Cấu tạo và nguyên lý hoạt động nguồn flyback

0
807
chu kỳ đầu tiên hoạt động của bộ nguồn flyback

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động nguồn flyback là bộ nguồn swicth-mode, được sử dụng rộng rãi với khả năng mang lại hiệu suất và lợi thế  về BOM cho nhiều ứng dụng.

Bộ nguồn flyback là Swicth Mode Power Supply (SMPS) đã được sử dụng hơn 70 năm và vẫn sử dụng đến bây giờ. Nguồn cung cấp này – còn được gọi là bộ chuyển đổi nguồn – có hai giai đoạn hoạt động riêng biệt, với nguồn điện từ phía đầu vào chỉ được chuyển sang phía đầu ra khi công tắc phía sơ cấp tắt và dòng điện của nó bằng 0 hoặc gần 0. Cốt lõi của thiết kế flyback là khá nhỏ gọn và chi phí thấp: tụ điện đầu vào, công tắc MOSFET phía sơ cấp, điốt chỉnh lưu phía đầu ra (thứ cấp) và tụ điện đầu ra. Ngoài ra, còn có biến áp flyback (tất nhiên, như với bất kỳ thiết kế nào, sơ đồ cuối cùng phức tạp hơn).Thiết kế và đặc điểm của flyback rất phù hợp cho các ứng dụng dải công suất từ thấp đến trung bình từ 100 đến 250 W.

Kiến thức cơ bản về nguồn Flyback

Không giống như thiết kế non-flyback,máy biến áp chỉ được sử dụng để tăng hoặc giảm điện áp, máy biến áp flyback cũng được sử dụng như một cuộn cảm, một thiết bị lưu trữ năng lượng từ trường. Máy biến áp này có các cuộn dây bổ sung (quan trọng đối với hoạt động flyback) ngoài việc trở thành một máy biến áp hai cuộn dây (sơ cấp / thứ cấp) cơ bản. Tỷ số vòng quay của máy biến áp phục vụ hai vai trò: nó thiết lập tỷ lệ điện áp đầu ra so với đầu vào và nó cung cấp cách ly điện (ohmic). Bằng cách sử dụng các cuộn dây bổ sung, thiết kế flyback có thể cung cấp đồng thời nhiều đầu ra.

Trong chu kỳ nguồn flyback cơ bản, việc đóng công tắc phía sơ cấp làm tăng dòng điện sơ cấp và từ thông trong máy biến áp/cuộn cảm khi mạch phía sơ cấp được cung cấp nguồn (Hình 1). Điện áp ở cuộn thứ cấp âm do mối quan hệ tương đối giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Do đó, diode được phân cực ngược và chặn dòng điện và tụ điện phía thứ cấp cung cấp dòng điện cho tải trong giai đoạn hoạt động.

 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động nguồn flyback

1. Trong chu kỳ đầu tiên hoạt động của bộ chuyển đổi flyback, công tắc phía sơ cấp được đóng lại, do đó làm tăng dòng điện sơ cấp và từ thông máy biến áp / cuộn cảm.

Công tắc được mở ở pha tiếp theo của chu kỳ (Hình 2), do đó dòng điện phía sơ cấp về 0 và từ thông giảm xuống. Bây giờ điện áp phía thứ cấp chuyển sang dương, điốt được phân cực thuận, và dòng điện chạy từ phía thứ cấp của máy biến áp đến tụ điện, do đó nạp cho tụ điện.

 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động nguồn flyback

2. Trong chu kỳ thứ hai của hoạt động bộ nguồn flyback, công tắc phía sơ cấp được mở và dòng điện chạy từ phía thứ cấp của máy biến áp đến tụ điện.

Trong thiết kế flyback, tụ điện đầu ra tương tự như một cái thùng được làm đầy (được sạc lại) hoặc được làm trống (cung cấp tải), nhưng nó không bao giờ trải qua cả hai cùng một lúc. Ripple đầu ra phải được lọc bởi tụ điện, tụ điện này không bao giờ được phép xả xuống mức điện tích không. Tên “flyback” là do hành động stop/stop, on/off đột ngột của công tắc MOSFET, với dạng sóng trông giống như sự đảo ngược đột ngột của dòng điện (Hình 3).

 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động nguồn flyback

3. Dạng sóng cơ bản của cấu trúc liên kết flyback cho thấy sự đảo ngược và chuyển tiếp đột ngột đối với các dòng điện phía sơ cấp và thứ cấp.

Điều chỉnh điện áp đầu ra  bằng cách điều chỉnh chu kỳ làm việc bật/tắt của công tắc phía sơ cấp. Một số thiết kế cũng điều chỉnh tần số của hành động chuyển mạch (chuyển đổi nhanh hơn dẫn đến đạt được giá trị đầu ra mong muốn. Cách ly đầu vào – đầu ra  được cung cấp thông qua một cuộn dây đặc biệt trên máy biến áp (phương pháp truyền thống) (Hình 4a) hoặc qua một optocoupler (Hình 4b).

