- Vrste preklopnega regulatorja
- Upravljanje pretvornika Flyback
- Učinkovitost
- Primer zasnove pretvornika Flyback z uporabo LM5160
- Izrez LM5160
- Shema vezja pretvornika letenja in deluje
V elektroniki je regulator naprava ali mehanizem, ki lahko nenehno uravnava izhodno moč. Na področju napajanja so na voljo različne vrste regulatorjev. Toda v primeru pretvorbe v enosmerni v enosmerni tok sta na voljo dve vrsti regulatorjev: linearni ali preklopni.
Linearni regulator regulira po izhodu uporovnem padec napetosti. Zaradi tega linearni regulatorji zagotavljajo nižjo učinkovitost in izgubljajo moč v obliki toplote. Preklapljanje regulatorja Uporaba tuljava, Diode, in stikalo za prenos energije od izvira do izhoda.
Vrste preklopnega regulatorja
Na voljo so tri vrste preklopnih regulatorjev.
1. Pretvornik pospeševanja (Boost Regulator)
2. Pretvornik navzdol (regulator Buck)
3. Flyback pretvornik (izolirani regulator)
Že smo razložili vezje Boost Regulator in Buck Regulator. V tej vadnici bomo opisali vezje regulatorja letenja.
Razlika med buck in boost regulator je v regulatorju buck postavitev tuljave, diode in preklopno vezje se razlikuje od regulatorja boost. Tudi v primeru ojačevalnega regulatorja je izhodna napetost višja od vhodne napetosti, toda v regulatorju napetosti bo izhodna napetost nižja od vhodne napetosti. Topologija ali pretvornik dolarjev je ena najpogosteje uporabljenih osnovnih topologij, ki se uporabljajo v SMPS. To je priljubljena izbira, pri kateri moramo pretvoriti višjo napetost v nižjo izhodno napetost.
Razen teh regulatorjev obstaja še en regulator, ki je priljubljena izbira med vsemi oblikovalci, to je regulator Flyback ali pretvornik Flyback. To je vsestranska topologija, ki se lahko uporablja tam, kjer je potrebnih več izhodov iz enega izhodnega napajanja. Ne samo to, povratna topologija omogoča oblikovalcu, da hkrati spremeni polarnost izhoda. Iz enega pretvorniškega modula lahko na primer ustvarimo izhod + 5V, + 9V in -9V. Učinkovitost pretvorbe je v obeh primerih visoka.
Druga stvar v pretvorniku Flyback je električna izolacija tako na vhodu kot na izhodu. Zakaj potrebujemo izolacijo? V nekaterih posebnih primerih potrebujemo izolirano operacijo za zmanjšanje hrupa in varnostnih operacij, kjer je vhodni vir popolnoma izoliran od izhodnega vira. Oglejmo si osnovno enojno povratno operacijo.
Upravljanje pretvornika Flyback
Če vidimo osnovno zasnovo z enim izhodom, kot je spodnja slika, bomo opredelili osnovne glavne komponente, ki so potrebne za njegovo izdelavo.
Osnovni povratni pretvornik zahteva stikalo, ki je lahko FET ali tranzistor, transformator, izhodna dioda, kondenzator.
Glavna stvar je transformator. Preden razumemo dejansko delovanje vezja, moramo razumeti pravilno delovanje transformatorja.
Transformator je sestavljen iz najmanj dveh induktorjev, znanih kot sekundarna in primarna tuljava, navita v tuljavi s sredico vmes. Jedro določa gostoto pretoka, ki je pomemben parameter za prenos električne energije iz enega navitja v drugega. Druga najpomembnejša stvar je fazno transformiranje, pike so prikazane v primarnem in sekundarnem navitju.
Kot vidimo, je preko tranzistorskega stikala priključen tudi signal PWM. To je posledica pogostosti izklopa in vklopa stikala. PWM pomeni modulacijsko tehniko impulzne širine.
V Flyback regulatorju delujeta dve vezji, ena je faza vklopa, ko se primarni navit transformatorja napolni, druga pa je izklop ali faza prenosa transformatorja, ko se električna energija prenese iz primarne v sekundarno in končno na obremenitev.
Če predpostavimo, da je bilo stikalo dlje časa izklopljeno, je tok v tokokrogu 0 in napetosti ni.
