วงจรแปลงฟลายแบ็ค

ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ Regulator คืออุปกรณ์หรือกลไกที่สามารถควบคุมกำลังขับได้ตลอดเวลา มีหน่วยงานกำกับดูแลหลายประเภทในโดเมนแหล่งจ่ายไฟ แต่ส่วนใหญ่ในกรณีของ DC เพื่อแปลง DC มีสองประเภทของหน่วยงานกำกับดูแลที่ใช้ได้: เชิงเส้นหรือสวิทช์

ตัวควบคุมเชิงเส้นจะควบคุมเอาต์พุตโดยใช้แรงดันไฟฟ้าแบบต้านทาน เนื่องจากตัวควบคุมเชิงเส้นนี้ให้ประสิทธิภาพต่ำกว่าและสูญเสียพลังงานในรูปของความร้อน ตัวควบคุมการสลับใช้ตัวเหนี่ยวนำไดโอดและสวิตช์เปิด / ปิดเพื่อถ่ายโอนพลังงานจากแหล่งที่มาไปยังเอาต์พุต

ประเภทของ Switching Regulator

ตัวควบคุมการสลับมีสามประเภท

1. ตัวแปลง Step-up (Boost Regulator)

2. ตัวแปลง Step-Down (ตัวควบคุมบั๊ก)

3. Flyback Converter (ตัวควบคุมแยก)

เราได้อธิบายวงจร Boost Regulator และ Buck Regulator แล้ว ในการกวดวิชานี้เราจะอธิบายFlyback Regulator วงจร

ความแตกต่างระหว่างตัวควบคุมบั๊กและตัวควบคุมบูสต์คือในตัวควบคุมบั๊กตำแหน่งของตัวเหนี่ยวนำไดโอดและวงจรสวิตชิ่งแตกต่างจากตัวควบคุมบูสต์ นอกจากนี้ในกรณีของตัวควบคุมการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขาออกจะสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้า แต่ในตัวควบคุมบั๊กแรงดันขาออกจะต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าทอพอโลยีเจ้าชู้หรือแปลงเจ้าชู้เป็นหนึ่งในโครงสร้างพื้นฐานที่ใช้ส่วนใหญ่ใช้ใน SMPS เป็นตัวเลือกยอดนิยมที่เราต้องแปลงแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นเป็นแรงดันไฟฟ้าขาออกที่ต่ำกว่า

อื่น ๆ กว่าที่หน่วยงานกำกับดูแลผู้ที่มีหน่วยงานกำกับดูแลอื่นที่มีอยู่ซึ่งเป็นทางเลือกที่เป็นที่นิยมในหมู่นักออกแบบทั้งหมดซึ่งเป็นFlyback ควบคุมหรือแปลงนี่คือโทโพโลยีอเนกประสงค์ซึ่งสามารถใช้ในกรณีที่ต้องการเอาต์พุตหลายตัวจากแหล่งจ่ายเอาต์พุตเดียว ไม่เพียงแค่นั้นโทโพโลยีแบบฟลายแบ็คยังช่วยให้นักออกแบบสามารถเปลี่ยนขั้วของเอาต์พุตได้ในเวลาเดียวกัน ตัวอย่างเช่นเราสามารถสร้างเอาต์พุต + 5V, + 9V และ -9V จากโมดูลตัวแปลงเดียว ประสิทธิภาพการแปลงสูงในทั้งสองกรณี

อีกสิ่งหนึ่งใน Flyback converter คือการแยกไฟฟ้าทั้งในอินพุตและเอาต์พุต ทำไมเราต้องโดดเดี่ยว? ในบางกรณีพิเศษสำหรับการลดเสียงรบกวนของพลังงานและการดำเนินการที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยเราจำเป็นต้องมีการดำเนินการแบบแยกส่วนโดยแยกแหล่งสัญญาณเข้าออกจากแหล่งสัญญาณเอาต์พุตโดยสิ้นเชิง มาสำรวจการทำงานของฟลายแบ็คเอาต์พุตเดี่ยวขั้นพื้นฐานกัน

การทำงานของวงจรของ Flyback Converter

หากเราเห็นการออกแบบฟลายแบ็คเอาต์พุตเดี่ยวขั้นพื้นฐานเช่นภาพด้านล่างเราจะระบุส่วนประกอบหลักพื้นฐานที่จำเป็นในการสร้าง

ตัวแปลงฟลายแบ็คพื้นฐานต้องใช้สวิตช์ซึ่งอาจเป็น FET หรือทรานซิสเตอร์หม้อแปลงไดโอดเอาท์พุทตัวเก็บประจุ

