Obvod zpětného převodu

V elektronice je regulátor zařízení nebo mechanismus, který může neustále regulovat výstupní výkon. V oblasti napájení jsou k dispozici různé druhy regulátorů. Ale hlavně v případě převodu DC na DC jsou k dispozici dva typy regulátorů: lineární nebo přepínací.

Lineární regulátor reguluje výstup pomocí odporové pokles napětí. Díky tomu poskytují lineární regulátory nižší účinnost a ztrácejí energii ve formě tepla. Spínací regulátor použití cívky, Dioda a vypínač pro přenos energie ze zdroje na výstup.

Typy spínacího regulátoru

K dispozici jsou tři typy spínacích regulátorů.

1. Step-up převodník (Boost Regulator)

2. Step-Down převodník (Buck regulátor)

3. Flyback Converter (izolovaný regulátor)

Už jsme vysvětlili obvod Boost Regulator a Buck Regulator. V tomto tutoriálu si popíšeme okruh Flyback Regulator.

Rozdíl mezi buck a boost regulátor je v regulátoru Buck umístění cívky, diody a spínací obvod je jiný než regulátor boost. Také v případě boostovacího regulátoru je výstupní napětí vyšší než vstupní napětí, ale v buckovém regulátoru bude výstupní napětí nižší než vstupní napětí. Topologie buck nebo konvertor buck je jednou z nejpoužívanějších základních topologií používaných v SMPS. Je to populární volba, když potřebujeme převést vyšší napětí na nižší výstupní napětí.

Kromě těchto regulátorů existuje i další regulátor, který je oblíbenou volbou mezi všemi designéry, a to je Flyback regulátor nebo Flyback převodník. Jedná se o univerzální topologii, kterou lze použít tam, kde je potřeba více výstupů z jednoho výstupního zdroje. Nejen to, flyback topologie umožňuje návrháři měnit polaritu výstupu současně. Například můžeme vytvořit výstup + 5V, + 9V a -9V z jednoho modulu převodníku. Účinnost konverze je v obou případech vysoká.

Další věcí v převaděči Flyback je elektrická izolace na vstupu i na výstupu. Proč potřebujeme izolaci? V některých speciálních případech potřebujeme pro minimalizaci energetického šumu a operace související s bezpečností izolovanou operaci, kdy je vstupní zdroj zcela izolován od výstupního zdroje. Prozkoumejme základní operaci zpětného letu s jedním výstupem.

Obvodový provoz převaděče Flyback

Pokud uvidíme základní flyback design s jediným výstupem, jako je obrázek níže, identifikujeme základní hlavní komponenty, které jsou potřebné k jeho sestavení.

Základní zpětný převodník vyžaduje přepínač, kterým může být FET nebo tranzistor, transformátor, výstupní dioda, kondenzátor.

Hlavní věc je transformátor. Než pochopíme skutečnou činnost obvodů, musíme porozumět správnému fungování transformátoru.

Transformátor se skládá z minimálně dvou induktorů, známých jako sekundární a primární cívka, navinutých v cívce s jádrem mezi nimi. Jádro určuje hustotu toku, což je důležitý parametr pro přenos elektrické energie z jednoho vinutí na druhé. Další nejdůležitější věcí je fázování transformátoru, tečky zobrazené v primárním a sekundárním vinutí.

Jak vidíme, signál PWM je připojen přes tranzistorový spínač. Je to kvůli frekvenci vypnutí a doby zapnutí spínače. PWM je zkratka pro modulační techniku Pulse Width.

V regulátoru Flyback existují dva obvody, jeden je fáze zapnutí, když je primární vinutí transformátoru nabito, a druhý je vypnutí nebo fáze přenosu transformátoru, když se elektrická energie přenáší z primárního na sekundární a konečně k nákladu.

Pokud předpokládáme, že spínač byl delší dobu vypnutý, je proud v obvodu 0 a není přítomno žádné napětí.

