מעגל ממיר Flyback

באלקטרוניקה, רגולטור הוא מכשיר או מנגנון שיכולים לווסת את תפוקת הכוח ללא הרף. ישנם סוגים שונים של רגולטורים הזמינים בתחום אספקת החשמל. אך בעיקר, במקרה של המרת DC ל- DC, ישנם שני סוגים של רגולטורים זמינים: לינארי או מיתוג.

רגולטור ליניארי מסדיר את התפוקה באמצעות טיפת מתח רזיסטיבי. בשל כך הרגולטורים הליניאריים מספקים יעילות נמוכה יותר ומאבדים כוח בצורת חום. רגולטור מיתוג משרן שימוש, דיודה, ומתג חשמל לאנרגית העברה ממקורו לפלט.

סוגי רגולטור מיתוג

ישנם שלושה סוגים של ויסות מיתוג זמינים.

1. ממיר צעד (Boost Regulator)

2. ממיר למטה (רגולטור באק)

3. ממיר Flyback (רגולטור מבודד)

כבר הסברנו על מעגל הרגולטור של Boost ו- Buck Regulator. במדריך זה נתאר את מעגל הרגולטור של Flyback.

ההבדל בין הרגולטור באק דחיפה הוא, הרגולטור באק המיקום של משרן, דיודה ואת מעגל המיתוג שונה רגולטור הדחיפה. כמו כן, במקרה של מווסת דחיפה מתח המוצא גבוה ממתח הכניסה, אך בווסת הכסף, מתח המוצא יהיה נמוך יותר ממתח הכניסה. טופולוגיית באק או ממיר באק היא אחת הטופולוגיות הבסיסיות המשמשות ביותר בשימוש ב- SMPS. זוהי בחירה פופולרית בה אנו צריכים להמיר מתח גבוה יותר למתח יציאה נמוך יותר.

מלבד אותם הרגולטורים, קיים רגולטור אחר שהוא בחירה פופולרית בקרב כל המעצבים, שהוא הרגולטור Flyback או ממיר Flyback. זוהי טופולוגיה רב-תכליתית אשר ניתן להשתמש בה כאשר יש צורך במספר פלטים מאספקת פלט אחת. לא רק זאת, טופולוגיית flyback מאפשרת למעצב לשנות את קוטביות הפלט בו זמנית. לדוגמא, אנו יכולים ליצור פלט + 5V, + 9V ו- -9V ממודול ממיר יחיד. יעילות ההמרה גבוהה בשני המקרים.

דבר נוסף בממיר Flyback הוא הבידוד החשמלי גם בקלט וגם ביציאה. מדוע אנו זקוקים לבידוד? בחלק מהמקרים המיוחדים, למינימום רעש ההספק ופעולות הקשורות לבטיחות, אנו זקוקים לפעולה מבודדת, בה מקור הקלט מבודד לחלוטין ממקור הפלט. בואו לחקור פעולת זבוב בסיסית של פלט יחיד.

הפעלת מעגלים של ממיר Flyback

אם אנו רואים את העיצוב הבסיסי החוזר של פלט יחיד כמו התמונה למטה נזהה את הרכיבים העיקריים הבסיסיים הנדרשים לבניית אחד.

ממיר flyback בסיסי דורש מתג, שיכול להיות FET או טרנזיסטור, שנאי, דיודת פלט, קבלים.

העיקר הוא השנאי. עלינו להבין את תקינותו של שנאי לפני שנבין את פעולת המעגל בפועל.

השנאי מורכב משני משרנים מינימליים, המכונים סליל משני וראשוני, המפותל בסליל לשעבר עם ליבה בין לבין. הליבה קובעת את צפיפות השטף המהווה פרמטר חשוב להעברת אנרגיה חשמלית מתפתל אחד למשנהו. דבר נוסף וחשוב ביותר הוא שלב השנאי, הנקודות המוצגות בפיתול הראשוני והמשני.

כמו כן, כפי שאנו רואים, אות PWM מחובר על פני מתג הטרנזיסטור. זה נובע מתדירות הכיבוי וההפעלה של זמן המתג. PWM מייצג טכניקת אפנון רוחב דופק.

בווסת Flyback, יש שתי פעולות במעגל, האחת היא שלב ההפעלה כאשר הסלילה הראשונית של השנאי נטענת, ואחת אחרת היא כיבוי או שלב ההעברה של השנאי כאשר האנרגיה החשמלית מועברת מהראשונית לשנית ומשנית. סוף סוף לעומס.