สิ่งที่สำคัญคือหม้อแปลงไฟฟ้าเราจำเป็นต้องเข้าใจการทำงานที่เหมาะสมของหม้อแปลงก่อนที่จะเข้าใจการทำงานของวงจรจริง

หม้อแปลงประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำอย่างน้อยสองตัวที่เรียกว่าขดลวดทุติยภูมิและขดลวดปฐมภูมิพันในขดลวดเดิมที่มีแกนกลางอยู่ระหว่าง แกนกลางกำหนดความหนาแน่นของฟลักซ์ซึ่งเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญสำหรับการถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าจากขดลวดหนึ่งไปยังอีกขดหนึ่ง สิ่งที่สำคัญที่สุดอีกประการหนึ่งคือการแบ่งระยะของหม้อแปลงจุดที่แสดงในขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ

อย่างที่เราเห็นสัญญาณ PWM เชื่อมต่อผ่านสวิตช์ทรานซิสเตอร์ เป็นเพราะความถี่ในการปิดและเปิดเวลาของสวิตช์ PWM ย่อมาจากเทคนิคการมอดูเลต Pulse Width

ในตัวควบคุม Flyback มีการทำงานของวงจรสองวงจรหนึ่งคือ Switch On เฟสเมื่อขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงชาร์จขึ้นและอีกอันคือ Switch off หรือเฟสการถ่ายโอนของหม้อแปลงเมื่อพลังงานไฟฟ้าได้รับการถ่ายโอนจากหลักไปยังรองและ ในที่สุดก็จะโหลด

ถ้าสมมติว่าปิดสวิตช์เป็นเวลานานกระแสไฟฟ้าในวงจรจะเป็น 0 และไม่มีแรงดันไฟฟ้าปรากฏ

ในสถานการณ์เช่นนี้หากสวิตช์เปิดอยู่กระแสจะเพิ่มขึ้นและตัวเหนี่ยวนำจะสร้างแรงดันตกซึ่งเป็นจุดลบเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าเป็นลบมากกว่าในจุดสิ้นสุดหลัก ในสถานการณ์เช่นนี้พลังงานจะไหลไปที่ทุติยภูมิเนื่องจากฟลักซ์ที่สร้างขึ้นในแกนกลาง บนขดลวดทุติยภูมิจะมีการสร้างแรงดันไฟฟ้าในขั้วเดียวกัน แต่แรงดันไฟฟ้าเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอัตราส่วนการหมุนของขดลวดทุติยภูมิถึงปฐมภูมิ เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าลบแบบดอทไดโอดจึงถูกปิดและไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลในตัวรอง หากคาปาซิเตอร์ถูกชาร์จในรอบการปิด - เปิดก่อนหน้าตัวเก็บประจุเอาท์พุทจะให้กระแสเอาต์พุตไปยังโหลดเท่านั้น

ในขั้นตอนถัดไปเมื่อปิดสวิตช์กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านหลักจะลดลงและทำให้จุดรองสิ้นสุดเป็นบวกมากขึ้น เช่นเดียวกับสวิตช์ ON ก่อนหน้านี้ขั้วของแรงดันไฟฟ้าหลักจะสร้างขั้วเดียวกันบนวงจรทุติยภูมิในขณะที่แรงดันไฟฟ้าทุติยภูมิเป็นสัดส่วนกับอัตราส่วนขดลวดหลักและรอง เนื่องจากจุดปลายด้านบวกไดโอดจึงเปิดขึ้นและตัวเหนี่ยวนำทุติยภูมิของหม้อแปลงจะจ่ายกระแสให้กับตัวเก็บประจุเอาต์พุตและโหลด ตัวเก็บประจุสูญเสียประจุในวงจร ON ตอนนี้ถูกเติมอีกครั้งและสามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับโหลดในช่วงเวลาเปิดสวิตช์

ในวงจรสวิตช์เปิดและปิดทั้งหมดไม่มีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างแหล่งจ่ายไฟเข้ากับแหล่งจ่ายไฟเอาท์พุต ดังนั้นหม้อแปลงจึงแยกอินพุตและเอาต์พุต

มีสองโหมดการทำงานขึ้นอยู่กับเวลาเปิดและปิดสวิตช์ แปลง Flyback สามารถทำงานในโหมดต่อเนื่องหรือไม่ต่อเนื่องโหมด

ในโหมดต่อเนื่องก่อนการชาร์จหลักกระแสจะไปที่ศูนย์วงจรการทำซ้ำ ในทางกลับกันในโหมดไม่ต่อเนื่องวงจรถัดไปจะเริ่มต้นก็ต่อเมื่อกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำหลักไปที่ศูนย์

