تحقیق مقاله طراحی و ساخت منبع تغذیه سوئیچینگ Fly back

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 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.

عناصر اصلی هر یک از انواع این منابع عبارتند از:

·

·

·

·

·

·

(شکل در فایل اصلی موجود است)

رگولاتور سوییچینگ حالت فوروارد

آرایش کلی منابع نوع فوروارد مطابق مدار شکل 1 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

 

 

شکل 2: رگولاتور حالت فلای بک و جهت جریانهایش.

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.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 13: مروری بر مدار یک منبع تغذیه سوییچینگ نمونه.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 23: شکل موجهای نمونه.

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.

آسیب پذیرترین قسمت مدار اینجاست و اگر هر قسمت دیگری درست عمل نکند اولین جایی که آسیب می بیند این قسمت خواهد بود.

 

یکسوکننده خروجی:

وظیفه یکسوسازی ولتاژ خروجی را بر عهده دارد و در مواردی که بعداً بررسی می شود باید از دیودهای سریع و حتی خیلی سریع استفاده شود.

 

بخش فیلتر خروجی :

وظیفه ذخیره انرژی در زمان روشنی و ارائه آن را به بار در زمان خاموشی ترانزیستور بر عهده  دارد و مانند چرخ طیار انرژی را در زمان ON (روشن) تحویل گرفته و در هنگام off(خاموش) به بار تحویل می دهد. تقریباً 50% انرژی بیشتر از مقدار مورد نیاز بار در سلف و خازن ذخیره می شود.

عنصر حس کننده جریان :

روشی که در اینجا نشان داده شده است تنها یک راه حس جریان است، هدف تولید یک ولتاژ متناسب با جریان خروجی است سپس این ولتاژ تقویت شده و جهت کنترل جریان به هر روشی به کار می رود.

عنصر بازخورد ولتاژ:

از طریق یک شبکه تقسیم مقاومتی کسری از ولتاژ خروجی به تقویت کننده خطا جهت مقایسه با یک ولتاژ مبنا بوده می شود. روش حس ولتاژ خروجی به این راه محدود نمی شود، این راه  حلی معمولی است.

 

:

وظایف اصلی این قسمت حول تولید پالس های PWM دریافت و اعمال بازخودروهای ولتاژ و جریان و راه اندازی نرم (بعضی از پارامترهای مهم در منابع تغذیه سوییچینگ بر مبنای Vout نامی طرح می شوند و هنگامی که Vout کم است امکان آسیب رسیدن به بخشهایی از مدار هست عبور از مرحله گذرا و نیل به حالت پایدار بدون آسیب دیدن هیچ قسمتی را راه اندازی نرم می نامند)، متمرکز شده است و از بخشهای:

مولد موج، مقایسه گر با پالس های ramp، تقویت کننده های خطا و مرجع ولتاژ… تشکیل یافته است.

انواع آرایشهای منابع تغذیه سوییچینگ

این منابع از اوایل  دهه 1970 همزمان با عرضه ترانزیستورهای قدرت مطرح شدند. تئوری های اولیه این منابع از سال 1930 تدوین شده بود. و به تدریج جهت روبرو شدن با نیازهای مختلف تکامل پیدا کرد. امروزه این گونه منابع در ابعاد مختلفی همانند: ولتاژ ورودی یا توان خروجی بالا و قیمت پایین… توسعه یافته اند.

 

عوامل مؤثر در انتخاب یک آرایش مناسب:

جهت انتخاب یک آرایش مناسب نیاز به شناخت آرایشهای مختلف تفاوتهای قابلیتها  و محدودیتهای آنها وجود دارد. پنج عامل متمایز کننده آرایشها به قرار زیر هستند:

حداکثر جریان اولیه که تعیین کننده حد تحمل نیمه هادی قدرت است.

مقدار ولتاژی که باید روی اولیه ترانس بیفتد (یا ولتاژ ورودی)

 بخشی از منحنی مغناطیسی P-H (مربوط به هسته ای که انرژی را به شکل مغناطیسی در خود ذخیره می کند) که این نشان دهنده آن است که کدام آرایش ترانسفروماتور کوچکتری را برای یک توان مشخص دارد.

 ایزولاسیون ورودی از بار که ایزولاسیون DC خروجی را از ورودی تأمین می کند و این اجازه را به طراح می دهد که خروجیهای متعددی را به راحتی اضافه می کند. همچنین بر حسب تقاضا می تواند جهت برآوردن نیازهای ایمنی به کار رود (این نیازمندیها توسط شرایط تحمیل می شوند)

قیمت و قابلیت اطمینان طراح همواره به دنبال طراحی با حداقل قطعه و هزینه بدون تأثیرگذاری سوء در عملکرد و یا بروز حالات ناخواسته است.

 در آغاز مرحله طراحی با توجه به یک سری فرضیات به طور تقریبی به سؤالات زیر باید پاسخ داد. بدین ترتیب در زمان و هزینه طرح وساخت صرفه جویی قابل ملاحظه ای می شود.

 انتخاب اولیه نیمه هادی قدرت

انتخاب اولیه بهترین آرایش ممکن

پیش بینی تقریبی تلفات در قطعه

امروزه صنایع روی چند طرح خاص متمرکز شده اند. شکل 14 محدوده تقریبی اینها را برای جریان حداکثر 20 آمپر نشان می دهد. عنصر (قطعه) سوییچ در اینجا BJT یا MOSFET قدرت است.

برای جریانهای بیش از این مقدار موارد متعددی را برای طرح PBC، سیمهای ارتباطی و… باید در نظر گرفت این منحنی ها برای منابع با ترانسفورماتور ایزوله رسم شده اند.

منابع غیر ایزوله اشکالات مصیبت باری دارند که طراحان با تجربه از آنها اجتناب می کنند. طرح فلای بک به دلیل سادگی و قیمت کم برای توان های خروجی کم (کمتر از 150W) مناسب است، متأسفانه جریان پیک ورودی آن در مقایسه  با نوع فوروارد بیشتر است. لذا برای توان های بیشتر کاملاً نامناسب می باشد.

برای طرحهای توان میانه (W100 تا W400) نیمه پل طرح برتر است که در مقایسه با فلای بک پیچیده تر و گرانتر است ولی جریان ورودی آن در مقایسه با فلای بک 2/1 تا 3/1 است. برای توان های بیش از W400 جریان ورودی خیلی  زیاد می شود و طرحهای فوق نامناسب می شوند. در این حالت حتی طرح نیمه پل هم نمی تواند مناسب باشد، طرح دیگری که برای توان های زیاد به کار می رود. طرح پوش پول است . هر چند که این طرح گران تمام می شود ولی در این حالت قیمت جزئی ترین چیزهاست.