אם אנו מניחים שהמתג כובה כבר זמן רב, הזרם במעגל הוא 0 ואין מתח.

במצב זה, אם המתג מופעל אז הזרם יגדל והמשרן ייצור ירידת מתח, שהיא שלילית בנקודה שכן המתח שלילי יותר על פני הקצה המקווקו הראשי. במהלך מצב זה האנרגיה זורמת לשני בגלל השטף שנוצר בליבה. על הסליל המשני נוצר מתח באותה קוטביות אך המתח ביחס ישר ליחס סיבובי הסליל המשני והראשוני. בגלל המתח השלילי הנקודתי, הדיודה נכבתת ולא זרם זרם המשני. אם הקבל הועלה במחזור כיבוי-הקודם הקודם, קבל המוצא יספק רק את זרם המוצא לעומס.

בשלב הבא, כשהמתג כבוי, זרימת הזרם על פני ראשוני יורדת וכך הופכת את הנקודה המשנית לחיובית יותר. זהה לשלב ההפעלה הקודם, קוטביות המתח הראשונית יוצרים את אותה הקוטביות גם על המשני, ואילו המתח המשני הוא פרופורציונאלי ליחס הפיתול הראשוני והמשני. בגלל הקצה החיובי הנקודתי, הדיודה מופעלת והמשרן המשני של השנאי מספק זרם לקבל המוצא ולעומס. הקבל איבד את הטעינה במחזור ON, ועכשיו הוא מתמלא שוב ומסוגל לספק זרם טעינה לעומס בזמן ההפעלה.

במהלך כל מחזור ההפעלה והכיבוי, לא היו חיבורים חשמליים בין ספק הכניסה למקור החשמל. לפיכך, השנאי מבודד את הקלט והפלט.

ישנם שני מצבי פעולה בהתאם לתזמון ההפעלה והכיבוי. ממיר Flyback יכול לפעול במצב רציף או במצב לא רציף.

בשנת מצב מתמשך, לפני התשלום הראשוני, נוכחי יורד לאפס, חזרה של המחזור. מצד שני, במצב לא רציף, המחזור הבא מתחיל רק כאשר זרם המשרן הראשוני עובר לאפס.

יְעִילוּת

כעת, אם נבדוק את היעילות, שהיא היחס בין תפוקת כוח קלט:

(Pout / Pin) x 100%

מכיוון שלא ניתן ליצור ולא להרוס אנרגיה, ניתן להמיר אותה רק, מרבית האנרגיות החשמליות מאבדות כוחות שאינם בשימוש לחום. כמו כן, אין מצב אידיאלי בתחום המעשי. יעילות היא גורם גדול לבחירת וסתות מתח.

אחד הגורמים העיקריים לאיבוד הספק עבור וסת מיתוג הוא הדיודה. ירידת המתח קדימה מוכפלת על ידי זרם (Vf xi) היא הספק שאינו בשימוש המומר לחום ומפחית את היעילות של מעגל הרגולטור המיתוג. כמו כן, זה העלות הנוספת למעגלים עבור טכניקות ניהול תרמי / חום כמו שימוש בגוף קירור, או מאווררים כדי לקרר את המעגלים מחום מפוזר. לא רק ירידת המתח קדימה, התאוששות הפוכה לדיודות סיליקון מייצרות גם איבוד כוח מיותר והפחתה של היעילות הכוללת.

אחת הדרכים הטובות ביותר להימנע מדיודת התאוששות רגילה היא להשתמש בדיודות שוטקי בעלות ירידת מתח קדימה נמוכה והתאוששות הפוכה טובה יותר. בהיבט אחר, המתג הוחלף לעיצוב MOSFET מודרני שבו היעילות משופרת באריזה קומפקטית וקטנה יותר.

למרות העובדה שלמווסת מיתוג יש יעילות גבוהה יותר, טכניקת תכנון נייחת, רכיב קטן יותר, הם רועשים מווסת ליניארי, אך עדיין הם פופולריים מאוד.

דוגמה לתכנון ממיר Flyback באמצעות LM5160

נשתמש בטופולוגיית flyback מבית Texas Instruments. המעגל יכול להיות זמין בגליון הנתונים.

