Circuit convertisseur Flyback

En électronique, un régulateur est un dispositif ou un mécanisme qui peut réguler en permanence la puissance de sortie. Il existe différents types de régulateurs disponibles dans le domaine de l'alimentation électrique. Mais principalement, dans le cas de la conversion CC en CC, il existe deux types de régulateurs disponibles: linéaire ou à commutation.

Un régulateur linéaire régule la sortie à l'aide d'une chute de tension résistive. En raison de cela, les régulateurs linéaires offrent une efficacité inférieure et perdent de l'énergie sous forme de chaleur. Le régulateur de commutation utilise une inductance, une diode et un interrupteur d'alimentation pour transférer l'énergie de sa source à la sortie.

Types de régulateur de commutation

Il existe trois types de régulateurs de commutation disponibles.

1. Convertisseur élévateur (Boost Regulator)

2. Convertisseur abaisseur (régulateur Buck)

3. Convertisseur Flyback (régulateur isolé)

Nous avons déjà expliqué le circuit Boost Regulator et Buck Regulator. Dans ce tutoriel, nous décrirons le circuit du régulateur Flyback.

La différence entre le régulateur abaisseur et le régulateur élévateur réside dans le fait que dans le régulateur abaisseur, le placement de l'inducteur, de la diode et du circuit de commutation est différent de celui du régulateur élévateur. De plus, dans le cas d'un régulateur élévateur, la tension de sortie est supérieure à la tension d'entrée, mais dans le régulateur abaisseur, la tension de sortie sera inférieure à la tension d'entrée. Une topologie buck ou un convertisseur buck est l'une des topologies de base les plus utilisées dans SMPS. C'est un choix populaire où nous devons convertir une tension plus élevée en une tension de sortie inférieure.

En dehors de ces régulateurs, il existe un autre régulateur qui est un choix populaire parmi tous les concepteurs, à savoir le régulateur Flyback ou le convertisseur Flyback. Il s'agit d'une topologie polyvalente qui peut être utilisée lorsque plusieurs sorties sont nécessaires à partir d'une seule alimentation de sortie. Non seulement cela, une topologie flyback permet au concepteur de changer la polarité de la sortie en même temps. Par exemple, nous pouvons créer une sortie + 5V, + 9V et -9V à partir d'un seul module convertisseur. L'efficacité de conversion est élevée dans les deux cas.

Une autre chose dans le convertisseur Flyback est l' isolation électrique à la fois en entrée et en sortie. Pourquoi avons-nous besoin d'isolement? Dans certains cas particuliers, pour minimiser le bruit de puissance et les opérations liées à la sécurité, nous avons besoin d'une opération isolée, où la source d'entrée est complètement isolée de la source de sortie. Explorons le fonctionnement de base de flyback à sortie unique.

Fonctionnement des circuits du convertisseur Flyback

Si nous voyons la conception de base de flyback à sortie unique comme l'image ci-dessous, nous identifierons les principaux composants de base qui sont nécessaires pour en construire un.

Un convertisseur flyback de base nécessite un interrupteur, qui peut être un FET ou un transistor, un transformateur, une diode de sortie, un condensateur.

L'essentiel est le transformateur. Nous devons comprendre le bon fonctionnement d'un transformateur avant de comprendre le fonctionnement réel des circuits.

Le transformateur se compose d'au moins deux inducteurs, connus sous le nom de bobine secondaire et primaire, enroulés dans un formateur de bobine avec un noyau entre les deux. Le noyau détermine la densité de flux qui est un paramètre important pour le transfert d'énergie électrique d'un enroulement à l'autre. Une autre chose la plus importante est la mise en phase du transformateur, les points indiqués dans les enroulements primaire et secondaire.

De plus, comme nous pouvons le voir, un signal PWM est connecté à travers le commutateur à transistor. Cela est dû à la fréquence de mise hors tension et de mise sous tension du commutateur. PWM signifie technique de modulation de largeur d'impulsion.

Dans le régulateur Flyback, il y a deux circuits de fonctionnement, l' un est la phase de mise en marche lorsque l'enroulement primaire du transformateur est chargé, et l' autre est l'arrêt ou la phase de transfert du transformateur lorsque l'énergie électrique est transférée du primaire au secondaire et enfin à la charge.

