Sơ đồ khối bộ chuyển đổi Flyback và những suy nghĩ chung

Nếu cần một hoặc nhiều điện áp đầu ra riêng biệt cũng như được điều chỉnh, thì bộ chuyển đổi flyback lên đến khoảng 150 W thường là lựa chọn tốt nhất. Điều này chủ yếu là do nó yêu cầu tương đối ít linh kiện, do đó tiết kiệm chi phí và không gian. Bạn có thể xem tổng quan về các bộ chuyển đổi nguồn cơ bản trong bài viết " Đặc điểm và Công thức Cơ bản của Bộ chuyển đổi DC-DC" .

Ở mức công suất cao hơn, các cấu trúc khác, chẳng hạn như bộ biến đổi thuận, có lợi thế hơn vì chúng cũng tận dụng tốt hơn thể tích lõi biến áp. Bộ biến đổi flyback có đường cong dòng điện gián đoạn hình thang ở đầu vào và đầu ra qua  các tụ điện tương ứng .

Trên thực tế, do đó, thường cần hai bộ lọc EMC (xem Hình 1). Vì bộ chuyển đổi này có cấu trúc tách biệt, dòng điện chế độ chung cũng phải được dự kiến ​​cao hơn tần số chuyển mạch. Điều này chủ yếu đến từ điện dung ghép ký sinh của máy biến áp giữa phía sơ cấp và thứ cấp. Do ΔV/Δt cao của nút chuyển mạch sơ cấp (nút nóng), dòng điện dịch điện môi được chồng lên phía thứ cấp thông qua điện dung ghép này, sau đó chạy qua đất (GND) đến phía sơ cấp và trong quá trình đo điện áp nhiễu bằng EMC, thông qua LISN.

Dòng điện chế độ chung cũng được tạo ra khi sử dụng MOSFET ngoài và được lắp trên tản nhiệt hoặc các bề mặt kim loại khác. Trong trường hợp này, điện dung ký sinh phát sinh giữa MOSFET và tản nhiệt, trên đó dòng điện dịch chuyển điện môi cũng xuất hiện. Nhiều ứng dụng flyback

Do đó, hãy sử dụng cuộn cảm bù dòng điện trong bộ lọc đầu vào, cũng như tụ điện an toàn Y2 nối đất. Bộ chia dòng điện dung cũng có thể được chế tạo từ phía sơ cấp sang phía thứ cấp với sự trợ giúp của các tụ điện phù hợp, dẫn một phần dòng điện chế độ chung trở về nguồn theo đường ngắn nhất. Nếu ứng dụng yêu cầu cách điện gia cố giữa đầu vào và đầu ra, tụ điện Y1 phải luôn được sử dụng vì lý do an toàn. Bộ lọc LC hạ lưu thường được yêu cầu để giảm gợn sóng điện áp ở đầu ra. Bộ lọc này cũng giảm nhiễu lên đến khoảng 30 MHz.

Ví dụ về thiết kế và tính toán bộ chuyển đổi Flyback

Máy biến áp cho bộ chuyển đổi flyback:

Điện áp đầu vào: V_in = 24 V

Điện áp đầu ra: V_out = 5 V

Dòng điện đầu ra: I_out = 5 A tối đa.

Tần số chuyển mạch: f_sw = 300 kHz

Tần số vòng lặp/giao thoa điều khiển băng thông tối đa: f_c = 10 kHz

Điốt chỉnh lưu điện áp thuận: V_D = 0 V (ví dụ này là một diode chỉnh lưu đồng bộ với flyback)

Hệ số dòng điện gợn sóng:

Bảng dữ liệu kỹ thuật của máy biến áp flyback thường chứa các khuyến nghị ứng dụng cụ thể. Điều này có nghĩa là máy biến áp được phát triển riêng cho một ứng dụng cụ thể, không nhất thiết có nghĩa là nó không phù hợp với các điều kiện biên khác. Tuy nhiên, khuyến nghị ứng dụng này sẽ hữu ích nếu nó đã gần với ứng dụng mục tiêu.

