منابع تغذیه سوئیچینگ

مقايسه منابع تغذيه سوئيچينگ با منابع تغذيه خطی:

بنا بركاربرد منابع تغذيه انتخاب بين منابع تغذيه خطی يا سوئيچينگ صورت می گيرد كه هر يک دارای مزايا و معايب نسبت به يكديگر می باشند كه در ذيل به آنها اشاره می شود.

مزايای منابع تغذيه خطی:

1- طراحی مدارات بسيار ساده صورت می گيرد.

2- قابليت تحمل بار زياد

3- توليد نويز ناچيز و نويزپذيری بسيار اندک

4- در كاربردهای توان پايين ارزانتر می باشند.

5- زمان پاسخدهی بالایی را دارند.

مزايای منابع تغذيه سوئيچينگ:

1- وزن و حجم كمتری را نسبت به منابع تغذیه خطی دارند.

2- بالا بودن راندمان از68% تا 90%

3- داشتن مقدار بيشتری سطح ولتاژ در خروجی

4- بدليل افزايش فركانس كاری اجزای ذخيره كننده انرژی می توانند كوچكتر و درعين حال با كارایی بيشتری عمل كنند.

5- در توانهای بالا استفاده می شوند.

6- كنترل آسان خروجی با استفاده از قابليتهای مدارات مجتمع

معايب منابع تغذيه خطی:

تمام مزايايی كه درمنابع تغذيه سوئيچينگ گفته شد عيبهای بود كه درمنابع تغذيه خطی وجود

داشت و علاوه بر آن:

1- بدليل كم بودن بهره توان تلفاتی در ترانزيستورهای خروجی زياد می باشد كه درنتيجه نياز به خنک كننده سيستم سرمايش تحت فشار می باشد.

2- تنها بصورت يک رگولاتور كاهنده قابل استفاده می باشد و همواره ورودی بايد 2 تا 3 ولت بيشترازورودی باشد.

معايب منابع تغذيه سوئيچينگ:

تمام مواردی كه به عنوان مزيت در درمنابع تغذيه خطی ذكر شد به عنوان عيوب منابع تغذيه سوئيچينگ به شمارمی رود علاوه بر آن به موارد زيراشاره می شود:

1- نياز به فيلتر كردن خروجی و حذف نويزهای توليدی

2- ناپايداری ولتاژ

3- حساسيت زياد به امواج محيط بگونه ايكه بعضا در برابر ديشهای مخابراتی اصلا عمل نمی كنند.

- رگولاتورهای سوئیچینگ با ترانسفورماتور ایزوله کننده

توپولوژی های مختلف مدارات SMPS:

Flyback # Ringing choke converter (RCC) # Half-forward # Forward # Resonant forward # Push-pull # Half-bridge # Full-bridge # Resonant, zero voltage switched # Isolated Ćuk

هر یک ازاین توپولوژی ها برای کاربرد و توان مصرفی خاصی مناسب تر خواهند بود. مثلا:

درجریان های خروجی کمتر از 4 آمپر، توپولوژی فلای بک ترجیح داده می شود. اگر جریانخروجی بیش از 6 آمپر باشد، معمولا از توپولوژی فوروارد استفاده می شود. و برایجریان های بین 4 تا 6 آمپر، از هر یک از توپولوژی های فلای بک یا فوروارد می تواناستفاده نمود.

- برخی از مزایای توپولوژیفلای بک:

مدارفقط دارای یک المان مغناطیسی است که هم کار ایزولاسیون را انجام می دهد و هم محلذخیره انرژی است. برای جریان های کمتر از حدود 4 آمپر، فلای بک ارزان ترین توپولوژیممکن است. ولی برای جریان های بیشتر، برای مقابله با ریپل های جریانی، مجبور بهاستفاده از خازنی با ابعاد بزرگتر در خروجی هستیم.

- برخی از مزایای توپولوژیفوروارد:

سیم پیچ خروجی چه در زمان روشن بودن و چه در زمانخاموشی سیم پیچ اولیه، جریان خروجی را تامین می کند. این یعنی ریپل کمتر در جریان،جریان های RMS کمتر، و ابعاد کوچکتر خازن خروجی.

- رگولاتور سوئیچینگ با ترانسقورمر ایزوله کننده:

با بهره گیری از ترانسقورمر ایزوله کننده ایزولاسیون به کمک سیمهای عایق و نوارهای عایق انجام می شود که در این حالت تا صدها ولت و بیشتر ولتاژ قابل تحمل وجود دارد.

