Bu yazımda şebeke gerilimi ile çalışabilen DC-DC dönüştürücü topolojilerinden Flyback ve Forward Topolojisi hakkında bilgiler vereceğim.
SMPS devreleri için farklı topolojilerin kullanılmasının en önemli nedeni 'güç yoğunluğu (power density) ve verimliliktir. Farklı güç yoğunlukları için devrelerin tasarım ihtiyaçları da farklılık göstermektedir. Bunun yanı sıra topolojiler de kendi içlerinde farklı şekillerde tasarlanabilmektedir. Aşağıdaki tabloda SMPS devrelerinin temel topolojileri ve özellikleri gösterilmiştir.
 |
| SMPS Topoloji Karşılaştırması |
FLYBACK TOPOLOJİSİ
Flyback devreleri yüksek verimleri, kolay tasarımları, düşük maliyetleri, primer sekonder izolasyonlu yapıları ve çoklu çıkış özellikleri nedeniyle düşük güç yoğunluğu gerektiren uygulamalarda günümüzde en çok kullanılan SMPS topolojisidir. 150 Watt güce kadar verimli olarak kullanılanabilen Flyback Topolojisi çıkışında filtre indüktörü bulunmaması, tek transistörlü ve tek diyotlu yapısı nedeniyle tasarlanması kolay ve maliyeti düşük bir topolojidir. Günümüzde 100 W güce kadar tasarlanmış olan PWM Controller entegrelerinde anahtarlama MOSFET' lerinin dahili bulunduğu entegre paketleri de mevcuttur. (Bakınız) Bu nedenle telefonlarımızın, bilgisayarlarımızın şarj aletlerinde, günlük kullandığımız adaptör devrelerinde sıklıkla karşılaştığımız bir topolojidir.
Flyback devreleri, trafolarının primer sargısına seri bağlı bir anahtarlama elemanından (çoğunlukla MOSFET), anahtarlama elemanının gate' ni sürecek bir controller entegresinden (PWM Controller Entegreleri için detaylı bilgi almak için bir önceki yazıma bakabilirsiniz) ve trafolarının sekonder kısmında bir diyot ve filtre kondansatör grubundan oluşur.
Flyback devrelerinin çalışma prensibinden temel olarak bahsedecek olursak; trafoya seri olarak bağlı anahtarlama elemanı ON durumundayken (anahtar kapalıyken), primerden akım akmaya başlar, bu akım trafonun manyetik etkisi sebebiyle primer bölgesinde enerji biriktirir ve çıkışta bulunan diyot kesime girer. Buna bağlı olarak trafo indüktör/bobin gibi davranır ve değeri primerinde biriken enerji ile primer indüktansının toplamına eşittir. Çıkış diyotunun kesime girmesine bağlı olarak çıkış yükü, çıkış kondansatörü üzerinden beslenir. Transistör OFF duruma geldiğinde (anahtar açık) ise çıkış diyotu iletime geçer ve trafonun primerinde biriken enerji sekondere aktarılır. Çıkış kondansatörü şarj olur ve çıkış yükü beslenir. ON ve OFF durumlarının bu eğilimi trafonun sarım sargılarının yönü ve manyetik yapısıyla ilgilidir.
 |
| Flyback ON & OFF Durumlarında Akım Yönü |
Flyback devrelerinin tasarımlarında akım durumlarına bağlı olarak farklı tasarımlar yapmak mümkündür. Bunu kısaca açıklamak gerekirse Sürekli Akım Modu (Continuous Current Mode), Süreksiz Akım Modu (Discontinuous Current Mode) ve Yarı Rezonant Modu' dur (Quasi Resonant Mode). Bunların arasında sıklıkla karşılaştığımız yöntem 60W güce kadar Discontinuous Current Mode (DCM) ve 60W üzerindeki güçlerde Continuous Current Mode (CCM) yöntemleridir. CCM tasarımında devre sürekli akım çekmektedir. Yani anahtarlama elemanının ON ve OFF durumlarında da akım gözlemlenmektedir. DCM' da ise anahtar OFF konumuna geldiğinde akım sıfırlanır ve böylece devreden sürekli akım çekilmesinin önüne geçilmiş olunur. Bu iki yöntemin de avantaj ve dezavantajları mevcuttur. Bu nedenle tasarlanacak devrenin gereksinimlerine göre akım modları seçilmelidir. Ayrıca ihtiyaçlar doğrultusunda Flyback devreleri tek ve çift anahtarlı olarak tasarlanabilir. Bu yazıda tek anahtarlı tasarımlara değinilecektir ve Flyback devrelerinin çalışmaları ve tasarımları hakkında genel bir bilgi verilecektir.
 |
| Discontinuous Mode Primer ve Sekonder Akım Dalga Formları |
 |
| Continuous Mode Primer ve Sekonder Akım Dalga Formları |
 |
| RCD Snubber Devresi ile Flyback Temel Topolojisi |
Bu önlemler alındıktan sonra kaçak indüktansı daha da minimize etmeye yarayan, temel topolojiye ek olarak kullanılan devre modelleri bulunmaktadır. Bu devre modellerine "Aktif/Pasif Clamp" devreleri ya da "Snubber Devreleri" denmektedir. Yukarıdaki görselde görüldüğü gibi Rs, Cs ve D2 elemanlarından oluşan devreye RCD Snubber Devresi denmektedir. Snubber Devrelerini temel olarak açıklamak gerekirse, kaçak endüktansa bağlı oluşan enerjiyi devre üzerinde ısıya dönüştürerek düzenleyen devrelerdir. Ancak enerjiyi ısıya dönüştürdüğünden dolayı bu ek tasarımlar güç kaynağının verimini olumsuz yönde etkilemektedir. Aktif Clamp tasarımları günümüzde SMPS devrelerinde görebildiğimiz ve daha verimli ek devreler olsa da zor tasarımları ve fiyat/performans değerlendirmeleri yapıldığında kullanım oranları hala sorunsuz çalışan Pasif Clamp devrelerinin gerisindedir. Yukarıdaki görseldeki devrenin çalışma prensibinden bahsedecek olursak; MOSFET OFF duruma geçtiğinde trafo üzerinde kaçak endüktansa bağlı olarak oluşan kaçak enerji D2 diyotunu iletime geçirir. Cs kondansatörü, bu kaçak enerji ile şarj edilir. Enerji Rs direnci üzerinden dağıtılır ve steady-state durumunda Clamp gerilimi Rs direnci ile doğru orantılıdır.
 |
| RCD Snubber Tasarım Formülleri |
Bir RCD snubber oluşturmak için gerekli olan formüller soldaki görselde verilmiştir. Burada "Vsn" değeri devrede kullanılacak anahtarlama elemanının dayanım gerilimine bağlı olarak seçilmesi gereken snubber gerilimidir. Vro değeri Overshoot yani kaçak endüktansa bağlı oluşan kaçak enerjinin peak gerilim değeridir. ΔVsn, snubber ripple değeridir ve snubber voltajının %10 ile %20' si arasında alınması gayet makuldur. Lm trafonun mıknatıslama endüktansı Ids2 hesaplanan Drain Source akımının son halidir. Llk değeri ise kaçak endüktans değeridir, bu değer iyi bir trafo sarımı için %1, ortalama ve kötü bir trafo sarımı için %2/3 olarak alınabilir. Clamp devresinde kullanılan diyotun karakteristiği devrenin EMC değerleri için oldukça önemlidir. Bu nedenle de reverse-recovery süresi düşük olan bir diyot kullanmakta fayda vardır. Bu diyotun türü de güç uygulamarında çoğunlukla Schottky Diyot olarak seçilmektedir.
Snubber devresi için yukarıdaki görselde belirtilen hesaplamalar yapıldıktan sonra snubber devresinin harcayacağı güç 2.5 Wattlık bir gücün altında çıkarsa ZD Clamp devresi kullanmak pratikte kabul edilir bir yöntemdir. Bu yöntem günümüzde sıklıkla karşımıza çıkan diğer bir clamp yöntemidir ve özel bir diyot modeli olan TVS diyotlarla tasarlanmaktadır. TVS diyotlar belirli bir gerilime kadar üzerinden akım geçirmeyen ancak kendi kapasitelerinin üzerindeki değerlerde kısa devre olarak üzerinden akım geçiren diyotlardır. Flyback devrelerinde de Clamp tasarımlarında bir dirençle beraber kullanılabilmektedir. Bu kullanımda da overshoot anında diyot kısa devre olarak kaçak enerjiyi üzerinde tutar ve anahtarlama elamanlarının zarar görmesini engellemektedir.
Flyback devrelerinde açıklamamız gereken önemli noktalardan bir diğeri de çıkış diyotlarıdır. Çıkış diyotları için dikkat edilmesi gereken parametre "Reverse-Recovery Time" dır. Bu parametreyi Türkçe' ye çevirmek pek doğru değil. Bu nedenle kısaca ne olduğundan bahsedeceğim. Diyotlar, üzerlerine gerilim düştüğü anda iletime geçer ve gerilim kesildiğinde de iletimden çıkar. Ancak iletimden çıkma anında üzerinde kalan "Majority Charge" ın giderilmesi gerekmektedir. Bunu önlemek için diyotun üzerinden ters yönde akım geçirilmeli ya da diyotun üzerinden akım geçirilmeyerek denge durumuna gelmesi beklenmelidir. Bu denge durumuna gelene kadar geçen süreye "Reverse Recovery Time" denmektedir. Tüm diyotların hızları direkt olarak bu parametre ile ilişkilidir. Günümüzde güç uygulamalarında kullanılabilecek en hızlı diyotlar Schottky Diyotlardır. Bu nedenle Flyback devrelerinin çıkışlarında schottky diyot kullanılması oldukça önemlidir.
Flyback devrelerinde çıkış kondansatörlerinin kullanımı DC gerilimi filtreleme ve hat üzerinde oluşup çıkış performansına etki edebilecek ripple ve gürültüleri düzenlemek için oldukça önemlidir. SMPS devrelerinin giriş ve çıkış kondansatörleri bu devrelerin ömürlerine direkt etki eden komponentlerdir. Flyback devreleri için çıkış kondansatörünü seçilirken yüksek akım ripple değerine sahip bir kondansatörün kullanılması tasarımın ömrünü uzatan bir parametredir. Ayrıca seçilen kondansatörün ESR değerinin de mümkün olduğunca düşük olması önemlidir. Akım ripple değeri ve ESR değerlerinin tek kondansatör ile karşılanmaması halinde birden çok kondansatör birbirine paralel olarak kullanılabilmektedir. Seçim yapılırken çıkış hattına 100/47/22 nF gibi küçük bir kondansatörün kullanılması da yüksek frekanslardaki ripple ve gürültülere karşı bir filtreleme görevi görecektir.
Bir SMPS devresinin çıkışını regüleli hale getirebilmek için kullanılması gereken diğer bir ek devre modeli de "Feedback Devreleri" dir. Feedback devrelerinin tasarımı topolojilere göre farklılık gösterirken Flyback tasarımlarında diğer topolojilere göre daha kolay denebilir. Burada önemli olan nokta devrenin primer ve sekonder bölgesinin izole olmasıdır. Bu izolasyonu sağlayabilmek için genellikle optik izolasyon yani opto-couplerlar kullanılmaktadır. Voltaj referans kaynakları feedback devrelerinde opto-couplerlarla beraber kullanılmasına alışık olduğumuz komponentlerdendir. En çok kullanılan voltaj referans kaynağı da TL431' dir. TL431 orta ucunda 2.5V tutan bir gerilim referans kaynağıdır. Flyback devresinin çıkışından alınan gerilim bir gerilim bölücü yapısıyla bölünerek orta noktası 2.5 volt olacak şekilde ayarlanır ve TL431' in orta ucuna verilir. Flyback devresinin çıkışında gerilimin düşmesi veya yükselmesi durumlarında TL431' in orta ucundaki gerilimin (2.5V) değişimi, opto-couplerın akımının değişimine yol açacaktır. Bu değişim opto-coupler üzerinden devrenin primerinde bulunan PWM-Controller entegresinin feedback ucuna yansıtılarak entegrenin duty-cycle' nı düzenlemesine sağlayacaktır.
SMPS devreleri için 3 farklı feedback yöntemi mevcuttur. Bunlar frekans, gerilim ve akım yöntemleridir. Flyback devrelerinde en çok karşımıza çıkan yöntem akım feedback yöntemidir. Bu yöntem düşük güç yoğunluklu devreler için en kolay tasarımdır. Feedback konusunda değinmemiz gereken diğer bir parametre ise "Akım Sınırı"dır. Akım sınırı günümüzde bir çok PWM-Controller entegresinde bir direnç yardımıyla sağlanmaktadır. Çıkış akımının kontrolsüz yükselmesini ve devrenin zarar görmesini engellemek için kullanılan akım sınırı devreleri SMPS devrelerinde düşük ve yüksek güç yoğunluklu tasarımlarda karşımıza farklı yöntemlerle çıkabilen bir ek devre modelidir.
Snubber devresi için yukarıdaki görselde belirtilen hesaplamalar yapıldıktan sonra snubber devresinin harcayacağı güç 2.5 Wattlık bir gücün altında çıkarsa ZD Clamp devresi kullanmak pratikte kabul edilir bir yöntemdir. Bu yöntem günümüzde sıklıkla karşımıza çıkan diğer bir clamp yöntemidir ve özel bir diyot modeli olan TVS diyotlarla tasarlanmaktadır. TVS diyotlar belirli bir gerilime kadar üzerinden akım geçirmeyen ancak kendi kapasitelerinin üzerindeki değerlerde kısa devre olarak üzerinden akım geçiren diyotlardır. Flyback devrelerinde de Clamp tasarımlarında bir dirençle beraber kullanılabilmektedir. Bu kullanımda da overshoot anında diyot kısa devre olarak kaçak enerjiyi üzerinde tutar ve anahtarlama elamanlarının zarar görmesini engellemektedir.
Flyback devrelerinde açıklamamız gereken önemli noktalardan bir diğeri de çıkış diyotlarıdır. Çıkış diyotları için dikkat edilmesi gereken parametre "Reverse-Recovery Time" dır. Bu parametreyi Türkçe' ye çevirmek pek doğru değil. Bu nedenle kısaca ne olduğundan bahsedeceğim. Diyotlar, üzerlerine gerilim düştüğü anda iletime geçer ve gerilim kesildiğinde de iletimden çıkar. Ancak iletimden çıkma anında üzerinde kalan "Majority Charge" ın giderilmesi gerekmektedir. Bunu önlemek için diyotun üzerinden ters yönde akım geçirilmeli ya da diyotun üzerinden akım geçirilmeyerek denge durumuna gelmesi beklenmelidir. Bu denge durumuna gelene kadar geçen süreye "Reverse Recovery Time" denmektedir. Tüm diyotların hızları direkt olarak bu parametre ile ilişkilidir. Günümüzde güç uygulamalarında kullanılabilecek en hızlı diyotlar Schottky Diyotlardır. Bu nedenle Flyback devrelerinin çıkışlarında schottky diyot kullanılması oldukça önemlidir.
Flyback devrelerinde çıkış kondansatörlerinin kullanımı DC gerilimi filtreleme ve hat üzerinde oluşup çıkış performansına etki edebilecek ripple ve gürültüleri düzenlemek için oldukça önemlidir. SMPS devrelerinin giriş ve çıkış kondansatörleri bu devrelerin ömürlerine direkt etki eden komponentlerdir. Flyback devreleri için çıkış kondansatörünü seçilirken yüksek akım ripple değerine sahip bir kondansatörün kullanılması tasarımın ömrünü uzatan bir parametredir. Ayrıca seçilen kondansatörün ESR değerinin de mümkün olduğunca düşük olması önemlidir. Akım ripple değeri ve ESR değerlerinin tek kondansatör ile karşılanmaması halinde birden çok kondansatör birbirine paralel olarak kullanılabilmektedir. Seçim yapılırken çıkış hattına 100/47/22 nF gibi küçük bir kondansatörün kullanılması da yüksek frekanslardaki ripple ve gürültülere karşı bir filtreleme görevi görecektir.
Bir SMPS devresinin çıkışını regüleli hale getirebilmek için kullanılması gereken diğer bir ek devre modeli de "Feedback Devreleri" dir. Feedback devrelerinin tasarımı topolojilere göre farklılık gösterirken Flyback tasarımlarında diğer topolojilere göre daha kolay denebilir. Burada önemli olan nokta devrenin primer ve sekonder bölgesinin izole olmasıdır. Bu izolasyonu sağlayabilmek için genellikle optik izolasyon yani opto-couplerlar kullanılmaktadır. Voltaj referans kaynakları feedback devrelerinde opto-couplerlarla beraber kullanılmasına alışık olduğumuz komponentlerdendir. En çok kullanılan voltaj referans kaynağı da TL431' dir. TL431 orta ucunda 2.5V tutan bir gerilim referans kaynağıdır. Flyback devresinin çıkışından alınan gerilim bir gerilim bölücü yapısıyla bölünerek orta noktası 2.5 volt olacak şekilde ayarlanır ve TL431' in orta ucuna verilir. Flyback devresinin çıkışında gerilimin düşmesi veya yükselmesi durumlarında TL431' in orta ucundaki gerilimin (2.5V) değişimi, opto-couplerın akımının değişimine yol açacaktır. Bu değişim opto-coupler üzerinden devrenin primerinde bulunan PWM-Controller entegresinin feedback ucuna yansıtılarak entegrenin duty-cycle' nı düzenlemesine sağlayacaktır.SMPS devreleri için 3 farklı feedback yöntemi mevcuttur. Bunlar frekans, gerilim ve akım yöntemleridir. Flyback devrelerinde en çok karşımıza çıkan yöntem akım feedback yöntemidir. Bu yöntem düşük güç yoğunluklu devreler için en kolay tasarımdır. Feedback konusunda değinmemiz gereken diğer bir parametre ise "Akım Sınırı"dır. Akım sınırı günümüzde bir çok PWM-Controller entegresinde bir direnç yardımıyla sağlanmaktadır. Çıkış akımının kontrolsüz yükselmesini ve devrenin zarar görmesini engellemek için kullanılan akım sınırı devreleri SMPS devrelerinde düşük ve yüksek güç yoğunluklu tasarımlarda karşımıza farklı yöntemlerle çıkabilen bir ek devre modelidir.
Sign up here with your email
ConversionConversion EmoticonEmoticon