V tem primeru, če je stikalo v položaju ON, potem bo trenutni povečala in Induktor bo ustvaril padec napetosti, ki je dot-negativno, kot je napetost bolj negativen v celotni primarni pikčasto konca. V tej situaciji se energija pretaka v sekundarno zaradi pretoka, ki nastane v jedru. Na sekundarni tuljavi se ustvari napetost z enako polarnostjo, vendar je napetost neposredno sorazmerna z razmerjem zavojev sekundarne in primarne tuljave. Zaradi pika negativne napetosti se dioda izklopi in v sekundarni tok ne bo tekel tok. Če je bil kondenzator napolnjen v prejšnjem ciklusu IZKLOP-VKLOP, bo izhodni kondenzator le obremenjeval izhodni tok.
Na naslednji stopnji, ko je stikalo izklopljeno, se tok toka skozi primarni zmanjša in s tem postane sekundarna pika bolj pozitivna. Enako kot prejšnja stopnja vklopa, tudi polarnost primarne napetosti ustvarja enako polarnost tudi na sekundaru, medtem ko je sekundarna napetost sorazmerna s razmerjem med primarnim in sekundarnim navitjem. Zaradi pik pozitivnega konca se dioda vklopi in sekundarni induktor transformatorja zagotavlja tok na izhodni kondenzator in obremenitev. Kondenzator je izgubil naboj v ciklu ON, zdaj pa je ponovno napolnjen in sposoben zagotavljati polnilni tok obremenitvi v času vklopa stikala.
V celotnem ciklu vklopa in izklopa ni bilo električnih povezav med vhodnim napajanjem in izhodnim virom energije. Tako transformator izolira vhod in izhod.
Obstajata dva načina delovanja, odvisno od časa vklopa in izklopa. Flyback pretvornik lahko deluje v neprekinjenem ali prekinjenem načinu.
V neprekinjenem načinu pred primarnim polnjenjem tok preide na nič, cikel se ponovi. Po drugi strani pa se v neprekinjenem načinu naslednji cikel začne šele, ko gre primarni induktorski tok v nič.
Učinkovitost
Zdaj, če raziščemo učinkovitost, ki je razmerje med izhodno in vhodno močjo:
(Pout / Pin) x 100%
Ker energije ni mogoče ustvariti ali uničiti, jo je mogoče samo pretvoriti, večina električne energije izgubi neizkoriščene moči v toploto. Prav tako na praktičnem področju ni idealnih razmer. Učinkovitost je velik dejavnik pri izbiri regulatorjev napetosti.
Eden glavnih dejavnikov izgube moči za preklopni regulator je dioda. Padec napetosti, pomnožen s tokom (Vf xi), je neuporabljena moč, ki se pretvori v toploto in zmanjša učinkovitost vezja stikalnega regulatorja. Poleg tega so to dodatni stroški za vezje za tehniko upravljanja toplote / toplote, kot je uporaba hladilnika ali ventilatorjev za hlajenje vezja pred odvajanjem toplote. Ne samo padec napetosti naprej, reverzno okrevanje silicijevih diod povzroči tudi nepotrebno izgubo moči in zmanjšanje celotne učinkovitosti.
Eden najboljših načinov, kako se izogniti standardni obnovitveni diodi, je uporaba Schottkyjevih diod, ki imajo nizek padec napetosti naprej in boljše povratno okrevanje. V drugem vidiku je stikalo spremenjeno v sodobno zasnovo MOSFET, kjer je učinkovitost izboljšana v kompaktnem in manjšem paketu.
Kljub dejstvu, da imajo preklopni regulatorji večjo učinkovitost, tehniko stacionarnega oblikovanja, manjši sestavni del, so hrupni kot linearni regulator, vendar so še vedno zelo priljubljeni.
Primer zasnove pretvornika Flyback z uporabo LM5160
Uporabili bi povratno topologijo Texas Instruments. Vezje je na voljo v obrazcu.