حسن دیگر ترانسقورمر ایزوله کننده افزودن خروجیهای متعدد بدون نیاز به رگولاتور جداگانه است. در اینجا هم توپولوژی های فلای بک و فوروارد وجود دارد بعلاوه ترانس می تواند به عنوان افزاینده یا کاهنده ولتاژ عمل کند.

- رگولاتور فلای بک ( Fly Back ):

ساده ترین و کم قطعه ترین عضو خانواده منابع تغذیه سوئیچینگ طرح فلای بک است که در محدوده بسیار وسیعی به کار می رود و در شکل ( 1-4 ) نشان داده شده است. این رگولاتور کاملأ شبیه رگولاتور بوست است بجز یک سیم پیچ اضافی روی القاگر آن که این سیم پیچ علاوه بر ایزولاسیون قابلیتهای فراوانی را هم به مدار می افزاید که عبارتند از:

1- بیش از یک خروجی در یک تغذیه قابل تحصیل است.

2- خروجی می تواند مثبت یا منفی مستقل از سطح ورودی باشد

انتخاب اجزا و معيارهاي طراحي

يكسو كننده هاي وروديطراحان چه از يكسو كننده هاي پل آماده استفاده كنند و چه از يكسو كننده هاي مجزا بايد به نكات زير توجه كنند:

1. توانايي يكسو كردن حداكثر جريان مستقيم. اين مقدار در درجه ي اول به سطح توان طرحاي منبع تغذيه ي سوئيچينگ بستگي دارد و ديود انتخاب شده حداقل بايد بتواند جرياني دو برابر جريان محاسبه شده در حالت پايدار را تحمل كند.

2. توانايي بلوكه كردن پيك ولتاژ معكوس. مادامي كه اين يكسوسازها در محدوده ي ولتاژ بالا مورد استفاده قرار مي گيرند، بايد نرخ بالايي داشته باشند، معمولا 600 ولت يا بيشتر.

3. ظرفيت تحمل جريان هجومي بالا براي تحمل پيك جريان هنگام روشن شدن مدار.

- خازن

محاسبه و انتخاب صحيح خازن هاي يكسوساز ورودي بسيار مهم است و بر روي پارامترهاي اجرايي زير تاثير مي گذارد: ريپل ac فركانس پايين در خروجي منبع تغذيه و زمان باقي ماندن . معمولا از خازن هاي الكتروليت، مرغوب با توانايي جريان ريپل بالا با حداقل ولتاژ كار 200 Vdc، استفاده مي شود.

جريان مصرفي نامي	ظرفيت خازن ذخيره
125 ميلي آمپر	470 ميكرو فاراد
250 ميلي آمپر	1000 ميكرو فاراد
500 ميلي آمپر	2200 ميكرو فاراد
1 آمپر	4700 ميكرو فاراد
2 آمپر	6800 ميكرو فاراد

جريان قابل تحمل خازن مورد استفاده ئر فيلتر ورودي بايد دست كم 20 برابر حداكثر جريان عبوري مداوم باشد . ظرفيت خازن ذخيره به جريان مصرفي مورد نياز ، و حداكثر دامنه ريپل قابل تحمل بستگي دارد . براي حفظ فاصله ايمني بهتر است ولتاژ قابل تحمل آن دست كم 4/1 برابر ولتاژ خروجي باشد يعني دو برابر r.m.s ولتاژ خروجي .

جريان هجومي يك منبع تغذيه سوئيچينگ، ممكن است باعث ايجاد يك پيك جريان هجومي بسيار شديد در هنگام روشن شدن شود، مگر اينكه طراح، برخي محدود كننده هاي جريان را در قسمت ورودي جاي دهد. اين جريان ها بر اثر شارژ خازن به وجود مي آيند كه در لحظه ي روشن شدن، مقاومت بسيار اندكي، معمولا فقط به اندازه ESR خازن ها.
ترانزيستور قدرت در طراحي مبدل انواع مختلف المان هاي سوئيچينگ، نظير ترانزيستور، SCR و GTO توسط طراحان منبع تغذيه در طول سال ها استفاده شده است. متداول ترين الماني كه اغلب از آن استفاده مي شود ترانزيستور دو قطبي و در سال هاي اخير نوع ماسفت آن است.

انتخاب ترانزيستور

پارامترهاي طراحي اوليه ي يك ترانزيستور براي استفاده در يك مبدل غير خطي، اول توانايي بلوكه كردن ولتاژ آن در هنگام خاموش بودن و دوم ظرفيت تحمل جريان آن كه در هنگام روشن بودن است. هر دوي اين پارامترها توسط نوع مبدل مشخص مي شوند.

