مروری بر منابع تغذیه سوئیچینگ
مقدمه ای بر منابع تغذیه
ایده منابع تغذیه سوییچینگ در سال ۱۹۷۰ توسط مهندسان الکترونیک مطرح گردید که در ابتدای امر از بازدهی پایینی برخوردار بود ولی در مقایسه با باتریها و منابع تغذیه آنالوگ وزن و حجم کوچکتر ولی در عین حال توان بالایی داشتند.
در طرحهای نخستین منابع تغذیه از عناصر ابتدایی نظیر BJT استفاده می شد که این خود باعث کاهش راندمان درحدود ۶۸ % می شد. امروزه منابع تغذیه سوییچینگ جایگاه خاصی در صنعت برق والکترونیک و مخابرات یافته اند و بدلیل برتریها و مزایای زیادی که نسبت به دیگر منابع تغذیه دارا می باشند توجه صنعتگران ومهندسان برق را به خود معطوف کرده اند تا جایی که گروهی از مهندسان الکترونیک در بهبود و کاراییها و کیفیت آنها تحقیقات گسترد ه ای انجام داده اند البته نتیجه این تلاشها پیشرفت روزافزونی است که در ساخت این سیستمها پدید آمده است همچنین پیشرفت درتکنولوژی ساخت قطعات نیز تاثیربسزایی در منابع تغذیه سوییچینگ داشته است.
با پیداش ماسفتهای سریع و پرقدرت تلفات ترانزیستوری بطور چشمگیری کاهش پیدا کرده است و عمده تلفات در ترانسها خلاصه می شود که برای غلبه بر این مشکل فرکانس کاری مدار را تا حد MHZ افزایش داده اند.
در این تحقیق ،مروری خواهیم داشت بر منابع تغذیه سوییچینگ.
چگونگی عملکرد رگولاتورهای سوییچینگ
رگولاتورها قطعات بسیار مهمی هستند که می توان از آنها برای تأمین انرژی و توان دستگاهها و وسایل دیگر استفاده کرد.
رگولاتورها به دو نوع عمده تقسیم می شوند که عبارتند از :
۱-خطی
۲-سوئیچینگ
در گذشته از رگولاتورهای خطی به وفور استفاده می شد و چون به مرور زمان در مصارف مختلف کارآیی و بازده خوبی نداشتند به تدریج منسوخ شده و جای خود را به رگولاتورهای سوییچینگ دادند.
این منابع از اوایل دهه ی ۱۹۷۰ همزمان با عرضه ی ترانزیستور های قدرت مطرح شدند و به تدریج جهت روبرو شدن با نیازهای مختلف تکامل پیدا کردند. امروز اهی ن گونه منابع در ابعاد مختلفی همانند ولتاژ ورودی یا توان خروجی بالا و قیمت پایین و… توسعه یافته اند. برای انتخاب بین یک منبع تغذیه سوییچینگ یا خطی می توان براساس کاربرد آنها اقدام نمود که دارای مزایا و معایب خاص خود می باشند و براین اساس یکی از این دو را انتخاب می کنیم و همچنین حوزه های متعددی وجود دارد که تنها یکی از این دو می تواند مورد استفاده قرار گیرد و یا کاربرهایی که یکی از آنها بر دیگری برتری دارد. در زیر مزایا و معایب منابع تغذیه خطی و سوییچینگ را بررسی می کنیم.
مزایا و معایب رگولاتورهای خطی :
– مزایای رگولاتورهای خطی عبارتند از:
– سادگی مدار (طراحی مدار بسیار ساده و با قطعات کمی، به راحتی پایدار می شود).
– قابلیت تحمل بار زیاد، نویز ناچیز در خروجی و زمان پاسخ دهی بسیار کوتاه.
– برای توانهای کمتر از ۱۰ وات، ارزانتر از مدارهای مشابه سوییچینگ تمام می شود.
معایب رگولاتورهای خطی عبارتند از:
– تنها به صورت رگولاتور کاهنده بکار می رود (ورودی باید حداقل ۲ تا ۳ ولت بیشتر از خروجی باشد).
– قابلیت انعطاف کم و افزون هر خروجی به مدار مستلزم اضافه کردن قطعات اضافی است.
– بهره کم و در حدود ۳۰ % تا ۴۰ % می باشد. این تلفات توان در ترانزیستور خروجی تولید حرارت می نماید و نیاز به ترانزیستور قویتری تا حدود ۱۵ وات است، روش های معمول مفید است، ولی بیش از آن نیاز به سرمایش تحت فشار ۱ می باشد.
– راندمان مدار هنگا می خوب است که مقدار ولتاژ خروجی، به ولتاژ ورودی نزدیک باشد. در شکل زیر نمونه ای از یک رگولاتور ساده خطی نشان داده شده است.
نمونه‌ای از یک رگولاتور خطی
ولتاژ خروجی در این رگولاتور به صورت زیر محاسبه می شود:
در شکل فوق ترانزیستور T1 باید از نوع قدرت باشد زیرا باید جریان بالایی را تحمل کند.
نکات عملی در مورد ترانزیستور T1:
– حداکثر جریان بار بوسیله حداکثر جریان کلکتور ترانزیستور سری T1 تعیین می‌شود.
– اختلاف بین ولتاژ ورودی و خروجی به ترانزیستور سری اعمال می شود، بنابراین حداکثر VCE برای این ترانزیستور توسط ولتاژ خروجی و حداکثر ورودی تعیین می گردد.
– حاصلضرب جریان بار در VCE تقریباً توان تلف شده این ترانزیستور T1 می‌باشد.
البته برای بهتر شدن عملکرد یک رگولاتور خطی، می توان حفاظت های ویژه و قطعات ویژه ای را اضافه کرد که به تفصیل این مباحث ن می پردازیم و در همین جا بحث رگولاتورهای خطی را به پایان می رسانیم و بحث در مورد رگولاتورهای سوییچینگ را آغاز می کنیم.
مزایا و معایب رگولاتورهای سوییچینگ :
– مزایای منابع سوییچینگ عبارتند از:
– افزایش راندمان در حدود ۶۸ % تا ۹۰ % و این موضوع کارکرد ترانزیستور در نواحی و اشباع را به انتخاب حرارت گیر یا خنک کننده ۱ و ترانزیستور کوچکتر منوط کرده است.
– در یک قطعه AC بریده شده که به شکل DC – به دلیل اینکه قدرت خروجی از یک ولتاژ مغناطیسی ذخیره می شود تأمین می گردد، لذا با اضافه کردن تنها یک سیم پیچ می توان خروجی دیگری را به دست آورد، که در مقایسه بسیار ارزانتر و ساده تر تمام می شود.
– به دلیل افزایش فرکانس کاری به حدود ۵۰ تا ۶۰ کیلوهرتز، اجزاء ذخیره کننده انرژی می توانند خیلی کوچکتر انتخاب شوند و بدین دلیل از نظر سایز و اندازه کوچک هستند.
– برخلاف منابع خطی، در توان های خیلی بالا قابل استفاده هستند.
– قابل تغییر بدون افزاینده یا کاهنده و غیره.
همه موارد ذکر شده در بالا، به کاهش هزینه و توان تلفاتی و افزایش بهره دهی و انعطاف پذیری منجر می شود.
– معایب منابع سوییچینگ عبارتند از:
– طرح چنین منابعی اصولاً مشکل و پیچیده است.
– نویز قابل ملاحظه ای ایجاد می کنند و البته می توان با کمک فیلتر و محافظ آن را کاهش داد(EMI،RFI و ریپل بیک پوتیک خروجی).
– ماهیت کار این منابع که براساس برش یک ولتاژ DC است باعث می شود که زمان رسیدن ولتاژ خروجی به مقدار مطلوب در مقایسه با منابع خطی زیاد باشد این زمان اصطلاحاً زمان پاسخ گذرا گویند.
– شامل ترکیبات خارجی اضافه از جمله، خازن ها و سلفها می باشد.
تمامی موارد ذکر شده فوق در کاهش کارآمدی و افزایش قیمت مؤثر هستند ولی البته با طراحی بهتر قابل بهبود می باشند. تا به حال در مورد مزایا و معایب رگولاتورهای خطی و سوییچینگ بحث شد و از مطالب فوق می توان نتیجه گرفت که این منابع حوزه های کاری مشخصی را دارند که عموماً برای مدارهای با راندمان بالا و ولتاژ بالا مثل مدارهای تغذیه شونده با باطریهای قابل حمل، تغذیه سوییچینگ برتری دارد ولی برای ولتاژهای ثابت و کم، منابع خطی ارزانتر و بهترند.
چگونگی عملکرد یک منبع تغذیه سوییچینگ :
همانطور که ذکر شد یک رگولاتور خطی براساس تأمین جریان و ولتاژ مطلوب در خروجی بوسیله یک نیمه هادی قدرت که در حالت خطی بکار گرفته شده است کار می کند که حاصلضرب اختلاف ولتاژ خروجی با ورودی در جریان بار توانی است که در این عنصر نیمه هادی باید تلف شود که بعضا زیاد است و مهمترین عامل پائین بودن راندمان می باشد.
دلیل این امر هم، همانطور که در ابتدای بحث رگولاتورهای خطی ذکر شد عملکرد ترانزیستور درحالت خطی است یعنی جایی که ولتاژ در سرسوییچ و جریان عبوری آن هر دو زیاد است.
اما یک رگولاتور سوییچینگ را می توان بعنوان یک منبع خطی در نظر گرفت، در حالی که در یک منبع از نوع سوییچینگ، تغییر سطح ولتاژ خروجی از طریق تغییر در روشن به خاموش یا اصطلاحا زمان کارکرد ترانزیستور خروجی انجام می گیرد. به دلیل کارکرد ترانزیستور در حالت خاموش و روشن تلفات در نیمه هادی در مقایسه با حالت خطی خیلی کم است.
دلیل نامگذاری این منابع به نامهای خطی و سوییچینگ هم حالت عملکرد عنصر نیمه هادی است.
انواع منابع تغذیه سوییچینگ :
منابع تغذیه سوییچینگ به دو نوع کلی قابل تقسیم بندی هستند:
– فوروارد Forward
– فلای بک Flyback
با وجود شباهت های فراوان، تفاوتهای متمایز کننده ای هم وجود دارد ن. حوه ی عملکرد و چگونگی قرارگیری عنصر مغناطیسی تعیین کننده ی نوع مدار است.
عناصر اصلی هریک از انواع این منابع عبارتند از:
– یک منبع سوییچ جهت تهیه موج PWM
– القاگر (در مورد منابع پیشرفته القاگر جای خود را به ترانس می دهد)
– سوییچ قدرت (ترانزیستور قدرت)
– خازن ذخیره کننده ی انرژی در خروجی
– شبکه های حس کننده و عمل کننده بازخورد.
رگولاتور سوییچینگ حالت فوروارد :
آرایش کلی منابع نوع فوروارد مطابق مدار شکل زیر است:
رگولاتور حالت فوروارد
حال به توضیح مختصری در مورد قطعات بکار رفته می پردازیم.
– سوییچ قدرت:
یک ترانزیستور قدرت یا یک MOSFET یا IGBT می باشد که فرکانس قطع و وصل آن باید از فرکانس کاری مدار خیلی بالاتر باشد.
– القاگر:
یک عنصر ذخیره کننده انرژی است و عملکرد مدار خیلی شبیه پیستون و چرخ طیار است. البته امکان وجود یک ترانسفورماتور به جای القاگر به منظور تغییر سطح ولتاژ و ایجاد ایزولاسیون وجود دارد (اولیه ی این ترانس جای القاگر و ثانویه آن بار و فیلتر خروجی را تغذیه می کند).
– خازن:
یک عنصر ذخیره کننده انرژی است برای اینکه مقدار ولتاژ خروجی در مقدار مشخص خود باقی بماند و ریپل زیادی نداشته باشد.
– یکسوکننده:
یک دیود فوق سریع است که معمولاً از دیود شاتکی استفاده می شود که البته باید زمان قطع و وصل آن بسیار کم باشد.
نحوه ی عملکرد مدار:
همانطور که پیستون انرژی ندارد (د ریک پیستون و چرخ طیار) و انرژی از سوی چرخ طیار تامین می شود و در چرخه بعدی پیستون به مجموعه ی چرخ طیار انرژی می دهد، در اینجا هم هنگا می که سوییچ باز است با چرخش جریان از طریق دیود انرژی از سوی القاگر تأمین می شود و در چرخه بعدی با بسته شدن سوییچ، القاگر مجددا توسط منبع ورودی انرژی دار می شود.
هر دوره از مدار فوق به دو بخش قابل تقسیم است که عبارتند از:
– Ton: هنگامی که سوییچ بسته است، جریان از منبع و القاگر عبور کرده و در اختیار فیلتر و بار قرار می گیرد در این حالت دیود خاموش است.
– Toff: هنگامی که سوییچ باز می شود ،در این حالت القاگر فیلتر و بار از طریق دیود تأمین می گردد و کار بدون تغییر در سطح ولتاژ خروجی ادامه می یابد .
برای محاسبه ولتاژ خروجی نسبت به ولتاژ ورودی می توان نوشت:
D-C سوییچ (Duty Cycle): متوسط ولتاژ خروجی را کنترل می کند (عملاً ۵% تا ۹۵ %) پس در این حالت ولتاژ خروجی برابر خواهد بود با:
که Vout ولتاژ خروجی و Vin ولتاژ ورودی می باشد.
پس چنین منابعی ولتاژ با پلاریته ی مخالف و بزرگتر از ولتاژ ورودی نمی توانند تولید کنند.
رگولاتور سوییچینگ حالت فلای بک :
آرایش کلی منابع نوع فلای بک مطابق مدار شکل زیر می باشد:
رگولاتور سوییچینگ حالت فلای بک
نحوه عملکرد مدار:
با روشن شدن سوییچ قدرت، القاگر از طریق منبع پر انرژی می گردد، در این حالت دیود قطع می باشد. با خاموش شدن سوییچ، جریان بار از طریق دیود، القاگر و تغذیه ادامه می یابد.
تحت حداقل کاری،D.C به ۵۰ % می رسد و Tflbk برابر کل دوره کاری منهایTon خواهد بود. پس در این حالت ولتاژ خروجی برابر است با :
و از رابطه فوق نتیجه می گیریم که :
پس چنین منابعی ولتاژ بزرگتر از ولتاژ ورودی را می توانند تولید کنند.
توجه به این نکته که علی رغم شباهت های فراوان حالت فلای بک و فوروارد، تفاوت عمده ی این دو در هنگام خاموشی سوییچ قدرت است که در این زمان، در مدار فوروارد تغذیه ی باز از راه القاگر و دیود ادامه می یابد، در حالی که در مدار فلای بک این کار از راه تغذیه، القاگر و دیود انجام می شود.