flyback-designen är en Switchad strömförsörjning (SMPS) som har använts i 70+ år och fortfarande går starkt. Denna matning-även kallad en kraftomvandlare-har två distinkta driftsfaser, med ström från ingångssidan överförd till utgångssidan endast när primärsidan är avstängd och dess strömflöde är noll eller nära den. Kärnan i flyback-designen har en ganska kort och billig materialräkning (BOM): ingångskondensator, MOSFET-omkopplare på primärsidan, utgångs-(sekundär) likriktardiod och en utgångskondensator. Dessutom finns det flyback-transformatorn själv (naturligtvis, som med vilken design som helst, är den slutliga schematiska mer komplicerad).
flyback-designen utvecklades på 1930-och 1940-talet och förfinades mycket på 1950-talet med introduktionen av kommersiell TV. På vissa sätt föregår det vårt moderna koncept för den olinjära omkopplingsförsörjningen (se ”för ett halvt sekel sedan revolutionerade bättre transistorer och Omkopplingsregulatorer utformningen av datorns nätaggregat” i IEEE Spectrum).
i sina tidigare roller tillhandahöll flyback-omvandlaren de höga spänningar som behövdes för CRT och de andra vakuumrören, som var den ”aktiva” elektroniken före transistorer och IC. Som ett resultat av denna enorma marknad var den konstruerad och optimerad för låg kostnad, hög tillförlitlighet, säkerhet och tillverkningsförmåga. Flyback-designen och egenskaperna är väl lämpade för applikationer med låg till medelhög effekt mellan 100 och 250 W.
Flyback Converter Basics
Till skillnad från en icke-flyback-design där transformatorn endast används för spänningssteg eller nedsteg, används flyback-transformatorn också som en induktor, en magnetisk energilagringsenhet. Denna transformator har ytterligare lindningar (kritiska för flyback-operationen) utöver att vara en grundläggande tvålindning (primär/sekundär) transformator. Transformatorns varvtal tjänar två roller: det ställer in utmatningen kontra ingångsspänningsförhållandet, och det ger galvanisk (ohmisk) isolering. Genom att använda ytterligare lindningar kan flyback-designen samtidigt ge flera utgångar.
i den grundläggande flyback-cykeln ökar stängningen av primärsidans omkopplare primärströmmen och magnetflödet i transformatorn/induktorn när den primära sidokretsen levereras av källan (Fig. 1). Spänningen i sekundärlindningen är negativ på grund av det relativa förhållandet mellan primära och sekundära lindningar. Därför är dioden omvänd förspänd och blockerar strömflödet och sekundärkondensatorn levererar strömmen till lasten under driftsfasen.
1. I den första cykeln av flyback-omvandlare drift, är den primära sidan omkopplaren stängd, vilket ökar den primära strömmen och transformator/induktor magnetiskt flöde. (Källa: Wikipedia)
omkopplaren öppnas i nästa fas av cykeln (Fig. 2), Så den primära sidströmmen går till noll och magnetflödet kollapsar. Nu går sekundärspänningen positiv, dioden är framåtförspänd och strömmen strömmar från transformatorns sekundära sida till kondensatorn, vilket fyller på kondensatorn.
2. I den andra cykeln av flyback-omvandlaroperation öppnas primärsidan och strömmen strömmar från transformatorns sekundära sida till kondensatorn. (Källa: Wikipedia)
i en flyback-design liknar utgångskondensatorn en hink som antingen fylls (laddas) eller töms (levererar lasten), men den genomgår aldrig båda samtidigt. Den resulterande utgångsrippeln måste filtreras av kondensatorn, som aldrig får rinna ner till nollladdning. Namnet ”flyback” beror på MOSFET-omkopplarens plötsliga stopp/stopp, på/av-verkan, med en vågform som ser ut som en plötslig återföring av strömflödet (Fig. 3).
3. Den grundläggande vågformen i flyback-topologin visar den plötsliga vändningen och övergångarna för primära och sekundära sidströmmar. (Källa: Wikipedia)
reglering av utgången uppnås genom att justera på/av-arbetscykeln för primärsidan. Vissa mönster justerar också frekvensen för omkopplingsåtgärden (snabbare växling resulterar i närmare spårning av utgången till önskat utgångsvärde. Denna återkoppling med erforderlig ingångsisolering tillhandahålls antingen via en speciell lindning på transformatorn (det traditionella och historiska tillvägagångssättet) (Fig. 4a) eller via en optokopplare (Fig. 4b).
