آشنایی با ساختار داخلی منبع تغذیه

ساختار داخلی منبع تغذیه

در ابتدا و بدون هيچ مقدمه‌اي فهرست‌وار به اصل موضوع مي‌پردازم. بنابراين براي داشتن يک ديد کلي به شکل 1 که اجزاء داخلي پاور و قطعات داخلي تشکيل دهنده آن را نشان مي‌دهد دقت کنيد:

شکل1: نماي کلي از اجزاي داخلي منبع تغذيه

line filter

با توجه به اينکه منابع تغذية سوئيچينگ به عنوان يك منبع توليد کننده نويز براي مدارات مخابراتي مي‌باشند، با فيلتر كردن ورودي و خروجي، بايد ميزان اثر تداخل الكترومغناطيسي را تا حد امكان كاهش داد. چرا که با بالا رفتن فركانس در مدار داخلي پاور، هارمونيك‌هايي با فركانس بالاتر از فركانس اصلي منبع ايجاد مي‌گردند و موجب تداخل در باندهاي راديويي و مخابراتي مي‌گردد. معمولا اين بخش از دو عنصر القاگر و خازن تشکيل شده است، که وظيفه ممانعت از خروج نويز حاصل از سيستم سوئيچينگ منبع تغذيه به بيرون و همچنين ممانعت از ورود فركانس‌هاي اضافي حاصل از دوران موتورهاي الكتريكي و يا سيستم‌هاي توليد كننده حرارت به داخل منبع تغذيه را بر عهده دارد. امروزه علاوه بر تقويت لاين فيلتر، با تعبيه pfc در بخش ورودي، پيشرفت‌هاي بيشتري صورت گرفته است.

شکل2: بخش line filter را نشان مي‌دهد.

input capacitor

به طور معمول در منابع تغذيه امروزي ابتدا ولتاژ ac ورودي، توسط چند يکسو کننده يا يک پل ديود تبديل به ولتاژ dc مي‌گردد. سپس اين ولتاژ dc در اختيار خازن‌هاي الکترليت ورودي با تحمل ولتاژ بالاتر از 200 ولت قرار داده مي‌شود تا انرژي مورد نظر براي کارکرد ترانزيستور هاي سوئيچ را فراهم آورند. اين قسمت معمولا از دو خازن الکتروليت با ظرفيت‌هاي متناسب با توان منبع تغذيه تشکيل شده است، که وظيفه كنترل سطح ولتاو ورودي در هنگام كاركرد وهمچنين ذخيره انرژي مورد نياز مدار سوئيچينگ به هنگام وقفه‌هاي كوتاه انرژي، را برعهده دارد.ظرفيت و کيفيت خازن‌ها در اين قسمت از اهميت ويژه‌اي برخوردار مي‌باشند. چرا که ظرفيت انباره انرژي و پارامترهاي کيفي اين خازن‌ها در کارکرد بدون وقفه مدار وکاهش ريپل خروجي تاثير گذار مي‌باشد.

شکل3 : خازن‌هاي الکتروليت وظيفه كنترل سطح ولتاژ ورودي و همچنين ذخيره انرژي مورد نياز مدار سوئيچينگ به هنگام وقفه‌هاي كوتاه انرژي، را برعهده دارد

power switching

به طور معمول ولتاژ dc عرضه شده توسط خازن‌هاي ورودي در اين قسمت تبديل به ولتاژ ac با فرکانس بالا جهت کنترل سطح ولتاژ مي‌گردد. با اين کار عملا يک محيط کنترلي انعطاف‌پذير توسط duty cycle ، براي کاهش و افزايش ميزان ولتاژ و جريان ايجاد نموده‌ايم و از طرفي ريپل خروجي را با تعبيه خازن‌ها و سلف‌هاي محدودتري مي‌توانيم کنترل نماييم. همچنين با بالا بردن فرکانس جريان ac ، نياز به ترانسفورماتور با ابعاد خيلي بزرگ نخواهيم داشت و از اتلاف انرژي بيشتر، جلوگيري نموده‌ايم. اين بخش معمولا از دو ترانزيستور قدرت ( mosfet ) تشکيل شده است که وظيفه كنترل سطح ولتاژ خروجي از طريق زمان روشن و خاموش شدن ( سوئيچ کردن ) را بر عهده دارد . همچنين ترانزيستور سوئيچ ديگري نيز براي عمليات راه‌اندازي مدار استندباي پاور، در اين قسمت وجود دارد، که عموما تا زمان قطع کامل ولتاژ ورودي، درگير مي‌باشد.

