chỉnh tăng cường là, trong bộ điều chỉnh buck, vị trí của cuộn cảm, diode và mạch chuyển mạch khác với bộ điều chỉnh tăng cường. Ngoài ra, trong trường hợp bộ điều chỉnh tăng điện áp đầu ra cao hơn điện áp đầu vào, nhưng trong bộ điều chỉnh buck, điện áp đầu ra sẽ thấp hơn điện áp đầu vào. Cấu trúc liên kết buck hoặc bộ chuyển đổi buck là một trong những cấu trúc liên kết cơ bản được sử dụng nhiều nhất được sử dụng trong SMPS. Đó là một lựa chọn phổ biến khi chúng ta cần chuyển đổi điện áp cao hơn sang điện áp đầu ra thấp hơn.

Ngoài những bộ điều chỉnh đó, có một bộ điều chỉnh khác tồn tại là sự lựa chọn phổ biến của tất cả các nhà thiết kế, đó là bộ điều chỉnh Flyback hoặc bộ chuyển đổi Flyback. Đây là một cấu trúc liên kết đa năng có thể được sử dụng khi cần nhiều đầu ra từ một nguồn cung cấp đầu ra duy nhất. Không chỉ vậy, cấu trúc liên kết flyback cho phép nhà thiết kế thay đổi cực tính của đầu ra cùng một lúc. Ví dụ: chúng ta có thể tạo đầu ra + 5V, + 9V và -9V từ một mô-đun chuyển đổi duy nhất. Hiệu quả chuyển đổi cao trong cả hai trường hợp.

Một điều khác trong bộ chuyển đổi Flyback là sự cách ly điện ở cả đầu vào và đầu ra. Tại sao chúng ta cần cách ly? Trong một số trường hợp đặc biệt, để giảm thiểu tiếng ồn của nguồn điện và các hoạt động liên quan đến an toàn, chúng tôi cần một hoạt động cách ly, trong đó nguồn đầu vào được cách ly hoàn toàn với nguồn đầu ra. Chúng ta hãy khám phá hoạt động flyback đầu ra đơn cơ bản.

Hoạt động mạch của bộ chuyển đổi Flyback

Nếu chúng ta thấy thiết kế flyback đầu ra đơn cơ bản như hình ảnh bên dưới, chúng ta sẽ xác định các thành phần chính cơ bản cần thiết để xây dựng một.

Một bộ chuyển đổi flyback cơ bản yêu cầu một công tắc, có thể là FET hoặc bóng bán dẫn, Biến áp, Diode đầu ra, Tụ điện.

Điều chính là máy biến áp. Chúng ta cần hiểu sự hoạt động tốt của máy biến áp trước khi hiểu hoạt động thực tế của mạch điện.

Máy biến áp bao gồm tối thiểu hai cuộn cảm, được gọi là cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp, được cuộn trong một cuộn dây trước đây có lõi ở giữa. Lõi xác định mật độ từ thông là một tham số quan trọng để truyền năng lượng điện từ cuộn dây này sang cuộn dây kia. Một điều quan trọng khác là phân kỳ máy biến áp, các dấu chấm hiển thị trong cuộn sơ cấp và thứ cấp.

Ngoài ra, như chúng ta có thể thấy, một tín hiệu PWM được kết nối qua công tắc bóng bán dẫn. Đó là do tần suất tắt và thời gian bật của công tắc. PWM là viết tắt của kỹ thuật điều chế độ rộng xung.

Trong bộ điều chỉnh Flyback, có hai hoạt động mạch, Một là pha Bật khi cuộn sơ cấp của máy biến áp được sạc và một mạch khác là Tắt hoặc pha chuyển của máy biến áp khi năng lượng điện được chuyển từ sơ cấp sang thứ cấp và cuối cùng là tải.

Nếu chúng ta giả sử rằng công tắc đã được TẮT trong một thời gian dài, thì dòng điện trong mạch là 0 và không có điện áp.

Trong tình huống này, Nếu công tắc được BẬT thì dòng điện sẽ tăng và cuộn cảm sẽ tạo ra sự sụt giảm điện áp, có giá trị âm chấm vì điện áp càng âm trên đầu chấm sơ cấp. Trong tình huống này, năng lượng chuyển sang thứ cấp do từ thông tạo ra trong lõi. Trên cuộn thứ cấp tạo ra một hiệu điện thế cùng cực nhưng hiệu điện thế tỉ lệ thuận với tỉ số vòng dây của cuộn Thứ cấp và số vòng dây cuộn Sơ cấp. Do điện áp âm chấm, diode bị tắt và không có dòng điện chạy trong thứ cấp. Nếu Tụ điện được sạc trong chu kỳ TẮT-BẬT trước đó, thì tụ điện đầu ra sẽ chỉ cung cấp dòng điện đầu ra cho tải.

