مقدمه
در حالي كه تكنولوژي نيمه هادي هاي مجتمع پيشرفته تر مي شود. طراحان سيستم و همچنين توليد كنندگان وسائل الكترونيكي بر روي وزن و اندازه، به عنوان مشخصه هاي مهم توليداتشان تاكيد مي كنند.
به طور سنتي، حجيم ترين قسمت يك سيستم، همان گونه كه در طراحي هاي خطي سري گذر وجود دارد، منبع تغذيه ي آن همراه با ترانسفورمر ايزولاسيون سنگين، هيت سينك ها و فن هاي خنك كننده مي باشد،
از اين رو در سال هاي اخير، طراحان براي تكميل طراحي سيستم هاي جديد، به سوي توسعه ي منابع تغذيه با بازده بالا، سبك و كوچك گام برداشته اند. منابع تغذيه سوئيچينگ فركانس بالا، راه حلي مناسبي مي باشند.
اما اين نوع جديد منبع تغذيه، بسيار پيچيده تر از نمونه ي خطي آن است و به دانش طراحي الكترونيكي آنالوگ و طراحي اجزا مغناطيسي همراه با طراحي مدارات كنترلي و منطقي نياز دارد.
طراحي منبع تغذيه، ديگر يك پروژه جانبي نيست. منبع تغذيه سوئيچينگ شاخه ي جديد و جذابي را در زمينه الكترونيك قدرت به وجود آورده است و دوره « مهندسي منبع تغذيه» دوبازه تعريف شده و توجه زيادي را به سوي خود جلب كرده است وتحقيقات جديدي توسط صنعت و دانشگاه براي پيشرفت در اين زمينه جالب انجام شده است.
پيشرفت ها در اين زمينه، سريع و رضايت بخش بوده و در نهايت منبع تغذيه نيز به دنبال ساير بخش هاي الكترونيكي پيشرفت خود را آغاز كرده است. منابع تغذيه، كوچكتر، با كيفيت تر، فشرده تر و از نظر قيمت مناسب تر شده اند. روند كار براي كليدزني در فركانس هاي بالاتر، بيش تر از 20kHz سنتي تا ناخيه ي مگاهرتز، مي باشد. منابع تغذيه ي تجاري كه با فركانس 1MHz كار مي كنند، قبلا به وسيله ي بعضي از توليد كنندگاه عرضه شده است و تعدادشان هر روز بيشتر مي شود.
تكنيك دوبرابر كردن ولتاژ
يك منبع تغذيه ي متصل به خط، ولتاژ خط ac را مستقيما و بدون نياز به ترانسفورمر ايزولاسيون فركانس پايين، بين ولتاژ ac شبكه و يكسو كننده ها، يكسو مي كند، نظر به اين كه در اغلب تجهيزات الكترونيكي امروزي، توليد كننده معمولا داراي بازاري بين المللي مي باشد، طراحان منبع تغذيه بايد از مدار ورودي اي استفاده كنند كه توانايي كار با تمام ولتاژ موجود در دنيا را داشته باشد.
انتخاب اجزا و معيارهاي طراحي
يكسو كننده هاي ورودي
طراحان چه از يكسو كننده هاي پل آماده استفاده كنند و چه از يكسو كننده هاي مجزا بايد به نكات زير توجه كنند:
1. توانايي يكسو كردن حداكثر جريان مستقيم. اين مقدار در درجه ي اول به سطح توان طرحاي منبع تغذيه ي سوئيچينگ بستگي دارد و ديود انتخاب شده حداقل بايد بتواند جرياني دو برابر جريان محاسبه شده در حالت پايدار را تحمل كند.
2. توانايي بلوكه كردن پيك ولتاژ معكوس. مادامي كه اين يكسوسازها در محدوده ي ولتاژ بالا مورد استفاده قرار مي گيرند، بايد نرخ بالايي داشته باشند، معمولا 600 ولت يا بيشتر.
3. ظرفيت تحمل جريان هجومي بالا براي تحمل پيك جريان هنگام روشن شدن مدار.
