Prof

ZAVOD ZA ELEKTRONIKE SUSTAVE I OBRADU INFORMACIJAUnska 3, HR-10000 Zagreb

ZAVOD ZA ELEKTRONIKE SUSTAVE I OBRADU INFORMACIJAUnska 3, HR-10000 Zagreb

IZVORI NAPAJANJA ELEKTRONIKIH UREAJASeminarFlyback regulatorAndro Brozni0036441516Tomislav Markovi0036447712Nositelji predmeta:

Prof.dr.sc. Mario CifrekDoc.dr.sc. Igor Krois

Zagreb, sijeanj 2013.

Sadraj31.Uvod

2.Pregled prekidakih regulatora napajanja42.1.Propusni regulator (eng. Buck)42.2.Zaporni regulator (eng. Boost)52.3.Ostali prekidaki regulatori napajanja62.4.Upravljanje prekidakim regulatorima (eng. Pulse Width Modulation)73.Flyback93.1.Opis rada103.1.Prednosti i mane134.Flyback u praksi155.Zakljuak166.Popis literature17

1. UvodDananji svijet, a pogotovo elektronika, tri utrku za unaprjeenjem efikasnosti. Prekidaki regulatori napajanja teorijski pruaju visoke efikasnosti, neizmjerno bolje u odnosu na linearne regulatore. Razvitak tehnologije poluvodia pedesetih godina prolog stoljea otvorio je put razvoja prekidakih regulatora napajanja. Za visoku efikasnost, regulatori moraju imati visoku frekvenciju prekidanja i male gubitke u topologiji. Kroz ezdesete godine prolog stoljea pojavili su se prvi DC-DC pretvarai kao odgovor na zahtjeve avioindustrije za malim i efikasnim pretvaraima snage.

Prekidaki regulatori predstavljaju izazov za inenjere jer zahtijevaju analizu sklopa kroz dva stanja, u ovisnosti o stanju prekidake sklopke, praenje mnogih valnih oblika napona i struja, te pomni odabir pasivnih komponenti.

Dananji razvoj donio je mnoge tipove prekidakih regulatora napajanja, od kojih emo u ovom seminaru detaljnije obraditi samo jedan. Flyback regulator jedna je od jednostavnijih topologija ija popularnost stalno raste zbog niske cijene i visoke prilagodljivosti.

U drugom poglavlju dan je pregled prekidakih regulatora napajanja, s naglaskom na propusni (eng. Buck) regulator, te zaporni (eng. Boost) regulator. Flyback regulator je svojevrsna kombinacija tih dvaju osnovnih regulatora, te su onda oni logini odabir za obradu. Navedeni su i ostali popularniji tipovi regulatora, te njihova osnovna podjela. Govori se kratko i o pulsnoirinskoj modulaciji (eng. Pulse-Width Modulation), koja je temeljni nain upravljanja prekidakim regulatorima.U treem poglavlju analizira se sam Flyback regulator. Dani su opis rada osnovnog Flyback regulatora, njegova svojstva i prednosti i mane. Kroz etvrto poglavlje govori se i o primjeni Flyback regulatora u praksi. Na kraju je dan zakljuak rada, te popis koritene literature.

2. Pregled prekidakih regulatora napajanja U ovom poglavlju dan je pregled prekidakih regulatora napajanja, s naglaskom na propusni (eng. Buck) i zaporni (eng. Boost) regulator ija kombinacija rada daje Flyback regulator. Ostali tipovi regulatora samo su navedeni uz osnovnu podjelu.

2.1. Propusni regulator (eng. Buck)Propusni regulator jedna je od najosnovnijih topologija prekidakih regulatora napajanja. Koristi se za smanjenje razine napona (primjerice 12V na izlazu napajanja raunala u ~1V pogodnih za napajanje jezgre mikroprocesora) i pri tome ostvaruje visoke razine uinkovitosti (tipino oko 80%, mogue i do 95%). Propusni regulator (Slika 1) za svoj rad koristi tranzistor (S) i diodu (D) za prekidanje, te zavojnicu (L) i kondenzator (C) za pohranjivanje energije. Kao i svaki prekidaki regulator i ovdje imamo dva ciklusa te dvije topologije u ovisnosti o stanju tranzistora S. U prvom ciklusu, tranzistor vodi, struja tee kroz tranzistor, te kroz zavojnicu ime se u zavojnici stvara magnetska energija. Kondenzator se napuni nabojem, a strujni krug se zatvara preko troila. U drugom ciklusu tranzistor se iskljuuje, strujni krug je odvojen od ulaza te se zatvara kroz diodu D ime se zavojnica prazni.

