Circuito conversor flyback

Na eletrônica, um regulador é um dispositivo ou mecanismo que pode regular a potência de saída constantemente. Existem diferentes tipos de reguladores disponíveis no domínio da fonte de alimentação. Mas, principalmente, no caso de conversão DC para DC, existem dois tipos de reguladores disponíveis: Linear ou Comutação.

Um regulador linear regula a saída usando uma queda de tensão resistiva. Devido a isso, os reguladores lineares proporcionam menor eficiência e perdem energia na forma de calor. O regulador de comutação usa indutor, diodo e uma chave liga / desliga para transferir energia de sua fonte para a saída.

Tipos de regulador de comutação

Existem três tipos de reguladores de comutação disponíveis.

1. Conversor de aumento (Boost Regulator)

2. Conversor abaixador (regulador Buck)

3. Conversor Flyback (regulador isolado)

Já explicamos o circuito Boost Regulator e Buck Regulator. Neste tutorial, descreveremos o circuito regulador Flyback.

A diferença entre o regulador de impulso e o regulador de impulso é que, no regulador de impulso, a colocação do indutor, do diodo e do circuito de comutação é diferente do regulador de impulso. Além disso, no caso do regulador de reforço, a tensão de saída é maior do que a tensão de entrada, mas no regulador de Buck, a tensão de saída será menor do que a tensão de entrada. Uma topologia buck ou conversor buck é uma das topologias básicas mais usadas no SMPS. É uma escolha popular em que precisamos converter uma tensão mais alta em uma tensão de saída mais baixa.

Além desses reguladores, existe outro regulador que é uma escolha popular entre todos os projetistas, que é o regulador Flyback ou conversor Flyback. Esta é uma topologia versátil que pode ser usada onde várias saídas são necessárias a partir de uma única fonte de saída. Além disso, uma topologia flyback permite que o projetista altere a polaridade da saída ao mesmo tempo. Por exemplo, podemos criar saídas de + 5V, + 9V e -9V a partir de um único módulo conversor. A eficiência de conversão é alta em ambos os casos.

Outra coisa no conversor Flyback é o isolamento elétrico na entrada e na saída. Por que precisamos de isolamento? Em alguns casos especiais, para minimizar o ruído de energia e operações relacionadas à segurança, precisamos de uma operação isolada, onde a fonte de entrada está completamente isolada da fonte de saída. Vamos explorar a operação flyback de saída única básica.

Operação do circuito do conversor flyback

Se virmos o design flyback básico de saída única como a imagem abaixo, identificaremos os componentes principais básicos necessários para construir um.

Um conversor flyback básico requer uma chave, que pode ser um FET ou transistor, um Transformador, um Diodo de saída, um Capacitor.

O principal é o transformador. Precisamos entender o funcionamento adequado de um transformador antes de entender a operação real do circuito.

O transformador consiste em no mínimo dois indutores, conhecidos como bobina secundária e primária, enrolados em um formador de bobina com um núcleo no meio. O núcleo determina a densidade do fluxo, que é um parâmetro importante para a transferência de energia elétrica de um enrolamento para o outro. Outra coisa mais importante é a fase do transformador, os pontos mostrados no enrolamento primário e secundário.

Além disso, como podemos ver, um sinal PWM é conectado ao interruptor do transistor. É devido à frequência de desligar e ligar o tempo do switch. PWM significa técnica de modulação por largura de pulso.

No regulador Flyback, há dois circuitos de operação, um é a fase de ativação quando o enrolamento primário do transformador é carregado e o outro é a fase de desativação ou a fase de transferência do transformador quando a energia elétrica é transferida do primário para o secundário e finalmente para a carga.

Se assumirmos que a chave foi desligada por um longo tempo, a corrente no circuito é 0 e não há tensão presente.

Nesta situação, se a chave for ligada, a corrente aumentará e o indutor criará uma queda de tensão, que é um ponto negativo, pois a tensão é mais negativa na extremidade pontilhada primária. Durante esta situação, a energia flui para o secundário devido ao fluxo gerado no núcleo. Na bobina secundária, uma tensão é criada na mesma polaridade, mas a tensão é diretamente proporcional com a razão de espiras da bobina secundária para primária. Devido à tensão do ponto negativo, o diodo é desligado e nenhuma corrente fluirá no secundário. Se o capacitor foi carregado no ciclo anterior de desligar e ligar, o capacitor de saída fornecerá apenas a corrente de saída para a carga.

No estágio seguinte, quando a chave é desligada, o fluxo de corrente através do primário diminui, tornando a extremidade do ponto secundário mais positiva. Da mesma forma que o estágio de chaveamento anterior, a polaridade da tensão primária cria a mesma polaridade no secundário também, enquanto a tensão secundária é proporcional à relação de enrolamento primário e secundário. Devido à ponta positiva do ponto, o diodo é ligado e o indutor secundário do transformador fornece corrente para o capacitor de saída e a carga. O capacitor perdeu a carga no ciclo ON, agora é recarregado novamente e é capaz de fornecer corrente de carga para a carga durante o tempo de ligação.

Em todo o ciclo de ligar e desligar, não houve conexões elétricas entre a fonte de alimentação de entrada e a fonte de alimentação de saída. Assim, o transformador isola a entrada e a saída.

Existem dois modos de operação, dependendo do tempo de ativação e desativação. O conversor Flyback pode operar em modo contínuo ou descontínuo.

No modo contínuo, antes da carga primária, a corrente vai para zero, o ciclo se repete. Por outro lado, no modo descontínuo, o próximo ciclo só começa quando a corrente do indutor primário vai para zero.