Không giống như các cấu trúc đã thảo luận ở đây, trong thiết kế flyback, hệ số gợn sóng thường vượt quá 200%. Điều này đúng với bộ biến đổi flyback hoạt động ở chế độ không liên tục (DCM). Đặc biệt trong các ứng dụng AC/DC, dòng điện đỉnh cao đi kèm được chấp nhận để tận dụng lợi thế giảm tổn thất khi bật (do bật không cần dòng điện) và thiết kế máy biến áp được đơn giản hóa.

Cách nhanh nhất và dễ nhất để thực hiện các thiết kế DCM, chế độ bán cộng hưởng hoặc chế độ ranh giới là sử dụng công cụ chọn biến áp flyback REDEXPERT.

Các mối quan hệ toán học khác áp dụng cho đường bay ngược trong hoạt động không liên tục, không được đề cập ở đây.

Để có nhiều lựa chọn hơn về độ tự cảm của máy biến áp , phạm vi thông thường từ 0,3…0,6 được chọn cho hệ số gợn sóng, thay vì chỉ định một hệ số gợn sóng cụ thể.

Không giống như trường hợp của các cấu trúc không cách điện, trước khi xác định độ tự cảm, tỷ số vòng dây n phải được xác định.

Tỷ số vòng dây liên quan trực tiếp đến chu kỳ hoạt động D. Để tránh dòng điện cực đại cao trong quá trình khử từ của quá trình biến đổi (pha chặn), nên giữ chu kỳ hoạt động dưới 60%. Chu kỳ hoạt động cũng có thể bị giới hạn bởi IC điều khiển được sử dụng; chu kỳ hoạt động từ 50 đến 80% là phổ biến.

Tỷ số vòng quay n:

Trong nhiều ứng dụng AC/DC, điện áp cực đại của MOSFET phía sơ cấp cũng có thể là yếu tố giới hạn cho tỷ số vòng dây, vì tỷ số vòng dây làm tăng điện áp đầu ra được biến đổi về phía sơ cấp trong giai đoạn chặn.

Danh mục sản phẩm WE bao gồm sản phẩm WE-PoEH (749119550), có tỷ số vòng dây là 5,33 (sơ cấp/thứ cấp), khá gần với giá trị tối đa dự kiến ​​là 6. Theo khuyến nghị ứng dụng, dòng điện đầu ra 2…3 A ở 5 V cũng có thể đạt được. Nếu hai cuộn dây thứ cấp (N2, N3) được kết nối song song, dòng điện đầu ra tối đa có thể đạt được là 6 A. Mặc dù khuyến nghị ứng dụng có hơi khác so với điện áp đầu vào (khuyến nghị: 33…57 V), nhưng điều này không được coi là quan trọng do điện trở cuộn dây sơ cấp thấp (70 mΩ) và biên độ dòng điện bão hòa đủ lớn (xem Isat).

Chu kỳ hoạt động D:

Giá trị độ tự cảm sơ cấp tối ưu l_opt :

Xét giá trị độ tự cảm của máy biến áp là 48 µH (WE-PoEH 749119550), điều này dẫn đến dòng điện gợn sóng là:

‍Hệ số dòng điện gợn sóng r: Do đó, máy biến áp được chọn cũng xác định hệ số dòng điện gợn sóng.

Được cho là cao hơn điểm khởi đầu thông thường là r = 0,35 do độ tự cảm thấp hơn, ở mức 0,44 (44%), nằm trong phạm vi mục tiêu là 0,3…0,6.

Dòng điện bão hòa I_sat :

Một nửa dòng điện gợn sóng AC phải được cộng vào dòng điện trung bình trong pha thuận để đạt được dòng điện cực đại trong cuộn sơ cấp. Do nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi flyback, dòng điện chỉ chạy trong cuộn sơ cấp theo pha thuận.

Dòng  điện bão hòa của máy biến áp WE-PoEH (749119550) được chỉ định là 3,6 A. Có đủ biên độ và tổn thất lõi nên ở mức vừa phải. Tụ điện đầu vào cho bộ chuyển đổi flyback.

