چکیده:
چرا از منبع تغذیه سوئیچینگ استفاده می کنیم؟
انتخاب بین یک منبع تغذیه خطی یا سویچینگ می تواند بر اساس کاربرد آنها انجام شود . هر یک مشخصات و مزایا و معایب خاص خود را دارند . همچنین حوزه های متعددی وجود دارد که تنها یکی از این دو نوع می تواند مورد استفاده قرار گیرندو یا کاربردهایی که یکی بر دیگری برتری دارد.
مزایای منابع تغذیه خطی:
1-سادگی:طرح مدار بسیار ساده است و با قطعات کمی به راحتی پایدار می شود.
2-قابلیت تحمل بار زیاد
3-نویز ناچیز یا کم در خروجی
4-زمان پاسخ دهی بسیار کوتاه
5-برای توانهای کمتر از 10w ارزانتر از مدار های مشابه سوئیچینگ تمام می شود.
معایب منابع تغذیه خطی:
معایب این گونه منابع به طور کلی قابل رفع نیستند ولی به کمک طراحی بهتر قابل کاهش می باشند.
1-تنها به صورت یک رگولاتور کاهنده قابل کاربرد هستند(ورودی باید 2تا 3 ولت بیشتر از خروجی باشد.)
2-عدم انعطاف پذیری تغذیه , افزودن هر خروجی مستلزم اضافه کردن سخت افزار زیادی است.
3-بهره متوسط چنین منابعی کم و نوعا 30٪تا 40٪ است . این تلفات توان در ترانزیستور خروجی تولید حرارت می کند و نیاز به ترانزیستوری قویتری را مطرح میکند. تا حدود15w روشهای معمول مفید است ولی بیش از آن نیاز به سرمایش تحت فشار (forced) وجود دارد .
مزایای منابع تغذیه سوئیچینگ:
تمامی این معایب در منبع تغذیه سوئیچینگ رفع شده است.
1-افزایش راندمان به حدود 68٪تا90٪ کارکرد ترانزیستور در نواحی قطع و اشباع به انتخاب حرارت گیر یا خنک کننده (heat sink) و ترانزیستور کوچکتر منجر شده است.
2-به دلیل اینکه قدرت خروجی از یک ولتاژdc بریده شده که به شکل ac در یک قطعه مغناطیسی ذخیره می شود تامین می گردد. لذا با اضافه کردن تنها یک سیم پیچ می توان خروجی دیگری را بدست آورد ٬که در مقام مقایسه بسیار ارزانتر و ساده تر تمام می شود.
3- به علاوه به دلیل افزایش فرکانسی کاری به حدود 50تا khz 60 اجزاء ذخیره کننده انرژی می توانند خیلی کوچکتر انتخاب شوند.
4-برخلاف منابع تغذیه خطی، در توان های خیلی بالا قابل استفاده هستند.
همه این موارد به کاهش هزینه و توان تلفاتی و افزایش بهره دهی و انعطاف پذیری منجر می شود.
معایب منابع تغذیه سوئیچینگ:
معایب این منابع ناچیز بوده و به کمک طراحی بهینه قابل رفع می باشد.
1-طرح چنین منابعی اصولا مشکل و پیچیده است
2-نویز قابل ملاحظه ای از آنها به محیط انتشار می یابدو این اشکالی است که نباید در مرحله طراحی نادیده گرفته شود. و با کمک فیلتر و محافظ به نحو چشمگیری کاهش می یابد.
3- به دلیل ماهیت کار این منابع که بر اساس برش یک ولتاژdc استوار است ،زمان رسیدن ولتاژ خروجی به مقدار مطلوب در مقایسه با منابع تغذیه خطی زیاد است. این زمان اصطلاحا زمان پاسخ ناپایدارtransient response time نامیده می شود.
تمامی این موارد در جهت کاهش کار آمدی انعطاف پذیری و افزایش قیمت هستند ولی با طراحی بهتر قابل بهبود می باشند.
