تحقیق در مورد منبع تغذیه

بخشی از مقاله

منبع تغذیه

1: مروري بر منابع تغذیه
1-1: دلیل انتخاب SMPS و مقایسه آن با منابع تغذیه خطی
2-1: چگونگی تنظیم خروجی در SMPS
3-1: يك نمونه SMPS داراي چه مشخصاتي است؟
4-1: کاربرد دیگر SMPS ها به عنوان اینورتر یا UPS
5-1: انواع مختلف منبع تغذیه سوئیچینگ
2: روشهای کنترل در منابع تغذیه
1-2: کنترل شده حالت ولتاژ
2-2: کنترل شده حالت جریان
3: قطعات یک منبع تغذیه سوئیچینگ
1-3: هسته و سیم پیچ
2-3: ترانزیستور
3-3: MOSFET هاي قدرت
4-3: يكسوكننده ها
5-3: خازنها
منابع

منابع تغذیه

مقدمه
بعضی از تجهیزات الکترونیکی نیاز به منابع تغذیه با ولتاژ و جریان بالا دارند. بدین منظور باید ولتاژ AC شهر توسط ترانسفورماتور کاهنده به ولتاژ پایینتر تبدیل و سپس یکسوسازی شده و به وسیله خازن و سلف صاف و DC شود.

تا سال 1972 ، منابع تغذیه خطی برای بیشتر دستگاههای الکترونیکی مناسب بودند. اما با توسعه کاربرد مدارهای مجتمع ، لازم شد که خروجی این مدارها در برابر تغییرات جریان و یا ولتاژ شبکه برق بیشتر تثبیت گردد. آی سی های خانواده TTL به ولتاژ کاملا تثبیت شده 5V احتیاج دارند. به منظور بدست آوردن ولتاژ ثابت تر، یک سیستم کنترل فیدبک در آی سی ها ی تثبیت کننده به کار برده می شود. تا سال 1975 ، آی سی های موجود مثل 723 و CA3085 قادر به تثبیت ولتاژ ثابت مورد نظر نمونه برداری می کردند. این منابع، منابع تغذیه تثبیت شده خطی نامیده می شد.

امروزه تراشه های یکپارچه تنظیم ولتاژ برای جریانهای تا 5A در دسترس می باشد. این تراشه ها مناسب می باشند. اما راندمانی زیر 50% دارند و تلفات حرارتی آنها در بار کامل زیاد است.

منابع تغذیه سوئیچینگ دارای راندمان بالایی می باشند. این منابع در سال 1970 هنگامی که ترانزیستورهای سوئیچینگ سرعت بالا با ظرفیت زیاد در دسترس قرار گرفت، ابداع شدند. ولتاژ خروجی منابع تغذیه سوئیچینگ به وسیله تغییر چرخه کار (Duty Cycle) یا فرکانس سیگنال ترانزیستورهای کلید زنی کنترل می شود. البته می توان با تغییر هم زمان هر دوی آنها نیز ولتاژ خروجی را کنترل نمود.

یک منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) شامل منطق کنترل (Control Logic) و نوسان ساز می باشد. نوسان ساز سبب قطع و وصل عنصر کنترل کننده (Control Element) می گردد. عنصر کنترل کننده معمولا یک ترانزیستور کلید زنی ، یک سلف و یک دیود می باشد. انرژی ذخیره شده در سلف با ولتاژ مناسب به بار واگذار می شود، با تغییر چرخه کار یا فرکانس کلید زنی، می توان انرژی ذخیره شده در هر سیکل و در نتیجه ولتاژ خروجی را کنترل نمود. با قطع و وصل ترانزیستور کلیدزنی ، عبور انرژی انجام و یا متوقف می شود. اما انرژی در ترانزیستور تلف نمی شود. با توجه به اینکه فقط انرژی مورد نیاز برای داشتن ولتاژ خروجی با جریان مورد نظر، کشیده می شودع راندمان بالایی بدست می آید. انرژی به صورت مقطعی تزریق می شود. اما ولتاژ خروجی به وسیله ذخیره خازنی ثابت باقی می ماند.

1

1-1: دلیل انتخاب SMPS و مقایسه آن با منابع تغذیه خطی:
انتخاب بين يك منبع تغذيه خطي يا سوئیچینگ مي تواند بر اساس كاربرد آنها انجام مي شود. هر يك مشخصات، مزايا و معايب خاص خود را دارند، همچنين حوزه هاي متعددي وجود دارد كه تنها يكي از اين دو نوع مي تواند مورد استفاده قرار گيرند و يا كاربردهايي كه يكي از بر ديگري برتري دارد.
مزاياي منابع تغذيه خطي:

1- نخست سادگي (طرح مدار بسيار ساده است و با قطعات كمي به راحتي اجرا مي شود).
2- دوم قابليت تحمل بار زياد نويز ناچيز يا كم در خروجي و زمان پاسخ دهي بسيار كوتاه.
3- براي توان هاي كمتر از 10W ارزانتر از مدارهاي مشابه سوئیچینگ مي شود.

