Reka Bentuk Litar Modul Kuasa Flyback untuk Pembaca RFID

Teknologi bekalan kuasa pensuisan telah menyaksikan perkembangan ke arah saiz miniatur, frekuensi tinggi dan kecekapan tinggi selari dengan pembangunan cip bersepadu tinggi dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Cip kawalan bersepadu tinggi menjadikan komponen periferi yang diperlukan menjadi ringkas kerana adalah agak mudah untuk mereka bentuk bekalan kuasa pensuisan bergantung pada perisian reka bentuk. Namun begitu, masalah integrasi tinggi membawa kepada kebebasan reka bentuk yang rendah, ketersediaan cip yang rendah dan harga yang rendah. Perisian reka bentuk yang dibangunkan oleh setiap pengeluar hanya mampu mensimulasikan beberapa jenis cip khas. Dalam aplikasi praktikal, adalah penting untuk mereka bentuk bekalan kuasa pensuisan yang serasi dengan keperluan produk dan mempunyai keadaan operasi yang sangat baik. Berdasarkan keperluan modul kuasa untuk RFID, satu bekalan kuasa pensuisan direka dengan voltan daripada 220VAC kepada 0.5VDC dan dimensi 88mm x 70mm. Memandangkan arus operasi hampir 1.5A dalam proses membaca tag, arus keluaran maksimum bekalan kuasa pensuisan yang direka ditetapkan kepada 3A.

Dalam reka bentuk bersaiz mini dengan kuasa keluaran yang agak rendah, menurut teori Erickson R W, ketersediaan suis kuasa bagi bekalan kuasa suis jenis flyback iaitu 0.385 adalah lebih tinggi berbanding 0.353 yang menggunakan jenis kejutan biasa, jambatan penuh dan jambatan separuh. Oleh itu, struktur penukar flyback dipilih. Dengan mengambil kira kelebihan reka bentuk maklum balas dan pengawal mod arus, cip kawalan PWM mod arus UC3842 dipilih.

Dalam pensuisan kuasa yang menggunakan cip UC3842, reka bentuk litar persisian adalah agak mudah. Struktur cip kawalan PWM mod arus menghapuskan kutub berganda yang dibawa oleh induktans dalam gelung bagi memudahkan reka bentuk gelung maklum balas secara berkesan. Gaya maklum balas terminal keluaran digunakan, yang terdiri daripada tiub penstabil voltan TL431 dan optopengganding. Dalam reka bentuk berasaskan UC3842, pereka cenderung mereka bentuk setiap modul dalam struktur flyback secara bebas, dengan penekanan pada reka bentuk litar bersebelahan dan litar maklum balas, manakala reka bentuk litar lain diabaikan. Sebagai contoh, menurut teorem unsur tambahan oleh Dr. Middlebrook, impedans masuk penapis input mestilah jauh lebih kecil daripada impedans masuk penukar. Jika tidak, turun naik mungkin berlaku pada litar. Reka bentuk ini membincangkan dengan teliti reka bentuk litar bersebelahan seperti reka bentuk litar penapis input, pampasan cerun dan reka bentuk litar pembumian. Skim reka bentuk ditentukan melalui simulasi Saber dan kesesuaiannya dengan keperluan serta kestabilannya disahkan melalui penyahpepijatan dengan RFID.

Teori Asas Kuasa Suis Flyback

Teori reka bentuk asas bagi kuasa suis adalah menukarkan VAC kepada VDC untuk membekalkan kuasa kepada cip IC yang menukarkan DC kepada HFAC yang kemudiannya ditukarkan kepada keluaran DC. Maklum balas menstabilkan voltan keluaran daripada sampel DC keluaran dan input kawalan suis IC. Teori kuasa suis digambarkan dalam Rajah 1.

Struktur gelung tertutup dwi-mod semasa digunakan dalam penukar kawalan bagi bekalan kuasa suis flyback. Ciri penukar flyback terletak pada hakikat bahawa apabila tiub suis berada dalam keadaan tertutup, tenaga induktans di dalam gegelung pada satu sisi pengubah membekalkan kuasa kepada pembawa melalui diod penerus, manakala apabila tiub suis berada dalam keadaan terbuka, tenaga disimpan di dalam gegelung pengubah dan keluaran dibekalkan oleh tenaga yang disimpan di dalam kapasitor keluaran. Rajah skematik penukar flyback ditunjukkan dalam Rajah 2.

Apabila voltan yang dikesan oleh perintang pengesanan outputR₁danR₂adalah kurang daripada voltan rujukanV_ruj., ralat meningkat melalui penguat ralat dengan tiub pensuisanS₁terbuka. Induktans utama dan arus pengubah meningkat mengikut kecerunan (V_g-V_pada)/L_m. Perintang pensampelanR_smenukar induktansi primer dan arus kepada voltan pensampelan. Berdasarkan perbandingan antara voltan pensampelan pada perintang pensampelanR_sdan voltan ralat, apabila voltan pada perintang pensampelanR_snaik ke nilai yang lebih tinggi daripada voltan ralat, aras rendah akan dikeluarkan dan tiub pensuisan ditutup sehingga ketibaan jam seterusnya. Kuasa suis flyback tidak memerlukan induktor kuasa keluaran dan induktor pengubah boleh digunakan terus untuk kuasa yang mempunyai struktur topologi yang ringkas. Litar kawalan terutamanya bergantung pada cip PWM mod arus UC3842 dan litar persisian.

Cip PWM Mod Semasa UC3842

CPU kawalan yang digunakan dalam reka bentuk ini ialah cip PWM UC3842 dalam mod frekuensi tetap dan arus tetap, yang mengintegrasikan komponen kawalan penting seperti pengayun, penguat ralat, pembanding PWM dan pencetus SR. Cip ini mempunyai fungsi perlindungan bawah voltan dan lebihan arus dengan mod keluaran jenis totem pole, frekuensi kerja 500kHz, arus permulaan kurang daripada 1mA dan arus keluaran maksimum 1A.

Fungsi pin adalah berbeza antara satu sama lain. Pin 7 adalah untuk bekalan kuasa. Apabila voltan melebihi ambang mula perlahan 16V, pencetus Schmitt mengeluarkan aras tinggi. Pengawal selia voltan membekalkan voltan rujukan 5V kepada pin 8 dan apabila voltan lebih rendah daripada 10V, pencetus Schmitt mengeluarkan aras rendah dengan penguncian voltan rendah. Tiub penstabil dalaman mengehadkan voltan input maksimum dalam 36V. Kuasa dibekalkan kepadaC_tmelalui pin 4 melalui litar RC luaran dan melalui pin 8 melalui perintangR_tdanC_tmenentukan frekuensi pengayun melalui sumber arus dalaman yang menjana elektrik. Pin 2 ialah input songsang penguat ralat manakala pin 1 ialah output penguat ralat untuk membekalkan pampasan. Pin 3 ialah pin pengesanan arus, menentukan kitar tugas melalui output penguat ralat dan apabila voltan pin 3 melebihi 1V, aliran arus ditutup. Pin 6 membekalkan output mod totem pole dengan arus kerja maksimum 1A, mempercepatkan penutupan tiub pensuisan.

Reka Bentuk Kawalan Kuasa Suis Flyback

Rajah skematik bahagian kawalan ditunjukkan dalam Rajah 3 di bawah. Bahagian kawalan penukar flyback kebanyakannya disepadukan di dalam cip UC3842 dan hanya beberapa komponen luaran diperlukan untuk melaksanakan fungsi kawalan yang dikehendaki. Modul fungsi kawalan utama termasuk litar permulaan, reka bentuk frekuensi, litar perlindungan, litar pemacu dan pampasan cerun.

• Reka bentuk litar dan frekuensi permulaan

Litar pemula membekalkan pin 7 dengan voltan permulaan melebihi 16V. Apabila sistem bermula, kuasa dibekalkan kepada pin 7 oleh lilitan tambahan. Frekuensi kerja sistem ini ditentukan oleh kapasitor pemasaan dan perintang di antara pin 8 dan pin 4. Voltan rujukan 5V pada pin 8 membekalkan kuasa kepada kapasitorC₁₅melalui perintangR₉. KapasitorC₁₅kemudian menjana gelombang gigi gergaji melalui sumber arus dalaman yang menjana elektrik yang tempoh masanya menentukan masa mati bagi cip yang mengeluarkan PWM. Untuk memastikan prestasi, masa mati hendaklah kurang 5% daripada tempoh ayunan. Berdasarkan rajah jujukan pemasaan, boleh diperoleh bahawaC₁₅ialah 3.3nF dan frekuensi kerja 47kHz. Mengikut formulaf_osc= 1.7/(R_rujukanxC₁₅), nilaiR₉ialah 11kHz.

• Litar balik semasa ini

Litar lipatan semasa bagi cip semasa ini menukarkan arus induktor pada bahagian primer kepada voltan keluaran penguat voltan dan ralat yang dilaksanakan oleh pembanding PWM melalui perintang pengesanan arus lampau. Apabila voltan pada pin 3 melebihi 1V, keluaran akan terputus. Arus puncak induktor sepatutnya 1A dan nilai perintang pengesanan arusR₁₃sepatutnya 1Ω. Untuk mengelakkan pemadaman ralat yang disebabkan oleh puncak arus induktor pada bahagian primer pengubah,R₁₁danC₁₄diakses untuk menapis puncak dan arus puncak adalah kira-kira ratusan nanosaat. Dalam keadaan di mana R11 sepatutnya 1k dan C14 500pF, pemalar masa τ =RC= 500ns.

• Litar pemacu tiub MOS

Litar pemacu tiub MOS bertanggungjawab terhadap bentuk gelombang PWM yang sangat baik, terutamanya pada tepi jatuh. Sambungan bersiri antara pin keluaran 6 dan perintang siri gridR₆akan mengurangkan turun naik parasit frekuensi tinggi yang disebabkan oleh kapasitans input tiub MOS dan sebarang induktans plumbum bersiri dalam litar. Untuk memastikan gelombang PWM suis tiub MOS, nilaiR₆sentiasa kecil dalam julat dari puluhan hingga dua puluh lebih ohm. NilaiR₈Sepatutnya ialah 15kΩ sebagai perintang pembuang grid tiub MOS.

• Pampasan cerun

Dalam kawalan mod arus puncak, nilai puncak arus induktor ditetapkan secara berterusan manakala nilai purata arus induktor tidak. Perubahan kitar tugas akan mengubah arus purata dan gelang dalam kawalan arus puncak memastikan nilai puncak arus induktor tetapi gagal mengawal nilai purata arus induktor yang betul dan serasi dengan voltan keluaran, menyebabkan voltan keluaran sentiasa berubah. Apabila kitar tugas melebihi 50%, riak arus induktor akan menghasilkan ayunan. Dalam reka bentuk ini, pampasan cerun diperlukan. Penggunaan pampasan cerun atas merujuk kepada penindanan voltan cerun positif pada isyarat sampel arus. Pampasan kapasitif digunakan dalam reka bentuk ini dengan sebuahC₅₁sebanyak 100pF ditambah antara pin 3 dan pin 4 dan isyarat ayunan pengayun membekalkan kuasa kepadaC₅₁dan pin 3 melalui kapasitor. Dengan jenis pampasan cerun ini, kapasitansinya agak kecil pada susunan pF untuk mengelakkan menarik arus pengayun dan menghasilkan voltan negatif yang terlalu besar pada pin 3.

Reka Bentuk Litar Pinggir bagi Kuasa Suis Flyback

• Reka bentuk litar untuk EMI dan penapis penerus

Untuk menapis gangguan rangkaian kuasa frekuensi tinggi terhadap peranti dan pengaruh suis frekuensi tinggi terhadap rangkaian kuasa, litar penapis EMI hendaklah disambungkan pada bahagian input. Rajah litar gelombang penapis EMI biasa ditunjukkan dalam Rajah 4.