Việc lựa chọn tụ điện đầu vào cụ thể cho ứng dụng này được giải thích chi tiết trong bài viết: Lựa chọn tụ điện cho bộ chuyển đổi DC/DC .

Dòng điện RMS qua tụ điện đầu vào:

Sử dụng công cụ REDEXPERT, tụ điện WCAP-PTHT (870135675003), một tụ điện nhôm polymer 100 µF/35 V , đã được chọn làm tụ điện đầu vào. Tụ điện này có trở kháng nhỏ ở tần số đóng cắt 300 kHz, đồng thời đáp ứng các yêu cầu về dòng điện gợn sóng và điện áp.

Tụ điện đầu ra cho bộ chuyển đổi Flyback

Tụ điện đầu ra được xác định dựa trên độ gợn sóng điện áp tối đa cho phép và dựa trên độ thay đổi điện áp tối đa cho phép ( độ sụt V ) do bước tải gây ra. Trong ví dụ này, chúng ta muốn đạt được độ gợn sóng điện áp 1% (50 mV) ở điện áp đầu ra 5 V. Độ thay đổi điện áp không được vượt quá 3% (150 mV) cho bước tải từ 2,5 A đến 5 A ( bước I = 2,5 A). Từ những giả định này, có thể tính toán được điện dung tối thiểu cần thiết, đáp ứng cả hai yêu cầu.

Đối với gợn sóng dư của điện áp đầu ra, ngoài phần phụ thuộc vào điện dung , ảnh hưởng của ESR ( ESL được bỏ qua). Để đơn giản, chúng tôi giả định hai thành phần được chia đều, kết quả là mỗi thành phần có giá trị 25 mV cho các phép tính điện dung và ESR. Với flyback, mức độ cộng thêm này thực sự phụ thuộc vào chu kỳ làm việc và biên độ dòng điện gợn sóng.

Ngoài ra, cần phải kiểm tra về mặt toán học xem dòng điện xoay chiều chạy qua tụ điện đầu ra có duy trì dưới mức dòng gợn sóng tối đa theo bảng dữ liệu hay không.

Gợn sóng điện áp đầu ra:

‍Điện dung đầu ra tối thiểu cần thiết:

‍Dòng điện trung bình qua C_out:

‍Gợn sóng điện áp đầu ra do ESR của tụ điện đầu ra:

‍ESR tối đa cho phép của tụ điện đầu ra:

‍Điện áp đầu ra giảm trong bước tải:

‍Điện dung đầu ra tối thiểu cần thiết để bao phủ mức sụt áp tối đa cho phép trong bước tải:

Dòng điện RMS qua tụ điện đầu ra:

Điện dung 265 µF không liên quan trong trường hợp này, vì điện dung tối thiểu cần thiết là 353 µF là kết quả của yêu cầu về độ gợn sóng. Do đó, dựa trên kết quả, chúng ta cần một tụ điện có ít nhất 353 µF và ESR thấp hơn 2 mΩ ở tần số 300 kHz.

Như đã mô tả trong phần Lựa chọn tụ điện cho bộ chuyển đổi DC/DC , phải xem xét đến việc sử dụng nhiều hơn một tụ điện đầu ra vì dòng điện RMS cao là 5,39 A.

Trong thiết kế này, bốn tụ điện polymer nhôm WCAP-PHGP được kết nối song song với nhau, mã sản phẩm 875015119003. Bốn tụ điện polymer SMT (mỗi tụ 100 µF/6,3 V) có tổng điện dung kết hợp là 400 µF với ESR lý thuyết là 1,7 mΩ ở tần số 300 kHz.

Xét các hệ số giảm a = 0,8 đối với phân bố dòng điện không đều (độ lệch trở kháng) và b = 0,8 ở 300 kHz đối với sự phụ thuộc tần số của dòng điện gợn sóng, theo REDEXPERT thì dòng điện gợn sóng cho phép là khoảng 13 A đối với bốn tụ điện (m = 4).

Do đó, có đủ biên độ cho dòng điện tính toán chạy qua tụ điện đầu ra là 5,39 A.

