كيف يوفر باك مقلوب خيارًا طوبولوجيًا لرحلات الطيران غير المعزولة

“أحد مصادر الطاقة الأكثر شيوعًا هو مصدر طاقة غير متصل بالإنترنت ، يُعرف أيضًا باسم مصدر طاقة التيار المتردد. مع زيادة عدد المنتجات المصممة لدمج الوظائف المنزلية النموذجية ، تزداد أيضًا الحاجة إلى المحولات منخفضة الطاقة غير المتصلة بالإنترنت والتي تتطلب قدرة إخراج أقل من 1 واط. بالنسبة لهذه التطبيقات ، فإن أهم جوانب التصميم هي الكفاءة والتكامل والتكلفة المنخفضة.

“

المساهم JOHN DOROSA

أحد مصادر الطاقة الأكثر شيوعًا هو مصدر طاقة غير متصل بالإنترنت ، يُعرف أيضًا باسم مصدر طاقة التيار المتردد. مع زيادة عدد المنتجات المصممة لدمج الوظائف المنزلية النموذجية ، تزداد أيضًا الحاجة إلى المحولات منخفضة الطاقة غير المتصلة بالإنترنت والتي تتطلب قدرة إخراج أقل من 1 واط. بالنسبة لهذه التطبيقات ، فإن أهم جوانب التصميم هي الكفاءة والتكامل والتكلفة المنخفضة.

عند اتخاذ قرار بشأن الهيكل ، عادةً ما يكون flyback هو الخيار الأول لأي محول غير متصل بالإنترنت منخفض الطاقة. ومع ذلك ، إذا لم تكن العزلة مطلوبة ، فقد لا يكون هذا هو أفضل نهج. لنفترض أن الجهاز النهائي عبارة عن مفتاح إضاءة ذكي ، يمكن للمستخدم التحكم فيه من خلال تطبيق على الهاتف الذكي. في هذه الحالة ، لا يتعرض المستخدم للجهد المكشوف أثناء التشغيل ، لذلك لا يلزم العزل.

بالنسبة لمصادر الطاقة خارج الخط ، يعد هيكل flyback حلاً معقولاً لأنه يحتوي على عدد قليل من فاتورة المواد (BOM) ، وعدد قليل فقط من مكونات مرحلة الطاقة ، والمحول مصمم للتعامل مع نطاق جهد إدخال واسع. ولكن ماذا لو كان التطبيق النهائي للتصميم لا يتطلب العزلة؟ إذا كان الأمر كذلك ، فقد لا يزال المصمم يرغب في استخدام flyback مع الأخذ في الاعتبار أن الإدخال غير متصل. تؤدي وحدات التحكم المزودة بترانزستورات التأثير الميداني المتكاملة (FETs) والتنظيم الجانبي الأساسي إلى حلول flyback الصغيرة.

يوضح الشكل 1 مثالاً تخطيطيًا لمخطط flyback غير المعزول باستخدام مفتاح flyback UCC28910 مع تنظيم الجانب الأساسي. على الرغم من أن هذا خيار قابل للتطبيق ، إلا أن طوبولوجيا باك المقلوبة خارج الخط سيكون لها كفاءة أعلى مقارنةً بـ flyback مع عدد BOM أقل. في نصيحة تصميم إدارة الطاقة هذه ، سأناقش باك مقلوب لتحويل التيار المتردد / التيار المستمر منخفض الطاقة.

الشكل 1 هذا التصميم flyback غير المعزول باستخدام مفتاح flyback UCC28910 يحول التيار المتردد إلى تيار مستمر ، لكن طوبولوجيا الانعكاس غير المتصل يمكن أن تؤدي المهمة بكفاءة أكبر.

يوضح الشكل 2 مرحلة طاقة باك مقلوبة. مثل flyback ، يحتوي على عنصرين تبديل ، مغنطيسي (مغو إمداد واحد بدلاً من محول) ومكثفين. كما يوحي الاسم ، فإن هيكل باك المقلوب يشبه محول باك. ينتج المفتاح شكل موجة تبديل بين جهد الدخل والأرض ، والذي يتم ترشيحه بعد ذلك بواسطة شبكة مكثف الحث. الفرق هو أن جهد الخرج يتم تنظيمه إلى جهد أقل من جهد الدخل. حتى إذا كان الناتج “يطفو” تحت جهد الدخل ، فلا يزال بإمكانه تشغيل الإلكترونيات النهائية بشكل طبيعي.

الشكل 2 الشكل 2. التخطيطي المبسط لمرحلة السلطة باك مقلوب.