C₁disambungkan pada port input grid kuasa sementaraC₂adalah dengan port input peranti untuk menghapuskan gangguan mod pembezaan.Lberkongsi arah yang sama dengan tercekik mod biasa untuk menapis gangguan mod biasa sementaraC₁₆danC₁₇disambungkan dengan bumi untuk menapis gangguan mod sepunya.

Arus bocor bagiC₁₆danC₁₇dikira mengikut formula:. Untuk dua kapasitor yang sama, amplitud arus bocor hendaklah mematuhi formula:, di manafmerujuk kepada frekuensi grid kuasa dengan nilai 50Hz,Cmerujuk kepada jumlah kapasitans 4400pF ke bumi, danVmerujuk kepada voltan bumi 110V. Oleh itu, nilaiSaya_kebocoranialah 0.15mA yang serasi dengan arus ulang-alik dengan nilai sah 220VAC selepas EMI serasi dengan piawaian keselamatan. Amplitudnya ialahmanakala DCV keluaran adalah. Voltan tembus songsang diod hendaklah memenuhi keperluan berikut:.Cmerujuk kepada kapasitans penapis sementaraR_Lmerujuk kepada beban. Semakin besar pemalar masaR_LC ialah dan lebih lancar kapasitansinya, lebih baik kesan penapisnya. Diod ln4007 dengan voltan tahan tinggi dipilih.

• Ayunan yang disebabkan oleh impedans keluaran penapis dan impedans input penukar

Ketidakserasian antara impedans masukan penukar dan impedans keluaran penapis juga berkemungkinan menyebabkan osilasi. Impedans masukan penukar bagi sistem gelung boleh dianggap sebagai suatu perintang negatif (). Penapis ialahLCpenapis dan fungsi pindahan boleh diperoleh dengan ESR bagi induktans dan kapasitans.

Impedans masukan penukar bagi ayunan malar sistem hendaklah mematuhi formula:.

Oleh itu, hanya jika impedans masukan penukar gelung adalah kurang daripada impedans keluaran ayunan penapis yang dikira, pekali redaman fungsi pindahan adalah nilai positif yang akan menjadi mantap bagi mengurangkan ayunan. Jika tidak, litar akan berayun.

• Reka bentuk litar snubber

Untuk mengelakkan tiub frekuensi daripada rosak akibat voltan lebih semasa pemadaman, litar penyerap RCD pada sisi primer perlu dipasang pada pengubah. Port keluaran memecahkan diod keluaran untuk mengelakkan kerosakan teruk dengan penambahan litar penyerap keluaran, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5.

Dalam proses kerosakan tiub MOS, arus tepi utamasaya_dmembekalkan kuasa kepada kapasitans kebocoran parasit sumber melalui kebocoran tepi primer pengubah. Voltan frekuensi tinggi ini mungkin menyebabkan voltan pada tiub suis melebihi voltan tahan dan memecahkan tiub suis, jadi satu litar penyerap RCD ditambah untuk menyediakan laluan pengepungan voltan. Diod pemulihan pantas FR107 dengan voltan tahan tinggi dipilih, perintang RCD 5kΩ dan kapasitans 3300pF.

Apabila input dibuka dengan tiub MOS dibuka, voltan yang dikenakan pada diod Schottky keluaran () dan kerosakan teruk tiub MOS membawa kepada kerosakan diod. Dengan penambahan litar penyerap RC, voltan pada diod SchottkyV_D=V_O+Saya_OxR₃. Masa buka 2SK792 bagi tiub MOS ialah 55ns, voltan tahan songsang diod Schottky SB540 ialah 60V, keluaranV_Oialah 5V dan arus maksimum ialah 3A. Oleh itu, rintangan setara bagi litar snubber maksimum ialah 18.33Ω dan (). Apabila R ialah 18Ω dan C ialah 560pF, rintangan siri setara ialah 18.06Ω.

