85-100V Giriş 24/12V Çıkışlı Flyback Devresi

Bu yazımızda sizlerle 85-100V girişli, 24/12V çıkışlı bir güç devresi tasarlayacağız. Devre tasarımı için de flyback topolojisinden faydalanacağız. Yazımızı okumadan önce FLYBACK NEDİR? yazımızı okumanız gerekmektedir.

 

 

Flyback Devre Şema

Bu devrede istediğimiz özellikler şöyledir;

Giriş Gerilimi: 85-100 VDC

Çıkış Gerilimleri: 4 adet 24 VDC ve 1 adet 12 VDC

Çıkış Akımları: Kanal başına 1.5 Amper

Anahtarlama Frekansı: 95 kHz

Maksimum Duty Cycle: 0.5

Verim: %70

 

Hesaplamalar

Yapılan hesaplamalarda buradaki uygulama notu referans alınmıştır.

1-VDCmin  = 85V     (minimum giriş gerilimi)

2-VDCmax = 100V   (maksimum giriş gerilimi)

3-Eff           = %70     (beklenen verim)  Pout/Pin

Çıkışlar;

Out= (24V + 1V(diyot gerilim düşümü)) × 1,5A =  37,5W            KL(1)=0,21*

Out= (24V + 1V(diyot gerilim düşümü)) × 1,5A =  37,5W            KL(2)=0,21

Out= (24V + 1V(diyot gerilim düşümü)) × 1,5A =  37,5W            KL(3)=0,21

Out= (24V + 1V(diyot gerilim düşümü)) × 1,5A =  37,5W            KL(4)=0,21

Out= (12V + 1V(diyot gerilim düşümü)) × 1,5A =  19,5W            KL(5)=0,11

Outaux  = (18V + 0,7V(diyot gerilim düşümü)) × 500mA =  9,35W   KL(6)=0,06

*KL(n) işgal faktörü n’inci çıkış gücünün toplam çıkış gücüne oranıdır. Tel çapı hesaplamasında kullanılır.

4-Pout    = 180W

5-Pin      =  257W  (maksimum güç girişi)

 

6- C1 kondansatörünün hesaplanması;

Genel olarak giriş gücüyle doğru orantılı olarak Watt başına 1μF seçilir. Bu devrede 257W giriş gücü için 330μF kondansatör seçilmiştir.

 

7- Duty Cyclemax = 0,5 CCM kontrol modunda yani transformatör akımının sıfıra hiç inmediği modda çalışan smps devreleri için maksimum Duty Cycle değeri 0,5 değerini geçmemelidir. Aksi halde devrede harmonikler oluşur ve devre kararsız çalışır.

 

8-  VRO  ve VDSNOM gerilimlerinin hesaplanması;

Q1  MOSFET’i açık devre olduğunda MOSFET üzerine VDC  gerilimi ve VRO  yansıma gerilimi uygulanır. MOSFET’lerin Drain-Source gerilim toleransları oldukça düşüktür. Yani VDS gerilimi MOSFET’in datasheet’inde belirtilen değeri geçtiğinde MOSFET delinir ve kısa devre olur. Bu durumda Transformatör ve diğer devre elemanları kolayca zarar görebilir.

VRO = Duty Cyclemax/(1-Duty Cyclemax) * VDCmin = 85 V

VDSNOM = VRO + VDCmax = 185 V

 

9- Transformatörün primer indüktansının hesaplanması;

fs = 95 kHz

KRF = 0,5 (Ripple Faktörü)

Lm = 70 μH

Ripple faktörü Transformatör akımının dalgalanma faktörüdür. DCM modu için 1 seçilmesi gerekirken CCM modunda çalışan bu devre için  KRF < 1 olmalıdır.  KRF değeri sıfıra yaklaştıkça devrede daha büyük Transformatör kullanmak gerekir.

 

10- MOSFET akımının hesaplanması;

ΔI = 6,05A

IEDC = 6,05A

IDSpeak = 9,07A

IDSrms  = 4,4A

 

 

 

 

 

 

11- Primer sarım sayısının belirlenmesi;

 

 

 

Iover değeri bu devre için 10A olarak seçilmiştir. Devrede MOSFET’in kabul edebileceği maksimum akımdır.

Bsat değeri Transformatör çekirdeğinin doyuma ulaştığı akı yoğunluğudur. Transformatör için herhangi bir bilgi verilmemişse genellikle 0,3 T ile 0,35T arasında alınır. Bu değeri gerektiğinden büyük almak transformatör çekirdeğinin doyuma ulaşarak ısınmasına ve güç kaybına neden olur. Gerektiğinden küçük alınması devrede daha büyük transformatör kullanılmasına ve fazla masrafa neden olur. Bu Transformatör için datashette verilen bilgiler doğrultusunda Bsat değeri 0,33T alınmıştır.

Ae değeri transformatör çekirdeğinde sarımın yapıldığı göbeğin kesit alanıdır. Değer büyüdükçe Transformatörün verebileceği güç artar. Devrede kullanılan Transformatör için bu değer 172mm2 olarak Datasheet’ten alınmıştır.

Npmin  = 12,4 Tur olarak hesaplanmıştır. Sarımların oranlarının tutturulması için bu değer devrede 14 tur olarak alınmıştır. Diğer sarımların hesaplanması için aşağıdaki formül kullanılmıştır.

VF1 değeri çıkış diyotlarının ileri yön gerilim düşümü olan 1V’tur.

Vo(n) değeri çıkışta istenen gerilim değeri olan 24,12 ve 18V ‘tur.

 

 

Bu durumda sarım sayıları şöyledir;

Ns(1) = 4 tur

Ns(2) = 4 tur

Ns(3) = 4 tur

Ns(4) = 4 tur

Ns(5) = 2 tur

Ns(aux) = 3 tur (entegrenin ihtiyaç duyduğu gerilim değeri için)

 

12- Tel çaplarının hesaplanması;

 

 

Isec(1)rms  = 3,1416A

akım yoğunluğu için 6-10 A/mm2 arası bir değer seçilebilir. Bu devre için sekonderde 0,5mm2 kesit alanlı tel kullanılmıştır.

 

13-Feedback devresinin tasarlanması;

Devre galvanik olarak izole yani primer ve sekonder tarafı elektriksel olarak birbirinden yalıtılmış olarak tasarlanmıştır. Bunun için TL431 gerilim referans entegresi ve JC817 opto-kuplör entegresi birlikte kullanılarak izole bir feedback devresi oluşturulmuştur.

Devrenin 24V ve 12V çıkışlarından (R15-R18) ve (R17-R20) gerilim bölücü direnç çiftleri kullanılarak TL431 entegresinin referans pinine 2,5V gerilim uygulanması amaçlanmıştır. TL431 entegresinin referans pinine 2,5V’tan fazla gerilim uygulandığında  TL431 entegresi Katot-Anod doğrultusunda akımı geçirmeye başlar. Bu durumda JC817 opto-kuplör entegresi SG6848’in feedback pinini toprağa çeker ve entegre çıkışta yeterli gerilimin olduğunu anlayıp pwm genliğini azaltır. R22 ve C9 elemanlarından oluşan RC filtre,  SG6848’in datasheetinde  belirtilen değerlerde kullanılmıştır.

R21 direncinin hesaplanması;

JC817 entegresinin dahili LED’i 1.2V gerilim düşümüne sahiptir ve çalışması için 50mA akıma ihtiyaç duymaktadır. Entegre, beslemesini 12V çıkışından almaktadır. Bu durumda;

12-1,2=0,05*R21 formülü kullanılabilir. Bu durumda R21 yaklaşık 216 Ω olarak bulunur. Devrede 330 Ω kullanılmıştır.

 

14-Çıkış kondansatörlerinin hesaplanması;

 

 

 

ΔVo(1)   = Beklenen ripple değeri;

Io(1)       = Çıkış amperi; (1,5A)

Co(n)     = Kapasitans; (1000μF, 330μF)

RC(s1)     = Kondansatör eşdeğer seri direnci (0,1Ω)

Bu değerlere göre Co(1)  =  1000μF olarak seçildiğinde ΔVo(1) değeri 0,65V olarak bulunur.

 

15- Snubber hesabı;

Q1 MOSFET’i açık devre olduğunda Transformatörün kaçak endüktansı MOSFET’in DRAIN-SOURCE eklemi üzerinde anlık olarak yüksek bir gerilim atımı oluşturur. MOSFET’in zarar görmesini önlemek amacıyla snubber devresi kullanılır.

Snubber’da harcanan güç
Snubber kondansatör gerilimi

 

 

 

 

 

Llk değeri, transformatörün primer hariç tüm sargıları kısa devre edildiğinde anahtarlama frekansında ölçülen primer endüktansıdır (Kaçak Endüktans). Bu devrede kaçak endüktans, primer indüktansının %0,5’i olarak alınmıştır (0,35μH). Kaçak endüktans, manyetik akının devreyi transformatör çekirdeği haricindeki yollardan (hava, manyetik iletkenler vb.) tamamlamasıdır.  transformatörün sarım kalitesine göre artabilir. Bu değerin artması, istenmeyen bir durumdur.

Vsn değeri minimum giriş gerilimi ve maksimum yük durumunda C2 kondansatörüne uygulanan gerilimdir ve VRO değerinin 2-2.5 katı olarak seçilmelidir. Bu devre için;

Vsn = 170V olarak alındı.

Psn=2,9W

Rsn=10KΩ

Vsn2 = 170V

BVdss değeri yaklaşık 300V’tur ve Q1 MOSFET’i bu gerilime dayanabilir.

Subber kondansatörü olarak C2 3,3nF kondansatörü kullanılmıştır.

Kondansatör üzerindeki ripple gerilmi yaklaşık 50V’tur.

Snubber diyodu olarak BYM26E kullanılmıştır. 1000V 2,3A sınır değerlerine sahip olan diyot, devrede kullanıma uygundur.

 

 

 

 

Devrede Kullanılan Elemanlar

SG6848 Kontrol Entegresi

Datasheet

SG6848, 8 pinli sade ve ucuz bir PWM kontrol entegresidir.

Kullanım sebebi:

  1. Az sayıda çevre elemanı gerektirmesi.
  2. Geniş giriş voltajı aralığı, ilk başlatma için yalnızca 2 dirence ihtiyaç duyması.
  3. Dahili mosfet sürme özelliği.
  4. 2mA standby akımı.
  5. Greenmode özelliği: Devreden çok az güç çekildiğinde pwm osilatörü otomatik olarak normal çalışma frekansının 5’te birine düşerek (bu devre için yaklaşık 19kHz) enerji tasarrufu sağlıyor.

Pinler:

1-GATE: Mosfet’i sürmek için kullanılan pin. Gate pini çıkışı mosfete zarar vermemek için 15V’ta sınırlandırılmıştır. Mosfet’e R2 direnci ile bağlanır. R2 direnci Gate osilasyonunun genliğini düşürmek ve entegreden çekilen akımı sınırlamak için kullanılır.

2-VDD: Besleme pini. Bu giriş pininde gerilim dahili bir zener diyotla maksimum 26V’ta sınırlandırılır. Devreye start verilebilmesi için VDD pinine bağlı C3 kondansatörü 16.3V’a kadar şarj edilmelidir. Start aşamasında C3 kondansatörünü şarj için R8 ve R9 dirençleri kullanılır. Dirençlerin değeri büyüdükçe çalışma sırasında üzerlerinde harcanan güç azalacağı gibi start süresi uzar ve devre ilk çalışmasını daha uzun sürede gerçekleştirir. Ayrıca D9 zener diyodu, Bu pine gelen gerilimi 24 Volt’ta sınırlar.

3- N/C (Boş pin)

4-SENSE: Akım algılama pini. Sense pini, R1 direnci üzerinde düşen gerilimi takip ederek mosfet üzerinden geçen akımı sınırlandırır. Sense pini yaklaşık 150-200 nanosaniyelik bir gecikmeye sahiptir. Bu sayede mosfet’in kapalı devre olduğu ilk anda oluşan akım zıplamasının devreyi akım koruma moduna geçirmesi engellenir. Sense pinine gelen gerilim 0,85V olduğunda entegre pwm çıkışını kısarak mosfetten geçen akımı sınırlandırmaya başlar. 1V eşiğine geldiğinde ise çıkışı tamamen keserek mosfeti korumaya alır.

5-RI: Çalışma frekansı ayarlama pini. Bu pinden toprağa doğru bağlanan direnç değerine (R3) göre entegrenin çalışma frekansı seçilir. Frekans formülü şu şekildedir;

 

 

 

6- N/C (Boş pin)

7-FB: Feedback pini. Gerilim regülasyonu için kullanılır, geri bildirim pinidir. FB pininden toprağa akan akıma göre SG6848 MOSFET’i sürer. Akım arttıkça pwm duty-cycle’ı azalır ve çıkış gerilimi sınırlanmış olur.

8-GND: Toprak pini.

 

Toshiba 2SK2699 N-Channel MOSFET

Datasheet

Devrede kullanılan bu mosfet, VDSNOM, IDSpeak ve kayıplar sonrasında ortaya çıkacak ısıl gücü karşılayabilmelidir. 2SK2699, 600 Volt VDS, 48 Amper  IDSpeak ve 150 Watt güç tüketimi ile devrede kullanıma uygundur.

 

ETD44 Ferrit Transformatör

Datasheet

Devrede istenen 5 adet izole çıkış, 1 adet yardımcı çıkış ve bir adet primer nedeniyle en az 14 pinli karkasa sahip bir transformatör kullanılmalıdır. Bu nitelikleri sağlayan transformatör, piyasada nispeten kolay bulunabilen ETD44 olarak seçilmiştir.

PROTEUS DOSYASI => 24v

Devre Fotoğrafları

PCB’nin asite atılması
Asitten çıkan PCB
Toneri temizlenen PCB
PCB’nin delinmesi ve malzemelerin lehimlenmesi
Transformatör primerinin sarılması
Primer-Sekonder arası yalıtım
Transformatör pinleri
Devrenin son hali

 

Transformatör sekonderinin sarılması

“85-100V Giriş 24/12V Çıkışlı Flyback Devresi” Hakkında 3 Yorum

  1. anahtarlama frekansını 95 khz seçmekteki amacınız neydi? Örneğin ben giriş gerilimini şebeke gerilimi kullanmak istiyorum, iki adet 24 iki adet 12v cıkış gerilimi istiyorum, kanal başınada 2A çekmek istiyorum, kısacası frekansı neye göre belirlemeliyim?

    1. SG6848 entegresi, 50kHz ile 100kHz arasında çalışabiliyor. Anahtarlama frekansının belirlenmesinde; kontrol entegresinin çalışma aralığı, transformatör çekirdeğinin yapısı ve anahtarlama transistörünün çalışma aralığı göz önünde bulundurulmalıdır. İnsanların işitme aralığının dışında olmasından dolayı frekans en az 20kHz seçilmelidir. 20kHz’den daha düşük frekanslarda devreden ötme sesi gelir. Çalışma frekansının yüksek seçilmesi, devrede kullanılacak transformatörün fiziksel boyutunu düşürür (9. hesaplamada görülebilir). Ancak frekans yükseldikçe anahtarlama elemanının (bu devre için MOSFET) kontrolü zorlaşır ve anahtarlama kayıpları artar. Bu çalışmada 95kHz seçilmesinin nedeni; SG6848 entegresi maksimum 100kHz çalışma frekansına sahip. Entegreyi sınırlarında çalıştırmamak için, sınırın bir miktar aşağısı seçilmiştir. Bu frekans, anahtarlama elemanının (2SK2699) sınırları dahilindedir. Anahtarlama elemanının datasheet’inde bulunan Ton, Toff, Trise, Tfall sürelerinden yararlanılarak MOSFET’in maksimum çalışma frekansı kabaca görülebilir. Ayrıca MOSFET’in gate-source kapasitansı, yüksek frekanslarda hesaba katılmalıdır. Frekans yükseldikçe gate akımı artacak ve sürücü entegre bu akımı sağlayamayacaktır.

      BJT kullanan ATX güç kaynakları genellikle 40-50kHz civarında çalışmaktadır. MOSFET kullanan laptop, TV güç kaynakları ise 100-200kHz aralıklarında çalışmaktadır. Bazı özel uygulamalarda MHz mertebelerinde çalışan güç kaynakları da vardır. Frekansın MHz mertebesinde olması, fiziksel boyutun küçülmesini sağlarken tasarımı karmaşıklaştırır.

      Devrenizde MOSFET kullanacaksanız 20-100kHz, BJT transistör kullanacaksanız 20-40kHz arası bir değer seçmelisiniz. Bu değer transformatör çekirdeğinin boyutlarına da bağlıdır. Bu sebeple önce datasheet bilgileri bulunan bir transformatör satın alıp frekansı daha sonra belirlemenizi tavsiye ederim. Transformatör çekirdeğinin gereğinden büyük olmasının zararı yoktur.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.