Flyback-Wandlerschaltung

In der Elektronik ist ein Regler ein Gerät oder ein Mechanismus, der die Leistungsabgabe konstant regeln kann. Im Bereich der Stromversorgung stehen verschiedene Arten von Reglern zur Verfügung. Vor allem bei der Umwandlung von Gleichstrom in Gleichstrom stehen jedoch zwei Arten von Reglern zur Verfügung: Linear oder Schalten.

Ein Linearregler regelt den Ausgang über einen ohmschen Spannungsabfall. Aufgrund dessen bieten Linearregler einen geringeren Wirkungsgrad und verlieren an Leistung in Form von Wärme. Der Schaltregler verwendet eine Induktivität, eine Diode und einen Leistungsschalter, um Energie von seiner Quelle zum Ausgang zu übertragen.

Arten von Schaltreglern

Es gibt drei Arten von Schaltreglern.

1. Aufwärtswandler (Boost Regulator)

2. Abwärtswandler (Buck-Regler)

3. Flyback-Konverter (isolierter Regler)

Wir haben bereits die Schaltung Boost Regulator und Buck Regulator erklärt. In diesem Tutorial werden wir die beschreiben Flyback - Regler - Schaltung.

Der Unterschied zwischen dem Buck-Regler und dem Boost-Regler besteht darin, dass sich im Buck-Regler die Anordnung von Induktor, Diode und Schaltkreis vom Boost-Regler unterscheidet. Auch im Fall eines Boost-Reglers ist die Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung, aber im Buck-Regler ist die Ausgangsspannung niedriger als die Eingangsspannung. Eine Buck-Topologie oder ein Buck-Konverter ist eine der am häufigsten verwendeten Basistopologien, die in SMPS verwendet werden. Es ist eine beliebte Wahl, wenn wir eine höhere Spannung in eine niedrigere Ausgangsspannung umwandeln müssen.

Abgesehen von diesen Reglern gibt es einen anderen Regler, der bei allen Designern sehr beliebt ist, nämlich den Flyback-Regler oder den Flyback-Wandler. Dies ist eine vielseitige Topologie, die verwendet werden kann, wenn mehrere Ausgänge von einer einzigen Ausgangsversorgung benötigt werden. Darüber hinaus ermöglicht eine Flyback-Topologie dem Designer, gleichzeitig die Polarität des Ausgangs zu ändern. Zum Beispiel können wir + 5V, + 9V und -9V Ausgang von einem einzelnen Konvertermodul erzeugen. Die Umwandlungseffizienz ist in beiden Fällen hoch.

Eine andere Sache im Flyback-Wandler ist die elektrische Isolation sowohl am Eingang als auch am Ausgang. Warum brauchen wir Isolation? In einigen speziellen Fällen benötigen wir zur Minimierung des Stromrauschens und sicherheitsrelevanter Vorgänge einen isolierten Betrieb, bei dem die Eingangsquelle vollständig von der Ausgangsquelle isoliert ist. Lassen Sie uns die grundlegende Flyback-Operation mit einem Ausgang untersuchen.

Schaltungsbetrieb des Flyback-Wandlers

Wenn wir das grundlegende Flyback-Design für eine einzelne Ausgabe wie in der Abbildung unten sehen, werden wir die grundlegenden Hauptkomponenten identifizieren, die zum Erstellen einer solchen erforderlich sind.

Ein grundlegender Sperrwandler erfordert einen Schalter, der ein FET oder ein Transistor, ein Transformator, eine Ausgangsdiode oder ein Kondensator sein kann.

Die Hauptsache ist der Transformator. Wir müssen die ordnungsgemäße Funktionsweise eines Transformators verstehen, bevor wir den tatsächlichen Betrieb der Schaltung verstehen.

Der Transformator besteht aus mindestens zwei Induktivitäten, die als Sekundär- und Primärspule bezeichnet werden und in einem Spulenkörper mit einem dazwischen liegenden Kern aufgewickelt sind. Der Kern bestimmt die Flussdichte, die ein wichtiger Parameter für die Übertragung elektrischer Energie von einer Wicklung zur anderen ist. Ein weiteres wichtiges Element ist die Transformatorphaseneinstellung, die Punkte in der Primär- und Sekundärwicklung.

Wie wir sehen können, ist auch ein PWM-Signal über den Transistorschalter angeschlossen. Dies liegt an der Häufigkeit des Aus- und Einschaltens des Schalters. PWM steht für Pulse Width Modulation Technique.

Im Flyback-Regler gibt es zwei Schaltkreise: Eine ist die Einschaltphase, wenn die Primärwicklung des Transformators aufgeladen ist, und eine andere ist die Ausschaltphase oder die Übertragungsphase des Transformators, wenn die elektrische Energie von der primären zur sekundären und übertragen wird Endlich zur Ladung.

