फ्लाईबैक कनवर्टर सर्किट

इलेक्ट्रॉनिक्स में, एक नियामक एक उपकरण या तंत्र है जो लगातार बिजली उत्पादन को विनियमित कर सकता है। बिजली आपूर्ति डोमेन में विभिन्न प्रकार के नियामक उपलब्ध हैं। लेकिन मुख्य रूप से, डीसी से डीसी रूपांतरण के मामले में, दो प्रकार के नियामक उपलब्ध हैं: रैखिक या स्विचिंग ।

एक रैखिक नियामक एक प्रतिरोधक वोल्टेज ड्रॉप का उपयोग करके आउटपुट को नियंत्रित करता है। इसके कारण रैखिक नियामक कम दक्षता प्रदान करते हैं और गर्मी के रूप में शक्ति खो देते हैं। स्विचन नियामक उपयोग प्रारंभ करनेवाला, डायोड, और उत्पादन करने के लिए अपने स्रोत से स्थानांतरण ऊर्जा के लिए एक बिजली स्विच।

स्विचिंग नियामक के प्रकार

स्विचिंग नियामकों के तीन प्रकार उपलब्ध हैं।

1. स्टेप-अप कन्वर्टर (बूस्ट रेगुलेटर)

2. चरण-नीचे कनवर्टर (बक नियामक)

3. फ्लाईबैक कन्वर्टर (पृथक नियामक)

हमने पहले ही बूस्ट रेगुलेटर और बक रेगुलेटर सर्किट के बारे में बताया। इस ट्यूटोरियल में, हम फ्लाईबैक रेगुलेटर सर्किट का वर्णन करेंगे ।

हिरन और बढ़ावा नियामक के बीच का अंतर प्रारंभ करनेवाला, डायोड की नियुक्ति हिरन नियामक में, और स्विचिंग सर्किट बढ़ावा नियामक से अलग है। इसके अलावा, बूस्टर रेगुलेटर के मामले में आउटपुट वोल्टेज इनपुट वोल्टेज से अधिक होता है, लेकिन हिरन रेगुलेटर में आउटपुट वोल्टेज इनपुट वोल्टेज से कम होगा। हिरन टोपोलॉजी या हिरन कन्वर्टर SMPS में उपयोग किए जाने वाले सबसे अधिक इस्तेमाल होने वाले बेसिक टोपोलॉजी में से एक है । यह एक लोकप्रिय विकल्प है जहां हमें एक उच्च वोल्टेज को कम आउटपुट वोल्टेज में बदलने की आवश्यकता होती है।

उन नियामकों के अलावा, एक और नियामक मौजूद है जो सभी डिजाइनरों के बीच एक लोकप्रिय विकल्प है, जो कि फ्लाईबैक नियामक या फ्लाईबैक कनवर्टर है । यह एक बहुमुखी टोपोलॉजी है जिसका उपयोग किया जा सकता है जहां एकल आउटपुट आपूर्ति से कई आउटपुट की आवश्यकता होती है। इतना ही नहीं, एक फ्लाईबैक टोपोलॉजी डिजाइनर को एक ही समय में आउटपुट की ध्रुवीयता को बदलने की अनुमति देता है। उदाहरण के लिए, हम एकल कनवर्टर मॉड्यूल से + 5V, + 9V और -9V आउटपुट बना सकते हैं। दोनों मामलों में रूपांतरण दक्षता अधिक है।

फ्लाईबैक कनवर्टर में एक और बात इनपुट और आउटपुट दोनों में विद्युत अलगाव है। हमें अलगाव की आवश्यकता क्यों है? कुछ विशेष मामलों में, बिजली के शोर को कम करने और सुरक्षा से संबंधित संचालन के लिए, हमें एक पृथक ऑपरेशन की आवश्यकता होती है, जहां इनपुट स्रोत पूरी तरह से आउटपुट स्रोत से अलग हो। आइए मूल एकल आउटपुट फ्लाईबैक ऑपरेशन का अन्वेषण करें।

फ्लाईबैक कनवर्टर का सर्किटरी ऑपरेशन

यदि हम नीचे दिए गए चित्र की तरह बेसिक सिंगल आउटपुट फ्लाईबैक डिज़ाइन देखते हैं तो हम उन बुनियादी मुख्य घटकों की पहचान करेंगे जिन्हें बनाने की आवश्यकता है।

एक बुनियादी फ्लाईबैक कनवर्टर को एक स्विच की आवश्यकता होती है, जो एक एफईटी या ट्रांजिस्टर, एक ट्रांसफार्मर, एक आउटपुट डायोड, एक कैपेसिटर हो सकता है।

मुख्य बात ट्रांसफार्मर है । हमें वास्तविक सर्किटरी ऑपरेशन को समझने से पहले एक ट्रांसफार्मर के उचित कार्य को समझने की आवश्यकता है।

ट्रांसफार्मर में न्यूनतम दो इंडोर होते हैं, जिन्हें माध्यमिक और प्राथमिक कॉइल के रूप में जाना जाता है, बीच में एक कोर के साथ एक कॉइल पूर्व में घुमावदार होता है। कोर प्रवाह घनत्व को निर्धारित करता है जो विद्युत ऊर्जा को एक घुमावदार से दूसरे तक स्थानांतरित करने के लिए एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है। एक और सबसे महत्वपूर्ण बात ट्रांसफार्मर चरणबद्ध है, प्राथमिक और माध्यमिक घुमावदार में दिखाए गए डॉट्स।

इसके अलावा, जैसा कि हम देख सकते हैं, एक PWM सिग्नल ट्रांजिस्टर स्विच से जुड़ा हुआ है। यह स्विच के समय को बंद करने और चालू करने की आवृत्ति के कारण है। पीडब्लूएम का मतलब पल्स चौड़ाई मॉडुलन तकनीक है।

फ्लाईबैक रेगुलेटर में, दो सर्किटरी ऑपरेशन होते हैं, एक स्विच ऑन फेज होता है जब ट्रांसफार्मर की प्राथमिक वाइंडिंग चार्ज हो जाती है, और दूसरा एक स्विच ऑफ या ट्रांसफार्मर का ट्रांसफर चरण होता है जब इलेक्ट्रिकल एनर्जी प्राथमिक से सेकेंडरी में ट्रांसफर हो जाती है और अंत में लोड करने के लिए।

यदि हम मानते हैं कि स्विच को लंबे समय से बंद कर दिया गया है, तो सर्किट में वर्तमान 0 है और कोई वोल्टेज मौजूद नहीं है।

इस स्थिति में, यदि स्विच को चालू किया जाता है तो करंट बढ़ेगा और प्रारंभ करनेवाला एक वोल्टेज ड्रॉप बना देगा, जो कि डॉट-नेगेटिव है क्योंकि प्राथमिक डॉटेड सिरे पर वोल्टेज अधिक नकारात्मक है। इस स्थिति के दौरान, कोर में उत्पन्न प्रवाह के कारण ऊर्जा द्वितीयक में प्रवाहित होती है। द्वितीयक कॉइल पर, एक वोल्टेज एक ही ध्रुवता में बनाया जाता है, लेकिन वोल्टेज सीधे माध्यमिक से प्राथमिक कॉयल के अनुपात में बदल जाता है। डॉट नेगेटिव वोल्टेज के कारण, डायोड बंद हो जाता है और माध्यमिक में कोई प्रवाह नहीं होगा। यदि कैपेसिटर को पिछले स्विच-ऑफ-ऑन चक्र में चार्ज किया गया था, तो आउटपुट संधारित्र केवल लोड को आउटपुट करंट प्रदान करेगा।

अगले चरण में, जब स्विच बंद कर दिया जाता है, तो प्राथमिक भर में वर्तमान प्रवाह कम हो जाता है और इस प्रकार द्वितीयक डॉट अंत अधिक सकारात्मक हो जाता है। पिछले स्विच ऑन स्टेज के समान, प्राइमरी वोल्टेज पोलरिटी माध्यमिक पर भी समान ध्रुवता का निर्माण करती है, जबकि सेकेंडरी वोल्टेज प्राइमरी और सेकेंडरी वाइंडिंग अनुपात के साथ आनुपातिक होता है। डॉट पॉजिटिव अंत के कारण, डायोड चालू हो जाता है और ट्रांसफार्मर का द्वितीयक प्रारंभ आउटपुट संधारित्र और भार को करंट प्रदान करता है। संधारित्र को ऑन साइकिल में चार्ज खो दिया गया था, अब इसे फिर से रिफिल किया जाता है और स्विच ऑन समय के दौरान लोड को करंट प्रदान करने में सक्षम है।

पूरे स्विच ऑन और ऑफ चक्र में, इनपुट पावर सप्लाई से आउटपुट पावर स्रोत के बीच कोई विद्युत कनेक्शन मौजूद नहीं थे। इस प्रकार, ट्रांसफार्मर इनपुट और आउटपुट को अलग करता है।

स्विच ऑन और ऑफ टाइमिंग के आधार पर ऑपरेशन के दो तरीके हैं । फ्लाईबैक कन्वर्टर निरंतर मोड या डिसकंटेंट मोड में काम कर सकता है ।

में सतत मोड, प्राथमिक प्रभारी से पहले, वर्तमान शून्य, चक्र दोहराने को जाता है। दूसरी ओर, बंद मोड में, अगला चक्र केवल तब शुरू होता है जब प्राथमिक प्रारंभ करनेवाला वर्तमान शून्य पर जाता है।

दक्षता

अब, यदि हम दक्षता की जांच करते हैं, जो इनपुट पावर के आउटपुट का अनुपात है:

(पाउट / पिन) x 100%

चूंकि ऊर्जा बनाई नहीं जा सकती और न ही नष्ट की जा सकती है, इसे केवल परिवर्तित किया जा सकता है, अधिकांश विद्युत ऊर्जाएं अप्रयुक्त शक्तियों को गर्मी में बदल देती हैं। साथ ही, व्यावहारिक क्षेत्र में कोई आदर्श स्थिति नहीं है। वोल्टेज नियामकों के चयन के लिए दक्षता एक बड़ा कारक है।

स्विचिंग नियामक के लिए मुख्य शक्ति-हानि कारकों में से एक डायोड है। आगे वोल्टेज ड्रॉप वर्तमान (Vf xi) से गुणा किया जाता है जो अप्रयुक्त वाट क्षमता है जो गर्मी में परिवर्तित होता है और स्विचिंग नियामक सर्किट की दक्षता को कम करता है। इसके अलावा, थर्मल / हीट मैनेजमेंट टेकनीक के लिए सर्किट की अतिरिक्त लागत है जैसे हीटेटिंक का उपयोग करना, या फिर फैली हुई गर्मी से सर्किट्री को ठंडा करना। न केवल आगे वोल्टेज ड्रॉप, सिलिकॉन डायोड के लिए रिवर्स रिकवरी भी अनावश्यक बिजली हानि और समग्र दक्षता में कमी का उत्पादन करती है।

मानक रिकवरी डायोड से बचने का एक सबसे अच्छा तरीका है, Schottky डायोड का उपयोग करना जिसमें कम आगे वोल्टेज ड्रॉप और बेहतर रिवर्स रिकवरी हो। एक अन्य पहलू में, स्विच को आधुनिक MOSFET डिजाइन में बदल दिया गया है जहां दक्षता एक कॉम्पैक्ट और छोटे पैकेज में सुधार की जाती है।

इस तथ्य के बावजूद कि स्विचिंग नियामकों में उच्च दक्षता, स्थिर डिजाइन टेक्निक, छोटे घटक होते हैं, वे एक रैखिक नियामक की तुलना में शोर करते हैं लेकिन फिर भी वे व्यापक रूप से लोकप्रिय हैं।

LM5160 का उपयोग करके फ्लाईबैक कन्वर्टर का उदाहरण डिजाइन

हम टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स से एक फ्लाईबैक टोपोलॉजी का उपयोग करेंगे। सर्किट डेटशीट में उपलब्ध हो सकता है।

LM5160 सुविधाएँ निम्नलिखित होते हैं

• वाइड 4.5 वी से 65 वी इनपुट वोल्टेज रेंज
• इंटीग्रेटेड हाई-साइड और लो-साइड स्विच
  • कोई बाहरी Schottky डायोड आवश्यक है
• 2-एक अधिकतम लोड वर्तमान
• अनुकूली लगातार समय पर नियंत्रण
  • कोई बाहरी लूप मुआवजा नहीं
  • तेजी से क्षणिक प्रतिक्रिया
• चुनिंदा मजबूर PWM या DCM ऑपरेशन
  • FPWM मल्टी-आउटपुट फ्लाई-बक का समर्थन करता है
• लगभग लगातार स्विचिंग आवृत्ति
  • 1 मेगाहर्ट्ज तक रेसिस्टर एडजस्टेबल
• प्रोग्राम सॉफ्ट स्टार्ट टाइम
• पूर्वाभ्यास स्टार्ट-अप
• ± 1% प्रतिक्रिया वोल्टेज संदर्भ
• LM5160A बाहरी VCC पूर्वाग्रह की अनुमति देता है
• रोबस्ट डिज़ाइन के लिए निहित संरक्षण सुविधाएँ
  • पीक करंट लिमिट प्रोटेक्शन
  • एडजस्टेबल इनपुट UVLO और हिस्टैरिसीस
  • वीसीसी और गेट ड्राइव यूवीएलओ सुरक्षा
  • हिस्टैरिसीस के साथ थर्मल शटडाउन संरक्षण
• WEBENCH® पावर डिज़ाइनर के साथ LM5160A का उपयोग करके एक कस्टम डिज़ाइन बनाएं

यह इनपुट के रूप में 4.5V से 70V तक एक विस्तृत इनपुट वोल्टेज रेंज का समर्थन करता है और आउटपुट वर्तमान के 2A प्रदान करता है। हम जबरन PWM या DCM संचालन का भी चयन कर सकते हैं।

LM5160 का पिनआउट

आईसी डीआईपी पैकेज या एक आसान सोल्डरेबल संस्करण में उपलब्ध नहीं है, हालांकि यह एक समस्या है, लेकिन आईसी बहुत सारे पीसीबी स्थान बचाने के साथ-साथ पीसीबी हीटसिंक पर अधिक थर्मल प्रदर्शन भी करता है। पिन आरेख को उपरोक्त छवि में दिखाया गया है।

निरपेक्ष अधिकतम रेटिंग

हमें IC की पूर्ण अधिकतम रेटिंग के बारे में सावधान रहने की आवश्यकता है।

SS और FB पिन में लो वोल्टेज टॉलरेंस होता है।

फ्लाईबैक कनवर्टर सर्किट डायग्राम और काम करना

इस LM5160 का उपयोग करके हम निम्नलिखित कल्पना के आधार पर एक 12V पृथक विद्युत आपूर्ति का अनुकरण करेंगे। हमने सर्किट को चुना क्योंकि निर्माता वेबसाइट में सब कुछ उपलब्ध है।

योजनाबद्ध घटकों का भरपूर उपयोग करता है लेकिन यह समझना जटिल नहीं है। इनपुट पर C6, C7 और C8 का उपयोग इनपुट सप्लाई के निस्पंदन के लिए किया जाता है। जबकि R6 और R10 का उपयोग अंडर वोल्टेज लॉकआउट संबंधित उद्देश्यों के लिए किया जाता है। R7 रोकनेवाला ऑन टाइम संबंधित उद्देश्य के लिए है। यह पिन एक साधारण अवरोधक का उपयोग करके प्रोग्राम करने योग्य है। एसएस पिन में जुड़ा C13 कैपेसिटर एक सॉफ्ट स्टार्ट कैपेसिटर है। AGND (एनालॉग ग्राउंड) और PGND (पावर ग्राउंड) और PAD आपूर्ति GND से जुड़ा हुआ है। दाईं ओर, C5, 0.01 uF संधारित्र एक बूटस्ट्रैप संधारित्र है जो गेट ड्राइवर के पूर्वाग्रह के लिए उपयोग किया जाता है। R4, C4 और C9, रिपल फ़िल्टर हैं जहां R8 और R9 LM5160 के फीडबैक पिन को प्रतिक्रिया वोल्टेज प्रदान करते हैं। यह दो प्रतिरोधक राशन आउटपुट वोल्टेज को निर्धारित करते हैं। C10 और C11 का उपयोग प्राथमिक गैर पृथक आउटपुट फिल्टरेशन के लिए किया जाता है।

एक प्रमुख घटक T1 है। यह प्राथमिक और माध्यमिक दोनों तरफ 60uH प्रारंभ करनेवाला के साथ एक युग्मित प्रारंभ करनेवाला है। हम निम्नलिखित विनिर्देश के साथ किसी भी अन्य युग्मित प्रारंभकर्ता या सेपिक प्रारंभक को चुन सकते हैं-

1. अनुपात सेकंड: PRI = 1.5: 1
2. अनिच्छा = 60uH
3. संतृप्ति करंट = 840mA
4. डीसी प्रतिरोध PRIMARY = 0.071 ओम
5. डीसी प्रतिरोध सेकंड = 0.211 ओह
6. फ्रीक = 150 kHz

C3 का उपयोग EMI स्थिरता के लिए किया जाता है। डी 1 फॉरवर्ड डायोड है जो आउटपुट को परिवर्तित करता है और सी 1, सी 2 फिल्टर कैप हैं, आर 2 न्यूनतम लोड है जो स्टार्टअप के लिए आवश्यक है।

जो कस्टम विनिर्देशों के लिए बिजली की आपूर्ति करना चाहते हैं और मूल्य की गणना करना चाहते हैं, निर्माता उत्कृष्ट एक्सेल उपकरण प्रदान करता है जहां आप बस डेटा डालते हैं और एक्सेल डेटाशीट में दिए गए सूत्रों के आधार पर घटकों के मूल्य की गणना करेंगे।

निर्माता ने मसाला मॉडल के साथ-साथ पूर्ण योजनाबद्ध भी प्रदान किया है जिसे टेक्सास इंस्ट्रूमेंट के अपने स्पाइस-आधारित सिमुलेशन टूल टीना-टीआई का उपयोग करके अनुकरण किया जा सकता है। नीचे निर्माता द्वारा प्रदान की गई टीना-टीआई उपकरण का उपयोग करके योजनाबद्ध रूप से तैयार किया गया है।

सिमुलेशन परिणाम अगली छवि में दिखाया जा सकता है जहां सही लोड वर्तमान और वोल्टेज दिखाया जा सकता है-