- Typy spínacieho regulátora
- Obvodová prevádzka prevodníka Flyback
- Účinnosť
- Príklad návrhu prevodníka Flyback pomocou LM5160
- Pinout z LM5160
- Schéma zapojenia prevodníka Flyback a funkčné
V elektronike je regulátor zariadenie alebo mechanizmus, ktorý dokáže neustále regulovať výstupný výkon. V oblasti napájania sú k dispozícii rôzne druhy regulátorov. Ale hlavne v prípade konverzie DC na DC sú k dispozícii dva typy regulátorov: lineárny alebo spínací.
Lineárne regulátor reguluje výstup pomocou odporové pokles napätia. Vďaka tomu poskytujú lineárne regulátory nižšiu účinnosť a stratu energie vo forme tepla. Spínacie regulátor použitie cievky, Dióda a vypínač na prenos energie zo zdroja na výstup.
Typy spínacieho regulátora
K dispozícii sú tri typy spínacích regulátorov.
1. Step-up prevodník (Boost Regulator)
2. Step-Down prevodník (Buck regulátor)
3. Prevodník Flyback (izolovaný regulátor)
Obvody Boost Regulator a Buck Regulator sme už vysvetlili. V tomto tutoriále si popíšeme okruh Flyback Regulator.
Rozdiel medzi buck a boost regulátor je v regulátora Buck umiestnenie cievky, diódy a spínacie obvod je iný ako regulátor boost. Taktiež v prípade zosilňovacieho regulátora je výstupné napätie vyššie ako vstupné napätie, ale v buckovom regulátore bude výstupné napätie nižšie ako vstupné napätie. Topológia alebo prevádzač buck je jedna z najpoužívanejších základných topológií používaných v SMPS. Je to populárna voľba, keď potrebujeme prevádzať vyššie napätie na nižšie výstupné napätie.
Okrem týchto regulátorov existuje ešte jeden regulátor, ktorý je obľúbenou voľbou medzi všetkými dizajnérmi, napríklad regulátor Flyback alebo prevodník Flyback. Toto je univerzálna topológia, ktorú je možné použiť tam, kde je potrebných viac výstupov z jedného výstupného zdroja. A nielen to, flyback topológia umožňuje dizajnérovi meniť polaritu výstupu súčasne. Napríklad môžeme vytvoriť výstup + 5V, + 9V a -9V z jedného modulu prevodníka. Účinnosť premeny je v obidvoch prípadoch vysoká.
Ďalšou vecou v prevodníkovi Flyback je elektrická izolácia na vstupe aj na výstupe. Prečo potrebujeme izoláciu? V niektorých špeciálnych prípadoch potrebujeme na minimalizáciu energetického šumu a na operácie spojené s bezpečnosťou izolovanú operáciu, pri ktorej je vstupný zdroj úplne izolovaný od výstupného zdroja. Poďme preskúmať základnú operáciu spätného letu s jedným výstupom.
Obvodová prevádzka prevodníka Flyback
Ak uvidíme základný design spätného letu s jedným výstupom, ako je obrázok nižšie, identifikujeme základné hlavné komponenty, ktoré sú potrebné na jeho zostavenie.
Základný spätný prevodník vyžaduje prepínač, ktorým môže byť FET alebo tranzistor, transformátor, výstupná dióda, kondenzátor.
Hlavná vec je transformátor. Pred pochopením skutočnej činnosti obvodov musíme pochopiť správnu prácu transformátora.
Transformátor sa skladá z minimálne dvoch induktorov, známych ako sekundárna a primárna cievka, navinutých v cievke s jadrom medzi nimi. Jadro určuje hustotu toku, ktorý je dôležitým parametrom na prenos elektrickej energie z jedného vinutia na druhé. Ďalšou najdôležitejšou vecou je fázovanie transformátora, bodky zobrazené v primárnom a sekundárnom vinutí.
Tiež, ako vidíme, je cez tranzistorový spínač pripojený signál PWM. Je to spôsobené frekvenciou vypínania a doby zapínania spínača. PWM je skratka pre techniku modulácie šírky impulzu.
V regulátore Flyback existujú dve obvody, jedna je fáza zapnutia, keď je primárne vinutie transformátora nabité, a druhá, fáza vypnutia alebo fáza prenosu, keď sa elektrická energia prenáša z primárneho na sekundárne a konečne do nákladu.
Ak predpokladáme, že spínač bol dlhší čas vypnutý, je prúd v obvode 0 a nie je prítomné žiadne napätie.
