Conversor flyback de lazo cerrado utilizando TL431

Question

Tengo algunas cosas que no puedo entender cuando uso un TL431 para compensar el convertidor flyback.

Esta imagen es de RICHTEK Diseño de Control de Retroalimentación del Convertidor Flyback Fuera de Línea.

Según esta figura, suponiendo que el voltaje de salida es de 12V, cuando Vo>12, lo que significa que el voltaje a través de la Rb está por encima de 2.5V, la corriente a través del TL431 se vuelve pequeña y el voltaje Vcomp se vuelve grande. Esto es lo que entiendo hasta ahora.

Mis preguntas:

1. ¿Cómo diseñar el valor de Rc3 en el peor de los casos, cuando el TL431 tiene una corriente mínima alrededor de 1mA~100mA, cuál es el peor caso en el flyback?
2. ¿Cómo sé el voltaje de salida del TL431?
3. ¿Cómo puede el TL431 realizar la retroalimentación negativa?

Answer 1

El TL431 es un amplificador operacional (op-amp) de bajo consumo, autoalimentado y de salida colector abierto con una tensión de referencia de 2,5 V incorporada. El esquemático eléctrico básico se muestra a continuación con un caracol francés y un supuestamente más rápido conejo. Podría haber incluido una tortuga y un conejo para recordar también a Jean de la Fontaine, pero aquí no hay competencia : )

Cuando la fuente de alimentación se regula al nivel correcto, por ejemplo, 12 V en tu ejemplo y mides el voltaje a través de $R_{lower}$ debes encontrar aproximadamente 2,5 V. El mecanismo de regulación es el siguiente:

1. al encenderse, el voltaje de salida es de 0 V y el TL431 está inactivo
2. debido a que no hay corriente en el LED, no hay caída a través de $R_{LED}$ y el voltaje en el cátodo del TL431 es $V_{out}$-$V_f$. $V_f$ es la caída de voltaje del LED, $\approx 1\;V$.
3. cuando el voltaje de salida aumenta ciclo a ciclo, en algún punto, el TL431 se activa porque hay suficiente voltaje para suministrar la circuitería interna y asegurar la tensión de referencia de 2,5 V (alrededor de 2,5-3 V en el cátodo).
4. como $V_{out}$ todavía está lejos del objetivo, el voltaje en el pin REF es bajo debido al divisor formado por $R_1$ y $R_{lower}$: el TL431 permanece en un estado de alta impedancia y el voltaje a través de $C_2$ en el lado primario es máximo (quizás 5 V dependiendo del IC), solicitando la corriente pico máxima.
5. antes de que $V_{out}$ alcance 12 V, el voltaje en el pin REF se aproxima a 2,5 V y el TL431 comienza a hundir corriente: el voltaje en el colector del opto comienza a caer, reduciendo el punto de ajuste de corriente pico.
6. si el lazo está bien estabilizado, el TL431 hundirá suficiente corriente para mantener, a través de la corriente del LED, un cierto voltaje en el colector que, a su vez, impone la corriente pico de operación correcta en el circuito para las condiciones de entrada y salida: el lazo se cierra y el convertidor se regula correctamente.
7. si $V_{out}$ desciende porque se absorbe más corriente de la carga, el TL431 hundirá menos corriente y el voltaje del colector del opto aumentará, solicitando más pico.
8. si $V_{out}$ aumenta porque el convertidor entra en condiciones de baja carga, más corriente fluye en el LED y el voltaje del colector disminuye hasta obtener la nueva corriente pico adecuada.

En cualquier punto de operación en regulación, el voltaje en el cátodo del TL431 es $V_K=V_{out}-R_{LED}I_F-V_f$. Es importante entender que la corriente $I_F$ que fluye por el carril rápido, en regulación, depende únicamente de la corriente del colector del lado primario: $I_F=\frac{I_C}{CTR}$. Cambiar $R_{LED}$ no cambiará esa corriente pero obviamente afectará la caída a través de la resistencia. Por eso, si aumentas demasiado $R_{LED}$, la caída puede ser tan alta que el voltaje restante en el cátodo del TL431 puede ser menor que 2,5-3 V y se pierde la regulación. Esa es la razón por la que di la fórmula para el límite superior de $R_{LED}$:

Entonces, para tus preguntas específicamente:

1. "¿Cómo diseño $R_{LED}$?" Debes elegir esta resistencia en función de la ganancia que necesitas tener en la frecuencia seleccionada. Luego, verificas con la fórmula anterior que tienes suficiente margen con el valor máximo. Los problemas suelen empezar a ocurrir cuando trabajas con valores regulados de 5 V o menos. Si la corriente de retroalimentación $I_F$ en condiciones nominales es demasiado baja en comparación con el mínimo recomendado en la hoja de datos (aproximadamente 1 mA para un TL431 clásico), entonces puedes agregar una polarización adicional como una resistencia simple en // con el LED. Proporciona una fuente de corriente económica y no afecta la corriente de retroalimentación en el LED en sí.

Ten en cuenta que la corriente máxima vista por el TL431 se produce durante una situación de sobrevoltaje como una sobretensión transitoria o cuando el lazo se rompe: el TL431 intentaría desesperadamente frenar hundiendo la corriente máxima en el LED en un intento de reducir la corriente pico. El TL431 haría eso reduciendo su voltaje de operación a $V_{TL431min}$, que está alrededor de 2,5-3 V. En ese caso, la corriente máxima absorbida por el TL431 es $\frac{V_{out}-V_f-V_{TL431min}}{R_{LED}}$. Suponiendo que $R_{LED}=1\;k\Omega$ y que $V_{out}$ en falla es 20 V, la corriente máxima sería $\frac{20-1-3}{1k}=16\;mA$ muy lejos del valor máximo especificado en la hoja de datos. Luego puedes comparar este valor con la corriente máxima aceptable del LED que es de 60 mA para un componente popular como el SFH-615: estás seguro.

2. "¿Cómo sé el voltaje del TL431?", aplicas $V_K=V_{out}-R_{LED}I_F-V_f$ pero es irrelevante para el procedimiento de diseño.

3. "¿Cómo funciona el TL431 en regulación?" Verifica mi descripción anterior.

Answer 2

cuando el Vo>12, lo que significa que el voltaje a través del Rb está por encima de 2.5V, la corriente a través del TL431 se vuelve pequeña y el voltaje Vcomp se vuelve grande.

No, eso es incorrecto. Cuando Vo sube por encima de su punto de ajuste nominal, entonces el voltaje a través de Rb también aumenta y esto hace que el TL431 se encienda y conduzca corriente a través del LED en el optoacoplador.

Esto hace que el fototransistor se encienda y baje Vcomp. Esto naturalmente causaría que el ciclo de trabajo del PWM disminuya y restaure Vo a 12 voltios. Es un bucle de control que se autorregula dependiendo de la relación de resistencia de Ra y Rb produciendo 2.5 voltios en el pin de entrada del TL431.

Cómo diseñar el valor de Rc3 en el peor de los casos

Elige Rc de manera que si el TL431 está completamente encendido (es decir, tiene 0 voltios a través de él), la corriente en el LED esté limitada a un valor que no dañe el LED.

_{En circunstancias normales de funcionamiento, es difícil que el voltaje del cátodo al ánodo del TL431 sea mucho menor que unos pocos voltios, pero, para elegir Rc deberías asumir que el voltaje del TL431 podría ser 0 voltios (después de todo, puede tener un capacitor a través de él en algunos escenarios de retroalimentación, así que, por el bien de unos pocos voltios, deberías asumir el peor caso es cero voltios para que Rc sea elegido de manera que NO entregue demasiada corriente al LED del opto).}

Cómo sé el voltaje de salida del TL431.

No necesitas saberlo, será un voltaje que provoque la cantidad adecuada de corriente a través del LED para mantener el ciclo de trabajo en el valor correcto para mantener el voltaje de salida en el punto de ajuste requerido.

Cómo puede el TL431 hacer la retroalimentación negativa.

La retroalimentación negativa proviene de Ra y Rb. Luego a través del TL431 (que actúa como un comparador de voltaje). Luego a través del opto y, en el pin de control PWM del chip que lleva el MOSFET (no mostrado en tu diagrama). Ese chip controla el PWM.

Todos esos componentes son eslabones en la misma cadena. Esa cadena hace retroalimentación negativa.