منبع تغذیه سوئیچینگ
منبع تغذیه سوییچینگ
یک منبع تغذیه سوئیچینگ (Switched-mode power Supply) یا SMPS یک واحد منبع تغذیه توان (psu) است که به روش سوئیچینگ عمل رگولاسیون را انجام می دهد. برای ثابت نگه داشتن ولتاژ و جریان خروجی یک منبع تغذیه دو روش رگولاتور خطی و رگولاتور به روش سوئیچینگ وجود دارد. در روش رگولاتور خطی از ترانس و المانهای یکسو کننده جریان و فیلتر استفاده میشود. عیب این روش تلفات بالا و بازدهی پائین و عدم دسترسی به رگولاسیون دقیق و مقادیر دلخواه در خروجی این نوع منبع تغذیه است. یک مقایسه را میتوان بین این دو روش به این صورت بررسی کرد: 1- در روش خطی ترانسها در فرکانس 50 تا 60 هرتز کار میکنند که در نتیجه دارای اندازه و حجم بیشتری هستند ولی در روش سوئیچینگ به دلیل استفاده از فرکانس بالای 50 تا 200 کیلوهرتز حجم و وزن ترانسها را میتوان کاهش داد.2- بازده توان در روش سوئیچینگ بیشتر از روش خطی است. یک منبع خطی با تلف کردن میزان توان، خروجی خود را رگوله می‌کند ولی در روش سوئیچینگ با تغییر میزان دوره سیکل سوئیچ یا همان (duty cycle) میتوان ولتاژ و جریان خروجی را کنترل کرد. (در توانهای بالا از روش PWM و در توانهای پائین تر از 30 وات از روش کلید زنی به صورت پالسهای معمولی استفاده میشود) یک طرح خوب در این روش می تواند تا 95% بازدهی داشته باشد. موردی که در منابع تغذیه سوئیچنگ وجود دارد بحث نویزواثرهای ناخواسته الکترومغناطیسی است که می بایست از فیلتر EMI و اتصالات RF استفاده کرد. شکل زیر بلوک دیاگراممنبع تغذیه سوئیچینگ را نشان می دهد. در طرح منبع تغذیه سوئیچینگ اگر ورودی اصلی ACباشد ابتدا از یک طبقه یکسو کننده عبور می‌کند. طبقه یکسو کننده یک ولتاژ dc رگوله نشده ایجاد می‌کند که این ولتاژ dc به خازنهای فیلترینگ بزرگ متصل میشود جریان کشیده شده توسط این یکسو کننده از منبع تغذیه AC باعث ایجاد پالسهای کوتاه در اطراف پیک ولتاژ AC میشود. این پالسهای کوچک در فرکانسهای بالا باعث کاهش فاکتور توان منبع تغذیه سوئیچینگ می‌شوند در اینجا از تکنیکی باید استفاده کرد و جریان یکسو شده را مجبور کرد تا شبیه یک شکل موج سینوسی باشد که در واقع فاکتور توان اصلاح شود.یک SMPS با ورودی DC به این مرحله (یکسو کننده) احیتاجی نداریم.می توانیم برای ورودی SMPS یک سوئیچ انتخاب حالت قرار دهیم که برای حالت DC مدار یکسو کننده در ورودی سیستم حذف شود و برای حالت ac نیز دو حالت 120 و 220 ولت قرار دهیم . (در حالت 120 ولت یک مدار دو برابر کننده ولتاژ و در حالت 220 ولت یک یکسو کننده در طرح ورودی قرار بگیرد)در مرحله اینورتر دوباره این مقدار dc به AC تبدیل میشود فرکانس کار این اینورتر (منظور سوئیچ کردن ها) بیش از 20 کیلوهرتز ...