Wenn wir davon ausgehen, dass der Schalter längere Zeit ausgeschaltet war, ist der Strom im Stromkreis 0 und es liegt keine Spannung an.

Wenn in dieser Situation der Schalter eingeschaltet wird, steigt der Strom an und die Induktivität erzeugt einen Spannungsabfall, der punktnegativ ist, da die Spannung am primären gepunkteten Ende negativer ist. Während dieser Situation fließt die Energie aufgrund des im Kern erzeugten Flusses zur Sekundärseite. An der Sekundärspule wird eine Spannung mit der gleichen Polarität erzeugt, aber die Spannung ist direkt proportional zum Windungsverhältnis der Sekundärspule zur Primärspule. Aufgrund der negativen Punktspannung wird die Diode ausgeschaltet und es fließt kein Strom in der Sekundärseite. Wenn der Kondensator im vorherigen Ausschalt-EIN-Zyklus aufgeladen wurde, liefert der Ausgangskondensator nur den Ausgangsstrom an die Last.

In der nächsten Stufe, wenn der Schalter ausgeschaltet wird, wird der Stromfluss über die Primärseite verringert, wodurch das Ende des Sekundärpunkts positiver wird. Wie bei der vorherigen Einschaltstufe erzeugt die Primärspannungspolarität auch auf der Sekundärspannung die gleiche Polarität, während die Sekundärspannung proportional zum Primär- und Sekundärwicklungsverhältnis ist. Aufgrund des positiven Punktendes wird die Diode eingeschaltet und die Sekundärinduktivität des Transformators versorgt den Ausgangskondensator und die Last mit Strom. Der Kondensator hat die Ladung im EIN-Zyklus verloren, jetzt wird er wieder aufgefüllt und kann der Last während der Einschaltzeit Ladestrom liefern.

Während des gesamten Ein- und Ausschaltzyklus waren keine elektrischen Verbindungen zwischen der Eingangsstromversorgung und der Ausgangsstromquelle vorhanden. Somit trennt der Transformator den Eingang und den Ausgang.

Abhängig vom Ein- und Ausschaltzeitpunkt gibt es zwei Betriebsarten. Der Rücklaufwandler kann im kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Modus betrieben werden.

Im kontinuierlichen Modus geht der Strom vor der Primärladung auf Null, die Zykluswiederholung. Andererseits beginnt im diskontinuierlichen Modus der nächste Zyklus erst, wenn der Primärinduktivitätsstrom auf Null geht.

Effizienz

Wenn wir nun den Wirkungsgrad untersuchen, der das Verhältnis von Ausgang zu Eingangsleistung ist:

(Schmollmund / Stift) x 100%

Da Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann, kann sie nur umgewandelt werden. Die meisten elektrischen Energien verlieren ungenutzte Energie in Wärme. Auch im praktischen Bereich gibt es keine ideale Situation. Die Effizienz ist ein wichtiger Faktor bei der Auswahl von Spannungsreglern.

Einer der Hauptverlustfaktoren für einen Schaltregler ist die Diode. Der Vorwärtsspannungsabfall multipliziert mit dem Strom (Vf xi) ist die nicht verwendete Leistung, die in Wärme umgewandelt wird und den Wirkungsgrad der Schaltreglerschaltung verringert. Es sind auch die zusätzlichen Kosten für die Schaltung für Wärme- / Wärmemanagementtechniken wie die Verwendung eines Kühlkörpers oder Lüfter, um die Schaltung von der Wärmeableitung abzukühlen. Nicht nur der Vorwärtsspannungsabfall, sondern auch die Rückwärtswiederherstellung für Siliziumdioden führt zu unnötigen Leistungsverlusten und einer Verringerung des Gesamtwirkungsgrads.

Eine der besten Möglichkeiten, eine Standard-Wiederherstellungsdiode zu vermeiden, besteht darin, Schottky-Dioden zu verwenden, die einen geringen Durchlassspannungsabfall und eine bessere Rückwärtswiederherstellung aufweisen. In einem anderen Aspekt wurde der Schalter auf ein modernes MOSFET-Design umgestellt, bei dem die Effizienz in einem kompakten und kleineren Gehäuse verbessert wird.

Trotz der Tatsache, dass Schaltregler eine höhere Effizienz, eine stationäre Konstruktionstechnik und eine kleinere Komponente aufweisen, sind sie laut als ein linearer Regler, aber dennoch weit verbreitet.

Beispieldesign eines Flyback-Konverters mit LM5160

Wir würden eine Flyback-Topologie von Texas Instruments verwenden. Die Schaltung kann im Datenblatt verfügbar sein.