خازن هاي فیلتـر شده
محاسبه و انتخاب صحيح خازن هاي فیلتـر يكسوساز ورودي بسيار مهم است و بر روي پارامترهاي اجرايي زير تاثير مي گذارد: ريپل ac فركانس پايين در خروجي منبع تغذيه و زمان باقي ماندن. معمولا از خازن هاي الكتروليت، مرغوب با توانايي جريان ريپل بالا و ESR كم با حداقل ولتاژ كار 200 Vdc، استفاده مي شود.
تجهيزات محافظ ورودي
جريان هجومي
يك منبع تغذيه سوئيچينگ، ممكن است باعث ايجاد يك پيك جريان هجومي بسيار شديد در هنگام روشن شدن شود، مگر اينكه طراح، برخي محدود كننده هاي جريان را در قسمت ورودي جاي دهد. اين جريان ها بر اثر شارژ خازن هاي فیلتـر به وجود مي آيند كه در لحظه ي روشن شدن، مقاومت بسيار اندكي، معمولا فقط به اندازه ESR خازن ها.
ترانزيستور قدرت در طراحي مبدل
انواع مختلف المان هاي سوئيچينگ، نظير ترانزيستور، SCR و GTO توسط طراحان منبع تغذيه در طول سال ها استفاده شده است. متداول ترين الماني كه اغلب از آن استفاده مي شود ترانزيستور دو قطبي و در سال هاي اخير نوع ماسفت آن است.
انتخاب ترانزيستور
پارامترهاي طراحي اوليه ي يك ترانزيستور براي استفاده در يك مبدل غير خطي، اول توانايي بلوكه كردن ولتاژ آن در هنگام خاموش بودن و دوم ظرفيت تحمل جريان آن كه در هنگام روشن بودن است. هر دوي اين پارامترها توسط نوع مبدل مشخص مي شوند.
تصميم مهم ديگري كه طراح با آن روبروست استفاده از ترانزيستور دو قطبي يا ماسفت در طراحي است. هر كدوم از اين ترانزيستورها مزاياي متمايزي را نسبت به ديگري ارائه مي دهند، ترانزيستور دو قطبي در حال حاضر ارزان است در حالي كه ماسفت به خاطر مدارهاي تحريك ساده تر، مدار ساده اي دارد.
توجه به اين نكته ضروري است كه ترانزيستور دو قطبي داراي فركانس قطع كار محدودي است، حدود 50KHz، در حاليكه ماسفت براي فركانس سوئيچينگ بالاتر از 200KHz نيز مي تواند استفاده شود. البته فركانس هاي بالاتر به معني اندازه كوچكتر اجزا و بنابراين منابع تغذيه ي فشرده تر است، واقعيتي كه به نظر مي رسد طراحي منبع تغذيه، امروزه به سمت آن گرايش دارد.
استفاده قدرت از ترانزيستور دو قطبي به عنوان يك سوئيچ
ترانزيستور دو قطبي وسيله اين است كه اساسا با جريان كار مي كند، در واقع با تزريق جريان به پايه ي بيس آن جريان در كلكتور ساخته مي شود. اندازه ي جريان گذرنده از كلكتور به مقدار گين ترانزيستور بستگي دارد.
اساسا دو مد كاري در يك ترانزيستور دو قطبي وجود دارد: مد خطي و مد اشباع براي روشن يا خاموش كردن ترانزيستور به كار مي رود.
در كاربرد هاي سوئيچينگ واقعي يك جريان محركه ي بيس آن براي روشن كردن ترانزيستور، و يك جريان بيس با پلاريته ي معكوس براي خاموش كردن ترانزيستور مورد نياز است. به علت ذخيره مشخصي با كاربرد آن همراه است.
