بخشی از مقاله
خلاصه:
این مقاله به طراحی یک منبع تغذیه سوئیچینگ با استفاده از مناسب ترین آی سی برای مدار PFC می پردازد. ابتدا یک مبدل Flyback با استفاده از آی سی TDA4863 را در نظر گرفته سپس به بیان روابط جهت تعیین مقادیر پارامتر های مدار پرداخته سپس با بیان آی سی های مختلفی که در این قسمت می تواند کار کند و همچنین بیان تفاوت های آنان، بهترین آنان را L6562 تشخیص داده و با طراحی یک مدار منبع تغذیه سوئیچینگ 30W با استفاده از آی سی L6562 توانسته ضریب قدرتی نزدیک به ضریب قدرت واحد و همچنین راندمانی بیش از 93 درصد به ازای بارهای مختلف و ولتاژ های مختلف ورودی بدست آورد. در ضمن آی سی L6562 دارای مداری اضافی جهت کاهش مجموع مولفه های هارمونیکی می باشد، که باعث کاهش قابل توجه THD مبدل فوق الذکر شده است.
- 1 مقدمه
منابع تغذیه جهت فراهم کردن ولتاژ DC از ولتاژ AC برق شهر استفاده می شوند. از آنجایی که استفاده از منابع تغذیه در زندگی روزمره بسیار زیاد شده است، تحقیق و پیشرفت در این زمینه ضرورت پیدا می کند. منابع تغذیه اولیه به منابع تغذیه خطی معروف می باشد و مزیت هایی چون سادگی مدار، پایداری بالا و نوسان کم در خروجی را می توان برای آن برشمرد ولی معایب آن باعث شد که به دنبال نوع دیگری باشیم، معایبی از قبیل بازده کم، حجم و وزن زیاد، محدود بودن ولتاژ ورودی و نیاز به وسایل هیت سینگ زیاد را می توان برای منابع تغذیه خطی نام برد
بعد از منابع تغذیه خطی، در سال 1970 منابع تغذیه سوئیچینگ اختراع شدند . این منابع به دلیل مزایایی که دارند بسیار سریع جای منابع تغذیه خطی را گرفتند و پیشرفت های چشمگیری نیز کرده است. از جمله مزایای منابع تغذیه سوئیچینگ راندمان بسیار بالا، حجم و وزن کم، محدوده دینامیکی بسیار بالا در ورودی، کنترل آسان خروجی با استفاده از قابلیت های مدارات مجتمع می باشد.
تحقیقات فعلی به دنبال کاهش حجم با استفاده از کوچک کردن ترانس و افزایش راندمان و بهبود ضریب قدرت وکاهش هارمونیک ها می باشند.[3] این مقاله نیز ابتدا یک مبدل PFC با استفاده از توپولوژی Flyback و آی سی TDA4863 را در نظر گرفته سپس به بیان روابط جهت تعیین مقادیر پارامتر های مدار می پردازد و سپس با بررسی و مقایسه جزئیات آی سی های مختلف، بهترین آنان را انتخاب نموده و مدار مربوطه را اصلاح و پارامتر های آن را با توجه به روابط ارائه شده در قسمت های قبلی محاسبه نموده و نتایج حاکی از ضریب قدرت بالا نزدیک به واحد و راندمان بالا و مجموع مولفه هارمونیکی پایین می باشد.
- 2 طراحی مدار
در این بخش به بیان روابط اساسی مورد نیاز برای طراحی یک مدار اصلاح ضریب قدرت - PFC - براساس توپولوژی Flyback با استفاده از TDA4863 همانگونه که در شکل - 1 - نشان می دهد، می پردازد. در ادامه به قسمت های ولتاژ ورودی و خروجی و همچنین به طراحی سلف می پردازیم. اساسی ترین اطلاعات مدار فوق الذکر شامل محدوده ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی، میزان حفاظت اضافه ولتاژ - OVP - و پایین ترین فرکانس سوئیچ زنی ممکن برای عملکرد مدار می باشد. در ادامه به روابط مورد نیاز هر قسمت اشاره می کنیم.
شکل : - 1 - مبدل PFC بر اساس توپولوژی .[4]Flyback
- پل یکسوساز حداکثر جریان ورودی در توان خروجی، در حداقل ولتاژ ورودی رخ می دهد و به صورت زیر محاسبه می گردد.