Ở giai đoạn tiếp theo, khi công tắc tắt, dòng điện qua sơ cấp sẽ giảm và do đó làm cho điểm phụ kết thúc tích cực hơn. Giống như giai đoạn BẬT của công tắc trước đó, cực tính của điện áp sơ cấp cũng tạo ra cùng cực trên thứ cấp, trong khi điện áp thứ cấp tỷ lệ với tỷ số cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Do đầu cực dương chấm, diode được bật và cuộn cảm thứ cấp của máy biến áp cung cấp dòng điện cho tụ điện đầu ra và tải. Tụ điện đã bị mất điện tích trong chu kỳ BẬT, bây giờ nó được nạp lại và có khả năng cung cấp dòng điện nạp cho tải trong thời gian BẬT công tắc.

Trong toàn bộ chu kỳ Công tắc BẬT và TẮT, không có kết nối điện nào giữa nguồn điện đầu vào với nguồn điện đầu ra. Do đó, máy biến áp cách ly Đầu vào và Đầu ra.

Có hai chế độ hoạt động tùy thuộc vào thời gian bật và tắt công tắc. Bộ chuyển đổi Flyback có thể hoạt động ở chế độ liên tục hoặc chế độ không liên tục.

Ở chế độ liên tục, trước khi sạc chính, dòng điện về 0, chu kỳ lặp lại. Mặt khác, ở chế độ không liên tục, chu kỳ tiếp theo chỉ bắt đầu khi dòng điện dẫn sơ cấp về Zero.

Hiệu quả

Bây giờ, nếu chúng ta điều tra hiệu suất, đó là tỷ lệ đầu ra trên công suất đầu vào:

(Bĩu môi / Ghim) x 100%

Vì năng lượng không thể được tạo ra cũng như không bị phá hủy, nó chỉ có thể được chuyển đổi, nên hầu hết các năng lượng điện sẽ chuyển các năng lượng chưa sử dụng thành nhiệt. Ngoài ra, không có tình huống lý tưởng trong lĩnh vực thực tế. Hiệu quả là một yếu tố lớn để lựa chọn Bộ điều chỉnh điện áp.

Một trong những yếu tố tổn thất công suất chính đối với bộ điều chỉnh chuyển mạch là diode. Điện áp giảm nhân với dòng điện (Vf xi) là công suất không sử dụng được chuyển thành nhiệt và làm giảm hiệu suất của mạch điều chỉnh chuyển mạch. Ngoài ra, đó là chi phí bổ sung cho mạch cho các kỹ thuật quản lý nhiệt / nhiệt như sử dụng bộ tản nhiệt hoặc Quạt để làm mát mạch khỏi nhiệt tản ra. Không chỉ giảm điện áp thuận, Phục hồi ngược cho điốt silicon cũng tạo ra tổn thất điện năng không cần thiết và giảm hiệu suất tổng thể.

Một trong những cách tốt nhất để tránh một điốt khôi phục tiêu chuẩn là sử dụng điốt Schottky có điện áp giảm phía trước thấp và phục hồi ngược tốt hơn. Theo một khía cạnh khác, công tắc đã được thay đổi thành thiết kế MOSFET hiện đại, nơi hiệu quả được cải thiện trong một gói nhỏ gọn và nhỏ hơn.

Mặc dù thực tế là Bộ điều chỉnh chuyển mạch có hiệu quả cao hơn, kỹ thuật thiết kế tĩnh, thành phần nhỏ hơn, chúng ồn hơn bộ điều chỉnh tuyến tính nhưng chúng vẫn được ưa chuộng rộng rãi.

Ví dụ về thiết kế bộ chuyển đổi Flyback sử dụng LM5160

Chúng tôi sẽ sử dụng cấu trúc liên kết flyback từ Texas Instruments. Mạch có thể có sẵn trong biểu dữ liệu.