البته هر یک از این منابع حوزه های کاری خود را دارند، عموما برای مدلهایی با راندمان و ولتاژ بالا مثل منابع تغذیه شونده با باطری های قابل حمل تغذیه سوئیچینگ برتری دارد ولی برای ولتاژهای ثابت و کم منابع خطی ارزانتر و ارجح هستند.
فصل اول
مقدمه
چگونه یک منبع تغذیه سوییچینگ کار میکند؟
اگر یک رگولاتور سوییچینگ (منابع تغذیه سوییچینگ گاهی رگولاتور سوییچینگ هم نامیده می‌شوند) به عنوان یک جعبه سیاه در نظر گرفته شود در این صورت با یک منبع خطی تفاوتی ندارد.
ولی رگولاتور خطی براساس تأمین جریان و ولتاژ مطلوب در خروجی به وسیله یک نیمه‌هادی قدرت که در حالت خطی به کار گرفته شده است کار میکند.
حاصلضرب اختلاف ولتاژ خروجی با ورودی در جریان بار توانی است که در این عنصر نیمه هادی باید تلف شود که بعضاً زیاد هم هست و مهمترین عامل پایین بودن راندمان می‌باشد.
دلیل این امر هم کارکرد ترانزیستور در حالت خطی است یعنی جایی که ولتاژ دوسر سوییچ و جریان عبوری آن هر دو زیاد است.
در حالی که در یک منبع از نوع سوییچینگ تغییر سطح ولتاژ خروجی از طریق تغییر در نسبت روشن به خاموش یا اصطلاحاً زمان کارکرد ترانزیستور خروجی انجام می‌گیرد. 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 همین حالات کارکرد عنصر نیمه هادی است.
منابع تغذیه سوییچینگ به دو نوع کلی قابل تقسیم‌بندی هستند:
فوروارد forward
فلای بک flyback
با وجود شباهتهای فراوان تفاوتهای متمایز کننده‌ای هم وجود دارد. نحوه عملکرد و چگونگی قرارگیری عنصر مغناطیسی تعیین کننده نوع مدار است.
رگولاتور سوییچینگ حالت فوروارد
آرایش کلی منابع نوع فوروارد مطابق مدار شکل 1 است.
(تصاویر در فایل اصلی موجود است)
سوییچ قدرت امکان دارد یک ترانزیستور قدرت یا یک MOSFET باشد. همچنین امکان وجود یک ترانسفورمر به جای القاگر به منظور تغییر سطح ولتاژ و ایجاد ایزولاسیون وجود دارد. (اولیه این ترانس جای القاگر را می‌گیرد و ثانویه آن بار و فیلتر خروجی را تغذیه میکند).
القاگر یک عنصر ذخیره کننده انرژی است. و عملکرد مدار خیلی شبیه پیستون و چرخ طیار می‌باشد.
همان طوری که هنگامی که پیستون انرژی ندارد انرژی از سوی چرخ طیار تأمین می شود و در چرخه بعدی پیستون مجموعه چرخ طیار انرژی می دهد؛ هنگامی که سویچ باز است با چرخش جریان از طریق دیود انرژی از سوی القاگر تأمین می شود و در چرخه بعدی با بسته شدن سویچ القاگر مجدداً توسط منبع Vin انرژی دار می باشد.
هر دوره کاری از مدار فوق به دو بخش قابل تقسیم است. T1 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 سپس t2 سوییچ باز می شود در این هنگام جریان القاگر، فیلتر و بار از طری دیود تأمین می گردد. و کار بدون تغییر در سطح ولتاژ خروجی ادامه می یابد.D.C سوییچ، متوسط ولتاژ خروجی را کنترل می کند (عملاً 5% تا 95%)
چنین منابعی ولتاژی با پلاریته مخالف یا بزرگتر از ولتاژ ورودی نمی توانند تولید کنند.
رگولاتور سوییچینگ حالت فلای بک
مدارهای فلای بک از آرایش کلی در شکل 2 پیروی می کنند.
(تصاویر در فایل اصلی موجود است)
با روشن شدن سوییچ قدرت القاگر از طریق منبع پر انرژی می گردد با خاموش شدن آن جریان بار از طریق دیود القاگر و تغذیه ادامه می یابد. تحت حداقل ولتاژ کاری D.C به 50% می رسد و Tfblk برابر کل دوره کاری منهای Ton می شود.