 

فصل سوم

رگولاتورهای سوییچینگ فاقد ترانسفورماتور ایزوله کننده :

این منابع معمولاً هنگامی بکار می روند که ایزولاسیون توسط یک قطعه خارجی مانند یک ترانس Hz 60-50 تامین شده باشد مزیت عمده آنها سادگی می باشد. و از سوی طراحان با تجربه توصیه نمی شوند . و به سه گروه عمده زیر قابل تقسیم هستند:

buck کاهنده

boost افزاینده

bluck & boost معکوس کننده

هر مدار تنها یک ولتاژ بزرگتر یا کوچکتر و یا با پلاریته معکوس را می تواند تولید کند و این منابع محدودیتهای خاصی در ارتباط به خروجی و ورودی دارند.

1 رگولاتور Buck

ساده ترین ، آسانترین و در عین حال ابتدایی ترین آرامش ، مربوط به این نوع است که نقاط ضعف مربوط به خود را داراست . عملکرد آن بسیار شبیه عملکرد چرخ طیار و پیستون است .

سوییچ قدرت وظیفه احیاء انرژی موجود در القاگر و تامین انرژی بار را بر عهده دارد همچنین دیود منعکس کننده جریان بار هنگام خاموشی بر عهده می گیرد شکل 4 جریان و ولتاژها را نشان می دهد .

                   ولتاژ ورودی منهای ولتاژ اشباع سوییچ قدرت Vd (on)=Vin -Vsat

                                                  (افت ولتاژ مستقیم دیود) Vd(off) = -Vfwd

                                      Qon : I(induct) = Imin +

Qoff : I(induct) = Ipk -

 

جریان سلف شکل مثلثی دارد و برابر مجموع جریان دیود  ترانزیستور است. ولتاژ خروجی از رابطه  به دست می آید که کوچکتر یا مساوی ولتاژ ورودی است 0<(d.c)<100%

محدودیتها و معایب این گونه منابع متاثر از ساختار فیزیکی آنهاست .

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 4:رگولاتور buck.

 

معایب رگولاتور Buck :

به منظور تثبیت خروجی لازم است که ولتاژ ورودی 1 تا 27 از ولتاژ خروجی بیشتر باشد .

هنگامی که سوییچ روشن می شود هنوز دیود روشن است که به آسیب دیدگی سوییچ و دیود منجر می شود (لذا باید از یک دیود سریع با    Trr حداقل استفاده شود)

به علاوه سوییچ های قدرت هنگام سوختن اتصال کوتاه می شوند که خروجی را با بار وصل می کنند (راه حل حس کردن تغییرات سریع جریان بار و انتقال آن به یک    SCR موازی است )

علی رغم تمامی معایب و محدودیتهایی که ذکر شد، در شرایط عادی این منابع توانایی تحویل بیش از W 1000 توان به خروجی را دارند.

معادله

پارامتر پیش بینی شده

حداکثر جریان ، کلکتور / درین

حداکثر ولتاژ، کلکتور / درین

اندوکتانس تقریبی

کنترل خروجی

2 رگولاتور افزاینده Boost :

این رگولاتور یکی از انواع رگولاتورهای فلای بک است که خروجی آن بزرگتر یا مساوی ورودی است . تعداد قطعات آن برابر تعداد قطعات رگولاتور buck بوده ولی آرایش آن نتفاوت می باشد و مطابق شکل 5 است . در اینجا با روشن شدن سوییچ ولتاژ به مقداری بیشتر از ولتاژ ورودی افزایش یافته و در این حالت دیود کار یکسو سازی و تحویل ولتاژ به بار را بر عهده می گیرد.

در این حالت کاری D.C به 50% محدود می شود چرا که هسته نیاز زمان کافی جهت تحویل انرژی خود به بار است .

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 5 : رگولاتور boost.

معادله

پارامتر پیش بینی شده

 

حداکثر جریان، کلکتور / درین

 

حداکثر ولتاژ ، کلکتور / درین

 

اندوکتانس پیش بینی شده

 

 

دو حالت کاری پیوسته و غیر پیوسته برای این رگولاتور قابل ذکر است تمایز این دو حالت این است که انرژی القاگر به صفر می رسد یا نه . سوال اساسی در طرح این رگولاتور این است که آیا القاگر می تواند انرژی مورد نیاز بار تامین کند یا نه . این سوال با دانستن روابط حاکم پاسخ داده می شود. مقدار انرژی ذخیره شده در هسته در طی هر دوره کاری سوییچ قدرت :

(الف 1-4)                    

توان متوسط تحویلی به بار برابر :

(ب 1-4)                           

که f فرکانس کاری منبع می باشد. Pout باید از حداکثر توان مورد نیاز بیشتر باشد وگرنه از رگولاسیون خارج می شویم .

حداکثر جریان دیود Ipk برابر است با :

(ج 1-4)                 

 

کاهش L موجب افزایش Ipk شده (این کار نباید آن قدر ادامه یابد که منجر به اتصال کوتاه گردد) عامل دیگر Ton است ک افزایش آن Ipk را افزایش می دهد. (اما نه آنقدر که به دوره بعدی وارد شویم ) .

این آرایش تقریباً تا 2 برابر جریان حالت فوروارد کار می کند، در این حالت به    D.C  برابر 50% محدود میشویم و در این حالت توان خارجی به W 150 محدود می شود چرا که فشار بر نیمه های قدرت زیاد می گردد.

همانند سایر رگولاتور های فاقد ترانسفورمر ایزوله این توپولوژی هم نقاط ضعف فراوانی دارد. به ویژه در ارتباط با بار و حالات خطرناک گذرا.  هر گونه تموج ولتاژ ورودی به خروجی انتقال خواهد یافت . استفاده از ترانسفور ماتور ایزوله طیف وسیعی از اشکالات را برطرف خواهد نمود .

 

3 رگولاتور Buck –Boost :

این نوعی از رگولاتور فلای بک است که عملکرد آن خیلی به عملکرد رگولاتور Boost شبیه است.

به علاوه به عنوان یک رگولاتور معکوس کننده هم شناخته می شود. تفاوت موجود میان رگولاتور Boost و Buck/Boost همان طور که در شکل 6 پیداست تعویض جایگاه القاگر و سوییچ قدرت است .

