Circuito convertitore flyback

In elettronica, un regolatore è un dispositivo o meccanismo che può regolare costantemente la potenza in uscita. Sono disponibili diversi tipi di regolatori nel dominio dell'alimentazione. Ma principalmente, nel caso di conversione da CC a CC, sono disponibili due tipi di regolatori: lineare o a commutazione.

Un regolatore lineare regola l'uscita utilizzando una caduta di tensione resistiva. Per questo motivo i regolatori lineari forniscono un'efficienza inferiore e perdono potenza sotto forma di calore. Il regolatore di commutazione utilizza un induttore, un diodo e un interruttore di alimentazione per trasferire l'energia dalla sorgente all'uscita.

Tipi di regolatore di commutazione

Sono disponibili tre tipi di regolatori di commutazione.

1. Convertitore step-up (Boost Regulator)

2. Convertitore step-down (regolatore Buck)

3. Convertitore flyback (regolatore isolato)

Abbiamo già spiegato il circuito Boost Regulator e Buck Regulator. In questo tutorial descriveremo il circuito del regolatore Flyback.

La differenza tra il regolatore buck e il regolatore boost è che nel regolatore buck la posizione dell'induttore, del diodo e del circuito di commutazione è diversa dal regolatore boost. Inoltre, in caso di regolatore boost, la tensione di uscita è superiore alla tensione di ingresso, ma nel regolatore buck, la tensione di uscita sarà inferiore alla tensione di ingresso. Una topologia buck o un convertitore buck è una delle topologie di base più utilizzate in SMPS. È una scelta popolare in cui è necessario convertire una tensione maggiore in una tensione di uscita inferiore.

Oltre a questi regolatori, esiste un altro regolatore che è una scelta popolare tra tutti i progettisti, che è il regolatore Flyback o il convertitore Flyback. Si tratta di una topologia versatile che può essere utilizzata laddove sono necessarie più uscite da una singola alimentazione di uscita. Non solo, una topologia flyback consente al progettista di cambiare la polarità dell'uscita allo stesso tempo. Ad esempio, possiamo creare uscite a + 5V, + 9V e -9V da un singolo modulo convertitore. L'efficienza di conversione è elevata in entrambi i casi.

Un'altra cosa nel convertitore Flyback è l' isolamento elettrico sia in ingresso che in uscita. Perché abbiamo bisogno dell'isolamento? In alcuni casi speciali, per ridurre al minimo il rumore di alimentazione e le operazioni relative alla sicurezza, è necessaria un'operazione isolata, dove la sorgente di ingresso è completamente isolata dalla sorgente di uscita. Esploriamo l'operazione flyback di base a output singolo.

Funzionamento dei circuiti del convertitore flyback

Se vediamo il design flyback di base a uscita singola come l'immagine qui sotto, identificheremo i componenti principali di base necessari per costruirne uno.

Un convertitore flyback di base richiede un interruttore, che può essere un FET o un transistor, un trasformatore, un diodo di uscita, un condensatore.

La cosa principale è il trasformatore. Dobbiamo capire il corretto funzionamento di un trasformatore prima di capire il funzionamento effettivo del circuito.

Il trasformatore è costituito da almeno due induttori, noti come bobina secondaria e primaria, avvolti in un formatore di bobine con un nucleo in mezzo. Il nucleo determina la densità di flusso che è un parametro importante per il trasferimento di energia elettrica da un avvolgimento all'altro. Un'altra cosa più importante è la fase del trasformatore, i punti mostrati nell'avvolgimento primario e secondario.

Inoltre, come possiamo vedere, un segnale PWM è collegato attraverso l'interruttore del transistor. È dovuto alla frequenza di spegnimento e accensione dell'interruttore. PWM è l'acronimo di Pulse Width Modulation.

Nel regolatore Flyback, ci sono due circuiti di funzionamento, uno è la fase di accensione quando l'avvolgimento primario del trasformatore si è caricato, e un altro è lo spegnimento o la fase di trasferimento del trasformatore quando l'energia elettrica viene trasferita dal primario al secondario e infine al carico.

Se assumiamo che l'interruttore sia stato spento per un lungo periodo, la corrente nel circuito è 0 e non è presente tensione.