ประสิทธิภาพ

ทีนี้ถ้าเราตรวจสอบประสิทธิภาพซึ่งเป็นอัตราส่วนของเอาต์พุตต่อกำลังอินพุต:

(มุ่ย / พิน) x 100%

เนื่องจากพลังงานไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้จึงสามารถเปลี่ยนได้เท่านั้นพลังงานไฟฟ้าส่วนใหญ่จึงคลายพลังที่ไม่ได้ใช้ไปเป็นความร้อน นอกจากนี้ยังไม่มีสถานการณ์ที่ดีที่สุดในสนามจริง ประสิทธิภาพเป็นปัจจัยสำคัญในการเลือกตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า

ปัจจัยการสูญเสียพลังงานหลักอย่างหนึ่งสำหรับตัวควบคุมการสลับคือไดโอด แรงดันตกไปข้างหน้าคูณด้วยกระแส (Vf xi) คือวัตต์ที่ไม่ได้ใช้ซึ่งจะถูกแปลงเป็นความร้อนและลดประสิทธิภาพของวงจรควบคุมการสลับ นอกจากนี้ยังเป็นค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมสำหรับวงจรสำหรับเทคนิคการจัดการความร้อน / ความร้อนเช่นการใช้ฮีทซิงค์หรือพัดลมเพื่อทำให้วงจรเย็นลงจากความร้อนที่กระจายไป ไม่เพียง แต่แรงดันตกไปข้างหน้าการย้อนกลับสำหรับไดโอดซิลิคอนยังทำให้สูญเสียพลังงานโดยไม่จำเป็นและลดประสิทธิภาพโดยรวม

วิธีที่ดีที่สุดวิธีหนึ่งในการหลีกเลี่ยงไดโอดกู้คืนมาตรฐานคือการใช้ไดโอด Schottky ซึ่งมีแรงดันไฟฟ้าตกไปข้างหน้าต่ำและการกู้คืนย้อนกลับที่ดีกว่า ในอีกแง่มุมหนึ่งสวิตช์ได้รับการเปลี่ยนเป็นการออกแบบ MOSFET ที่ทันสมัยซึ่งปรับปรุงประสิทธิภาพในแพ็คเกจขนาดกะทัดรัดและเล็กลง

แม้ว่าตัวควบคุมการสลับจะมีประสิทธิภาพสูงกว่า แต่เทคนิคการออกแบบเครื่องเขียนส่วนประกอบที่เล็กกว่า แต่ก็มีเสียงดังกว่าตัวควบคุมเชิงเส้น แต่ก็ยังได้รับความนิยมอย่างกว้างขวาง

ตัวอย่างการออกแบบ Flyback Converter โดยใช้ LM5160

เราจะใช้โทโพโลยีแบบฟลายแบ็คจาก Texas Instruments วงจรสามารถมีอยู่ในแผ่นข้อมูล

LM5160ประกอบด้วยที่มีคุณสมบัติดังต่อไปนี้

ช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตกว้าง 4.5V ถึง 65V
สวิตช์ด้านสูงและด้านต่ำในตัว
- ไม่จำเป็นต้องใช้ไดโอด Schottky ภายนอก
2-A กระแสโหลดสูงสุด
Adaptive Constant On-Time Control
- ไม่มีการชดเชยลูปภายนอก
- การตอบสนองชั่วคราวอย่างรวดเร็ว
การทำงานบังคับ PWM หรือ DCM ที่เลือกได้
- FPWM รองรับ Fly-Buck หลายเอาต์พุต
ความถี่ในการสลับเกือบคงที่
- ตัวต้านทานปรับได้สูงสุด 1 MHz
โปรแกรม Soft Start Time
การเริ่มต้นใช้งานล่วงหน้า
± 1% ข้อเสนอแนะการอ้างอิงแรงดันไฟฟ้า
LM5160A อนุญาตให้มีอคติ VCC ภายนอก
คุณสมบัติการป้องกันโดยธรรมชาติสำหรับการออกแบบที่แข็งแกร่ง
- การป้องกันการ จำกัด กระแสสูงสุด
- อินพุตที่ปรับได้ UVLO และ Hysteresis
- VCC และ Gate Drive UVLO Protection
- การป้องกันการปิดระบบความร้อนด้วย Hysteresis
สร้างการออกแบบที่กำหนดเองโดยใช้ LM5160A ด้วยWEBENCH® Power Designer

รองรับช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตกว้างตั้งแต่ 4.5V ถึง 70V เป็นอินพุตและให้กระแสเอาต์พุต 2A นอกจากนี้เรายังสามารถเลือกการดำเนินการบังคับ PWM หรือ DCM