يعني وضع FET على الجانب المنخفض أنه يمكن قيادتها مباشرة من وحدة التحكم flyback. يوضح الشكل 3 باك مقلوب باستخدام مفتاح flyback UCC28910. يعمل مغو واحد إلى واحد مقترن كعنصر تحويل مغناطيسي. يعمل اللف الأساسي كمغث لمرحلة الطاقة. يوفر الملف الثانوي معلومات تنظيم التوقيت والجهد الناتج لوحدة التحكم وشحن مكثفات إمداد التحيز المحلي (VDD) لوحدة التحكم.

الشكل 3 مثال على تصميم باك مقلوب باستخدام مفتاح flyback UCC28910.

أحد عيوب طوبولوجيا flyback هي الطريقة التي يتم بها نقل الطاقة من خلال المحول. يخزن هذا الهيكل الطاقة في فجوة الهواء خلال وقت FET وينقلها إلى المرحلة الثانوية خلال وقت الراحة من FET. سيكون للمحول الفعلي بعض محاثة التسرب على الجانب الأساسي. عندما يتم نقل الطاقة إلى الجانب الثانوي ، يتم تخزين الطاقة المتبقية في محاثة التسرب. هذه الطاقة غير متوفرة وتحتاج إلى التبديد باستخدام الصمام الثنائي Zener أو شبكة مكثف المقاوم.

في طوبولوجيا باك ، يتم تسليم طاقة التسرب إلى المخرجات من خلال الصمام الثنائي D7 خلال وقت التوقف عن FET. هذا يقلل من عدد المكونات ويزيد من الكفاءة.

هناك اختلاف آخر يتمثل في خسائر التصميم والتوصيل لكل عنصر مغناطيسي. نظرًا لأن الباك المقلوب يحتوي على ملف واحد فقط لنقل الطاقة ، فإن كل تيار نقل الطاقة يمر عبره ، مما يوفر استخدامًا جيدًا للنحاس. لا تتمتع Flyback بمثل هذا الاستخدام الجيد للنحاس. عند تشغيل FET ، يتدفق التيار عبر الملف الأولي بدلاً من الملف الثانوي. عند إيقاف تشغيل FET ، يتدفق التيار عبر الملف الثانوي بدلاً من الملف الأولي. لذلك ، يتم تخزين المزيد من الطاقة في المحول ويتم استخدام المزيد من النحاس في تصميم flyback لتوفير نفس طاقة الإخراج.

يقارن الشكل 4 أشكال الموجة الحالية للملفات الأولية والثانوية لمحث باك ومحول flyback بنفس مواصفات الإدخال والإخراج. شكل موجة محث باك موجود في المربع الأزرق الفردي على اليسار ، والملفات الأولية والثانوية لللايباك موجودة في المربعين الأحمرين على اليمين.

لكل شكل موجة ، تُحسب خسائر التوصيل حيث يتم ضرب تربيع جذر متوسط ​​التربيع في مقاومة اللف. نظرًا لأن باك يحتوي على ملف واحد فقط ، فإن خسارة التوصيل الإجمالية في المجال المغناطيسي هي فقدان ملف واحد. ومع ذلك ، فإن إجمالي خسارة التوصيل الخاصة بـ flyback هو مجموع خسائر الملفات الأولية والثانوية. بالإضافة إلى ذلك ، سيكون الحجم المادي للحقل المغناطيسي في flyback أكبر من تصميم باك مقلوب عند مستويات طاقة مماثلة. الطاقة المخزنة في أي مكون تساوي ½ L × I_PK².

بالنسبة للأشكال الموجية الموضحة في الشكل 4 ، فقد حسبت أن باك المقلوب سيحتاج فقط إلى تخزين ربع الطاقة التي يحتاجها flyback لتخزينها ، لذلك ستتم مقارنة أثر تصميم باك المقلوب مع تصميم flyback المكافئ كثيرًا الأصغر.

الشكل 4 مقارنة الأشكال الموجية الحالية في طبولوجيا باك و فلايباك

طبولوجيا Flyback ليست دائمًا الحل الأفضل للتطبيقات منخفضة الطاقة غير المتصلة بالإنترنت عندما لا يكون العزل مطلوبًا. يوفر عكس القيمة كفاءة أعلى وتكلفة أقل لقائمة المواد لأنه يمكنك استخدام محوّل / محث أصغر. من المهم لمصممي إلكترونيات الطاقة أن يفكروا في جميع الحلول الطوبولوجية الممكنة لتحديد الحل الأنسب لمواصفات معينة.

جون دوروسا مهندس تطبيقات في شركة Texas Instruments.