Dạng sóng điện áp đầu ra v C_out (t) sau đây đã được đo trong ứng dụng:

Dạng sóng điện áp này được ghi lại bằng máy hiện sóng với giới hạn băng thông là 20 MHz và tiếp điểm đất rất ngắn thông qua lò xo thăm dò trực tiếp trên tụ điện đầu ra cuối cùng. Đây là một quy trình phổ biến trong các phép đo gợn sóng để giảm thiểu các hiệu ứng ký sinh, xảy ra dưới dạng các dao động tần số cao chồng lên nhau trong phép đo gợn sóng.

Bỏ qua các xung điện áp ESL, độ gợn sóng đo được khoảng 60 mV vẫn cao hơn thông số thiết kế là 50 mV. Điều này chủ yếu là do cách bố trí và các mối hàn của tụ điện tạo ra trở kháng ký sinh bổ sung, khiến trở kháng tổng cao hơn dự kiến.

Một bộ lọc đầu ra LC bổ sung có thể giúp ích, nhờ đó gợn sóng 60 mV sẽ không quá quan trọng đối với hầu hết các mạch điện tử.

Với bước tải 2,5 A, sự thay đổi điện áp khoảng 75 mV (không bao gồm gợn sóng trong quá trình phân tích) thậm chí còn thấp hơn mức dự kiến ​​về mặt lý thuyết.

Điều này chủ yếu là do sự đơn giản hóa vòng kín mạnh mẽ tạo thành cơ sở của phương trình này. Ảnh hưởng của biên độ pha lên sự thay đổi bước tải hoàn toàn bị bỏ qua (giả định: φm = 60°).

Ở điểm này, cần nhấn mạnh ưu điểm của tụ điện polymer SMT, vốn giữ nguyên điện dung ngay cả khi chịu tải điện áp, trái ngược với tụ điện MLCC. Đây là một ưu điểm lớn, đặc biệt là đối với bộ đệm bước tải.

Bộ lọc đầu vào cho bộ chuyển đổi Flyback

Như đã đề cập trong bài viết này, bộ biến đổi flyback cũng có thể gây ra nhiễu chế độ chung ngày càng tăng trên tần số chuyển mạch của chúng. Trái ngược với nhiễu chế độ vi sai được tính toán trong phần Lựa chọn Tụ điện cho Bộ biến đổi DC/DC cho chính ứng dụng này, trên thực tế, rất khó để xác định trước nhiễu chế độ chung. Ở đây, thiếu kiến ​​thức về điện dung ghép nối ký sinh hiệu dụng. Điều này không chỉ phụ thuộc vào bộ biến đổi flyback thực tế mà còn phụ thuộc vào tải được cung cấp.

Nhìn chung, nên sử dụng REDEXPERT để chọn cuộn cảm bù dòng điện có trở kháng chế độ chung cao nhất có thể ở tần số nhiễu chế độ chung chiếm ưu thế (ví dụ: tần số chuyển mạch) và sóng hài của nó.

Nếu cũng có thể sử dụng tụ điện Y trong ứng dụng, hiệu ứng bộ lọc chế độ chung có thể được tăng lên đáng kể. Trên thực tế, kích thước của tụ điện Y bị giới hạn bởi dòng rò cho phép xuống đất (dòng điện dư). Giá trị điển hình lên tới 4,7 nF. Mặc dù giới hạn do dòng rò thường không áp dụng cho ứng dụng DC, các tụ điện an toàn Y2 được chứng nhận, chẳng hạn như dòng WCAP-CSSA, vẫn có lợi. Chúng chịu được điện áp xung xảy ra, ví dụ, trong quá trình kiểm tra đột biến điện áp đường dây xuống đất (+/L hoặc –/N đến PE).