Propusni regulator moe raditi u kontinuiranom i diskontinuiranom nainu rada. Kontinuirani nain rada znai da uvijek postoji struja kroz zavojnicu tijekom rada. Kontinuirani nain rada jednostavniji je za proraun, dok kod diskontinuiranog naina rada ne postoji struja kroz jedan dio perioda vremena, te se onda to mora ukljuiti u proces sinteze. Diskontinuirani nain rada se koristi kada je malo optereenje na izlazu.

U ovisnosti o omjeru vremena TON i TOFF koji definiraju rad tranzistora, izlazni napon propusnog regulatora u kontinuiranom nainu rada se moe izraziti kao (1). Tako definiran izraz jasno pokazuje da izlazni napon moe biti maksimalno jednak ulaznom naponu.(1)

Slika 1 - Shema propusnog regulatora

2.2. Zaporni regulator (eng. Boost)Zaporni regulator bazira se na slinoj topologiji kao i propusni regulator, s razlikom da se sada ulazni napon podie na neki vei izlazni napon u ovisnosti o radnom ciklusu. Tipino se zaporni regulatori mogu koristiti za rasvjetna tijela, bilo to baterijski napajana LED rasvjeta ili visokonaponske katodne cijevi, te za pogon baterijski napajanih vozila. Podizanje napona temelji se na svojstvu zavojnice da se opire promjeni struje. Slika 2 prikazuje shemu zapornog regulatora. U prvom ciklusu sklopka S je zatvorena, te se strujni krug zatvara kroz zavojnicu L i tranzistor S. Teret se napaja iz kondenzatora C, magnetska energija se pohranjuje u zavojnici, s pozitivnim predznakom s lijeve strane. U drugom ciklusu sklopka se otvara, ime se strujni krug zatvara kroz diodu D i troilo. Kako je impedancija vea, polaritet na zavojnici se okree i time se zbrajaju ulazni napon i napon na zavojnici ime se puni kondenzator C.Kao i kod propusnog regulatora, i ovdje imamo dva naina rada kontinuirani i diskontinuirani. Opet je rije o struji kroz zavojnicu odnosno dolazi li struja kroz zavojnicu do nule tijekom radnih ciklusa.

Slika 2 - Shema zapornog regulatora

2.3. Ostali prekidaki regulatori napajanja

Uz ve navedene propusne i zaporne regulatore, postoje i mnoge druge vrste prekidakih regulatora napajanja. Glavna podjela odnosi se na svojstvo izolacije, odnosno koristi li regulator zavojnicu ili transformator. Regulatori sa transformatorom imaju glavnu prednost da su ulaz i izlaz galvanski odvojeni. Druga prednost je da se pomou razliitog broja namotaja, na izlazu moe dobiti bilo koja kombinacija napona, te su mogui ak i viestruki izlazi.Od neizoliranih prekidakih regulatora najpoznatiji su propusni (buck), kojem je struja kontinuirana na izlazu, te zaporni (boost) kojem je struja kontinuirana na ulazu. Invertirajui (buck-boost) omoguava generiranje bilo kojeg napona suprotnog predznaka, ali je struja diskontinuirana i na ulazu i na izlazu. SPLIT-PI (boost-buck) odlikuje bidirekcionalna kontrola snage, te se esto koriste kod upravljanja elektrinim motorima i za punjenje baterija kod regenerativnog koenja. Od ostalih prekidakih napajanja bez galvanskog odvajanja imamo jo i uk, SEPIC, Zeta i nabojsku pumpu. Pri emu su SEPIC i Zeta regulatori samo modifikacije uk regulatora.Izolirajue topologije, kako je prije reeno, koriste transformator za galvansko odvajanje izlaza i ulaza. Neke topologije odmah koriste transformator kao spremnik energije, dok neke koriste i dodatne zavojnice. Izolirajue topologije koriste se obino za vee snage, jer njihova kompleksnija graa ih ini skupljima za izvedbu. Flyback regulator koji e biti opisan kasnije je veoma slian invertirajuem regulatoru, samo to se ovdje koristi transformator za galvansku izolaciju. 2.4. Upravljanje prekidakim regulatorima (eng. Pulse Width Modulation)

Za upravljanje prekidakih regulatora napajanja potrebno je generirati impulse za tranzistore. Upravljanje se vri pomou pulsno-irinske modulacije (eng. Pulse Width Modulation PWM).

