전자 제품에서 레귤레이터는 전력 출력을 지속적으로 조절할 수있는 장치 또는 메커니즘입니다. 전원 공급 장치 영역에서 사용할 수있는 다양한 종류의 조정기가 있습니다. 그러나 주로 DC-DC 변환의 경우 선형 또는 스위칭 의 두 가지 유형의 레귤레이터를 사용할 수 있습니다.
선형 레귤레이터 저항성 전압 강하를 사용하여 출력을 조절한다. 이로 인해 선형 레귤레이터는 더 낮은 효율을 제공하고 열의 형태로 전력을 잃습니다. 스위칭 레귤레이터 용 인덕터, 다이오드, 상기 출력 소스로부터 에너지 이동에 전원 스위치.
스위칭 조정기의 유형
세 가지 유형의 스위칭 조정기를 사용할 수 있습니다.
1. 승압 컨버터 (부스트 레귤레이터)
2. 강압 컨버터 (벅 레귤레이터)
3. 플라이 백 컨버터 (절연 레귤레이터)
이미 부스트 레귤레이터와 벅 레귤레이터 회로에 대해 설명했습니다. 이 튜토리얼에서는 플라이 백 레귤레이터 회로에 대해 설명합니다.
벅 레귤레이터와 부스트 레귤레이터 의 차이점 은 벅 레귤레이터에서 인덕터, 다이오드 및 스위칭 회로의 배치가 부스트 레귤레이터와 다르다는 것입니다. 또한 부스트 레귤레이터의 경우 출력 전압이 입력 전압보다 높지만 벅 레귤레이터에서는 출력 전압이 입력 전압보다 낮습니다. 벅 토폴로지 또는 벅 컨버터는 SMPS에서 가장 많이 사용되는 기본 토폴로지 중 하나입니다. 더 높은 전압을 더 낮은 출력 전압으로 변환해야하는 경우 인기있는 선택입니다.
이러한 레귤레이터 외에 모든 설계자 사이에서 인기있는 또 다른 레귤레이터가 있습니다. 바로 플라이 백 레귤레이터 또는 플라이 백 컨버터 입니다. 이는 단일 출력 공급 장치에서 여러 출력이 필요한 경우 사용할 수있는 다목적 토폴로지입니다. 뿐만 아니라 플라이 백 토폴로지를 통해 설계자는 동시에 출력의 극성을 변경할 수 있습니다. 예를 들어, 단일 컨버터 모듈에서 + 5V, + 9V 및 -9V 출력을 생성 할 수 있습니다. 두 경우 모두 변환 효율이 높습니다.
플라이 백 컨버터의 또 다른 특징은 입력과 출력 모두 의 전기적 절연 입니다. 격리가 필요한 이유는 무엇입니까? 일부 특수한 경우에는 전원 노이즈를 최소화하고 안전 관련 작업을 수행하려면 입력 소스가 출력 소스와 완전히 격리되는 격리 된 작업이 필요합니다. 기본적인 단일 출력 플라이 백 작업을 살펴 보겠습니다.
플라이 백 컨버터의 회로 작동
아래 이미지와 같은 기본 단일 출력 플라이 백 디자인을 보면이를 구축하는 데 필요한 기본 주요 구성 요소를 식별 할 수 있습니다.
기본 플라이 백 컨버터에는 FET 또는 트랜지스터, 변압기, 출력 다이오드, 커패시터 등의 스위치가 필요합니다.
가장 중요한 것은 변압기 입니다. 실제 회로 작동을 이해하기 전에 변압기의 올바른 작동을 이해해야합니다.
트랜스포머는 2 차 및 1 차 코일로 알려진 최소 2 개의 인덕터로 구성되며 코어가 사이에있는 코일 형성기에 감겨 있습니다. 코어는 한 권선에서 다른 권선으로 전기 에너지를 전달하는 데 중요한 매개 변수 인 자속 밀도를 결정합니다. 또 다른 가장 중요한 것은 변압기 위상, 1 차 및 2 차 권선에 표시된 점입니다.
또한 우리가 볼 수 있듯이 PWM 신호는 트랜지스터 스위치를 통해 연결됩니다. 스위치를 끄고 켜는 빈도 때문입니다. PWM은 펄스 폭 변조 기술을 나타냅니다.
플라이 백 레귤레이터에는 두 가지 회로 작동이 있습니다. 하나는 변압기의 1 차 권선이 충전되었을 때 스위치 온 위상 이고, 다른 하나는 전기 에너지가 1 차측에서 2 차측으로 전달 될 때 변압기 의 전환 위상 입니다. 마침내 부하에.