Nếu sử dụng tụ điện Y, phương trình dao động Thomson theo Bộ lọc đầu vào cho bộ chuyển đổi DC/DC cũng có thể được áp dụng cho bộ lọc đầu vào chế độ chung. Một điều kiện tiên quyết nữa là tụ điện Y phải được đặt phía sau cuộn cảm chế độ chung, hướng về nguồn nhiễu chế độ chung (theo hướng của bộ chuyển đổi DC/DC). Điều này cũng là do các điều kiện trở kháng được phân bố khác nhau ở chế độ chung so với chế độ vi sai. Trở kháng nguồn nhiễu tương ứng với điện dung ký sinh từ nút chuyển mạch đến đất.

Ví dụ, điện dung ghép ký sinh 10 pF ở tần số nhiễu 10 MHz cho giá trị xấp xỉ 1,6 kΩ. Điều này trái ngược với trở kháng chế độ chung của mạng ổn định trở kháng đường dây – kết quả từ việc kết nối song song hai kênh đo với trở kháng 50 Ω – với tổng cộng là 25 Ω. Giả sử sử dụng hai tụ điện Y 4,7 nF (+/L-đất, –/N-đất) (4,7 nF/250 VAC, WCAP-CSSA 8853522140011), độ tự cảm chế độ chung cần thiết của cuộn cảm chế độ chung để suy giảm 40 dB được tính như sau:

Đối với ứng dụng này, một cuộn cảm chế độ chung với độ tự cảm định mức thấp hơn một chút đã được chọn bằng REDEXPERT với mã sản phẩm WE-CMB S-Type 744822222 (L = 2,2 mH, IR = 2 A). Điều này giúp giảm tổn hao cuộn dây so với cuộn cảm 3,3 mH trong cùng thiết kế. Ngoài độ tự cảm định mức, đường cong trở kháng chế độ chung của cuộn cảm cũng cần được xem xét. Tần số tự cộng hưởng của cuộn cảm chế độ chung – là kết quả của độ tự cảm và

Điện dung cuộn dây ký sinh – biểu thị một tần số cắt khác cho bộ lọc chế độ chung, trực tiếp giới hạn độ suy giảm cực đại. Trong đường cong trở kháng chế độ chung, tần số tự cộng hưởng tương ứng với tần số mà trở kháng cực đại đạt được.

Theo Hình 5 từ REDEXPERT, tần số tự cộng hưởng của cuộn cảm được chọn xấp xỉ f res,cmc = 900 kHz. Bây giờ, độ suy giảm chế độ chung tối đa của bộ lọc A cm,max có thể được tính bằng decibel (giả định: bộ lọc bậc 2 lý tưởng):

Sự suy giảm chế độ chung ở tần số chuyển mạch về mặt lý thuyết là:

Ở tần số cao hơn (>5 MHz), độ suy giảm chế độ chung tối đa theo lý thuyết không còn đạt được nữa. Nguyên nhân là do điều kiện trở kháng thay đổi theo tần số tăng, chuyển đổi chế độ vi sai/chế độ chung tăng, cũng như hiệu ứng liên kết trường tăng.

Trong bài viết "Lựa chọn tụ điện cho bộ chuyển đổi DC/DC" , nhiễu chế độ vi sai trong ứng dụng này cũng cao hơn giá trị giới hạn. Bộ lọc LC bổ sung cần thiết có thể được thiết kế như đã giải thích trong bài viết "Thiết kế và tính toán bộ chuyển đổi Buck" . Một phương án khác là sử dụng thông minh phần tử lọc hiện có –  cuộn cảm chế độ chung . Cuộn cảm chế độ chung có độ tự cảm rò rỉ hoạt động ở chế độ vi sai. Đối với dòng sản phẩm WE-FCLP và WE-LPCC, độ tự cảm rò rỉ được nêu rõ trong bảng dữ liệu.

Người ta cũng có thể sử dụng đường cong trở kháng chế độ vi sai trong REDEXPERT để xác định độ lớn gần đúng của độ tự cảm rò rỉ L s,cmc .