شکل4: power switching ولتاژ dc عرضه شده توسط خازن‌هاي ورودي را تبديل به ولتاژ ac مي‌کند

transformer

زماني که منبع تغذيه راه‌اندازي مي‌شود و يکي از ترانزيستورهاي سوئيچ در حالت اشباع قرار مي‌گيرد، ترانزيستور باز شده و اولين پالس براي ترانس ارسال مي‌گردد. سپس جواب مثبت ترانس از بين مي‌رود و اورشوت ( overshoot ) تحريکي در سيم پيچ ترانس درايو ايجاد مي‌نمايد که موجب بسته شدن سريع ترانزيستور مي‌گردد. اين اتفاق مجددا توسط ترانزيستور بعدي و پي در پي انجام مي‌پذيرد. از اين رو پيوسته ولتاژ مثبت و منفي به يکي از دو سر سيم پيچ ترانس درايو مي‌رسد و متعاقبا در اختيار سيم پيچ اوليه ترانس سوئيچ قرار مي‌گيرد. اين بخش بنا به نوع طراحي، از دو تا سه ترانس با كاركرد مشخص
تشکيل شده است، که علاوه بر ايزولاسيون dc وظيفه تغييرسطح ولتاژ را بر عهده دارد. طراحي در اين قسمت بسيار حساس مي‌باشد، زيرا اگر تعداد دورهاي اوليه و ثانويه متناسب با طراحي مدار( pwm ( pulse-width modulation باشد، پايداري مدار و ضريب اطمينان نيمه هادي و در نهايت کارکرد منبع تغذيه با مشکل اساسي مواجه خواهد شد.

شکل5: سه ترانسفورمر switching ، drive و standby در شکل نشان داده شده است.

output diodes

اين قسمت از ديودهايshutkey و fast تشکيل شده است که وظيفه يکسوسازي ولتاژ دريافتي از ترانس سوئيچ را در حالات عادي بر عهده دارد. قطع کامل جريان خروجي در حالات خاص نيز از ديگر وظايف اين قسمت مي‌باشد. محاسبه و تعيين ميزان ولتاژ و تحمل آمپراژ عبوري يکي از شاخصه‌هاي اصلي براي انتخاب اين ديودها در مدار pwm مي‌باشند.

شکل6: ديودهاي خروجي

output filter

اين قسمت از چند خازن الکتروليت و سلف‌هاي چند لايه تشکيل شده است، که وظيفه ذخيره انرژي در زمان روشن، و ارائه آن بار در زمان خاموشي ترانزيستور را بر عهده دارد. همانطور که قبلا اشاره شد هر چه فرکانس در قسمت سوئيچ‌ها بالاتر در نظر گرفته شود، ميزان خلا ولتاژ کاهش يافته و نياز به تعبيه خازن‌هاي با ظرفيت بالاتر در اين قسمت کمتر مي‌شود. اين قضيه در کاهش ريپل خروجي پاور تاثيرات مثبتي خواهد گذاشت.

heat sink

همانطور که قبلا اشاره شد، ميزان اتلاف انرژي به صورت گرمايشي و تشعشعات الکترومغناطيسي در منابع تغذيه سوئيچينگ، بالا مي‌باشد. انتقال اين حرارت به فضاي بيرون کيس از اهميت ويژه‌اي برخوردار است. به همين منظور، اين قسمت از آلياژهاي مختلف آلومينيوم و مس که هادي سريع گرما مي‌باشند، ساخته مي‌شود و به واسطه تعبيه شيارهايي بر روي آن جهت عبور جريان هوا، وظيفه انتقال دما از ترانزيستورهاي سوئيچينگ و همچنين ديودهايshutkey و fast به محيط اطراف را بر عهده دارد. شکل ظاهري هيت سينک‌ها متناسب با فضاي داخلي پاور و نوع سيستم کولينگ در نظر گرفته شده براي هدايت جريان هوا، متفاوت مي‌باشد.

