Flyback Güç Kaynağı Mimarisi ve Çalışması

Flyback topolojisi, birçok uygulamaya performans ve en az malzeme listesi avantajları getiren bazı ilginç özelliklere sahip çok yönlü, yaygın olarak kullanılan, anahtarlamalı bir güç kaynağı tasarımıdır.

Flyback tasarımı, 70 yıldan fazla zamandır kullanılan ve hala güçlü olan anahtarlamalı bir güç kaynağıdır (SMPS). Güç dönüştürücüsü olarak da adlandırılan bu besleme, giriş tarafından gelen gücün yalnızca birincil taraf anahtarı kapalıyken ve akım akışı sıfır veya ona yakın olduğunda, çıkış tarafına aktarılan iki ayrı çalışma fazına sahiptir. Fly Back tasarımının çekirdeği oldukça kısa ve düşük maliyetli bir malzeme listesine sahiptir. Giriş kapasitörü, birincil taraf MOSFET anahtarı, çıkış (ikincil) taraftaki doğrultucu diyot ve bir çıkış kapasitörüne ek olarak, flyback transformatörünün kendisi var (elbette, herhangi bir tasarımda olduğu gibi, son şema daha karmaşıktır).

Flyback tasarımı 1930’lu ve 1940’lı yıllarda geliştirildi ve 1950’lerde ticari televizyonun tanıtımıyla son derece rafine edildi. 

Önceki dönemlerde, flyback dönüştürücü, transistörlerden ve entegrelerden önce “aktif” elektronik olan CRT ve diğer vakum tüpleri için gereken yüksek voltajları sağlardı. Bu devasa pazarın bir sonucu olarak, düşük maliyet, yüksek güvenilirlik, güvenlik ve üretilebilirlik için tasarlanmış ve optimize edilmiştir. Flyback tasarımı ve özellikleri, 100 ile 250 W arasındaki düşük ile orta güç aralığı uygulamaları için çok uygundur.

Flyback Converter Temel Bilgileri

Transformatörün sadece voltaj yükseltmesi veya düşürmesi için kullanıldığı non-flyback tasarımdan farklı olarak, flyback transformatörü bir indüktör, bir manyetik enerji depolama cihazı olarak da kullanılır. Bu transformatör, temel iki sargılı (birincil / ikincil) bir transformatör olmanın ötesinde ek sargılara (flyback işlemi için kritik) sahiptir. Transformatörün dönüş oranı iki rol oynar: çıkışı giriş voltaj oranına göre ayarlar ve galvanik (omik) izolasyon sağlar. Ek sargılar kullanarak, flyback tasarımı aynı anda birden fazla çıkış sağlayabilir.

Temel flyback döngüsünde, birincil taraf anahtarının kapatılması, birincil taraf devre kaynak tarafından beslendiğinden, transformatör / indüktördeki birincil akımı ve manyetik akıyı arttırır (Şekil 1) . Sekonder taraf sargısındaki voltaj, birincil ve ikincil sargılar arasındaki bağıl ilişki nedeniyle negatiftir. Bu nedenle, diyot ters yönlüdür ve akım akışını bloke eder ve ikincil taraf kapasitör çalışma fazı sırasında yüke akımı sağlar.


1. Flyback konvertörünün ilk döngüsünde, birincil taraf anahtarı kapatılır, böylece birincil akım ve transformatör / indüktör manyetik akısı artar. (Kaynak: Wikipedia)

Anahtar, döngünün bir sonraki fazında açılır (Şekil 2) , böylece birincil taraf akımı sıfıra gider ve manyetik akı çöker. Şimdi ikincil taraf voltajı pozitifleşiyor, diyot öne eğimli ve akım trafo tarafından kapasitöre akıyor, böylece kapasitörü yeniden dolduruyor.


2. Flyback konvertörünün ikinci döngüsünde, birincil taraf anahtarı açılır ve akım trafo sekonder tarafından kapasitöre akar. (Kaynak: Wikipedia)

Bir flyback tasarımında, çıkış kapasitörü doldurulmuş (şarj edilmiş) veya boşaltılan (yükü besleyen) bir kovaya benzer, ancak asla aynı anda geçmez. Ortaya çıkan çıkış dalgalanması, asla sıfır yüke boşalmasına izin verilmeyen kapasitör tarafından filtrelenmelidir. “Flyback” adı, MOSFET anahtarının ani dur / durdur, açma / kapama hareketinden ve akım akışının ani olarak tersine benzeyen bir dalga formundan kaynaklanmaktadır (Şekil 3) .