همانند رگولاتور Boost القاگر انرژی را ذخیره می کند. مادامی که سوییچ قدرت روشن است انرژی ذخیره شده سپس از طریق یکسو ساز به زمین تخلیه میشود . که نتیجه  ولتاژ منفی است ، و مقدار آن به وسیله    D.C سوییچ قدرت تعیین می گردد.

D.C  این رگولاتور به ویژه هنگامی که نیاز به تخلیه انرژی هسته  است به 50 % محدود می شود معادلات مربوط به انرژی و هسته درست همانند رگولاتور    Boost است.

 اشکالی که وجود دارد این است که هر گونه تموج ولتاژ به نیمه های قدرت آسیب می رساند راه حلی شبیه حالت قبل در اینجا وجود دارد علی رغم همه معایب این آزمایش توان تحویل تا W 100 را به خروجی دارد.

 

 

 

 

 

 

 

 

معادله

پارامتر پیش بینی شده

 

حداکثر جریان کلکتور/ درین

 

حداکثر ولتاژ کلتکتور/ درین

 

اندوکتانس پیش بینی شده

 

شکل 6: رگولاتور Buck-Boost

 

 

فصل چهارم

رگولاتور سوییچینگ با ترانسفورمر ایزوله کننده :

تنها عامل ایزوله کننده در منابع غیر ایزوله سوییچ نیمه هادی است. و بنا به دلایلی از قبیل ولتاژ شکست نسبتاً پایین ، زمان MBTF نه خیلی طولانی ایزولاسیون خوبی را تامین نمی کنند. و اینها به خاطر عیب نیمه هادی نمی باشد بلکه بیشتر به خاطر شرایط تحمیلی کار است .

با بهره گیری از ترانسفورمر ایزوله کننده ، ایزولاسیون به کمک عایق سیمها و نوارهای عایق انجام می شود. در این حالت تا صدها و بیشتر ولتاژ تحمل وجود دارد .

حسن دیگر ترانسفورمر ایزوله کننده افزودن خروجیهای متعدد بدون نیاز به رگولاتور جداگانه است در اینجا هم توپولوژی های فلای بک و فوروارد وجود دارد. به علاوه ترانس می تواند به عنوان افزاینده یا کاهنده ولتاژ عمل کند.

رگولاتور فلای بک :

ساده ترین و کم قطعه ترین عضو خانواده منابع تغذیه سوییچینگ ، طرح فلای بک است و در محدوده بسیار وسیعی به کار می رود . کاملاً شبیه رگولاتور بوست است، بجز یک سیم پیچ اضافی روی القاگر آن این سیم پیچ علاوه بر ایزولاسیون قابلیتهای فراوانی راه هم به مدار می افزایند (شکل 7)

1 بیش از یک خروجی در یک تغذیه قابل تحصیل است.

2 خروجی می تواند مثبت یا منفی مستقل از سطح ورودی باشد.

3 ایزولاسیون الکتریکی بین ورودی و خروجی خیلی زیاد است .

عملکرد این رگولاتور ترکیبی از عملکرد رگولاتور های بوست و باک است. و در یک دوره کاری قابل تفسیر است. نخست هنگامی که سوییچ قدرت روشن است در این حالت با عبور جریان از اولیه ترانس ، ترانس انرژی دار میشود و سپس هنگامی که سوییچ خاموش می شود، با تخلیه انرژی در بار از مقدار انرژی کاسته می شود.

در اینجا هم اگر انرژی تا نیم دوره بعدی در هسته باقی بماند حالت کاری پیوسته و اگر نماند حالت ناپیوسته است .

هنگامی که سوییچ روشن است جریان خطی مثلثی با شیب    Vin/Lpri در اولیه به راه می افتد و تا هنگامی که سوییچ خاموش نشود ادامه می یابد.    VT ولتاژ اعمالی به ترانزیستور است . وقتی که ترانزیستور روشن است    VT برابر ولتاژ اشباع ترانزیستور، و هنگامی که سوییچ خاموش می شود این ولتاژ به مقدار  می رسد (به علاوه افت یک دیود و حالت گذرا Ringing) .

چرا که در این حالت هم دیود و هم سوییچ خاموش است . از اینجا جریان با شیب  کاهش می یابد . امکان خروج از رگولاسیون در حالت (حالت) ناپیوسته کاری وجود دارد.

عملکرد مدار فلای بک کمی پیچیده تر از فوروارد است ، ولی ریاضیات حاکم کماکان ساده است. علی رغم حالت فوروارد سیم پیچ اولیه و ثانویه هم فاز پیچیده نشده اند و جریان هم جهت به راه نمی افتد  لذا اولیه و ثانویه مانند القاگرهای ساده جداگانه می توانند تحلیل شوند.

در مورد ثانویه تحت ولتاژ ثابت بار خازن شارژ و دشارژ می شود، ظاهراً مانند منبع ولتاژ عمل میکند ولی بیشتر همانند منبع جریان می باشد (مقید به ولتاژ خازن خروجی)

                     

و به طور مشابه :

                    

انرژی وارده به القاگر :

           

که انرژی درونی هسته در هر چرخه است .

                     

حاصلضرب این مقدار در f فرکانس برابر انرژی کل می باشد (بر حسب وات)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

معادله

پارامتر پیش‌بینی شده

 

حداکثر جریان ، کلکتور/ درین

 

حداکثر ولتاژ ، کلتکتور / درین

 

اندوکتانس تقریبی اولیه

 

شکل 7: رگولاتور فلای بک.

به دلیل استفاده یکسو از منحنی B.H ترانس در مدار فلای بک ، هسته در جریانهای زیاد به اشباع می رود (در این حالت جریان ثانویه به نرمی به مقدار ثابتی میل می کند) هنگام کار با ولتاژ ورودی زیاد همراه با عرض پالس حداکثر و جریان بار زیاد مشکل حادتر می شود . اگر زمان مرده (زمان خاموشی ترانزیستور) خیلی کوتاه باشد هسته می تواند به اشباع برود. جهت پرهیز از چنین اشکالی طراحان با تجزیه از یک شکاف هوایی در هسته استفاده می کنند.

