Circuit convertidor Flyback

En electrònica, un regulador és un dispositiu o mecanisme que pot regular la potència de sortida constantment. Hi ha diferents tipus de reguladors disponibles en el domini de la font d'alimentació. Però principalment, en el cas de la conversió de CC a CC, hi ha dos tipus de reguladors disponibles: lineals o de commutació.

Un regulador lineal regula la sortida mitjançant una caiguda de tensió resistiva. Gràcies a això, els reguladors lineals proporcionen una eficiència inferior i perden energia en forma de calor. El regulador de commutació utilitza un inductor, un díode i un interruptor d’alimentació per transferir energia de la seva font a la sortida.

Tipus de regulador de commutació

Hi ha tres tipus de reguladors de commutació disponibles.

1. Convertidor intensiu (Boost Regulator)

2. Convertidor Step-Down (regulador Buck)

3. Convertidor Flyback (regulador aïllat)

Ja hem explicat el circuit Boost Regulator i Buck Regulator. En aquest tutorial, descriurem el circuit del regulador Flyback.

La diferència entre el regulador Buck i el boost és que, al regulador Buck, la col·locació de l’inductor, el díode i el circuit de commutació és diferent del regulador boost. A més, en cas de regulador d’augment, el voltatge de sortida és superior al voltatge d’entrada, però al regulador Buck, el voltatge de sortida serà inferior al voltatge d’entrada. Una topologia de buck o convertidor de buck és una de les topologies bàsiques més utilitzades en SMPS. És una opció popular on hem de convertir un voltatge més alt a un voltatge de sortida inferior.

A part d’aquests reguladors, hi ha un altre regulador que és una opció popular entre tots els dissenyadors, que és el regulador Flyback o el convertidor Flyback. Es tracta d’una topologia versàtil que es pot utilitzar on es necessiten múltiples sortides d’un sol subministrament de sortida. No només això, una topologia flyback permet al dissenyador canviar la polaritat de la sortida alhora. Per exemple, podem crear una sortida de + 5V, + 9V i -9V a partir d’un únic mòdul convertidor. L’eficiència de la conversió és elevada en ambdós casos.

Una altra cosa del convertidor Flyback és l' aïllament elèctric tant a l'entrada com a la sortida. Per què necessitem aïllament? En alguns casos especials, per minimitzar el soroll de potència i les operacions relacionades amb la seguretat, necessitem una operació aïllada, on la font d'entrada estigui completament aïllada de la font de sortida. Explorem l'operació bàsica de retrocés de sortida única.

Funcionament de circuits del convertidor Flyback

Si veiem el disseny bàsic de flyback de sortida única com la imatge següent, identificarem els components bàsics principals que són necessaris per construir-ne un.

Un convertidor flyback bàsic requereix un commutador, que pot ser un FET o un transistor, un transformador, un díode de sortida i un condensador.

El més important és el transformador. Hem d’entendre el funcionament adequat d’un transformador abans d’entendre el funcionament real dels circuits.

El transformador està format per un mínim de dos inductors, coneguts com a bobina secundària i primària, que s’enrotllen en una bobina amb un nucli intermedi. El nucli determina la densitat de flux, que és un paràmetre important per transferir energia elèctrica d’un bobinatge a l’altre. Una altra cosa més important és la fase del transformador, els punts que es mostren al bobinatge primari i secundari.

A més, com podem veure, es connecta un senyal PWM a través del commutador del transistor. Es deu a la freqüència d’apagada i engegada del temps de l’interruptor. PWM significa tècnica de modulació d’amplada de pols.

Al regulador Flyback, hi ha dues operacions de circuit, una és la fase d’encès quan es carrega el bobinatge primari del transformador i una altra és Apagar o la fase de transferència del transformador quan l’energia elèctrica es transfereix del primari al secundari i finalment a la càrrega.

Si suposem que l’interruptor s’ha apagat durant molt de temps, el corrent del circuit és 0 i no hi ha tensió present.

