Đồ Án Thiết kế mạch nguồn Flyback đầu ra 12V 1A

Trong số nhiều bộ nguồn chuyển mạch hiện nay cấu trúc liên kết flyback là một trong những cấu trúc được sử dụng thường xuyên nhất. Mặc dù đơn giản nhưng thiết kế Nguồn nguồn này mang lại những lợi thế lớn cho một số ứng dụng nhất định. Các cấu trúc liên kết mới, phức tạp hơn đã xuất hiện trong những năm gần đây, nhưng Nguồn flyback vẫn là một lựa chọn thiết kế phổ biến như Đồ Án Thiết kế mạch nguồn Flyback đầu ra 12V 1A dưới đây .

Các Nguồn năng lượng ở chế độ chuyển đổi này cung cấp kích thước, chi phí và hiệu suất cạnh tranh trong dải công suất từ ​​thấp đến trung bình (khoảng 2W đến 100W). Hoạt động của bộ nguồn flyback dựa trên một cuộn cảm được ghép nối, hỗ trợ chuyển đổi năng lượng trong khi cách ly đầu vào và đầu ra của bộ nguồn. Cuộn cảm được ghép nối cũng cho phép nhiều đầu ra, điều này làm cho bộ nguồn flyback trở thành tiêu chuẩn cho nhiều ứng dụng khác nhau. Hãy tham khảo với Bảo Khang Electric nhé !

Nguyên lý của mạch nguồn Flyback

Bộ nguồn flyback được tạo thành từ các thành phần cơ bản giống như hầu hết các cấu trúc liên kết của Nguồn chuyển mạch khác, nhưng yếu tố khác biệt của nguồn flyback là cuộn cảm được ghép nối của nó, tách biệt đầu vào của Nguồn với đầu ra của nó (xem Hình 1).

Nguồn flyback có hai bán kỳ tín hiệu: t _ON và t _OFF , được đặt tên theo (và được điều khiển bởi) các trạng thái chuyển mạch của MOSFET.

Trong thời gian t _ON , MOSFET ở trạng thái bật và dòng điện chạy từ đầu vào qua cuộn cảm sơ cấp để nạp điện tuyến tính cho cuộn cảm được ghép nối. Trong thời gian t _OFF , MOSFET ở trạng thái tắt và cuộn cảm được ghép nối bắt đầu khử từ thông qua điốt. Dòng điện từ cuộn cảm sạc tụ điện đầu ra và cấp nguồn cho tải.

Thiết kế Nguồn Flyback và lựa chọn linh kiện

Có nhiều quyết định thiết kế quan trọng và sự đánh đổi liên quan đến việc thiết kế Nguồn flyback. Các phần sau đây sẽ đi qua từng bước trong quá trình thiết kế một Nguồn flyback đơn giản. Hình 2 cho thấy quy trình thiết kế sẽ được tuân theo.

Tính toán và quy trình thiết kế Nguồn Flyback

Bước 1: Đầu vào thiết kế

Đầu vào thiết kế hoặc được xác định bởi ứng dụng cuối hoặc được lựa chọn bởi nhà thiết kế. Các thông số này bao gồm nhưng không giới hạn ở điện áp đầu vào và đầu ra, công suất, hệ số gợn sóng và chế độ hoạt động. Bảng 1 cho thấy một bản tóm tắt các đầu vào thiết kế cho mạch được thảo luận trong bài viết này.

Đầu vào thiết kế	Giá trị
Điện áp đầu vào (V IN )	32V đến 78V
Điện áp đầu ra (V OUT )	12V
Dòng điện đầu ra (I OUT )	1A
Chế độ hoạt động	DCM
Hệ số gợn sóng (K FR )	1
Duty cycle tối đa (D MAX )	0,5
Tần số chuyển mạch (f SW )	160kHz
Hiệu suất ước tính (η)	80%

 

Chế độ dẫn không liên tục (DCM) đã được chọn cho ứng dụng này do để đảm bảo tính ổn định  và hiệu suất cao hơn. Điều này có nghĩa là hệ số gợn sóng là 1.

Duty cycle tối đa được cố định ở mức 50% để giảm thiểu ứng suất và sử dụng đều MOSFET và đi-ốt. Tần số chuyển mạch được chọn là 160kHz.Để thực hiện các tính toán thực tế hơn, hiệu quả ước tính của Nguồn được xác định. Hiệu suất được ước tính là tương đối thấp (khoảng 80%), vì đây là giá trị chung cho các bộ biến đổi flyback công suất thấp.

