Bộ nguồn flyback là một dạng Switch Mode Power Supply (SMPS) đã được sử dụng hơn 70 năm và vẫn còn phổ biến cho đến nay. Nguồn này – còn gọi là bộ chuyển đổi nguồn – hoạt động theo hai giai đoạn riêng biệt. Nguồn điện từ đầu vào chỉ được chuyển sang đầu ra khi công tắc phía sơ cấp tắt và dòng điện giảm về 0 hoặc gần 0. Thiết kế flyback có cấu trúc 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 (dĩ nhiên, như mọi thiết kế khác, sơ đồ thực tế sẽ phức tạp hơn).Thiết kế và đặc điểm của flyback rất phù hợp cho các ứng dụng códải công suất từ thấp đến trung bình, từ 100 đến 250 W.

Định nghĩa

Máy biến áp flyback là một loại biến áp dùng trong các mạch điện tử để chuyển đổi hoặc điều chỉnh điện áp đầu vào cao thành điện áp đầu ra thấp hơn. Thiết bị này bao gồm hai hoặc nhiều cuộn dây quấn quanh lõi từ tính, thường được sử dụng trong các bộ nguồn chuyển mạch (SMPS) để tạo ra tín hiệu dòng điện xoay chiều (AC) tần số cao, sau đó được chỉnh lưu và điều chỉnh thành đầu ra DC ổn định.

Máy biến áp flyback được đặt tên như vậy vì nó dựa trên nguyên tắc "bay ngược" một từ trường trong chu kỳ không hoạt động của một bóng bán dẫn chuyển mạch, cho phép năng lượng được lưu trữ và sau đó được giải phóng một cách có kiểm soát.

Nguyên lý hoạt động

Nguồn Flyback hoạt động dựa trên nguyên lý tích trữ và giải phóng năng lượng gián đoạn thông qua biến áp xung. Cụ thể, khi transistor công suất (thường là IGBT hoặc MOSFET) dẫn, dòng điện đi qua cuộn sơ cấp của biến áp xung khiến lõi từ tích trữ năng lượng. Sau khi transistor ngắt, năng lượng này được giải phóng từ cuộn thứ cấp thông qua diode chỉnh lưu, cung cấp điện áp cho tải – tức đầu ra của máy hàn. Do quá trình tru yền năng lượng chỉ xảy ra sau khi transistor ngắt, dòng điện đầu ra thường mang tính chất gián đoạn, dễ biến thiên theo tải.

Cơ chế này giúp mạch điện Flyback có thiết kế đơn giản hơn, vì chỉ cần một biến áp có khả năng cách ly và một vài linh kiện điều khiển cơ bản. Tuy nhiên, sự ngắt quãng trong truyền năng lượng cũng tạo ra xung dòng không đều, ảnh hưởng đến sự ổn định của dòng điện đầu ra.

Chế độ hoạt động

Flyback (cũng như nhiều loại bộ chuyển đổi khác) có thể hoạt động ở một trong hai chế độ. Trong chế độ dẫn không liên tục (DCM), 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 biến áp trong mỗi chu kỳ đóng cắt. Do đó, một số năng lượng dư luôn có trong 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 biến áp nhỏ hơn. Về mặt phân tích, thiết kế DCM vốn đã ổn định hơn, vì không có điểm 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 linh kiện bộ lọc nhỏ hơn. Nhưng nhược điểm của CCM là nó có điểm 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 linh kiện từ tính lớn hơn.

Ưu điểm

Một trong những ưu điểm lớn nhất của nguồn Flyback là  thiết kế đơn giản, dễ gia công và sản xuất hàng loạt với chi phí thấp. Điều này cho phép tạo ra các thiết bị nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, phù hợp với nhu cầu di động hoặc sử dụng cá nhân. Hơn nữa, do sử dụng ít linh kiện hơn so với các mạch phức tạp như Forward hay Half-Bridge, chi phí bảo trì, sửa chữa thiết bị Flyback cũng thấp hơn đáng kể.