Şekil – 3

3. Flyback topolojisinin temel dalga şekli, birincil ve ikincil taraf akımları için ani ters dönüş ve geçişleri gösterir. (Kaynak: Wikipedia)

Çıkışın düzenlenmesi, birincil taraf anahtarının açma / kapama görev döngüsünün ayarlanmasıyla gerçekleştirilir. Bazı tasarımlar ayrıca anahtarlama eyleminin frekansını da ayarlar (daha hızlı anahtarlama, çıkışın istenen çıkış değerine daha yakından izlenmesine neden olur. Gerekli giriş-çıkış yalıtımı ile bu geri besleme, transformatör üzerinde özel bir sargı ile sağlanır. (Şekil 4a) veya bir optokuplör aracılığıyla (Şekil 4b) .

Şekil 4A ve 4B

4. Geleneksel Flyback tasarımında en az iki primer sargı ve bir sekonder sargı (a) bulunan bir transformatör / indüktör kullanılır. Bazı flyback tasarımları, ikinci primer taraf sargısına eşdeğer yalıtılmış geri besleme sağlamak için bir optokuplör kullanır. (Kaynaklar: Analog Cihazlar ve Texas Enstrümanları)


Çalışma Modları

Flybackler (ve diğer birçok dönüştürücü türü) iki moddan birinde çalışacak şekilde tasarlanabilir. Süreksiz iletim modunda (DCM), transformatörün her anahtarlama çevrimi sırasında tamamen manyetikliği giderilmesine izin verilir. Genellikle, bu sabit bir anahtarlama frekansı ve yük gereksinimlerini karşılamak için tepe akımının modülasyonu ile yapılır. Sürekli iletim modunda (CCM), akım her bir anahtarlama çevrimi sırasında transformatörde daima akar. Bu nedenle, transformatörde her zaman bir miktar kalıntı enerji vardır, çünkü her bir anahtarlama döngüsü akım tamamen tükenmeden başlar.

DCM ile, her anahtarlama döngüsü sırasında akımı sıfıra düştüğü için çıkış redresöründe ters kurtarma kaybı yoktur. Gerekli birincil taraf endüktans değeri düşüktür ve sadece daha küçük bir transformatöre ihtiyaç duyar. Analitik olarak, DCM tasarımı doğal olarak daha kararlıdır, çünkü transfer fonksiyonunun sağ yarım düzlem sıfırında sıfır yoktur. Bununla birlikte, DCM çok büyük dalgalanma akımlarına sahiptir ve bu nedenle daha büyük filtreler gerektirir.

Buna karşılık, CCM küçük dalgalanma ve RMS akımlarına sahiptir. Bu düşük akımlar ayrıca iletim ve kapatma kayıplarını azaltırken, daha düşük tepe akımları daha küçük filtre bileşenlerine izin verir. Ancak CCM dezavantajı, transfer fonksiyonunun sağ yarım düzleminde, kontrol döngüsünün bant genişliğini ve dinamik tepkisini sınırlayacak bir sıfıra sahip olmasıdır. CCM ayrıca daha büyük bir endüktans ve dolayısıyla daha büyük bir manyetik bileşen gerektirir.

Flyback Dönüştürücüyü Geliştirme

Herhangi bir güç kaynağı tasarımında olduğu gibi, bazı varyasyonlar ve geliştirmeler iyi bir kaynağı çok iyi bir kaynağa dönüştürebilir. DCM’de, ne diyodun ne de MOSFET’in iletmediği, transformatörün birincil endüktansı ile anahtar düğümündeki parazitik kapasitans arasındaki etkileşimle oluşturulan ölü bir zaman veya rezonant “halka” vardır. Bir yarı-rezonant (QR) tasarımı tepe akımını ve anahtarlama frekansını ayarlar, böylece MOSFET bu rezonant zil sesinin ilk “vadisinde” açılır ve kayıpları minimize eder.

Diğer bir gelişme de “vadi değişimi” dir. Kontrolör, ölü zaman rezonans halkasının düşük noktasında olduğunu tespit eder ve MOSFET’i bir sonraki anahtarlama döngüsünü başlatmak için bu noktada açar, ayrıca anahtarlama kayıplarını da azaltır.

Modern IC kontrolörleri, performansı arttırırken eksiksiz bir flyback kaynağı tasarlamanın kaçınılmaz zorluklarının çoğunu en aza indirir. Örneğin, Analog Devices ‘LT3816, geniş bir çıkış voltajı aralığını destekleyen, 100 W’a kadar yükleri doğrudan destekleyebilen, transformatör tabanlı, 16 ile 600 V girişe sahip flyback denetleyicisidir. (Şekil 5)

Şekil -5

5. Bu transformatör izole edilmiş flyback tasarımı, 20 V dc’den 600 V dc kaynağa 54 V dc çıkış düzenlemek için Analog Devices LT3618 kullanır. (Kaynak: Analog Cihazlar)