In questa situazione, se l'interruttore è acceso, la corrente aumenterà e l'induttore creerà una caduta di tensione, che è punto negativo poiché la tensione è più negativa sull'estremità tratteggiata primaria. Durante questa situazione, l'energia fluisce al secondario a causa del flusso generato nel nucleo. Sulla bobina secondaria, viene creata una tensione con la stessa polarità ma la tensione è direttamente proporzionale al rapporto di spire della bobina secondaria a primaria. A causa della tensione negativa del punto, il diodo si spegne e non fluirà corrente nel secondario. Se il condensatore è stato caricato nel precedente ciclo di spegnimento-accensione, il condensatore di uscita fornirà solo la corrente di uscita al carico.

Nella fase successiva, quando l'interruttore è spento, il flusso di corrente attraverso il primario diminuisce, rendendo così l'estremità del punto secondario più positiva. Come il precedente stadio di accensione, la polarità della tensione primaria crea la stessa polarità anche sul secondario, mentre la tensione secondaria è proporzionale al rapporto tra primario e secondario. A causa dell'estremità positiva del punto, il diodo si accende e l'induttore secondario del trasformatore fornisce corrente al condensatore di uscita e al carico. Il condensatore ha perso la carica nel ciclo ON, ora è nuovamente ricaricato e in grado di fornire corrente di carica al carico durante il tempo di accensione.

Nell'intero ciclo di accensione e spegnimento non erano presenti collegamenti elettrici tra l'alimentazione in ingresso e la fonte di alimentazione in uscita. Pertanto, il trasformatore isola l'ingresso e l'uscita.

Esistono due modalità di funzionamento a seconda dei tempi di accensione e spegnimento. Il convertitore flyback può funzionare in modalità continua o discontinua.

In modalità continua, prima della carica primaria, la corrente va a zero, il ciclo si ripete. D'altra parte, in modalità discontinua, il ciclo successivo inizia solo quando la corrente dell'induttore primario va a zero.

Efficienza

Ora, se esaminiamo l'efficienza, che è il rapporto tra output e potenza in ingresso:

(Pout / Pin) x 100%

Poiché l'energia non può essere creata né distrutta, può solo essere convertita, la maggior parte delle energie elettriche perdono poteri inutilizzati in calore. Inoltre, non esiste una situazione ideale nel campo pratico. L'efficienza è un fattore importante per la selezione dei regolatori di tensione.

Uno dei principali fattori di perdita di potenza per un regolatore a commutazione è il diodo. La caduta di tensione diretta moltiplicata per la corrente (Vf xi) è la potenza inutilizzata che viene convertita in calore e riduce l'efficienza del circuito del regolatore di commutazione. Inoltre, è il costo aggiuntivo per i circuiti per le tecniche di gestione termica / termica come l'utilizzo di un dissipatore di calore o le ventole per raffreddare i circuiti dal calore dissipato. Non solo la caduta di tensione diretta, il recupero inverso per i diodi al silicio produce anche inutili perdite di potenza e riduzione dell'efficienza complessiva.

Uno dei modi migliori per evitare un diodo di recupero standard è utilizzare diodi Schottky che hanno una bassa caduta di tensione diretta e un migliore recupero inverso. In un altro aspetto, l'interruttore è stato modificato in un moderno design MOSFET in cui l'efficienza è migliorata in un pacchetto compatto e più piccolo.

Nonostante il fatto che i regolatori di commutazione abbiano una maggiore efficienza, una tecnica di progettazione stazionaria, componenti più piccoli, sono rumorosi di un regolatore lineare ma sono comunque molto popolari.

Progettazione di esempio di convertitore flyback utilizzando LM5160

Useremo una topologia flyback di Texas Instruments. Il circuito può essere disponibile nella scheda tecnica.