معايب منابع تغذيه خطي:
1- تنها به صورت رگولاتور كاهنده قابل كاربرد هستند(ورودي حداقل بايد 2 تا 3 ولت از خروجي بيشتر باشد).
2- عدم انعطاف پذيري تغذيه، افزودن هر خروجي مستلزم اضافه كردن سخت افزار زيادي است.
3- بهره متوسط چنين منابعي كم و نوعا 30% تا 40% است. اين تلفات توان در ترانزيستور خروجي توليد حرارت مي كند و نياز به ترانزيستور قوي تر را مطرح مي كند،در توانهاي كمي بالا نياز به گرماگير بر روي ترانزيستورها دارد.

تمامي اين معايب در منابع تغذيه هاي سوئیچینگ رفع شده است:
1- افزايش راندمان به حدود 68% تا 90% كاركرد ترانزيستور در نواحي قطع و اشباع به انتخاب حرارت گير يا خنك كننده و ترانزيستور كوچكتر منجر شده است.
2- به دليل اينكه قدرت خروجي از يك ولتاژ DC بريده شده كه به شكل AC در يك قطعه مغناطيسي ذخيره مي شود، تامين مي گردد. لذا با اضافه كردن تنها يك سيم پيچ مي توان خروجي ديگري را بدست آورد، كه در مقام مقايسه بسيار ارزانتر و ساده تر تمام مي شود.

به علاوه به دليل افزايش فركانس كاري به حدود 15KHz تا 60KHz اجزا ذخيره كننده انرژي مي توانند خيلي كوچكتر انتخاب شوند:
برخلاف منابع تغذيه خطي، در توانهاي خيلي بالا قابل استفاده هستند.

همه اين موارد به كاهش هزينه و توان تلفاتي و افزايش بهره دهي و انعطاف پذيري منجر مي شود. معايب اين نوع منابع ناچيز بوده و به كمك طراحي بهينه قابل رفع مي باشد.

از جمله معايب آن مي توان به موارد زير اشاره كرد:
1- طرح چنين منابعي اصولا مشكل و پيچيده است.
2- نويز قابل ملاحضه اي از آنها به محيط انتشار مي يابد و اين اشكالي است كه نبايد در مرحله طراحي ناديده گرفته شود.
3- به دليل ماهيت كار اين منابع كه بر اساس برش يك ولتاژ C استوار است، زمان رسيدن ولتاژ خروجي به مقدار مطلوب در مقايسه با منابع تغذيه خطي زياد است. اين زمان اصطلاحا زمان پاسخ ناپايدار ناميده مي شود.

هر يك از منابع حوزه هاي كاري خود را دارند، عموما براي مدارهاي با راندمان و ولتاژ بالا مثل مدارهاي تغذيه شونده با باطري هاي قابل حمل تغذيه سوئیچینگ برتري دارد، ولي براي ولتاژ هاي ثابت و كم منابع خطي ارزانتر و مناسبتر هستند.
راندمان SMPS به دلیل تلفات کمتر توان، بالاتر می باشد. وزن و اندازه آنها به خاطر ترانسفورماتورهای کوچکتر با هسته فریت سبکتر، کوچکتر می باشد. افزایش فرکانس ابعاد ترانسفورماتور را به ازای قدرتهای یکسان کاهش می دهد. از هسته های آهنی در فرکانسهای بیشتر از 400Hz به دلیل داغ شدن هسته نمی توان استفاده کرد.

در منابع تغذیه سوئیچینگ حذف ریپلهای خروجی به خوبی منابع تغذیه خطی انجام نمی گیرد زیرا خازنهای کوچک و با کیفیت بالا مورد نیاز است.
پارازیتهای RF به دلیل قطع و وصل جریانهای بالا یکی دیگر از معایب SMPS می باشد. این پارازیتها را می توان با پوشش هسته فریت و کل مدار کاهش داد. در تلویزیون، SMPS با فرکانس خط (15625Hz) سنکرون می شود و در نتیجه اثر کلیدزنی در صفحه تلویزیون ظاهر نمی شود.
امروزه، بیشتر تلویزیونهای رنگی فط از SMPS برای تغذیه لامپ و قسمتهای مختلف استفاده می کنند. کامپیوترهای شخصی نیز از SMPS برای تولید ولتاژهای 5V , 12V و 24V با جریان بالا استفاده می کنند. مهمترین مزیت SMPS ها، وزن کم آن می باشد.