V tejto situácii, ak je prepínač v polohe ON, prúd sa zvýši a induktor vytvorí pokles napätia, ktorý je bodovo negatívny, pretože napätie je viac záporné na primárnom bodkovanom konci. Počas tejto situácie energia prúdi do sekundárneho systému v dôsledku toku generovaného v jadre. Na sekundárnej cievke sa vytvára napätie s rovnakou polaritou, ale napätie je priamo úmerné pomeru otáčok sekundárnej a primárnej cievky. Vďaka bodovému zápornému napätiu sa dióda vypne a v sekundárnom obvode nebude prúdiť žiadny prúd. Ak bol kondenzátor nabitý v predchádzajúcom cykle vypínania a zapínania, výstupný kondenzátor poskytne výstupnému prúdu iba záťaž.
Hneď v ďalšej fáze, keď je prepínač vypnutý, sa prúd prúdu cez primárny prúd zníži, čím sa koniec sekundárnej bodky stane pozitívnejším. Rovnako ako predchádzajúci stupeň ZAPNUTIA, polarita primárneho napätia vytvára rovnakú polaritu aj na sekundárnom, zatiaľ čo sekundárne napätie je úmerné pomeru primárneho a sekundárneho vinutia. Vďaka bodovému kladnému koncu sa dióda zapne a sekundárny induktor transformátora dodáva prúd do výstupného kondenzátora a do záťaže. Kondenzátor stratil náboj v cykle ON, teraz je znovu naplnený a schopný poskytnúť nabíjací prúd do záťaže počas doby zapnutia.
Počas celého cyklu ZAPNUTIE a VYPNUTIE neboli medzi vstupným napájaním a výstupným zdrojom napájania žiadne elektrické spojenia. Transformátor teda izoluje vstup a výstup.
Existujú dva režimy prevádzky v závislosti od načasovania zapnutia a vypnutia. Prevodník Flyback môže pracovať v nepretržitom režime alebo v prerušovanom režime.
V nepretržitom režime pred primárnym nabitím prúd prejde na nulu, cyklus sa opakuje. Na druhej strane, v diskontinuálnom režime, ďalší cyklus začína, až keď prúd primárneho induktora prejde na nulu.
Účinnosť
Teraz, keď skúmame účinnosť, ktorá je pomerom výkonu k príkonu:
(Pout / Pin) x 100%
Pretože energiu nie je možné vytvoriť ani zničiť, je možné ju iba premeniť. Väčšina elektrických energií stráca nevyužité sily na teplo. V praktickej oblasti tiež neexistuje ideálna situácia. Účinnosť je veľkým faktorom pri výbere regulátorov napätia.
Jedným z hlavných faktorov straty výkonu pre spínací regulátor je dióda. Dopadový pokles napätia vynásobený prúdom (Vf xi) je nevyužitý príkon, ktorý sa prevedie na teplo a zníži účinnosť obvodu spínacieho regulátora. Jedná sa tiež o dodatočné náklady na obvody pre techniku tepelného a tepelného hospodárstva, ako je použitie chladiča alebo ventilátorov na ochladenie obvodov z rozptýleného tepla. Nielen pokles napätia vpred, reverzné zotavenie pre kremíkové diódy tiež produkujú zbytočné straty energie a znižujú celkovú účinnosť.
Jedným z najlepších spôsobov, ako sa vyhnúť štandardnej dióde na zotavenie, je použitie Schottkyho diód, ktoré majú nízky pokles napätia vpred a lepšie spätné zotavenie. V ďalšom aspekte bol prepínač zmenený na moderný dizajn MOSFET, kde sa zvyšuje účinnosť v kompaktnom a menšom balení.
Napriek skutočnosti, že spínacie regulátory majú vyššiu účinnosť, stacionárne konštrukčné riešenie, menšie komponenty, sú hlučné ako lineárny regulátor, napriek tomu sú veľmi populárne.
Príklad návrhu prevodníka Flyback pomocou LM5160
Použili by sme flyback topológiu od spoločnosti Texas Instruments. Obvod je uvedený v údajovom liste.
Model LM5160 pozostáva z nasledujúcich funkcií -
- Široký rozsah vstupného napätia 4,5 V až 65 V.