Der LM5160 besteht aus folgenden Funktionen:

• Breiter Eingangsspannungsbereich von 4,5 V bis 65 V.
• Integrierte High-Side- und Low-Side-Schalter
  • Keine externe Schottky-Diode erforderlich
• 2-A maximaler Laststrom
• Adaptive konstante Pünktlichkeitssteuerung
  • Keine externe Schleifenkompensation
  • Schnelle Einschwingzeit
• Wählbarer erzwungener PWM- oder DCM-Betrieb
  • FPWM unterstützt Fly-Buck mit mehreren Ausgängen
• Nahezu konstante Schaltfrequenz
  • Widerstand Einstellbar bis 1 MHz
• Softstartzeit programmieren
• Vorgespannter Start
• ± 1% Rückkopplungsspannungsreferenz
• LM5160A Ermöglicht externe VCC-Vorspannung
• Inhärente Schutzfunktionen für robustes Design
  • Spitzenstrombegrenzungsschutz
  • Einstellbarer Eingang UVLO und Hysterese
  • VCC und Gate Drive UVLO-Schutz
  • Thermischer Abschaltschutz mit Hysterese
• Erstellen Sie mit dem LM5160A ein benutzerdefiniertes Design mit dem WEBENCH® Power Designer

Es unterstützt einen weiten Eingangsspannungsbereich von 4,5 V bis 70 V als Eingang und liefert 2 A Ausgangsstrom. Wir können auch die erzwungenen PWM- oder DCM-Operationen auswählen.

Pinbelegung des LM5160

Der IC ist nicht im DIP-Paket oder in einer einfach lötbaren Version erhältlich, obwohl dies ein Problem darstellt, aber der IC spart viel Platz auf der Leiterplatte sowie eine höhere Wärmeleistung gegenüber dem Leiterplattenkühlkörper. Das Pin-Diagramm ist im obigen Bild dargestellt.

absolut beste Bewertungen

Wir müssen auf die absolute maximale Bewertung des IC achten.

Der SS- und FB-Pin hat eine niedrige Spannungstoleranz.

Flyback Converter Schaltplan und Arbeitsweise

Mit diesem LM5160 simulieren wir eine isolierte 12-V-Stromversorgung basierend auf der folgenden Spezifikation. Wir haben uns für die Schaltung entschieden, da alles auf der Website des Herstellers verfügbar ist.

Der Schaltplan verwendet viele Komponenten, ist jedoch nicht kompliziert zu verstehen. Die C6, C7 und C8 am Eingang werden zur Filterung der Eingangsversorgung verwendet. Während R6 und R10 für die Unterspannungssperrung verwendet werden. Der R7-Widerstand dient dem Einschaltzeitzweck. Dieser Pin kann mit einem einfachen Widerstand programmiert werden. Der über den SS-Pin angeschlossene C13-Kondensator ist ein Sanftanlaufkondensator. AGND (Analog Ground) und PGND (Power Ground) sowie das PAD sind mit dem Versorgungs-GND verbunden. Auf der rechten Seite ist der C5-Kondensator mit 0,01 uF ein Bootstrap-Kondensator, der zum Vorspannen des Gate-Treibers verwendet wird. R4, C4 und C9 sind die Welligkeitsfilter, wobei R8 und R9 die Rückkopplungsspannung an den Rückkopplungsstift des LM5160 liefern. Dieses Verhältnis von zwei Widerständen bestimmt die Ausgangsspannung. C10 und C11 werden für die primäre nicht isolierte Ausgangsfilterung verwendet.

Eine Hauptkomponente ist der T1. Es ist ein gekoppelter Induktor mit einem 60uH-Induktor auf beiden Seiten, primär und sekundär. Wir können jeden anderen gekoppelten Induktor oder sepischen Induktor mit der folgenden Spezifikation wählen:

1. Drehverhältnis SEC: PRI = 1,5: 1
2. Induktivität = 60 uH
3. Sättigungsstrom = 840mA
4. Gleichstromwiderstand PRIMARY = 0,071 Ohm
5. Gleichstromwiderstand SEKUNDÄR = 0,211 Ohm
6. Frequenz = 150 kHz

C3 wird für die EMI-Stabilität verwendet. D1 ist die Vorwärtsdiode, die den Ausgang umwandelt, und C1, C2 sind die Filterkappen, R2 ist die minimale Last, die für den Start erforderlich ist.

Für diejenigen, die das Netzteil für benutzerdefinierte Spezifikationen herstellen und den Wert berechnen möchten, bietet der Hersteller ein hervorragendes Excel-Tool, bei dem Sie einfach die Daten eingeben und der Excel-Wert den Komponentenwert in Abhängigkeit von den im Datenblatt angegebenen Formeln berechnet.

Der Hersteller hat auch das Gewürzmodell sowie ein vollständiges Schema bereitgestellt, das mit dem SPICE-basierten Simulationswerkzeug TINA-TI von Texas Instrument simuliert werden kann. Unten sehen Sie das Schema, das mit dem vom Hersteller bereitgestellten TINA-TI-Tool erstellt wurde.

Das Simulationsergebnis kann im nächsten Bild gezeigt werden, in dem der perfekte Laststrom und die perfekte Last gezeigt werden können.