منابع تغذیه سوئیچینگ

مزایای منابع تغذیه خطی:
1- طراحی مدارات بسیار ساده صورت می گیرد.
2- قابلیت تحمل بار زیاد
3- تولید نویز ناچیز و نویزپذیری بسیار اندک
4- در كاربردهای توان پایین ارزانتر می باشند.
5- زمان پاسخدهی بالایی را دارند.
مزایای منابع تغذیه سوئیچینگ:
1- وزن و حجم كمتری را نسبت به منابع تغذیه خطی دارند.
2- بالا بودن راندمان از68% تا 90%
3- داشتن مقدار بیشتری سطح ولتاژ در خروجی
4- بدلیل افزایش فركانس كاری اجزای ذخیره كننده انرژی می توانند كوچكتر و درعین حال با كارایی بیشتری عمل كنند.
5- در توانهای بالا استفاده می شوند.
6- كنترل آسان خروجی با استفاده از قابلیتهای مدارات مجتمع
معایب منابع تغذیه خطی:
تمام مزایایی كه درمنابع تغذیه سوئیچینگ گفته شد عیبهای بود كه درمنابع تغذیه خطی وجود
داشت و علاوه بر آن:
1- بدلیل كم بودن بهره توان تلفاتی در ترانزیستورهای خروجی زیاد می باشد كه درنتیجه نیاز به خنک كننده سیستم سرمایش تحت فشار می باشد.
2- تنها بصورت یک رگولاتور كاهنده قابل استفاده می باشد و همواره ورودی باید 2 تا 3 ولت بیشترازورودی باشد.
معایب منابع تغذیه سوئیچینگ:
تمام مواردی كه به عنوان مزیت در درمنابع تغذیه خطی ذكر شد به عنوان عیوب منابع تغذیه سوئیچینگ به شمارمی رود علاوه بر آن به موارد زیراشاره می شود:
1- نیاز به فیلتر كردن خروجی و حذف نویزهای تولیدی
2- ناپایداری ولتاژ
3- حساسیت زیاد به امواج محیط بگونه ایكه بعضا در برابر دیشهای 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 از این توپولوژی ها برای کاربرد و توان مصرفی خاصی مناسب تر خواهند بود. مثلا:
در جریان های خروجی کمتر از 4 آمپر، توپولوژی فلای بک ترجیح داده می شود. اگر جریان خروجی بیش از 6 آمپر باشد، معمولا از توپولوژی فوروارد استفاده می شود. و برای جریان های بین 4 تا 6 آمپر، از هر یک از توپولوژی های فلای بک یا فوروارد می توان استفاده نمود.
-          برخی از مزایای توپولوژی فلای بک:
مدار فقط دارای یک المان مغناطیسی است که هم کار ایزولاسیون را انجام می دهد و هم محل ذخیره انرژی است. برای جریان های کمتر از حدود 4 آمپر، فلای بک ارزان ترین توپولوژی ممکن است. ولی برای جریان های بیشتر، برای مقابله با ریپل های جریانی، مجبور به استفاده از خازنی با ابعاد بزرگتر در خروجی هستیم.
-          برخی از مزایای توپولوژی فوروارد:
سیم پیچ خروجی چه در زمان روشن بودن و چه در زمان خاموشی 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 معیارهای طراحی
یكسو كننده های ورودیطراحان چه از یكسو كننده های پل آماده استفاده كنند و چه از یكسو كننده های مجزا باید به نكات زیر توجه كنند:
1. توانایی یكسو كردن حداكثر جریان مستقیم. این مقدار در درجه ی اول به سطح توان طرحای منبع تغذیه ی سوئیچینگ بستگی دارد و دیود انتخاب شده حداقل باید بتواند جریانی دو برابر جریان محاسبه شده در حالت پایدار را تحمل كند.
2. توانایی بلوكه كردن پیك ولتاژ معكوس. مادامی كه این یكسوسازها در محدوده ی ولتاژ بالا مورد استفاده قرار می گیرند، باید نرخ بالایی داشته باشند، معمولا 600 ولت یا بیشتر.
3. ظرفیت تحمل جریان هجومی بالا برای تحمل پیك جریان هنگام روشن شدن مدار.
- خازن
محاسبه و انتخاب صحیح خازن های یكسوساز ورودی بسیار مهم است و بر روی پارامترهای اجرایی زیر تاثیر       می گذارد: ریپل ac فركانس پایین در خروجی منبع تغذیه و زمان باقی ماندن . معمولا از خازن های الكترولیت، مرغوب با توانایی جریان ریپل بالا با حداقل ولتاژ كار 200 Vdc، استفاده می شود.
جریان مصرفی نامی    ظرفیت خازن ذخیره
125 میلی آمپر    470 میكرو فاراد
250 میلی آمپر    1000 میكرو فاراد
500 میلی آمپر    2200 میكرو فاراد
1 آمپر    4700 میكرو فاراد
2 آمپر    6800 میكرو فاراد
جریان قابل تحمل خازن مورد استفاده ئر فیلتر ورودی باید دست كم 20 برابر حداكثر جریان عبوری مداوم باشد . ظرفیت خازن ذخیره به جریان مصرفی مورد نیاز ، و حداكثر دامنه ریپل قابل تحمل بستگی دارد . برای حفظ فاصله ایمنی بهتر است ولتاژ قابل تحمل آن دست كم 4/1 برابر ولتاژ خروجی باشد یعنی دو برابر r.m.s ولتاژ خروجی .