4. Den traditionella flyback-designen använder en transformator / induktor med minst två primära lindningar och en sekundärlindning (a). Vissa flyback-mönster använder en optokopplare för att ge den isolerade återkopplingen motsvarande den andra primära sidlindningen. (Källa: Analoga enheter och Texas Instruments)
driftlägen
Flybacks (och andra många andra omvandlartyper) kan utformas för att fungera i ett av två lägen. I diskontinuerligt ledningsläge (DCM) får transformatorn fullständigt avmagnetisera under varje omkopplingscykel. Vanligtvis görs detta med en fast omkopplingsfrekvens och modulering av toppströmmen för att uppfylla belastningskraven. I kontinuerligt ledningsläge (CCM) strömmar strömmen alltid i transformatorn under varje omkopplingscykel. Därför finns det alltid en del kvarvarande energi i transformatorn, eftersom varje omkopplingscykel börjar innan strömmen är helt utarmad.
med DCM finns det inga omvända återvinningsförluster i utgångslikriktaren eftersom dess ström går ner till noll under varje omkopplingscykel. Det erforderliga induktansvärdet på primärsidan är lågt och behöver endast en mindre transformator. Analytiskt är DCM-designen i sig stabilare, eftersom det inte finns någon noll i den högra halvplan noll av dess överföringsfunktion. DCM har dock mycket stora krusningsströmmar och kräver därmed större filter.
däremot har CCM små rippel-och RMS-strömmar. Dessa lägre strömmar sänker också lednings-och avstängningsförlusterna, medan lägre toppströmmar möjliggör mindre filterkomponenter. Men CCM-nackdelen är att den har en noll i överföringsfunktionens högra halvplan, vilket kommer att begränsa bandbredden för styrslingan och dess dynamiska svar. CCM kräver också en större induktans och därmed en större magnetisk komponent.
förbättra Flyback-omvandlaren
som med alla strömförsörjningsdesigner kan vissa variationer och förbättringar göra en bra leverans till en mycket bra. I DCM finns det en död tid eller resonans ”ring” där varken dioden eller MOSFET leder, skapad av interaktion mellan transformatorns primära induktans och parasitkapacitansen vid omkopplarnoden. En kvasi-resonant (QR) design justerar toppströmmen och omkopplingsfrekvensen så att MOSFET slås på vid den första ”dalen” av denna resonansring och minimerar förluster.
en annan förbättring är ” valley switching.”Styrenheten upptäcker när dödtidsresonansringen är vid sin låga punkt och slår på MOSFET vid denna tidpunkt för att starta nästa omkopplingscykel, också för att minska omkopplingsförlusterna.
moderna IC-styrenheter minimerar många av de oundvikliga utmaningarna med att utforma en komplett flyback-leverans samtidigt som prestanda förbättras. Till exempel är Analog Devices LT8304-1 en icke-optoisolerad flyback-omvandlare som samplar utspänningen direkt från den primära flyback-vågformen (Fig. 5), och kräver därför inte en tredje lindning eller optoisolator för reglering.
5. Baserat på LT8304 – 1 omvandlar denna design en 4-till 28-V-ingång till en 1000-V-utgång; den garanterade minsta utgångsströmmen är en funktion av ingångsspänningen och når 15 mA med en 28-V-ingång. (Källa: Analoga enheter)
databladet underlättar valet och identifieringen av flyback-transformatorn genom att tillhandahålla en tabell med vanliga ingångs – /utgångsspänningar och strömkopplingar som matchas med leverantörsnamn och modeller av standard tillgängliga transformatorer. Resultatet: att skapa en bra flyback-design är nu ett mycket enklare projekt.
slutsats
När du väljer en strömförsörjnings – / omvandlartopologi finns det många legitima möjligheter att överväga, var och en med en unik uppsättning funktioner samt positiva och negativa egenskaper. Dessa måste vägas mot systemets prioriteringar och deras tekniska prestanda och dollarkostnader. Flyback-metoden är en livskraftig utmanare i applikationer under flera hundra watt vid spänningar från enstaka siffror till kilovolt, och det är särskilt attraktivt när flera dc-utgångar och input/output-isolering krävs.
vidare läsning:
- Active Clamp Flyback Converter: En Design vars tid har kommit
- GaN Tech Drives Off-Line CV/CC Flyback Switcher ICS
- Flyback-topologi DC Controller droppar behov av optisk Isolator
- designa en diskontinuerlig-Conduction-Mode Flyback transformator
- ta en flygblad på Flyback för din Högspänningskretsdesign
- Tänk på gapet och förbättra din låg effekt Flyback Transformator Design
- halvbrygga Flyback-omvandlare överträffar konventionella Felsök en Flyback-försörjning som genererar hörbart brus
- PCB Designer ’ s Intro till mindre använda DC-DC-regleringsmetoder
- använd en Flyback-topologi för att driva Anpassad LED-belysning
- Flyback synkron Likriktardrivrutin levererar 10-A-utgång
- Flyback-transformator för 30 Watt POE Plus-applikationer
- 900 V Flyback-Regulator passar meter, trådlösa appar
- 100V isolerad monolitisk No-Opto Flyback-Regulator levererar upp till 24W
- Bygg din egen transformator
andra referenser
- elektroteknik Stack Exchange, ”Hur fungerar en CRT tv Flyback verkligen fungera”
- Autodesk Instructables, ”2n3055 Flyback transformator drivrutin för Nybörjare ”
- Robert Gawron, ”Högspänningsförsörjning (10-30kV) Tillverkad av CRT-TV flyback-transformator”
- elektronisk Reparationsguide, ”Vad är Flyback-transformator?
- Texas Instruments, ”förstå grunderna i en Flyback-omvandlare”
- analoga enheter, ”1000 V-utgång, No-Opto, isolerad Flyback-omvandlare”
- Maxim integrerad, application Note 1166, ”Flyback Transformator Design för MAX1856 SLIC – Nätaggregat”