يكسو كننده ها، سلف ها و خازن ها
عموما قسمت خروجي هر منبع تغذيه ي سوئيچينگ از يك يا چند ولتاژ مستقيم تشكيل شده است كه با يكسو و فیلتـر كردن مستقيم ولتاژهاي ثانويه ترانس و دربعضي موارد فیلتـر كردن با وگولاتورهاي سري گذر ايجاد مي شوند. اين خروجي ها معمولا ولتاژ پايين و جريان مستقيم هستند و مي توانند سطح توان مشخصي را براي فرمان وسايل و مدارهاي الكترونيكي تحويل دهند. ولتاژ معمول خروجي، 5،12،15،24 و 18 ولت جريان مستقيم هستند و توان آن ها مي تواند از چند وات تا چند كيلو وات، متغير باشد.
متداول ترين نوع ولتاژهاي ثانويه كه در منبع تغذيه سوئيچينگ يكسو مي شوند، موج هاي مربعي فركانس بالا هستند كه به اجزا مخصوصي مانند يكسو كننده هاي سريع يا شاتكي، خازن هاي ESR كوچك و سلف هاي ذخيره كننده ي انرژي نياز دارند تا بتوانند خروجي هايي با نويز كم ايجاد كنند، كه در اغلب ابزارهاي الكترونيكي قابل استفاده باشد.
رگولاتورهاي سوئيچينگ
اكثر منابع تغذيه سوئيچينگ امروزي از نوع پهناي باند مدوله شده هستند. اين تكنيك، زمان هدايت ترانزيستور سوئيچينگ را در طول دوره ي روشن بودن، تغيير مي دهد تا ولتاژ خروجي را به ميزان مشخصي، كنترل و تنظيم كند. اگر چه روش هاي ديگري نيز براي كنترل و رگولاسيون بكار مي روند، اما نوع پهناي باند مدوله شده كارايي بهتري دارد، از جمله رگولاسيون دقيق خط و بار و پايداري در هنگام تغييرات دما.
در سال هاي اخير تعدادي از مدارات مجتمع، توسعه داده شده اند كه شامل تمام توابع لازم براي طراحي يك منبع تغذيه ي سوئيچينگ كامل با چند قطعه ي خارجي اضافي هستند.
تكنيك هاي ايزولاسيون سيستم هاي رگولاتور سوئيچينگ
نقش يك منبع تغذيه سوئيچينگ دگوله شده ي دو گانه است. اول، بايد ولتاژهاي خروجي رگوله شده ي خوب سطح پايين، ايجاد كند تا توانايي تغذيه ي مدارات و تطعات الكترونيك و الكترومكانيك را داشته باشند و دوم، بايد يك ايزولاسيون ورودي به خروجي عالي ايجاد كند تا از مصرف كننده در برابر خطر شوك به خاطر بالا يا جريان هاي نشتي محافظت كند.
اجزا و مدارهاي كمكي، نظارتي و جانبي منبع تغذيه ي سوئيچينگ
عموما منابع تغذيه سوئيچينگ، سيستم هاي حلقه بسته هستند كه براي رگولاسيون خوب، كاهش ريپل و پايداري سيستم مورد نياز مي باشند، غير از بلوك هاي ساختماني اصلي كه در فصل هاي گذشته توضيح داده شدند، تعدادي مدارهاي جانبي و كمكي وجود دارند كه كارايي منبع تغذيه را بهبود مي بخشند.
قطعاتي مانند جداكننده هاي نوري به طور گسترده در طراحي هاي اوليه اي مانند مبدل فلاي بك براي ارائه ي ايزولاسيون ورودي خروجي و حفظ اطلاعات انتقال سيگنال خوب، مورد استفاده قرار مي گيرند. مدارهاي ديگر مانند شروع فرم، مدارها محافظ اضافه جريان و اضافه ولتاژ، براي محافظت منبع تغذيه در برابر خطاهاي موجود به خاطر فشارهاي خارجي استفاده مي شوند.
تزويج كننده نوري (جدا كننده نوري)
تزويج كننده نوري يا جدا كننده نوري، اصولا براي تامين ايزولاسيون بين ورودي و خروجي منبع تغذيه به كار مي رود، در حالي كه در همان زمان از يك تزويج كننده ي نوري انتظار نويز خروجي و ضريب حرارتي پايين را داريم.
