Flyback güç kaynağı zımbırtısının gizemli hesaplamaları

[FxDev]

Anaog kontrolden dijital kontrole geçildiğinde büyük farklar söz konusu olur.

1) ADC Ölçümünden kaynaklı çözünürlük kaybı var.
2) ADC Ölçüm hızından dolayı sistemin kontrol girişinden kontrol çıkışına faz farkı biniyor. (1MIPS olsa 1us)
3) İşlemci bunları hesaplarken bir faz farkı daha biniyor. (Algoritmaya göre 1-2us to 5-10us)
4) PWM çözünürlüğü konusunda çözünürlük kaybı oluyor.

Dolayısı ile Analog vs. Dijital yapıldığında analog her zaman dijitali kontrolde döver.

PWM ve ADC çözünürlükleri ihmal edilebilir derseniz bu faz farkları çok ciddi sonuçlara neden olabilir. Dolayısı ile bu işlemler hemen hesaplansın ve faz farkı çok az olsun diye, sinyal işlemede FPGA tercih edilir. Çoğu skop'un ADC'si 8 bittir örneğin ama kaç MIPS, 50-100MIPS. Sinyal işlerken de FPGA kullanılıyor.

[elektraHobi]

Merhaba Üstadlar
ben konuya  yeni girdim ve  yazdıklarınızı okudum bildiğim kadarıyla  flyback konvertörler 150-120W altındaki güç değerleri için kullanılıyor ve verimleri %85-90 arası ancak diğer konverötler buck konvertör, boost konvertör vb. verimleri %90'nın üstünde bunun nedenini söyleyebilirmisiniz?

[kralsam]

Anaog kontrolden dijital kontrole geçildiğinde büyük farklar söz konusu olur.

1) ADC Ölçümünden kaynaklı çözünürlük kaybı var.
2) ADC Ölçüm hızından dolayı sistemin kontrol girişinden kontrol çıkışına faz farkı biniyor. (1MIPS olsa 1us)
3) İşlemci bunları hesaplarken bir faz farkı daha biniyor. (Algoritmaya göre 1-2us to 5-10us)
4) PWM çözünürlüğü konusunda çözünürlük kaybı oluyor.

Dolayısı ile Analog vs. Dijital yapıldığında analog her zaman dijitali kontrolde döver.

PWM ve ADC çözünürlükleri ihmal edilebilir derseniz bu faz farkları çok ciddi sonuçlara neden olabilir. Dolayısı ile bu işlemler hemen hesaplansın ve faz farkı çok az olsun diye, sinyal işlemede FPGA tercih edilir. Çoğu skop'un ADC'si 8 bittir örneğin ama kaç MIPS, 50-100MIPS. Sinyal işlerken de FPGA kullanılıyor.

Yaptığınız sayısal kontrollü devre var mı? FPGA kullanımınız oldumu ? Ne gibi bir durumda gerekti? ADC olarak nasıl bir devre tercih ettiniz? (Kaç bit kaç MIPS yada MHz?)

[Zoroaster]

Merhaba Üstadlar
ben konuya  yeni girdim ve  yazdıklarınızı okudum bildiğim kadarıyla  flyback konvertörler 150-120W altındaki güç değerleri için kullanılıyor ve verimleri %85-90 arası ancak diğer konverötler buck konvertör, boost konvertör vb. verimleri %90'nın üstünde bunun nedenini söyleyebilirmisiniz?

Buck/bost vs yapılarda da verim yüksek çıkmaz. Sadece köprü, yarım köprü gibi BH eğrisininin tüm bölgelerini kullanırsak verim artar.

Aslında bunların cevapları videolarda/açıklamalarda verildi. Üstüne basa basa vurgulanmadığı
için gözden kaçmıştır.

Flyback yapıda BH eğrisinin 1. bölgesini kullanıyoruz. Akım sıfıra inse bile artık mıknatisiyetten dolayı mağnetik akı sıfıra inmiyor. Dolayısı ile akımdaki değişimim tamamı akıdaki değişime dönüşmüyor. Bu da bir kayıp demek. Çünkü Delta B değeri oluşturabilmek için akımı artırmak zorunda kalıyoruz. Bu akım (enerji) bobinde depolanıyor fakat bu akımı anahtarlarken haliyle anahtarlama kayıbımız yükseliyor.

