El diseño flyback es una fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS) que se ha utilizado durante más de 70 años y sigue funcionando con fuerza. Esta fuente, también llamada convertidor de potencia, tiene dos fases de funcionamiento distintas, con la potencia del lado de entrada transferida al lado de salida solo cuando el interruptor del lado primario está apagado y su flujo de corriente es cero o cercano a él. El núcleo del diseño flyback tiene una lista de materiales (BOM)bastante corta y de bajo costo: condensador de entrada, interruptor MOSFET del lado primario, diodo rectificador del lado de salida (secundario) y un condensador de salida. Además, está el propio transformador flyback (por supuesto, como con cualquier diseño, el esquema final es más complicado).
El diseño flyback fue desarrollado en las décadas de 1930 y 1940, y altamente refinado en la década de 1950 con la introducción de la televisión comercial. De alguna manera, precede a nuestro concepto moderno de la fuente de conmutación no lineal (ver «Hace medio siglo, Mejores Transistores y Reguladores de Conmutación Revolucionaron el Diseño de Fuentes de Alimentación de Computadora» en Espectro IEEE).
En sus funciones anteriores, el convertidor flyback proporcionaba los altos voltajes necesarios para el CRT y los otros tubos de vacío, que eran la electrónica «activa» antes de los transistores y los circuitos integrados. Como resultado de este enorme mercado, fue diseñado y optimizado para bajo costo, alta confiabilidad, seguridad y capacidad de fabricación. El diseño y las características del flyback son adecuados para aplicaciones de rango de potencia de baja a media entre 100 y 250 W.
Conceptos básicos del convertidor Flyback
A diferencia de un diseño sin flyback en el que el transformador se usa solo para aumentar o reducir el voltaje, el transformador flyback también se usa como inductor, un dispositivo de almacenamiento magnético de energía. Este transformador tiene devanados adicionales (críticos para la operación flyback) más allá de ser un transformador básico de dos devanados (primario/secundario). La relación de vueltas del transformador cumple dos funciones: establece la relación de voltaje de salida frente a entrada y proporciona aislamiento galvánico (óhmico). Mediante el uso de bobinados adicionales, el diseño flyback puede proporcionar simultáneamente múltiples salidas.
En el ciclo de flyback básico, el cierre del interruptor del lado primario aumenta la corriente primaria y el flujo magnético en el transformador / inductor a medida que la fuente suministra el circuito del lado primario (Fig. 1). La tensión en el devanado del lado secundario es negativa debido a la relación relativa entre los devanados primario y secundario. Por lo tanto, el diodo tiene sesgo inverso y bloquea el flujo de corriente y el condensador del lado secundario suministra la corriente a la carga durante la fase de operación.
1. En el primer ciclo de funcionamiento del convertidor de retroceso, el interruptor del lado primario está cerrado, lo que aumenta la corriente primaria y el flujo magnético transformador/inductor. (Fuente: Wikipedia)
El interruptor se abre en la siguiente fase del ciclo (Fig. 2), por lo que la corriente del lado primario va a cero y el flujo magnético colapsa. Ahora el voltaje del lado secundario va positivo, el diodo está sesgado hacia adelante y la corriente fluye desde el lado secundario del transformador al condensador, reponiendo así el condensador.
2. En el segundo ciclo de funcionamiento del convertidor de retroceso, se abre el interruptor del lado primario y la corriente fluye desde el lado secundario del transformador hasta el condensador. (Fuente: Wikipedia)
En un flyback de diseño, el condensador de salida es similar a un cubo que está lleno (recargar) o vaciado (suministro de la carga), pero nunca se somete a ambos al mismo tiempo. La ondulación de salida resultante debe ser filtrada por el condensador, que nunca se permite que drene a carga cero. El nombre «flyback» se debe a la acción de parada/parada repentina, encendido/apagado del interruptor MOSFET, con una forma de onda que parece una inversión repentina del flujo de corriente (Fig. 3).
3. La forma de onda básica de la topología flyback muestra la inversión y las transiciones repentinas para las corrientes primarias y secundarias. (Fuente: Wikipedia)
La regulación de la salida se logra ajustando el ciclo de trabajo de encendido/apagado del interruptor del lado primario. Algunos diseños también ajustan la frecuencia de la acción de conmutación (la conmutación más rápida da como resultado un seguimiento más cercano de la salida al valor de salida deseado. Esta retroalimentación con el aislamiento de entrada-salida requerido se proporciona a través de un devanado especial en el transformador (el enfoque tradicional e histórico) (Fig. 4a)o a través de un optoacoplador (Fig. 4b).