در حالي كه تكنولوژي نيمه هادي هاي مجتمع پيشرفته تر مي شود. طراحان سيستم و همچنين توليد كنندگان وسائل الكترونيكي بر روي وزن و اندازه، به عنوان مشخصه هاي مهم توليداتشان تاكيد مي كنند.
به طور سنتي، حجيم ترين قسمت يك سيستم، همان گونه كه در طراحي هاي خطي سري گذر وجود دارد، منبع تغذيه ي آن همراه با ترانسفورمر ايزولاسيون سنگين، هيت سينك ها و فن هاي خنك كننده مي باشد،
از اين رو در سال هاي اخير، طراحان براي تكميل طراحي سيستم هاي جديد، به سوي توسعه ي منابع تغذيه با بازده بالا، سبك و كوچك گام برداشته اند. منابع تغذيه سوئيچينگ فركانس بالا، راه حلي مناسبي مي باشند.
اما اين نوع جديد منبع تغذيه، بسيار پيچيده تر از نمونه ي خطي آن است و به دانش طراحي الكترونيكي آنالوگ و طراحي اجزا مغناطيسي همراه با طراحي مدارات كنترلي و منطقي نياز دارد.
طراحي منبع تغذيه، ديگر يك پروژه جانبي نيست. منبع تغذيه سوئيچينگ شاخه ي جديد و جذابي را در زمينه الكترونيك قدرت به وجود آورده است و دوره « مهندسي منبع تغذيه» دوبازه تعريف شده و توجه زيادي را به سوي خود جلب كرده است وتحقيقات جديدي توسط صنعت و دانشگاه براي پيشرفت در اين زمينه جالب انجام شده است.
پيشرفت ها در اين زمينه، سريع و رضايت بخش بوده و در نهايت منبع تغذيه نيز به دنبال ساير بخش هاي الكترونيكي پيشرفت خود را آغاز كرده است. منابع تغذيه، كوچكتر، با كيفيت تر، فشرده تر و از نظر قيمت مناسب تر شده اند. روند كار براي كليدزني در فركانس هاي بالاتر، بيش تر از 20kHz سنتي تا ناخيه ي مگاهرتز، مي باشد. منابع تغذيه ي تجاري كه با فركانس 1MHz كار مي كنند، قبلا به وسيله ي بعضي از توليد كنندگاه عرضه شده است و تعدادشان هر روز بيشتر مي شود.
تكنيك دوبرابر كردن ولتاژ
يك منبع تغذيه ي متصل به خط، ولتاژ خط ac را مستقيما و بدون نياز به ترانسفورمر ايزولاسيون فركانس پايين، بين ولتاژ ac شبكه و يكسو كننده ها، يكسو مي كند، نظر به اين كه در اغلب تجهيزات الكترونيكي امروزي، توليد كننده معمولا داراي بازاري بين المللي مي باشد، طراحان منبع تغذيه بايد از مدار ورودي اي استفاده كنند كه توانايي كار با تمام ولتاژ موجود در دنيا را داشته باشد.
انتخاب اجزا و معيارهاي طراحي
يكسو كننده هاي ورودي
طراحان چه از يكسو كننده هاي پل آماده استفاده كنند و چه از يكسو كننده هاي مجزا بايد به نكات زير توجه كنند:
1. توانايي يكسو كردن حداكثر جريان مستقيم. اين مقدار در درجه ي اول به سطح توان طرحاي منبع تغذيه ي سوئيچينگ بستگي دارد و ديود انتخاب شده حداقل بايد بتواند جرياني دو برابر جريان محاسبه شده در حالت پايدار را تحمل كند.
2. توانايي بلوكه كردن پيك ولتاژ معكوس. مادامي كه اين يكسوسازها در محدوده ي ولتاژ بالا مورد استفاده قرار مي گيرند، بايد نرخ بالايي داشته باشند، معمولا 600 ولت يا بيشتر.
3. ظرفيت تحمل جريان هجومي بالا براي تحمل پيك جريان هنگام روشن شدن مدار.