2-1: چگونگی تنظیم خروجی در SMPS
تنظیم SMPS با تغییر نرخ on و یا سرعت تکرار کلیدزنی و یا هر دوی اینها انجام می گیرد. به هنگام تغذيه قدرت، جريان به سيم پيچ تزريق و در نتيجه انرژي در آن ذخيره مي شود. سپس اين انرژي از طريق ديودهاي با سرعت بالا به خازنهاي الكتروليت ذخيره كننده، واگذار مي گردد. ولتاژ دو سر خازن صاف است . مي تواند با DC را تغذيه كند. با افزايش بار، ولتاژ خروجي افت مي كند. اين افت، با افزايش پهناي پالس كه سبب افزايش جريان سيم پيچ مي شود، جبران مي گردد. در واقع، افزايش پهناي پالس سبب مي شود كه انرژي بيشتري در هر دوره در ميدان مغناطيسي ذخيره كردد.

چنانچه ولتاژ مورد نظر از مقدار مورد نظر بيشتر شود مي توان با كاهش پهناي پالس مقدار انرا تنظيم نمود. امروزه مدارهاي مجتمع براي انجام وظايف بالا در دسترس هستند. آي سي 2524 يا 3524 از اين نوع مي باشند. در فصل های بعد در مورد این آی سی و مشخصات آن به همراه نمونه منبع تغذیه سوئیچینگ توضیح داده می شود.

3-1: يك نمونه SMPS داراي چه مشخصاتي است؟
يك SMPS را مي توان براي ولتاژ خروجي مورد نياز طراحي نمود. SMPS داراي يك آي سي كنترل، يك يا دو ترانزيستور كليدزني، تعدادي ديود كليدزني سرعت بالا، مجموعه اي از خازنهاي با كيفيت بالا، يك هسته فريت و تعدادي قطعه ديگر مي باشد. مشخصات دقيقتر يك نمونه SMPS مي تواند به قرار زير باشد:
1- يك هسته از نوع LOT
2- يك ترانزيستور سوئیچینگ مانند BU208
3- يك مدولاتور پهناي پالس تنظيم كننده مانند آي سي SG3524

ويژگيها و تواناييهاي مدار براي نمونه مي تواند:
1- خروجي 5v , 5A براي كاربردهاي كامپيوتري و ديجيتالي
2- خروجي و 1A براي مدارهاي RS232 و خطي
3- جداسازي (ايزوله بودن) خروجي از تغذيه ورودي برق شهر

عمل جداسازي خروجي از ورودي با قرار دادن تعدادي سيم پيچ روي هسته فريت به آساني انجام مي گيرد. در بعضي از SMPS ها، حتي از ايزولاتور نوري نيز استفاده مي شود زيرا مدار كنترل در ارتباط مستقيم با برق شهر است.
مدار كنترل، پالسهاي كليدزني مناسب را توليد و از خروجي نيز نمونه برداري مي كند. اين نوع منابع تغذيه با ايزولاتور در تلويزيونهاي رنگي و كامپيوتر به كار مي روند.

براي تامين قدرت آي سي دو روش وجود دارد:
1- استفاده از خروجي خود SMPS
2- استفاده از يك منبع تغذيه جداگانه ، براي نمونه 150mA به وسيله ترانسفورماتور با ولتاژ نامي 220V/18V .
براي روش اول شدني است اما در راه اندازي اوليه آن مشكل وجود دارد. روش دوم، نياز به مدارات و قطعات اضافي مانند ترانسفورماتور و ديود يكسو ساز و خازن صافي حجيم الكتروليت است.

در قسمت كليد زني سيم پيچها بايد داراي اندوكتانس مناسب و مقاومت كم باشند. به ازاي هر پالس تحريك، جريان بالايي به وسيله ترانزيستورهاي كليدزني از سيم پيچها عبور مي كند. پيك جريان، تابعي از ولتاژ ورودي، ولتاژ كليد، اندوكتانس سيم پيج و زمان روشن بودن ترانزيستورهاي كليدزني مي باشد.
با وصل ولتاژ تغذيه (ترانزيستور روشن) جريان در يك مدار R-L به صورت نمايي افزايش مي يابد. با قطع تغذيه (ترانزيستور خاموش) ، ولتاژ بالايي القا مي شود كه ديود طرف دوم را روشن مي كند و سپس جريان به سرعت به صفر مي رسد. براي عبور جريان ميرا شونده ، هنگام قطع ترانزيستور ، خازن و مقاومتي در نظر گرفته مي شود. در صورت نبودن اين عناصر، ولتاژ بسيار زيادي در كلكتور در لحظه قطع ترانزيستور ايجاد مي شود. يك VDR نيز به قسمت قبلي اضافه مي شود. انرژي هر سيكل برابر است با:

L اندوكتانس طرف اوليه مي باشد. يكي از روشهاي افزايش انرژي، داشتن L بزرگ است. ولتاژ تغذيه E برابر است با:

با بزرگ شدن L ، مقدار براي تغذيه داده شده ، افزايش مي يابد. هنگام پاس روشن بودن، جریان I نمی تواند به طور کافی افزایش یابد. بنابراین مقدار ، کوچک است. اگر L ، خیلی کوچک باشد، I به مقدار افزایش می یابد.در این حالت سرعت رسیدن به مقدار نهایی زیاد است اما انرژی ذخیره شده کم است. R مقداری کوچک دارد . اندازه با توجه به جریان مجاز ضربه ای ترانزيستور های کلیدزنی تعیین می گردد.
برای داشتن بزرگ، سیم پیچ و مقاومتهای دیگر را کاهش دهید، از ترانزیستور با سرعت بالا استفاده نمایید و ولتاژ تغذیه را افزایش دهید. پیک ولتاژ را با یک شبکه سری R-C در کلکتور و امیتر ترانزيستور توان خروجی کنترل کنید. کاهش این مقاومت ، پیک ولتاژ را افزایش می دهد. این مقاومت تضعیف کننده معمولا حدود تا در نظر گرفته شود. مقدار خازن C می تواند حدود 2000PF باشد. ولتاژ آن به علت ارتباط مستقیم با ولتاژ بالا و همچنین تحت تاثیر جریانهای سوئیچ بودن ، باید بالا و حدود 2KV انتخاب شود.
جریان تحریک ترانزيستورهای کلیدزنی نیز عامل مهمی است. ترانزيستور کلیدزنی مناسب انتخاب کنید. برای نمونه BU208 دارای بهره جریان بزرگی نیست. بنابراین برای جریانهای بزرگ کلید، جریان بیس بزرگ لازم است. زمان صعود جریان کلکتور با افزایش جریان بیس زیاد می شود. اگر جریان کلکتور 100mA باشد، جریان تحریک بیس باید حدود 25mA در نظر گرفته شود. به ازای جریان کلکتور 1A ، جریان بیس باید حدود 250mA باشد. به ازای جریان تحریک 25mA ، ترانزیستور کاملا روشن نمی شود و تلفات قدرت خواهد داشت. چنانچه ترانزیستور زیاد داغ شود، باید جریان تحریک بیس را افزایش داد. ترانزیستورهای قدرت خروجی را باید بر روی گرماگیر مناسب نصب شود.

4-1: کاربرد دیگر SMPS ها به عنوان اینورتر یا UPS
کار اصلی اینورترها تبدیل خروجی DC یک باتری دارای شارژ به ولتاژ AC با فرکانس برق شهر می باشد تا بتواند بارهای ضروری را تغذیه نماید. در حالت ایده‌آل، شکل موج خروجی یک اینورتر باید سینوسی خالص باشد که رابطه نزدیکی با قیمت آن دارد. قیمت یک اینورتر همچنین به ظرفیت باتری پشتیبان، توان خروجی، درصد تنظیم ولتاژ (رگولاسیون) ، مدارهای محافظ، نشانگرهای زمان تبدیل (سرعت عملکرد) و ... بستگی دارد. داشتن این ویژگی ها، اینورتر را به یک منبع تغذیه غیر قابل وقفه (UPS) تبدیل می کند.

5-1: انواع مختلف منبع تغذیه سوئیچینگ
در یک منبع از نوع سوئیچینگ تغییر سطح ولتاژ خروجی از طریق تغییر در نسبت روشن به خاموش یا اصطلاحا زمان کارکرد ترانزیستور خروجی انجام می گیرد. منابع بر اساس نوع کنترل تغییرات خروجی و چگونگی این عمل به دو نوع کلی قابل تقسیم بندی هستند. دو نوع منبع تغذیه سوئیچینگ عبارتند از:
1- SMPS با مبدل پیشرو (Forward Convertor)
2- SMPS با مبدل برگشتی (Flyback Convertor)

