معرفی آیسی های منبع تغذیه سوئیچینگ (قسمت اول)

یک چالش اساسی که مهندسان برق با آن روبرو هستند، تبدیل کارآمد منبع ولتاژ در دسترس به ولتاژ تغذیه مورد نیاز مدار است. منبع انرژی یک دستگاه الکترونیکی می‌تواند منبع 3 ولت ثابت تولید شده توسط باتری،  باس 28 ولتی پر نویز یک هواپیما، ولتاژ 12 ولت تولید شده توسط یک آداپتور یا ولتاژ تولید شده توسط یک پنل خورشیدی باشد.

این منابع تغذیه، اگرچه از نظر محیط کاربری و ویژگی‌های عملکرد، متنوع هستند، اما حداقل یک چیز مشترک دارند، آنها معمولاً نوع دقیق ولتاژ تغذیه را که یک مهندس برای مدار خود نیاز دارد، ارائه نمی‌کنند. ماهیت طراحی منبع تغذیه، تبدیل ولتاژ تغذیه ارائه شده توسط سیستم به ولتاژ تغذیه‌ای است که به مدار اجازه می‎دهد تا به طور مداوم نیازهای عملکردی خود را برآورده کند.

 بیشتربخوانید: مبدل آنالوگ به دیجیتال چیست و چه مدل هایی دارد؟

مبانی تبدیل نیرو

منبع تغذیه مدار، برق رگوله نشده را دریافت و آن را به ولتاژ خروجی ثابت و تنظیم شده تبدیل می کند. تجهیزات الکترونیکی عموماً توسط منابع DC ولتاژ پایین تغذیه می‌شوند که منبع آن می‌تواند یک باتری، ترکیبی از باتری و مبدل DC/DC یا منبع تغذیه‌ای است که ولتاژ AC برق شهر را به یک یا چند خروجی DC ولتاژ پایین تبدیل می‌کند.

منبع تغذیه یک عنصر مهم در فرآیند تبدیل توان است. تقریباً تمام تجهیزات الکترونیکی به منبع DC نیاز دارند که به خوبی تنظیم و رگوله شده باشد، نویز کمی داشته باشد و پاسخ سریعی به تغییرات بار ارائه دهد. برخی از منابع تغذیه برای ایمنی و حفاظت، ولتاژ ورودی را نسبت به خروجی ایزوله می‌کنند.

 

به طور کلی دو نوع منبع تغذیه رگوله شده وجود دارد: منبع تغذیه تنظیم شده خطی و منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS). ما عمدتاً در مورد منابع تغذیه سوئیچینگ بحث خواهیم کرد، اما مقایسه سریع این دو نوع زمینه شناخت بهتری را فراهم می کند.

خرید مبدل آنالوگ به دیجیتال اورجینال و باکیفیت از لیون الکترونیک 

 

 

مزیت اصلی منابع تغذیه سوئیچینگ کارایی، اندازه و وزن است. منبع تغذیه خطی شامل یک ترانسفورماتور اصلی و یک رگولاتور سری تلف کننده است. این بدان معناست که این منابع دارای ترانسفورماتورهای بسیار بزرگ و سنگین 50/60 هرتز و راندمان تبدیل توان بسیار ضعیفی است که هر دو از اشکالات جدی منابع تغذیه خطی هستند.

 

طراحی منابع تغذیه حالت سوئیچینگ در مقایسه با منابع تغذیه خطی نسبتاً پیچیده است. با این حال، این پیچیدگی در طراحی منجر به ایجاد یک منبع DC پایدار و تنظیم شده می‌شود که می‌تواند توان بیشتری را به روشی کارآمد در مقیاس اندازه، وزن و هزینه معین ارائه دهد.

با استفاده از فرکانس سوئیچینگ بالا، اندازه اجزای مغناطیسی و اجزای فیلتر کننده مرتبط در منابع تغذیه سوئیچینگ در مقایسه با منبع تغذیه خطی به طور قابل توجهی کاهش می یابد. به عنوان مثال، یک منبع تغذیه سوئیچینگ که در فرکانس 20 کیلوهرتز کار می‌کند باعث کاهش 4 برابری اندازه اجزا می شود و این میزان در 100 کیلوهرتز و بالاتر به حدود 8 برابر افزایش می یابد. این بدان معناست که با طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ می توان منابع بسیار فشرده و سبک وزن تولید کرد. امروزه این یک نیاز ضروری برای اکثر سیستم های الکترونیکی است.

 

شماتیک کلی منابع تغذیه سوئیچینگ

منابع تغذیه حالت سوئیچ از قطعات سوئیچینگ فرکانس بالا برای انتقال انرژی الکتریکی از منبع به بار به روشی بسیار کارآمد استفاده می کنند. عمل سوئیچینگ با استفاده از مدولاسیون عرض پالس (PWM) کنترل می شود و تنظیم ولتاژ خروجی با تغییر چرخه کاری PWM به دست می آید.

 

همانطور که تجهیزات الکترونیکی کوچکتر و کوچکتر می‌شوند، مصرف کنندگان نیاز دارند که مبدل های قدرت نیز همین ترند را پیگیری کند. از زمان معرفی تکنیک‌های حالت سوئیچ، این منابع به صورت مداوم تکامل پیدا کرده اند و طراحی منابع تغذیه با محدوده ولتاژ ورودی گسترده (85-265VAC)، انقلابی در این عرصه ایجاد کرده است.