خازن هاي فیلتـر شده
محاسبه و انتخاب صحيح خازن هاي فیلتـر يكسوساز ورودي بسيار مهم است و بر روي پارامترهاي اجرايي زير تاثير مي گذارد: ريپل ac فركانس پايين در خروجي منبع تغذيه و زمان باقي ماندن. معمولا از خازن هاي الكتروليت، مرغوب با توانايي جريان ريپل بالا و ESR كم با حداقل ولتاژ كار 200 Vdc، استفاده مي شود.
تجهيزات محافظ ورودي
جريان هجومي
يك منبع تغذيه سوئيچينگ، ممكن است باعث ايجاد يك پيك جريان هجومي بسيار شديد در هنگام روشن شدن شود، مگر اينكه طراح، برخي محدود كننده هاي جريان را در قسمت ورودي جاي دهد. اين جريان ها بر اثر شارژ خازن هاي فیلتـر به وجود مي آيند كه در لحظه ي روشن شدن، مقاومت بسيار اندكي، معمولا فقط به اندازه ESR خازن ها.
ترانزيستور قدرت در طراحي مبدل
انواع مختلف المان هاي سوئيچينگ، نظير ترانزيستور، SCR و GTO توسط طراحان منبع تغذيه در طول سال ها استفاده شده است. متداول ترين الماني كه اغلب از آن استفاده مي شود ترانزيستور دو قطبي و در سال هاي اخير نوع ماسفت آن است.
انتخاب ترانزيستور
پارامترهاي طراحي اوليه ي يك ترانزيستور براي استفاده در يك مبدل غير خطي، اول توانايي بلوكه كردن ولتاژ آن در هنگام خاموش بودن و دوم ظرفيت تحمل جريان آن كه در هنگام روشن بودن است. هر دوي اين پارامترها توسط نوع مبدل مشخص مي شوند.
تصميم مهم ديگري كه طراح با آن روبروست استفاده از ترانزيستور دو قطبي يا ماسفت در طراحي است. هر كدوم از اين ترانزيستورها مزاياي متمايزي را نسبت به ديگري ارائه مي دهند، ترانزيستور دو قطبي در حال حاضر ارزان است در حالي كه ماسفت به خاطر مدارهاي تحريك ساده تر، مدار ساده اي دارد.
توجه به اين نكته ضروري است كه ترانزيستور دو قطبي داراي فركانس قطع كار محدودي است، حدود 50KHz، در حاليكه ماسفت براي فركانس سوئيچينگ بالاتر از 200KHz نيز مي تواند استفاده شود. البته فركانس هاي بالاتر به معني اندازه كوچكتر اجزا و بنابراين منابع تغذيه ي فشرده تر است، واقعيتي كه به نظر مي رسد طراحي منبع تغذيه، امروزه به سمت آن گرايش دارد.
استفاده قدرت از ترانزيستور دو قطبي به عنوان يك سوئيچ
ترانزيستور دو قطبي وسيله اين است كه اساسا با جريان كار مي كند، در واقع با تزريق جريان به پايه ي بيس آن جريان در كلكتور ساخته مي شود. اندازه ي جريان گذرنده از كلكتور به مقدار گين ترانزيستور بستگي دارد.
اساسا دو مد كاري در يك ترانزيستور دو قطبي وجود دارد: مد خطي و مد اشباع براي روشن يا خاموش كردن ترانزيستور به كار مي رود.
در كاربرد هاي سوئيچينگ واقعي يك جريان محركه ي بيس آن براي روشن كردن ترانزيستور، و يك جريان بيس با پلاريته ي معكوس براي خاموش كردن ترانزيستور مورد نياز است. به علت ذخيره مشخصي با كاربرد آن همراه است.
