- Kytkentäsäätimen tyypit
- Flyback-muuntimen piirien käyttö
- Tehokkuus
- Esimerkki Flyback-muuntimen suunnittelusta LM5160: n avulla
- LM5160: n pinout
- Flyback Converter -piirikaavio ja työskentely
Elektroniikassa säädin on laite tai mekanismi, joka voi säätää tehoa jatkuvasti. Virtalähde-alueella on erilaisia säätimiä. Mutta pääasiassa DC-DC-muuntamisen tapauksessa on olemassa kahden tyyppisiä säätimiä: lineaarinen tai kytkentäinen.
Lineaarinen säädin säätää ulostuloa käyttäen resistiivinen jännitteen pudotus. Tämän vuoksi lineaariset säätimet tuottavat vähemmän hyötysuhdetta ja menettävät virtaa lämmön muodossa. Kytkentä säädin käyttö IC, diodi, ja virtakytkin siirtää energiaa sen lähteestä lähdön.
Kytkentäsäätimen tyypit
Kytkentäsäätimiä on kolmenlaisia.
1. Lisävaihdin (Boost Regulator)
2. Vaihe alas -muunnin (Buck-säädin)
3. Flyback-muunnin (eristetty säädin)
Selitimme jo Boost Regulator- ja Buck Regulator -piirit. Tässä opetusohjelmassa kuvataan Flyback Regulator -piiri.
Ero Buck ja boost säädin on, että buck säädin sijoittaminen induktorin, diodi ja kytkentäpiiri on erilainen kuin vauhtia säädin. Lisäksi tehosäätimen tapauksessa lähtöjännite on korkeampi kuin tulojännite, mutta buck-säätimessä lähtöjännite on pienempi kuin tulojännite. Buck-topologia tai buck-muunnin on yksi SMPS: ssä käytetyistä perustopologioista. Se on suosittu valinta, jossa meidän on muunnettava suurempi jännite pienemmäksi lähtöjännitteeksi.
Näiden säätimien lisäksi on olemassa toinen säädin, joka on suosittu valinta kaikkien suunnittelijoiden keskuudessa, joka on Flyback-säädin tai Flyback-muunnin. Tämä on monipuolinen topologia, jota voidaan käyttää, kun yhdestä lähtöliitännästä tarvitaan useita lähtöjä. Paitsi, flyback-topologia antaa suunnittelijalle mahdollisuuden muuttaa lähdön napaisuutta samanaikaisesti. Esimerkiksi voimme luoda + 5V, + 9V ja -9V lähdön yhdestä muunninmoduulista. Muuntotehokkuus on korkea molemmissa tapauksissa.
Toinen asia flyback-muunnin on sähköisen eristyksen sekä tulon ja lähdön. Miksi tarvitsemme eristystä? Joissakin erityistapauksissa tehomelun minimoimiseksi ja turvallisuuteen liittyvien toimintojen tarvitsemme eristetyn toiminnan, jossa tulolähde on täysin eristetty lähtölähteestä. Tutkitaan yksittäisen lähdön peruuntumisoperaatiota.
Flyback-muuntimen piirien käyttö
Jos näemme yksittäisen lähdön takaisinkytkentäsuunnittelun, kuten alla oleva kuva, tunnistamme tärkeimmät pääkomponentit, joita tarvitaan yhden rakentamiseen.
Peruspaluumuunnin vaatii kytkimen, joka voi olla FET tai transistori, muuntaja, lähtödiodi, kondensaattori.
Tärkeintä on muuntaja. Meidän on ymmärrettävä muuntajan asianmukainen toiminta, ennen kuin ymmärrämme piirien todellisen toiminnan.
Muuntaja koostuu vähintään kahdesta induktorista, jotka tunnetaan toissijaisena ja primäärikääminä, käämitään kelanmuodostajaan, jossa on ydin välissä. Ydin määrittää vuon tiheyden, joka on tärkeä parametri sähköenergian siirtämisessä yhdestä käämisestä toiseen. Toinen tärkein asia on muuntajan vaiheistus, ensiö- ja toisiokäämissä näkyvät pisteet.
Lisäksi, kuten näemme, PWM-signaali on kytketty transistorikytkimen yli. Se johtuu kytkimen virran katkaisun ja kytkemisen tiheydestä. PWM tarkoittaa pulssinleveyden modulointitekniikkaa.
In Flyback säädin, on kaksi piiri toiminta, yksi on Virran vaiheessa, kun ensiökäämin muuntajan veloittaa, ja toinen on Sammuta tai siirtymävaihe muuntajan kun sähköenergian saa siirtää primaarisista toissijaiseen ja lopulta kuormaan.