Si nous supposons que l'interrupteur a été désactivé pendant une longue période, le courant dans le circuit est de 0 et il n'y a pas de tension présente.

Dans cette situation, si le commutateur est activé, le courant augmentera et l'inductance créera une chute de tension, qui est négative car la tension est plus négative à l'extrémité principale en pointillé. Dans cette situation, l'énergie circule vers le secondaire en raison du flux généré dans le cœur. Sur la bobine secondaire, une tension est créée dans la même polarité mais la tension est directement proportionnelle au rapport de spires de la bobine secondaire à primaire. En raison de la tension négative du point, la diode s'éteint et aucun courant ne circule dans le secondaire. Si le condensateur a été chargé lors du cycle précédent de mise hors tension, le condensateur de sortie ne fournira que le courant de sortie à la charge.

À l'étape suivante, lorsque l'interrupteur est désactivé, le flux de courant à travers le primaire diminue et rend ainsi l'extrémité du point secondaire plus positive. Identique à l'étage de mise en marche précédent, la polarité de la tension primaire crée également la même polarité sur le secondaire, tandis que la tension secondaire est proportionnelle au rapport des enroulements primaire et secondaire. En raison de l'extrémité positive du point, la diode s'allume et l'inductance secondaire du transformateur fournit du courant au condensateur de sortie et à la charge. Le condensateur a perdu la charge en cycle ON, il est maintenant à nouveau rempli et capable de fournir un courant de charge à la charge pendant le temps de mise en marche.

Dans tout le cycle de mise en marche et d'arrêt, aucune connexion électrique n'était présente entre l'alimentation d'entrée et la source d'alimentation de sortie. Ainsi, le transformateur isole l'entrée et la sortie.

Il existe deux modes de fonctionnement en fonction du moment d'activation et de désactivation. Le convertisseur Flyback peut fonctionner en mode continu ou en mode discontinu.

En mode continu, avant la charge primaire, le courant passe à zéro, le cycle se répète. Par contre, en mode discontinu, le cycle suivant ne commence que lorsque le courant de l'inductance primaire passe à zéro.

Efficacité

Maintenant, si nous étudions l'efficacité, qui est le rapport entre la puissance de sortie et la puissance d'entrée:

(Pout / Pin) x 100%

Comme l'énergie ne peut être ni créée ni détruite, elle ne peut être que convertie, la plupart des énergies électriques perdent des pouvoirs inutilisés en chaleur. De plus, il n'y a pas de situation idéale dans le domaine pratique. L'efficacité est un facteur important pour la sélection des régulateurs de tension.

L'un des principaux facteurs de perte de puissance pour un régulateur à découpage est la diode. La chute de tension directe multipliée par le courant (Vf xi) est la puissance inutilisée qui est convertie en chaleur et réduit l'efficacité du circuit de régulation à découpage. En outre, il s'agit du coût supplémentaire des circuits pour les techniques de gestion thermique / thermique telles que l'utilisation d'un dissipateur thermique ou des ventilateurs pour refroidir les circuits de la chaleur dissipée. Non seulement la chute de tension directe, la récupération inverse pour les diodes au silicium produisent également une perte de puissance inutile et une réduction de l'efficacité globale.

L'un des meilleurs moyens d'éviter une diode de récupération standard est d'utiliser des diodes Schottky qui ont une faible chute de tension directe et une meilleure récupération inverse. Dans un autre aspect, le commutateur a été changé pour une conception MOSFET moderne où l'efficacité est améliorée dans un boîtier compact et plus petit.

Malgré le fait que les régulateurs de commutation ont une efficacité plus élevée, une technique de conception stationnaire, un composant plus petit, ils sont bruyants qu'un régulateur linéaire, mais ils sont toujours très populaires.

Exemple de conception de convertisseur Flyback utilisant LM5160

Nous utiliserions une topologie flyback de Texas Instruments. Le circuit peut être disponible dans la fiche technique.