Eficiência

Agora, se investigarmos a eficiência, que é a razão entre a potência de saída e a de entrada:

(Pout / Pin) x 100%

Como a energia não pode ser criada nem destruída, ela só pode ser convertida, a maioria das energias elétricas perdem poderes não utilizados em calor. Além disso, não existe uma situação ideal no campo prático. A eficiência é um grande fator para selecionar reguladores de tensão.

Um dos principais fatores de perda de energia para um regulador de chaveamento é o diodo. A queda de tensão direta multiplicada pela corrente (Vf xi) é a potência não utilizada que é convertida em calor e reduz a eficiência do circuito regulador de comutação. Além disso, é o custo adicional do circuito para técnicas de gerenciamento térmico / de calor, como o uso de um dissipador de calor ou Ventiladores para resfriar o circuito do calor dissipado. Não apenas a queda de tensão direta, a recuperação reversa para diodos de silício também produz perda de energia desnecessária e redução da eficiência geral.

Uma das melhores maneiras de evitar um diodo de recuperação padrão é usar diodos Schottky, que apresentam baixa queda de tensão direta e melhor recuperação reversa. Em outro aspecto, o switch foi alterado para um design MOSFET moderno, onde a eficiência é melhorada em um pacote compacto e menor.

Apesar do fato de que os reguladores de chaveamento têm maior eficiência, técnica de design estacionário, componente menor, eles são barulhentos do que um regulador linear, mas ainda são amplamente populares.

Exemplo de projeto de conversor Flyback usando LM5160

Usaríamos uma topologia flyback da Texas Instruments. O circuito pode estar disponível na ficha técnica.

O LM5160 consiste nas seguintes características-

• Ampla faixa de tensão de entrada de 4,5 V a 65 V
• Interruptores integrados de lado alto e baixo
  • Nenhum Diodo Schottky Externo Requerido
• Corrente de carga máxima 2-A
• Controle de tempo constante adaptativo
  • Sem Compensação de Loop Externo
  • Resposta Transiente Rápida
• Operação PWM ou DCM Forçada Selecionável
  • FPWM oferece suporte a Fly-Buck de múltiplas saídas
• Freqüência de comutação quase constante
  • Resistor ajustável até 1 MHz
• Horário de início suave do programa
• Partida pré-tendenciosa
• ± 1% Referência de tensão de feedback
• LM5160A permite polarização VCC externa
• Recursos de proteção inerentes para um design robusto
  • Proteção de limite de corrente de pico
  • UVLO de entrada ajustável e histerese
  • Proteção UVLO VCC e Gate Drive
  • Proteção de desligamento térmico com histerese
• Crie um projeto personalizado usando o LM5160A com o WEBENCH® Power Designer

Ele suporta uma ampla faixa de tensão de entrada de 4,5 V a 70 V como entrada e fornece 2 A de corrente de saída. Também podemos selecionar as operações PWM ou DCM forçadas.

Pinagem de LM5160

O IC não está disponível no pacote DIP ou em uma versão fácil de soldar, embora seja um problema, mas o IC economiza muito espaço do PCB, bem como um maior desempenho térmico sobre o dissipador de calor do PCB. O diagrama de pinos é mostrado na imagem acima.

Avaliações máximas absolutas

Precisamos ter cuidado com a classificação máxima absoluta do IC.

O pino SS e FB tem tolerância de baixa tensão.

Diagrama de circuito do conversor flyback e funcionamento

Usando este LM5160, simularemos uma fonte de alimentação isolada de 12 V com base nas especificações a seguir. Escolhemos o circuito pois tudo está disponível no site do fabricante.

O esquema usa muitos componentes, mas não é complicado de entender. O C6, C7 e C8 na entrada são usados ​​para filtrar a alimentação de entrada. Considerando que R6 e R10 são usados ​​para fins relacionados ao bloqueio de subtensão. O resistor R7 é para o propósito relacionado ao tempo de operação. Este pino é programável usando um resistor simples. O capacitor C13 conectado ao pino SS é um capacitor de partida suave. O AGND (aterramento analógico) e PGND (aterramento de energia) e o PAD são conectados ao GND de alimentação. No lado direito, o capacitor C5, 0,01 uF é um capacitor Bootstrap que é usado para a polarização do driver do gate. R4, C4 e C9 são o filtro de ondulação, onde R8 e R9 fornecem a tensão de feedback para o pino de feedback do LM5160. Esta proporção de dois resistores determina a tensão de saída. C10 e C11 são usados ​​para filtragem de saída primária não isolada.

Um dos principais componentes é o T1. É um indutor acoplado com um indutor de 60uH em ambos os lados, primário e secundário. Podemos escolher qualquer outro indutor acoplado ou indutor sepic com a seguinte especificação-

1. Taxa de curvas SEC: PRI = 1,5: 1
2. Indutância = 60uH
3. Corrente de saturação = 840mA
4. Resistência DC PRIMÁRIA = 0,071 Ohms
5. Resistência DC SECUNDÁRIA = 0,211 Ohms
6. Freq = 150 kHz

C3 é usado para estabilidade EMI. D1 é o diodo direto que converte a saída e C1, C2 são as tampas do filtro, R2 é a carga mínima necessária para a inicialização.

Para quem deseja fazer a fonte de alimentação para especificações customizadas e deseja calcular o valor, o fabricante fornece excelente ferramenta Excel onde basta colocar os dados e o excel irá calcular o valor dos componentes dependendo das fórmulas fornecidas no datasheet.

O fabricante também forneceu o modelo de especiarias, bem como o esquema completo, que pode ser simulado usando a própria ferramenta de simulação baseada em SPICE da Texas Instrument, TINA-TI. Abaixo está o esquema desenhado usando a ferramenta TINA-TI fornecida pelo fabricante.

O resultado da simulação pode ser mostrado na próxima imagem, onde a corrente e a tensão de carga perfeita podem ser mostradas