Halbuki BH eğrisinin tüm bölgelerini kullanırsak akımı artırmak zorunda kalmıyoruz dolayısıyle de bu sorun ortadan kalkıyor.

Ayrıca Ton peryodunda akım yükleyip T peryodunda bunu kullandığımız için T peryodundaki ortalamanın yüksek çıkması için Ton peryodunda yüksek genlikli akım kullanmamız gerektiği zaten anlaşılmıştır.

Mesela  Ton/Toff=1 olsaydı çıkıştan 1A çekseydik ancak Ton süresinde 2A akıtırsak bunu başarırdık. (Ortalama değer hesabı yapın)

1A çıkış akımı elde edebilmek için 2A'i anahtarlamak durup dururken güç kaybı oluşturur.

[FxDev]

Yaptığınız sayısal kontrollü devre var mı? FPGA kullanımınız oldumu ? Ne gibi bir durumda gerekti? ADC olarak nasıl bir devre tercih ettiniz? (Kaç bit kaç MIPS yada MHz?)

Merhabalar,

Şu ana kadar yaptığım güç uygulamalarının çoğunda dijital kontrol kullandım.
Tamamı dijital olarak kontrol edilen topolojileri sırasıyla yazacak olursam: Buck, Boost, Buck-Boost, Cuk, Flyback, Push-Pull, Tek ve Çift Transistör Forward, Half ve Full Bridge topolojilerini yazabilirim. Bunun yanında 2-Level ve 3-Level olarak PFC işlemleri de gerçekleştirdim. 5-Level konusunda akademik düzeyde bir inceleme yapma şansım oldu.

FPGA kullanımım oldu yalnız akademik seviyede bıraktım. Benim yaptığım tasarım Pipeline yapıya sahip bir işlemciyi (Pentium'a benzer) modellemekti. 120MHz hızında çalışabilen böyle bir işlemci tasarımım oldu, hatta yayın da yaptık bu konuda. Özel sektör içerisinde fiyat/performans önemli olduğundan FPGA kullanımı bu kadar yaygın değil, özellikle askeri alanda çok kullanıldığını biliyorum.

FPGA özelinde soruyorsanız benim yaptığım uygulama mantık tabanlı olduğu için harici ADC kullanımım olmadı. Mikrodenetleyici tarafında ise çok fazla spekt kullandım 250kSPS'dan 5.4MSPS'a kadar.

Buck/bost vs yapılarda da verim yüksek çıkmaz. Sadece köprü, yarım köprü gibi BH eğrisininin tüm bölgelerini kullanırsak verim artar.

Burada bir yanlışı düzeltmek gerekir. Şu an yaptığım bir uygulama 3-Level PFC Çıkış 3-Level Inverter, bildiğimiz topolojilerle söyleyecek olursak giriş boost converter, çıkış buck converter kaskat bağlı. Toplam verim biraz önce deneme amaçlı ölçtüm %96.2 tam yükte. Eff.Buck x Eff. Boost = %96 deseniz, her iki topoloji de aynı verimde çalışsa (ki optimum tasarımlarda böyle çıkar), her birinin verimi yaklaşık %98 civarındadır. Aşağıda ise bir başka uygulamamdan bir fotoğraf var, uygulama bir Buck Converter, soldakiler giriş gerilimi ve akımı, sağdakiler çıkış gerilimi ve akımı. Dijital kontrol var, gücü ve oradan da verimi lütfen bir hesaplayın. Bu güçlerde çıkış gerilim ripple değerinin <0.1V olduğunu da belirtirim.