En aquesta situació, si l’interruptor està engegat, el corrent augmentarà i l’inductor crearà una caiguda de tensió, que és negativa a punts ja que la tensió és més negativa a l’extrem primari de punts. Durant aquesta situació, l'energia flueix cap al secundari a causa del flux generat al nucli. A la bobina secundària, es crea una tensió en la mateixa polaritat, però la tensió és directament proporcional a la relació de voltes de la bobina secundària a primària. A causa del voltatge negatiu del punt, el díode s’apaga i no fluirà cap corrent a la secundària. Si el condensador es va carregar en el cicle anterior d’APAGAT-ON, el condensador de sortida només proporcionarà el corrent de sortida a la càrrega.

A la següent fase, quan l’interruptor està apagat, el flux de corrent a través del sistema primari disminueix i, per tant, el punt secundari final és més positiu. Igual que l'etapa anterior de commutació, la polaritat de la tensió primària també crea la mateixa polaritat a la secundària, mentre que la tensió secundària és proporcional a la relació de bobinatge primària i secundària. A causa de l'extrem positiu del punt, el díode s'encén i l'inductor secundari del transformador proporciona corrent al condensador de sortida i a la càrrega. El condensador s'ha perdut la càrrega al cicle ON, ara es torna a omplir i és capaç de proporcionar corrent de càrrega a la càrrega durant el temps d'encesa.

Durant tot el cicle d'encesa i apagat, no hi havia connexions elèctriques entre la font d'alimentació d'entrada i la font de sortida. Per tant, el transformador aïlla l’entrada i la sortida.

Hi ha dos modes de funcionament en funció del temps d’encès i apagat. El convertidor Flyback pot funcionar en mode continu o discontinu.

En mode continu, abans de la càrrega primària, el corrent passa a zero, la repetició del cicle. D’altra banda, en mode discontinu, el següent cicle només comença quan el corrent d’inductor primari passa a zero.

Eficiència

Ara bé, si investigem l’eficiència, quina és la proporció de sortida a potència d’entrada:

(Pout / Pin) x 100%

Com que l'energia no es pot crear ni destruir, només es pot convertir, la majoria de les energies elèctriques perden les energies no utilitzades en calor. A més, no hi ha una situació ideal en el camp pràctic. L'eficiència és un factor important per seleccionar els reguladors de tensió.

Un dels principals factors de pèrdua de potència d’un regulador de commutació és el díode. La caiguda de tensió directa multiplicada per corrent (Vf xi) és la potència no utilitzada que es converteix en calor i redueix l’eficiència del circuit regulador de commutació. A més, és el cost addicional del circuit per a tècniques de gestió tèrmica / de calor, com l’ús d’un dissipador de calor o els ventiladors per refredar el circuit a partir de la calor dissipada. No només la caiguda de tensió directa, la recuperació inversa per a díodes de silici també produeix pèrdues d’energia innecessàries i la reducció de l’eficiència general.

Una de les millors maneres d’evitar un díode de recuperació estàndard és fer servir díodes Schottky que tinguin una baixa caiguda de tensió directa i una millor recuperació inversa. En un altre aspecte, l’interruptor s’ha canviat al disseny MOSFET modern, on es millora l’eficiència en un paquet compacte i més petit.

Tot i que els reguladors de commutació tenen una major eficiència, un disseny tècnic estacionari i un component més petit, són sorollosos que els reguladors lineals, però encara són molt populars.

Exemple de disseny del convertidor Flyback mitjançant LM5160

Utilitzaríem una topologia flyback de Texas Instruments. El circuit es pot consultar al full de dades.