Pinout ของ LM5160

IC ไม่สามารถใช้ได้ในแพ็คเกจ DIP หรือรุ่นที่บัดกรีได้ง่ายแม้ว่าจะเป็นปัญหา แต่ IC จะช่วยประหยัดพื้นที่ PCB ได้มากรวมทั้งประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่ดีกว่าฮีทซิงค์ PCB แผนภาพพินจะแสดงในภาพด้านบน

คะแนนสูงสุดแน่นอน

เราต้องระมัดระวังเกี่ยวกับคะแนนสูงสุดที่แน่นอนของ IC

พิน SS และ FB มีความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าต่ำ

Flyback Converter Circuit Diagram และการทำงาน

ด้วยการใช้ LM5160 นี้เราจะจำลองแหล่งจ่ายไฟแบบแยก 12V ตามข้อมูลจำเพาะต่อไปนี้ เราเลือกวงจรเนื่องจากทุกอย่างมีอยู่ในเว็บไซต์ของผู้ผลิต

แผนผังใช้ส่วนประกอบมากมาย แต่ไม่ซับซ้อนในการทำความเข้าใจ C6, C7 และ C8 บนอินพุตใช้สำหรับการกรองแหล่งจ่ายอินพุต ในขณะที่ R6 และ R10 ใช้สำหรับวัตถุประสงค์ที่เกี่ยวข้องกับการปิดแรงดันไฟฟ้า ตัวต้านทาน R7 มีไว้สำหรับวัตถุประสงค์ที่เกี่ยวข้องกับเวลา พินนี้สามารถตั้งโปรแกรมได้โดยใช้ตัวต้านทานแบบธรรมดา ตัวเก็บประจุ C13 ที่เชื่อมต่อผ่านขา SS เป็นตัวเก็บประจุแบบซอฟต์สตาร์ท AGND (Analog Ground) และ PGND (Power Ground) และ PAD เชื่อมต่อกับแหล่งจ่าย GND ทางด้านขวาตัวเก็บประจุ C5, 0.01 uF เป็นตัวเก็บประจุ Bootstrap ซึ่งใช้สำหรับการให้น้ำหนักของไดรเวอร์เกต R4, C4 และ C9 เป็นตัวกรองการกระเพื่อมโดยที่ R8 และ R9 ให้แรงดันป้อนกลับไปยังพินป้อนกลับของ LM5160 ปันส่วนตัวต้านทานสองตัวนี้กำหนดแรงดันขาออก C10 และ C11 ใช้สำหรับการกรองเอาต์พุตหลักแบบไม่แยก

ส่วนประกอบหลักคือ T1 เป็นตัวเหนี่ยวนำคู่กับตัวเหนี่ยวนำ 60uH ทั้งสองด้านหลักและรอง เราสามารถเลือกตัวเหนี่ยวนำคู่อื่น ๆ หรือตัวเหนี่ยวนำซีปิกที่มีคุณสมบัติดังต่อไปนี้ -

เปลี่ยนอัตราส่วน SEC: PRI = 1.5: 1
ตัวเหนี่ยวนำ = 60uH
ความอิ่มตัวของกระแส = 840mA
หลักความต้านทานกระแสตรง = 0.071 โอห์ม
ความต้านทานกระแสตรงระดับมัธยมศึกษา = 0.211 โอห์ม
ความถี่ = 150 kHz

C3 ใช้เพื่อความเสถียรของ EMI D1 คือฟอร์เวิร์ดไดโอดที่แปลงเอาต์พุตและ C1, C2 เป็นฟิลเตอร์แคป R2 คือโหลดขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับการเริ่มต้น

ผู้ที่ต้องการสร้างแหล่งจ่ายไฟสำหรับข้อกำหนดที่กำหนดเองและต้องการคำนวณค่าผู้ผลิตมีเครื่องมือ Excel ที่ยอดเยี่ยมซึ่งคุณเพียงแค่ใส่ข้อมูลจากนั้น excel จะคำนวณค่าส่วนประกอบโดยขึ้นอยู่กับสูตรที่ให้ไว้ในแผ่นข้อมูล

ผู้ผลิตยังได้จัดหาโมเดลเครื่องเทศและแผนผังที่สมบูรณ์ซึ่งสามารถจำลองได้โดยใช้ TINA-TI เครื่องมือจำลอง SPICE ของ Texas Instrument ด้านล่างนี้เป็นแผนผังที่วาดโดยใช้เครื่องมือ TINA-TI ที่ผู้ผลิตจัดหาให้

ผลการจำลองสามารถแสดงในภาพถัดไปซึ่งสามารถแสดงกระแสโหลดและแรงดันไฟฟ้าที่สมบูรณ์แบบ -