Схема обратноходового преобразователя

В электронике регулятор - это устройство или механизм, который может постоянно регулировать выходную мощность. В области источников питания доступны различные типы регуляторов. Но в основном, в случае преобразования постоянного тока в постоянный, доступны два типа регуляторов: линейный или импульсный.

Линейный регулятор регулирует выход с помощью резистивного падения напряжения. Из-за этого линейные регуляторы имеют меньший КПД и теряют мощность в виде тепла. В импульсном регуляторе используется индуктор, диод и переключатель мощности для передачи энергии от источника к выходу.

Типы импульсных регуляторов

Доступны три типа импульсных регуляторов.

1. Повышающий преобразователь (Boost Regulator)

2. Понижающий преобразователь (понижающий регулятор)

3. Обратный преобразователь (изолированный регулятор)

Мы уже объяснили схему Boost Regulator и Buck Regulator. В этом уроке мы опишем схему обратноходового регулятора.

Разница между регулятором понижающего и повышающего есть, в регуляторе понижающего размещение катушки индуктивности, диода и коммутационная схема отличается от регулятора наддува. Кроме того, в случае повышающего регулятора выходное напряжение выше входного, но в понижающем стабилизаторе выходное напряжение будет ниже входного. Понижающая топология или понижающий преобразователь - одна из наиболее часто используемых базовых топологий, используемых в SMPS. Это популярный выбор, когда нам нужно преобразовать более высокое напряжение в более низкое выходное напряжение.

Помимо этих регуляторов, существует еще один регулятор, который является популярным выбором среди всех разработчиков, а именно регулятор обратного хода или обратный преобразователь. Это универсальная топология, которую можно использовать там, где требуется несколько выходов от одного источника питания. Более того, обратная топология позволяет разработчику одновременно изменять полярность вывода. Например, мы можем создать выход +5 В, + 9 В и -9 В из одного модуля преобразователя. В обоих случаях эффективность преобразования высока.

Еще одна вещь в обратном преобразователе - электрическая изоляция на входе и выходе. Зачем нужна изоляция? В некоторых особых случаях, для минимизации шума питания и операций, связанных с безопасностью, нам нужна изолированная операция, когда входной источник полностью изолирован от выходного источника. Давайте рассмотрим базовую операцию обратного хода с одним выходом.

Схема работы обратного преобразователя

Если мы увидим базовую конструкцию обратного хода с одним выходом, как на изображении ниже, мы определим основные основные компоненты, которые требуются для ее создания.

Базовый обратный преобразователь требует переключателя, который может быть полевым транзистором или транзистором, трансформатором, выходным диодом, конденсатором.

Главное - трансформатор. Нам нужно понять, как правильно работает трансформатор, прежде чем понимать фактическую работу схемы.

Трансформатор состоит как минимум из двух катушек индуктивности, известных как вторичная и первичная обмотки, намотанных в каркас катушки с сердечником между ними. Сердечник определяет плотность потока, который является важным параметром для передачи электрической энергии от одной обмотки к другой. Еще одна важная вещь - фазировка трансформатора, точки показаны на первичной и вторичной обмотке.

Кроме того, как мы видим, через транзисторный ключ подается сигнал ШИМ. Это связано с частотой выключения и временем включения переключателя. PWM означает метод широтно-импульсной модуляции.

В обратном регуляторе есть две схемы работы: одна - это фаза включения, когда первичная обмотка трансформатора заряжена, а другая - выключение, или фаза переключения трансформатора, когда электрическая энергия передается от первичной к вторичной и наконец к нагрузке.

Если мы предположим, что переключатель был выключен в течение длительного времени, ток в цепи равен 0 и напряжение отсутствует.

В этой ситуации, если переключатель включен, ток будет увеличиваться, и катушка индуктивности создаст падение напряжения, которое будет отрицательным, поскольку напряжение на первичном конце, обозначенном точками, будет более отрицательным. В этой ситуации энергия перетекает во вторичную обмотку из-за потока, генерируемого в сердечнике. На вторичной катушке создается напряжение той же полярности, но оно прямо пропорционально отношению витков вторичной катушки к первичной. Из-за отрицательного напряжения точки диод отключается, и ток во вторичной обмотке не течет. Если конденсатор был заряжен в предыдущем цикле включения-выключения, выходной конденсатор будет обеспечивать только выходной ток на нагрузку.

На следующем этапе, когда переключатель выключен, ток через первичную обмотку уменьшается, что делает конец вторичной точки более положительным. Как и на предыдущем этапе включения, полярность первичного напряжения создает такую ​​же полярность и на вторичной, тогда как вторичное напряжение пропорционально соотношению первичной и вторичной обмоток. Благодаря положительному концу точки, диод включается, а вторичная катушка индуктивности трансформатора обеспечивает ток на выходной конденсатор и нагрузку. Конденсатор потерял заряд в цикле включения, теперь он снова заправлен и способен обеспечивать ток заряда на нагрузку во время включения.

В течение всего цикла включения и выключения не было никаких электрических соединений между входным источником питания и выходным источником питания. Таким образом, трансформатор изолирует вход и выход.

В зависимости от времени включения и выключения есть два режима работы. Обратный преобразователь может работать в непрерывном или прерывистом режиме.

В непрерывном режиме, перед первичной зарядкой, ток падает до нуля, цикл повторяется. С другой стороны, в прерывистом режиме следующий цикл начинается только тогда, когда ток первичной катушки индуктивности достигает нуля.

Эффективность

Теперь, если мы исследуем эффективность, которая представляет собой отношение выходной мощности к входной:

(Надутый / Булавка) x 100%

Поскольку энергия не может быть создана или уничтожена, ее можно только преобразовать, большинство электрических энергий теряют неиспользованные силы в тепло. Также не существует идеальной ситуации в практической сфере. Эффективность - важный фактор при выборе регуляторов напряжения.