 

رگولاتور پوش پول Push-Pull :

شکل 8 آرایش مدار Push-Pull را نشان می دهد. این مدار مانند سایر رگولاتورهای فوروارد در خروجی به فیلتر L.C و buck مجهز است ، انرژی در هسته ذخیره نمی شود، و جریان در ثانویه همزمان با هدایت ترانزیستور مربوطه در اولیه به راه می افتد. ترانزیستور ها به صورت متوالی با یک زمان مرده (dead time) (این زمان که برای    BJT ، حدود 2 میکروثانیه و برای Modefet برابر 50 تا 400 ثانیه است، برای کسب اطمینان از خاموش شدن ترانزیستور ها از لحظه اعمال ولتاژ به گیت یا بیس تا توقف کامل عبور جریان از کلکتور یا درین لازم است ) کار هدایت جریان را بر عهده می گیرند.(در صورتی که زمان مرده کافی نباشد یک ترانزیستور هنگامی که ترانزیستور دیگر کاملاً خاموش نشده است روشن می شود و در این حالت عبور جریان بسیار زیاد از اولیه باعث آسیب دیدن ترانزیستور ها خواهد شد ) علی رغم اینکه سیم پیچ های اولیه و ثانویه در یک جهت پیچیده شده اند نحوه اتصالات به گونه ای است که جریان در جهت های عکس به صورت متوالی در اولیه به راه می افتد ، در این حالت از عنصر مغناطیسی به صورت متقارن استفاده می شود این شکل کارکرد مدار مزایایی زیر را به همراه دارد :

1.

2.

3.

اشکال اساسی و غیر قابل حل رگولاتور Push-Pull:

به دلیل اینکه هیچ دو ترانزیستوری یافت نمی شوند که مشخصاتشان کاملاً یکسان باشد، و عملاً پیچیدن دو نیمه اولیه به صورت کاملاً یکسان بسیار مشکل است ، مدار از کار متقارن حول منحنی B.H خارج می شود و این همه مشکل نیست .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

معادله

پارامتر پیش بینی شده

حداکثر جریان ، کلکتور/ درین

حداکثر ولتاژ ، کلکتور/ درین

شکل 8: رگولاتور: push-pull

I(induct)=

                                                (on)

                                                  Ipk- I(induct)=

                                                                                        (of)

مشکل اصلی هنگامی بروز می کند که کنترلر سعی در جبران D.C مدار هنگامی که بار با یک افزایش پله ای در جریان خروجی مواجه می شود بنماید. در این حالت هسته به اشباع می رود و هر گونه تلاشی در جهت افزایش توان تحویلی به بار بیهوده است و این کار به افزایش جریان عبوری ترانزیستور ها منجر می شود که در نهایت باعث بروز آسیب جدی به نیمه هادی می شود . اغلب طراحان با تجربه استفاده از آرایشهای نیمه پل و تمام پل را بر Push-Pull ترجیح می دهند.

 

رگولاتور نیم پل (Half-Bidge):

شکل دیگر مبدل به ترانسفورمر ایزوله آرایش نیم پل است . همان طور که در شکل 9 پیداست در اینجا تنها یک سیم پیچ اولیه داریم که در کوپلاژ با یک ترانسفورمر سر وسط افزاینده یا کاهنده قرار دارد. اولیه این ترانس توسط دو سوییچ قدرت متناوب به زمین یا Vin وصل می شود. سر دیگر اولیه به محل اتصال یک جفت خازن که تقریباً در ولتاژ   قرار دارد. متصل است . با اینکه تنها نصف ولتاژ Vin روی سیم پیچ اولیه می افتد، خطر اشباع وجود ندارد (تنها پیک Iin می تواند هسته را به اشباع بیندازد) به علاوه نیازی به مدارات کنترلی گران قیمت نمی باشد . یکی از اشکالات این منابع هدایت ترانزیستورها به ویژه ترانزیستور بالایی است و هدایت آنها به وسیله یک ترانسقور مر ایزوله انجام   می گیرد .

در محدوده W 150 تا W 500 این طرح بهترین انتخاب است کمتر از آن فلای بک از نظر قیمت ترجیح دارد بیشتر از آن هم قابلیت اطمینان این مدار کم است.

 

 

 

 

 

 

 

معادله

پارامتر پیش بینی شده

حداکثر جریان ، کلکتور/ درین

حداکثر ولتاژ ، کلکتور/ درین

شکل 9: رگولاتور نیم‌پل Half-Bidge

رگولاتور تمام پل (Full-Bridge):

آخرین آرایش مربوط به تمام پل است . در اینجا در مقایسه با نیم پل خازن ها جای خود را به یک جفت ترانزیستور داده اند و هر جفت ترانزیستور همزمان کار هدایت را بر عهده می گیرند.

به دلیل اینکه همه Vin روی سیم پیچ اولیه می افتد پیک جریان کمتری دارد. و توان عرضه به شکل قابل ملاحظه ای افزایش می یابد وجود خازن سری تعادل هسته را تامین می کند (این کار با حذف مؤلفه DC جریان انجام میگیرد) در اینجا هم مدار فرمان ترانزیستور ایزوله لازم است .

 

 

معادله

پارامتر پیش بینی شده

حداکثر جریان ، کلکتور/ درین

حداکثر ولتاژ ، کلکتور/ درین

شکل 10: رگولاتور تمام پل Full-Bridge.

 

کاربرد نیمه هادی های قدرت در منابع تغذیه سوییچینگ

کشف و ترویج نیمه هادی های قدرت در دهه 1930 نقطه عطفی در طرح منابع سوییچینگ به شمار می آید نیمه هادی ها مزایای فراوانی را در زمینه های سرعت اندازه وزن و راحتی استفاده … به طراح می دهند. علی رغم پیشرفت تکنولوژی نیمه هادی ها هنوز هم این بخش آسیب پذیرترین جزء در طرح تغذیه سوییچینگ می باشد. و لذا برای یک طرح خوب نه تنها نیاز به دانستن اطلاعات خوب و کافی از قطعات ضروری است بلکه شناخت نقاط ضعف نیز ضرورت دارد .

کاربرد نیمه هادی ها نقش بسیار بزرگی در قابلیت تحمل مدارات تغذیه سوییچینگ بر عهده دارد.

 

 

ترانزیستور قدرت دو قطبی BJT

این ترانزیستور ها از زمان ظهور نیمه هادی در منابع سوییچینگ به کار گرفته شدند. و هنوز هم طیف وسیعی از کاربرد را دارند. پیش از ساخت بهبود و استفاده از MOSFET های قدرت. اینها اجزای هدایت شونده با جریان هستند یعنی اینکه نیاز به هدایت جریان در بیس آنها برای جاری ساختن جریان از کلکتور به امیتر وجود دارد.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.