Với khả năng làm việc hiệu quả ở công suất thấp, nguồn Flyback rất phù hợp với các thiết bị cần điện áp cao, dòng nhỏ – như hàn điện tử hoặc các tác vụ yêu cầu tính linh hoạt cao mà không cần đến dòng hàn mạnh.

Nhược điểm

Tuy có nhiều ưu điểm về mặt kinh tế và kích thước, nhưng công nghệ nguồn hàn Flyback cũng tồn tại những hạn chế nhất định. Do dòng điện ra không liên tục và bị ngắt quãng theo chu kỳ đóng/ngắt transistor, hiệu suất truyền năng lượng của hệ thống thường thấp hơn so với các kiến trúc nguồn phức tạp hơn. Điều này dẫn đến nhiễu điện từ (EMI) nhiều hơn, có thể ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử khác trong cùng môi trường làm việc.

Ngoài ra, khả năng chịu tải thấp khiến các máy hàn dùng nguồn Flyback thường chỉ hoạt động tốt ở mức dưới 500W. Nếu sử dụng cho các tác vụ hàn công nghiệp liên tục, dòng điện đầu ra không đủ ổn định có thể ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn, gây cháy đầu que hàn, hồ quang không đều hoặc vật liệu không kết dính tốt.

Ứng dụng

Theo truyền thống, máy biến áp Flyback được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu chuyển đổi điện áp ở tần số cao. Ngày nay, chúng được biết đến với chuyển đổi DC-DC và AC-DC phù hợp. Các ứng dụng sau đây làm cho máy biến áp Flyback trở thành một lựa chọn phổ biến của người dùng điện tử:

• Thiết bị hiển thị CRT: Đã qua rồi thời mà ống hình ảnh của TV bị ảnh hưởng do nguồn điện bị gián đoạn từ máy biến áp flyback. Do những cải tiến về vật liệu và kỹ thuật, điện áp cung cấp liên tục, đáng tin cậy có thể được duy trì liên tục. Máy biến áp Flyback rất phù hợp cho mục đích này.
• Thiết bị hàng không: Thiết bị và thiết bị hàng không cần được vận hành với tần suất hoạt động rất chính xác nếu không chúng có thể gặp trục trặc, dẫn đến hậu quả nghiêm trọng. Máy biến áp flyback được sử dụng cho kết quả chắc chắn và nhất quán để có được nguồn điện cao áp.
• Bộ chuyển đổi điện và bộ biến tần: Bộ chuyển đổi điện, USB, bộ biến tần, v.v. hoạt động ở tần số dao động cao. Một biến áp Flyback giúp thay đổi ngay lập tức dòng điện áp thấp thành điện áp cao. Chúng cũng cung cấp một nguồn cung cấp điện liên tục cho các thiết bị như tủ lạnh, máy tính và điều hòa không khí.
• Thiết bị truyền thông: Các hệ thống viễn thông phụ thuộc nhiều vào máy biến áp Flyback cho các ứng dụng điện và chuyển đổi nguồn điện.
• Khác: Máy biến áp Flyback hoạt động hiệu quả ở cả chế độ liên tục cũng như không liên tục. Các thiết bị công nghiệp khác nhau như động cơ, máy phát điện, máy bơm điện, v.v. cần các máy biến áp chuyên dụng như vậy để có hiệu suất tốt hơn.

Lưu ý khi thiết kế

Tỷ số vòng dây ảnh hưởng đến dòng điện sơ cấp, thứ cấp và chu kỳ làm việc. Khi tỷ số vòng dây thấp, chu kỳ làm việc ngắn hơn và dòng điện trong cuộn sơ cấp tăng.

Máy biến áp thường được chế tạo tùy chỉnh vì khó đạt tỷ số vòng dây hoàn hảo. Khi không có lựa chọn lý tưởng, nên chọn máy biến áp gần với yêu cầu và điều chỉnh bằng linh kiện bổ sung. Tiếp theo là chọn các linh kiện để bù lại sự khác biệt nhỏ giữa điện áp yêu cầu và đầu ra máy biến áp

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.