پایان نامه منابع تغذیه سوئیچینگ

پایان نامه برای دریافت درجه کاردانی

در رشته مهندسی کامپیوتر گرایش سخت افزار

چکیده :

کلیه مدارات الکترونیکی نیاز به منبع تغذیه دارند. برای مدارات با کاربرد کم قدرت از باطری یا سلولهای خورشیدی استفاده می شود. منبع تغذیه به عنوان منبع انرژی دهنده به مدار مورد استفاده قرار می‌گیرد. حدود 20 سال است که سیستمهایی پر قدرت جای خود راحتی در مصارف خانگی هم باز کرده اند و این به دلیل معرفی سیستمهای جدید برای تغذیه مدارات قدرت است.

این منابع تغذیه کاملاً خطی عمل می نمایند. این نوع منابع را منابع تغذیه سوئیچینگ می نامند. این اسم از نوع عملکرد این سیستمها گرفته شده است. به این منابع تغذیه اختصاراً SMPS نیز می گویند. این حروف برگرفته از نام لاتین Switched Mode Power Supplies است.

راندمان SMPS بصورت نوعی بین 80% الی 90% است که 30% تا 40% آنها در نواحی خطی کار می کنند. خنک کننده های بزرگ که منابع تغذیه گلوله قدیمی از آنها استفاده می کردند، در SMPS ها دیگر به چشم نمی خورند و این باعث شده که از این منابع تغذیه بتوان در توانهای خیلی بالا نیز استفاده کرد.

در فرکانسهای بالای کلیدزنی از یک ترانزیستور جهت کنترل سطح ولتاژ DC استفاده می شود. با بالا رفتن فرکانس ترانزیستور، دیگر خطی عمل نمی کند و نویز مخابراتی شدیدی را با توان بالا تولید می‌نماید. به همین سبب در فرکانس کلیدزنی بالا از المان کم مصرف Power MOSFET استفاده می شود. اما با بالا رفتن قدرت، تلفات آن نیز زیاد می شود. المان جدیدی به بازار آمده که تمامی مزایای دو قطعه فوق را در خود جمع آوری نموده است و دیگر معایب BJT و Power MOSFET را ندارد. این قطعه جدید IGBT نام دارد. در طی سالهای اخیر به دلیل ارزانی و مزایای این قطعه از IGBT استفاده زیادی شده است.

امروزه مداراتی که طراحی می شوند، در رنج فرکانسی MHZ و قدرتهای در حد MVA و با قیمت خیلی کمتر از انواع قدیمی خود می‌باشند.

فروشنده های اروپائی در سال 1990 میلادی تا حد 2 میلیارد دلار از فروش این SMPS ها درآمد خالص کسب نمودند. 80% از SMPS های فروخته شده در اروپا طراحی شدند و توسط کارخانه های اروپائی ساخت آنها صورت پذیرفت. درآمد فوق العاده بالای فروش این SMPS ها در سال 1990 باعث گردید که شاخه جدیدی در مهندسی برق ایجاد شود.

این رشته مهندسی طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ نام گرفت.

یک مهندس طراح منابع تغذیه سوئیچینگ بایستی که در کلیه شاخه‌های زیر تجربه و مهارت کافی کسب کند و همیشه اطلاعات بروز شده در موارد زیر داشته باشند:

1- طراحی مدارات سوئیچینگ الکترونیک قدرت.

2- طراحی قطعات مختلف الکترونیک قدرت.

3- فهم عمیقی از نظریه های کنترلی و کاربرد آنها در SMPS ها داشته باشد.

4- اصول طراحی را با در نظر گرفتن سازگاری میدانهای الکترومغناطیسی منابع تغذیه سوئیچینگ با محیط انجام دهد.

5- درک صحیح از دفع حرارت درونی (انتقال حرارت به محیط) و طراحی مدارات خنک کننده موثر با راندمان زیاد.