@elektraHobi tasarımda kullandığınız yapılarla çok ilintilidir verim. Trafolu yapılar yani izolasyonlu yapılar genellikle trafonun verimine bağımlıdırlar. Orta halli iyi bir trafonda yaklaşık %2-3 kayıp vardır zaten. Geri kalan kayıplarda eklendiğinde Flyback'den %88 üzeri verimler almanız gerekir. Giriş gerilimi düştükçe Flyback verimleri çok düşer, deneyimle sabittir. Örneğin iki ayrı yapı aynı güçte olsun ve çıkışında 24V/5A=120W versinler. Giriş gerilimi şebekeden geliyorsa Flyback kullanabilirsiniz, yalnız giriş geriliminiz 12V'tan geliyorsa Push/Pull'a yönelin derim. Hangi topolojiyi kullanırsak optimum tasarımı yakalarız sorusu biraz deneyimsel biraz da üretim teknolojisi ile ilgili. Teorik olarak tüm topolojilerden sonsuz güç alınabilir, yalnız günün sonunda dünyanın gerçekliği ile yüzleşmek zorunda kalırsınız.

Bir de softswitching var ki olayın boyutu direk değişiyor. Bugün LED'çilerin büyük çoğunluğu resonant converter kullanır; neden, çünkü anahtarlama kayıpları çok çok çok az, frekanslar çok yüksek, trafolar çok küçüktür.

Aşağıda benim yaptığım bir uygulama (12V/5A akü charger) için tüm güç verim eğrileri mevcut.

Hadi ben de büyük üstadlara sorayım, neden çıkış gerilimim yüke göre düştü, oysa taş gibi olması gerekmez mi bu gerilimin yoksa ben kontrolde bir hata yaptım da kalıcı hal hatası mı kalıyor? sıfır yükte gerilimim 13.9V civarı tam yükte 13.6V civarında. Oysa hep 13.9V civarında kalması gerekmez miydi, yoksa bir trick mi var bu durumda?

Son olarak belirteyim, SMPS'lerde giriş gücü asla ve asla Vrms*Irms olarak ölçülemez. Sistemin P.F. oranının bilinmesi gerekir! Formül belli zaten P=Vrms*Irms*cosFi

[Zoroaster]

https://youtu.be/x6CcctqzVCg

Flyback konusunun sonuna yaklaşıyoruz.

[HexfeT]

Hadi ben de büyük üstadlara sorayım, neden çıkış gerilimim yüke göre düştü, oysa taş gibi olması gerekmez mi bu gerilimin yoksa ben kontrolde bir hata yaptım da kalıcı hal hatası mı kalıyor? sıfır yükte gerilimim 13.9V civarı tam yükte 13.6V civarında. Oysa hep 13.9V civarında kalması gerekmez miydi, yoksa bir trick mi var bu durumda?

Bir dönem masaüstü PC lerde overclock çılgınlığı vardı. Anakart üzerindeki CPU besleme voltajının yük altında biraz çökmesi istenmeyen bir durumdu. Anakartlar modlanır voltajın çakılı kalması sağlanırdı. Voltage Drop deniliyor bu olaya. O dönem yabancı bir kaynakta Vdrop un normal olduğunu, voltajın her yük durumunda sabit tutulmasının bazı götürüleri olduğunu okumuştum fakat detayını hatırlamıyorum şimdi.

[Zoroaster]

Evet flyback converter dediğimizde aklımıza gelen yapı bu.

Bir önceki videomuzda trafonun yıldız noktasına değinmiştim.

Şimdi bir sorum var. Anahtar D=0.25 duty ile açıp kapanarak peryodik olarak transformatörümüzün primerine 10v voltajı verip kesiyor.

Sekonderde 1 Ohm direncimiz var. Transformatörümüzün dönüşüm oranı 10/1

Primer endüktansımız 12.5 uH ve anahtarlama frekansımız 20Khz ise

Analitik ifadeleri yazarak

1) Primer akımının min ve max değerini
2) Direnç akımının max değeri ve dirençte harcanan gücü bulalım.

Bakalım akademisyen ve imalatçı arkadaşlar bu soruya nasıl çözüm getirecekler?

[JOKERAS]

LM2596 150Khz de her cycle'da regülasyon yapıyor. Yani geribesleme yolu da 150Khz de işleniyor.

Bu frekansda PID vs kontrol algoritmasını işletebiliyorsan tabiki bu durumda LM2596'ya ihtiyacın yok.

Fakat 150Khz lik çevrim cok ciddi bir iş. Ucuz işlemcilerle 7uS gibi bir zaman diliminde kontrol algoritması işletebilirmisin?

Eğer daha düşük frekansda işletirsen bu kezde güç kaynağının tepki süresi uzar. Gürültüsü/rıpılı artar.

ZorO Usta Merhaba.
Dediğim gibi, benim yaptığım 12F serisi 16Mhz işlemci.
Adc Çevrimi ve PI Algoritması sebebiyle biraz yavaş kaldığı doğru.
Ama bu tip bir yapı illaki çok spesifik,özel,kırıtik yerlerde kullanılacak diye bir şey yok.
Ama bir Led Display,Lcd Ekran,Röle vs için pek kırıtik olmayan işlerde sorunsuz çalışır diye düşünüyorum.
Ben bunu Led Tv Main Boardında FPGA'yı besledim,tabii FPGA Görüntü işlemek için programlamışlar.
Öyle çok ani Akım asılmaları olan bir cihaz değil yani.

Eğerki Sizlerin sürekli Bahsettiği ARM Tipi çok hızlı bir işlemciye PI Algortimasını da Asm yazarasanız
O da sizin ellerinizden öper:)
Yeni nesil  Pic32 gibi  işlemcilerin bazılarında zaten bu yapıyı,yani Analog yapıyı entegre içine çakmışlar.
Cycle By Cycle kontrol işi bir Comparatöre bakıyor,zor olmasa gerek.
Bir ara uğraşmıştım,Swic Duty T'sini  sonsuza dek Kesebiliyor.
OVP(Ower Voltage Protect) 'i de,yani Voltaj geri besleme de ADC'ye girilip control sağlanılabilinir. 

Bu Smps Entegrelerinin içinde zaten ne varki?
Bir Osc,bir RS FF, bir Opamp,bir Comparatör.İşin en can alıcı birimleri bunlar.
Bunlar bazı yeni nesil işlemcilerde var zaten.Hatta Logic Level Mosfet sürmek için Port bile koymuşlar.
Biz bunları işlemciyle kendimiz yaparsak,Smsp Entegresinin Gücünü düşünmemiş olacağız.
Sadece Bobin,Schotky,ve Fet'i değiştirip istediğimiz voltaj ve akıma işlemciden kontrol sağlamış oluruz diye düşünüyorum.

@FxDev Usta FPGA'dan bahsetmiş,Zaten anlamadığım FPGA gibi bir işlemci varken,böyle yapılar için neden kullanmazlar?
Engin tecrübelerinizle bizleri aydınlatın derim.
Thank you:)
İngilizce alıştırmaları yapıyorum da onun için İngilizce yazdım:)

[FxDev]

Bir dönem masaüstü PC lerde overclock çılgınlığı vardı. Anakart üzerindeki CPU besleme voltajının yük altında biraz çökmesi istenmeyen bir durumdu. Anakartlar modlanır voltajın çakılı kalması sağlanırdı. Voltage Drop deniliyor bu olaya. O dönem yabancı bir kaynakta Vdrop un normal olduğunu, voltajın her yük durumunda sabit tutulmasının bazı götürüleri olduğunu okumuştum fakat detayını hatırlamıyorum şimdi.

Süpersin @HexfeT . Bu özelliğin adı Voltage Droop. Ama neden böyle bir şeye ihtiyaç var çok da net olmamış.

Uzatmadan anlatalım; normalde sistemde voltage droop olmasının bir artısı yok, bu artı, bu cihazları paralellemek istediğimizde ortaya çıkıyor. Eğer voltage droop olmasaydı bir cihaz nominal akımına kadar gelip akım limitine girecekti ve doğal olarak gerilimi düşecekti. Daha sonrasında ise kaldığı yerden diğer paralel cihaz akım vermeye başlayacaktı; yani bir cihaz tam gücünde çalışırken diğeri ise düşük yükte kalacaktı.

Örneğin iki adet voltage droop modu olmayan 12V/5A charger'ınız olsun, 7A yük çekmek isteseydim, birisinden 5A diğerinden 2A çekecektim, birisi ısınacak ve daha çabuk yaşlanacakken diğeri 2A de günlük gülüstanlık çalışacaktı, dolayısı ile sınıflar arası kavga çıkacak, fazla ezilenin canı çıkacaktı. Bu çok da tercih edilen bir durum değildir. Voltage droop metodu barındıran cihazlarda ise akımı tam olarak eşit paylaştıramasak da 3.2A'e 3.8A civarında çalıştırabiliriz. Böylelikle iki cihazda güllük gülüstanlık olmasa da kavga etmeyecek bir düzeyde yaşamlarını sürdürür ve ikisi de orta sınıf olarak hayatlarını idame ettirmeye çalışırlar.

