Circuito convertidor flyback

En electrónica, un regulador es un dispositivo o mecanismo que puede regular la potencia de salida constantemente. Hay diferentes tipos de reguladores disponibles en el dominio de la fuente de alimentación. Pero principalmente, en el caso de la conversión de CC a CC, hay dos tipos de reguladores disponibles: Lineal o Conmutación.

Un regulador lineal regula la salida mediante una caída de tensión resistiva. Debido a esto, los reguladores lineales proporcionan una menor eficiencia y pierden potencia en forma de calor. El regulador de conmutación usa inductor, diodo y un interruptor de encendido para transferir energía desde su fuente a la salida.

Tipos de regulador de conmutación

Hay tres tipos de reguladores de conmutación disponibles.

1. Convertidor elevador (regulador de impulso)

2. Convertidor reductor (regulador Buck)

3. Convertidor Flyback (regulador aislado)

Ya explicamos el circuito Boost Regulator y Buck Regulator. En este tutorial, describiremos el circuito del regulador Flyback.

La diferencia entre el regulador reductor y elevador es que, en el regulador reductor, la ubicación del inductor, el diodo y el circuito de conmutación es diferente a la del regulador elevador. Además, en el caso del regulador de refuerzo, el voltaje de salida es más alto que el voltaje de entrada, pero en el regulador reductor, el voltaje de salida será más bajo que el voltaje de entrada. Una topología reductora o convertidor reductor es una de las topologías básicas más utilizadas en SMPS. Es una opción popular en la que necesitamos convertir un voltaje más alto en un voltaje de salida más bajo.

Aparte de esos reguladores, existe otro regulador que es una opción popular entre todos los diseñadores, que es el regulador Flyback o el convertidor Flyback. Se trata de una topología versátil que se puede utilizar cuando se necesitan varias salidas de una única fuente de salida. No solo eso, una topología flyback permite al diseñador cambiar la polaridad de la salida al mismo tiempo. Por ejemplo, podemos crear una salida de + 5V, + 9V y -9V desde un solo módulo convertidor. La eficiencia de conversión es alta en ambos casos.

Otra cosa en el convertidor Flyback es el aislamiento eléctrico tanto en entrada como en salida. ¿Por qué necesitamos aislamiento? En algunos casos especiales, para minimizar el ruido de la energía y las operaciones relacionadas con la seguridad, necesitamos una operación aislada, donde la fuente de entrada está completamente aislada de la fuente de salida. Exploremos la operación básica de flyback de salida única.

Operación de circuitos del convertidor Flyback

Si vemos el diseño de flyback básico de salida única como en la imagen de abajo, identificaremos los componentes principales básicos que se requieren para construir uno.

Un convertidor flyback básico requiere un interruptor, que puede ser un FET o transistor, un transformador, un diodo de salida, un condensador.

Lo principal es el transformador. Necesitamos comprender el funcionamiento correcto de un transformador antes de comprender el funcionamiento real de los circuitos.

El transformador consta de un mínimo de dos inductores, conocidos como bobina secundaria y primaria, enrollados en un formador de bobina con un núcleo en el medio. El núcleo determina la densidad de flujo, que es un parámetro importante para transferir energía eléctrica de un devanado al otro. Otra cosa más importante es la fase del transformador, los puntos que se muestran en el devanado primario y secundario.

Además, como podemos ver, una señal PWM está conectada a través del interruptor de transistor. Se debe a la frecuencia de apagado y encendido del interruptor. PWM significa técnica de modulación de ancho de pulso.

En el regulador Flyback, hay dos circuitos de operación, uno es la fase de encendido cuando el devanado primario del transformador se carga, y otro es el apagado o la fase de transferencia del transformador cuando la energía eléctrica se transfiere del primario al secundario y finalmente a la carga.

Si asumimos que el interruptor se ha apagado durante mucho tiempo, la corriente en el circuito es 0 y no hay voltaje presente.