بیشتر بخوانید: منبع تغذیه سوئیچینگ چیست و چگونه کار می کند؟

بلوک‌های کلی یه منبع تغذیه سوئیچینگ

-         قسمت یکسو کننده و فیلتر ورودی: برای تبدیل ورودی AC به DC استفاده می شود. منابع تغذیه سوئیچینگ با ورودی DC به این مرحله نیاز ندارد. مرحله یکسو کننده ولتاژ DC تنظیم نشده تولید می‌کند که پس از یکسو شده از مدار فیلتر عبور می کند.

-         قسمت اینورتر: مرحله اینورتر ولتاژ DC  مرحله قبل را (چه مستقیماً از ورودی و چه از مرحله یکسو کننده)  از طریق یک نوسان ساز قدرت، به یک ولتاژ AC با فرکانس 10 تا 100 کیلوهرتز تبدیل می‌کند، این ولتاژ AC وارد قسمت اولیه یک ترانس فرکانس بالا می‌گردد.

-         ترانسفورماتور سوئیچینگ: در منابع تغذیه سوئیچینگ برای ایزولاسیون بین ورودی و خروجی از یک ترانسفورماتور فرکانس بالا به عنوان جداکننده عنصر سوئیچینگ و خروجی استفاده می‌کند. این ترانسفورماتور بسته به نیاز مدار می‌تواند ولتاژ را در ثانویه تقویت یا تضعیف کند.

-         یکسو کننده خروجی و فیلتر: این قسمت از مدار که معمولا از یک یا چند دیود فست یا شاتکی تشکیل شده، خروجی AC ترانسفورماتور را به ولتاژ DC تبدیل می کند.

-         قسمت تنظیم کننده ولتاژ خروجی : در منابع تغذیه سوئیچینگ از یک مدار فیدبک برای تنظیم و نظارت بر ولتاژ و جریان خروجی استفاده می‌شود، معمولا ولتاژ و جریان خروجی با ولتاژ و جریان مرجع مقایسه می‌شود و با اعمال فیدبک به قسمت اینورتر باعث می‌شود تا ولتاژ و جریان خروجی به صورت ثابت نگه داشته شود.

 

توپولوژی‌های منابع تغذیه سوئیچینگ

منابع تغذیه سوئیچینگ شامل شبکه‌هایی از ترانسفورماتورها، ذخیره‌سازهای انرژی و سلف‌های فیلتر، خازن‌ها و سوئیچ‌ها و یکسوکننده‌های الکترونیکی هستند. آرایش خاص آنها توپولوژی نامیده می شود.

عواملی که هنگام انتخاب توپولوژی برای یک کاربرد خاص باید در نظر گرفته شوند:

-         آیا ایزولاسیون بین ورودی و خروجی مورد نیاز است؟

-         آیا ولتاژ خروجی از محدوده ولتاژ ورودی بیشتر است یا کمتر؟

-         آیا خروجی های متعدد مورد نیاز است؟

-         آیا این توپولوژی دارای نویز خروجی مناسبی نسبت به کاربرد مدار دارد؟

-         حداکثر ولتاژ اعمال شده به اولیه ترانسفورماتور و حداکثر سیکل کار چقدر است؟

-         حداکثر توان مورد نیاز چقدر است؟

 

انواع منابع تغذیه سوئیچینگ

منابع تغذیه سوئیچینگ را می توان بر اساس توپولوژی مدار به دو نوع طبقه بندی کرد: مبدل های غیر ایزوله و مبدل های ایزوله.

مبدل های غیر ایزوله: منبع ورودی و بار خروجی در طول کار، یک مسیر جریان مشترک دارند و انرژی از طریق عناصر ذخیره انرژی (سلف ها و خازن ها) منتقل می شود.

مبدل های ایزوله: انرژی از طریق اجزای مغناطیسی کوپل شده (ترانسفورماتورها) منتقل می‌شود که در آن کوپل شدن بین منبع تغذیه و بار صرفاً از طریق یک میدان الکترومغناطیسی حاصل می‌شود و در نتیجه امکان جداسازی گالوانیکی بین ورودی و خروجی را فراهم می‌کند.

در بیشتر کاربردها، توپولوژی منبع تغذیه دارای یک ترانسفورماتور قدرت برای ایجاد ایزولاسیون است و مقیاس ولتاژ ورودی و خروجی از طریق نسبت دور سیم پیچ در آن تعیین می‌گردد. همچنین در این توپولوژی‌ها امکان ارائه خروجی های متعدد امکان پذیر است. با این حال، توپولوژی‌های غیر ایزوله مانند مبدل‌های باک، بوست و باک بوست وجود دارند که پردازش توان تنها با انتقال انرژی القایی به دست می‌آید.

جدول زیر حداکثر سطوح توان خروجی معمولی در توپولوژی های مختلف را نشان می دهد.

 

جمع بندی

همان طور که توضیح دادیم، منابع تغذیه سوئیچینگ به دلیل برتری‌های فنی و قیمت و وزن کمتر روز به روز در حال فراگیرتر شدن هستند. این مبدل‌ها دارای انواع مختلفی هستند و طراح بر اساس نیاز خود، یک مدل را برای استفاده خود انتخاب می‌کند.
شرکت‌های سازنده نیمه هادی با توجه به نیاز بازار انواع مختلفی از آیسی های کنترلر سوئیچینگ را تولید و روانه بازار کرده اند. آیسی های منبع تغذیه سوئیچینگ معمولا تمامی مدارات مورد نیاز یک منبع تغذیه سوئیچینگ را در درون خود مجتمع کرده‌اند و این کار باعث سهولت طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ می‌گردد. در قسمت بیشتر با انواع منابع تغذیه سوئیچینگ آشنا خواهیم شد.

اگر نیاز به خرید قطعات الکترونیکی اورجینال دارید، می توانید به فروشگاه اینترنتی لیون الکترونیک مراجعه کنید.