منبع تغذیه، یک تعریف کلى برای توصیف مدارهایی است که از یک منبع ولتاژ ACدر دسترس، ولتاژ DC با اندازه متناسب و کنترل شده تولید می‌کنند. ولتاژ DC تولید شده بسیار کاربرد دارد و تأمین آن در بعضى از مدارها ضروری است.
در حالت کلی، دو نوع منبع تغذیه وجود دارد :
منبع تغذیه خطی : (Linear Regulated Power Supply)
منبع تغذیه سوئیچینگ : (Switched Mode Power Supply) یا SMPS
ما در این مقاله منبع تغذیه سوئیچینگ را مورد بررسى قرار مى دهیم.
منابع تغذیه سوئیچینگ یک واحد منبع تغذیه توان ( psu ) هستند که به روش سوئیچینگ عمل رگولاسیون را انجام می دهند. برای ثابت نگه داشتن ولتاژ و جریان خروجی در یک منبع تغذیه ، دو روش خطی و سوئیچینگ وجود دارد.منابع تغذیه سوئیچینگ یا همان SMPSها جایگزینى براى منابع تغذیه خطی سنتی که به کار می رفتند هستند و گرما و اندازه و وزن مدار و تولید گرما مصرف توان را کاهش می‌دهند.
در دنیاى امروز منابع تغذیه سوئیچینگ در رایانه ها، تقویت کننده‌های توان، درایو موتورهای dc و تلویزیون‌ها و… مورد استفاده قرار گرفته اند.
یک منبع تغذیه سوئیچینگ نوعی منبع تغذیه است که از روش سوئیچینگ مبتنی بر نیمه‌هادی برای رسیدن به ولتاژ خروجی مورد نظراستفاده می‌کند. یک مبدل سوئیچینگ پایه متشکل از یک بخش سوئیچینگ توان و یک مدار کنترل است. بخش سوئیچینگ توان، تبدیل توان را از ولتاژ ورودی V)IN) مدار به ولتاژ خروجی V)OUT) انجام میدهد که یک فیلتر خروجی نیز دارد.
برترى اصلی منابع تغذیه سوئیچینگ بازده بالاتر آن در قیاس با منبع تغذیه خطی استاندارد است. اصلی ترین وسیله در رسیدن به این بازده بالا یک ترانزیستور (ماسفت) است که دربین دو حالت اشباع (ON) و قطع (OFF) سوئیچ می‌کند و باعث هدر رفتن توان کمتری می‌شود. زمانى که ترانزیستور سوئیچینگ در وضعیت ON باشد و جریان را هدایت کند، افت ولتاژ در آن حداقل خواهد بود و وقتى که OFF شود جریانی از آن عبور نخواهد کرد. در نتیجه ترانزیستور مانند یک کلید یا سوئیچ ایده‌آل عمل می‌کند.
بنابراین، برخلاف منبع تغذیه خطی که فقط مى تواند تنظیم ولتاژ را به صورت کاهنده انجام دهند، منابع تغذیه سوئیچینگ می‌تواند افزاینده ،کاهنده و یا وارونگر پلاریته ولتاژ ورودی باشند.
مدارهای پایه منابع تغذیه سوئیچینگ عبارت اند از
Buck | «باک» :کاهنده پلاریته ولتاژ
Boost | «بوست» :افزاینده پلاریته ولتاژ
Buck – Boost | «باک-بوست» :وارونگر پلاریته ولتاژ
تفاوت این سه مدار در مکان قرار گرفتن سلف ،سوئیچ و خازن خروجی در مدار است.
یک منبع تغذیه خطی با اتلاف توان اضافی به شکل حرارت مى تواند ولتاژ یا جریان خروجی را تنظیم کند در نتیجه حداکثر بازده توان آنها برابر است با نسبت ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی. ولى در یک منبع تغذیه سوییچینگ ولتاژ یا جریان به وسیله سوئیچ کردن یک عنصر ذخیره کننده انرژی مانند سلف یا خازن تنظیم می‌شود.
عناصر سوییچینگ (مانند ترانزیستوری که در خارج از ناحیه فعال کار می‌کند) در حالت وصلON، مقاومتی نداشته و در حالت قطعOFF هم جریانی از آنها عبور نمی‌کند بنابراین این دسته از منابع تغذیه می‌توانند بازده ۱۰۰ درصد داشته باشند.( یعنی تمامی توان ورودی به بار منتقل می‌شوند و هیچ کسری از آن از طریق گرم اتلاف نمى شود).