V této situaci, pokud je spínač zapnutý, proud se zvýší a induktor vytvoří pokles napětí, který je bodově záporný, protože napětí je více záporné na primárním tečkovaném konci. Během této situace energie proudí na sekundární v důsledku toku generovaného v jádře. Na sekundární cívce se vytváří napětí se stejnou polaritou, ale napětí je přímo úměrné poměru otáček sekundární a primární cívky. Díky bodovému zápornému napětí se dioda vypne a sekundárně nebude proudit žádný proud. Pokud byl kondenzátor nabit v předchozím cyklu vypnutí-zapnutí, výstupní kondenzátor poskytne pouze výstupní proud zátěži.

Hned v další fázi, když je přepínač vypnutý, se sníží tok proudu přes primární, a tím se konec sekundární tečky stane pozitivnějším. Stejně jako v předchozím zapínacím stupni primární polarita napětí vytváří stejnou polaritu i na sekundárním, zatímco sekundární napětí je úměrné poměru primárního a sekundárního vinutí. Díky tečkovanému konci se dioda zapne a sekundární induktor transformátoru dodává proud do výstupního kondenzátoru a zátěže. Kondenzátor ztratil náboj v cyklu ZAPNUTÍ, nyní je znovu naplněn a je schopen dodávat nabíjecí proud do zátěže během doby zapnutí.

V celém cyklu ZAPNUTÍ a VYPNUTÍ mezi vstupním napájecím zdrojem a výstupním napájecím zdrojem neexistuje žádné elektrické spojení. Transformátor tedy izoluje vstup a výstup.

Existují dva režimy provozu v závislosti na časování zapnutí a vypnutí. Převodník Flyback může pracovat v nepřetržitém režimu nebo v diskontinuálním režimu.

V nepřetržitém režimu před primárním nabitím proud přejde na nulu, cyklus se opakuje. Na druhou stranu v diskontinuálním režimu začíná další cyklus teprve tehdy, když primární proud induktoru přejde na nulu.

Účinnost

Nyní, když prozkoumáme účinnost, což je poměr výstupu k příkonu:

(Pout / Pin) x 100%

Protože energii nelze vytvořit ani zničit, lze ji pouze převést, většina elektrických energií ztrácí nevyužité síly na teplo. V praktické oblasti také neexistuje ideální situace. Účinnost je velkým faktorem pro výběr regulátorů napětí.

Jedním z hlavních činitelů ztráty výkonu pro spínací regulátor je dioda. Dopadový pokles napětí vynásobený proudem (Vf xi) je nevyužitý příkon, který se převádí na teplo a snižuje účinnost obvodu spínacího regulátoru. Jedná se také o dodatečné náklady na obvody pro techniku tepelného / tepelného managementu, jako je použití chladiče nebo ventilátorů k ochlazení obvodů z rozptýleného tepla. Nejen pokles dopředného napětí, reverzní zotavení pro křemíkové diody také produkují zbytečné ztráty energie a snižují celkovou účinnost.

Jedním z nejlepších způsobů, jak se vyhnout standardní obnovovací diodě, je použití Schottkyho diod, které mají nízký pokles napětí vpřed a lepší zpětné zotavení. V dalším aspektu byl přepínač změněn na moderní design MOSFET, kde je účinnost vylepšena v kompaktním a menším balení.

Navzdory skutečnosti, že spínací regulátory mají vyšší účinnost, stacionární konstrukční techniku, menší součást, jsou hlučné než lineární regulátor, ale přesto jsou velmi populární.

Příklad návrhu převaděče Flyback pomocí LM5160

Použili bychom flyback topologii od společnosti Texas Instruments. Obvod je k dispozici v datovém listu.