En esta situación, si el interruptor está ENCENDIDO, la corriente aumentará y el inductor creará una caída de voltaje, que es un punto negativo ya que el voltaje es más negativo en el extremo principal con puntos. Durante esta situación, la energía fluye hacia el secundario debido al flujo generado en el núcleo. En la bobina secundaria, se crea un voltaje con la misma polaridad, pero el voltaje es directamente proporcional a la relación de vueltas de la bobina secundaria a primaria. Debido al voltaje negativo del punto, el diodo se apaga y no fluirá corriente en el secundario. Si el capacitor se cargó en el ciclo anterior de apagado-encendido, el capacitor de salida solo proporcionará la corriente de salida a la carga.

En la siguiente etapa, cuando se apaga el interruptor, el flujo de corriente a través del primario disminuye y, por lo tanto, el punto secundario termina más positivo. Al igual que en la etapa de encendido anterior, la polaridad del voltaje primario crea la misma polaridad en el secundario también, mientras que el voltaje secundario es proporcional a la relación de bobinado primario y secundario. Debido al extremo positivo del punto, el diodo se enciende y el inductor secundario del transformador proporciona corriente al condensador de salida y a la carga. El condensador perdió la carga en el ciclo de ENCENDIDO, ahora se vuelve a llenar y es capaz de proporcionar corriente de carga a la carga durante el tiempo de encendido.

En todo el ciclo de encendido y apagado, no hubo conexiones eléctricas entre la fuente de alimentación de entrada y la fuente de alimentación de salida. Por lo tanto, el transformador aísla la entrada y la salida.

Hay dos modos de funcionamiento dependiendo del tiempo de encendido y apagado. El convertidor Flyback puede funcionar en modo continuo o discontinuo.

En modo continuo, antes de la carga primaria, la corriente pasa a cero, el ciclo se repite. Por otro lado, en modo discontinuo, el siguiente ciclo solo comienza cuando la corriente del inductor primario pasa a cero.

Eficiencia

Ahora, si investigamos la eficiencia, que es la relación entre la salida y la potencia de entrada:

(Puchero / Pin) x 100%

Como la energía no se puede crear ni destruir, solo se puede convertir, la mayoría de las energías eléctricas pierden los poderes no utilizados en calor. Además, no existe una situación ideal en el campo práctico. La eficiencia es un factor importante para seleccionar reguladores de voltaje.

Uno de los principales factores de pérdida de potencia de un regulador de conmutación es el diodo. La caída de tensión directa multiplicada por la corriente (Vf xi) es la potencia no utilizada que se convierte en calor y reduce la eficiencia del circuito regulador de conmutación. Además, es el costo adicional de los circuitos para las técnicas de gestión térmica / térmica, como el uso de un disipador de calor, o ventiladores para enfriar los circuitos del calor disipado. No solo la caída de voltaje directa, la recuperación inversa para diodos de silicio también produce una pérdida de energía innecesaria y una reducción de la eficiencia general.

Una de las mejores formas de evitar un diodo de recuperación estándar es utilizar diodos Schottky que tienen una caída de voltaje directa baja y una mejor recuperación inversa. En otro aspecto, el conmutador se ha cambiado a un diseño MOSFET moderno donde se mejora la eficiencia en un paquete compacto y más pequeño.

A pesar de que los reguladores de conmutación tienen una mayor eficiencia, técnica de diseño estacionario, componente más pequeño, son ruidosos que un regulador lineal, pero aún así son muy populares.

Ejemplo de diseño de Flyback Converter usando LM5160

Utilizaríamos una topología flyback de Texas Instruments. El circuito puede estar disponible en la hoja de datos.