مقدمه :

منابع تغذیه سوئیچینگ امروزه و بخصوص از سال 1990 به این طرف جای خود را در تمامی دستگاه های الکتریکی و در صنایع الکترونیک، مخابرات، کنترل، قدرت، ماهواره ها، کشتی ها، کامپیوترها، موبایل، تلفن و ... به دلیل ارزانی قیمت و کم حجم بودن و راندمان بالا باز کرده اند. به همین دلیل اکنون همه کشورهای جهان حتی در جهان سوم به طراحی و ساخت این نوع از منابع تغذیه پرکاربرد می پردازند. اما با این وجود متأسفانه هنوز این منبع تغذیه در ایران ناشناخته مانده و همه روزه مقدار زیادی از بیت‌المال المسلمین در راه ساخت منابع تغذیه غیر ایده‌آل و یا خرید این گونه منابع تغذیه سوئیچینگ از کشور خارج می شود.

فصل اول

انواع منابع تغذیه

منبع تغذیه خطی

منابع تغذیه خطی منابعی هستند که عنصر کنترل آن ها در ناحیه فعال از عملکرد خود قرار دارد. این عنصر به صورت سری یا موازی با بار قرار می گیرد و با دریافت فیدبک از خروجی، میزان ولتاژ و جریان بار خروجی را تنظیم می کند به گونه ای که ولتاژ خروجی در یک سطح از پیش تعیین شده ثابت باقی بماند. معمولاً عنصر کنترل در این دسته از منابع یک ترانزیستور دو قطبی است که با تنظیم جریان بیس آن میزان جریان رسیده به بار کنترل می شود. بلوک دیاگرام ساده شده این نوع منبع تغذیه در شکل نشان داده شده است.

1-1-1مزایای منابع تغذیه خطی

مزایای یک منبع تغذیه خطی به شرح زیر است:

1- پایداری زیاد.

2- نویزپذیری پایین.

3- تثبیت عالی.

4- نوسان کم خروجی.

1-1-2 معایب منبع تغذیه خطی

معایب یک منبع تغذیه خطی به شرح زیر می باشد:

1- بازده کم تر از 50% (در توان های نسبتاً زیاد). راندمان منبع تغذیه خطی معمولاً کم است دلیل آن افت ولتاژ و در نتیجه اتلاف توان در عنصر کنترل است.

2- حجم زیاد. یکی از معایب منبع تغذیه خطی حجم زیاد آن به ویژه در توان زیاد است. دلیل اصلی حجیم شدن این منابع دو عامل ذیل است:

الف) بزرگ بودن ترانس کاهنده ورودی

ب) نیاز به گرماگیرهای[1] بزرگ به دلیل تلفات زیاد در عنصر کنترل

1-1-2-1 بزرگ بودن ترانس کاهنده ورودی

همان گونه که بیان شد یکی از دلایل حجیم شدن منبع تغذیه خطی بزرگ بودن ترانس کاهنده ورودی آن می باشد. این ترانس به دلایلی نمی تواند از بلوک دیاگرام کنار گذاشته شود. ترانس سبب مجزاسازی[2] مدار خروجی از ورودی می شود و از طرفی برای جلوگیری از تشعشع مدار و جلوگیری از نفوذ میدان های الکترومغناطیسی خارجی مجبوریم که زمین مدار را به بدنه منبع تغذیه خطی متصل کنیم و در صورت نبود ترانس خطر برق گرفتگی برای کاربر وجود دارد.

3- عدم توانایی فشرده سازی به ویژه برای بهره‌وری بالا.

4- زمان نگهداری[3] نسبتاً کوچک.

منبع تغذیه خطی دارای زمان نگهداری بسیار کمی می باشد. منظور از زمان نگهداری مدت زمانی است که خروجی تغذیه علیرغم قطع بودن برق ورودی آن، هم چنان برقرار می ماند. اگر بخواهیم این زمان را افزایش دهیم باید ظرفیت خازن های ورودی را بسیار بزرگ در نظر بگیریم که طبعاً حجم زیادی اشغال می کند.

5- مناسب برای ولتاژهای کم.

این نوع منابع بیشتر برای ولتاژهای خروجی پایین به کار برده می‌شوند و این یکی از معایب منبع تغذیه خطی است که استفاده از آن در ولتاژهای زیاد مقرون به صرفه نیست.

1-2 منبع تغذیه غیرخطی (سوئیچینگ)

معایب منبع تغذیه خطی می تواند با استفاده از منبع تغذیه سوئیچینگ کاهش یافته و یا حذف شود. بلوک دیاگرام ساده شده یک منبع غیرخطی (سوئیچینگ) در شکل نمایش داده شده است.