스위치가 오랫동안 꺼져 있다고 가정하면 회로의 전류는 0이고 전압이 없습니다.
이 상황 에서 스위치를 켜면 전류가 증가하고 인덕터는 전압 강하를 생성합니다. 이는 전압이 1 차 점선 끝에서 더 음수이기 때문에 점 음극입니다. 이 상황에서 에너지는 코어에서 생성 된 플럭스로 인해 2 차로 흐릅니다. 2 차 코일에서 전압은 동일한 극성으로 생성되지만 전압은 2 차 대 1 차 코일 권선비에 정비례합니다. 도트 네거티브 전압으로 인해 다이오드가 꺼지고 2 차측에 전류가 흐르지 않습니다. 이전 스위치 -OFF-ON 사이클에서 커패시터가 충전 된 경우 출력 커패시터는 출력 전류 만 부하에 제공합니다.
바로 다음 단계 에서 스위치가 꺼지면 1 차측 전류 흐름이 감소하여 2 차 점 끝이 더 양의 값이됩니다. 이전 스위치 ON 단계와 마찬가지로 1 차 전압 극성은 2 차측에서도 동일한 극성을 생성하는 반면 2 차 전압은 1 차 및 2 차 권선 비율에 비례합니다. 점 양의 끝으로 인해 다이오드가 켜지고 변압기의 2 차 인덕터가 출력 커패시터와 부하에 전류를 제공합니다. 커패시터는 ON 사이클에서 전하를 잃었으므로 이제 다시 재충전되고 스위치 ON 시간 동안 부하에 충전 전류를 제공 할 수 있습니다.
전체 스위치 켜기 및 끄기주기 동안 입력 전원 공급 장치와 출력 전원 공급 장치간에 전기 연결이 없었습니다. 따라서 트랜스포머는 입력과 출력을 분리합니다.
거기 두 가지 작동 모드 와 타이밍 오프 스위치에 따라가. 플라이 백 컨버터는 연속 모드 또는 불연속 모드 에서 작동 할 수 있습니다.
에서 연속 모드, 기본 충전하기 전에, 현재는 제로, 사이클 반복로 이동합니다. 반면 불연속 모드 에서는 1 차측 인덕터 전류가 0이 될 때만 다음 사이클이 시작됩니다.
능률
이제 입력 전력에 대한 출력의 비율 인 효율성을 조사 해보면:
(Pout / 핀) x 100 %
에너지는 생성되거나 파괴 될 수 없기 때문에 변환 만 가능하며 대부분의 전기 에너지는 사용하지 않는 전력을 열로 방출합니다. 또한 실제 분야에 이상적인 상황이 없습니다. 효율성은 전압 조정기를 선택하는 데 큰 요소입니다.
스위칭 레귤레이터의 주요 전력 손실 요인 중 하나는 다이오드입니다. 순방향 전압 강하는 전류 (Vf xi)를 곱한 값은 사용되지 않은 전력으로 열로 변환되어 스위칭 조정기 회로의 효율을 감소시킵니다. 또한 방열판을 사용하는 것과 같은 열 / 열 관리 기술이나 방열 된 열로부터 회로를 냉각하기 위해 팬을 사용하는 경우 회로에 추가 비용이 발생합니다. 순방향 전압 강하뿐만 아니라 실리콘 다이오드의 역 회복도 불필요한 전력 손실과 전체 효율 감소를 초래합니다.
표준 복구 다이오드를 피하는 가장 좋은 방법 중 하나는 순방향 전압 강하가 낮고 역 복구가 더 좋은 쇼트 키 다이오드를 사용하는 것입니다. 또 다른 측면에서 스위치는 콤팩트하고 더 작은 패키지에서 효율성이 개선 된 최신 MOSFET 설계로 변경되었습니다.
스위칭 레귤레이터는 고효율, 고정 설계 기술, 더 작은 구성 요소를 가지고 있음에도 불구하고 선형 레귤레이터보다 시끄럽지 만 여전히 널리 사용되고 있습니다.
LM5160을 사용한 플라이 백 컨버터 설계 예
Texas Instruments의 플라이 백 토폴로지를 사용합니다. 회로는 데이터 시트에서 사용할 수 있습니다.
LM5160는 기능 - 다음 구성
- 4.5 ~ 65V의 넓은 입력 전압 범위
- 통합 하이 사이드 및 로우 사이드 스위치
- 외부 쇼트 키 다이오드 필요 없음
- 2A 최대 부하 전류
- 적응 형 정시 제어
- 외부 루프 보상 없음
- 빠른 과도 응답
- 강제 PWM 또는 DCM 작동 선택 가능
- FPWM은 다중 출력 플라이 벅을 지원합니다.
- 거의 일정한 스위칭 주파수
- 최대 1MHz까지 조정 가능한 저항
- 프로그램 소프트 시작 시간
- 편향된 스타트 업
- ± 1 % 피드백 전압 레퍼런스
- LM5160A는 외부 VCC 바이어스 허용
- 견고한 설계를위한 고유 한 보호 기능
- 피크 전류 제한 보호
- 조정 가능한 입력 UVLO 및 히스테리시스
- VCC 및 게이트 드라이브 UVLO 보호
- 히스테리시스를 통한 열 차단 보호
- WEBENCH® Power Designer와 함께 LM5160A를 사용하여 맞춤형 설계 생성
입력으로 4.5V ~ 70V의 넓은 입력 전압 범위를 지원하고 2A의 출력 전류를 제공합니다. 강제 PWM 또는 DCM 작업을 선택할 수도 있습니다.
LM5160의 핀아웃
IC는 DIP 패키지 또는 손쉬운 납땜 가능 버전에서 사용할 수 없지만 문제가 있지만 IC는 PCB 방열판보다 더 큰 열 성능뿐만 아니라 많은 PCB 공간을 절약합니다. 핀 다이어그램은 위 이미지에 나와 있습니다.
절대 최대 등급
IC의 절대 최대 정격에 대해주의해야합니다.
SS 및 FB 핀은 전압 허용 오차가 낮습니다.
플라이 백 컨버터 회로도 및 작동
이 LM5160을 사용하여 다음 사양을 기반으로 12V 절연 전원 공급 장치를 시뮬레이션합니다. 제조업체 웹 사이트에서 모든 것이 제공되므로 회로를 선택했습니다.
회로도는 많은 구성 요소를 사용하지만 이해하는 것은 복잡하지 않습니다. 입력의 C6, C7 및 C8은 입력 공급의 여과에 사용됩니다. R6 및 R10은 저전압 잠금 관련 목적으로 사용됩니다. R7 저항은 On time 관련 목적을위한 것입니다. 이 핀은 간단한 저항을 사용하여 프로그래밍 할 수 있습니다. SS 핀에 연결된 C13 커패시터는 소프트 스타트 커패시터입니다. AGND (아날로그 접지) 및 PGND (전원 접지) 및 PAD는 전원 GND와 연결됩니다. 오른쪽에서 C5, 0.01uF 커패시터는 게이트 드라이버의 바이어스에 사용되는 부트 스트랩 커패시터입니다. R4, C4 및 C9는 R8 및 R9로서 LM5160의 피드백 핀에 피드백 전압을 제공하는 리플 필터입니다. 이 두 저항 비율은 출력 전압을 결정합니다. C10 및 C11은 1 차 비 절연 출력 필터링에 사용됩니다.
주요 구성 요소는 T1입니다. 1 차측과 2 차측에 60uH 인덕터가있는 커플 링 인덕터입니다. 우리는 다음 사양을 가진 다른 결합 인덕터 또는 sepic 인덕터를 선택할 수 있습니다.
- 권선비 SEC: PRI = 1.5: 1
- 인덕턴스 = 60uH
- 포화 전류 = 840mA
- DC 저항 PRIMARY = 0.071 Ohms
- DC 저항 SECONDARY = 0.211 Ohms
- 주파수 = 150kHz
C3는 EMI 안정성을 위해 사용됩니다. D1은 출력을 변환하는 순방향 다이오드이고 C1, C2는 필터 캡, R2는 시동에 필요한 최소 부하입니다.
맞춤형 사양의 전원 공급 장치를 만들고 값을 계산하려는 사람들은 데이터를 입력하기 만하면 Excel이 데이터 시트에 제공된 공식에 따라 구성 요소 값을 계산하는 우수한 Excel 도구를 제공합니다.
제조업체는 또한 Texas Instruments의 자체 SPICE 기반 시뮬레이션 도구 TINA-TI를 사용하여 시뮬레이션 할 수있는 전체 회로도와 향신료 모델을 제공했습니다. 아래는 제조업체에서 제공하는 TINA-TI 도구를 사용하여 그린 회로도입니다.
시뮬레이션 결과는 완벽한 부하 전류와 전압을 보여주는 다음 이미지에서 볼 수 있습니다.