تصميم مهم ديگري كه طراح با آن روبروست استفاده از ترانزيستور دو قطبي يا ماسفت در طراحي است. هر كدوم از اين ترانزيستورها مزاياي متمايزي را نسبت به ديگري ارائه مي دهند، ترانزيستور دو قطبي در حال حاضر ارزان است در حالي كه ماسفت به خاطر مدارهاي تحريك ساده تر،‌ مدار ساده اي دارد.

كاربرد نيمه هادي ها نقش بسيار بزرگي در قابليت تحمل مدارات تغذيه سوئیچینگ برعهده دارد. در حالت سوئیچینگ ترانزيستوها در خالت اشباع يا نزديك آن كار مي كنند. در اين حالت مقدار حداقل مقدار خود را خواهد داشت و در نتيجه تلفات به حداقل خواهد رسد.لذا طراح بايد بدترين حالت يعني در سلف حداقل و حداكثر جريان كلكتور را در نظر بگيرد. عوامل موثر در اين جريان: امپدانس موثر ديده شده از سوي كلكتور، ولتاژ ورودي حداكثر دوره هدايت و بار مي باشد. در صورتي كه از كوپلاژ ترانسفورماتوري استفاده شود تلفات مذكور كاهش قابل ملاحضه اي پيدا مي كند. اشكال اينكار افزايش زياد زمان خاموش سازي ترانزيستور در رابطه با فرو رفتن در حالت هدايت فوق العاده است.

اشكالات عمده ترانزيستور هاي دو قطبي:

1- شكست بهمني، همگامي كه ترانزيستور خاموش است و يك موج ولتاژ فوق العاده به پيوند كلكتور بيس مي رسد، رخ مي دهد.

2- پديده شايع تر و پيچيده تر، پديده شكست ثانويه و ازدحام جريان است. اين در طي پروسه روشن و خاموش سازي رخ كي دهند. و اينها پديده هاي وابسته به ولتاژ هستند هنگامي كه جرين جاري است و ولتاژ نسبتا زيادي بين كلكتور و اميتر وجود دارد رخ ميدهد. و اين به تلفات لحظه اي نسبتا زيادي كه به صورت يكنواخت هم توزيع نشده منجر مي شود.

يكي از عواملي كه ترانزيستور را به نواحي غير مجاز كاري وارد مي كند Snubbing است كه در ادامه مورد بحث قرار مي گيرد. سرعت سوئيچ اثر مستقيمي در تلفات سوئيچ دارد و اين تلفات رابطه مستقيمي با فركانس كاري مدار دارد. تلفات سوئیچینگ از جريان كلكتور به اميتر هنگامي كه Vcc از اشباع به قطع مي رود(يا برعكس) نشات مي گيرد، در اين زمان جريان بار كلكتور به جهت خاصيت القايي بار كماكان جاري است. كه به تلفات قابل توجهي متناسب با فركانس كاري منتهي مي شود. در اين حالت بهتر است به بيس به عنوان خازن كوچكي بين پايه بيس و اميتر نگاه شود، سرعت شارژ و ئشارژ شدن اين خازن تعيين كننده فركانس كاري بين قطع و اشباع است. وجود اين خازن طرح را كمي پيچيده مي كند.

يك خازن به مقدار 200pF تا 50nF به موازات مقاومت بيس نصب مي شود. اين خازن سرعت دهنده ، كه انباره ناميده مي شود شارژ و دشارژ خازن بيس را سرعت مي دهد. اين خازن عملا يك ولتاژ منفي در بيس هنگام خاموش كردن ترانزيستور ايجاد مي كند. و اثرات ازدحام جريان را مي كاهد. به علاوه ولتاژ بيس اميتر را در طي خاموش كردن منفي مي كند.

نكته ديگر كه بايد در انتخاب ترانزيستور دقت شود، سرعت كليدزني و يا فركانس كار آن مي باشد و زمان کلیدزنی ترانزیستورها باید بسیار کوچک (کمتر از ) باشد. این زمان شامل تاخیر در روشن شدن، صعود و زمان نزول جریان می باشد. در غير اين صورت ترانزيستور زمان كافي براي پاسخ گويي به پالس هاي اعمالي از مدار كنترل نخواهد داشت در نتيجه علاوه بر كاهش كيفيت خروجي باعث افزايش بسيار شديد تلفات در ترانزيستور مي شود.