يكسو كننده ها، سلف ها و خازن ها
عموما قسمت خروجي هر منبع تغذيه ي سوئيچينگ از يك يا چند ولتاژ مستقيم تشكيل شده است كه با يكسو و فیلتـر كردن مستقيم ولتاژهاي ثانويه ترانس و دربعضي موارد فیلتـر كردن با وگولاتورهاي سري گذر ايجاد مي شوند. اين خروجي ها معمولا ولتاژ پايين و جريان مستقيم هستند و مي توانند سطح توان مشخصي را براي فرمان وسايل و مدارهاي الكترونيكي تحويل دهند. ولتاژ معمول خروجي، 5،12،15،24 و 18 ولت جريان مستقيم هستند و توان آن ها مي تواند از چند وات تا چند كيلو وات، متغير باشد.
متداول ترين نوع ولتاژهاي ثانويه كه در منبع تغذيه سوئيچينگ يكسو مي شوند، موج هاي مربعي فركانس بالا هستند كه به اجزا مخصوصي مانند يكسو كننده هاي سريع يا شاتكي، خازن هاي ESR كوچك و سلف هاي ذخيره كننده ي انرژي نياز دارند تا بتوانند خروجي هايي با نويز كم ايجاد كنند، كه در اغلب ابزارهاي الكترونيكي قابل استفاده باشد.
رگولاتورهاي سوئيچينگ
اكثر منابع تغذيه سوئيچينگ امروزي از نوع پهناي باند مدوله شده هستند. اين تكنيك، زمان هدايت ترانزيستور سوئيچينگ را در طول دوره ي روشن بودن، تغيير مي دهد تا ولتاژ خروجي را به ميزان مشخصي، كنترل و تنظيم كند. اگر چه روش هاي ديگري نيز براي كنترل و رگولاسيون بكار مي روند، اما نوع پهناي باند مدوله شده كارايي بهتري دارد، از جمله رگولاسيون دقيق خط و بار و پايداري در هنگام تغييرات دما.
در سال هاي اخير تعدادي از مدارات مجتمع، توسعه داده شده اند كه شامل تمام توابع لازم براي طراحي يك منبع تغذيه ي سوئيچينگ كامل با چند قطعه ي خارجي اضافي هستند.
تكنيك هاي ايزولاسيون سيستم هاي رگولاتور سوئيچينگ
نقش يك منبع تغذيه سوئيچينگ دگوله شده ي دو گانه است. اول، بايد ولتاژهاي خروجي رگوله شده ي خوب سطح پايين، ايجاد كند تا توانايي تغذيه ي مدارات و تطعات الكترونيك و الكترومكانيك را داشته باشند و دوم، بايد يك ايزولاسيون ورودي به خروجي عالي ايجاد كند تا از مصرف كننده در برابر خطر شوك به خاطر بالا يا جريان هاي نشتي محافظت كند.
اجزا و مدارهاي كمكي، نظارتي و جانبي منبع تغذيه ي سوئيچينگ
عموما منابع تغذيه سوئيچينگ، سيستم هاي حلقه بسته هستند كه براي رگولاسيون خوب، كاهش ريپل و پايداري سيستم مورد نياز مي باشند، غير از بلوك هاي ساختماني اصلي كه در فصل هاي گذشته توضيح داده شدند، تعدادي مدارهاي جانبي و كمكي وجود دارند كه كارايي منبع تغذيه را بهبود مي بخشند.
قطعاتي مانند جداكننده هاي نوري به طور گسترده در طراحي هاي اوليه اي مانند مبدل فلاي بك براي ارائه ي ايزولاسيون ورودي خروجي و حفظ اطلاعات انتقال سيگنال خوب، مورد استفاده قرار مي گيرند. مدارهاي ديگر مانند شروع فرم، مدارها محافظ اضافه جريان و اضافه ولتاژ، براي محافظت منبع تغذيه در برابر خطاهاي موجود به خاطر فشارهاي خارجي استفاده مي شوند.
تزويج كننده نوري (جدا كننده نوري)
تزويج كننده نوري يا جدا كننده نوري، اصولا براي تامين ايزولاسيون بين ورودي و خروجي منبع تغذيه به كار مي رود، در حالي كه در همان زمان از يك تزويج كننده ي نوري انتظار نويز خروجي و ضريب حرارتي پايين را داريم.