Jos oletetaan, että kytkin on ollut pois päältä pitkään aikaan, virtapiirissä on 0 eikä jännitettä ole.
Tässä tilanteessa Jos kytkin käännetään PÄÄLLE, virta kasvaa ja induktori luo jännitehäviön, joka on piste-negatiivinen, koska jännite on negatiivisempi primäärisen pisteviivan päässä. Tässä tilanteessa energia virtaa toissijaiseen sydämessä syntyvän vuon ansiosta. Toissijaiselle kelalle syntyy jännite samalla napaisuudella, mutta jännite on suoraan verrannollinen toissijaisen ja ensisijaisen kelan kierroslukuun. Pisteen negatiivisen jännitteen vuoksi diodi sammuu eikä virtaa virtaa toissijaisessa. Jos kondensaattoria ladattiin edellisessä sammutus-pois-jaksossa, lähtökondensaattori antaa lähtövirran vain kuormalle.
Heti seuraavassa vaiheessa, kun kytkin kytketään pois päältä, virta primäärin yli pienenee ja tekee siten toissijaisesta pistepäästä positiivisemman. Sama kuin edellinen kytkin ON-vaihe, ensiöjännitteen napaisuus luo saman polaarisuuden myös toissijaiselle, kun taas toissijainen jännite on verrannollinen ensiö- ja toisiokäämityssuhteeseen. Pistepositiivisen pään takia diodi kytkeytyy päälle ja muuntajan toissijainen induktori antaa virtaa lähtökondensaattorille ja kuormalle. Kondensaattori menetti varauksen ON-syklissä, nyt se täytetään uudelleen ja pystyy tarjoamaan latausvirtaa kuormalle kytkentäajan aikana.
Koko kytkentä päälle ja pois-jaksossa ei ollut sähköliitäntöjä lähtövirtalähteen ja virtalähteen välillä. Täten muuntaja eristää tulon ja lähdön.
On olemassa kaksi toimintatilaa kytkemisen ja sammuttamisen ajastuksen mukaan. Flyback-muunnin voi toimia jatkuvassa tilassa tai epäjatkuvassa tilassa.
Vuonna jatkuvassa tilassa, ennen ensimmäistä maksua, nykyinen menee nollaan, sykli toista. Toisaalta epäjatkuvassa tilassa seuraava jakso alkaa vasta, kun ensisijainen induktorivirta menee nollaan.
Tehokkuus
Nyt, jos tutkimme tehokkuutta, joka on lähdön ja syöttötehon suhde:
(Pout / Pin) x 100%
Koska energiaa ei voida luoda eikä tuhota, se voidaan muuntaa, useimmat sähköenergiat menettävät käyttämättömät voimat lämpöksi. Myöskään käytännön alalla ei ole ihanteellista tilannetta. Tehokkuus on suuri tekijä jännitteen säätimien valinnassa.
Yksi kytkentäsäätimen päähäviökertoimista on diodi. Eteenpäin suuntautuva jännitehäviö kerrottuna virralla (Vf xi) on käyttämätön teho, joka muunnetaan lämmöksi ja vähentää kytkentäsäätimen piirin tehokkuutta. Lisäksi se on lisäkustannus piirille lämpö- / lämmönhallintatekniikoille, kuten jäähdytyselementin tai tuulettimien käyttäminen piirien jäähdyttämiseksi hajautetusta lämmöstä. Paitsi eteenpäin suuntautuva jännitehäviö, piidiodien käänteinen palautus tuottaa myös tarpeetonta tehohäviötä ja vähentää kokonaishyötysuhdetta.
Yksi parhaista tavoista välttää tavallinen palautumisdiodi on käyttää Schottky-diodeja, joilla on pieni eteenpäin suuntautuva jännitehäviö ja parempi taaksepäin palautuminen. Toisessa näkökohdassa kytkin on vaihdettu nykyaikaiseen MOSFET-suunnitteluun, jossa tehokkuutta parannetaan pienikokoisena ja pienempänä pakettina.
Huolimatta siitä, että kytkentäsäätimillä on korkeampi hyötysuhde, kiinteä suunnittelutekniikka, pienempi komponentti, ne ovat meluisia kuin lineaarinen säädin, mutta silti ne ovat laajalti suosittuja.
Esimerkki Flyback-muuntimen suunnittelusta LM5160: n avulla
Käytämme Texas Instrumentsin flyback-topologiaa. Piiri voi olla saatavana lomakkeesta.
