Das Flyback-Design ist ein Schaltnetzteil (SMPS), das seit über 70 Jahren verwendet wird und immer noch stark ist. Diese Versorgung — auch Stromrichter genannt – hat zwei unterschiedliche Betriebsphasen, wobei die Leistung von der Eingangsseite nur dann auf die Ausgangsseite übertragen wird, wenn der primärseitige Schalter ausgeschaltet ist und sein Stromfluss Null oder nahe bei ihm liegt. Der Kern des Flyback-Designs hat eine relativ kurze und kostengünstige Stückliste (BOM): eingangskondensator, primärseitiger MOSFET-Schalter, ausgangsseitige (sekundäre) Gleichrichterdiode und ein Ausgangskondensator. Darüber hinaus gibt es den Flyback-Transformator selbst (natürlich ist der endgültige Schaltplan wie bei jedem Design komplizierter).Das Flyback-Design wurde in den 1930er und 1940er Jahren entwickelt und in den 1950er Jahren mit der Einführung des kommerziellen Fernsehens stark verfeinert. In gewisser Weise geht es unserem modernen Konzept der nichtlinearen Schaltversorgung voraus (siehe „Vor einem halben Jahrhundert revolutionierten bessere Transistoren und Schaltregler das Design von Computernetzteilen“ in IEEE Spectrum).
In seinen früheren Rollen lieferte der Sperrwandler die hohen Spannungen, die für die CRT und die anderen Vakuumröhren benötigt wurden, die die „aktive“ Elektronik vor Transistoren und ICs waren. Als Ergebnis dieses riesigen Marktes wurde es für niedrige Kosten, hohe Zuverlässigkeit, Sicherheit und Herstellbarkeit entwickelt und optimiert. Die flyback design und eigenschaften sind gut geeignet für low-zu-medium power palette anwendungen zwischen 100 zu 250 W.
Flyback Konverter Grundlagen
Im gegensatz zu einem nicht-flyback design wo die transformator ist verwendet nur für spannung step-up oder step-down, die flyback transformator ist auch verwendet als induktivität, eine magnetische energie-lagerung gerät. Dieser Transformator hat zusätzliche Wicklungen (kritisch für den Flyback-Betrieb), die über einen grundlegenden Zweiwicklungstransformator (primär / Sekundär) hinausgehen. Das Windungsverhältnis des Transformators dient zwei Rollen: es stellt das Verhältnis von Ausgangsspannung zu Eingangsspannung ein und bietet eine galvanische (ohmsche) Isolierung. Durch die Verwendung zusätzlicher Wicklungen kann das Flyback-Design gleichzeitig mehrere Ausgänge bereitstellen.
Im Basis-Flyback-Zyklus erhöht das Schließen des primärseitigen Schalters den Primärstrom und den magnetischen Fluss im Transformator / Induktor, da der primärseitige Stromkreis von der Quelle versorgt wird (Abb. 1). Die Spannung in der sekundärseitigen Wicklung ist aufgrund der relativen Beziehung zwischen Primär- und Sekundärwicklungen negativ. Daher ist die Diode rückgespannt und blockiert den Stromfluss und der sekundärseitige Kondensator liefert den Strom an die Last während der Betriebsphase.
1. Im ersten Zyklus des Sperrwandlerbetriebs wird der primärseitige Schalter geschlossen, wodurch der Primärstrom und der magnetische Fluss des Transformators / der Induktivität erhöht werden. (Quelle: Wikipedia)
Der Schalter wird in der nächsten Phase des Zyklus geöffnet (Abb. 2), so dass der primärseitige Strom auf Null geht und der magnetische Fluss zusammenbricht. Jetzt geht die sekundärseitige Spannung positiv, die Diode ist vorwärtsgespannt, und Strom fließt von der Sekundärseite des Transformators zum Kondensator, wodurch der Kondensator wieder aufgefüllt wird.