شکل8: انواع heat sink

فن منبع تغذيه ( fan )

اين قسمت عليرغم اينكه معمولا اهميتي براي آن ازطرف مصرف كنندگان قائل نمي‌شوند، بسيار داراي اهميت مي‌باشد، چرا كه رابطه مستقيمي ‌با راندمان و طول عمر منبع تغذيه دارد. هر چقدر تهويه هواي گرم ازمحيط داخلي منبع تغذيه به فضاي بيروني، بهتر انجام گيرد كاركرد منبع تغذيه افزايش مي‌يابد. جديدا توليدكنندگان از فن‌هاي 12*12 سانيتمتر در محصولات خود استفاده مي‌نمايند كه اين مورد باعث تهويه هواي گرم اطراف پردازشگر و همچنين بي صدا شدن منبع تغذيه گرديده است . ولي در اين روش ضعف‌هايي نيز وجود دارد که از آن جمله انتقال گرما به پشت برد اصلي پاور و سپس هدايت اين گرما از طريق شيارهاي پشت پاور به داخل سيستم مي‌باشد. طبق جديدترين بررسي‌هاي انجام گرفته، بهترين روش تخليه گرماي داخلي پاور، تعبيه يک فن 8 سانتيمتري يا دو فن 8 سانتيمتري روبروي هم با قابليت کنترل ميزان دوران بر اساس حرارت فضاي داخلي پاور مي‌باشد.

شکل9 : فن يکي از مهم‌ترين اجزاء منبع تغذيه است.

برد pcb

pcb برد اصلي منبع تغذيه مي‌باشد و كليه قطعات بر روي آن نصب مي‌شوند. رعايت استانداردها و معيارهاي مختلف ازجمله ايمني در برابر آتش سوزي باعث افزايش ضريب اطمينان پاور و كاربر در موارد خاص مي‌گردد. امروزه در منابع تغذيه حرفه‌اي، از بردهاي دو لايه و سه لايه نيز استفاده مي‌گردد.

شکل10: pcb برد اصلي منبع تغذيه مي‌باشد.

( ic ( pwm controller

اين قسمت پيچيده‌ترين بخش مدار pwm مي‌باشد و در سال‌هاي اخير تغييرات چشمگيري در طراحي اين قسمت بوجود آمده است. به طوري که امروزه آي‌سي‌هاي جديد چند نوع وظيفه مختلف را بر عهده دارند، که در نهايت باعث افزايش دقت در کار کرد منبع تغذيه گرديده است. در زير به برخي از وظايف آي‌سي‌هاي جديد اشاره شده است:
l کنترل خروجي؛ که با توليد پالس‌هاي puls whidh modutation ، فرآيند تغيير پنهاني يک رشته پالس بر اساس تغييرات سيگنال‌هاي ديگر و اعمال بازخورد ولتاژ و جريان و راه‌اندازي نرم در کليه خروجي‌ها را برعهده دارد.
l شبيه سازي؛ از طريق يک شبکه تقسيم مقاومتي، کسري از ولتاژ خروجي به آي‌سي جهت مقايسه با يک ولتاژ مبنا، منتقل مي‌شود و در صورت بروز هرگونه تغيير در خروجي دستور down از طريق آي‌سي صادر مي‌شود.
l نوسان ساز؛ که در فرکانس پايه کار مي‌کند و موج مثلثي جهت استفاده در مدار pwm را توليد مي‌کند.
l راه‌انداز خروجي؛ که توان کافي را جهت به کارگيري در مقاصد کم و ميانه، توليد مي‌کند.
l ولتاو مبنا؛ که ولتاژ پايه را جهت مقايسه خروجي‌ها و همچنين يک ولتاژ پايدار براي ساير بخش‌ها توليد مي‌کند.
l مبدل خطا؛ که عرض پالس dc خروجي را متناسب باسطح ولتاژ، تنظيم مي‌نمايد.

