یک منبع تغذیه سوئیچینگ چگونه کار می کند، از نظر مفهومی، یادگیری نحوه عملکرد منابع تغذیه سوئیچینگ کار دشواری نمی باشد. وقتی به یک منبع تغذیه سوئیچینگ به صورت یک جعبه سیاه نگاه کنیم که فقط ترمینال‌های ورودی و خروجی آن در اختیار ما قرار دارند، در این صورت رفتار یک منبع تغذیه سوئیچینگ شبیه یک منبع تغذیه خطی خواهد بود. تنها تفاوت اساسی بین آن‌ها این است که منبع تغذیه خطی برای ثابت نگه داشتن ولتاژ بار، جریان بار را که از جریان ورودی تامین می شود به صورت پیوسته رگوله می کند. در صورتی که منبع تغذیه سوئیچینگ همین کار را (رگوله کردن جریان بار جهت ثابت نگه داشتن ولتاژ خروجی ) با قطع و وصل کردن ولتاژ ورودی و سپس با کنترل کردن جریان متوسط آن از طریق تغییر عرض پالس انجام می دهد. زمانی که جریان خروجی بیشتری توسط بار مورد نیاز باشد با افزایش زمان روشن بودن پالس ها این عمل انجام می شود.در ادامه با میکرودیزاینرالکترونیک باشید تا بیشتر در مورد مدارات سشوئیچینگ یادبگیریم. در حالت کلی دو نوع منبع تغذیه سوئیچینگ پایه که بر اساس مدولاسیون عرض پالس (PWM ) کار می کنند وجود دارد. این دو نوع منبع تغذیه عبارت اند از
- منبع تغذیه Forward-mode
- منبع تغذیه Fly-back-mode
هر یک از این نام ها بر اساس عملکرد عنصر مغناطیسی که در رگولاتور استفاده می شود برگرفته شده است.
رگولاتورهای Forward-mode
رگولاتورهای Forward-mode عمل رگوله کردن را توسط چهار عنصر انجام می دهند. این چهار عنصر عبارت اند از : یک سوئیچ قدرت جهت تولید پالس PWM، یک دیود ( یا دیود catch )، یک سلف سری و یک خازن.
سوئیچ قدرت می تواند یک ترانزیستور BJT قدرت یا یک MOSFET قدرت باشد که مستقیما بین ولتاژ ورودی و قسمت فیلتر قرار گرفته است. ممکن است بین سوئیچ قدرت و قسمت فیلتر یک ترانسفورماتور جهت افزایش یا کاهش ولتاژ ورودی قرار داده شود. که به رگولاتورهای Forward با ایزولاسیون ترانسفورمری (transformer-isolated) مشهور می باشند.
مخزن ذخیره انرژی
دیود شنت، سلف سری و خازن شنت یک مخزن ذخیره انرژی را تشکیل می دهند و وظیفه آن ها این است که انرژی لازم را برای ثابت نگه داشتن ولتاژ بار خروجی در زمان قطع بودن سوئیچ قدرت تامین کنند. در واقع سوئیچ قدرت عمل پر کردن این مخزن انرژی را که در زمان قطع بودن سوئیچ قدرت تلف شده است، بر عهده دارد.
عملکرد منبع تغذیه را می توان در دو حالت قطع و وصل بودن سوئیچ قدرت بررسی کرد. ابتدا حالت وصل بودن سوئیچ قدرت را بررسی می کنیم. در این مدت، جریان خروجی از منبع ورودی عبور کرده و از طریق سلف به بار رفته و دوباره از طریق خطوط برگشتی (یا از طریق زمین) به منبع ورودی برمی گردد. در این مدت دیود در بایاس معکوس بوده و قطع می باشد. بعد از اینکه سوئیچ قدرت قطع شد، جهت جریان در سلف به صورت قبل بوده ولی پلاریته ولتاژ آن عوض شده و باعث می شود که دیود در بایاس موافق قرار گرفته و روشن شود. با روشن شدن دیود مسیر جریان خروجی از طریق سلف و دیود برقرار می شود. و بدین ترتیب انرژی ذخیره شده در سلف در زمان روشن بودن سوئیچ قدرت، از طریق دیود شنت به بار و خازن انتقال می یابد و به این ترتیب انرژی بار در زمان قطع بودن سوئیچ تامین می شود. با وصل شدن سوئیچ دوباره دیود قطع شده و در این حالت انرژی مورد نیاز از طریق منبع ورودی تامین می شود.