• Reka bentuk litar keluaran

Pembetulan dilaksanakan oleh bahagian keluaran melalui diod Schottky dan penapisan menggunakan kapasitor dengan ESR rendah, dengan ESR kapasitor setara yang mengurangkan keluaran, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6.

Litar pensampelan output diperoleh melaluiR₅danR₁₂voltan pembezaan dan nilaiR₁₂ditentukan dengan merujuk kepada arus terminal keluaran TL431 iaitu 1.5μA. Untuk mengelakkan arus mempengaruhi nisbah voltan beza dan hingar, arus melalui perintangR₁₂hendaklah lebih daripada 100 kali arus input TL431. Rlow<2.5/150μA=16.6kΩ. Oleh kerana arus kerja TL431 berada dalam julat dari 1mA hingga 100mA, apabila arusR₅hampir 0, arus 1mA dibekalkan kepada TL431 olehR₁₄(R₁₄<U_f/1mA). Berdasarkan manual PC817B,U_f= 1.15V, nilaiR₁₄boleh menjadi 1kΩ kerana nilainya hendaklah kurang daripada 1.15 kΩ.

Berdasarkan lengkung ciri triode dalam PC817B, apabila arus hadapan transistor kira-kira 7mA, nilaiSaya_Cadalah 7mA juga dan voltan pemancar adalah linear dalam julat yang agak luas dengan uc3842comp linear. CTR dalam PC817B berada dalam julat dari 1.3 hingga 2.6. Apabila nilaiSaya_Cialah 7mA, dengan mengambil kira situasi paling teruk, nilai CTR ialah 1.3. Arus maksimum yang mengalir melalui LED dikehendaki untuk menjadiSaya_f=Saya_C/1.3 = 5.38mA,R₄<(5 -U_ka-U_f)/5.38mA = (5 - 1.15 - 2.5)/5.38mA = 250Ω. Arus maksimum yang boleh ditanggung oleh TL431 ialah 150mA manakala arus maksimum yang boleh ditanggung oleh PC817 ialah 50mA. Oleh itu, arus maksimumR₄menyediakan ialah 50mA denganR₄>(5 - 1.15 - 2.5)/50mA = 27Ω. Jadi julatR₄adalah antara 27Ω dan 250Ω dengan nilai 150Ω dipilih.

• Reka bentuk litar pembumian

Transformer digunakan sebagai penebat bumi antara bumi sejuk dan bumi panas dalam bekalan kuasa suis. Bumi panas pada bahagian primer transformer boleh membentuk gelung melalui grid elektrik dan bahagian sekunder transformer merujuk kepada gelung yang dibentuk oleh bumi sejuk dan bumi. Kapasitor keselamatanYdiambil olehC₁₆danC₁₇untuk menyambungkan talian sifar dan talian hidup ke bumi rangka bagi menapis gangguan mod sepunya. KapasitorC₁₈antara tanah panas dan tanah sejuk menukarkan hingar pada bahagian sekunder pengubah kepada litar pintas primer untuk mengurangkan gelombang elektromagnet sinaran.

Sumber Berguna
•Pengenalan Komprehensif tentang IoT Berasaskan RFID
•Reka Bentuk PCB Berkuasa Tinggi dalam Persekitaran Suhu Tinggi
•Cara Mengatasi Kecacatan Pembumian Bekalan Kuasa Kawalan Berdasarkan Pengurangan Penebatan dalam Reka Bentuk PCB
•Perbincangan tentang Kuasa dan Bumi dalam Keserasian Elektromagnet PCB
•Cara Menganalisis dan Menghalang Impedans Kuasa PCB Berkelajuan Tinggi
•PCB Berlapik Aluminium: Penyelesaian untuk Aplikasi Kuasa Tinggi dan Toleransi Ketat
•Perkhidmatan Pembuatan PCB Ciri Penuh daripada PCBCart - Pelbagai Pilihan Nilai Tambah
•Perkhidmatan Pemasangan PCB Termaju daripada PCBCart - Bermula dari 1 keping