جریان هجومی یك منبع تغذیه سوئیچینگ، ممكن است باعث ایجاد یك پیك جریان هجومی بسیار شدید در هنگام روشن شدن شود، مگر اینكه طراح، برخی محدود كننده های جریان را در قسمت ورودی جای دهد. این جریان ها بر اثر شارژ خازن به وجود می آیند كه در لحظه ی روشن شدن، مقاومت بسیار اندكی، معمولا فقط به اندازه ESR خازن ها.
ترانزیستور قدرت در طراحی مبدل انواع مختلف المان های سوئیچینگ، نظیر ترانزیستور، SCR و GTO توسط طراحان منبع تغذیه در طول سال ها استفاده شده است. متداول ترین المانی كه اغلب از آن استفاده می شود ترانزیستور دو قطبی و در سال های اخیر نوع ماسفت آن است.
انتخاب ترانزیستور
پارامترهای طراحی اولیه ی یك ترانزیستور برای استفاده در یك مبدل غیر خطی، اول توانایی بلوكه كردن ولتاژ آن در هنگام خاموش بودن و دوم ظرفیت تحمل جریان آن كه در هنگام روشن بودن است. هر دوی این پارامترها توسط نوع مبدل مشخص می شوند.
تصمیم مهم دیگری كه طراح با آن روبروست استفاده از ترانزیستور دو قطبی یا ماسفت در طراحی است. هر كدوم از این ترانزیستورها مزایای متمایزی را نسبت به دیگری ارائه می دهند، ترانزیستور دو قطبی در حال حاضر ارزان است در حالی كه ماسفت به خاطر مدارهای تحریك ساده تر،‌ مدار ساده ای دارد.
كاربرد نیمه هادی ها نقش بسیار بزرگی در قابلیت تحمل مدارات تغذیه سوئیچینگ برعهده دارد. در حالت سوئیچینگ ترانزیستوها در خالت اشباع یا نزدیك آن كار می كنند. در این حالت مقدار حداقل مقدار خود را خواهد داشت و در نتیجه تلفات به حداقل خواهد رسد.لذا طراح باید بدترین حالت یعنی در سلف حداقل و حداكثر جریان كلكتور را در نظر بگیرد. عوامل موثر در این جریان: امپدانس موثر دیده شده از سوی كلكتور، ولتاژ ورودی حداكثر دوره هدایت و بار می باشد. در صورتی كه از كوپلاژ ترانسفورماتوری استفاده شود تلفات مذكور كاهش قابل ملاحضه ای پیدا می كند. اشكال اینكار افزایش زیاد زمان خاموش سازی ترانزیستور در رابطه با فرو رفتن در حالت هدایت فوق العاده است.
اشكالات عمده ترانزیستور های دو قطبی:
1-             شكست بهمنی، همگامی كه ترانزیستور خاموش است و یك موج ولتاژ فوق العاده به پیوند كلكتور بیس می رسد، رخ می دهد.
2-             پدیده شایع تر و پیچیده تر، پدیده شكست ثانویه و ازدحام جریان است. این در طی پروسه روشن و خاموش سازی رخ كی دهند. و اینها پدیده های وابسته به ولتاژ هستند هنگامی كه جرین جاری است و ولتاژ نسبتا زیادی بین كلكتور و امیتر وجود دارد رخ میدهد. و این به تلفات لحظه ای نسبتا زیادی كه به صورت یكنواخت هم توزیع نشده منجر می شود.
یكی از عواملی كه ترانزیستور را به نواحی غیر مجاز كاری وارد می كند Snubbing است كه در ادامه مورد بحث قرار می گیرد. سرعت سوئیچ اثر مستقیمی در تلفات سوئیچ دارد و این تلفات رابطه مستقیمی با فركانس كاری مدار دارد. تلفات سوئیچینگ از جریان كلكتور به امیتر هنگامی كه Vcc از اشباع به قطع می رود (یا برعكس) نشات می گیرد، در این زمان جریان بار كلكتور به جهت خاصیت القایی بار كماكان جاری است. كه به تلفات قابل توجهی متناسب با فركانس كاری منتهی می شود. در این حالت بهتر است به بیس به عنوان خازن كوچكی بین پایه بیس و امیتر نگاه شود، سرعت شارژ و ئشارژ شدن این خازن تعیین كننده فركانس كاری بین قطع و اشباع است. وجود این خازن طرح را كمی پیچیده می كند.
یك خازن به مقدار 200pF تا 50nF به موازات مقاومت بیس نصب می شود. این خازن سرعت دهنده ، كه انباره نامیده می شود شارژ و دشارژ خازن بیس را سرعت می دهد. این خازن عملا یك ولتاژ منفی در بیس هنگام خاموش كردن ترانزیستور ایجاد می كند. و اثرات ازدحام جریان را می كاهد. به علاوه ولتاژ بیس امیتر را در طی خاموش كردن منفی می كند.
نكته دیگر كه باید در انتخاب ترانزیستور دقت شود، سرعت كلیدزنی و یا فركانس كار آن می 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 غیر این صورت ترانزیستور زمان كافی برای پاسخ گویی به پالس های اعمالی از مدار كنترل نخواهد داشت در نتیجه علاوه بر كاهش كیفیت خروجی باعث افزایش بسیار شدید تلفات در ترانزیستور می شود.