Pulsno-irinska modulacija koristi pravokutni signal promjenjivog vremena trajanja. Ako imamo odreenu frekvenciju rada, omjer izmeu trajanja impulsa i perioda pravokutnog signala T definira radni ciklus D (eng. Duty-cycle).(2)

Slika 3. Prikazuje kako se mijenjanjem trajanja radnog ciklusa moe na izlazu dobiti sinusni signal. Upravljanje PWM signalom se izvodi pomou povratne veze. Dio signala sa izlaza se odvaja i dovodi na pojaalo pogreke gdje se usporeuje sa referentnom vrijednou. U ovisnosti o razlici napona, pojaalo e generirati pozitivni ili negativni napon odreene vrijednosti kojim se upravlja irinom impulsa pulsnoirinske modulacije. im je vea frekvencija rada, to e sklop imati bri odziv na promjene.

Slika 3 - Prikaz PWM modulacije za dobivanje sinusnog signala na izlazu

3. Flyback

Kao to je reeno u drugom poglavlju prekidake izvore napajanja moemo promatrati sa stajalita galvanske veze izmeu ulaza i izlaza izvora. Flyback pripada u grupu u kojoj su ulaz i izlaz regulatora galvanski odvojeni transformatorom za rad na visokim frekvencijama. Ukoliko emo dalje promatrati podjelu galvanski izoliranih izvora moemo napraviti podjelu prema nainu uzbude jezgre transformatora na jednosmjerne i dvosmjerne. Kod jednosmjernih, transformatorska jezgra se pobuuje, odnosno u nju se sprema energija, tijekom jednog dijela perioda dok kod drugog ne (koristi se prvi kvadrant B-H grafa poznati graf koji prikazuje histerezu). Kod dvosmjernih se transformatorska jezgra pobuuje tijekom cijelog perioda (koristi se prvi i trei kvadrant B-H grafa). Flyback pripada grupi regulatora s jednosmjernom pobudom jezgre.

Flyback je izvor napajanja izveden iz buck-boost konfiguracije. Kae se da je izveden jer je zavojnica (kod buck-boost konf.) zamijenjena transformatorom koji ima funkciju zavojnice, a istovremeno slui i za galvansko odvajanje ulaza i izlaza regulatora. Osnovna struktura Flyback-a nalazi se na slici 4. Regulator se sastoji od transformatora namijenjenog za rad na visokim frekvencijama, tranzistora koji radi kao sklopka, te diode i kondenzatora u izlaznom krugu. U daljnjem dijelu ovoga rada prikazane su mogue modifikacije inicijalne sheme kako bi se rijeili nedostaci osnovnog spoja.

Slika 4 Shema flyback regulatora 3.1. Opis rada

Flyback regulator (slika 4) moe raditi u kontinuiranom i diskontinuiranom nainu rada. U ovome radu obraen je kontinuirani nain rada. Kada se kae da se Flyback nalazi u kontinuiranom nainu rada tada se misli da se jezgra nikada u potpunosti ne demagnetizira. Odnosno to se moe shvatiti tako da magnetski tok kroz zavojnicu nikada ne padne na nulu ve padne na neku odreenu vrijednost. Mogue je provesti istu analizu regulatora u diskontinuiranom nainu rada, ali se pritom mora uzeti u obzir da se jezgra u potpunosti demagnetizira.