توجه به اين نكته ضروري است كه ترانزيستور دو قطبي داراي فركانس قطع كار محدودي است، حدود 50KHz، در حاليكه ماسفت براي فركانس سوئيچينگ بالاتر از 200KHz نيز مي تواند استفاده شود. البته فركانس هاي بالاتر به معني اندازه كوچكتر اجزا و بنابراين منابع تغذيه ي فشرده تر است، واقعيتي كه به نظر مي رسد طراحي منبع تغذيه، امروزه به سمت آن گرايش دارد. استفاده قدرت از ترانزيستور دو قطبي به عنوان يك سوئيچ ترانزيستور دو قطبي وسيله اين است كه اساسا با جريان كار مي كند، در واقع با تزريق جريان به پايه ي بيس آن جريان در كلكتور ساخته مي شود. اندازه ي جريان گذرنده از كلكتور به مقدار گين ترانزيستور بستگي دارد. اساسا دو مد كاري در يك ترانزيستور دو قطبي وجود دارد: مد خطي و مد اشباع براي روشن يا خاموش كردن ترانزيستور به كار مي رود.
در كاربرد هاي سوئيچينگ واقعي يك جريان محركه ي بيس آن براي روشن كردن ترانزيستور، و يك جريان بيس با پلاريته ي معكوس براي خاموش كردن ترانزيستور مورد نياز است. به علت ذخيره مشخصي با كاربرد آن همراه است.
يكسو كننده ها، سلف ها و خازن ها عموما قسمت خروجي هر منبع تغذيه سوئيچينگ از يك يا چند ولتاژ مستقيم تشكيل شده است كه با يكسو كردن مستقيم ولتاژهاي ثانويه ترانس . اين خروجي ها معمولا ولتاژ پايين و جريان مستقيم هستند و مي توانند سطح توان مشخصي را براي فرمان وسايل و مدارهاي الكترونيكي تحويل دهند. ولتاژ معمول خروجي، 5،12،15،24 و 18 ولت جريان مستقيم هستند و توان آن ها مي تواند از چند وات تا چند كيلو وات، متغير باشد.
متداول ترين نوع ولتاژهاي ثانويه كه در منبع تغذيه سوئيچينگ يكسو مي شوند، موج هاي مربعي فركانس بالا هستند كه به اجزا مخصوصي مانند يكسو كننده هاي سريع يا شاتكي، خازن هاي ESR كوچك و سلف هاي ذخيره كننده ي انرژي نياز دارند تا بتوانند خروجي هايي با نويز كم ايجاد كنند، كه در اغلب ابزارهاي الكترونيكي قابل استفاده باشد.

رگولاتورهاي سوئيچينگ

اكثر منابع تغذيه سوئيچينگ امروزي از نوع پهناي باند مدوله شده هستند. اين تكنيك، زمان هدايت ترانزيستور سوئيچينگ را در طول دوره ي روشن بودن، تغيير مي دهد تا ولتاژ خروجي را به ميزان مشخصي، كنترل و تنظيم كند. اگر چه روش هاي ديگري نيز براي كنترل و رگولاسيون بكار مي روند، اما نوع پهناي باند مدوله شده كارايي بهتري دارد، از جمله رگولاسيون دقيق خط و بار و پايداري در هنگام تغييرات دما.

نحوه محاسبه جريان مورد نياز ورودي در منبع تغذيه سوئيچينگ :

مقدار جریان ورودی در منبع تغذیه سوئیچینگ که دارای ورودی خازنی است را میتوان از فرمول زیر محاسبه نمود:

Iin = Pout /(E*PF*Vin)

Iin جریان ورودی مورد نیاز

Pout توان خروجی حاصل ضرب ولتاژ خروجی منبع تغذیه در جریان مورد استفاده شده جهت بارمنبع تغذیه

E راندمان – بازده نسبت توان خروجی به توان ورودی

PF پاور فکتور مقدار آن برای منابع تغذیه سوئیچینگ 0.7 و برای نوع خطی آن 0.8 میباشد.

مقدارحقیقی آنبستگی به نوع امپدانس منبع میباشد.

Vin ولتاژ ورودی

و براي حداكثر جريان مورد نياز از فرمول زير استفاده مي شود :

Iin, max = Pout, max /(Emin * PFmin * Vin, min)

مهمترين قطعاتي كه در يك منبع تغذيه سوئیچینگ بكار مي رونند،ترانزيستورهاي سرعت بالا و يا كليدزني، MOSFETهاي قدرت سوئیچینگ، سلف و سيم پيچ و خازنهاي فركانسي باكيفيت مي باشند.

منابع تغذیه سوئیچینگ

مطالب مشابه :