شکل11: icهاي مدار کنترلر pwm

آشنايي با کانکتورهاي خروجي پاور

امروزه کانکتورهاي خروجي در منابع تغذيه کامپيوتر، داراي تنوع و تعداد خاصي شده‌اند و طبيعي مي‌باشد که اين تنوع کانکتورها بر روي تمامي‌ پاورها قابل اجرا نمي‌باشد. بلکه بنا به شرايط خاص، توان و ويرايش هر مدل پاور، مي‌توان شاهد وجود يا عدم وجود برخي از اين کانکتورها بود. در اين مبحث قصد داريم تا شما را با شکل ظاهري و نوع ولتاژ به کار رفته شده در اين کانکتورها، آشنا نماييم.
کانکتور atx main در شکل12 نماي کلي يک کانکتور 24 پين مادربرد، با قابليت تبديل به 20 پين را ملاحظه مي‌کنيد. لازم به ذکر است که معمولا کانکتورهاي 24 پين را به طور مجزا ( يعني 20 + 4 پين ) بر روي پاورها طراحي و نصب مي‌کنند و دليل آن، قابليت نصب پاور هم بر روي مادربردهاي 20 پين و هم روي مادربردهاي 24 پين است.
توجه داشته باشيد که پاورهاي 24 پين را مي‌توان بر روي مادربردهاي 20 پين نصب نمود ولي پاورهاي 20 پين را نبايد براي مادربردهاي 24 پين استفاده نمود. متاسفانه اغلب فروشندگان به صرف روشن شدن مادربردهاي 24 پين با پاورهاي 20 پين، اين کار را انجام مي‌دهند و يا از تبديل 20 به 24 استفاده مي‌نمايند. ولي آيا از خود سوال نموده‌اند که اگر قرار بر اين بود، چرا شکل ظاهري کانکتور مادر بردها و پاورهاي جديد 24 پين شده است؟ همانطور که در تعاريف استاندارهاي atx در مقاله‌هاي شماره‌‌هاي قبل عنوان شد، نوع مصرف مادربردها و قطعات سخت‌افزاري از يک مرحله خاص به بعد، تغيير يافت و پيرو آن سازندگان مادربرد و پاور تحت استانداردهاي جديد، اقدام به طراحي و توليد محصولات خود نمودند. اين مورد تغيير شکل نيز به نوعي يک هشدار براي مصرف کنندگان بود!
حال اگر پاور 20 پين برروي يک مادربرد 24 پين نصب گردد، چه اتفاقي مي‌افتد؟
به دليل فشار مضاعف و جريان بالايي که ديگر کانکتورهاي پاور براي تامين ولتاو کانکتورهاي متصل نشده متحمل مي‌شوند، پس از مدتي ( بستگي به نوع سخت‌افزار و ميزان توان مصرفي ) اين کانکتورها خاصيت اوليه خود را از دست مي‌دهند ( تغيير رنگ و سولفاته شدن ) و موجب افزايش غير طبيعي نويز در اين محل مي‌گردند و عملا کارآيي سيستم پايين آمده و درصد آسيب قطعات سخت‌افزاري به شدت بالا مي‌رود.

شکل12: مشخصات پايه‌هاي کانکتور 24 پين

کانکتورatx p4

در شکل 13 نمونه‌اي از کانکتور 4 پين را که عموما وظيفه تامين ولتاژ پردازنده است را ملاحظه مي‌فرماييد.

شکل13: نمونه‌اي از کانکتور atx p4

کانکتور eatx

شکل 14نمونه‌اي از کانکتورهاي جديد 8 پين، معروف به eatx را نشان مي‌دهد. اين کانکتورها در گذشته براي تغذيه مادربردهاي سرور و پردازنده‌هاي سرور مانند xeon ها استفاده مي‌گرديد. ولي اکنون با توجه به افزايش ميزان مصرف پردازنده‌هاي امروزي، مي‌توان اين کانکتورها را بر روي مادربردهاي نيمه حرفه‌اي جديد نيز مشاهده کرد و معمولا در اين کانکتورهاي 8 پين از دو خروجي مجزاي 12 ولت پاور استفاده مي‌گردد. لازم به ذکر است اين خروجي در پلاتفرم جديد مادربرد ها،
مانند: amd 4 * 4، تا 2 عدد افزايش يافته است و متناسب با آن کانکتور در پاورهاي epsسال 2007 ، تا دو عدد مشاهده مي‌گردد. ( مانند پاور gp1030b شرکت green )

شکل14

کانکتور molex معروف به ide

در شکل 15 نمونه کانکتور 4 پين مولکس را ملاحظه مي‌نماييد که اغلب جهت راه‌اندازي فن‌ها، اپتيکال درايوها و هاردهاي قديمي ‌معروف به ide استفاده مي‌گردند.

