FSDM0365RN MC33260 ile Flyback tipi SMPS Tasarımı

Hazırlayan:Tarık KIRAÇ – Nihayet SMPS Switched-mode power supply hakkında Türkçe detaylı bir kaynak buldum ben çıktı alıp baştan sona okuyacağım 🙂 bu kaynak çok işimize yarayacak Emeği Geçen Kişilere Teşekkürler

Son yıllarda teknolojinin gelişmesi ile giderek artan enerji ihtiyacının büyük çogunluğunu elektrik enerjisi oluşturmaktadır. Elektrik enerjisi üretim kaynaklarının sınırlı olmasına karşın bu enerjiyi kullanan cihaz sayısı giderek artmaktadır.

Günümüzde ortaya çıkan elektrik enerjisi ihtiyacı karsısında var olan enerjiyi verimli kullanmak çok önemli hale gelmistir. Elektrik enerjisi üretim maliyetlerinin artması kullanıcı tarafına da yansımıs ve elektrik enerjisine ödenen miktar artmıstır. Bu sebeple yeni geliştirilen cihazlar yüksek verim sağlayacak şekilde tasarlanmaya baslanmıstır.

Teknoloji gelistikçe elektrik enerjisinin kullanımı dirençli ısıtıcılar, akkor telli lamba gibi basit yüklerden anahtarlamalı motor sürücüleri, AC/DC dönüştürücüler, bilgisayarlar vb. karmaşık yapılı yüklere geçmiştir

Bu güç kaynağı ihtiyaçları artık dogrusal güç kaynaklarından anahtarlamalı güç kaynaklarına doğru yönelmistir. Giriş geriliminin sürekli degistigi, 50Hz gürültüsünün kolay yok edilemediği, boyutun ve verimin önem kazandığı durumlarda anahtarlamalı güç kaynakları kullanılmaktadır. Bu devrelerde anahtarın tamamen açık veya tamamen kapalı olarak kullanılmasıyla anahtarın aktif bölgede çalışma zorunluluğu ortadan kaldırılarak kayıplar azaltılmıştır

Anahtarlamalı güç kaynakları ilk olarak 1960’lı yıllarda doğrusal güç kaynakları veriminin düşük olmasından dolayı kullanılmaya başlanmıstır. Temelde anahtarlamalı güç kaynaklarının alçaltıcı (buck) çevirici, yükseltici (boost) çevirici ve alçaltıcı-yükseltici çevirici olmak üzere üç tipi bulunmaktadır. Daha sonra günümüzde bu yapılardan Flyback, ileri-yön, yarım köprü ve tam köprü devreler türetilerek farklı kullanım alanları olusturulmustur. Bu yapıların bazıları 200W’ın altında AC-DC için en iyisiyken bazıları daha yüksek güç de kullanılmaktadır. Bu nedenle her bir anahtarlamalı güç kaynağının kendine özgü kullanım alanları bulunmaktadır. En fazla kullanılan anahtarlamalı güç kaynağı Flyback tipi SMPS (Switch Mode Power Supply) olarak bilinmektedir.

Flyback Tipi SMPS devresi

Şekil’de yer alan Flyback tipi SMPS’in devresindeki anahtar iletime geçince diyot ters kutuplanır ve bu esnada endüktans üzerinde enerji depolanır. Anahtar kesime gittiginde endüktansta depolanan enerji çıkış sargı endüktansına aktarılarak diyot üzerinden çıkış beslenir. Ortalama 1W ile 150W arasındaki ve çok çıkıslı uygulamalarda çalışan Flyback tipi SMPS’in tercih edilmesinin sebebi, tasarımının kolay, maliyetinin ucuz, veriminin yüksek ve tasarım boyutlarının ufak olmasıdır. Günümüzde Flyback tipi S.M.P.S’lerin kayıplarını daha aza indirmek için quasi-rezonans tipi SMPS (Quasi-resonant Converter) uygulamaları da mevcuttur.

Bunların yanı sıra, Flyback tipi SMPS ve diger anahtarlamalı kaynakların daha karmasık yapıda olması ve yüksek frekansta anahtarlaması nedeniyle oluşan elektromanyetik girişimin engellenmesi gibi zorlukları da vardır

Bir SMPS devresi doğrusal olmayan bir yük gibi davrandığından güç çarpanının düzeltilmesi (Power Factor Correction) gerekmektedir. Çünkü kaynaktan aktif gücün yanında reaktif güç de çekilir. Bu reaktif gücün elektromanyetik cihazlarda manyetik alan oluşturarak yararlı iş yapması ile hiçbir bağlantısı yoktur. Reaktif gücün sıfır olması, dolayısıyla güç çarpanın (Power Factor) 1 olması istenir. Sistem verimliliğinin arttırılması, hat ile üretim iletim aygıtlarının aşırı yüklenmesinin önlenmesi ve kayıpların azaltılması için güç çarpanı düzeltilmesinin yapılması gerekir

Flyback SMPS

• Flyback Tipi SMPS’in Dezavantajları
• Flyback SMPS’lerin Denetim Yöntemleri
• GÜÇ ÇARPANI VE GÜÇ ÇARPANI DÜZELTME
• Yükseltici Tipi SMPS
• Güç Çarpanı Düzeltme devresinin Tasarımı
• MC33260 Tüm devresinin Çalısma Prensibi
• Yükseltici Tipi Dogrultucunun Tasarımı
• Flyback Tipi SMPS’in Tasarımı
• Flyback Tipi SMPS Trafo Çesitleri
• Flyback Tipi SMPS Trafosu’nun Tasarımı
• Giris Diyotları ve Giris Sıgacının Hesaplanması
• Çıkıs Sargı Endüktansındaki Çıkıs Diyotların Hesaplanması
• Çıkıs Sargı Endüktansındaki Çıkıs Sıgaçlarının Hesaplanması
• Denetleyicinin Seçilmesi
• FSDM0365RNB Denetleyicinin Özellikleri ve Çevre Elemanlarının Tasarımı
• Sönümlendirme Elemanlarının Hesaplanması
• Geri Beslemenin Tasarımı ve Sistem Kararlılıgının incelenmesi
• Aktif Güç çarpanı düzeltme devresi ile flyback Tipi SMPS’in birleştirilmesi

• Çıkış gerilimine karşı çıkış gücü değerine göre SMPS çeşitleri
• Flyback tipi SMPS’in en genel devre şeması
• Flyback tipi SMPS’in çalışma dalga şekli
• Sürekli iletim modu dalga şekilleri
• Süreksiz iletim modu dalga şekilleri
• Flyback tipi SMPS devre şeması
• Gerilim denetim yöntemi devre şeması
• Akım denetim yöntemi devre şeması, Akım fazör şekli
• Kompanzasyon ve aktif güç çarpanı düzeltmesinin dalga şekilleri
• Güç çarpanı düzeltmesinin katı ,Yükseltici tipi SMPS’in devre şeması
• Yükseltici tipi SMPS’in çalışma dalga şekli
• Takipçi tipi dogrultucunun giris gerilimine göre çıkış dalga şekli
• Kritik iletim modu denetleyicinin temel çalışma şeması
• Endüktans akımı dalga şekli
• Yükseltici tipi dogrultucunun devre şeması
• CT sıgaç degerine göre tam yükteki girişe karşı çıkış gerilimi
• Sıfır akım algılama dalga şekli
• Psim programının güç çarpanı düzeltme devre şeması
• Güç çarpanı düzeltmesinin yapılmadıgı durumdaki Vo gerilimi
• Rcs direnç akımı, giris akım ve gerilim dalga şekli ,Vo çıkış gerilimi
• Güç çarpanı düzeltmesinin yapılmadığı durumdaki akım harmonikleri
• Ani giren akımın dalga şekli
• Pratikte hazırlanan güç çarpanı düzeltme devresi
• Flyback tipi SMPS’in devre şeması
• Tel kesit alanının gösterimi
• EE 25/13/7 çekirdeğin geometrik yapısı
• Paralel telden oluşan sarım
• Hesaplanan trafo degerleri
• Trafonun sarım noktasının belirlenmesi
• Dâhili anahtara sahip denetleyicinin Flyback tipi SMPS’deki uygulaması
• Flyback tipi SMPS’deki sızıntı endüktanslarının gösterilisi
• Anahtarın akaç-kaynak gerilim dalga şekli
• Sönümlendirme elemanlı Flyback tipi SMPS
• Sönümlendirme elemanlı Flyback tipi SMPS’in çalışma dalga şekilleri
• Sistemin geri besleme döngüsü
• Flyback tipi SMPS’in çıkış süzgeci
• Minimum yükte çıkış süzgecinin Bode ve evre eğrisi
• Maksimum yükte çıkış süzgecinin Bode ve evre eğrisi
• Hata kuvvetlendiricisine eklenen dengeleyici
• Dengeleyicinin Bode ve evre eğrisi
• Dengeleyicinin sisteme katılmasıyla elde edilen Bode ve evre eğrisi
• Tasarlanan Flyback Tipi SMPS’in devre şeması

SONUÇ VE ÖNERİLER

Flyback tipi SMPS’in önüne aktif güç çarpanı düzeltme devresi uygulanarak sebeke akımının dalga seklinin sebeke gerilimiyle aynı fazda ve akım sinüzoidal olması saglanmıstır. Aktif güç çarpanı düzeltmesi tasarımında takipçi tipi SMPS olarak çalısan denetleyici tercih edilerek kullanılacak PFC endüktansının boyutlarında önemli ölçüde küçülme elde edilmistir. PFC tasarımı asamasında akım algılama direncinin yandıgı gözlemlenmis (Sekil 4.17’deki R6 direnci); bunun sebebinin anlasılması için devre tasarımının simülasyon destegiyle yapılmasına geçilmiştir.

Simülasyon yardımıyla sorunun ani giren akımdan kaynaklandıgı anlasılarak pratik devreye NTC direnç eklenmis olup (Sekil 4.17) böylece akım algılama direncinin yanması önlenmistir. Bu sayede devrenin çalısması saglanmıs ve kullanılan 1’luk Rcs direnci sayesinde devrenin çektigi akım, gerilime dönüstürülerek osiloskop ile ölçüm yapılmıstır. PFC’nin çıkısı gerilimini 400V’ta tuttugu görülmüstür. Simülasyon ve pratikte elde edilen akım dalga sekillerinin birbirine benzedigi görülerek devrenin düzgün çalıstıgı anlasılmıstır.

Aktif güç çarpanı düzeltme devresi tasarlandıktan sonra 22W’lık 5V 2A ve 12V 1A’lik çıkıslara sahip Flyback tipi SMPS tasarımına geçilmistir. Akım denetim yöntemiyle çalısan dâhili anahtara sahip denetleyici seçilerek Flyback tipi SMPS’in elemanlarının bulunması ve SMPS’lerin en sorunlu parçası olan, devrenin verimini en çok etkileyen trafonun tasarlanması detaylıca anlatılmıstır.

Hesaplanan trafoya baglı olarak olusan sızıntı endüktansının, anahtarın akaç-kaynak üzerindeki etkisi ve buna göre sönümlendirme elemanlarının tasarımı gösterilerek güç çarpanı düzeltmesinin yapıldıgı ve yapılmadıgı durumda anahtarın zarar görmesi engellenmistir. Kullanılan denetleyicinin özelligi sayesinde akım sınırlaması yapılmıstır. Böylece istenmeyen herhangi bir akım artısı veya kısa devre durumunda devrenin korunması saglanmıstır. TL 431 ile kurulan devrenin geri besleme döngüsünün tasarımı gösterilmis; sistem kararlılıgının analizi için Bode ve evre egrileri çizilerek Flyback tipi SMPS tasarımı tamamlanmıstır.

Aktif güç çarpanı düzeltme devresiyle birlestirilen Flyback tipi SMPS devresinin güç çarpanı düzeltmesi yapıldıgı ve yapılmadıgı durumun daha iyi anlasılması için güç çarpanı devresine açma-kapama anahtarı konularak devrenin sebeke akımı ve sebeke gerilimi dalga sekillerine bakılmıstır. Güç çarpanının yapılmadıgı durumda sebeke akımının darbeli ve sebeke gerilimine göre faz farkının oldugu Resim 6.8’de görülmektedir.

Güç çarpanı düzeltmesinin yapıldıgı durumda ise anahtarın üzerindeki gerilimin yaklasık 570V oldugu Resim 6.6’da görülmüs ve anahtarın maksimum çalısma geriliminin 650V’u asmadıgı anlasılmıstır. Sebeke akımının sebeke gerilimiyle aynı fazda ve sinüzoidal oldugu ise Resim 6.10’da gösterilmistir. Tam yükteki
güç faktörü düzeltilmis çok çıkıslı Flyback tipi SMPS’in sebekeden çektigi etkin akım (Irms) 0,117A ve etkin gerilim (Vrms) 220V oldugundan giris gücü 25,74W’dır. Buna göre tasarlanan 22W’lık devrenin verimi 22W/25,74W =0,855’dir.

Bu sayede dogrusal güç kaynaklarına göre devrenin yüksek verimde çalısması saglanmıs, sebeke akımı dalga sekli sinüse yakın bir yapı aldıgı için akım harmonikleri azaltılmıs, kaynaktan çekilen reaktif güç en aza indirilmis ve sebeke akımının sebeke gerilimi ile aynı fazda olması nedeniyle de güç çarpanı 1’e yaklastırılmıstır. Böylece, günümüzde ortaya çıkan elektrik enerjisi kayıpları azaltılmıs, enerjinin verimli kullanılması saglanmıstır.