 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động nguồn flyback

4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động nguồn flyback truyền thống sử dụng một máy biến áp / cuộn cảm có ít nhất hai cuộn sơ cấp và một cuộn thứ cấp (a). Một số thiết kế flyback sử dụng optocoupler để cung cấp cách ly với cuộn thứ cấp.

Chế độ hoạt động nguồn flyback

Flybacks (và nhiều loại bộ chuyển đổi khác) có thể được thiết kế để hoạt động ở một trong hai chế độ. Trong chế độ dẫn không liên tục (DCM), máy biến áp được phép khử từ hoàn toàn trong mỗi chu kỳ đóng cắt. Thông thường, điều này được thực hiện với tần số đóng cắt cố định và điều chế dòng điện đỉnh để đáp ứng các yêu cầu tải. Ở chế độ dẫn liên tục (CCM), dòng điện luôn chạy trong máy biến áp trong mỗi chu kỳ đóng cắt. Do đó, một số năng lượng dư luôn có trong máy biến áp, bởi vì mỗi chu kỳ đóng cắt bắt đầu trước khi dòng điện hoàn toàn cạn kiệt.

Với DCM, không có tổn hao phục hồi ngược trong bộ chỉnh lưu đầu ra vì dòng điện của nó giảm xuống 0 trong mọi chu kỳ chuyển mạch. Giá trị điện cảm phía sơ cấp yêu cầu thấp và chỉ cần một máy biến áp nhỏ hơn. Về mặt phân tích, thiết kế DCM vốn đã ổn định hơn, vì không có số zero trong nửa mặt phẳng bên phải của hàm truyền của nó. Tuy nhiên, DCM có dòng gợn  rất lớn và do đó yêu cầu bộ lọc lớn hơn.

Ngược lại, CCM có dòng gợn và RMS nhỏ. Các dòng điện thấp hơn này cũng làm giảm tổn thất dẫn và tắt, trong khi dòng điện đỉnh thấp hơn cho phép các thành phần bộ lọc nhỏ hơn. Nhưng nhược điểm của CCM là nó có số Zero trong nửa mặt phẳng bên phải của hàm truyền, điều này sẽ hạn chế băng thông của vòng điều khiển và đáp ứng động của nó. CCM cũng yêu cầu độ tự cảm lớn hơn và do đó thành phần từ tính lớn hơn.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động nguồn flyback khá là đơn giản phải không ạ .

Cải thiện bộ chuyển đổi nguồn Flyback

Như với bất kỳ thiết kế cung cấp điện nào, một số biến đổi và cải tiến nhất định có thể biến một nguồn cung cấp tốt thành rất tốt. Trong DCM, có thời gian chết hoặc “vòng” cộng hưởng mà cả diode và MOSFET đều không dẫn, được tạo ra bởi sự tương tác giữa điện cảm chính của máy biến áp và điện dung ký sinh tại nút chuyển đổi. Thiết kế bán cộng hưởng (QR) điều chỉnh dòng điện đỉnh và tần số chuyển mạch để MOSFET bật ở “thung lũng” đầu tiên của dao động ringing cộng hưởng này và giảm thiểu tổn thất.

Một cải tiến khác là “chuyển đổi thung lũng.” Bộ điều khiển phát hiện khi vòng cộng hưởng thời gian chết ở điểm thấp và bật MOSFET tại thời điểm này để bắt đầu chu kỳ chuyển mạch tiếp theo, cũng để giảm tổn thất chuyển mạch.

Các bộ điều khiển vi mạch hiện đại giảm thiểu nhiều thách thức không thể tránh khỏi trong việc thiết kế một nguồn cung cấp phản hồi hoàn chỉnh đồng thời nâng cao hiệu suất. Ví dụ, Analog Devices ’LT3816 là bộ điều khiển flyback đầu vào 16 đến 600-V dựa trên máy biến áp có thể hỗ trợ trực tiếp tải lên đến 100 W (Hình 5), hỗ trợ một khoảng điện áp đầu ra rộng

 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động nguồn flyback

5. Thiết kế flyback cách ly máy biến áp này sử dụng Analog Devices ’LT3618 để điều chỉnh đầu ra một chiều 54 V từ nguồn một chiều 20 V đến 600 V một chiều.

Phần kết luận

Khi lựa chọn cấu trúc liên kết cấp nguồn / bộ chuyển đổi, có nhiều khả năng cần xem xét, mỗi khả năng có một bộ tính năng riêng cũng như các đặc điểm tích cực và tiêu cực. Chúng phải được cân nhắc dựa trên các ưu tiên của hệ thống, hiệu suất kỹ thuật và chi phí . Nguồn flyback là một ứng cử viên khả thi trong các ứng dụng dưới vài trăm watt ở điện áp từ một chữ số đến kilovolt và nó đặc biệt hấp dẫn khi yêu cầu nhiều đầu ra dc và cách ly đầu vào / đầu ra.

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here