با توجه به مقدار جریان بدست آمده یک پل یکسوساز با قابلیت جریان iinpkmax یا بالاتر از آن مناسب می باشد.
- سلف اولیه ترانسفورماتور
اندوکتانس L1 با توجه به شکل - 1 - به گونه ای محاسبه شده است که پالس فرکانس در شرایط ماکزیمم ولتاژ پیک ورودی و توان دو برابر توان خروجی نامی و همچنین در حداقل پیک ولتاژ ورودی، بیشتر از 25KHZ شود. یعنی:
- تنظیم و محدودیت های ولتاژ خروجی ولتاژ خروجی و همچنین سطح حفاظت اضافه ولتاژ با تقسیم ولتاژ مقاومت های درون کنترلر در شکل - 1 - می توان تنظیم کرد.
با ولتاژ مرجع Vref 2.5V ، مقدار جریان تنظیم 40 A می باشد که از اضافه ولتاژ محافظت می کند.
- ورودی ضرب کننده - تنظیم کننده خط -
سیگنال ورودی به پین 3 در TDA4863 می بایست که به شکل سینوسی در بیاید. این ورودی یک ضرب کننده داخلی با ولتاژ خطای تقویت کننده خروجی از آی سی می باشد. حاصل آن یک سطح مرجع می باشد تا با جریان سنس شده مقایسه شود که در نتیجه ی آن آی-سی سطح خاموش کردن سوئیچ قدرت را ببیند. سیگنال ورودی از تقسیم ولتاژ روی مقاومت های R3 و R4 مطابق با شکل - 1 - می باشد و باید بین 1 تا 4 ولت محدود گردد .معمولاً - - R1 بعنوان مقاومت بالای تقسیم ولتاژ می باشدکه به دو مقاومت با مقدار تقریباً مشابه تقسیم شده اند و این کار به دلیل استرس بالای ولتاژ می باشد و رابطه ی آن به قرار زیر است:
معمولاً مقاومت پایین R2 را آزدانه انتخاب می کنند سپس مقاومت بالا از رابطه - - 7 بدست می آید. بهتر است که یکی حاشیه اطمینان کوچکی از محدوده ی 4 ولت در ورودی ضرب کننده را در نظر بگیریم.
- آشکارساز و تغذیه آی سی یک سیم پیچ سوم بعنوان سیم پیچ آشکارساز در روی هسته قرارداده شده است تا یک تصویری از ولتاژ تخلیه با نسبت زیر آماده می کند.
می بایست نسبت تبدیل را چنان تنظیم کرد که VZCD در حدود 22V تا 24V می باشد.
- مقاومت شنت یا مقاومت حسگر
حداکثر جریان سنس شده ولتاژی در حدود VISENSEM 1.0V می باشد که مقاومت شنت R5 باید طوری محاسبه گردد تا حداکثر جریان را درون سلف جاری کند. این گفته ها را در معادله زیر مشاهده می نمائید.
-3 تغییر طراحی از TDA4863 به دیگر آی سی ها
طیف گسترده ای از آی سی ها در کنترلرهای PFC در حالت شرایط گسسته - ناپیوسته - وجود دارد. بسیاری از آنها حتی پین های مشابه دارند. با این وجود هنوز هم سعی و تلاش در تغییر و بهبود آی سی کنترل کننده وجود دارد. در ادامه این قسمت، مهمترین تفاوت های پین ها و تشابه آنها با آی سی های دیگر در نحوه ی کار و طراحی بیان می شود.
الف- جایگزینی TDA4862 با TDA4863
سه مورد اول جدول - 1 - برای راه اندازی مدار PFC و بازده کلی مدار بسیار مهم است. زمان راه اندازی توسط سطح آستانه روشن شدن VCC و مقدار مقاومت راه انداز R6 تعیین می شود. با اینکه سطح آستانه روشن شدن TDA4863 بیشتر است اما زمان راه اندازی مطمئناً در همان محدوده ی قبلی می باشد البته تا زمانی که از مقاومت راه انداز مشابه استفاده شود. جریان مصرفی در طی راه اندازی با استفاده از TDA4863 به مراتب کمتر از TDA4862 است و در نتیجه جریان بیشتری جهت شارژ خازن الکترولیتی برای تغذیه آی-سی در دسترس استجریان. راه اندازی را معمولاً با استفاده از یک مقاومت راه انداز تنظیم می کنیم و باعث اثر در کل مدار می شود یک جریان راه اندازی بالا باعث کاهش قابل توجه راندمان سیستم در زیر بار کم خواهد شد. برای TDA4863 مقاومت راه انداز 220. و حتی بالاتر از آن مناسب است. TDA4863 جریان تنظیم OVP، بالاتری دارد و این بدین معنی می باشد که تقسیم ولتاژ خروجی - روابط - 5 - و - - 6 - بایستی دوباره انجام گردد و مقاومت شنت نیز مطابق با رابطه - 11 - نیز باید دوباره محاسبه گردد.