عناصر اصلی هر یک از انواع این منابع عبارتند از:

·

·

·

·

·

·

 

رگولاتور سوییچینگ حالت فوروارد

آرایش کلی منابع نوع فوروارد مطابق مدار شکل 1 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

 

 

شکل 2: رگولاتور حالت فلای بک و جهت جریانهایش.

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.

 

 

 

 

 

 

شکل 13: مروری بر مدار یک منبع تغذیه سوییچینگ نمونه.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 23: شکل موجهای نمونه.

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.

آسیب پذیرترین قسمت مدار اینجاست و اگر هر قسمت دیگری درست عمل نکند اولین جایی که آسیب می بیند این قسمت خواهد بود.

 

یکسوکننده خروجی:

وظیفه یکسوسازی ولتاژ خروجی را بر عهده دارد و در مواردی که بعداً بررسی می شود باید از دیودهای سریع و حتی خیلی سریع استفاده شود.

 

بخش فیلتر خروجی :

وظیفه ذخیره انرژی در زمان روشنی و ارائه آن را به بار در زمان خاموشی ترانزیستور بر عهده  دارد و مانند چرخ طیار انرژی را در زمان ON (روشن) تحویل گرفته و در هنگام off(خاموش) به بار تحویل می دهد. تقریباً 50% انرژی بیشتر از مقدار مورد نیاز بار در سلف و خازن ذخیره می شود.

 

 

 

عنصر حس کننده جریان :

روشی که در اینجا نشان داده شده است تنها یک راه حس جریان است، هدف تولید یک ولتاژ متناسب با جریان خروجی است سپس این ولتاژ تقویت شده و جهت کنترل جریان به هر روشی به کار می رود.

عنصر بازخورد ولتاژ:

از طریق یک شبکه تقسیم مقاومتی کسری از ولتاژ خروجی به تقویت کننده خطا جهت مقایسه با یک ولتاژ مبنا بوده می شود. روش حس ولتاژ خروجی به این راه محدود نمی شود، این راه  حلی معمولی است.

 

بخش کنترل :

وظایف اصلی این قسمت حول تولید پالس های PWM دریافت و اعمال بازخودروهای ولتاژ و جریان و راه اندازی نرم (بعضی از پارامترهای مهم در منابع تغذیه سوییچینگ بر مبنای Vout نامی طرح می شوند و هنگامی که Vout کم است امکان آسیب رسیدن به بخشهایی از مدار هست عبور از مرحله گذرا و نیل به حالت پایدار بدون آسیب دیدن هیچ قسمتی را راه اندازی نرم می نامند)، متمرکز شده است و از بخشهای:

مولد موج، مقایسه گر با پالس های ramp، تقویت کننده های خطا و مرجع ولتاژ… تشکیل یافته است.

انواع آرایشهای منابع تغذیه سوییچینگ

این منابع از اوایل  دهه 1970 همزمان با عرضه ترانزیستورهای قدرت مطرح شدند. تئوری های اولیه این منابع از سال 1930 تدوین شده بود. و به تدریج جهت روبرو شدن با نیازهای مختلف تکامل پیدا کرد. امروزه این گونه منابع در ابعاد مختلفی همانند: ولتاژ ورودی یا توان خروجی بالا و قیمت پایین… توسعه یافته اند.

 

عوامل مؤثر در انتخاب یک آرایش مناسب:

جهت انتخاب یک آرایش مناسب نیاز به شناخت آرایشهای مختلف تفاوتهای قابلیتها  و محدودیتهای آنها وجود دارد. پنج عامل متمایز کننده آرایشها به قرار زیر هستند:

حداکثر جریان اولیه که تعیین کننده حد تحمل نیمه هادی قدرت است.

مقدار ولتاژی که باید روی اولیه ترانس بیفتد (یا ولتاژ ورودی)

 بخشی از منحنی مغناطیسی P-H (مربوط به هسته ای که انرژی را به شکل مغناطیسی در خود ذخیره می کند) که این نشان دهنده آن است که کدام آرایش ترانسفروماتور کوچکتری را برای یک توان مشخص دارد.

 ایزولاسیون ورودی از بار که ایزولاسیون DC خروجی را از ورودی تأمین می کند و این اجازه را به طراح می دهد که خروجیهای متعددی را به راحتی اضافه می کند. همچنین بر حسب تقاضا می تواند جهت برآوردن نیازهای ایمنی به کار رود (این نیازمندیها توسط شرایط تحمیل می شوند)

قیمت و قابلیت اطمینان طراح همواره به دنبال طراحی با حداقل قطعه و هزینه بدون تأثیرگذاری سوء در عملکرد و یا بروز حالات ناخواسته است.

 در آغاز مرحله طراحی با توجه به یک سری فرضیات به طور تقریبی به سؤالات زیر باید پاسخ داد. بدین ترتیب در زمان و هزینه طرح وساخت صرفه جویی قابل ملاحظه ای می شود.

 انتخاب اولیه نیمه هادی قدرت

انتخاب اولیه بهترین آرایش ممکن

پیش بینی تقریبی تلفات در قطعه

امروزه صنایع روی چند طرح خاص متمرکز شده اند. شکل 14 محدوده تقریبی اینها را برای جریان حداکثر 20 آمپر نشان می دهد. عنصر (قطعه) سوییچ در اینجا BJT یا MOSFET قدرت است.

برای جریانهای بیش از این مقدار موارد متعددی را برای طرح PBC، سیمهای ارتباطی و… باید در نظر گرفت این منحنی ها برای منابع با ترانسفورماتور ایزوله رسم شده اند.

منابع غیر ایزوله اشکالات مصیبت باری دارند که طراحان با تجربه از آنها اجتناب می کنند. طرح فلای بک به دلیل سادگی و قیمت کم برای توان های خروجی کم (کمتر از 150W) مناسب است، متأسفانه جریان پیک ورودی آن در مقایسه  با نوع فوروارد بیشتر است. لذا برای توان های بیشتر کاملاً نامناسب می باشد.

برای طرحهای توان میانه (W100 تا W400) نیمه پل طرح برتر است که در مقایسه با فلای بک پیچیده تر و گرانتر است ولی جریان ورودی آن در مقایسه با فلای بک 2/1 تا 3/1 است. برای توان های بیش از W400 جریان ورودی خیلی  زیاد می شود و طرحهای فوق نامناسب می شوند. در این حالت حتی طرح نیمه پل هم نمی تواند مناسب باشد، طرح دیگری که برای توان های زیاد به کار می رود. طرح پوش پول است . هر چند که این طرح گران تمام می شود ولی در این حالت قیمت جزئی ترین چیزهاست.