LM5160 sestavljajo naslednje funkcije-
- Širok razpon vhodne napetosti od 4,5 do 65 V
- Integrirana stikala visoke in nizke strani
- Zunanja Schottkyjeva dioda ni potrebna
- 2-A največji obremenitveni tok
- Adaptive Constant On-Time Control
- Brez kompenzacije zunanje zanke
- Hiter prehodni odziv
- Izbirno prisilno delovanje PWM ali DCM
- FPWM podpira Fly-Buck z več izhodi
- Skoraj stalna preklopna frekvenca
- Upor nastavljiv do 1 MHz
- Programiraj čas mehkega zagona
- Prednastavljeni zagon
- ± 1% referenčna napetost povratne napetosti
- LM5160A omogoča zunanjo pristranskost VCC
- Vgrajene zaščitne funkcije za trdno zasnovo
- Zaščita pred največjim tokom
- Nastavljiv vhod UVLO in histereza
- VCC in Gate Drive UVLO zaščita
- Zaščita pred toplotno zaustavitvijo s histerezo
- Ustvarite obliko po meri s pomočjo LM5160A z orodjem WEBENCH® Power Designer
Kot vhod podpira široko območje vhodne napetosti od 4,5 V do 70 V in zagotavlja 2A izhodnega toka. Izberemo lahko tudi prisilne operacije PWM ali DCM.
Izrez LM5160
IC ni na voljo v paketu DIP ali enostavni različici, ki jo je mogoče ločiti, čeprav je težava, vendar IC prihrani veliko prostora na PCB-ju in večjo toplotno zmogljivost preko hladilnika PCB. Shema pin je prikazana na zgornji sliki.
Absolutne najvišje ocene
Paziti moramo pri absolutni najvišji oceni IC.
Zatič SS in FB ima nizko napetostno toleranco.
Shema vezja pretvornika letenja in deluje
Z uporabo tega LM5160 bomo simulirali 12V izolirano napajanje na podlagi naslednjih specifikacij. Izbrali smo vezje, saj je vse na voljo na spletni strani proizvajalca.
Shema uporablja veliko komponent, vendar ni zapletena za razumevanje. C6, C7 in C8 na vhodu se uporabljajo za filtriranje vhodnega napajanja. Ker se R6 in R10 uporabljata za namene blokade podnapetosti. Upor R7 je namenjen vklopu. Ta zatič je mogoče programirati s preprostim uporom. Kondenzator C13, priključen na SS pin, je kondenzator z mehkim zagonom. AGND (Analog Ground) in PGND (Power Ground) ter PAD je povezan z napajalnim GND. Na desni strani je kondenzator C5, 0,01 uF Bootstrap kondenzator, ki se uporablja za pristranskost gonilnika vrat. R4, C4 in C9 so valoviti filter, kjer kot R8 in R9 zagotavljata povratno napetost na povratni zatič LM5160. Ta dva uporna razmerja določata izhodno napetost. C10 in C11 se uporabljata za primarno neizolirano izhodno filtracijo.
Glavna komponenta je T1. Je sklopljen induktor s 60uH induktorjem na obeh straneh, primarni in sekundarni. Izberemo lahko kateri koli drug sklopljeni induktor ali sepični induktor z naslednjimi specifikacijami -
- Razmerje zavojev SEC: PRI = 1,5: 1
- Induktivnost = 60uH
- Tok nasičenja = 840mA
- Enosmerni upor PRIMARNI = 0,071 ohma
- Enosmerni upor SEKUNDARNO = 0,211 ohmov
- Frekvenca = 150 kHz
C3 se uporablja za stabilnost EMI. D1 je prednja dioda, ki pretvori izhod, C1, C2 pa so filtrirne kape, R2 je najmanjša obremenitev, ki je potrebna za zagon.
Tistim, ki želijo izdelovati napajalnik za specifikacije po meri in želijo izračunati vrednost, proizvajalec ponuja izvrstno orodje Excel, kamor preprosto vnesete podatke, excel pa izračuna vrednost komponent glede na formule v obrazcu.
Proizvajalec je zagotovil tudi model začimb ter popolno shemo, ki jo je mogoče simulirati z uporabo lastnega simulacijskega orodja TINA-TI, ki temelji na SPICE. Spodaj je shema, narisana z orodjem TINA-TI, ki ga je priskrbel proizvajalec.
Rezultat simulacije je mogoče prikazati na naslednji sliki, kjer je mogoče prikazati popoln tok obremenitve in napetost -