Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
PCIM Europe 2019
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Projektowanie zasilacza flyback - pierwsze kroki

psooya 25 Cze 2009 14:06 9752 14
  • #1 25 Cze 2009 14:06
    psooya
    Poziom 37  

    Witam
    Od pewnego czasu dość intensywnie myślę nad pierwszą przetwornicą typy flyback na UC384x. Pierwsze kroki pomógł mi postawić kolega Qwet. Długo studiowałem stronę:
    http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps_e/spw_smps_e.html
    oglądając wykresy i zastanawiając się dlaczego jest tak a nie inaczej. Moje rozważania doprowadziły do tego że wyprowadziłem wzór na przekładnię trafa:
    Przyjąłem jak na stronie powyżej iż wypełnienie dla napięcia średniego wynosi m = 50% czyli m=0,5 i:
    n=(Uweavg / Uwy+Ud)*(m/1-m) = (Uweavg / Uwy+Ud)*(0,5/0,5)=(Uweavg / Uwy+Ud) gdzie Uweavg = (Uwemin+Uwemax)/2
    Więc teraz przykład z życia wzięty:
    Potrzebuję przetwornice o parametrach:
    Uwe = 180 - 250 Vac czyli 250 - 360 Vdc
    Uwy = 5V
    Iwy = 8A max
    Z powyższego równania wyszło mi:
    n = 305/(5+0,7) = 53,5 zw/V
    Obliczenia wyszły mi identyczne jak z w/w stroną. Ale teraz nasuwa się pytanie jak strona obliczy przekładnie gdy sterownik np UC3844 będzie dysponował maksymalnym wypełnieniem 50%? Jakie wypełnienie warto przyjąć dla średniego napięcia zasilania ?

    Kolejnym krokiem który mnie dziś nurtował był wzór na indukcyjność uzwojenia pierwotnego. Pomyślałem i wyprowadziłem coś takiego:
    XL = 2*pi*F*L z tego L = XL/(2*pi*F) gdzie:
    F - częstotliwość, pi = 3,1415.......
    XL = UL/IL - z tzw prawa ohma
    UL - napięcie na cewce , IL - prąd cewki
    Podstawiając mamy:
    L = UL/(IL*2*pi*F)
    Prąd cewki IL = Pwy/(UL*η) gdzie η - sprawność zasilacza, Pwy - moc wyjściowa.
    Podstawiając dalej do wzoru:
    L = UL² / ((Pwy/η)*6,28*F) = UL² / (((Uwy+Ud)*Iwy/η)*6,28*F)
    Na stronie znalazłem ten sam podobny wzór na L1:
    http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps_e/spw_hilfe_e.html
    Wynikło iż współczynnik w mianowniku = 8 oznacza sprawność 0,785 (78,5%) jaką przyjęli na stronie wtedy 6,28/0,785 = 8. Czy dobrze to wymyśliłem? A teraz pytanie znów o wypełnienie bo wzór oblicza Lminimum do wypełnienia 50%. Jak powinno się to obliczać dla sterownika UC3844/5. Który sterownik byłoby lepiej zastosować do mojej przetwornicy i dlaczego?
    Post będę rozbudowywał zadając kolejne pytania i podając kolejne wzory tak aby powstał tutorial jak krok po kroku zaprojektować tego rodzaju zasilacz z Waszą pomocą.
    Bardzo proszę o pomoc w zrozumieniu projektowania.
    Pozdrawiam

    0 14
  • #2 25 Cze 2009 22:05
    trol.six
    Poziom 31  

    Co warto przyjąć a co nie, dość względnie często zależy od widzimisie konstruktora. Ja nie znam żadnych zasad na ten temat. Korzystam częściej z UC3843 ale tylko dlatego że łatwiej dostać je w smd, a nie dlatego by mogły by być lepsze. UC3845 mają mniejsze wypełnienie czyli automatycznie ograniczają moc przy malejącym napięciu wejściowym.

    Jeśli strona liczy co liczy, to twoim zadaniem jest uwzględnić ograniczenie wypełnienia do 50%, czyli liczysz dla minimalnego napięcia. Nie wiem co te wzory ze sprawnością uwzględniają, bo ja licze napięcie wejściowe minus spadki na tranzystorze, i wyjściowe plus spadki na diodach, plus ewentualnie spadki na rezystancji uzwojeń lub jakiś margines.

    Ale każdy liczy jak mu pasuje, albo jak umie.

    0
  • Pomocny post
    #3 25 Cze 2009 22:32
    -RoMan-
    Poziom 42  

    Nieśmiało przypomnę dwa istotne wzory dla flybacka pracującego w trybie DCM - o co przy UC3845 nietrudno:

    W = Ipk^2 * L/2 gdzie:
    W - energia gromadzona w polu magnetycznym
    Ipk - prąd szczytowy
    L = indukcyjność

    P = W * f gdzie
    P moc pobierana przez przetwornicę (w uproszczeniu)
    W - energia gromadzona w polu magnetycznym w pojedynczym cyklu
    f - częstotliwość pracy.

    Przypominam, że UC3845 zawiera w strukturze dzielnik częstotliwości /2 i należy pamiętać, że częstotliwość pracy przetwornicy jest dwukrotnie mniejsza od częstotliwości oscylatora.
    W przypadku UC3843 częstotliwości są równe.

    0
  • #4 25 Cze 2009 22:49
    psooya
    Poziom 37  

    Dzięki za wzorki gdzieś już się na nie napotkałem na forum ale nigdzie nie znalazłem nic sensownego na temat przyjęcia wypełnienia. Strona przyjmuje dla średniego napięcia zasilania 50% czyli granice trybu CCM z DCM. Zwiększając napięcie z 305 na 320V przechodzimy w tryb DCM. Który będzie korzystniejszy? Może dla UC3844/5 (pomijając dzielniki bo o tym się dowiem z PDFa ale dzięki za ostrzeżenie) przyjąć dla średniego napięcia wypełnienie 25% a może dla minimalnego napięcia przyjąć około 50% i wyliczyć jakie wypełnienie będzie przy maksymalnym? To jest moja pierwsza konstrukcja którą mam zamiar wykonać ale zanim to zrobię muszę wiedzieć co i dlaczego tak działa by móc analizować poprawność pracy gotowego urządzenia a więc jeszcze dużo wiedzy przede mną dlatego proszę o wyrozumiałość.

    0
  • Pomocny post
    #5 26 Cze 2009 08:53
    krzysiek07576
    Poziom 13  

    Za bardzo w temacie nie siedzę, ale jak nawijam flybacka to nigdy nie przyjmuje max wypełnienia 50% tylko w granicy 30-40% (max - czyli przy najmniejszym spodziewanym napięciu wejściowym - trzeba też brać pod uwagę tętnienia tego napięcia(na kondensatorach za mostkiem) bo jeśli to pominiemy to może się zdarzyć że 100 razy na sekundę układ będzie zmieniał działanie z CCM na DCM i wypełnienie będzie skakało do tego wyznaczonego przez przekładnie trafa). Owszem żeby w jednym takcie przenieść tą samą porcję energii będzie większy prąd szczytowy Ipk (i mniejsza indukcyjność pierwotna L), ale uzwojenia i tak nawijasz na prąd RMS (Uwe_nim/Pin_max), więc średnica drutu pozostaje prawie bez zmian chociaż lepiej dać trochę większą i tak powinien się zmieścić w oknie bo będzie mniejsze L a tym samym mniej zwoi, tylko że B ci wzrośnie ale jeśli odpowiednio dobrałeś rdzeń to nie powinno być problemu. Robiąc w ten sposób czyli przy minimalnym Uwe maksymalne wypełnienie powiedzmy 30%, przyjmujesz że 60% pozostaje ci na przekazanie energii do pierwotnego i 10% zostawiasz tak na wszelki wypadek(nie da się wszystkiego dokładnie obliczyć - trzeba zostawić jakiś margines błędu). Dzięki temu masz 2 korzyści: prąd szczytowy na wtórnym będzie mniejszy i mniejsza będzie przekładnia, dzięki czemu, podczas opróżniania rdzenia z energii będziesz miał mniejsze napięcie na kluczu.

    Tak jak wspominają koledzy sposobów jest kilka i każdy zawsze znajdzie coś odpowiedniego dla siebie w zależności od ograniczeń.

    0
  • #6 26 Cze 2009 09:25
    psooya
    Poziom 37  

    Zakładając że przyjmę:
    Uwe_min=250
    m= 30% (0,30)
    F=40kHz
    Przekładnia trafa wyniesie: n=(250/5,7)*(0,3/0,7) = 43,86*0,42 = 18,5zw/V
    Indukcyjność uzwojenia pierwotnego dla Uwe_min = 250V:
    L=250²/(5,7*8*8*40) = 62500/14592 = 4,28mH
    Obliczenie spodziewanego wypełnienia przy Uwe_max = 360V
    18,5=360/5,7*(m/1-m) -> m = 0,22 (22%) więc układ powinien pracować w tym zakresie napięć.
    Mógłby ktoś sprawdzić czy dobrze myślę i czy jest to dobrze obliczone?
    Pozdrawiam

    0
  • Pomocny post
    #7 26 Cze 2009 16:37
    krzysiek07576
    Poziom 13  

    Proponowałbym zacząć od tego co ci RoMan podał, tzn:
    P=W*f
    P - to oczywiście moc
    W - energia zgromadzona w każdym cyklu
    f - częstotliwość przetwornicy

    Ty chcesz mieć 5V przy 8A - nie wiem czy jest to dobry wybór na taką topologię(będzie duży prąd na pierwotnym w impulsie zwłaszcza przy niskim wypełnieniu, ale za to na wtórnym będzie mniejszy) ale można spróbować. Zakładam tak jak ty wcześniej, tzn:
    Uwe_min = 250V
    m = 30%
    f = 40kHz
    Dodam tylko że przez te 30% okresu rdzeń ma się ładować energią, co nie znaczy że przez kolejne 70% rozładowywać, całość pracowałaby na styku DCM i CCM. A my raczej tego nie chcemy więc przyjmę że energia zgromadzona w rdzeniu ma się rozładować powiedzmy w 60% okresu.

    Nie należy zapominać że przetwornica ma jakąś tam sprawność, przy tej - małe napięcie, duży prąd - nie będzie ona za duża, przyjmijmy że sprawność wyniesie około 70%, tzn że:
    Pin = Pout/0.7
    w tym wypadku:
    Pin = 40/0.7 = około 57W
    dalej liczysz energię którą musi zgromadzić rdzeń:
    W = Pin/f
    W = 57/40000 = 0,001425J = 1,425mJ
    Ja następnie korzystam z takiego wzory:
    Lpri = [(Vin_min^2)*(Ton^2)]/2*W
    Ton to w naszym przypadku oczywiście te 30% z okresu czyli
    Ton = m/f
    Ton = 0,3/40000 = 0,0000075 = 7,5*10^-6 sekundy
    Lpri = {(250^2)*[(7,5*10^-6)^2]}/2*0,001425
    Lpri = (62500*56,25*10^-12)/0,00285 = około 1,23mH
    Dalej liczysz Ipk:
    Ipk = Uwe_min*Ton/Lpri
    Ipk = 250*0,0000075/0,00123 = około1,52A

    Kolejne obliczenia będą dotyczyły już wybranego rdzenia więc na razie tyle.
    Rezultaty można podglądnąć na stronie, którą wcześniej podałeś wpisując V for the calculation = na początek250
    Vout = 5
    Iout = 8
    f = 40kHz
    L = 1.23E-3
    Programik sam wyliczy przekładnie ale my raczej na to nie przystajemy i wpisujemy powiedzmy 20. Jak widać rdzeń zdąży się opróżnić z energii, prąd szczytowy na wtórnym jest mniejszy niż 4*8 = 32A i napięcie podczas uwalniania energii też malutkie.

    Jak by ktoś chciał wiedzieć coś więcej to w dużej mierzy oparłem się na książce Marty Brown`a "Power Supply Cookbook"

    0
  • #8 27 Cze 2009 11:38
    psooya
    Poziom 37  

    Kurcze teraz to już zgłupiałem. Brak mi podstawowej wiedzy. Założyłeś tryb DCM w całym przedziale napięcia czyli rozumiem że ten jest najbardziej optymalny gdyż rdzeń zdąży się opróżnić z energii czyli nie powstanie w nim składowa stała. Fakt faktem prąd po stronie pierwotnej jest spory. Generalnie nie potrzeba mi 8A prądu na wyjściu założyłem to z pewnym zapasem na przyszłe plany ale generalnie 6A by wystarczyło. Może lepiej przyjąć większą indukcyjność i wypełnienie by prąd pierwotny był mniejszy ale wzrośnie prąd wtórny (do dyspozycji mam różne sterowniki UC384x) i udało się uzyskać lepszą sprawność chyba że dać sobie spokój z flybackiem i wybrać inną topologię? Książkę którą podałeś zasysam z neta.

    0
  • Pomocny post
    #9 27 Cze 2009 12:06
    lechoo
    Poziom 39  

    Witam, ja widziałbym to następująco:

    Projektowanie zasilacza flyback - pierwsze kroki

    Sterownik UC3845, rdzeń ETD29 z ręcznie wyszlifowaną szczeliną na środkowej kolumnie aby uzyskać założone 2mH, pierwotne 2x60zw, wtórne 6zw. nawinięte pomiędzy połówkami pierwotnego, uzwojenie pomocnicze (zasilanie UC) około 14zw.

    Schemat poglądowy:

    Projektowanie zasilacza flyback - pierwsze kroki

    0
  • #10 27 Cze 2009 17:40
    psooya
    Poziom 37  

    Witam
    Przesymulowałem sobie tą przetwornicę i można powiedzieć że pracuje ona w całym zakresie w CCM. Za to ma dużo mniejsze prądy po pierwotnej i wtórnej stronie więc wydaje mi się że i sprawność wzrośnie. Za to w rdzeniu pojawia się składowa stała i nie wiem jak ona wpływa na sprawność i wydaje mi sie że zależy od trybu pracy dlatego pytam który będzie optymalny (może tak jak strona liczy tj powyżej napięcia średniego jest w DCMie a poniżej w CCMie). Nie wiem jak to wszystko wpływa na optymalny wybór a zależy mi na tym by zrobić to porządnie i im mniejsze straty tym mniej ciepła, dłuższa żywotność kondków, mniejsze radiatory.

    0
  • #11 27 Cze 2009 19:50
    -RoMan-
    Poziom 42  

    Każda przetwornica flyback pracuje ze składową stałą w rdzeniu i jest to jej zasada działania. I nie pisz "kondków", bo za takie pisanie wątki lądują w Koszu.

    0
  • #12 27 Cze 2009 20:15
    psooya
    Poziom 37  

    Ok RoMan to przyzwyczajenia z serwisu. Czyli wnioskuje że niema znaczenia w jakim trybie będzie to działać i jak nawinę tak będzie zawsze dobrze? Jeśli tak, zdecyduję się na CCM podany przez kolegę Lechoo z uwagi na mniejsze prądy w uzwojeniach.

    0
  • #13 27 Cze 2009 21:51
    -RoMan-
    Poziom 42  

    Ma znaczenie tryb pracy - przy pracy na granicy trybów DCM i CCM masz najmniejszy rdzeń. Pogłębianie w którąkolwiek stronę powoduje konieczność użycia większego rdzenia lub zwiększenia częstotliwości pracy dla uzyskania tej samej mocy. Praca w trybie CCM daje mniejsze prądy szczytowe i mniejsze straty w miedzi. Jednak uważa się, że jest trudniejsza do opanowania stabilność pracy takiej przetwornicy. Dla mnie to i tak bez znaczenia, bo jeszcze nie udało mi się skonstruować w pełni stabilnej przetwornicy izolowanej - zawsze w jakimś zakresie obciążeń wpada w czkawkę albo co gorsza zaczyna skwierczeć :( Z nieizolowanymi jednak jest łatwiej.

    0
  • #14 27 Cze 2009 22:29
    psooya
    Poziom 37  

    Teraz to rozumiem :-) Zdecyduję się na eksperymenty z CCMem. Po długich symulacjach sensownie wygląda to dla następujących parametrów:
    F:40KHz
    N = 12
    L = 2.5 do 3 mH - taki przedział bo trzeba będzie upchnąć jeszcze uzwojenie pomocnicze :-)
    Wypełnienie przy pełnym obciążeniu:
    dla 250V m = 21.5%
    dla 350 m = 16%
    Ipk pim = 0,86A do 0,91A dla 2,5mH
    Może nie będzie wielkich kłopotów z czkawkami i brzęczeniami.
    Całość bym wykonał wg transformers data na rdzeniu EE25 i tu pytanie do RoMana (nie znalazłem na aukcjach) czy posiadałbyś odpowiedni ze szczeliną 1mm lub jakiś podobny ETD29 tak żebym nie musiał go szlifować bo pewnie z fersytera nie dostane a na początek testy chce przeprowadzić :-)

    0
  • #15 28 Lip 2009 13:26
    psooya
    Poziom 37  

    Witam
    Dawno mnie nie było ale to wcale nie oznacza że temat umarł. Mam do kolegów dwie prośby. Pierwsza z nich to sprawdzenie ogólne schematu jaki wymyśliłem (coś od siebie dodałem coś z EP i coś z gotowych zasilaczy).
    Drugi problem to nie mam pojęcia jak sensownie obliczyć gasik i bardzo bym prosił o pomoc w tej sprawie jak się za to zabrać by nie dawać opornika 10W i nie wiadomo jakiego kondensatora.
    Ostatnią prośbą bo też długo nad tym myślałem jest obliczenie filtru EMI. Powiem szczerze że wyliczenie trafa jest o wiele prostsze niż ten filtr przynajmniej dla mnie.
    Już mówię jak co dobrałem:
    Rezystor R1 120k dobrałem tak by osiągnąć napięcie 16V przy około 60 V AC zasilania aby zasilacz poprawnie pracował od 85 - 250V AC. Oporniki R3 22k i R4 3,6k razem z R5 150k zostały dobrane tak by napięcie pomocnicze było stabilizowane przy wartości 16V. Wyjście komparatora COMP podłączyłem przez transoptor który w raz z TL431 (ustawiona na około 3.6V) powinien się załączać w okolicy 5V bo około 1,4V jest na diodzie transoptora. Pewnie będzie to wymagało korekcji. Moje pytanie brzmi czy ten obwód z transoptorem będzie poprawnie działać czy lepiej coś zmienić może dodać jeszcze jakiś kondensator?
    Bardzo bym prosił o przeglądnięcie i krytykę oraz pomoc z obliczeniem gasika i EMI.
    Pozdrawiam

    0