منابع تغذیه سوئیچینگ
منابع تغذیه سوئیچینگ
از فركانس کار ترانسها در روش خطی 50 تا 60 هرتز است. ترانسهای فرکانس پایین، اندازه و حجم بزرگی دارند. در روش سوئیچینگ به دلیل استفاده از فركانس بالای 50 تا 200 کیلوهرتز،و (حتی امروزه به یک مگا هرتز) حجم و وزن ترانسها به میزان قابل توجهی كاهش یافته و درنتیجه اندازه منبع تغذیه سوئیچینگ کوچکتر است راندمان یا بازده توان در روش سوئیچینگ بسیار بیشتر ازروش خطی است. یك منبع خطی با تلف كردن توان، خروجی را رگوله یا یکسو میكند ولی در روش سوئیچینگ با تغییرمیزان دوره سیكل سوئیچ ، ولتاژو جریان خروجی كنترل میشود. با یك طراحی خوب در روش سوئیچینگ میتوان به حدود 90درصد بازدهی دست یافت در طراحی منابع تغذیه سوئیچنگ، بدلیل وجود فرکانس بالا، بحث نویز و اثرهای ناخواسته الكترومغناطیسی بسیار مهم بوده و برای حذف آنها از فیلتر ای.ام.آی واتصالات آر.اف استفاده میشود.طراحی منبع تغذیه خطی بسیار ساده بوده و اثرات نویز در خروجی بسیار کمتر است این مقاله در مورد انواع منابع تغذیه سوئیچینگ و مزایا و معایب هر یک ازآنها و تفاوتهای بین انواع مختلف کنترل با حلقه های فیدبک و معرفی و طرزکارآی سی های PWM با کنترل جریان از شرکتهای مختلفی همچون:MICROCHIP – ON SEMICONDUCTOR –TEXAS INSTRUMENTو غیره پرداخته است.چکیده مقاله به شرح زیر می باشد :بخش اول:مروری بر منابع تغذیه سوئیچینگ مقایسه منابع تغذیه سوئیچینگ با منابع تغذیه خطیبخش دوم:اصول منابع تغذیه سوئیچینگ1-2: انواع رگولاتورهای ولتاژ 2-2:چاپرهایDC 3-2: اصول رگولاتورهای سوئیچینگ بخش سوم:رگولاتورهای سوئیچینگ فاقد ترانسفورماتور ایزوله کننده 1-3:رگولاتور باک ( Buck ) 2-3: رگولاتور بوست ( Boost ) 3-3: رگولاتور باک – بوست ( Buck – Boost ) بخش چهارم:رگولاتورهای سوئیچینگ با ترانسفورماتور ایزوله کننده 1-4: رگولاتور فلای بک ( Fly Back ) 2-4: رگولاتور پوش پول ( Push Pull ) 3-4: رگولاتور نیم پل ( Half Bridge ) 4-4: رگولاتور تمام پل ( Full Bridge ) بخش پنجم:مدارات مجتمع ( IC های ) کنترل کننده منابع تغذیه 1-5: کنترل ( نوع ) حالت شبه رزونانسی2-5: کنترل ( نوع ) حالت ولتاژ 3-5: کنترل ( نوع ) حالت جریان 4-5: معرفی تراشه UC3842/3/4/5 با کنترل جریان 5-5: معرفی تراشه TC170 باکنترل جریان 6-5: معرفی تراشه LM5020 – 1/2 با کنترل جریان 7-5: معرفی تراشه L5991/1A با کنترل جریان بخش ششم:ضمایم الف: خانواده IC های CS2842/3A و CS3842/3Aب: مجموعه IC های UCC28C40/1/2/3/4/5 و UCC38C40/1/2/3/4/5 ج: تراشه TEA2019د: گروه IC های UC1/2/3856و: خانواده IC های UCC1/2/3806 ز: تراشه FAN7601
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 ...
منابع تغذیه سوئیچینگ
مزایای منابع تغذیه خطی:1- طراحی مدارات بسیار ساده صورت می گیرد.2- قابلیت تحمل بار زیاد3- تولید نویز ناچیز و نویزپذیری بسیار اندک4- 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 خروجی4- 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 مجتمعمعایب 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 تولیدی2- ناپایداری ولتاژ3- 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 ...
منبع تغذيه (پاور سوئيچينگ) بخش 2
در طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ اگر ورودی اصلی ولتاژ متناوب باشد، ابتدا از یك طبقه یكسوكننده عبور کرده و یك ولتاژ مستقیم رگوله نشده ایجاد میشود. این ولتاژ مستقیم به خازنهای فیلترینگ بزرگ متصل میشود. جریان كشیده شده توسط این یكسوكننده از ورودی ولتاژ متناوب باعث ایجاد پالسهای جریان در اطراف پیك ولتاژ متناوب میشود. این پالسهای كوچك مولد فركانسهای بالا بوده و كاهش فاكتور توان را بهمراه دارند. تكنیك پاور فکتور کورکشن برای مقابله ایجاد شده است. مدار پاور فکتور کورکشن جریان مصرفی یكسوکننده را شبیه به شكل موج سینوسی نگاه داشته و در نتیجه فاكتور توان در برق ورودی متناوب اصلاح و نزدیک به 1،00 باقی میماند محدوده ولتاژ متناوب ورودی توسط یك سوئیچ در دو حالت 115 و 230 ولت انتخاب میشود . در حالت 115 ولت یك مدار دو برابر كننده ولتاژ در طبقه ورودی اضافه میشود. در برخی مدلها محدوده ولتاژ متناوب ورودی یونیورسال بوده و حداقل100 تا 240 ولت را پشتیبانی میکنند. در یك منبع تغذیه با ورودی ولتاژ مستقیم به مرحله یكسو كننده احیتاجی نیست در