- Integrované prepínače High-Side a Low-Side
- Nie je potrebná žiadna externá Schottkyho dióda
- 2-A maximálny záťažový prúd
- Adaptívna konštantná regulácia času
- Žiadna kompenzácia externej slučky
- Rýchla prechodná reakcia
- Voliteľná nútená prevádzka PWM alebo DCM
- FPWM podporuje viacvýstupový Fly-Buck
- Takmer konštantná spínacia frekvencia
- Rezistor nastaviteľný až do 1 MHz
- Čas plynulého spustenia programu
- Predbežné spustenie
- Referenčné napätie spätnej väzby ± 1%
- LM5160A Umožňuje externé skreslenie VCC
- Vrodené ochranné prvky pre robustný dizajn
- Ochrana obmedzujúca špičkový prúd
- Nastaviteľný vstup UVLO a hysterézia
- Ochrana proti VLC a pohonu brány
- Ochrana proti tepelnému vypnutiu s hysteréziou
- Vytvorte si vlastný dizajn pomocou modelu LM5160A s návrhárom WEBENCH® Power
Podporuje široký rozsah vstupného napätia od 4,5 V do 70 V ako vstup a poskytuje 2A výstupného prúdu. Môžeme tiež zvoliť násilné operácie PWM alebo DCM.
Pinout z LM5160
Integrovaný obvod nie je k dispozícii v balení DIP ani v ľahko spájkovateľnej verzii, aj keď je to problém, ale integrovaný obvod šetrí veľa miesta na PCB a tiež lepšie tepelné vlastnosti cez chladič PCB. Schéma pripínania je znázornená na obrázku vyššie.
aboslútne maximálne hodnotenie
Musíme byť opatrní pri absolútnom maximálnom hodnotení IC.
Pin SS a FB má nízku toleranciu napätia.
Schéma zapojenia prevodníka Flyback a funkčné
Použitím tohto modelu LM5160 budeme simulovať izolované napájanie 12V na základe nasledujúcich špecifikácií. Vybrali sme obvod, pretože všetko je k dispozícii na webových stránkach výrobcu.
Schéma využíva veľa komponentov, jej pochopenie však nie je komplikované. C6, C7 a C8 na vstupe sa používajú na filtráciu vstupného napájania. Zatiaľ čo R6 a R10 sa používajú na účely súvisiace s blokovaním podpätia. Rezistor R7 slúži na účely týkajúce sa času zapnutia. Tento pin je programovateľný pomocou jednoduchého rezistora. Kondenzátor C13 pripojený cez pin SS je kondenzátor s pozvoľným štartom. AGND (Analog Ground) a PGND (Power Ground) a PAD sú pripojené k napájaciemu GND. Na pravej strane je kondenzátor C5, 0,01 uF, kondenzátor Bootstrap, ktorý sa používa na predpätie ovládača brány. R4, C4 a C9 sú zvlnené filtre, kde ako R8 a R9 poskytujú spätnoväzbové napätie na spätnoväzbový kolík LM5160. Pomer týchto dvoch odporov určuje výstupné napätie. C10 a C11 sa používajú na primárnu neizolovanú výstupnú filtráciu.
Hlavnou súčasťou je T1. Jedná sa o spojený induktor s induktorom 60uH na oboch stranách, primárnym aj sekundárnym. Môžeme zvoliť akýkoľvek iný spojený induktor alebo sepický induktor s nasledujúcou špecifikáciou -
- Pomer otáčok SEC: PRI = 1,5: 1
- Indukčnosť = 60uH
- Saturačný prúd = 840mA
- DC odpor PRIMÁRNE = 0,071 ohmov
- DC odpor SECONDARY = 0,211 ohmov
- Frekvencia = 150 kHz
Pre stabilitu EMI sa používa C3. D1 je predná dióda, ktorá prevádza výstup, a C1, C2 sú čiapky filtra, R2 je minimálne zaťaženie potrebné na uvedenie do prevádzky.
Tí, ktorí chcú vytvoriť napájací zdroj pre vlastné špecifikácie a chcú vypočítať hodnotu, poskytuje výrobca vynikajúci nástroj programu Excel, do ktorého jednoducho vložíte údaje a program Excel vypočíta hodnotu komponentov podľa vzorcov uvedených v údajovom liste.
Výrobca taktiež poskytol model korenia a kompletnú schému, ktorú je možné simulovať pomocou vlastného simulačného nástroja TINA-TI od spoločnosti Texas Instrument. Ďalej je schéma nakreslená pomocou nástroja TINA-TI od výrobcu.
Výsledok simulácie je možné zobraziť na nasledujúcom obrázku, kde je možné zobraziť dokonalý záťažový prúd a napätie -