Il flyback design è un switched-mode power supply (SMPS) che è stato utilizzato per 70+ anni e ancora in corso forte. Questa alimentazione—chiamata anche convertitore di potenza-ha due fasi operative distinte, con l’alimentazione dal lato di ingresso trasferita al lato di uscita solo quando l’interruttore sul lato primario è spento e il suo flusso di corrente è zero o vicino ad esso. Il nucleo del design flyback ha una distinta base (BOM)piuttosto breve e a basso costo: condensatore di ingresso, interruttore MOSFET lato primario, uscita (secondario)-side diodo raddrizzatore, e un condensatore di uscita. Inoltre, c’è il trasformatore flyback stesso (ovviamente, come con qualsiasi progetto, lo schema finale è più complicato).
Il design flyback è stato sviluppato negli anni 1930 e 1940, e altamente raffinato negli anni 1950 con l’introduzione della televisione commerciale. In qualche modo, precede il nostro concetto moderno dell’alimentazione di commutazione non lineare (vedi “Mezzo secolo fa, transistor migliori e regolatori di commutazione hanno rivoluzionato il design degli alimentatori per computer” in IEEE Spectrum).
Nei suoi ruoli precedenti, il convertitore flyback forniva le alte tensioni necessarie per il CRT e gli altri tubi a vuoto, che erano l’elettronica “attiva” prima dei transistor e dei circuiti integrati. Come risultato di questo enorme mercato, è stato progettato e ottimizzato per basso costo, alta affidabilità, sicurezza e producibilità. Il design e le caratteristiche flyback sono adatti per applicazioni a bassa e media potenza tra 100 e 250 W.
Nozioni di base del convertitore Flyback
A differenza di un design non flyback in cui il trasformatore viene utilizzato solo per step-up o step-down di tensione, il trasformatore flyback viene utilizzato anche come induttore, un dispositivo Questo trasformatore ha avvolgimenti aggiuntivi (critici per l’operazione flyback) oltre ad essere un trasformatore di base a due avvolgimenti (primario/secondario). Il rapporto di rotazione del trasformatore svolge due ruoli: imposta il rapporto di tensione di uscita rispetto a quello di ingresso e fornisce l’isolamento galvanico (ohmico). Utilizzando avvolgimenti aggiuntivi, il design flyback può fornire contemporaneamente più uscite.
Nel ciclo flyback di base, la chiusura dell’interruttore lato primario aumenta la corrente primaria e il flusso magnetico nel trasformatore / induttore poiché il circuito lato primario è alimentato dalla sorgente (Fig. 1). La tensione nell’avvolgimento secondario è negativa a causa della relazione relativa tra avvolgimenti primari e secondari. Pertanto, il diodo è invertito e blocca il flusso di corrente e il condensatore secondario fornisce la corrente al carico durante la fase operativa.
1. Nel primo ciclo di funzionamento del convertitore flyback, l’interruttore sul lato primario viene chiuso, aumentando così la corrente primaria e il flusso magnetico del trasformatore/induttore. (Fonte: Wikipedia)
L’interruttore viene aperto nella fase successiva del ciclo (Fig. 2), quindi la corrente del lato primario va a zero e il flusso magnetico crolla. Ora la tensione sul lato secondario diventa positiva, il diodo è prevenuto in avanti e la corrente scorre dal lato secondario del trasformatore al condensatore, reintegrando così il condensatore.
2. Nel secondo ciclo di funzionamento del convertitore flyback, l’interruttore sul lato primario viene aperto e la corrente scorre dal lato secondario del trasformatore al condensatore. (Fonte: Wikipedia)
In un design flyback, il condensatore di uscita è simile a un secchio che viene riempito (ricaricato) o svuotato (fornendo il carico), ma non subisce mai entrambi allo stesso tempo. Il ripple di uscita risultante deve essere filtrato dal condensatore, che non è mai permesso di scaricare fino a zero carica. Il nome “flyback” è dovuto all’improvvisa azione stop / stop, on / off dell’interruttore MOSFET, con una forma d’onda che sembra un’improvvisa inversione del flusso di corrente (Fig. 3).
3. La forma d’onda di base della topologia flyback mostra l’inversione improvvisa e le transizioni per le correnti primarie e secondarie. (Fonte: Wikipedia)
La regolazione dell’uscita si ottiene regolando il ciclo di lavoro on/off dell’interruttore sul lato primario. Alcuni progetti regolano anche la frequenza dell’azione di commutazione (la commutazione più rapida comporta un tracciamento più ravvicinato dell’uscita al valore di uscita desiderato. Questo feedback con isolamento input-output richiesto viene fornito tramite uno speciale avvolgimento sul trasformatore (l’approccio tradizionale e storico) (Fig. 4a) o tramite un accoppiatore ottico (Fig. 4 ter).
4. Il design flyback tradizionale utilizza un trasformatore / induttore con almeno due avvolgimenti primari e un avvolgimento secondario (a). Alcuni progetti flyback utilizzano un accoppiatore ottico per fornire il feedback isolato equivalente al secondo avvolgimento del lato primario. (Fonte: Dispositivi analogici e Texas Instruments)
Modalità di funzionamento
Flybacks (e altri molti altri tipi di convertitore) possono essere progettati per funzionare in una delle due modalità. In modalità di conduzione discontinua (DCM), il trasformatore può smagnetizzare completamente durante ogni ciclo di commutazione. Di solito, questo viene fatto con una frequenza di commutazione fissa e modulazione della corrente di picco per soddisfare i requisiti di carico. In modalità di conduzione continua (CCM), la corrente scorre sempre nel trasformatore durante ogni ciclo di commutazione. Pertanto, una certa energia residua è sempre presente nel trasformatore, perché ogni ciclo di commutazione inizia prima che la corrente sia completamente esaurita.
Con DCM, non ci sono perdite di recupero inverso nel raddrizzatore di uscita poiché la sua corrente scende a zero durante ogni ciclo di commutazione. Il valore di induttanza del lato primario richiesto è basso e richiede solo un trasformatore più piccolo. Analiticamente, il design DCM è intrinsecamente più stabile, poiché non c’è zero nello zero del mezzo piano destro della sua funzione di trasferimento. Tuttavia, DCM ha correnti di ripple molto grandi e quindi richiede filtri più grandi.
Al contrario, CCM ha piccole correnti di ripple e RMS. Queste correnti più basse riducono anche le perdite di conduzione e di spegnimento, mentre le correnti di picco più basse consentono componenti del filtro più piccoli. Ma lo svantaggio CCM è che ha uno zero nel mezzo piano destro della funzione di trasferimento, che limiterà la larghezza di banda del ciclo di controllo e la sua risposta dinamica. CCM richiede anche una maggiore induttanza e quindi un componente magnetico più grande.
Migliorare il convertitore Flyback
Come con qualsiasi progetto di alimentazione, alcune variazioni e miglioramenti possono trasformare una buona alimentazione in una molto buona. In DCM, c’è un tempo morto o un “anello” risonante in cui né il diodo né il MOSFET stanno conducendo, creato dall’interazione tra l’induttanza primaria del trasformatore e la capacità parassita sul nodo dello switch. Un design quasi risonante (QR) regola la corrente di picco e la frequenza di commutazione in modo che il MOSFET si accenda alla prima “valle” di questo squillo risonante e minimizzi le perdite.
Un altro miglioramento è “valley switching.”Il controller rileva quando l’anello risonante a tempo morto è al suo punto basso e accende il MOSFET a questo punto per avviare il ciclo di commutazione successivo, anche per ridurre le perdite di commutazione.
I moderni controller IC riducono al minimo molte delle inevitabili sfide legate alla progettazione di una fornitura flyback completa, migliorando al contempo le prestazioni. Ad esempio, Analog Devices’ LT8304-1 è un convertitore flyback non optoisolato che campiona la tensione di uscita direttamente dalla forma d’onda flyback sul lato primario (Fig. 5), e quindi non richiede un terzo avvolgimento o optoisolatore per la regolazione.
5. Basato su LT8304 – 1, questo design converte un ingresso da 4 a 28 V in un’uscita da 1000 V; la corrente di uscita minima garantita è una funzione della tensione di ingresso e raggiunge 15 mA con un ingresso da 28 V. (Fonte: Analog Devices)
La scheda tecnica facilita la selezione e l’identificazione del trasformatore flyback fornendo una tabella di accoppiamenti comuni di tensione e corrente di ingresso/uscita abbinati ai nomi dei fornitori e ai modelli di trasformatori standard disponibili. Il risultato: creare un buon design flyback è ora un progetto molto più semplice.
Conclusione
Quando si seleziona una topologia di alimentazione / convertitore, ci sono molte possibilità legittime da considerare, ognuna con un insieme unico di caratteristiche e caratteristiche positive e negative. Questi devono essere valutati rispetto alle priorità del sistema e alle loro prestazioni tecniche e ai costi in dollari. L’approccio flyback è un valido concorrente in applicazioni sotto diverse centinaia di watt a tensioni da singole cifre a kilovolt, ed è particolarmente interessante quando sono richieste più uscite dc e isolamento input/output.
Ulteriori letture:
- Il convertitore Flyback morsetto attivo: Un Disegno il Cui Tempo È Venuto.
- GaN Tech Drive Off-Line CV/CC Flyback Switcher ICs
- Flyback-Topologia DC Controller Gocce Bisogno per Isolatore Ottico
- la Progettazione di un Discontinuo-Conduzione-Modalità di Flyback Transformer
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Riferimenti
- Ingegneria Elettrica Stack Exchange, “Come funziona un televisore CRT flyback davvero funzionare”
- Autodesk Instructables, “2n3055 Flyback Transformer Driver per I principianti “
- Robert Gawron, “Ad alta tensione di alimentazione (10-30kV) fatto da CRT televisione flyback trasformatore”
- Riparazione elettronica Guida, ” Che cosa è Flyback trasformatore?
- Texas Instruments, “Understanding the Basics of a Flyback Converter”
- Analog Devices, “1000 V Output, No-Opto, Isolated Flyback Converter”
- Maxim Integrated, Application Note 1166, “Flyback Transformer Design for MAX1856 SLIC Power Supplies”