Le LM5160 comprend les caractéristiques suivantes:

• Large plage de tension d'entrée de 4,5 V à 65 V
• Commutateurs intégrés côté haut et côté bas
  • Aucune diode Schottky externe requise
• Courant de charge maximal de 2 A
• Contrôle adaptatif à temps constant
  • Pas de compensation de boucle externe
  • Réponse transitoire rapide
• Fonctionnement PWM forcé ou DCM sélectionnable
  • FPWM prend en charge le Fly-Buck multi-sortie
• Fréquence de commutation presque constante
  • Résistance réglable jusqu'à 1 MHz
• Programmer l'heure de démarrage progressif
• Démarrage préjugé
• Référence de tension de retour ± 1%
• LM5160A permet une polarisation VCC externe
• Fonctions de protection inhérentes pour une conception robuste
  • Protection limitant le courant de crête
  • UVLO d'entrée réglable et hystérésis
  • Protection UVLO VCC et Gate Drive
  • Protection d'arrêt thermique avec hystérésis
• Créez une conception personnalisée à l'aide du LM5160A avec WEBENCH® Power Designer

Il prend en charge une large plage de tension d'entrée de 4,5 V à 70 V en entrée et fournit 2 A de courant de sortie. Nous pouvons également sélectionner les opérations forcées PWM ou DCM.

Brochage du LM5160

Le circuit intégré n'est pas disponible dans le package DIP ou dans une version facile à souder, bien que ce soit un problème, mais le circuit intégré économise beaucoup d'espace sur le circuit imprimé ainsi qu'une meilleure performance thermique par rapport au dissipateur thermique du circuit imprimé. Le diagramme des broches est illustré dans l'image ci-dessus.

Notes maximales absolues

Nous devons faire attention à la cote maximale absolue du CI.

La broche SS et FB a une tolérance de basse tension.

Schéma du circuit du convertisseur Flyback et fonctionnement

En utilisant ce LM5160, nous simulerons une alimentation isolée de 12 V sur la base des spécifications suivantes. Nous avons choisi le circuit car tout est disponible sur le site du constructeur.

Le schéma utilise de nombreux composants mais ce n'est pas compliqué à comprendre. Les C6, C7 et C8 sur l'entrée sont utilisés pour la filtration de l'alimentation d'entrée. Alors que R6 et R10 sont utilisés à des fins liées au verrouillage de sous-tension. La résistance R7 est à des fins liées au temps de marche. Cette broche est programmable à l'aide d'une simple résistance. Le condensateur C13 connecté à travers la broche SS est un condensateur de démarrage progressif. L'AGND (masse analogique) et PGND (masse d'alimentation) et le PAD sont connectés à l'alimentation GND. Sur le côté droit, le condensateur C5, 0,01 uF est un condensateur Bootstrap qui est utilisé pour la polarisation du pilote de grille. R4, C4 et C9 sont le filtre d'ondulation alors que R8 et R9 fournissent la tension de retour à la broche de retour du LM5160. Ce rapport de deux résistances détermine la tension de sortie. C10 et C11 sont utilisés pour la filtration de sortie primaire non isolée.

Un composant majeur est le T1. Il s'agit d'un inducteur couplé avec un inducteur 60uH des deux côtés, primaire et secondaire. Nous pouvons choisir n'importe quel autre inducteur couplé ou inducteur sépic avec les spécifications suivantes:

1. Rapport de tours SEC: PRI = 1,5: 1
2. Inductance = 60uH
3. Courant de saturation = 840mA
4. Résistance CC PRIMAIRE = 0,071 Ohms
5. Résistance CC SECONDAIRE = 0,211 Ohms
6. Fréq = 150 kHz

C3 est utilisé pour la stabilité EMI. D1 est la diode directe qui convertit la sortie et C1, C2 sont les capuchons de filtre, R2 est la charge minimale requise pour le démarrage.

Ceux qui veulent faire l'alimentation électrique pour des spécifications personnalisées et qui veulent calculer la valeur, le fabricant fournit un excellent outil Excel où il vous suffit de mettre les données et Excel calculera la valeur des composants en fonction des formules fournies dans la fiche technique.

Le fabricant a également fourni le modèle d'épices ainsi qu'un schéma complet qui peut être simulé à l'aide de l'outil de simulation basé sur SPICE de Texas Instrument, TINA-TI. Vous trouverez ci-dessous le schéma dessiné à l'aide de l'outil TINA-TI fourni par le fabricant.

Le résultat de la simulation peut être affiché dans l'image suivante où le courant de charge et la tension parfaits peuvent être affichés-