1-2-1 مزایای منبع تغذیه سوئیچینگ

منابع تغذیه سوئیچینگ دارای مزایایی به شرح زیر می باشند:

1- راندمان بزرگ تر از 50%

معمولاً بازده منابع تغذیه سوئیچینگ بیشتر از بازده منابع تغذیه خطی می باشد. بازده منابع تغذیه سوئیچینگ بین %70 تا %80 است. در منابع تغذیه سوئیچینگ عنصر کنترل (سوئیچینگ) در حالت اشباع و قطع کار می کند و توان تلفاتی پایینی دارد، در حالی که در منابع تغذیه خطی عنصر کنترل در حالت فعال کار می کند و توان تلفاتی بالائی دارد.

2- ابعاد کوچک ترانس

در منابع تغذیه خطی ترانس در فرکانس 50 هرتز برق شهر کار می‌کند. بر این اساس انرژی نسبتاً زیاد در تعداد دفعات کم به خروجی منتقل می شود. در حالی که در منبع تغذیه سوئیچینگ با افزایش فرکانس، بسته های انرژی کوچک تری در تعداد دفعات بیشتری منتقل می گردد.

3- سبک بودن منبع تغذیه

بیش‌تر وزن یک منبع به ترانس آن بستگی دارد. حال اگر ترانس کوچک باشد این منبع سبک خواهد شد.

4- کاملاً فشرده

منابع تغذیه سوئیچینگ را می توان در بسته بندی های کاملاً فشرده قرار داد، چون اتلاف حرارتی کمی دارند.

5- ورودی با محدوده دینامیکی زیاد

ولتاژ ورودی می تواند در محدوده وسیعی تغییر کند در حالی که ولتاژ خروجی ثابت باقی بماند.

6- زمان نگهداری بیش از پنج میلی ثانیه.

در منابع تغذیه سوئیچینگ زمان نگهداری بیشتر از منابع تغذیه خطی است. دلیل آن ولتاژ dc بالایی است که در خازن ورودی ذخیره می شود. از آنجائی که انرژی ذخیره شده در خازن با مربع ولتاژ رابطه دارد به همین دلیل منبع سوئیچینگ زمان نگهداری بیشتری دارد.

1-2-2 معایب منابع تغذیه سوئیچینگ

1- به دلیل نوع فیدبک به کار برده شده ایزولاسیون (مجزاسازی) مدار از بین می رود و در این حالت زمین ورودی به زمین خروجی متصل می شود و خطر برق گرفتگی برای کاربرد به وجود می آید.

2- در ترانس علاوه بر تشعشع، تلفات افزایش یافته و با افزایش تلفات در ترانس، بازده آن کاهش می یابد.

الف) مستقیم که از طریق سیم های ارتباطی انتشار می یابد.

ب) غیرمستقیم که از طریق محیط، ارتباط برقرار می شود.

3- نیاز به حفاظت در مقابل اضافه بار[4]

در منابع تغذیه خطی و یا غیرخطی از اتصالات P-N بسیار استفاده می شود.

هنگامی که از یک پیوند P-N جریان DC عبور می دهیم بیش تر جریان DC از نقاط تخت عبور می کند. حال اگر جریان بیش از حد قابل تحمل پیوند باشد پیش از آن که پیوند اتصال کوتاه شود، در اثر گرم شدن پیوند سیم ارتباطی آن که با جوش اولتراسوند وصل شده جدا خواهد شد.

4- با قطع شدن فیدبک در منابع تغذیه خطی افزایش ولتاژ وجود ندارد. در حالی که در منابع تغذیه سوئیچینگ با قطع شدن فیدبک، قسمت کنترلی ولتاژ خروجی را صفر می بیند و لذا برای افزایش ولتاژ انرژی بیش تری را به خروجی منتقل می کند. زیرا قسمت کنترلی، کاهش ولتاژ را در اثر افزایش بار می داند. انتقال انرژی بیش تر به خروجی سبب افزایش ولتاژ خروجی می شود تا جایی که منجر به سوختن عناصر مدار می شود.

5- جریان های یورشی[5] 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 مدار از ورودی دریافت می شود.