El LM5160 consta de les següents funcions:

• Àmplia gamma de voltatges d'entrada de 4,5V a 65V
• Interruptors integrats de costat alt i baix
  • No es requereix un díode Schottky extern
• 2-A Corrent de càrrega màxima
• Control puntual constant adaptatiu
  • Sense compensació de bucle extern
  • Resposta transitòria ràpida
• Operació PWM o DCM forçada seleccionable
  • FPWM admet Fly-Buck de sortida múltiple
• Freqüència de commutació gairebé constant
  • Resistència ajustable fins a 1 MHz
• Hora d’inici suau del programa
• Inici previst
• ± 1% de referència de voltatge de retroalimentació
• LM5160A Permet el biaix VCC extern
• Funcions de protecció inherents per a un disseny robust
  • Protecció límit de corrent de pic
  • Entrada regulable UVLO i histèresi
  • Protecció UVLO VCC i Gate Drive
  • Protecció contra tancament tèrmic amb histèresi
• Creeu un disseny personalitzat mitjançant LM5160A amb el dissenyador d'energia WEBENCH®

Admet un ampli rang de tensió d'entrada de 4,5V a 70V com a entrada i proporciona 2A de corrent de sortida. També podem seleccionar les operacions forçades de PWM o DCM.

Pinout de LM5160

El CI no està disponible al paquet DIP ni en una versió fàcil de soldar, tot i que és un problema, però el CI estalvia molt espai de PCB, així com un major rendiment tèrmic respecte al dissipador de calor de PCB. El diagrama de pins es mostra a la imatge anterior.

Valoracions màximes absolutes

Hem de tenir cura de la qualificació màxima absoluta del CI.

El pin SS i FB té una tolerància de baixa tensió.

Esquema del circuit del convertidor Flyback i funcionament

En utilitzar aquest LM5160, simularem una font d’alimentació aïllada de 12V basada en les següents especificacions. Vam triar el circuit, ja que tot està disponible al lloc web del fabricant.

L’esquema utilitza molts components, però no és complicat d’entendre. El C6, C7 i C8 de l'entrada s'utilitzen per filtrar el subministrament d'entrada. Mentre que R6 i R10 s’utilitzen per als propòsits relacionats amb el bloqueig de baixa tensió. La resistència R7 té una finalitat relacionada amb el temps. Aquest pin és programable mitjançant una resistència simple. El condensador C13 connectat a través del pin SS és un condensador d’arrencada suau. L'AGND (terra analògica) i PGND (terra de potència) i el PAD estan connectats amb el subministrament GND. A la part dreta, el condensador C5, 0,01 uF és un condensador Bootstrap que s’utilitza per a la polarització del controlador de porta. R4, C4 i C9 són els filtres on R8 i R9 proporcionen la tensió de retroalimentació al pin de retroalimentació del LM5160. Aquesta ració de dues resistències determina la tensió de sortida. C10 i C11 s’utilitzen per a la filtració de sortida primària no aïllada.

Un component important és el T1. És un inductor acoblat amb un inductor de 60uH a banda i banda, primari i secundari. Podem triar qualsevol altre inductor acoblat o sèptic amb la següent especificació:

1. Relació de girs SEC: PRI = 1,5: 1
2. Inductància = 60uH
3. Corrent de saturació = 840mA
4. Resistència CC PRIMÀRIA = 0,071 Ohms
5. Resistència CC SECUNDÀRIA = 0,211 Ohms
6. Freq = 150 kHz

C3 s’utilitza per a l’estabilitat EMI. D1 és el díode directe que converteix la sortida i C1, C2 són els taps del filtre, R2 és la càrrega mínima necessària per a l’arrencada.

Aquells que vulguin fer la font d'alimentació per a especificacions personalitzades i vulguin calcular el valor, el fabricant proporciona una excel·lent eina d'Excel on només heu de posar les dades i Excel calcularà el valor dels components en funció de les fórmules proporcionades al full de dades.

El fabricant també ha proporcionat el model d'espècies i un esquema complet que es pot simular mitjançant l'eina de simulació basada en SPICE de Texas Instrument, TINA-TI. A continuació es mostra l’esquema dibuixat amb l’eina TINA-TI proporcionada pel fabricant.

El resultat de la simulació es pot mostrar a la següent imatge on es poden mostrar el corrent i el voltatge de càrrega perfectes-