LM5160 koostuu seuraavista ominaisuudet-
- Laaja 4,5 - 65 V: n tulojännitealue
- Integroidut ylä- ja matalakytkimet
- Ulkoista Schottky-diodia ei vaadita
- 2-A Suurin kuormitusvirta
- Mukautuva jatkuva ajantasainen hallinta
- Ei ulkoisen silmukan kompensointia
- Nopea ohimenevä vaste
- Pakollinen PWM- tai DCM-toiminta
- FPWM tukee monilähtöistä Fly-Buckia
- Lähes jatkuva kytkentätaajuus
- Vastus Säädettävä 1 MHz: iin saakka
- Ohjelmoi pehmeä aloitusaika
- Ennakkoon perustettu käynnistys
- ± 1% takaisinkytkentäjännitteen vertailuarvo
- LM5160A sallii ulkoisen VCC-esijännityksen
- Luontaiset suojaominaisuudet kestävään suunnitteluun
- Huippuvirran rajoitussuoja
- Säädettävä tulo UVLO ja hystereesi
- VCC ja Gate Drive UVLO-suojaus
- Terminen sammutussuoja hystereesillä
- Luo mukautettu malli LM5160A: lla WEBENCH® Power Designer -sovelluksella
Se tukee laajaa tulojännitealuetta 4,5 - 70 V tulona ja tuottaa 2A lähtövirtaa. Voimme myös valita pakotetut PWM- tai DCM-toiminnot.
LM5160: n pinout
IC: tä ei ole saatavana DIP-paketissa tai helposti juotettavassa versiossa, vaikka se onkin ongelma, mutta IC säästää paljon piirilevytilaa sekä suuremman lämpötehon PCB-jäähdytyselementillä. Tappikaavio on esitetty yllä olevassa kuvassa.
Absoluuttinen enimmäisarvo
Meidän on oltava varovaisia IC: n absoluuttisen maksimiluokituksen suhteen.
SS- ja FB-nastoilla on matala jännitetoleranssi.
Flyback Converter -piirikaavio ja työskentely
Käyttämällä tätä LM5160 simuloimme 12 V: n eristettyä virtalähdettä seuraavien ominaisuuksien perusteella. Valitsimme piirin, koska kaikki on saatavilla valmistajan verkkosivustolla.
Kaaviossa käytetään paljon komponentteja, mutta sen ymmärtäminen ei ole monimutkaista. Tulossa olevia C6, C7 ja C8 käytetään tulolähteen suodattamiseen. Kun taas R6 ja R10 käytetään alijännitteen lukitukseen liittyviin tarkoituksiin. R7-vastus on päällä-aikaan liittyvään tarkoitukseen. Tämä tappi on ohjelmoitavissa yksinkertaisen vastuksen avulla. SS-nastan yli kytketty C13-kondensaattori on pehmeän käynnistyksen kondensaattori. AGND (analoginen maadoitus), PGND (virran maadoitus) ja PAD on kytketty syöttöjännitteeseen GND. Oikealla puolella C5, 0,01 uF-kondensaattori on Bootstrap-kondensaattori, jota käytetään porttiohjaimen esijännittämiseen. R4, C4 ja C9 ovat aaltoilusuodatin, jossa R8 ja R9 antavat takaisinkytkentäjännitteen LM5160: n takaisinkytkentätapille. Tämä kahden vastuksen suhde määrittää lähtöjännitteen. C10 ja C11 käytetään ensisijaiseen eristämättömään ulostulosuodatukseen.
Pääkomponentti on T1. Se on kytketty induktori, jonka molemmilla puolilla on ensisijainen ja toissijainen 60uH induktori. Voimme valita minkä tahansa muun kytketyn induktorin tai sepisen induktorin seuraavalla spesifikaatiolla-
- Kääntösuhde SEC: PRI = 1,5: 1
- Induktanssi = 60uH
- Värikylläisyysvirta = 840mA
- DC-vastus ENSISIJAINEN = 0,071 ohmia
- DC-vastus SECONDARY = 0,211 ohmia
- Taajuus = 150 kHz
C3: ta käytetään EMI-vakauteen. D1 on lähtödiodi, joka muuntaa lähdön, ja C1, C2 ovat suodatinkorkit, R2 on pienin käynnistysvaatimus.
Ne, jotka haluavat tehdä virtalähteen mukautettuja määrityksiä varten ja haluavat laskea arvon, valmistaja tarjoaa erinomaisen Excel-työkalun, johon vain yksinkertaisesti laitat tiedot, ja Excel laskee komponenttien arvon lomakkeessa olevien kaavojen mukaan.
Valmistaja on toimittanut myös maustemallin sekä täydellisen kaavion, joka voidaan simuloida käyttämällä Texas Instrumentin omaa SPICE-pohjaista simulointityökalua TINA-TI. Alla on kaavio, joka on piirretty valmistajan toimittamalla TINA-TI-työkalulla.
Simulointitulos voidaan näyttää seuraavassa kuvassa, jossa täydellinen kuormitusvirta ja jännite voidaan näyttää -