Одним из основных факторов потери мощности импульсного стабилизатора является диод. Прямое падение напряжения, умноженное на ток (Vf xi), представляет собой неиспользованную мощность, которая преобразуется в тепло и снижает эффективность схемы импульсного регулятора. Кроме того, это дополнительные затраты на схему для техники управления температурой / теплом, например, использование радиатора или вентиляторов для охлаждения схемы от рассеянного тепла. Не только прямое падение напряжения, обратное восстановление кремниевых диодов также приводит к ненужным потерям мощности и снижению общего КПД.

Один из лучших способов избежать использования стандартного восстанавливающего диода - использовать диоды Шоттки, которые имеют низкое прямое падение напряжения и лучшее обратное восстановление. В другом аспекте переключатель был изменен на современный дизайн MOSFET, в котором эффективность повышена в компактном и меньшем корпусе.

Несмотря на то, что импульсные регуляторы имеют более высокий КПД, стационарную конструкцию, меньший размер, они шумнее, чем линейные регуляторы, но все же они широко популярны.

Пример конструкции обратного преобразователя с использованием LM5160

Мы бы использовали обратноходовую топологию от Texas Instruments. Схема может быть доступна в даташите.

LM5160 состоит следующую Особенности-

• Широкий диапазон входного напряжения от 4,5 до 65 В
• Встроенные переключатели высокого и низкого давления
  • Не требуется внешний диод Шоттки
• Максимальный ток нагрузки 2 А
• Адаптивный постоянный контроль времени
  • Нет компенсации внешнего контура
  • Быстрый переходный отклик
• Выбираемый принудительный режим PWM или DCM
  • FPWM поддерживает функцию Fly-Buck с несколькими выходами
• Почти постоянная частота переключения
  • Резистор с регулировкой до 1 МГц
• Время плавного пуска программы
• Предварительный запуск
• ± 1% Обратная связь опорного напряжения
• LM5160A допускает внешнее смещение VCC
• Встроенные функции защиты для прочной конструкции
  • Защита от ограничения пикового тока
  • Регулируемый входной UVLO и гистерезис
  • Защита VCC и Gate Drive UVLO
  • Защита от теплового отключения с гистерезисом
• Создание индивидуального дизайна с помощью LM5160A с WEBENCH® Power Designer

Он поддерживает широкий диапазон входного напряжения от 4,5 В до 70 В в качестве входа и обеспечивает выходной ток 2 А. Мы также можем выбрать принудительные операции PWM или DCM.

Распиновка LM5160

Микросхема не доступна в корпусе DIP или в версии, легко поддающейся пайке, хотя это проблема, но микросхема экономит много места на печатной плате, а также обеспечивает более высокие тепловые характеристики по сравнению с радиатором печатной платы. Схема контактов показана на изображении выше.

Абсолютные максимальные значения

Мы должны быть осторожны с абсолютным максимальным рейтингом IC.

Выводы SS и FB допускают низкое напряжение.

Принципиальная схема и работа обратноходового преобразователя

Используя этот LM5160, мы смоделируем изолированный источник питания 12 В на основе следующей спецификации. Схему выбрали, так как все есть на сайте производителя.

В схеме используется множество компонентов, но ее нетрудно понять. C6, C7 и C8 на входе используются для фильтрации входящего питания. В то время как R6 и R10 используются для целей, связанных с блокировкой пониженного напряжения. Резистор R7 предназначен для включения по времени. Этот вывод программируется с помощью простого резистора. Конденсатор C13, подключенный к выводу SS, является конденсатором плавного пуска. AGND (аналоговое заземление) и PGND (заземление питания) и PAD соединены с заземлением источника питания. С правой стороны, конденсатор C5 емкостью 0,01 мкФ является конденсатором начальной загрузки, который используется для смещения драйвера затвора. R4, C4 и C9 - это фильтр пульсаций, тогда как R8 и R9 обеспечивают напряжение обратной связи на выводе обратной связи LM5160. Это соотношение двух резисторов определяет выходное напряжение. C10 и C11 используются для первичной неизолированной выходной фильтрации.

Главный компонент - T1. Это спаренный индуктор с индуктором 60 мкГн с обеих сторон, первичной и вторичной. Мы можем выбрать любой другой сопряженный индуктор или отдельный индуктор со следующей спецификацией:

1. Коэффициент трансформации SEC: PRI = 1,5: 1
2. Индуктивность = 60 мкГн
3. Ток насыщения = 840 мА
4. Сопротивление постоянному току ПЕРВИЧНОЕ = 0,071 Ом
5. Сопротивление постоянному току ВТОРИЧНОЕ = 0,211 Ом
6. Freq = 150 кГц

C3 используется для обеспечения устойчивости к электромагнитным помехам. D1 - прямой диод, который преобразует выходной сигнал, а C1, C2 - конденсаторы фильтра, R2 - минимальная нагрузка, необходимая для запуска.

Тем, кто хочет сделать источник питания по индивидуальным спецификациям и рассчитать стоимость, производитель предоставляет отличный инструмент Excel, в который вы просто вводите данные, а Excel рассчитает стоимость компонентов в зависимости от формул, приведенных в таблице данных.

Производитель также предоставил модель Spice, а также полную схему, которую можно смоделировать с помощью собственного инструмента моделирования TINA-TI Texas Instrument на основе SPICE. Ниже представлена ​​схема, нарисованная с помощью инструмента TINA-TI, предоставленного производителем.

Результат моделирования может быть показан на следующем изображении, где могут быть показаны идеальные ток и напряжение нагрузки: