Elektronski fakultet Niš Katedra za mikroelektronikumikro.elfak.ni.ac.rs/wp-content/uploads/2017/10/Literatura/Analogna… · Prekidaˇc i povratna sprega Realni ﬂyback konvertor

Prekidacki izvori napajanjaPrincip rada

Osnovne konfiguracijePrekidac i povratna sprega

Realni flyback konvertor

Analogna mikroelektronika

Z. Prijic

Elektronski fakultet NišKatedra za mikroelektroniku

Predavanja 2018.

Z. Prijic Analogna mikroelektronika




Sadržaj

1 Prekidacki izvori napajanjaOdziv kalema na impulsnu pobudu

2 Princip rada

3 Osnovne konfiguracijeStep-down konvertorStep-up konvertorInverzni regulatorFlyback konvertor

4 Prekidac i povratna sprega

5 Realni flyback konvertor





Odziv kalema na impulsnu pobudu

Sadržaj


2 Princip rada









Odziv kalema na impulsnu pobuduProlazak struje kroz kalem uspostavlja magnetno polje

i

i

Magnetno polje se predstavlja koncentricnim linijama magnet-nog fluksa Φ(Wb).






Odziv kalema na impulsnu pobuduGustina fluksa i induktivnost

Gustina magnetnog fluksa B predstavlja broj linija fluksa Φ kojeprolaze kroz površinu A:

B =Φ

A(T = Wb m−2) (1)

Induktivnost kalema L predstavlja meru promene magnentogfluksa dφ usled promene struje kroz kalem diL:

L = NdφdiL

(H), (2)

pri cemu je N broj navojaka kalema.






Odziv kalema na impulsnu pobuduIndukovani napon

Promena magnetnog fluksa dφ u vremenu t indukuje na kraje-vima kalema napon (Faradejev zakon):

vL = Ndφdt

. (3)

Kada promenu magnetnog fluksa izaziva struja koja protice krozkalem, polaritet indukovanog napona je takav da se suprotstav-lja promeni struje (Lencov zakon). Iz (2) i (3) je:

vL = LdiLdt

. (4)






Odziv kalema na impulsnu pobuduKonstantna struja

I

I

Za konstantnu struju kroz kalem, magnento polje je konstantno.Z. Prijic Analogna mikroelektronika





Odziv kalema na impulsnu pobuduPovorka impulsa

t

VS

T

ton

VS0

Faktor iskorišcenja periode (Duty Cycle):

D =ton

T× 100% (5)






Odziv kalema na impulsnu pobuduRL kolo sa impulsnom pobudom

100uHL

100R

R

100KHzVS

Pobudni signal VS je povorka impulsa periode T = 10 µs, ampli-tude VS0 = 1 V i faktora iskorišcenja periode D = 50%.







0µs 1µs 2µs 3µs 4µs 5µs 6µs 7µs 8µs 9µs0mA

1mA

2mA

3mA

4mA

5mA

6mA

7mA

8mA

9mA

10mA

-1.0V

-0.8V

-0.6V

-0.4V

-0.2V

0.0V

0.2V

0.4V

0.6V

0.8V

1.0V

0.0V

0.1V

0.2V

0.3V

0.4V

0.5V

0.6V

0.7V

0.8V

0.9V

1.0V

VS

vL

iL

t







Neposredno po dovodenju impulsa, na krajevima kalema seindukuje napon VL = VS0, koji teži da se suprotstavi protokustruje kroz kalem - u prvom trenutku struja kroz kalem jejednaka nuli.Zbog kontinualnog prisustva impulsa, struja kroz kalem po-cinje da raste, a indukovani napon opada, sve dok ne pos-tane jednak nuli. Struja kroz kalem postaje konstantna injenu vrednost ogranicava otpornik R. Kalem se elektricnopojavljuje kao kratak spoj i kolo ulazi u stacionarno stanje.






Odziv kalema na impulsnu pobuduU trenutku dovodenja impulsa

i

i






Odziv kalema na impulsnu pobuduU trenutku dovodenja impulsa

100uHL

100R

R

100KHzVS

VL







Struja raste eksponencijalno, tako da je:

iL =VS0

R

(1− exp(− t

τ)), (6)

pri cemu je vremenska konstanta:

τ =LR. (7)

Kolo ulazi u stacionarno stanje nakon vremena t ' 5τ .Tada je struja kroz kalem IL = VS0/R (u primeru 1 V/100 Ω= 10 mA).







U stacionarnom stanju kalem je akumulirao energiju WL umagnetnom polju:

WL =12

LI2L (J) . (8)

Akumulirana energija je posledica rada koji je „uložio“ izvorda bi uspostavio konstantnu struju kroz kalem.







Neposredno po prestanku dejstva impulsa, na krajevima ka-lema se indukuje napon VL = −VS0, koji teži da održi pret-hodno uspostavljeno stacionarno stanje - zbog toga je ne-gativan!Zbog odsustva impulsa, struja kroz kalem pocinje da opada,a indukovani napon raste, sve dok ne postane jednak nuli.Struja kroz kalem postaje jednaka nuli i kolo ulazi u staci-onarno stanje.Struja pada eksponencijalno, tako da je:

iL =VS0

Rexp(− t

τ) , (9)






Odziv kalema na impulsnu pobuduU trenutku prestanka impulsa

i

i






Odziv kalema na impulsnu pobuduU trenutku prestanka impulsa

100uHL

100R

R

100KHzVS

VL

Kolo ulazi u stacionarno stanje nakon vremena t ' 5τ . Tada jestruja kroz kalem jednaka nuli. Kalem je oslobodio svu akumuli-ranu energiju.






Odziv kalema na impulsnu pobuduIzvor i prekidac

L

R

S1

VS0

Nakon zatvaranja prekidaca uspostavlja se stacionarno stanje,na isti nacin kao i u kolu sa impulsnom pobudom.






Odziv kalema na impulsnu pobuduIzvor i prekidac - problem

Prilikom otvaranja prekidaca dolazi do nagle promene vrednostistruje u kolu od VS0/RL do nule. Na prekidacu se, usled velikerazlike potencijala na njegovim krajevima, može pojaviti varnice-nje!

L

R

S1

VS0

VL






Odziv kalema na impulsnu pobuduIzvor i prekidac - rešenje

L

R

S1

VS0D1

VL

U trenutku otvaranja prekidaca, dioda provede i kalem se prekonje „isprazni“. Tipicno se koristi Šotkijeva ili brza prekidacka di-oda.





Potreba

Prekidacki izvori napajanja su prevashodno nastali iz potrebe dase:

smanje gabariti izvora kod uredaja vece snagesmanji disipacija snage na izvoru





Princip radaOsnovna ideja

U ovom kolu se prekidac otvara i zatvara tako da je ton vremetokom koga je prekidac zatvoren, a toff = T − ton vreme tokomkoga je prekidac otvoren.





Modulacija širine impulsaPulse Width Modulation (PWM)

Opterecenje RL „vidi“ srednju vrednost napona:

VOUT(avg) 'ton

TVIN (10)

Promenom vrednosti ton menja se i vrednost VOUT(avg).

Idealno, kada je prekidac otvoren, kroz njega ne tece struja.Kada je zatvoren, na njemu nema pada napona. U oba slucajaje snaga koja se na njemu disipira jednaka nuli.





Blok dijagram prekidackog izvora napajanja

Power

Transformer

HighFrequency

switch

OutputCrectification

andCfilteringandCfiltering

dcCoutput

voltage

Vref

PWM

OSCcontrol

circuitry

T

acCinput

supply

dutyCcyclecontrol

mosfetCorbipolar

InputCrectification





Step-down konvertorStep-up konvertorInverzni regulatorFlyback konvertor

Sadržaj


2 Princip rada









Step-down (buck) konvertorOsnovna konfiguracija






Step-down konvertorStruja

Kada je prekidac zatvoren:

∆I∆t

=VIN − VOUT

L. (11)

Kada je prekidac otvoren:

∆I∆t

=VOUT + VD

L, (12)

Izlazni napon je manji od ulaznog napona.






Step-down konvertorTalasni oblici napona i struja






Sadržaj


2 Princip rada









Step-up (boost) konvertorOsnovna konfiguracija






Step-up konvertor

Kada je prekidac zatvoren u kalemu se akumulira energija. Na-kon otvaranja prekidaca, polaritet napona na kalemu je takav dase ponaša kao izvor koji je redno vezan sa izvorom VIN , pa sekondenzator puni preko diode D na napon koji je veci od ulaznognapona. Dioda sprecava pražnjenje kondenzatora preko preki-daca, kada je ovaj zatvoren.






Step-up konvertor

Kada je prekidac zatvoren:

∆I∆t

=Vin

L(13)

Kada je prekidac otvoren:

∆I∆t

=VOUT − VIN

L(14)

Izlazni napon je veci od ulaznog napona.






Sadržaj


2 Princip rada









Inverzni (buck-boost) regulatorOsnovna konfiguracija

Izlazni napon je negativan !






Inverzni regulatorIzlazni napon može biti i manji i veci od ulaznog (po apsolutnoj vrenosti), što zavisi ododnosa ton/T






Sadržaj


2 Princip rada









Flyback konvertorOsnovna konfiguracija

+

~ ~







Ulazni naizmenicni napon vin se ispravlja preko Grecovog spojaU1 i "pegla" korišcenjem rezervoar kondentatora C1. Na taj na-cin se na primarnom kalemu flyback transformatora T1 pojavljujejednosmerni napon VIN . Na drugom kraju primarnog kalema na-lazi se prekidac S. Prekidac je elektronski i to je standardnobipolarni ili MOS tranzistor.

Primarni i sekundarni kalem transformatora T1 se nalaze na is-tom jezgru1. Namotani su tako da je polaritet napona u sekun-dranom kalemu suprotan polaritetu napona u primarnom kalemu(tacke kao oznake pored kalemova).

1Videti predavanja o transformatorima iz predmeta Elektronskekomponente







+

~ ~

Kada se prekidac zatvori, struja tece kroz primarni kalem, a magnetnifluks se koncentriše u jezgru (cime se akumulira energija). Na sekun-darnom kalemu se pojavljuje napon takvog polariteta da je dioda D1inverzno polarisana. Zbog toga nema protoka struje kroz kolo sekun-darnog kalema.







+

~ ~

Kada se prekidac otvori, na primarnom kalemu se menja polaritet na-pona (odziv kalema na impulsnu pobudu). Zbog toga se menja pola-ritet napona i na sekundarnom kalemu, pa dioda D1 postaje direktnopolarisana. Akumulirana energija se oslobada kroz sekundarni kalemi tece struja I koja puni rezervoar kondenzator C2 i stvara napon VOUT

na opterecenju RL. Kroz kolo primarnog kalema ne tece struja.Z. Prijic Analogna mikroelektronika






+

~ ~

Kada se prekidac ponovo zatvori, dioda D1 postaje inverzno polarisanai kroz kolo sekundarnog kalema ne tece struja. Medutim, opterecenjese sada snabdeva iz napunjenog rezervoar kondenzatora C2.







Za razliku od standardnog transformatora, kod flyback transfor-matora struja u svakom trenutku tecke kroz samo jedan od dvakalema. Izlazni napon zavisi i od broja namotaja u primarnom isekundarnom kalemu:

VOUT 'ton

T − tonVIN

N2

N1, (15)

Flyback konvertor može raditi u razlicitim režimima, u zavisnostiod odnosa vremena koje prekidac provodi u otvorenom i zatvo-renom položaju2.

2Detaljnije u izbornom predmetu Izvori napajanja.Z. Prijic Analogna mikroelektronika






Postoji još nekoliko cesto korišcenih konfiguracija prekidackih iz-vora napajanja sa transformatorom kao što su:

forward konvertorpush-pull konvertorhalf bridge i full bridge konvertori





Prekidac i povratna sprega

Izlazni napon zavisi od varijacija ulaznog napona,opterecenja i temperature - zavisnost se možeminimizovati korišcenjem povratne spregeKontrola izlaznog napona preko povratne sprege se vršipromenom faktora iskorišcenja periode ton/T.