با وجود شباهتهاي فراوان تفاوتهاي متمايز كننده اي هم وجود دارد. نحوه عملكرد و چگونگي قرار گيري عناصر مغناطيسي تعيين كننده نوع مدار است.
عناصر اصلي هر يك از انواع اين منابع عبارتند از:
1- يك منبع سوئيچ جهت تهيه موج PWM
2- القاگر (در مورد منابع پيشرفته تر القاگر جاي خود را به ترانس مي دهد).
3- سوئيچ قدرت
4- يكسو كننده
5- خازن ذخيره كننده انرژي در خروجي
6- شبكه هاي حس كننده و عمل با زخورد

در نوع برگشتی ، انرژی به طور کامل در میدان مغناطیسی سلف در دوره کلیدزنی ذخیره می شود. این انرژی در مدار ولتاژ خروجی هنگام باز بودن کلید تخلیه می شود. ولتاژ خروجی به دوره قطع و وصل کلید بستگی دارد. در بعضی حالتها، ممکن است ولتاژ خروجی از ولتاژ سوئیچ شده ورودی بیشتر شود.

در شکل الف ، انرژی ذخیره شده در سلف برابر می باشد که i جریان L است. با روشن شدن ترانزیستور، جریان L با توجه به ولتاژ تغذیه Vs ، مقاومت ذاتی R و انوکتانس L چوک افزایش می یابد.
در شکل ب ، همین اثر به روش دیگری برای مبدل پیشرو به دست می آید. در هر دو حالت روشن و خاموش بودن ترانزیستور از چوک جریان عبور می کند. هنگام قطع بودن ترانزیستور، دیود روشن شده و مسیر جریان را می بندد.

الف) شکل مداری مبدل برگشتی ب) شکل مداری مبدل پیشرو

بنابراین انرژی در هر دو حالت به بار منتقل می شود. در این مدار، ولتاژ Vo فقط می تواند کمتر از Vs باشد. چوک هنگام روشن بودن ترانزیستور انرژی را ذخیره می کند و مقداری از ان را نیز در همین دوره به بار خروجی منتقل می کند.
دو وظیفه دیود عبارت است از: اول فراهم کردن مسیر تخلیه برای چوک ، هنگامی که ترانزیستور باز است. همچنین مانع تولید جرقه در اثر ولتاژ القایی بالا در لحظه قطع ترانزیستور می گردد. دوم آنکه ، ایجاد مسیری برای میراشدن جریان سیم پیچ.
علی رغم شباهتهای فراوان حالات فلاوی بک و فوروارد تفاوت عمده این دو نوع هنگام خاموشی سوئیچ قدرت است در این زمان: در 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.

در شکل پ یک مدل برگشتی موازی را نشان داده شده است. در این حالت، جریان در چوک زمانی برقرار می شود که ترانزیستور روشن باشد. در این هنگام از دیود جریان عبور نمی کند زیرا به وسیله ترانزیستور اتصال کوتاه شده است. با قطع ترانزیستور، ولتاژ بالایی در چوک القا می شود که سبب عبور جریان از بار خروجی خواهد شد. با توجه به اینکه ترانزیستور با منبع تغذیه موازی شده است، مدار نوع موازی خوانده می شود. دیود همچنین مانع تخلیه خروجی در ترانزیستور -هنگام روشن بودن- می شود. این مدار، نوع برگشتی نامیده می شود. زیرا هنگام روشن بودن ترانزیستور کلید زنی جریانی از طرف منبع تغذیه به طرف خروجی جاری نمی شود.

پ) شکل مدار مبدل برگشتی موازی ت) مبدل ترانسی موازی برگشتی

هر سه مدار بالا، فقط دارای یک چوک با سرهای متعدد می باشند. کلاف چوک می تواند بیستر از یک سیم پیچ داشته باشد. یک سیم پیچ سری با ترانزیستور کلید زنی و دیگری سری بادیود خروجی قرار می گیرد. به گونه ای که به وسیله یک فرد ناآشناع کلاف مانند یک ترانسفورماتور به نظر می رسد. سیم پیچ اولی، جریان را در دوره هدایت پیشرو ترانزیستور کلیدزنی عبور میدهد. در حالی که سیم پیچ دومی جریان را فقط در دوره برگشتی (دوره off) عبور می دهد. انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی به سیم پیچ دومی کوپل می شود.
هنگام روشن بودن ترانزیستور، ولتاژ القا شده در سیم پیچ دوم، جریانی در خروجی ایجاد نمی کند، زیرا دیود در بایاس معکوس قرار دارد. شکل ت یک مدل برگشتی را نشان می دهد.
همان مدار با این تفاوت که جهت دیود معکوس شده در شکل ث رسم شده است. در این حالت، ولتاژ مثبت آمده به سر نقطه دار سبب عبور جریان از بار در دوره پیشرو یا روشن بودن ترانزیستور می گردد. به همین دلیل، آن را مدار موازی پیشرو می نامند. در این حالت دیود در هر دوره قطع و وصل ترانزیستور، هدایت می کند.