توجه به این نكته ضروری است كه ترانزیستور دو قطبی دارای فركانس قطع كار محدودی است، حدود 50KHz، در حالیكه ماسفت برای فركانس سوئیچینگ بالاتر از 200KHz نیز می تواند استفاده شود. البته فركانس های بالاتر به معنی اندازه كوچكتر اجزا و بنابراین منابع تغذیه ی فشرده تر است، واقعیتی كه به نظر می رسد طراحی منبع تغذیه، امروزه به سمت آن گرایش دارد. استفاده قدرت از ترانزیستور دو قطبی به عنوان یك سوئیچ ترانزیستور دو قطبی وسیله این است كه اساسا با جریان كار می كند، در واقع با تزریق جریان به پایه ی بیس آن جریان در كلكتور ساخته می شود. اندازه ی جریان گذرنده از كلكتور به مقدار گین ترانزیستور بستگی دارد. اساسا دو مد كاری در یك ترانزیستور دو قطبی وجود دارد: مد خطی و مد اشباع برای روشن یا خاموش كردن ترانزیستور به كار می رود.
در كاربرد های سوئیچینگ واقعی یك جریان محركه ی بیس آن برای روشن كردن ترانزیستور، و یك جریان بیس با پلاریته ی معكوس برای خاموش كردن ترانزیستور مورد نیاز است. به علت ذخیره مشخصی با كاربرد آن همراه است.
یكسو كننده ها، سلف ها و خازن ها عموما قسمت خروجی هر منبع تغذیه سوئیچینگ از یك یا چند ولتاژ مستقیم تشكیل شده است كه با یكسو كردن مستقیم ولتاژهای ثانویه ترانس . این خروجی ها معمولا ولتاژ پایین و جریان مستقیم هستند و می توانند سطح توان مشخصی را برای فرمان وسایل و مدارهای الكترونیكی تحویل دهند. ولتاژ معمول خروجی، 5،12،15،24 و 18 ولت جریان مستقیم هستند و توان آن ها می تواند از چند وات تا چند كیلو وات، متغیر باشد.
متداول ترین نوع ولتاژهای ثانویه كه در منبع تغذیه سوئیچینگ یكسو می شوند، موج های مربعی فركانس بالا هستند كه به اجزا مخصوصی مانند یكسو كننده های سریع یا شاتكی، خازن های ESR كوچك و سلف های ذخیره كننده ی انرژی نیاز دارند تا بتوانند خروجی هایی با نویز كم ایجاد كنند، كه در اغلب ابزارهای الكترونیكی قابل استفاده باشد.
رگولاتورهای سوئیچینگ
اكثر منابع تغذیه سوئیچینگ امروزی از نوع پهنای باند مدوله شده هستند. این تكنیك، زمان هدایت ترانزیستور سوئیچینگ را در طول دوره ی روشن بودن، تغییر می دهد تا ولتاژ خروجی را به میزان مشخصی، كنترل و تنظیم كند. اگر چه روش های دیگری نیز برای كنترل و رگولاسیون بكار می روند، اما نوع پهنای باند مدوله شده كارایی بهتری دارد، از جمله رگولاسیون دقیق خط و بار و پایداری در هنگام تغییرات دما.
نحوه محاسبه جریان مورد نیاز ورودی در منبع تغذیه سوئیچینگ :
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 بار منبع 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 می باشد.
                                                                مقدارحقیقی آن بستگی به نوع امپدانس منبع می باشد.
Vin                   ولتاژ ورودی
و برای حداكثر جریان مورد نیاز از فرمول زیر استفاده می شود :
Iin, max = Pout, max /(Emin * PFmin * Vin, min)

مهمترین قطعاتی كه در یك منبع تغذیه سوئیچینگ بكار می رونند،ترانزیستورهای سرعت بالا و یا كلیدزنی، MOSFETهای قدرت سوئیچینگ، سلف و سیم پیچ و خازنهای فركانسی باكیفیت می باشند.

منابع تغذیه سوئیچینگ

مطالب مشابه :