Bunun yanında Voltage/Akım Foldback ve (diğerini hatırlayamadım) akım kontrol metodu da vardır. Asıl heyecanlar burada başlıyor. Akü ile uğraşan arkadaşlar o adını hatırlayamadığım chargerlardan bulursanız kaçırmayın alın derim.

[Zoroaster]

Bırak şimdi MCU'yu falan da bu soruyu çöz.

Bu soruyu @FxDev'de çözsün.

Mühendisilik/master/doktora yapanlar da çözsün.

[FxDev]

@FxDev çözdü. İmalatçı olarak çözdüm.

Devre ideal ise, ideal ne demek; trafo, anahtarlama elemanı, yollar, diyot vs. hepsi ideal ve kayıpsız ise.

Ipmax=(V/L)*ton   (yazmaktan bıktım bu formülü)
Ipmax=10A.

Primerden çekilen akım sıfır olacak tabi, anahtarı açtık o kadar. Lm akımı deseydin iyiydi.
Ipmin=0A

Eh ilkokul çocuğu bilir bunu, n=N1/N2=I2/I1=10/1=I2/10 ->I2max=100A
IRmax=100A

Pin=Pout olacak boşuna devreye ideal demedik. Pin=0.5*L*Ip^2*f
Pr=12.5W (Bunu hesapladım mı, hayır)

Bu kadar hesap kitapla mı uğraştım hayır, simülasyon programıma koydum, misler gibi sonuçlarıma ulaştım. İstersen anahtarlama elemanı üstündeki RMS akımı da söyleyeyim. Tool'ları kullanmayı bilerek. Hızlı ve kesin. İstersem diyodun ve anahtarlama elemanının ifadesini, hatta anahtarlama anındaki malzeme sıcaklık değişimini, trafonun B/H'nı, Lm'sini kayıplarını kazançlarını da girip hesaplatayım? Nonlineer davranışını da, tek bir tuşa basarak. Çünkü bir imalatçı böyle çözer problemi!

Ben de şunu sorayım yüksek verim nedir arkadaşlar? %98 ya da %95.1 yüksek bir verim midir? Yüksek verim %99.999 mudur?

...bla bla bla bla...

Buck/bost vs yapılarda da verim yüksek çıkmaz.

...bla bla bla bla...

[Zoroaster]

Aynı soruyu bir de 1/1 Transformatör kullanılması durumunda çözebilirmisin?

[HexfeT]

Yüksek verim elde etmek, her topolojinin belli koşullarda sağladığı tipik aralıkta üst sınıra yakın ürün tasarlayabilmek olsa gerek. Trafolu flyback den %95 verim beklemek olmaz herhalde.

Ayrıca her topolojinin kendi içlerinde de ufak tefek yapısal farklılıklarla verim konusunda iyileştirmeler ya da  feragatler yapılabiliyor.
Mesela nasıl noise azaltırım diye bakınırken buck yapıda düşük noise isteniyorsa diyota paralel snubber eklendiğini gördüm, noise azalıyor ama verim düşüyor.
Forward yapıda trafoya ters yönde koyulmuş ekstra bir sargı + diyot ile Toff anında trafoda endüklenmiş güç snubber ile harcanacağına DC-in kapasitörüne geri basılabiliyor.

[FxDev]

Aynı soruyu bir de 1/1 Transformatör kullanılması durumunda çözebilirmisin?

Elbette çözerim.

Ipmax=10.5238A
Ipmin=0 olur yine de Lm'yi soruyorsun sen Lm'nin min akımı Ilm_Min=0.5238A
IRmax=10.5238A
Pr=13.80W

İstediğin değeri ver ben çözümü söyleyeyim sana.

@HexfeT onun adına trafo resetleme sargısı deniliyor, verimi arttıran bir şey.