مرحله اینورتر، مقدار ولتاژ مستقیم تولید شده در مرحله قبل، دوباره به ولتاژ متناوب تبدیل میشود. فركانس خروجی اینورتر بیش از 20 كیلوهرتز (خارج از محدوده شنوایی) انتخاب میشود. عمل سوئیچ معمولاً به كمك چند طبقه ماسفت جهت رسیدن به بهره بالا انجام میشود. در مرحله بعد ترانس با تعداد دورهای پیچشی كم قرار دارد. به دلیل فركانس بالا دور سیم پیچ ترانس كم میشود و بسته به نیاز ترانس افزاینده یا كاهنده است. در مرحله نهایی هم یک طبقه یکسوکننده و فیلتر وجود دارد که وظیفه ی آن ساختن خروجی ولتاژ مستقیم در محدوده معین و مشخصات مناسب است آشنایی با اجزاء فیزیکی منبع تغذیه در اینجا به صورت مختصر و با زبان ساده، اجزاء داخلی منبع تغذیه سوئیچینگ شرح داده شده است. بدیهی است که این ساختار عمومی نبوده و در حدود 75 درصد از ساختار های داخلی منابع تغذیه استاندارد کنونی را در بر میگیرد EMI Filter این بخش از عناصر سلف و خازن تشکیل شده و وظیفهی آن ممانعت از خروج فركانس های اضافی (درمحدودهی كاری نویز حاصل از مدار سوئیچینگ) منبع تغذیه به بیرون و همچنین ممانعت از ورود فركانس های اضافی (حاصل ازدوران موتور های الكتریكی و سیستمهای مولد حرارت و غیره) به داخل منبع تغذیه میباشد Input Capacitor این قسمت از دو خازن الکترولیت با ظرفیت متناسب توان منبع تغذیه تشکیل شده و وظیفه آن كنترل سطح ولتاژ ورودی در هنگام كاركرد و همچنین ذخیره انرژی مورد نیاز مدار سوئیچینگ به هنگام وقفه های كوتاه انرژی میباشد Power Switching این بخش معمولاً از دو ترانزیستور قدرت (ماسفت) ...
منابع تغذیه ومنابع تغذیه سوئیچینگ
تعاریف عمومی و متداول در منابع تغذیه و بخصوص منابع تغذیه سوئیچینگ مقدمه كلیه مدارات الكترونیكی نیاز به منبع تغذیه دارند. برای مدارات با كاربرد كم قدرت از باطری یا سلولهای خورشیدی استفاده می شود. منبع تغذیه به عنوان منبع انرژی دهنده به مدار مورد استفاده قرار می گیرد.حدود 20 سال است كه سیستمهای پر قدرت جای خود را حتی در مصارف خانگی هم باز كرده اند و این به دلیل معرفی سیستمهای جدید برای تغذیه مدارات قدرت است.این منابع تغذیه كاملاً خطی عمل می نمایند. این نوع منابع را منابع تغذیه سوئیچینگ می نامند. این اسم از نوع عملكرد این سیستمها گرفته شده است. به این منابع تغذیه اختصاراً SMPS نیز می گویند. این حروف بر گرفته شده از نام لاتین Switched Mode Power Supplies است.راندمان SMPS بصورت نوعی بین 80% الی 90% است كه 30% تا 40% آنها در نواحی خطی كار می كنند. خنك كننده های بزرگ كه منابع تغذیه رگوله قدیمی از آنها استفاده می كردند، درSMPSها دیگر به چشم نمی خورند و این باعث شده كه از این منابع تغذیه بتوان در توانهای خیلی بالا نیز استفاده كرد.در فركانسهای بالای كلیدزنی از یک ترانزیستور جهت كنترل سطح ولتاژ DC استفاده می شود. با بالا رفتن فركانس ترانزیستور، دیگر خطی عمل نمی كند و نویز مخابراتی شدیدی را با توان بالا تولید می نماید. به همین سبب در فركانس كلید زنی بالا از المان كم مصرف Power MOSFET استفاده می شود. اما با بالا رفتن قدرت، تلفات آن نیز زیاد می شود. المان جدیدی به بازار آمده كه تمامی مزایای دو قطعة فوق را در خود جمع آوری نموده است و دیگر معایب BJT و Power MOSFET را ندارد. این قطعة جدید IGBT نام دارد. در طی سالهای اخیر به دلیل ارزانی و مزایای این قطعه از IGBT استفادة زیادی شده است.امروزه مداراتی كه طراحی می شوند، در رنج فركانسی MHZ و قدرتهای در حد MVA و با قیمت خیلی كمتر از انواع قدیمی خود می باشند.فروشنده های اروپائی در سال 1990 میلادی تا حد 2 میلیارد دلار از فروش این SMPSها درآمد خالص كسب نمودند. 80% از SMPSهای فروخته شده در اروپا طراحی شدند و توسط كارخانه های اروپائی ساخت آنها صورت پذیرفت. درآمد فوق العاده بالای فروش این SMPSها در سال 1990 باعث گردیدكه شاخة جدیدی در مهندسی برق ایجاد شود، این رشته مهندسی طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ نام گرفت.ادامه مطلب را بخوانیدمقدمهكلیه مدارات الكترونیكی نیاز به منبع تغذیه دارند. برای مدارات با كاربرد كم قدرت از باطری یا سلولهای خورشیدی استفاده می شود. منبع تغذیه به عنوان منبع انرژی دهنده به مدار مورد استفاده قرار می گیرد.حدود 20 سال است كه سیستمهای پر قدرت جای خود را حتی در مصارف خانگی هم باز كرده اند و این به دلیل معرفی سیستمهای جدید ...