شکل 15

کانکتور serial ata معروف به sata

در شکل 16، نمونه کانکتور مخصوص هاردهاي sata را مي‌بينيد. اگر دقت نماييد در اينگونه کانکتورها از سه خروجي اصلي پاور يعني خروجي‌هاي 3 / 3 ولت، 5 ولت و 12 ولت با رنگ‌هاي نارنجي، قرمز و زرد استفاده شده است. نکته مهم در اين بحث استفاده اشتباه از کانکتورهاي تبديل ide به sata مي‌باشد. در اين روش عملا ولتاژ نارنجي رنگ يعني همان يعني 3 / 3 ولت خروجي پاور را به هارد sata خود نمي‌رسانيد. درست است که در اين حالت هم هارد sata کار مي‌کند ولي با اين روش شما عملا قابليت‌هاي هارد sataii خود را کاهش داده‌ايد و علاوه بر آن هارد خود را در معرض آسيب جدي قرار داده‌ايد.

شکل16: مشخصات کانکتور sata

کانکتور pci express معروف به pcie

درشکل 18، نمونه کانکتور خروجي 6 پين مخصوص کارت‌هاي pci e نشان داده شده است. درست است که اين نوع کانکتور در همه کارت‌هاي گرافيکي pci express استفاده نمي‌شوند، ولي رده‌هاي بالاي اينگونه کارت‌ها، نياز مبرم به ورودي مجزاي ولتاو مورد نياز خود دارند و به دليل مصرف بالاي آنها، اينگونه کانکتورها فقط بر روي پاورهاي بالاتر از توان واقعي 380 وات تعبيه مي‌گردند. همچنين به منظور ساپورت تکنولووي‌هاي sliو cross fire که از دو کارت به صورت همزمان استفاده مي‌شود، پاورهاي حرفه‌اي داراي 2 تا چهار خروجي 6 پين pcie مي‌باشند.

شکل18: کانکتور 6 پين pcie[/b

همجنين در شکل 19 و 20 نمونه کانکتورهاي 8 پين pci express جديد را مي‌بينيد. همانطور که مي‌دانيد، هيولاهاي جديد گرافيکي که توسط کمپاني‌هاي nvidiaو ati به بازار عرضه شده‌اند، مصرف انرژي فوق العاده بالايي دارند. مصرف از شاخه 12 ولت اينگونه کارت‌هاي گرافيکي به حدي بالا رفته است که به جهت عدم آسيب ديدگي کانکتورها ( که در چند پاراگراف قبل بحث شد )، اين کمپاني‌ها بر روي اينگونه کارت‌هاي خود اقدام به تعبيه دو کانکتور 6 پين و يا يک 8 پين و يک 6 پين در کنار يکديگر نموده‌اند. اين کانکتورهاي جديد را مي‌توان در پاورهاي بالاتر از توان 800 وات، ملاحظه نمود.

شکل19: کانکتور 8 پين pcie

شکل20: در برخي از کارت‌هاي گرافيک يک کانکتور 6 پين و 8 پين در کنار هم قرار مي‌گيرند.

[b]کانکتور 6 پين eeb

در شکل 21 نمونه کانکتورهاي 6 پين معروف به eeb را مشاهده مي‌نماييد. اين کانکتور را مي‌توان بر روي مادربردهاي جديد مانند tyan thunder ديد. پاورهاي ssi eps 3.51 از اين تکنولوژي پيروي مي‌نمايند. شکل ظاهري اين کانکتورها بسيار شبيه به کانکتورهاي 6 پين pcie مي‌باشد ولي نوع ولتاو ارائه شده در آنها کاملا متفاوت مي‌باشند.

شکل21 : کانکتور 6 پين eeb را نشان مي‌دهد.

آشنایی با ساختار داخلی منبع تغذیه

مطالب مشابه :

منبع تغذیه

Mean Well منبع تغذیه سوئیچینگ کف خواب منویل و منبع تغذیه ریلی مین ویل منبع تغذیه تابلوی

طراحی یک منبع تغذیه

آشنایی با ساختار داخلی منبع تغذیه

تبدیل جریان مستقیم به متناوب

.پروژه کنترل موتور های DC