4. El diseño tradicional de flyback utiliza un transformador / inductor con al menos dos devanados primarios y un devanado secundario (a). Algunos diseños de flyback utilizan un optoacoplador para proporcionar la retroalimentación aislada equivalente al segundo bobinado del lado primario. (Fuente: Analog Devices y Texas Instruments)
Modos de funcionamiento
Los flybacks (y otros muchos tipos de convertidores) se pueden diseñar para funcionar en uno de dos modos. En el modo de conducción discontinua (DCM), el transformador se desmagnetiza completamente durante cada ciclo de conmutación. Por lo general, esto se hace con una frecuencia de conmutación fija y modulación de la corriente de pico para cumplir con los requisitos de carga. En el modo de conducción continua (CCM), la corriente fluye siempre en el transformador durante cada ciclo de conmutación. Por lo tanto, siempre hay energía residual en el transformador, ya que cada ciclo de conmutación comienza antes de que la corriente se agote por completo.
Con DCM, no hay pérdidas de recuperación inversa en el rectificador de salida, ya que su corriente desciende a cero durante cada ciclo de conmutación. El valor de inductancia del lado primario requerido es bajo y solo necesita un transformador más pequeño. Analíticamente, el diseño de DCM es inherentemente más estable, ya que no hay cero en el medio plano derecho de su función de transferencia. Sin embargo, el DCM tiene corrientes de ondulación muy grandes y, por lo tanto, requiere filtros más grandes.
En contraste, CCM tiene pequeñas corrientes de ondulación y RMS. Estas corrientes más bajas también reducen las pérdidas de conducción y de desconexión, mientras que las corrientes máximas más bajas permiten componentes de filtro más pequeños. Pero la desventaja de CCM es que tiene un cero en el medio plano derecho de la función de transferencia, lo que limitará el ancho de banda del bucle de control y su respuesta dinámica. CCM también requiere una inductancia más grande y, por lo tanto, un componente magnético más grande.
Mejora del convertidor Flyback
Al igual que con cualquier diseño de fuente de alimentación, ciertas variaciones y mejoras pueden convertir una buena fuente en una muy buena. En DCM, hay un tiempo muerto o «anillo» resonante donde ni el diodo ni el MOSFET están conduciendo, creado por la interacción entre la inductancia primaria del transformador y la capacitancia parasitaria en el nodo de conmutación. Un diseño cuasi-resonante (QR) ajusta la corriente máxima y la frecuencia de conmutación para que el MOSFET se encienda en el primer «valle» de este timbre resonante y minimice las pérdidas.
Otra mejora es «cambio de valle».»El controlador detecta cuando el anillo resonante de tiempo muerto está en su punto bajo y enciende el MOSFET en este punto para iniciar el siguiente ciclo de conmutación, también para reducir las pérdidas de conmutación.
Los controladores IC modernos minimizan muchos de los desafíos inevitables de diseñar un suministro de flyback completo al tiempo que mejoran el rendimiento. Por ejemplo, el LT8304-1 de Analog Devices es un convertidor flyback no optoisolado que muestrea el voltaje de salida directamente de la forma de onda flyback del lado primario (Fig. 5), y por lo tanto no requiere un tercer devanado u optoisolador para la regulación.
5. Basado en el LT8304-1, este diseño convierte una entrada de 4 a 28 V en una salida de 1000 V; la corriente de salida mínima garantizada es una función del voltaje de entrada y alcanza los 15 mA con una entrada de 28 V. (Fuente: Dispositivos analógicos)
La hoja de datos facilita la selección e identificación del transformador flyback al proporcionar una tabla de emparejamientos comunes de voltaje de entrada/salida y corriente que se ajustan a los nombres y modelos de los fabricantes de transformadores estándar disponibles. El resultado: crear un buen diseño de flyback ahora es un proyecto mucho más fácil.
Conclusión
Al seleccionar una topología de fuente de alimentación/convertidor, hay muchas posibilidades legítimas a considerar, cada una con un conjunto único de características, así como características positivas y negativas. Estos deben sopesarse en relación con las prioridades del sistema, su rendimiento técnico y sus costos en dólares. El enfoque flyback es un competidor viable en aplicaciones de varios cientos de vatios a voltajes de un solo dígito a kilovoltios, y es especialmente atractivo cuando se requieren múltiples salidas de CC y aislamiento de entrada/salida.
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Otras Referencias
- Intercambio de pilas de Ingeniería eléctrica, «Cómo funciona realmente un flyback de televisión CRT»
- Autodesk Instructables, «Controlador de transformador Flyback 2n3055 para Principiantes «
- Robert Gawron, «Fuente de alto voltaje (10-30kV) hecha de transformador flyback de televisión CRT»
- Guía de reparación electrónica, «¿Qué es el transformador Flyback?
- Texas Instruments, «Comprender los conceptos básicos de un Convertidor Flyback»
- Analog Devices, «Convertidor Flyback aislado, Sin Opto y Salida de 1000 V»
- Maxim Integrado, Nota de aplicación 1166, «Diseño de transformador Flyback para Fuentes de alimentación de corte MAX1856»