 

 

 

 

فصل سوم

رگولاتورهای سوییچینگ فاقد ترانسفورماتور ایزوله کننده :

این منابع معمولاً هنگامی بکار می روند که ایزولاسیون توسط یک قطعه خارجی مانند یک ترانس Hz 60-50 تامین شده باشد مزیت عمده آنها سادگی می باشد. و از سوی طراحان با تجربه توصیه نمی شوند . و به سه گروه عمده زیر قابل تقسیم هستند:

buck کاهنده

boost افزاینده

bluck & boost معکوس کننده

هر مدار تنها یک ولتاژ بزرگتر یا کوچکتر و یا با پلاریته معکوس را می تواند تولید کند و این منابع محدودیتهای خاصی در ارتباط به خروجی و ورودی دارند.

1 رگولاتور Buck

ساده ترین ، آسانترین و در عین حال ابتدایی ترین آرامش ، مربوط به این نوع است که نقاط ضعف مربوط به خود را داراست . عملکرد آن بسیار شبیه عملکرد چرخ طیار و پیستون است .

سوییچ قدرت وظیفه احیاء انرژی موجود در القاگر و تامین انرژی بار را بر عهده دارد همچنین دیود منعکس کننده جریان بار هنگام خاموشی بر عهده می گیرد شکل 4 جریان و ولتاژها را نشان می دهد .

                   ولتاژ ورودی منهای ولتاژ اشباع سوییچ قدرت Vd (on)=Vin -Vsat

                                                  (افت ولتاژ مستقیم دیود) Vd(off) = -Vfwd

                                      Qon : I(induct) = Imin +

Qoff : I(induct) = Ipk -

 

جریان سلف شکل مثلثی دارد و برابر مجموع جریان دیود  ترانزیستور است. ولتاژ خروجی از رابطه  به دست می آید که کوچکتر یا مساوی ولتاژ ورودی است 0<(d.c)<100%

محدودیتها و معایب این گونه منابع متاثر از ساختار فیزیکی آنهاست .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 4:رگولاتور buck.

 

معایب رگولاتور Buck :

به منظور تثبیت خروجی لازم است که ولتاژ ورودی 1 تا 27 از ولتاژ خروجی بیشتر باشد .

هنگامی که سوییچ روشن می شود هنوز دیود روشن است که به آسیب دیدگی سوییچ و دیود منجر می شود (لذا باید از یک دیود سریع با    Trr حداقل استفاده شود)

به علاوه سوییچ های قدرت هنگام سوختن اتصال کوتاه می شوند که خروجی را با بار وصل می کنند (راه حل حس کردن تغییرات سریع جریان بار و انتقال آن به یک    SCR موازی است )

علی رغم تمامی معایب و محدودیتهایی که ذکر شد، در شرایط عادی این منابع توانایی تحویل بیش از W 1000 توان به خروجی را دارند.

معادله

پارامتر پیش بینی شده

حداکثر جریان ، کلکتور / درین

حداکثر ولتاژ، کلکتور / درین

اندوکتانس تقریبی

کنترل خروجی

2 رگولاتور افزاینده Boost :

این رگولاتور یکی از انواع رگولاتورهای فلای بک است که خروجی آن بزرگتر یا مساوی ورودی است . تعداد قطعات آن برابر تعداد قطعات رگولاتور buck بوده ولی آرایش آن نتفاوت می باشد و مطابق شکل 5 است . در اینجا با روشن شدن سوییچ ولتاژ به مقداری بیشتر از ولتاژ ورودی افزایش یافته و در این حالت دیود کار یکسو سازی و تحویل ولتاژ به بار را بر عهده می گیرد.

در این حالت کاری D.C به 50% محدود می شود چرا که هسته نیاز زمان کافی جهت تحویل انرژی خود به بار است .

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 5 : رگولاتور boost.

معادله

پارامتر پیش بینی شده

 

حداکثر جریان، کلکتور / درین

 

حداکثر ولتاژ ، کلکتور / درین

 

اندوکتانس پیش بینی شده

 

 

دو حالت کاری پیوسته و غیر پیوسته برای این رگولاتور قابل ذکر است تمایز این دو حالت این است که انرژی القاگر به صفر می رسد یا نه . سوال اساسی در طرح این رگولاتور این است که آیا القاگر می تواند انرژی مورد نیاز بار تامین کند یا نه . این سوال با دانستن روابط حاکم پاسخ داده می شود. مقدار انرژی ذخیره شده در هسته در طی هر دوره کاری سوییچ قدرت :

(الف 1-4)                    

توان متوسط تحویلی به بار برابر :

(ب 1-4)                           

که f فرکانس کاری منبع می باشد. Pout باید از حداکثر توان مورد نیاز بیشتر باشد وگرنه از رگولاسیون خارج می شویم .

حداکثر جریان دیود Ipk برابر است با :

(ج 1-4)                 

 

کاهش L موجب افزایش Ipk شده (این کار نباید آن قدر ادامه یابد که منجر به اتصال کوتاه گردد) عامل دیگر Ton است ک افزایش آن Ipk را افزایش می دهد. (اما نه آنقدر که به دوره بعدی وارد شویم ) .

این آرایش تقریباً تا 2 برابر جریان حالت فوروارد کار می کند، در این حالت به    D.C  برابر 50% محدود میشویم و در این حالت توان خارجی به W 150 محدود می شود چرا که فشار بر نیمه های قدرت زیاد می گردد.

همانند سایر رگولاتور های فاقد ترانسفورمر ایزوله این توپولوژی هم نقاط ضعف فراوانی دارد. به ویژه در ارتباط با بار و حالات خطرناک گذرا.  هر گونه تموج ولتاژ ورودی به خروجی انتقال خواهد یافت . استفاده از ترانسفور ماتور ایزوله طیف وسیعی از اشکالات را برطرف خواهد نمود .

 

3 رگولاتور Buck –Boost :

این نوعی از رگولاتور فلای بک است که عملکرد آن خیلی به عملکرد رگولاتور Boost شبیه است.

به علاوه به عنوان یک رگولاتور معکوس کننده هم شناخته می شود. تفاوت موجود میان رگولاتور Boost و Buck/Boost همان طور که در شکل 6 پیداست تعویض جایگاه القاگر و سوییچ قدرت است .