Prije razmatranja rada Flyback-a zanimljivo je promotriti model transformatora koritenog u daljnjem modelu regulatora. Transformator je modeliran induktivitetom Lm koji se vidi s primara i idealnim transformatorom s omjerom namota N1:N2 (slika 5). Gubici u jezgri Ll1 i Ll2 u ovom modelu su zanemareni, meutim u praksi oni moraju biti to manji. Time se dobiva kvalitetnija sprega izmeu primara i sekundara te se smanjuje akumulirana energija u njima koja se ona obino troi na prekidakim elementima regulatora (tranzistori) to je nepoeljno.Slika 5 Model transformatora

Kao i kod svakog prekidakog regulatora, rad Flyback-a promatra se u dvije faze (kada je tranzistor radi kao otvorena, odnosno zatvorena sklopka). Kada tranzistor radi kao zatvorena sklopka, dioda u izlaznom krugu je zaporno polarizirana zbog polariteta napona koji se ostvaruje transformatorom i struja kroz nju ne tee. U tom sluaju izlazna struja je jednaka struji pranjenja kondenzatora (slika 6a). Istovremeno to znai da se magnetska energija sprema u zavojnicu to se moe zapisati kao linearno poveanje magnetskog toka od poetne vrijednosti do maksimalne prema (3):(3)

Slika 6 a) Sklopka ukljuena, b) Sklopka iskljuena

Kada tranzistor radi kao otvorena sklopka, napon na sekundaru transformatora propusno polarizira diodu u izlaznom krugu i ona vodi struju. Energija akumulirana u jezgri transformatora tada se prenosi na izlaz regulatora. Napon na sekundaru, u ovom dijelu perioda, jednak je suprotnom naponu na izlazu (v2=VO) i magnetski tok kroz jezgru linearno pada prema (4):

(4)

Kako promjena magnetskog toka tijekom jednog ciklusa mora biti jedna nuli, vrijednost toka bit e jednaka poetnoj. Nakon kraeg izvoda dolazi se do izraza za izlazni napon regulatora (5) gdje je D radni ciklus:(5)

Iz prethodnog izraza dolazi se do vanog zakljuka. Podeavanjem radnog ciklusa mogue je podesiti izlazni napon regulatora.

Kako bi se dobili valni oblici napona i struje, potrebno je ponoviti razmatranje regulatora. Kada je sklopka ukljuena napon na primaru transformatora jednak je napona izvora (V1=Vd). Struja kroz zavojnicu raste linearno od poetne vrijednosti Im(0) prema (6):

(6)

gdje je maksimalna vrijednost na kraju intervala jednaka (7):(7)

Tokom perioda kada je sklopka otvorena i struja kroz nju padne na nulu napon na primaru jednak je naponu izlaza prenesenom na ulaz regulatora (v1=-(N1/N2)VO). Dalje je mogue pisati da je struja kroz zavojnicu tokom ovog dijela perioda jednaka (8):(8)

Budui da je tokom ovog dijela perioda dioda propusno polarizirana struja kroz nju se mijenja prema (9):(9)

Iz prethodno izvedenih izraza dobivaju se valni oblici magnetskog toka transformatora, napona i struje na transformatoru te struje kroz diodu. Valni oblici napona primara, toka i struje kroz diodu prikazani su na slici 7.Slika 7 Valni oblici napona primara, magnetskog toka i struje kroz diodu

Valni oblik izlaznog napona regulatora mogue je zakljuiti na temelju izraza za struju diode koji je prije dobiven. U prvom dijelu perioda kada je sklopka zatvorena, ne postoji struja kroz diodu to znai da je izlazna struja jednaka struji pranjenja kondenzatora. Jakost struje ovisi o teretu koji je spojen na regulator. No, ukoliko se pretpostavi da se kondenzator prazni konstantom strujom, valni oblik napona biti e integrirani valnog oblika struje to znai pravac. Kada je sklopka otvorena i dioda vodi struju energija iz zavojnice prenosi se u kondenzator. Kako struja kroz diodu je pravac, valni oblik napona biti e integral istog, odnosno kvadratna funkcija. Prethodno razmatranje mogue je vidjeti na slici 8.