LM5160 skládá Následující Vlastnosti-

Široký rozsah vstupního napětí 4,5 V až 65 V.
Integrované spínače na vysoké a nízké straně
- Není vyžadována žádná externí Schottkyho dioda
2-A Maximální zatěžovací proud
Adaptivní konstantní řízení času
- Žádná kompenzace externí smyčky
- Rychlá přechodná reakce
Volitelný nucený provoz PWM nebo DCM
- FPWM podporuje vícevýstupový Fly-Buck
Téměř konstantní spínací frekvence
- Rezistor nastavitelný až do 1 MHz
Čas měkkého spuštění programu
Objektivní spuštění
Referenční napětí zpětné vazby ± 1%
LM5160A Umožňuje externí zkreslení VCC
Vrozené ochranné prvky pro robustní design
- Ochrana omezující špičkový proud
- Nastavitelný vstup UVLO a hystereze
- Ochrana proti VLC a pohonu brány
- Ochrana proti tepelnému vypnutí s hysterezí
Vytvořte si vlastní design pomocí LM5160A s WEBENCH® Power Designer

Podporuje široký rozsah vstupního napětí od 4,5 V do 70 V jako vstup a poskytuje 2A výstupního proudu. Můžeme také vybrat násilné operace PWM nebo DCM.

Pinout LM5160

Integrovaný obvod není k dispozici v balení DIP ani ve snadno pájitelné verzi, i když je to problém, ale integrovaný obvod šetří spoustu místa na desce plošných spojů a také vyšší tepelný výkon než chladič desky plošných spojů. Pinový diagram je zobrazen na obrázku výše.

Absolutní maximální hodnocení

Musíme být opatrní ohledně absolutního maximálního hodnocení IC.

Pin SS a FB má nízkou toleranci napětí.

Obvodové schéma převaděče Flyback a práce

Použitím tohoto LM5160 budeme simulovat izolované napájecí napětí 12V na základě následujících specifikací. Vybrali jsme obvod, protože vše je k dispozici na webu výrobce.

Schéma využívá spoustu komponent, ale jeho pochopení není složité. C6, C7 a C8 na vstupu se používají k filtraci vstupního napájení. Zatímco R6 a R10 se používají pro účely související s blokováním podpětí. Rezistor R7 je určen pro účely týkající se doby zapnutí. Tento pin je programovatelný pomocí jednoduchého rezistoru. Kondenzátor C13 připojený přes pin SS je kondenzátor s pozvolným startem. AGND (Analog Ground) a PGND (Power Ground) a PAD jsou připojeny k napájecímu GND. Na pravé straně je kondenzátor C5, 0,01 uF, kondenzátor Bootstrap, který se používá pro předpětí ovladače brány. R4, C4 a C9 jsou zvlněný filtr, kde jako R8 a R9 poskytují zpětnovazební napětí na zpětnovazební kolík LM5160. Poměr těchto dvou odporů určuje výstupní napětí. C10 a C11 se používají pro primární neizolovanou výstupní filtraci.

Hlavní složkou je T1. Jedná se o spojený induktor s induktorem 60uH na obou stranách, primární i sekundární. Můžeme zvolit jakýkoli jiný spojený induktor nebo sepický induktor s následující specifikací -

Poměr otáček SEC: PRI = 1,5: 1
Indukčnost = 60uH
Saturační proud = 840mA
DC odpor PRIMÁRNÍ = 0,071 ohmů
DC odpor SEKUNDÁR = 0,211 ohmů
Frekvence = 150 kHz

C3 se používá pro stabilitu EMI. D1 je přední dioda, která převádí výstup, a C1, C2 jsou víčka filtrů, R2 je minimální zátěž, která je vyžadována pro spuštění.

Ti, kteří chtějí vytvořit napájecí zdroj pro vlastní specifikace a chtějí vypočítat hodnotu, poskytuje výrobce vynikající nástroj Excel, kde jednoduše vložíte data a aplikace Excel vypočítá hodnotu komponent v závislosti na vzorcích uvedených v datovém listu.

Výrobce také poskytl model koření a úplné schéma, které lze simulovat pomocí vlastního simulačního nástroje TINA-TI založeného na SPICE společnosti Texas Instrument. Níže je schéma nakreslené pomocí nástroje TINA-TI poskytovaného výrobcem.

Výsledek simulace lze zobrazit na dalším obrázku, kde lze zobrazit dokonalý zatěžovací proud a napětí -