2. Im zweiten Zyklus des Sperrwandlerbetriebs wird der primärseitige Schalter geöffnet und Strom fließt von der Transformatorsekundärseite zum Kondensator. (Quelle: Wikipedia)
In einem Flyback-Design ähnelt der Ausgangskondensator einem Eimer, der entweder gefüllt (aufgeladen) oder geleert (die Last versorgt) wird, aber niemals beides gleichzeitig durchläuft. Die resultierende Ausgangswelligkeit muss vom Kondensator gefiltert werden, der niemals auf Null Ladung abfließen darf. Der Name „Flyback“ ist auf den plötzlichen Stopp / Stopp, Ein / Aus-Effekt des MOSFET-Schalters zurückzuführen, mit einer Wellenform, die wie eine plötzliche Umkehrung des Stromflusses aussieht (Abb. 3).
3. Die grundlegende Wellenform der Flyback-Topologie zeigt die plötzliche Umkehrung und Übergänge für primär- und sekundärseitige Ströme. (Quelle: Wikipedia)
Die Regelung des Ausgangs wird durch Einstellen des Ein / Aus-Tastverhältnisses des primärseitigen Schalters erreicht. Einige Designs passen auch die Frequenz des Schaltvorgangs an (schnelleres Schalten führt zu einer engeren Nachführung des Ausgangs auf den gewünschten Ausgangswert. Diese Rückkopplung mit der erforderlichen Ein-Ausgangs-Trennung erfolgt entweder über eine spezielle Wicklung am Transformator (der traditionelle und historische Ansatz) (Abb. 4a) oder über einen Optokoppler (Fig. 4b).
4. Das traditionelle Flyback-Design verwendet einen Transformator / Induktor mit mindestens zwei Primärwicklungen und einer Sekundärwicklung (a). Einige Flyback-Designs verwenden einen Optokoppler, um die isolierte Rückkopplung bereitzustellen, die der zweiten primärseitigen Wicklung entspricht. (Hauptquellen: Analog Devices und Texas Instruments)
Betriebsarten
Flybacks (und viele andere Konvertertypen) können für den Betrieb in einem von zwei Modi ausgelegt werden. Im diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM) darf der Transformator während jedes Schaltzyklus vollständig entmagnetisieren. In der Regel erfolgt dies mit einer festen Schaltfrequenz und Modulation des Spitzenstroms, um die Lastanforderungen zu erfüllen. Im Continuous Conduction Mode (CCM) fließt bei jedem Schaltzyklus immer der Strom im Transformator. Daher ist im Transformator immer etwas Restenergie vorhanden, da jeder Schaltzyklus beginnt, bevor der Strom vollständig aufgebraucht ist.
Mit DCM gibt es keine Reverse-Recovery-Verluste im Ausgangsgleichrichter, da sein Strom während jedes Schaltzyklus auf Null abfällt. Der erforderliche primärseitige Induktivitätswert ist gering und benötigt nur einen kleineren Transformator. Analytisch ist das DCM-Design von Natur aus stabiler, da es keine Null in der rechten Halbebene Null seiner Übertragungsfunktion gibt. DCM hat jedoch sehr große Welligkeitsströme und erfordert daher größere Filter.
Im Gegensatz dazu hat CCM kleine Welligkeits- und Effektivströme. Diese niedrigeren Ströme senken auch die Leitungs- und Abschaltverluste, während niedrigere Spitzenströme kleinere Filterkomponenten ermöglichen. Der CCM-Nachteil besteht jedoch darin, dass er in der rechten Halbebene der Übertragungsfunktion eine Null aufweist, wodurch die Bandbreite des Regelkreises und seine Dynamik begrenzt werden. CCM erfordert auch eine größere Induktivität und damit eine größere magnetische Komponente.
Verbesserung des Flyback-Konverters
Wie bei jedem Stromversorgungsdesign können bestimmte Variationen und Verbesserungen ein gutes Netzteil in ein sehr gutes verwandeln. In DCM gibt es eine Totzeit oder einen resonanten „Ring“, bei dem weder die Diode noch der MOSFET leiten, was durch die Wechselwirkung zwischen der primären Induktivität des Transformators und der parasitären Kapazität am Schaltknoten entsteht. Ein quasi-resonantes (QR) Design passt den Spitzenstrom und die Schaltfrequenz so an, dass sich der MOSFET im ersten „Tal“ dieses resonanten Klingelns einschaltet und Verluste minimiert.