El LM5160 consta de las siguientes características:

• Amplio rango de voltaje de entrada de 4.5V a 65V
• Interruptores integrados de lado alto y lado bajo
  • No se requiere diodo Schottky externo
• Corriente de carga máxima de 2 A
• Control adaptativo constante a tiempo
  • Sin compensación de bucle externo
  • Respuesta transitoria rápida
• Operación PWM forzada o DCM seleccionable
  • FPWM admite Fly-Buck de múltiples salidas
• Frecuencia de conmutación casi constante
  • Resistencia ajustable hasta 1 MHz
• Programar hora de inicio suave
• Puesta en marcha imparcial
• ± 1% de referencia de voltaje de retroalimentación
• LM5160A permite sesgo de VCC externo
• Funciones de protección inherentes para un diseño robusto
  • Protección de limitación de corriente máxima
  • Entrada ajustable UVLO e histéresis
  • Protección UVLO de VCC y Gate Drive
  • Protección de apagado térmico con histéresis
• Cree un diseño personalizado utilizando el LM5160A con WEBENCH® Power Designer

Admite un amplio rango de voltaje de entrada de 4,5 V a 70 V como entrada y proporciona 2 A de corriente de salida. También podemos seleccionar las operaciones PWM o DCM forzadas.

Pinout de LM5160

El IC no está disponible en el paquete DIP o en una versión fácil de soldar, aunque es un problema, pero el IC ahorra mucho espacio en la PCB, así como un mayor rendimiento térmico sobre el disipador térmico de la PCB. El diagrama de pines se muestra en la imagen de arriba.

Índices absolutos máximos

Debemos tener cuidado con la calificación máxima absoluta del IC.

El pin SS y FB tiene tolerancia de bajo voltaje.

Diagrama de circuito del convertidor Flyback y funcionamiento

Al usar este LM5160, simularemos una fuente de alimentación aislada de 12V basada en las siguientes especificaciones. Elegimos el circuito porque todo está disponible en el sitio web del fabricante.

El esquema utiliza muchos componentes, pero no es complicado de entender. Los C6, C7 y C8 de la entrada se utilizan para filtrar el suministro de entrada. Mientras que R6 y R10 se utilizan para fines relacionados con el bloqueo por bajo voltaje. La resistencia R7 es para el propósito relacionado con el tiempo de encendido. Este pin es programable usando una resistencia simple. El condensador C13 conectado a través del pin SS es un condensador de arranque suave. El AGND (tierra analógica) y PGND (tierra de alimentación) y el PAD están conectados con la tierra de suministro. En el lado derecho, el capacitor C5, 0.01 uF es un capacitor Bootstrap que se usa para polarizar el controlador de puerta. R4, C4 y C9 son el filtro de ondulación, mientras que R8 y R9 proporcionan el voltaje de retroalimentación al pin de retroalimentación del LM5160. Esta ración de dos resistencias determina el voltaje de salida. C10 y C11 se utilizan para la filtración de salida primaria no aislada.

Un componente importante es el T1. Es un inductor acoplado con un inductor de 60uH en ambos lados, primario y secundario. Podemos elegir cualquier otro inductor acoplado o inductor sepic con la siguiente especificación:

1. Relación de vueltas SEC: PRI = 1.5: 1
2. Inductancia = 60uH
3. Corriente de saturación = 840mA
4. Resistencia DC PRIMARIO = 0.071 Ohms
5. Resistencia DC SECUNDARIO = 0.211 Ohms
6. Frecuencia = 150 kHz

C3 se utiliza para la estabilidad EMI. D1 es el diodo directo que convierte la salida y C1, C2 son las tapas del filtro, R2 es la carga mínima que se requiere para el arranque.

Aquellos que quieran hacer la fuente de alimentación para especificaciones personalizadas y quieran calcular el valor, el fabricante proporciona una excelente herramienta de Excel donde simplemente coloque los datos y Excel calculará el valor de los componentes según las fórmulas proporcionadas en la hoja de datos.

El fabricante también ha proporcionado el modelo de especias, así como un esquema completo que se puede simular utilizando la propia herramienta de simulación basada en SPICE de Texas Instrument, TINA-TI. A continuación se muestra el esquema dibujado con la herramienta TINA-TI proporcionada por el fabricante.

El resultado de la simulación se puede mostrar en la siguiente imagen donde se puede mostrar la corriente y el voltaje de carga perfectos: