تشریح بلوک‌های منبع تغذیه سوییچینگ
تشریح بلوک‌های منبع تغذیه سوییچینگ
برای طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ مناسب، طراح باید درک عمیق و درستی از بلوک‌های اصلی منبع تغذیه داشته باشد. در این قسمت بلوک‌های ضروری که یک منبع تغذیه سوئیچینگ باید دارا باشد، مورد بررسی قرار خواهند گرفت و می‌توان با اضافه کردن بلوک‌های دیگری امکانات بیشتری را به منبع تغذیه اضافه کرد.
شکل ۱ – مدار منبع تغذیه نوعی
شکل ۲ –شکل موج مدار منبع تغذیه نوعی
شکل‌های ۱ و ۲ مدار یک منبع تغذیه پوش پول تک خروجی را به همراه شکل موج‌های آن نشان می‌دهند. در این بخش بلوک‌های سازنده این منبع تغذیه را بررسی خواهیم نمود.
فیلتر EMI
این قسمت از یک فیلتر L-C کوچک تشکیل شده است که بین شبکه ورودی و رگولاتور قرار می‌گیرد. این قسمت دو وظیفه اصلی دارد: اول اینکه و به صورت یک فیلتر RFI عمل میکنند. در نتیجه از ورود سیگنال‌های نویزی که توسط قطعات فرکانس بالای منبع تولید می‌شوند، به داخل شبکه ورودی (برق شهر) جلوگیری می‌کند. اگر این سیگنال‌های نویز وارد شبکه ورودی شوند به صورت امواج یک آنتن انتشار پیدا میکنند. فرکانس قطع این فیلتر پایین گذر نباید بزرگتر از دو یا سه برابر فرکانس کاری منبع تغذیه باشد. دومین وظیفه این قسمت اضافه کردن یک امپدانس کوچک بین شبکه ورودی و خازن Bulk می‌باشد. این عمل باعث کاهش ولتاژ‌های گذرای خطرناک میشود؛ و همچنین این اجازه را را به خازن Bulk و بقیه محافظ‌ها می‌دهد که انرژی‌های مخربی که از اسپایک‌های ورودی تولید می‌شوند، جذب کرده و مانع آسیب زدن آن‌ها به منبع شوند.
خازن Bulk فیلتر ورودی
این خازن معمولا دارای ظرفیت بیشتری می‌باشد و وظیفه آن ذخیره انرژی مورد نیاز منبع در فرکانس‌های بالا و پایین می‌باشد. این قسمت حداقل از دو خازن تشکیل میشود، یک خازن الکترولیتی یا تانتالیومی که وظیفه تامین انرژی در فرکانس کاری منبع تغذیه را برعهده دارند و یک خازن سرامیکی برای فرکانس‌های هارمونیکی منبع تغذیه. این خازن‌ها در رنج وسیعی از فرکانس باید مقاومت خیلی پایینی داشته باشند. یکی دیگر از ضرورت‌های استفاده از این خازن این است که ممکن است خط ورودی از سیم طولانی تغذیه شود؛ و یا خطوط PCB طولانی باشند که در این صورت این سیم ها، سلف‌ها و مقاومت‌های سری به مدار اضافه میکنند. در نتیجه این سلف‌ها در فرکانس‌های بالا مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهند و در این حالت شبکه ورودی شبیه منبع جریان محدود شده عمل می‌کند و نمی‌تواند جریان مورد نیاز را تامین کند. خازن ورودی در فرکانس‌های پایین شارژ شده و به صورت منبع جریان در فرکانس‌های وسیعی عمل می‌کند. بدون خازن فرکانس پایین الکترولیتی و خازن فرکانس بالای سرامیکی، منبع تغذیه در فرکانس‌های بالا دچار مشکل میشود و همچنین در پایداری منبع تغذیه تاثیر زیادی خواهد داشت.
ترانسفورماتور
در این پیکربندی، ترانسفورماتور عمل ایزولاسیون DC بین شبکه ورودی و خروجی را انجام می‌دهد. همچنین ترانسفورماتور عمل افزایش ولتاژ خروجی (Step-up) و یا کاهش ولتاژ خروجی (Step-down) را انجام می‌دهد. ترانسفورماتور در این پیکربندی هیچ انرژی ذخیره نمی‌کند. با اضافه کردن سیم پیچ‌های متعدد به راحتی می‌توان خروجی‌های بیشتری را داشته باشیم؛ بنابراین در سیستم‌هایی که نیاز به ولتاژ‌های DC متعددی دارند می‌توان با طراحی یک منبع تغذیه سوئیچینگ همه‌ی ولتاژ‌های مورد نیاز را داشته باشیم. ترانسفورماتور در واقع ستون فقرات یک منبع تغذیه سوئیچینگ می‌باشد؛ و اگر به طور نامناسب طراحی شود، بر عملکرد منبع تغذیه و قطعات نیمه هادی مدار تاثیر منفی زیادی خواهد داشت.
سوئیچ‌های قدرت
سوئیچ‌های قدرت معمولا از ترانزیستور‌های MOSFET تشکیل میشود که با سرعت بالا بین حالت اشباع (full-on) و حالت قطع (full-off) سوئیچ می‌شوند. در واقع سوئیچ‌های قدرت به عنوان دروازه (gate) برای وارد کردن انرژی به منبع تغذیه می‌باشند که این انرژی نیز به نوبه خود به بار تحویل داده میشود. میزان انرژی تحویل داده شده به بار توسط مدار کنترل، کنترل میشود. مدار کنترل میزان انرژی مورد نیاز بار را تشخیص داده و سپس با تغییر دادن زمان روشن بودن پالس (on-time) برای سوئیچ‌های قدرت، میزان انرژی مورد نیاز بار را رگوله می‌کند. سوئیچ‌های قدرت بیشترین میزان آسیب دیدگی را بین قطعات منبع تغذیه دارند و اگر قرار باشد که در منبع تغذیه قطعه‌ای آسیب ببیند سوئیچ‌های قدرت اولین قطعاتی خواهند بود که آسیب می‌بینند؛ بنابراین در روند طراحی باید دقت بیشتری برای این قطعات به خرج داده شود.
یکسوساز‌های خروجی
در این پیکربندی، دیود‌های یکسوساز خروجی همزمان با سوئیچ‌های قدرت شروع به هدایت میکنند. مقدار DC شکل موج ولتاژ خروجی در ثانویه ترانس در پیکربندی‌های ایزوله شده (مثل این پیکربندی)، صفر می‌باشد، اما در زمان روشن بودن سوئیچ‌های قدرت ولتاژ خروجی متناسب با نسبت دور سیم پیچ‌ها به بیشترین مقدار خود می‌رسد. دیود‌های یکسوساز این شکل موج دو طرفه را به قطار‌های پالس یک طرفه تبدیل میکنند. برای تغییر دادن پلاریته ولتاژ خروجی کافی است فقط جهت دیود‌ها را برعکس کنیم. با این که جریان متوسط دیود‌های یکسوساز برابر با جریان بار می‌باشد، ولی مقادیر پیک جریان دیود‌ها بیشتر از مقدار متوسط آن می‌باشد؛ بنابراین در انتخاب دیود یکسوساز، طراح باید این جریان‌های پیک و همچنین جریان‌های اضافی دیگری را نیز باید در نظر بگیرد و سپس با اضافه کردن یک حاشیه امن یکسوساز مناسب را انتخاب کند.
فیلتر خروجی
فیلتر‌های خروجی برای مد‌های مختلف منبع تغذیه فرق می‌کند و در این پیکربندی یک فیلتر خروجی مد Forward را مشاهده می‌کنید. این فیلتر با اسم چوک فیلتر ورودی (choke input filter) یا فیلتر LC شناخته میشود؛ و از یک سلف سری با یک خازن موازی تشکیل شده است. وظیفه این قسمت تامین انرژی بار در مواقعی است که سوئیچ‌های قدرت قطع می‌باشند. در واقع این قسمت در زمان روشن بودن سوئیچ‌های قدرت انرژی مورد نیاز بار را در خود ذخیره می‌کند. معمولا میزان انرژی ذخیره شده در سلف و خازن ۵۰ درصد بیشتر از انرژی مورد نیاز بار می‌باشد. در نتیجه زمانی که تغییر بار ناگهانی پیش می‌آید (میزان انرژی مورد نیاز بار بیشتر میشود)، حلقه کنترل برای تشخیص انرژی مورد نیاز بار و جبران آن نیاز به زمان کوتاهی دارد؛ و در این زمان کوتاه انرژی مورد نیاز بار، توسط این انرژی ذخیره شده اضافی در سلف و خازن تامین میشود.
المان‌های حسگر جریان
وظیفه مدار حسگر جریان این است که در صورتی که جریان بیش از حد از منبع کشیده شود، حس کرده و با کاهش ولتاژ خروجی از کشیده شدن جریان بیش از حد از منبع جلوگیری می‌کند. روش به کار رفته در اینجا (شکل ۱) تنها یکی از روش‌های حس کردن جریان می‌باشد؛ و روش‌های مختلفی برای این کار وجود دارد. معمولا برای اندازه‌گیری جریان خروجی، با روش‌های مختلفی ابتدا آن را به صورت یک ولتاژ در می‌آورند؛ و مقدار این ولتاژ متناسب با جریان بار می‌باشد. سپس این ولتاژ تقویت میشود. اگر مقدار ولتاژ تقویت شده بیش از حد باشد (جریان اضافی توسط بار کشیده شود) در این صورت مدار حسگر جریان کنترل حلقه ولتاژ را بدست گرفته و باعث کاهش ولتاژ خروجی میشود.
المان‌های فیدبک ولتاژ
این قسمت معمولا از یک تقسیم ولتاژ مقاومتی تشکیل میشود، و نسبت این تقسیم ولتاژ طوری انتخاب میشود که میزان ولتاژ خروجی آن با ولتاژ مرجع تقویت کننده خطا یکی باشد. تقویت کننده خطا اختلاف ولتاژ‌های مرجع و ولتاژ خروجی را که از طریق فیدبک بدست آمده است، تقویت می‌کند؛ و از روی این سیگنال تقویت شده میزان زمان روشنی پالس (on-time) برای سوئیچ‌های قدرت را کنترل می‌کند.
قسمت کنترل
این قسمت معمولا به صورت یک مدار مجنمع (آی‌سی) در مرکز منابع تغذیه سوئیچینگ قرار می‌گیرد؛ و وظایف کنترل ولتاژ خروجی از طریق فیدبک گرفته شده از ولتاژ خروجی، مبدل ولتاژ به عرض پالس، ایجاد ولتاژ مرجع پایدار، اسیلاتور، آشکارساز جریان‌های بیش از حد و غلبه بر آن ها، ودرایو کردن سوئیچ‌های قدرت را بر عهده دارد. در بعضی از تراشه‌های واحد کنترل، مدار راه انداز اولیه (soft-start)، کنترل زمان dead-time و ریموت خاموش کننده نیز وجود دارد. اسیلاتور فرکانس کاری سیستم را مشخص می‌کند و یک موج دندانه اره‌ای برای واحد مبدل ولتاژ به عرض پالس تولید می‌کند. تقویت کننده ولتاژ خطا (The voltage error amplifier) اختلاف بین ولتاژ مرجع و ولتاژ اندازه گیری شده خروجی توسط تقسیم ولتاژ مقاومتی را تقویت می‌کند. خروجی این تقویت کننده اختلاف بین ولتاژ مرجع و ولتاژ واقعی خروجی را که در یک گین بالایی ضرب شده است، و همچنین سوار بر یک ولتاژ آفست DC است، نشان می‌دهد. این سیگنال خطا به یکی از ورودی‌های قسمت مبدل ولتاژ به عرض پالس اعمال میشود. در نتیجه قطاری از پالس‌ها که Duty cycle آن‌ها متناسب با سیگنال خطا می‌باشد، تولید میشود. این قطار پالس‌ها به درایور‌های سوئیچ‌های قدرت اعمال میشود. اگر آی سی واحد کنترل دارای یک خروجی باشد، در نتیجه منبع تغذیه نیز یک سوئیچ قدرت خواهد داشت و این پالس‌ها مستقیما به درایور خروجی اعمال خواهد شد. اما اگر آی سی کنترل دارای دو خروجی باشد، در این صورت این قطار پالس‌ها ابتدا در یک فلیپ فلاپ دیجیتال قرار می‌گیرد و این فلیپ فلاپ به طور متناوب پالس‌های مورد نیاز برای درایور‌های خروجی را تامین می‌کند. درایور‌های خروجی معمولا از دو حالت خارج نیستند. درایور‌های خروجی یا به صورت ترانزیستور متصل نشده (Uncommitted Transistor) در داخل تراشه هستند که پایه کلکتور و امیتر آن‌ها از آی سی واحد کنترل بیرون آورده شده است و برای راه اندازی ترانزیستور‌های Bjt که به عنوان سوئیچ‌های قدرت به کار رفته اند، مناسب می‌باشد؛ و دومین نوع درایور‌های خروجی، درایور پوش پول می‌باشد؛ که برای راه اندازی Mosfetهای قدرت که به عنوان سوئیچ‌های قدرت به کار رفته اند مناسب می‌باشد. امکانات ICهای کنترل از یک آی‌سی به آی‌سی دیگر فرق می‌کند؛ و در انتخاب آی‌سی که متناسب با نیاز طراحی انتخاب میشود، باید دقت زیادی نمود. همانطور که قبلا هم گفته شد بعضی از آی سی‌ها دارای مدار Soft-start ریموت خاموشگر و قسمت سنکرون سازی دارند. مدار Soft-start ورود جریان‌های هجومی را که در ابتدای شروع به کار منبع تغذیه ایجاد می‌شوند، کاهش می‌دهد؛ و این کار را با خارج کردن تقویت کننده خطا و افزایش عرض پالس‌ها در لحظات اولیه، تا زمانی که خروجی منبع تغذیه به مقدار مطلوب برسد، انجام می‌دهد. ریموت خاموشگر مداری است که بدون قطع کردن تغذیه مدار و تراشه واحد کنترل، خروجی‌های تراشه کنترل را قطع می‌کند. این ویژگی در کاربرد‌هایی به کار می‌رود که از بین بردن جریان‌های بالای شبکه ورودی غیرممکن باشد. بعضی از آی سی‌ها ورودی سنکرون سازی کلاک دارند؛ و این در مواقعی که به دقت بالا نیاز باشد مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ویژگی‌ها حداقل امکاناتی هستند که یک تراشه کنترل منبع تغذیه سوئیچینگ نوعی باید دارا باشد؛ و تراشه‌های کنترل ممکن است امکاناتی اضافی مانند محافظ سیگنال‌های گذرای ورودی، مدار undervoltage lockout (از شروع به کار مدار در شرایطی که ولتاژ ورودی نامناسب باشد جلوگیری می‌کند)، مدار output overvoltage protection (مدار محافظ برای جلوگیری از افزایش ولتاژ خروجی به بیش از مقدار تعیین شده) و … را داشته باشند.