Eine weitere Erweiterung ist „valley switching.“ Der Regler erkennt, wenn sich der Totzeit-Resonanzring an seinem Tiefpunkt befindet und schaltet den MOSFET an diesem Punkt ein, um den nächsten Schaltzyklus zu starten, auch um Schaltverluste zu reduzieren.Moderne IC-Controller minimieren viele der unvermeidlichen Herausforderungen bei der Entwicklung einer vollständigen Flyback-Versorgung und verbessern gleichzeitig die Leistung. Der LT8304-1 von Analog Devices ist beispielsweise ein nicht optoisolierter Flyback-Wandler, der die Ausgangsspannung direkt aus der primärseitigen Flyback-Wellenform abtastet (Abb. 5) und benötigt daher keine dritte Wicklung oder Optoisolator zur Regelung.
5. Basierend auf dem LT8304-1 wandelt dieses Design einen 4- bis 28-V-Eingang in einen 1000-V-Ausgang um; Der garantierte minimale Ausgangsstrom ist eine Funktion der Eingangsspannung und erreicht 15 mA mit einem 28-V-Eingang. (Quelle: Analog Devices)
Das Datenblatt erleichtert die Auswahl und Identifizierung des Sperrtransformators, indem es eine Tabelle mit gängigen Eingangs- / Ausgangsspannungs- und Strompaarungen bereitstellt, die auf die Herstellernamen und Modelle der standardmäßig verfügbaren Transformatoren abgestimmt sind. Das Ergebnis: Das Erstellen eines guten Flyback-Designs ist jetzt ein viel einfacheres Projekt.
Fazit
Bei der Auswahl einer Stromversorgungs- /Umrichtertopologie sind viele legitime Möglichkeiten zu berücksichtigen, von denen jede einen einzigartigen Satz von Merkmalen sowie positive und negative Eigenschaften aufweist. Diese müssen gegen die Systemprioritäten und deren technische Leistungsfähigkeit und Betriebskosten abgewogen werden. Der Flyback-Ansatz ist ein brauchbarer Anwärter in Anwendungen unter mehreren hundert Watt bei Spannungen von einstelligen bis Kilovolt und besonders attraktiv, wenn mehrere DC-Ausgänge und eine Eingangs- / Ausgangsisolierung erforderlich sind.
Weiterführende Literatur:
- Der Active Clamp Flyback Converter: Ein Design, dessen Zeit gekommen ist
- GaN Tech treibt Off-Line-CV / CC-Flyback-Switcher-ICs an
- Flyback-Topologie DC-Controller benötigt keinen optischen Isolator
- Entwerfen eines diskontinuierlichen Leitungs-Flyback-Transformators
- Nehmen Sie einen Flieger auf dem Flyback für Ihr Hochspannungsschaltungs-Design
- Beachten Sie die Lücke und verbessern Sie Ihr Low-Power-Flyback-Transformator-Design
- Halbbrücken-Flyback-Wandler übertreffen herkömmliche Typen
- Fehlerbehebung bei einer Flyback-Versorgung, die hörbares Rauschen erzeugt
- PCB Designer’s Intro to Lesser-Used DC-DC Regulation Methods
- Verwenden Sie eine Flyback-Topologie, um benutzerdefinierte LED-Beleuchtung anzusteuern
- Der Flyback-Synchrongleichrichtertreiber liefert 10 A Ausgang
- Flyback-Transformator für 30 Watt POE Plus-Anwendungen
- 900 V Flyback-Regler Für Messgeräte, drahtlose Apps
- 100 V Isolierter monolithischer No-Opto-Flyback-Regler liefert bis zu 24 W
- Bauen Sie Ihren eigenen Transformator
Weitere Referenzen
- Electrical Engineering Stack Exchange, „Wie funktioniert ein CRT-TV-Flyback wirklich?“
- Autodesk Instructables, „2n3055 Flyback Transformer Driver for Anfänger“
- Robert Gawron, „Hohe spannung liefern (10-30kV) aus CRT fernsehen flyback transformator“
- Elektronische Reparatur Guide, „Was Ist Flyback Transformator?
- Texas Instruments, „Understanding the Basics of a Flyback Converter“
- Analog Devices, „1000 V Output, No-Opto, Isolated Flyback Converter“
- Maxim Integrated, Application Note 1166, „Entwurf eines Flyback-Transformators für MAX1856 SLIC-Netzteile“