Slika 8 Valni oblici izlaznog i upravljakog PWM napona

3.2. Prednosti i mane

Kako bi se uvidjele mane ovog regulatora potrebno je promotriti napon na sklopci tokom intervala kada je ona otvorena. Izraz (10) govori kako sklopka (tranzistor) mora izdrati velike napone koji e se pojaviti na njezinim prikljucima. (8)

Usto, vano je primijetiti kako se struja kroz zavojnicu ne moe trenutno promijeniti i prestati tei. Odnosno moe se primijetiti kako e tranzistor morati trpjeti i jake struje koje se javljaju prilikom iskljuivanja. Kako bi se rijeio ovaj problem esto se osnovna struktura modificira. Prva modifikacija koje se radi je da se ugrade paralelno sklopci zatitni sklopovi (eng. snubber) (RCD mrea) koji e preuzeti voenje struje i tako pomoi da se sklopka zatiti prilikom iskljuivanja (slika 9). Slika 9 RCD mrea paralelno spojena tranzistorskoj sklopci

Daljnja modifikacija koje su primjenjuje na osnovni spoj Flyback regulatora je uporaba dva tranzistora umjesto jednoga (slika 10) koji se ukljuuju i iskljuuju istovremeno. Prednost ove konfiguracije, naspram osnovne, je to to napon koji se pojavljuje dok je sklopka iskljuena dvostruko manji od napona koji se pojavljuje u osnovnom spoju. Time se postavljaju manje striktni zahtjevi na tranzistore. Nadalje, kako postoje diode na primaru transformatora, struja iskljuivanja moe se zatvoriti kroz njih i samim time nisu zatitni sklopovi (mree) u ovoj konfiguraciji. Zanimljivo je primijetiti kako se istovremeno dogaa rekuperacije energije kroz diode koje se pohranila u parazitskim elementima transformatora.Slika 10 Modifikacija osnovnog spoja regulatoraDaljnje modifikacije koje je mogue napraviti je izvesti transformator s vie sekundarnih namota i tako ostvariti razne vrijednosti stabiliziranih napona na izlazu.4. Flyback u praksiFlyback regulator se u praksi koristi za sljedee primjene: punjai mobitela, napajanja u osobnim raunalima tokom stand-by rada(eng. low power switchmode power supplies), napajanja u osobnim raunalia (< 250 W)

visoko naponski izvori napajanja u monitorima i televizorima,

generiranje visokog napona kod xenon lampi, lasera, kopirnih ureaja, itd.

napajanjima visoko energetskih sklopova i elemenata(eng. isolated gate driver).

Tvrtke koje su danas poznate sa svojim regulatorima napajanja su Texas Instruments, ON-Semiconductor, STMicroelectronics i drugi. Na slici 11 nalazi se danas komercijalno dobavljiv jedan Flyback regulator tvrtke TI snage 25 W, izlaznog napona od 12 V i maksimalne struje od 2,1 A.

Slika 11 Primjer komercijalnog Flyback regulatora

5. Zakljuak

Ovaj seminarski rad daje u svom uvodom dijelu osvrt na osnovne prekidake regulatore napajanja. Dva osnovna spoja (buck i boost) teoretski su obraeni kako bi se temeljitije shvatio daljnji tekst seminara. Potom je detaljno obraen Flyback prekidaki regulator te su prikazani valni oblici napona i struje karakteristini za spomenuti regulator. Kako bi se zaokruio rad, prikazana je i nekolicina komercijalno dobavljivih regulatora te karakteristike koje ih krase i njihova primjena. Na posljetku dan je popis literature koriten za pisanje ovoga rada. U dodatnoj literaturi mogue je pronai detaljna teoretska objanjenja rada, naine dizajniranja Flyback regulatora te dodatne informacije o danas dostupnim Flyback regulatorima napajanja na tritu.

6. Popis literature

[1] Mohan, N., Undeland, T. M., Robbins, W. P., Power Electronics, John Wiley and Sons, Inc., 2003.[2] Brown, M., Power Supply Cookbook, Newnes, 2001.[3] Pressman, A. I., Billings, K., Morey, T., Switching Power Supply Design, McGraw-Hill, 2009.

[4] ON Semiconductor, Linear & Switching Voltage Regulator Handbook, ON Semi, 2002.

[5] ON Semiconductor, Rectifier Applications Handbook, ON Semi, 2001.

[6] Wuidart, L., Topologies for Switched Mode Power Supplies, STMicroelectronics Application Note

[7] Texas Instruments, www.ti.com[8] ON Semiconductor, www.onsemi.com2