طراحی و ساخت منابع تغذیه سوئیچینگ 0-1000 امپر و0-1000 ولت
طراحی و ساخت منابع تغذیه سوئیچینگ 0-1000 امپر و0-1000 ولتآموزش ساخت منبع تغذیه سوییچینگ با آی سی های TinySwitch-II با توجه به نیاز روزافزون به منبع های تغذیه سوییچینگ، شرکت های مختلف به تولید آی سی هایی روی آورده اند که کارهای مختلف یک مدار سوئیچینگ را (از جمله ماسفت قدرت، محدود کننده جریان، فیدبک ولتاژ خروجی و …) به صورت مجتمع و یکجا انجام می دهند و به این ترتیب از تعداد قطعات مدار کاسته شده و طراحی آن نیز ساده تر می گردد. یکی از این شرکت ها کمپانی امریکایی Power Integrations می باشد که تنوع محصولات آن زیاد بوده و البته خوشبختانه تعدادی از آنها در بازار ایران هم پیدا می شوند. آی سی های این شرکت به خانواده های مختلفی تقسیم می شوند که هر خانواده برای استفاده در یک توپولوژی خاص طراحی شده است… در این پست، طرز استفاده از آی سی های سری TinySwitch-II را برای شما آموزش می دهم و این نخستین باری است که در سایت های ایرانی نحوه استفاده از آن ها تشریح می شود. درون این سری از آی سی ها، همه اجزای لازم برای یک سیستم سوییچینگ کامل با توپولوژی فلایبک جاسازی شده است و مدار را از سیم پیچ کمکی بی نیاز می کند و به راحتی قابل استفاده می باشد. فرکانس کاری این آی سی ها ۱۳۲ کیلوهرتز است و درون آنها یک ماسفت ۷۰۰ ولتی جاسازی شده است. از آی سی های این خانواده معمولا در ساخت شارژرهای گوشی موبایل استفاده می شود. دارای ۷ پایه هستند (مانند آی سی های ۸ پایه است ولی پایه شماره ۶ آن ها وجود ندارد ! ) و در دو بسته بندی DIP-8B و SMD-8B عرضه می شوند که در بازار ایران معمولا نوع DIP-8B آنها موجود است و در اکثر فروشگاه های قطعات الکترونیک (حداقل در میان فروشگاه های اینترنتی) نیز یافت می شوند. البته قیمت آنها از قیمت آی سی های هم اندازه خودشان تا حدودی بیشتر است. در جدول زیر، توان خروجی آی سی های این خانواده (بر حسب وات) را مشاهده می کنید : توان خروجی آی سی های خانواده TinySwitch-II طرز قرارگیری پایه های خانواده TinySwitch-II بلوک دیاگرام عملیاتی آی سی های TinySwitch-II شکل ظاهری آی سی ها در بسته بندی SMD-8B شکل ظاهری آی سی ها در بسته بندی DIP-8B همانطور که در جدول ملاحظه کردید، هرچه شماره این سری از آی سی ها بیشتر شود، قدرت آن ها نیز افزایش می یابد. من خودم معمولا از TNY268 استفاده می کنم؛ چون هم قدرت بیشتری دارد و هم در بازار ایران فراوان تر است. اما شما با توجه به قدرت مورد نیازتان می توانید یکی از آن ها را انتخاب کنید. به هر حال اساس کار و ترتیب پایه های آن ها شبیه به هم است و تنها تفاوت در قدرت خروجی آن هاست. شکل کلی مدار مورد استفاده برای این آی سی ها که شرکت سازنده شان ارائه داده ...