همانند رگولاتور Boost القاگر انرژی را ذخیره می کند. مادامی که سوییچ قدرت روشن است انرژی ذخیره شده سپس از طریق یکسو ساز به زمین تخلیه میشود . که نتیجه  ولتاژ منفی است ، و مقدار آن به وسیله    D.C سوییچ قدرت تعیین می گردد.

D.C  این رگولاتور به ویژه هنگامی که نیاز به تخلیه انرژی هسته  است به 50 % محدود می شود معادلات مربوط به انرژی و هسته درست همانند رگولاتور    Boost است.

 اشکالی که وجود دارد این است که هر گونه تموج ولتاژ به نیمه های قدرت آسیب می رساند راه حلی شبیه حالت قبل در اینجا وجود دارد علی رغم همه معایب این آزمایش توان تحویل تا W 100 را به خروجی دارد.

 

 

 

 

 

 

 

 

معادله

پارامتر پیش بینی شده

 

حداکثر جریان کلکتور/ درین

 

حداکثر ولتاژ کلتکتور/ درین

 

اندوکتانس پیش بینی شده

 

شکل 6: رگولاتور Buck-Boost

 

 

فصل چهارم

رگولاتور سوییچینگ با ترانسفورمر ایزوله کننده :

تنها عامل ایزوله کننده در منابع غیر ایزوله سوییچ نیمه هادی است. و بنا به دلایلی از قبیل ولتاژ شکست نسبتاً پایین ، زمان MBTF نه خیلی طولانی ایزولاسیون خوبی را تامین نمی کنند. و اینها به خاطر عیب نیمه هادی نمی باشد بلکه بیشتر به خاطر شرایط تحمیلی کار است .

با بهره گیری از ترانسفورمر ایزوله کننده ، ایزولاسیون به کمک عایق سیمها و نوارهای عایق انجام می شود. در این حالت تا صدها و بیشتر ولتاژ تحمل وجود دارد .

حسن دیگر ترانسفورمر ایزوله کننده افزودن خروجیهای متعدد بدون نیاز به رگولاتور جداگانه است در اینجا هم توپولوژی های فلای بک و فوروارد وجود دارد. به علاوه ترانس می تواند به عنوان افزاینده یا کاهنده ولتاژ عمل کند.

رگولاتور فلای بک :

ساده ترین و کم قطعه ترین عضو خانواده منابع تغذیه سوییچینگ ، طرح فلای بک است و در محدوده بسیار وسیعی به کار می رود . کاملاً شبیه رگولاتور بوست است، بجز یک سیم پیچ اضافی روی القاگر آن این سیم پیچ علاوه بر ایزولاسیون قابلیتهای فراوانی راه هم به مدار می افزایند (شکل 7)

1 بیش از یک خروجی در یک تغذیه قابل تحصیل است.

2 خروجی می تواند مثبت یا منفی مستقل از سطح ورودی باشد.

3 ایزولاسیون الکتریکی بین ورودی و خروجی خیلی زیاد است .

عملکرد این رگولاتور ترکیبی از عملکرد رگولاتور های بوست و باک است. و در یک دوره کاری قابل تفسیر است. نخست هنگامی که سوییچ قدرت روشن است در این حالت با عبور جریان از اولیه ترانس ، ترانس انرژی دار میشود و سپس هنگامی که سوییچ خاموش می شود، با تخلیه انرژی در بار از مقدار انرژی کاسته می شود.

در اینجا هم اگر انرژی تا نیم دوره بعدی در هسته باقی بماند حالت کاری پیوسته و اگر نماند حالت ناپیوسته است .

هنگامی که سوییچ روشن است جریان خطی مثلثی با شیب    Vin/Lpri در اولیه به راه می افتد و تا هنگامی که سوییچ خاموش نشود ادامه می یابد.    VT ولتاژ اعمالی به ترانزیستور است . وقتی که ترانزیستور روشن است    VT برابر ولتاژ اشباع ترانزیستور، و هنگامی که سوییچ خاموش می شود این ولتاژ به مقدار  می رسد (به علاوه افت یک دیود و حالت گذرا Ringing) .

چرا که در این حالت هم دیود و هم سوییچ خاموش است . از اینجا جریان با شیب  کاهش می یابد . امکان خروج از رگولاسیون در حالت (حالت) ناپیوسته کاری وجود دارد.

عملکرد مدار فلای بک کمی پیچیده تر از فوروارد است ، ولی ریاضیات حاکم کماکان ساده است. علی رغم حالت فوروارد سیم پیچ اولیه و ثانویه هم فاز پیچیده نشده اند و جریان هم جهت به راه نمی افتد  لذا اولیه و ثانویه مانند القاگرهای ساده جداگانه می توانند تحلیل شوند.

در مورد ثانویه تحت ولتاژ ثابت بار خازن شارژ و دشارژ می شود، ظاهراً مانند منبع ولتاژ عمل میکند ولی بیشتر همانند منبع جریان می باشد (مقید به ولتاژ خازن خروجی)

                     

و به طور مشابه :

                    

انرژی وارده به القاگر :

           

که انرژی درونی هسته در هر چرخه است .

                     

حاصلضرب این مقدار در f فرکانس برابر انرژی کل می باشد (بر حسب وات)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

معادله

پارامتر پیش‌بینی شده

 

حداکثر جریان ، کلکتور/ درین

 

حداکثر ولتاژ ، کلتکتور / درین

 

اندوکتانس تقریبی اولیه

 

شکل 7: رگولاتور فلای بک.

به دلیل استفاده یکسو از منحنی B.H ترانس در مدار فلای بک ، هسته در جریانهای زیاد به اشباع می رود (در این حالت جریان ثانویه به نرمی به مقدار ثابتی میل می کند) هنگام کار با ولتاژ ورودی زیاد همراه با عرض پالس حداکثر و جریان بار زیاد مشکل حادتر می شود . اگر زمان مرده (زمان خاموشی ترانزیستور) خیلی کوتاه باشد هسته می تواند به اشباع برود. جهت پرهیز از چنین اشکالی طراحان با تجزیه از یک شکاف هوایی در هسته استفاده می کنند.