علی رغم شباهتهای فراوان حالات فلای بک و فوروارد تفاوت عمده این دو در هنگام خاموشی سوییچ قدرت است در این زمان:
دو مدار فوروارد تغذیه بار از راه القاگر و دیود ادامه یابد در حالی که در مدار فلای بک این کار از راه تغذیه القاگر و دیود انجام می شود.
فصل دوم
مثالی از یک منبع تغذیه سوییچینگ نمونه
اشکال 13 و 23 طرح کلی یک منبع تغذیه سویچینگ نمونه را به همراه شکل موجهای آن نشان می دهند.
توضیح مختصری درباره هر قسمت داده شده است.
(تصاویر در فایل اصلی موجود است)
فیلتر EMI:
این بخش از دو عنصر القاگر L1 و خازن C1 که یک فیلتر را می سازند تشکیل شده است.
دو وظیفه عمده این بخش عبارتند از:
ممانعت از تشعشع رادیویی در فرکانس کاری و تزریق نویز حاصل از سوییچینگ به خط تغذیه اصلی Vin.
و دیگری جلوگیری از ورود اسپایک های موجود در تغذیه Vin به مدار.
فرکانس قطع این فیلتر نباید از 2 تا 3 برابر فرکانس کار تغذیه بیشتر باشد.
خازن انباره، فیلتر ورودی :
این یک خازن بزرگ است که وظیفه ذخیره انرژی را بر عهده دارد و حداقل مرکب از دو خازن است. یک خاز الکترولیت یا تاتتالیوم برای مؤلفه های جریان در فرکانس تغذیه سوییچینگ و یک خازن سرامیک برای مؤلفه های هارمونیک فرکانسی سوییچینگ.
به این دلیل که مسیرهای سیم کشی یا مدار چاپی امکان دارد طولانی باشند و امپدانس زیادی را از خود نشان دهند (هنگام عبور مؤلفه های بالای جریان) برای حفظ پایداری مدار و تأمین مؤلفه های جریان فوق الذکر وجود این دو خازن ضروری است.
مقدار این دو خازن باید به گونه ای باشد که در فرکانس 3 برابر فرکانس، تغذیه، امپدانس ناچیزی را از خود نشان دهند.
ترانسفورمر:
این قسمت علاوه بر ایزولاسیون DC وظیفه تغییر سطح ولتاژ را هم برعهده دارد.
تغییر در سطح ولتاژ با تغییر نسبی تعداد دور اولیه و ثانویه انجام می شود ولی اگر طرح ترانس درست نباشد پایداری مدار و ضرایب اطمینان نیمه هادی متأثر می شود.
سویچ قدرت :
معمولاً از ترانزیستورهای قدرت یا MOSFET استفاده می شود، که در دو حالت کاملاً روشن یا خاموش کار می کنند. کنترل سطح ولتاژ خروجی از طریق تغییر زمان روشن و خاموش اینها انجام می گیرد. \
Fly back converter:
Fly back converte topology is very widely used for output powers from about 150 down to under 5w. It is great initial attraction_although it is not strictly so, as well as soon be seen_ is that it has no secondary output inductors as have all topology discussed thus far. The consenquent savings in cost and volume of the output inductors is a significant advantage.
It is widely used for high output voltages at relatively low power (≤5000 v at <15w).It can also be used at powers of up to 150w if dc supply voltages are high enough (≥160v)so that primary currents are not excessive.The featre which makes it valuable for high out put voltages is that it it requires no output inductor.In forward converters,discussed above,output inductors become a troublesome problem
At high output voltages because of the large voltages thay have to sustain.Not requiring a high voltage free-wheeling diode is also a plus for the fly back in high- voltage supplies.
It is also a frequent choice for a supply with many output voltages (≤10 is not uncommon)in the region of 50 to 150w.It is attractive for a multioutput supply because the voltages track one another with line and load changes far better than they do in the forward types descrid.The better tracking is due to the absence of output inductors.