Với tất cả các đầu vào này, người thiết kế phải chọn một IC điều khiển đáp ứng tất cả các yêu cầu ban đầu. MP6004 của MPS đã được sử dụng cho ví dụ này. MP6004 là bộ điều khiển flyback chỉ hoạt động trong DCM. Nó cũng có tính năng điều chỉnh phía sơ cấp, giúp giảm số lượng linh kiện bên ngoài.

Bước 2: Tính toán để chọn điện cảm sơ cấp

Tính toán thiết kế đầu tiên nhằm mục đích tìm giá trị điện dẫn sơ cấp lớn nhất. Có nhiều phương pháp thiết kế khác nhau, nhưng Nguồn được sử dụng cho ví dụ này luôn hoạt động trong DCM. Tính giá trị cuộn cảm sơ cấp (L _P ) với Công thức (1):

Trường hợp xấu nhất xảy ra khi Nguồn hoạt động hết công suất với điện áp đầu vào tối thiểu và Duty cycle tối đa. Bằng cách triển khai các đầu vào thiết kế trong Phương trình 1, giới hạn cho độ tự cảm tối đa được xác định là 53μH.

Tiếp theo, tỷ lệ vòng dây yêu cầu (nS1) được tính toán. Để làm như vậy, kịch bản trường hợp xấu nhất tương tự được áp dụng với số VIN tối đa và D tối đa. Điện áp chuyển tiếp của diode được thêm vào để làm cho phép tính chính xác hơn. Ước tính nS1 với phương trình (2):

Bước 3: Tính toán MOSFET

Bước tiếp theo là chọn MOSFET phù hợp cho ứng dụng. Để làm như vậy, hãy tính toán dòng điện và điện áp tối đa mà công tắc sẽ phải chịu. Tính điện áp tối đa với Công thức (3):

Lưu ý rằng hạn độ an toàn 20% đã được thêm vào V _{DS_MAX} để đảm bảo hoạt động an toàn của Nguồn. Ước tính dòng điện tối đa với Công thức (4):

Nhìn vào thông số kỹ thuật của bộ điều khiển MP6004, V _{DS_MAX} cho MOSFET là 180V và dòng điện tối đa là 3A. Điều này có nghĩa là IC điều khiển có thể được sử dụng an toàn trong ứng dụng này.

Bước 4: Tính toán điốt chỉnh lưu

Trong bước này, các điốt chỉnh lưu được đánh giá. Đối với MOSFET, mục đích là để đảm bảo rằng đi-ốt chỉnh lưu có thể xử lý điện áp và dòng điện tối đa mà nó có thể gặp phải. Tính điện áp tối đa mà diode có thể chịu được với Công thức (5):

Bằng cách thêm mức an toàn 40%, điện áp ngược tối đa được xác định là 60,5V.

Bước 5: Tính toán tụ điện đầu ra

Ước tính được sử dụng để xác định giá trị của tụ điện đầu ra, nghĩa là phần thứ cấp của mạch bị bỏ qua, chẳng hạn như các thành phần ký sinh và nhiễu xuyên âm đầu ra. Ước tính điện áp trong tụ điện với phương trình (6):

Lưu ý rằng nếu phương trình này được đánh giá cho t _ON , nó có thể được đơn giản hóa rất nhiều. Tính độ gợn điện áp đầu ra với Công thức (7):

Tiếp theo, chọn giá trị tụ điện để cung cấp điện áp gợn tối ưu. Trong trường hợp này, một tụ điện 250µF được sử dụng, tạo ra gợn điện áp đầu ra 12,5mV.

Bước 6: Tính toán và thiết kế biến áp Flyback

Bước thiết kế tiếp theo liên quan đến máy biến áp. Có nhiều quyết định thiết kế liên quan đến việc lựa chọn máy biến áp, chẳng hạn như vật liệu lõi và hình dạng lõi. Khi chọn vật liệu và hình dạng cốt lõi, mỗi tùy chọn đều có những ưu điểm riêng. Đối với ví dụ này, lõi ferit thường được sử dụng có hình chữ E kép đã được chọn (xem Hình 3).