ث) مبدل نوع ترانسفورماتوری موازی پیشرو

می توان ترکیب چند گانه ای از مدارهاي بالا را در یک مدار جمع نمود به گونه ای که ولتاژ خروجی متعددی به وسیله آن ایجاد شود. دراین حالت کلاف چوک، بیس از یک سیم پیچ را دارا می باشد.

2

روشهای کنترل در منابع تغذیه سوئیچینگ
منابع تغذیه سوئیچینگ نه تنها دارای بازدهی و راندمان بالایی هستند، بلکه انعطاف پذیری بیشتری را برای طراح ایجاد می کنند. دو روش عمومی برای کنترل PWM منابع تغذیه سوئیچینگ وجود دارد. این روشها بر کمیتهای نمونه برداری شده در منبع تغذیه سوئیچینگ استوارند. جریان یا ولتاژ می توانند دوباره برای تولید ولتاژ های خروجی مورد نیاز بکار روند. تراشه های کنترل کننده منبع تغذیه سوئیچینگ یکی از روشهای کنترل حالت ولتاژ یا کنترل حالت جریان را انتخاب می کنند.

1-2: کنترل شده حالت ولتاژ
در کنترل حالت ولتاژ، تنها از ولتاژ خروجی برای بدست آوردن دامنه مورد نیاز نمونه برداری می شود. مقایسه گر ولتاژ خطا را با موج دندانه اره ای ایجاد شده به وسیله بخش نوسان ساز تراشه مقایسه می کند. این مقایسه گر که معمولا مقایسه گر PWM می باشد، ولتاژ خطا را به شکل موج مدوله شده پهنای پالس (PWM) تبدیل می کند. شکل موج حاصل برای تحریک کلیدهای قدرت به روس on/off مدوله شده پالس به کار می رود. معمولتریت کنترل کننده حالت ولتاژة روش فرکانس تثبیت شده می باشد. از روشهای دیگر کنترل حالت ولتاژ که در منابع سوئیچینگ شبه تشدید به کار می رود، کنترل فرکانس است.. این روش اساسا یک روش کنترل ولتاژ است زیرا تنها ولتاژ خروجی نمونه برداری شده و سپس زمانهای on و یا off خروجی و یا همان المانهای قدرت خروجی در هر ثانیه کنترل می شود. در این روش یا زمان on ثابت و زمان off تغییر می کند و یا زمان off ثابت و زمان on متغیر است.

2-2: کنترل شده حالت جریان
روش کنترل حالت جریان روش جدیدی است که در آن نه تنها از ولتاژ خروجی نمونه برداری می شود بلکه از جریان عبوری از سلف یا ترانسفورماتور نیز نمونه برداری می شود. هنگامی که قدرت خروجی بیشتری نیاز دارد، کنترل کننده اجازه عبور جریان بیشتری از سلف یا ترانسفورماتور را می دهد. برعکس، اگر ورودی یک تغییر ناگهانی را مشاهده نماید، این تغییر فورا به وسیله کنترا کننده آشکار می شود و در نتیجه ولتاژ خروجی را در مقدار مناسب تنظیم می کند.

به طور کلی در مدارات کنترل حالت ولتاژ در صورت افزایش جریان مصرفی در خروجی و به دنبال آن کاهش ذخیره خازن صافی خروجی و پایین آمدن سطح ولتاژ از مقدار تنظیم شده، مدار تشخیص خطا بعد از کاهش ولتاژ، از ولتاژ خروجی، نمونه برداری می کند. در این بین تا اصلاح سطح ولتاژ خروجی، برای زمانی حدود چند میکرو و یا میلی ثانیه، ولتاژ از مقدار تنظیم شده کمتر خواهد بود. با بررسی ولتاژ خروجی به این نکته می رسیم که یک دامنه ضعیف ولتاژ با فرکانس بالا بر روی ولتاژ DC سوار است. این ولتاژ AC کوچک همان ریپل منابع تغذیه سوئیچینگ می باشد.

حال با بررسی منابع تغذیه سوئیچینگ کنترل شده در حالت جریان به اینجا خواهیم رسید که این ریپل کمتر است. دلیل آن در زیر شرح داده شده است.
در صورت افزایش جریان مصرفی در خروجی و به دنبال آن کاهش ذخیره خازن صافی خروجی و پایین آمدن سطح ولتاژ از مقدار تنظیم شده می شود. به هنگام عبور جریان لحظه ای شدید که پیامد آن کاهش پیش بینی نشده ولتاژ است، در مدار کنترل جریان از این تغییر سریع جریان نمونه برداری شده و به مدار PWM جهت تغییر در پهنای پالس، در نتیجه اعمال توان بیشتر در خروجی،مانع از کاهش ولتاژ می شود.