Prekidac i povratna spregaBuck konvertor





Prekidac i povratna spregaBoost convertor





Prekidac i povratna spregaInverzni regulator





Prekidac i povratna spregaFlyback konvertor





Prekidacki izvori napajanjaOsnovne karakteristike

Parametar Vrednost JedinicaLinijska regulacija 0,05–0,1 %Regulacija opterecenja 0,1–1 %Ripple 10–100 mV RMSOpseg ulaznog napona ±20 %Efikasnost 60–95 %Vreme održanja 34 msVreme oporavka 300 µs






1

2

J1

220 VAC

t

RT1

25

C1

100nF/275V~X2L1

CHOKE

+

C2

100uF

/400

V

D1

P6K

E200A

D3

HER107

C1

S2

D3

U1

TOP227

R1

6.8R

+

C7

47uF

/25V

6

11

4

9

2

5

T1

U6875-A

D4

1N

4148/S

MD

C6

100nF

A1

K2

C4

E3

U2

LTV817S

D5MBR1635

+

C3

1000uF

/16V

C8

1nF/1.6kV/Y1

R2

100R

U3

TL431B

R4

20k

R3

33k

C5

100nF

+

C4

1000uF

/16V

F1

10A

AC

1

V+

2

AC

3

V-

4

D2

DB107 1

2

J2

7V

C10

1uF

C9

100nF

R5

200R

C11

100nF

/275V

~X

2

L2

EXCML45A

L3

EXCML45A





Realni flyback konvertorUlazni stepen

12

J1220 VAC

t

RT125

C1100nF/275V~X2 L1

CHOKE

+

C2

100u

F/40

0V

AC

1

V+

2

AC

3

V-

4

D2DB107

C11

100n

F/27

5V~X

2





Realni flyback konvertorUlazni stepen - filtri

12

J1220 VAC

t

RT125

C1100nF/275V~X2 L1

CHOKE

+

C2

100u

F/40

0V

AC

1

V+

2

AC

3

V-

4

D2DB107

C11

100n

F/27

5V~X

2

Ograničenje struje pri uključenju(inrush current limit)

Filter za konduktivne smetnje

Linijski (X2) kondenzatori





Realni flyback konvertorIzlazni stepen

R420k

R333k

+

C41000uF/16V

F110A

12

J27V

C101uF

C9100nF

L3EXCML45A





Realni flyback konvertorFeritna prigušnica (ferrite bead) EXCML45A

EMC - Elektromagnetna kompatibilnost





Realni flyback konvertorFeritna prigušnica EXCML45A - frekventna karakteristika





Realni flyback konvertorCentralni stepen

D1P6KE200A

D3HER107

C 1

S2

D3 U1TOP227

R16.8R

+

C747uF/25V

6

11

4

92

5

T1U6875-A

D4

1N4148/SMD

C6100nF

A 1

K 2C4

E3

U2LTV817S

D5MBR1635

+

C31000uF/16V

C81nF/1.6kV/Y1

R2100R

U3TL431B

R420k

R333k

C5100nF

R5200R

L2EXCML45A





Realni flyback konvertorReferentni dizajn

D2MUR420

D31N4148

C2330 F35 V

C3220 F35 V

T1

D1BYV26C

VR1P6KE200

VR21N5241B

11 V

R2220 Ω

BR1400 V

C147 F400 V

F13.15 AJ1

C60.1 F

250 VAC

L222 mH

L

N

C547 F

U1TOP224PD

S

CCONTROL

R36.8 Ω

L13.3 H

C40.1 F

U2PC817A

R1100 Ω

C71 nF

250 VACY1

+12 V

RTN





Realni flyback konvertorŠant regulator - otpornici R3 i R4 sa 0,1% tolerancije

D1P6KE200A

D3HER107

C 1

S2

D3 U1TOP227

R16.8R

+

C747uF/25V

6

11

4

92

5

T1U6875-A

D4

1N4148/SMD

C6100nF

A 1

K 2C4

E3

U2LTV817S

D5MBR1635

+

C31000uF/16V

C81nF/1.6kV/Y1

R2100R

U3TL431B

R420k

R333k

C5100nF

R5200R

L2EXCML45A

Šant regulator

Clamp





Realni flyback konvertorOdsecanje naponskih premašenja

SNUBBER

CLAMP

ORIGINALWAVEFORM

VO

LTA

GE

(VO

LTS

)

t, TIME (sec)Z. Prijic Analogna mikroelektronika




Realni flyback konvertorOdsecanje naponskih premašenja - tehnike

ZENERCLAMP

SOFTCLAMP

SNUBBERSNUBBERSOFTCLAMP

ZENERCLAMP


Documents

Elektronski fakultet Niš Katedra za mikroelektronikumikro.elfak.ni.ac.rs/wp-content/uploads/2017/10/Literatura/Analogna… · Prekidaˇc i povratna sprega Realni ﬂyback konvertor