Hình 3: Lõi biến áp EE và các phần tử chính của biến áp

Phương pháp được sử dụng để tính diện tích của máy biến áp được gọi là phương pháp _AP . Nó xác định tổng diện tích của máy biến áp là tích của diện tích cửa sổ cuộn dây và diện tích của mặt cắt lõi, nơi tập trung tất cả từ thông của máy biến áp.

Diện tích máy biến áp có thể được ước tính bằng Công thức (8):

Bây giờ phương pháp và các tham số thiết kế đã được xác định, một bộ tính toán nhanh có thể được sử dụng để thiết kế máy biến áp.

Đầu tiên, tính diện tích máy biến áp tối thiểu bằng Công thức (9):

B _MAX thường là một tham số đầu vào được xác định; đối với lõi ferit, nó thường nằm trong khoảng từ 0,2T đến 0,3T. Sử dụng phương pháp A _P , lõi EE13 và suốt chỉ có chiều dài tối thiểu 0,28 mm đã được chọn.

Các vòng dây sơ cấp và thứ cấp tối đa có thể lắp vừa máy biến áp sau đó được tính toán để duy trì tỷ số vòng dây được tính trong Công thức (2). Tính số vòng quay sơ cấp với Công thức (10):

Ước tính số lượt thứ cấp với phương trình (11):

Số vòng dây quấn phụ được tính toán theo phương pháp tương tự như số vòng dây đầu ra thứ cấp, dẫn đến N _AUX = 5.

Bước 7: Tính toán và thiết kế Snubber

Bước cuối cùng của quy trình thiết kế là tìm các giá trị snubber. Mạch này giúp giảm thiểu xung điện áp xảy ra do rung chuông giữa cuộn cảm rò rỉ của máy biến áp và điện dung phân tán trong mạch tại nút chuyển mạch. Nếu không có bộ đệm, các xung điện áp sẽ tạo thêm nhiễu và thậm chí có thể gây ra sự cố MOSFET. Hình 5 cho thấy một Nguồn flyback với một mạch snubber.

Đối với snubber, quy trình thiết kế bao gồm ba giai đoạn. Đầu tiên, độ tự cảm rò rỉ được ước tính là khoảng 2% độ tự cảm sơ cấp. Sau đó, độ gợn điện áp của tụ điện snubber tối đa được đặt thành 10%. Sau đó, các giá trị cho các thành phần snubber có thể được ước tính.

Tính điện áp cực đại của tụ điện với Công thức (12):

Ước tính công suất trong điện trở snubber bằng phương trình (13):

Sử dụng công suất làm tham số giới hạn, tính giá trị điện trở snubber bằng Công thức (14):

Ước tính giá trị của tụ điện giật bằng Công thức (15):

Cuối cùng, tính toán điện áp tối đa trên diode snubber với Công thức (16):

Thiết kế cuối cùng

Sau khi tính toán các giá trị cho tất cả các thành phần của Nguồn, bộ điều chỉnh MP6004 có thể được ghép nối với các thành phần bên ngoài của nó để thiết lập một Nguồn DC/DC flyback đầy đủ chức năng.

Lưu ý rằng mạch này bao gồm các thành phần đã được đề cập trước đó, chẳng hạn như cuộn cảm sơ cấp (L _P ), cuộn cảm phụ (L _P2 ), tụ điện đầu ra (được tạo thành từ phép cộng song song C _2A , C _2B , và C _2C để cải thiện đáp ứng tần số), đi-ốt chỉnh lưu (D ₁ ) và mạch snubber.

Hình 6 cho thấy thiết kế cuối cùng của mạch, cũng như các thành phần mới, chẳng hạn như bộ điều khiển phía chính của MP6004. Bộ điều khiển bao gồm công tắc MOSFET và tất cả các mạch liên quan của nó, cũng như một số thành phần bổ sung để lọc nhiễu.

Phần kết luận

Bài viết này đã sử dụng MP6004 từ MPS để trình bày cách thiết kế Nguồn flyback theo tám bước đơn giản. Mặc dù còn nhiều điều cần xem xét trước khi một thiết kế sẵn sàng triển khai chẳng hạn như vượt qua các thử nghiệm EMC, thiết kế vòng điều khiển và lựa chọn thành phần  nhưng điều quan trọng là phải thiết lập một phương pháp rõ ràng để tính toán và lựa chọn các thành phần.