روش معمول کنترل حالت جریان را می توان به وسیله خروجی تقویت کننده خطا (E/A) که به یکی از ورودیهای مقایسه گر اعمال می شود توصیف کرد. به پایه دیگر مقایسه کننده ولتاژی متناسب با جریان دندانه اره ای عبوری از یک مقاومت نمونه بردار که در مسیر جریان عبوری از سلف خروجی قرار دارد، اعمال می شود. این روش کنترل، زمان پاسخ گذاری بسیار مناسبی را فراهم می سازد، یعنی زمان پاسخ به هر گونه تغییر در ورودی یا خروجی بسیار کوتاه خواهد بود. این امر همچنین به کنترل بسیار مقاوم که به سرعت به شرایط اتصال کوتاه و اضافه بار پاسخ می دهد منجر می شود.

یک سیگنال ساعت پالسهای قدرت را در فرکانس ثابت راه اندازی می کند. هر پالس ساعت زمانی به پایان می رسد که یک مقدار آنالوگ از جریان سلف مقدار آستانه مشخص شده به وسیله سیگنال خطا برسد. در این روش سیگنال خطا عملا پیک جریان سلف را کنترل می کند. این امر با طرحهای متداول که در آن سیگنال خطا بدون در نظر گرفتن جریان سلف مستقیما پهنای پالس را کنترل می کنند، متفاوت است. کاربرد کنترل حالت جریان چندین مزیت عملی را به دنبال دارد. اول آنکه یک مشخصه پیش خورد برای ولتاژ ورودی ایجاد می شود، یعنی اینکه مدار کنترل بدون استفاده از محدوده دینامیک تقویت کننده های خطا

تغییرات ولتاژ ورودی را اصلاح می کند. بنابراین تنظیم ولتاژ خط (Line regulation) عالی می باشد و تقویت کننده خطا را می توان منحصرا برای اصلاح تغییرات بار بکار برد. برای مبدلهایی که در آنها جریان سلف پیوسته است، کنترل پیک جریان تقریبا معادل کنترل متوسط جریان می باشد. بنابراین هنگامی که چنین مبدلهایی کنترل حالت جریان را به کار می برند، سلف می تواند به عنوان یک منبع جریان کنترل شده با ولتاژ خطا برای تجزیه و تحلیل سیگنال کوچک بکار رود. کنترل دو قطبی برای پاسخ فرکانسی خروجی این مبدلها به کنترل تک قطبی کاهش می یابد.

3

قطعات یک منبع تغذیه سوئیچینگ
مهمترين قطعاتي كه در يك منبع تغذيه سوئیچینگ بكار مي رونند،ترانزيستورهاي سرعت بالا و يا كليدزني، MOSFETهاي قدرت سوئیچینگ، سلف و سيم پيچ و خازنهاي فركانسي باكيفيت مي باشند. در زير به توضيح خصوصيات هر يك از آنها پرداخته مي شود.

1-3: هسته و سیم پیچ
انرژی فقط هنگام هدایت ترانزیستور کلید زنی ذخیره می شود. مقدار انرژی، میزان قدرت خروجی SMPS را تعیین می کند. برای افزایش انرژی، باید جریان بالایی به اندوکتانسی بزرگ تزریق شود. اندوکتانس L ، نسبت شار بر آمپر می باشد. بنابراین انرژی ذخیره شده در یک کلاف برابر است با:

L اندوکتانس کلاف بر حسب هانری ، شار کلاف بر حسب وبر و I جریان بر حسب آمپر است.
شار به وسیله هسته مغناطیسی کلاف نگهداری می شود. جنس هسته معمولا از فریت است تا بتواند با فرکانسهایی که در SMPS به کار می رود، کار نماید. فرکانسهای حدود 15KHz در این منابع بکار می روند. با افزایش فرکانس ، تلفات هیسترزیس هسته مغناطیسی افزایش می یابد. در فرکانسهای پایین (زیر 10KHz) استفاده از منبع سوئیچینگ سودمند نیست. اندازه هسته رابطه معکوس با فرکانس کار دارد. در حال حاضر، KEPCO در آمریکا، حتی واحدهای SMPS با فرکانس کار 300KHz را که از موارد فریت مخصوص برای هسته استفاده می کند، تولید می نماید.