L' LM5160 è costituito dalle seguenti caratteristiche:

• Ampia gamma di tensioni di ingresso da 4,5 V a 65 V.
• Interruttori high-side e low-side integrati
  • Nessun diodo Schottky esterno richiesto
• Corrente di carico massima 2 A
• Controllo adattivo costante del tempo
  • Nessuna compensazione del loop esterno
  • Risposta transitoria veloce
• Operazione PWM forzata o DCM selezionabile
  • FPWM supporta Fly-Buck multiuscita
• Frequenza di commutazione quasi costante
  • Resistore regolabile fino a 1 MHz
• Programma Soft Start Time
• Avvio prevenuto
• ± 1% Riferimento tensione di feedback
• LM5160A consente il bias VCC esterno
• Caratteristiche di protezione intrinseche per un design robusto
  • Protezione di limitazione della corrente di picco
  • Ingresso regolabile UVLO e isteresi
  • Protezione UVLO VCC e Gate Drive
  • Protezione da arresto termico con isteresi
• Crea un design personalizzato utilizzando LM5160A con WEBENCH® Power Designer

Supporta un'ampia gamma di tensioni di ingresso da 4,5 V a 70 V come ingresso e fornisce 2 A di corrente di uscita. Possiamo anche selezionare le operazioni PWM o DCM forzate.

Pinout di LM5160

L'IC non è disponibile nel pacchetto DIP o in una versione saldabile facilmente, sebbene sia un problema, ma l'IC risparmia molto spazio PCB e una maggiore prestazione termica rispetto al dissipatore PCB. Il diagramma dei pin è mostrato nell'immagine sopra.

Valutazioni massime assolute

Dobbiamo stare attenti alla valutazione massima assoluta dell'IC.

I pin SS e FB hanno una tolleranza di bassa tensione.

Schema elettrico del convertitore flyback e funzionamento

Utilizzando questo LM5160 simuleremo un alimentatore isolato a 12V in base alle seguenti specifiche. Abbiamo scelto il circuito in quanto tutto è disponibile nel sito del produttore.

Lo schema utilizza molti componenti ma non è complicato da capire. C6, C7 e C8 sull'ingresso vengono utilizzati per filtrare l'alimentazione in ingresso. Mentre R6 e R10 vengono utilizzati per scopi correlati al blocco di sottotensione. Il resistore R7 è per lo scopo relativo al tempo di attivazione. Questo pin è programmabile utilizzando un semplice resistore. Il condensatore C13 collegato attraverso il pin SS è un condensatore di avviamento graduale. AGND (Analog Ground) e PGND (Power Ground) e il PAD sono collegati con l'alimentazione GND. Sul lato destro, C5, un condensatore da 0,01 uF è un condensatore Bootstrap che viene utilizzato per la polarizzazione del gate driver. R4, C4 e C9 sono il filtro ondulazione in cui come R8 e R9 forniscono la tensione di feedback al pin di feedback dell'LM5160. Questo rapporto di due resistenze determina la tensione di uscita. C10 e C11 vengono utilizzati per il filtraggio dell'uscita primaria non isolata.

Un componente importante è il T1. È un induttore accoppiato con un induttore da 60uH su entrambi i lati, primario e secondario. Possiamo scegliere qualsiasi altro induttore accoppiato o induttore sepico con le seguenti specifiche-

1. Rapporto di svolta SEC: PRI = 1.5: 1
2. Induttanza = 60uH
3. Corrente di saturazione = 840mA
4. Resistenza DC PRIMARIA = 0,071 Ohm
5. Resistenza CC SECONDARIA = 0,211 Ohm
6. Freq = 150 kHz

C3 è utilizzato per la stabilità EMI. D1 è il diodo diretto che converte l'uscita e C1, C2 sono i cappucci del filtro, R2 è il carico minimo richiesto per l'avvio.

Coloro che vogliono realizzare l'alimentatore per specifiche personalizzate e vogliono calcolare il valore, il produttore fornisce un eccellente strumento Excel in cui basta semplicemente inserire i dati e Excel calcolerà il valore dei componenti in base alle formule fornite nella scheda tecnica.

Il produttore ha anche fornito il modello delle spezie e uno schema completo che può essere simulato utilizzando lo strumento di simulazione basato su SPICE di Texas Instrument TINA-TI. Di seguito è riportato lo schema disegnato utilizzando lo strumento TINA-TI fornito dal produttore.

Il risultato della simulazione può essere mostrato nell'immagine successiva dove è possibile mostrare la corrente e la tensione di carico perfette-