مزایا منبع تغذیه سوئیچینگ :
راندمان بالا: بازده منبع تغذیه سوئیچینگ معمولا بین % ۷۰ تا % ۹۶ است . در مدارات سوئیچینگ عنصر کنترل در وضعیت وصل و قطع کار می کند و توان تلفاتی پایینی دارد، در صورتى که در منابع تغذیه خطی عنصر کنترل در وضعیت فعال کار می کند و توان تلفاتی بسیار بالائی دارد.این منابع توانسته اند اتلاف انرژى را
تا حد زیادى کاهش دهند.
ابعاد کوچک ترانس: در منابع تغذیه سوئیچینگ با افزایش فرکانس، بسته های انرژی کوچک تری در تعداد دفعات بیشتری به خروجى منتقل می گردد.در صورتى که در منابع تغذیه خطی ترانس در فرکانس ۵۰ هرتز برق شهر کار می کند. بنابراین انرژی نسبتاً زیاد در تعداد دفعات کم به خروجی منتقل می شود..
سبک و کم وزن بودن: میزان وزن یک منبع تغذیه به ترانس آن بستگی دارد. اگر ترانس کوچک باشد این منبع سبک و کم وزن خواهد شد. (به دلیل حذف ترانسفورماتور فرکانس پایین که وزن بالایی دارد)
کاملاً فشرده: منبع تغذیه سوئیچینگ را می توانید در بسته بندی های کاملاً فشرده قرار دهید، زیرا اتلاف حرارتی کمی دارند.
ورودی با محدوده دینامیکی زیاد: ولتاژهاى ورودی می تواند در محدوده وسیعی تغییر کنند در حالی که ولتاژ خروجی ثابت باقی خواهد ماند .
زمان نگهداری بیش از پنج میلی ثانیه مدار سوئیچینگ: دلیل آن نیز ولتاژ dc نسبتا بالایی است که در خازن ورودی ذخیره می شود. بنابراین چون انرژی ذخیره شده در خازن با مربع ولتاژ رابطه مستقیم دارد به همین دلیل منبع تغذیه سوئیچینگ زمان نگهداری بیشتری نسبت به منبع تغذیه خطى دارد .
معایب منبع تغذیه سوئیچینگ :
۱- در ترانس علاوه بر تشعشع، تلفات افزایش یافته و با افزایش تلفات در ترانس، بازده آن به صورت مستقیم( که از طریق سیم های ارتباطی انتشار می یابد ) و غیر مستقیم(که از طریق محیط، ارتباط برقرار می شود )کاهش می یابد.
۲- نیاز به محفاظت در مقابل اضافه بار.
۳- با قطع شدن فیدبک در منبع تغذیه خطی افزایش ولتاژ وجود ندارد، درصورتى که در منبع تغذیه سوئیچینگ با قطع شدن فیدبک، قسمت کنترلی ولتاژ خروجی را صفر می بیند. بنابراین برای افزایش ولتاژ انرژی بیشتری را به خروجی منتقل می کند. چون قسمت کنترلی، کاهش ولتاژ را در اثر افزایش بار می داند. انتقال انرژی بیشتر به خروجی موجب افزایش ولتاژ خروجی می شود تا جایی که ممکن است منجر به سوختن عناصر مداربشود.
۴- جریان های یورشی زیاد: جریان های یورشی به جریان هایی گفته می شود که در لحظه اول بعد از وصل شدن منبع تغذیه به علت شارژ نبودن خازن های مدارات سوئیچینگ از ورودی دریافت می شود.
منابع تغذیه سوئیچینگ (صنعتی) به طور کلی به دو دسته تقسیم می شوند:
۱) منابع تغذیه سوئیچینگ ریلی
۲) منابع تغذیه سوئیچینگ کف خواب
تفاوت‌های عمده این دو منبع تغذیه در رنج متفاوت ولتاژ ورودی، چینش و نوع ترمنیال های مورد استفاده، حفاظت اتصال کوتاه به کار رفته در آن و ساختار ظاهری آنها با هم است.