ب- جایگزینی L6561 با TDA4863
بطور کلی هر دو آی سی دارای اجزای کلی بسیار مشابه هم هستند با این وجود هنوز هم تفاوت هایی دارد که باعث تغییر در طراحی می-شود. آن تفاوت ها را در جدول - 1 - لیست نموده ایم.
یک مورد دیگر محدوده رنج ورودی ضرب کننده است که کمی کوچکتر می باشد اثر این مورد در R3 و R4 در شکل - 1 - می باشد. مورد مهم دیگر در مدار محدودیت آستانه جریان است که در L6561 حدود 1.7 ولت می باشد این منجر به تغییر در مقاومت شنت می-گردد. و از آنجا که کار حفاظت اضافه ولتاژ برای هر دوی آنها مشابه می باشد و با همان آستانه می باشد با اعمال تغییرات گفته شده L6561 نیز باید خوب کار کند.
پ- جایگزین FAN7527 با TDA4863
این قسمت بسیار شبیه به L6561 می باشد. بنابراین باید رنج ورودی ضرب کننده و آستانه جریان سنس شده را باید دوباره مورد توجه قرار داد. رنج ولتاژ ورودی ضرب کننده به اندازه کافی شبیه به TDA4863 می باشد. طوری که تقسیم ولتاژ گفته شده - روابط - 5 - و - - 6 - نیاز به دوباره محاسبه شدن ندارد. اما مقاومت شنت با جریان آستانه سنس شده VISENSEM 1.0V نیاز به طراحی مجدد می باشد. باید توجه داشت که FAN7527 یک تلرانس بزرگتر در رابطه با آستانه جریان سنس شده و محدوده ی حفاظت اضافه ولتاژ دارد. از این رو هر سیستمی که با TDA4863 اجرا خواهد شد بیشتر قابل اعتماد است.
ت- جایگزینی MC33261 با TDA4863
سه مورد اول جدول - 1 - برای راه اندازی مدار PFC و راندمان سیستم بسیار مهم است. زمان راه اندازی با آستانه روشن شدن VCC با مقاومت راه انداز R6 تعریف می شود اگرچه آستانه روشن شدن VCC در TDA4863 بالاتر است اما مانز راه اندازی مطمئناً کوتاه تر است زیرا که جریان مصرفی در حین راه اندازی بطور قابل توجهی پایین است در نتیجه جریان بیشتری جهت شارژ خازن الکترولیتی برای تغذیه آی سی در دسترس است
رنج ورودی ضرب کننده معمولاً مشابه با L6561 می باشد. اما حداقل رنج آن 0 تا 2.5 ولت ضروری می باشد . اثر این یک تغییر در تقسیم ولتاژ ورودی ضرب کننده رابطه - - 7 می باشد. جهت یک محدوده دقیق توان خروجی یک تکرار مقاومت شنت نیز پیشنهاد می شود. طبق دیتا شیت MC33261 نشانی از محافظت در برابر اضافه ولتاژ دیده نمی شود. بنابراین تقسیم ولتاژ خروجی باید دوباره طراحی گردد تا پیش بینی سطح حفاظت بدست آید.
ث- جایگزینی MC33262 با TDA4863
اصول اولیه رفتار راه اندازی آن بسیار شبیه به MC33261 می شود اما آستانه روشن شدن VCC حتی از TDA4863 بالاتر است. بنابراین همان مسائلی که برای MC33261 در نظر گرفته شد باید در نظر گرفت. با این حال، MC33262 شامل یک حفاظت از اضافه ولتاژ است اما آن قابل تنظیم نیست و روی سطح %8 بیشتر از ولتاژ ثابت شده است. این بدان معنی است که سیستم های MC33262 تقسیم ولتاژهای خروجی، سیستم را در برابر اضافه ولتاژ محافظت نمی کند. از این رو، تقسیم ولتاژ خروجی باید دوباره محاسبه گردد.