Sử dụng hàm con trỏ, có thể xác định trở kháng 633 Ω trong dải cảm ứng của đường cong trở kháng chế độ vi sai ở 10 MHz. Điều này dẫn đến độ tự cảm rò rỉ khoảng 10 µH:

Với độ tự cảm của bộ lọc (độ tự cảm rò rỉ), điện dung bộ lọc cần thiết để suy giảm 40 dB có thể được tính toán như sau:

Tụ gốm  MLCC (WCAP-CSGP 885012209048) với điện dung 4,7 µF/50 V và mạch 1210 đã được chọn cho bộ lọc. Giá trị điện dung cao hơn 4,7 µF được chọn một cách có chủ đích, một mặt là để đảm bảo biên độ dung sai cho độ tự cảm rò rỉ, mặt khác để bù cho tổn thất điện dung do hiệu ứng phân cực DC .

Với sự trợ giúp của REDEXPERT, điện dung còn lại là 3,68 µF được xác định ở điện áp đầu vào là 24 V (độ lệch DC) theo Hình 8.

Điều này dẫn đến sự suy giảm chế độ vi sai ở tần số chuyển mạch của:

Cải tiến sau đây đã đạt được với bộ lọc DM được chọn trong phổ nhiễu chế độ vi sai của ứng dụng.

‍

Đối với phép đo kết hợp trên mỗi kênh (xem Hình 10.), bộ lọc cũng đạt được giá trị giới hạn phù hợp với tiêu chuẩn.

Bộ lọc đầu ra cho bộ chuyển đổi Flyback

Việc định cỡ để giảm gợn sóng điện áp đầu ra có thể được thực hiện theo cùng nguyên lý như đã giải thích trong phần Thiết kế và Tính toán Bộ chuyển đổi Buck . Một điểm quan trọng khác có thể là bức xạ nhiễu chế độ chung tần số cao qua tải hoặc thiết bị ngoại vi được kết nối. Các ứng dụng PoE (Cấp nguồn qua Ethernet) là một ví dụ điển hình về điều này, trong đó PSE (Thiết bị Nguồn điện) thường được thiết kế như một bộ chuyển đổi flyback biệt lập. Nếu không có bộ lọc chế độ chung bổ sung ở đầu ra, bức xạ khuếch đại thường xuất hiện từ cáp Ethernet (ăng-ten) của nhiễu chế độ chung do bộ chuyển đổi flyback tạo ra.

Một cách tiếp cận tốt là chọn cuộn cảm chế độ chung ở đầu ra có đường cong trở kháng rộng nhất có thể và có trở kháng cực đại nằm trong khoảng từ 30 đến 300 MHz. Tùy thuộc vào yêu cầu, dải tần số dẫn điện trên (5…30 MHz) hoặc chỉ dải tần số bức xạ (>30 MHz) nên được bao phủ. Nhiễu bức xạ gây ra bởi hoạt động chuyển mạch của các công tắc nguồn (ví dụ: phục hồi ngược của diode chỉnh lưu) thường nằm trong khoảng từ 30 đến 300 MHz.

Công thức cơ bản của bộ chuyển đổi SEPIC và Flyback

Bảng 1. sau đây cung cấp các công thức cơ bản của cấu trúc bộ chuyển đổi SEPIC và flyback.

1) Những giả định này áp dụng cho bộ điều chỉnh chuyển mạch lý tưởng ở chế độ dẫn điện liên tục

(CCM), tức là hiệu suất của bộ chuyển đổi được coi là 100% (η = 1).

2) Đường cong dòng điện từ phương trình này gần như là hình chữ nhật (ΔI bị bỏ qua). Chính xác:

3) Các phương trình được xác định cho ΔV C,out áp dụng cho tụ điện lý tưởng. Do đó, C, out  xác định điện dung tối thiểu để đáp ứng yêu cầu về điện áp gợn sóng. Gợn sóng điện áp thực tế sẽ cao hơn do độ tự cảm ký sinh ESL (độ tự cảm nối tiếp tương đương) và ESR (điện trở nối tiếp tương đương) của tụ điện.

4) Các phương trình này chỉ áp dụng cho cuộn cảm ghép có tỷ lệ vòng dây là 1:1 (n=1).

5) L tương ứng với độ tự cảm chính (độ tự cảm sơ cấp) của máy biến áp.