 

رگولاتور پوش پول Push-Pull :

شکل 8 آرایش مدار Push-Pull را نشان می دهد. این مدار مانند سایر رگولاتورهای فوروارد در خروجی به فیلتر L.C و buck مجهز است ، انرژی در هسته ذخیره نمی شود، و جریان در ثانویه همزمان با هدایت ترانزیستور مربوطه در اولیه به راه می افتد. ترانزیستور ها به صورت متوالی با یک زمان مرده (dead time) (این زمان که برای    BJT ، حدود 2 میکروثانیه و برای Modefet برابر 50 تا 400 ثانیه است، برای کسب اطمینان از خاموش شدن ترانزیستور ها از لحظه اعمال ولتاژ به گیت یا بیس تا توقف کامل عبور جریان از کلکتور یا درین لازم است ) کار هدایت جریان را بر عهده می گیرند.(در صورتی که زمان مرده کافی نباشد یک ترانزیستور هنگامی که ترانزیستور دیگر کاملاً خاموش نشده است روشن می شود و در این حالت عبور جریان بسیار زیاد از اولیه باعث آسیب دیدن ترانزیستور ها خواهد شد ) علی رغم اینکه سیم پیچ های اولیه و ثانویه در یک جهت پیچیده شده اند نحوه اتصالات به گونه ای است که جریان در جهت های عکس به صورت متوالی در اولیه به راه می افتد ، در این حالت از عنصر مغناطیسی به صورت متقارن استفاده می شود این شکل کارکرد مدار مزایایی زیر را به همراه دارد :

1.

2.

3.

اشکال اساسی و غیر قابل حل رگولاتور Push-Pull:

به دلیل اینکه هیچ دو ترانزیستوری یافت نمی شوند که مشخصاتشان کاملاً یکسان باشد، و عملاً پیچیدن دو نیمه اولیه به صورت کاملاً یکسان بسیار مشکل است ، مدار از کار متقارن حول منحنی B.H خارج می شود و این همه مشکل نیست .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

معادله

پارامتر پیش بینی شده

حداکثر جریان ، کلکتور/ درین

حداکثر ولتاژ ، کلکتور/ درین

شکل 8: رگولاتور: push-pull

I(induct)=

                                                (on)

                                                  Ipk- I(induct)=

                                                                                        (of)

مشکل اصلی هنگامی بروز می کند که کنترلر سعی در جبران D.C مدار هنگامی که بار با یک افزایش پله ای در جریان خروجی مواجه می شود بنماید. در این حالت هسته به اشباع می رود و هر گونه تلاشی در جهت افزایش توان تحویلی به بار بیهوده است و این کار به افزایش جریان عبوری ترانزیستور ها منجر می شود که در نهایت باعث بروز آسیب جدی به نیمه هادی می شود . اغلب طراحان با تجربه استفاده از آرایشهای نیمه پل و تمام پل را بر Push-Pull ترجیح می دهند.

 

رگولاتور نیم پل (Half-Bidge):

شکل دیگر مبدل به ترانسفورمر ایزوله آرایش نیم پل است . همان طور که در شکل 9 پیداست در اینجا تنها یک سیم پیچ اولیه داریم که در کوپلاژ با یک ترانسفورمر سر وسط افزاینده یا کاهنده قرار دارد. اولیه این ترانس توسط دو سوییچ قدرت متناوب به زمین یا Vin وصل می شود. سر دیگر اولیه به محل اتصال یک جفت خازن که تقریباً در ولتاژ   قرار دارد. متصل است . با اینکه تنها نصف ولتاژ Vin روی سیم پیچ اولیه می افتد، خطر اشباع وجود ندارد (تنها پیک Iin می تواند هسته را به اشباع بیندازد) به علاوه نیازی به مدارات کنترلی گران قیمت نمی باشد . یکی از اشکالات این منابع هدایت ترانزیستورها به ویژه ترانزیستور بالایی است و هدایت آنها به وسیله یک ترانسقور مر ایزوله انجام   می گیرد .

در محدوده W 150 تا W 500 این طرح بهترین انتخاب است کمتر از آن فلای بک از نظر قیمت ترجیح دارد بیشتر از آن هم قابلیت اطمینان این مدار کم است.

 

 

 

 

 

 

 

معادله

پارامتر پیش بینی شده

حداکثر جریان ، کلکتور/ درین

حداکثر ولتاژ ، کلکتور/ درین

شکل 9: رگولاتور نیم‌پل Half-Bidge

رگولاتور تمام پل (Full-Bridge):

آخرین آرایش مربوط به تمام پل است . در اینجا در مقایسه با نیم پل خازن ها جای خود را به یک جفت ترانزیستور داده اند و هر جفت ترانزیستور همزمان کار هدایت را بر عهده می گیرند.

به دلیل اینکه همه Vin روی سیم پیچ اولیه می افتد پیک جریان کمتری دارد. و توان عرضه به شکل قابل ملاحظه ای افزایش می یابد وجود خازن سری تعادل هسته را تامین می کند (این کار با حذف مؤلفه DC جریان انجام میگیرد) در اینجا هم مدار فرمان ترانزیستور ایزوله لازم است .

 

 

معادله

پارامتر پیش بینی شده

حداکثر جریان ، کلکتور/ درین

حداکثر ولتاژ ، کلکتور/ درین

شکل 10: رگولاتور تمام پل Full-Bridge.

 

کاربرد نیمه هادی های قدرت در منابع تغذیه سوییچینگ

کشف و ترویج نیمه هادی های قدرت در دهه 1930 نقطه عطفی در طرح منابع سوییچینگ به شمار می آید نیمه هادی ها مزایای فراوانی را در زمینه های سرعت اندازه وزن و راحتی استفاده … به طراح می دهند. علی رغم پیشرفت تکنولوژی نیمه هادی ها هنوز هم این بخش آسیب پذیرترین جزء در طرح تغذیه سوییچینگ می باشد. و لذا برای یک طرح خوب نه تنها نیاز به دانستن اطلاعات خوب و کافی از قطعات ضروری است بلکه شناخت نقاط ضعف نیز ضرورت دارد .

کاربرد نیمه هادی ها نقش بسیار بزرگی در قابلیت تحمل مدارات تغذیه سوییچینگ بر عهده دارد.

 

 

ترانزیستور قدرت دو قطبی BJT

این ترانزیستور ها از زمان ظهور نیمه هادی در منابع سوییچینگ به کار گرفته شدند. و هنوز هم طیف وسیعی از کاربرد را دارند. پیش از ساخت بهبود و استفاده از MOSFET های قدرت. اینها اجزای هدایت شونده با جریان هستند یعنی اینکه نیاز به هدایت جریان در بیس آنها برای جاری ساختن جریان از کلکتور به امیتر وجود دارد.