Các LM5160 gồm sau năng tiêu biểu:

Dải điện áp đầu vào rộng 4,5V đến 65V
Tích hợp công tắc bên cao và bên thấp
- Không cần điốt Schottky bên ngoài
Dòng tải tối đa 2-A
Kiểm soát thời gian liên tục liên tục
- Không có đền bù vòng lặp bên ngoài
- Phản hồi nhanh chóng
Hoạt động PWM hoặc DCM cưỡng bức có thể lựa chọn
- FPWM hỗ trợ Fly-Buck đa đầu ra
Tần số chuyển mạch gần như không đổi
- Điện trở có thể điều chỉnh lên đến 1 MHz
Thời gian bắt đầu nhẹ chương trình
Khởi động thành công
Tham chiếu điện áp phản hồi ± 1%
LM5160A cho phép phân biệt VCC bên ngoài
Các tính năng bảo vệ vốn có cho thiết kế mạnh mẽ
- Bảo vệ giới hạn dòng điện cao nhất
- Đầu vào có thể điều chỉnh UVLO và độ trễ
- Bảo vệ UVLO VCC và Gate Drive
- Bảo vệ ngắt nhiệt với độ trễ
Tạo thiết kế tùy chỉnh bằng LM5160A với WEBENCH® Power Designer

Nó hỗ trợ dải điện áp đầu vào rộng từ 4,5V đến 70V làm đầu vào và cung cấp dòng điện đầu ra 2A. Chúng tôi cũng có thể chọn các hoạt động PWM hoặc DCM cưỡng bức.

Sơ đồ chân của LM5160

IC không có sẵn ở gói DIP hoặc phiên bản có thể hàn dễ dàng, mặc dù đó là một vấn đề nhưng IC tiết kiệm rất nhiều không gian PCB cũng như hiệu suất nhiệt lớn hơn so với tản nhiệt PCB. Sơ đồ chân được hiển thị trong hình trên.

Xếp hạng tối đa tuyệt đối

Chúng ta cần phải cẩn thận về định mức tối đa tuyệt đối của IC.

Chân SS và FB có khả năng chịu điện áp thấp.

Sơ đồ mạch chuyển đổi Flyback và hoạt động

Bằng cách sử dụng LM5160 này, chúng tôi sẽ mô phỏng nguồn cung cấp điện cách ly 12V dựa trên thông số kỹ thuật sau. Chúng tôi đã chọn mạch vì mọi thứ đều có sẵn trong trang web của nhà sản xuất.

Sơ đồ sử dụng nhiều thành phần nhưng nó không phức tạp để hiểu. C6, C7 và C8 trên đầu vào được sử dụng để lọc nguồn cung cấp đầu vào. Trong khi R6 và R10 được sử dụng cho các mục đích liên quan đến khóa điện áp dưới. Điện trở R7 dành cho mục đích liên quan đến Đúng giờ. Chân này có thể lập trình bằng một điện trở đơn giản. Tụ C13 nối qua chân SS là tụ khởi động mềm. AGND (Analog Ground) và PGND (Power Ground) và PAD được kết nối với nguồn cung cấp GND. Ở phía bên phải, tụ C5, 0,01 uF là tụ điện Bootstrap được sử dụng cho xu hướng của trình điều khiển cổng. R4, C4 và C9 là bộ lọc gợn sóng trong đó R8 và R9 cung cấp điện áp phản hồi đến chân phản hồi của LM5160. Tỷ lệ hai điện trở này xác định điện áp đầu ra. C10 và C11 được sử dụng để lọc đầu ra không bị cô lập chính.

Một thành phần chính là T1. Nó là một cuộn cảm được ghép với cuộn cảm 60uH ở cả hai phía, sơ cấp và thứ cấp. Chúng tôi có thể chọn bất kỳ cuộn cảm dẫn hoặc cuộn cảm riêng được ghép nối nào khác với đặc điểm kỹ thuật sau-

Tỷ lệ biến SEC: PRI = 1,5: 1
Điện cảm = 60uH
Dòng bão hòa = 840mA
Điện trở DC CHÍNH = 0,071 Ohms
Điện trở DC SECONDARY = 0,211 Ohms
Tần số = 150 kHz

C3 được sử dụng để ổn định EMI. D1 là diode chuyển tiếp chuyển đổi đầu ra và C1, C2 là nắp bộ lọc, R2 là tải tối thiểu cần thiết để khởi động.

Những người muốn tạo nguồn cung cấp điện cho các thông số kỹ thuật tùy chỉnh và muốn tính toán giá trị, nhà sản xuất cung cấp công cụ Excel tuyệt vời, nơi bạn chỉ cần đặt dữ liệu và excel sẽ tính toán giá trị các thành phần tùy thuộc vào công thức được cung cấp trong biểu dữ liệu.

Nhà sản xuất cũng đã cung cấp mô hình gia vị cũng như sơ đồ hoàn chỉnh có thể được mô phỏng bằng công cụ mô phỏng dựa trên SPICE của riêng Texas Instrument là TINA-TI. Dưới đây là Sơ đồ được vẽ bằng công cụ TINA-TI do nhà sản xuất cung cấp.

Kết quả mô phỏng có thể được hiển thị trong hình ảnh tiếp theo, nơi dòng tải và điện áp hoàn hảo có thể được hiển thị-