چرا اسم Forward
چون هم در زمان وصل و هم در زمان قطع بودن سوئیچ قدرت جریان بار از سلف عبور می کند به همین خاطر اسم Forward برای این منبع تغذیه انتخاب شده است.
مقدار انرژی تحویل داده شده به بار توسط زمان وظیفه (duty cycle ) سوئیچ قدرت کنترل می شود. زمان وظیفه سوئیچ قدرت می تواند بین ۰ تا ۱۰۰ درصد تغییر کند. ولی در منابع تغذیه های عملی این مقدار معمولا بین ۵ تا ۹۵ درصد می باشد.
رابطه تقریبی بین ولتاژ ورودی و خروجی
یک رابطه تقریبی بین ولتاژ ورودی و خروجی و زمان وظیفه را میتوان به صورت زیر نوشت:
رگولاتورهای Flyback-mode
رگولاتورهای سوئیچینگ Flyback مانند رگولاتورهای Forward از چهار عنصر اصلی تشکیل شده است. با این تفاوت که نحوه چیدمان و قرارگیری این المان ها تغییر کرده است(شکل زیر). همانطور که از شکل ۲ مشخص است این بار سلف بین منبع ورودی و سوئیچ قدرت قرار گرفته است. پایه آند دیود به محل اتصال سوئیچ قدرت و سلف متصل شده است. و خازن هم بین کاتد دیود و زمین قرار گرفته است.
عملکرد مد flyback را می توان در دو حالت روشن و خاموش بودن سوئیچ قدرت بررسی نمود. اول حالتی را در نظر می گیریم که سوئیچ قدرت روشن است. در این حالت سلف مستقیما به منبع ورودی متصل بوده و یک جریانی از سلف عبور می کند در نتیجه یک انرژی در هسته سلف ذخیره می گردد. وقتی که سوئیچ قدرت قطع می شود، در این حالت جریان سلف نمی تواند تغییر جهت دهد ولی پلاریته ولتاژ آن برعکس می شود (flies back در واقع اسم flyback از اینجا گرفته شده است ). این عمل باعث می شود که دیود روشن شود و از طریق آن انرژی ذخیره شده در سلف به خازن انتقال یابد. این عمل تا خالی شدن کامل انرژی سلف ادامه می یابد.
از آن جایی که ولتاژ معکوس روی سلف بیشتر از ولتاژ ورودی می باشد و این ولتاژ با ولتاژ منبع ورودی جمع می شود در نتیجه ولتاژ خروجی که روی خازن خروجی ظاهر می شود، بیشتر از ولتاژ ورودی می باشد. با توجه به این که تنها المان ذخیره کننده انرژی بار، فقط خازن فیلتر خروجی می باشد در نتیجه میزان ریپل خروجی در رگولاتورهای flyback بیشتر از رگولاتورهای Forward می باشد.
زمان وظیفه در یک رگولاتور flyback معمولا بین ۰ تا ۵۰ درصد می باشد. و این محدودیت ناشی از زمان مورد نیاز برای خالی شدن انرژی سلف به خازن می باشد. زمان وظیفه در رگولاتورهای flyback ایزوله شده با ترانسفورمر می تواند بزرگتر از حالت قبل باشد. این از تاثیر نسبت دور سیم پیج ها و اندوکتانس سیم پیج های اولیه و ثانویه می باشد.
رابطه بین ولتاژ ورودی و خروجی در رگولاتورهای flyback اندکی پیچیده تر می باشد. زمانی که سوئیچ قدرت قطع می باشد، سلف قبل از روشن شدن سوئیچ قدرت خود را خالی خواهد کرد.از آنجایی که مقدار volt-time شارژ و دشارژ سلف باید یکی باشد، و خروجی مبدل بوست(boost ) بدون ایزوله باید بیشتر از ولتاژ ورودی باشد در نتیجه رابطه بین ولتاژ ورودی و خروجی به صورت زیر خواهد بود.
فرمول محاسبه ولتاژ خروجی
