مروری بر منابع تغذیه سوئیچینگ

ایده منابع تغذیه سوئیچینگ در سال ۱۹۷۰ توسط مهندسان الکترونیک مطرح گردید که در ابتداي 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 طرحهاي نخستین منابع تغذیه از عناصر ابتدایی نظیر BJT استفاده می شد که این خود باعث کاهش راندمان درحدود ۶۸ % می شد.

امروزه منابع تغذیه سوئیچینگ جایگاه خاصی در صنعت برق والکترونیک و مخابرات یافته اند و بدلیل برتریها و مزایاي زیادي 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 اي انجام داده اند البته نتیجه این تلاشها پیشرفت روزافزونی است که در ساخت این سیستمها پدید آمده است همچنین پیشرفت درتکنولوژي ساخت قطعات نیز تاثیربسزایی درمنابع تغذیه سوئیچینگ داشته است. با پیداش ماسفتهاي سریع و پرقدرت تلفات ترانزیستوري بطور چشمگیري کاهش پیدا کرده است و عمده تلفات در ترانسها خلاصه می شود که براي غلبه بر این مشکل فرکانس کاري مدار را تا حد MHZ افزایش داده اند. در این تحقیق ،مروري خواهیم داشت بر منابع تغذیه سوئیچینگ.

چگونگی عملکرد رگولاتورهای سوییچینگ

رگولاتورها قطعات بسیار مهمی هستند که می توان از آنها براي تأمین انرژي 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 رگولاتورهاي خطی به وفور استفاده می شد و چون به مرور زمان در مصارف مختلف کارآیی و بازده خوبی نداشتند به تدریج منسوخ شده و جاي خود را به رگولاتورهاي سوییچینگ دادند. این منابع از اوایل دهه ي ۱۹۷۰ همزمان با عرضه ي ترانزیستور هاي قدرت مطرح شدند و به تدریج جهت روبرو شدن با نیازهاي مختلف تکامل پیدا کردند. امروز این گونه منابع در ابعاد مختلفی همانند ولتاژ ورودي یا توان خروجی بالا و قیمت پایین و… توسعه یافته اند.

براي انتخاب بین یک منبع تغذیه سوییچینگ یا خطی می توان براساس کاربرد آنها اقدام نمود که داراي مزایا و معایب خاص خود می باشند و براین اساس یکی از این دو را انتخاب می کنیم و همچنین حوزه هاي متعددي وجود دارد که تنها یکی از این دو می تواند مورد استفاده قرار گیرد و یا کاربرهایی که یکی از آنها بر دیگري برتري دارد. در زیر مزایا و معایب منابع تغذیه خطی و سوئیچینگ را بررسی می کنیم.

مزایای رگولاتورهاي خطی

• 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.
• براي توانهاي کمتر از ۱۰ وات، ارزانتر از مدارهاي مشابه سوییچینگ تمام می شود.

معایب رگولاتورهاي خطی

• تنها به صورت رگولاتور کاهنده بکار می رود (ورودي 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 قویتري تا حدود ۱۵ وات است، روش هاي 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 ورودي نزدیک باشد. در شکل زیر نمونه اي از یک رگولاتور ساده خطی نشان داده شده است.

نمونه‌ای از یک رگولاتور خطی

در شکل فوق ترانزیستور T1 باید از نوع قدرت باشد زیرا باید جریان بالایی را تحمل کند. ولتاژ خروجی در این رگولاتور خطی به صورت زیر محاسبه می شود:

نکات عملی در مورد ترانزیستور T1

• حداکثر جریان بار بوسیله حداکثر جریان کلکتور ترانزیستور سري T1 تعیین می‌شود.
• اختلاف بین ولتاژ ورودي و خروجی به ترانزیستور سري اعمال می شود، بنابراین حداکثر VCE براي این ترانزیستور توسط ولتاژ خروجی و حداکثر ورودي تعیین می گردد.
• حاصلضرب جریان بار در VCE تقریباً توان تلف شده این ترانزیستور T1 می‌باشد. البته براي بهتر شدن عملکرد یک رگولاتور خطی، می توان حفاظت هاي ویژه و قطعات ویژه اي را اضافه کرد که به تفصیل این مباحث ن می پردازیم و در همین جا بحث رگولاتورهاي خطی را به پایان می رسانیم و بحث در مورد رگولاتورهاي سوییچینگ را آغاز می کنیم.

مزایاي منابع تغذیه سوئیچینگ

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 دیگري را به دست آورد، که در مقایسه بسیار ارزانتر و ساده تر تمام می شود.

به دلیل افزایش فرکانس کاري به حدود ۵۰ تا ۶۰ کیلوهرتز، اجزاء ذخیره کننده انرژي می توانند خیلی کوچکتر انتخاب شوند و بدین دلیل از نظر سایز و اندازه کوچک هستند.

برخلاف منابع خطی، در توان هاي 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 پذیري منجر می شود.

معایب منابع سوییچینگ

• طرح چنین منابعی اصولاً مشکل و پیچیده است.
• نویز قابل ملاحظه اي 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 کارآمدي و افزایش قیمت مؤثر هستند ولی البته با طراحی بهتر قابل بهبود می باشند. تا به حال در مورد مزایا و معایب رگولاتورهاي خطی و سوییچینگ بحث شد و از مطالب فوق می توان نتیجه گرفت که این منابع حوزه هاي کاري مشخصی را دارند که عموماً براي مدارهاي با راندمان بالا و ولتاژ بالا مثل مدارهاي تغذیه شونده با باطریهاي قابل حمل، تغذیه سوییچینگ برتري دارد ولی براي ولتاژهاي 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 هادي قدرت که در حالت خطی بکار گرفته شده است کار می کند که حاصلضرب اختلاف ولتاژ خروجی با ورودي در جریان بار توانی است که در این عنصر نیمه هادي باید تلف شود که بعضا زیاد است و مهمترین عامل پائین بودن راندمان می باشد. دلیل این امر هم، همانطور که در ابتداي بحث رگولاتورهاي خطی ذکر شد عملکرد ترانزیستور درحالت خطی است یعنی جایی که ولتاژ در سرسوییچ و جریان عبوري 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 هادي در مقایسه با حالت خطی خیلی کم است. دلیل نامگذاري این منابع به نامهاي خطی و سوییچینگ هم حالت عملکرد عنصر نیمه هادي است.

انواع منابع تغذیه سوئیچینگ

منابع تغذیه سوئیچینگ به دو نوع کلی قابل تقسیم بندي هستند:

• فوروارد Forward
• فلای بک Flyback

با وجود شباهت هاي فراوان، تفاوتهاي متمایز کننده اي هم وجود دارد. حوه ي عملکرد و چگونگی قرارگیري عنصر مغناطیسی تعیین کننده ي نوع مدار است.

عناصر اصلی هریک از انواع منابع تغذیه سوئیچینگ عبارتند از :

• یک منبع سوییچ جهت تهیه موج PWM
• القاگر (در مورد منابع پیشرفته القاگر جاي خود را به ترانس می دهد)
• سوییچ قدرت (ترانزیستور قدرت)
• خازن ذخیره کننده ي انرژي در خروجی
• شبکه هاي 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 مختصري 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 کاري مدار خیلی بالاتر باشد.
• القاگر: یک عنصر ذخیره کننده انرژي است و عملکرد مدار خیلی شبیه پیستون و چرخ طیار است. البته امکان وجود یک ترانسفورماتور به جاي القاگر به منظور تغییر سطح ولتاژ و ایجاد ایزولاسیون وجود دارد (اولیه ي این ترانس جاي القاگر و ثانویه آن بار و فیلتر خروجی را تغذیه می کند).
• خازن: یک عنصر ذخیره کننده انرژي است براي اینکه مقدار ولتاژ خروجی در مقدار مشخص خود باقی بماند و ریپل زیادي 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 ي عملکرد مدار رگولاتور حالت فوروارد

همانطور که پیستون انرژي ندارد (د ریک پیستون و چرخ طیار) و انرژي از سوي چرخ طیار تامین می شود و در چرخه بعدي پیستون به مجموعه ي چرخ طیار انرژي می دهد، در اینجا هم هنگا می که سوییچ باز است با چرخش جریان از طریق دیود انرژي از سوي القاگر تأمین می شود و در چرخه بعدي با بسته شدن سوییچ، القاگر مجددا توسط منبع ورودي انرژي 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 . براي محاسبه ولتاژ خروجی نسبت به ولتاژ ورودي 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 ورودي می باشد. پس چنین منابعی ولتاژ با پلاریته ي مخالف و بزرگتر از ولتاژ ورودي ن می توانند تولید کنند.

رگولاتور سوییچینگ حالت فلای بک

آرایش کلی منابع نوع فلاي بک مطابق مدار شکل زیر می باشد:

رگولاتور سوییچینگ حالت فلاي بک

نحوه عملکرد مدار رگولاتور سوییچینگ حالت فلای بک

با روشن شدن سوییچ قدرت، القاگر از طریق منبع پر انرژي 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 کاري،D.C به ۵۰ % می رسد و Tflbk برابر کل دوره کاري منهايTon 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 ورودي را می توانند تولید کنند. توجه به این نکته که علی رغم شباهت هاي فراوان حالت فلاي بک و فوروارد، تفاوت عمده ي این دو در هنگام خاموشی سوییچ قدرت است که در این زمان، در مدار فوروارد تغذیه ي باز از راه القاگر و دیود ادامه می یابد، در حالی که در مدار فلاي بک این کار از راه تغذیه، القاگر و دیود انجام می شود.