LM5160 מורכב בא תוואים

• טווח מתח כניסה רחב 4.5V עד 65V
• מתגים משולבים עם צד גבוה ונמוך
  • אין צורך בדיודת Schottky חיצונית
• זרם עומס מרבי 2-A
• בקרה קבועה בזמן מתאימה
  • אין פיצוי לולאה חיצוני
  • תגובה חולפת מהירה
• ניתן לבצע פעולת PWM או DCM מאולץ
  • FPWM תומך בריבוי פלטים
• תדר מיתוג קבוע כמעט
  • נגד מתכוונן עד 1 מגה-הרץ
• תכנית זמן התחלה רכה
• סטארט-אפ מוטה מראש
• התייחסות למתח משוב ± 1%
• LM5160A מאפשר הטיה חיצונית של VCC
• תכונות הגנה טבועות לעיצוב חזק
  • הגנת הגבלת זרם שיא
  • קלט מתכוונן UVLO והיסטרזה
  • VCC ו- Gate Drive UVLO הגנה
  • הגנה על כיבוי תרמי עם היסטריה
• צור עיצוב מותאם אישית באמצעות LM5160A עם מעצב הכוח WEBENCH®

הוא תומך בטווח מתח כניסה רחב בין 4.5V ל- 70V כקלט ומספק זרם יציאה של 2A. אנו יכולים גם לבחור את פעולות ה- PWM בכוח או ה- DCM.

Pinout של LM5160

ה- IC אינו זמין בחבילת DIP או בגרסת הלחמה קלה, אם כי מדובר בבעיה, אך ה- IC חוסך מקום רב ב- PCB וכן ביצועים תרמיים גדולים יותר על פני גוף הקירור של PCB. תרשים הסיכה מוצג בתמונה לעיל.

דירוג מרבי מוחלט

עלינו להקפיד על הדירוג המקסימלי המוחלט של ה- IC.

לסיכה SS ו- FB יש סובלנות למתח נמוך.

תרשים מעגל ממיר Flyback ועבודה

באמצעות LM5160 זה נדמות ספק כוח מבודד 12V בהתבסס על המפרט הבא. בחרנו במעגל שכן הכל זמין באתר היצרן.

התרשים משתמש בשפע של רכיבים אך הוא אינו מסובך להבנתו. C6, C7 ו- C8 בכניסה משמשים לסינון אספקת הקלט. ואילו R6 ו- R10 משמשים למטרות הקשורות לנעילת מתח נמוך. הנגד R7 מיועד למטרות הקשורות בזמן. סיכה זו ניתנת לתכנות באמצעות נגד פשוט. קבלים C13 המחוברים על פני סיכת ה- SS הוא קבל התחלה רכה. AGND (קרקע אנלוגית) ו- PGND (קרקע כוח) וה- PAD מחוברים לאספקת GND. בצד ימין, קבלים C5, 0.01 uF הוא קבל Bootstrap המשמש להטיית נהג השער. R4, C4 ו- C9 הם מסנן האדווה כאשר R8 ו- R9 מספקים את מתח המשוב לסיכת המשוב של ה- LM5160. מנות הנגד שני זה קובעות את מתח המוצא. C10 ו- C11 משמשים לסינון פלט ראשוני שאינו מבודד.

מרכיב עיקרי הוא ה- T1. זהו משרן מצויד עם משרן 60uH משני הצדדים, ראשוני ומשני. אנו יכולים לבחור כל משרן מצומצם אחר או משרן ספטי עם המפרט הבא-

1. הופך את יחס SEC: PRI = 1.5: 1
2. השראות = 60uH
3. זרם רוויה = 840mA
4. התנגדות DC ראשונית = 0.071 אוהם
5. התנגדות DC SECONDARY = 0.211 אוהם
6. Freq = 150 קילוהרץ

C3 משמש ליציבות EMI. D1 היא הדיודה הקדמית הממירה את הפלט ו- C1, C2 הם מכסי הסינון, R2 הוא העומס המינימלי הנדרש לצורך ההפעלה.

מי שרוצה להכין את ספק הכוח למפרטים מותאמים אישית ורוצה לחשב את הערך, היצרן מספק כלי מצוין של Excel שבו אתה פשוט שם את הנתונים וה- Excel יחשב את ערך הרכיבים בהתאם לנוסחאות המופיעות בגיליון הנתונים.

היצרן סיפק גם את דגם התבלינים, כמו גם סכמטי מלא שניתן לדמות באמצעות כלי ההדמיה TINA-TI מבוסס ה- SPICE מבוסס SPICE. להלן שרטוט התרשים באמצעות כלי TINA-TI המסופק על ידי היצרן.

ניתן להציג את תוצאת הסימולציה בתמונה הבאה בה ניתן להראות זרם עומס ומתח מושלמים-