اندازه هسته، مقدار شاری که می توان نگهداری نمود، تعیین می نماید. چگالی شار برابر میزان شار در واحد سطح می باشد. هسته های فریت می توانند تا 0.4-0.35 تسلا شار را زیر نقطه اشباع نگهداری کنن. هسته نباید در اثر عبور جریان مستقیم زیاد، به اشباع برود و بهتر است زیر نقطه اشباع کار نماید.

هسته های فریت چند نوعند: cup core , pot core , E-I , double-E و doule limb ساده که در تلویزیونها به کار می رود. اشباع هسته فریت بر خلاف هسته های آهن در یک چگالی شار ثابت انجام نمی گیرد. لازم است هسته فریت زیر نقطه اشباع کار نماید، و برای جلوگیری از اشباع، شکاف هوایی پیوندهای هسته باید کاملا نازک باشد. شکاف هوایی زیاد، تعداد دور سیم را برای داشتن اندوکتانس مورد نظر افزایش می دهد و سبب زیاد شدن تلفات مسی می گردد.

2-3: ترانزیستور
كاربرد نيمه هادي ها نقش بسيار بزرگي در قابليت تحمل مدارات تغذيه سوئیچینگ برعهده دارد. در حالت سوئیچینگ ترانزيستوها در خالت اشباع يا نزديك آن كار مي كنند. در اين حالت مقدار حداقل مقدار خود را خواهد داشت و در نتيجه تلفات به حداقل خواهد رسد.لذا طراح بايد بدترين حالت يعني در سلف حداقل و حداكثر جريان كلكتور را در نظر بگيرد. عوامل موثر در اين جريان: امپدانس موثر ديده شده از سوي كلكتور، ولتاژ ورودي حداكثر دوره هدايت و بار مي باشد.
در صورتي كه از كوپلاژ ترانسفورماتوري استفاده شود تلفات مذكور كاهش قابل ملاحضه اي پيدا مي كند. اشكال اينكار افزايش زياد زمان خاموش سازي ترانزيستور در رابطه با فرو رفتن در حالت هدايت فوق العاده است.

اشكالات عمده ترانزيستور هاي دو قطبي:
1- شكست بهمني، همگامي كه ترانزيستور خاموش است و يك موج ولتاژ فوق العاده به پيوند كلكتور بيس مي رسد، رخ مي دهد.
2- پديده شايع تر و پيچيده تر، پديده شكست ثانويه و ازدحام جريان است. اين در طي پروسه روشن و خاموش سازي رخ كي دهند. و اينها پديده هاي وابسته به ولتاژ هستند هنگامي كه جرين جاري است و ولتاژ نسبتا زيادي بين كلكتور و اميتر وجود دارد رخ ميدهد. و اين به تلفات لحظه اي نسبتا زيادي كه به صورت يكنواخت هم توزيع نشده منجر مي شود.

يكي از عواملي كه ترانزيستور را به نواحي غير مجاز كاري وارد مي كند Snubbing است كه در ادامه مورد بحث قرار مي گيرد. سرعت سوئيچ اثر مستقيمي در تلفات سوئيچ دارد و اين تلفات رابطه مستقيمي با فركانس كاري مدار دارد. تلفات سوئیچینگ از جريان كلكتور به اميتر هنگامي كه Vcc از اشباع به قطع مي رود (يا برعكس) نشات مي گيرد، در اين زمان جريان بار كلكتور به جهت خاصيت القايي بار كماكان جاري است. كه به تلفات قابل توجهي متناسب با فركانس كاري منتهي مي شود. در اين حالت بهتر است به بيس به عنوان خازن كوچكي بين پايه بيس و اميتر نگاه شود، سرعت شارژ و ئشارژ شدن اين خازن تعيين كننده فركانس كاري بين قطع و اشباع است. وجود اين خازن طرح را كمي پيچيده مي كند.

يك خازن به مقدار 200pF تا 50nF به موازات مقاومت بيس نصب مي شود. اين خازن سرعت دهنده ، كه انباره ناميده مي شود شارژ و دشارژ خازن بيس را سرعت مي دهد. اي ن خازن عملا يك ولتاژ منفي در بيس هنگام خاموش كردن ترانزيستور ايجاد مي كند. و اثرات ازدحام جريان را مي كاهد. به علاوه ولتاژ بيس اميتر را در طي خاموش كردن منفي مي كند.

نكته ديگر كه بايد در انتخاب ترانزيستور دقت شود، سرعت كليدزني و يا فركانس كار آن مي باشد و زمان کلیدزنی ترانزیستورها باید بسیار کوچک (کمتر از ) باشد. این زمان شامل تاخیر در روشن شدن، صعود و زمان نزول جریان می باشد. در غير اين صورت ترانزيستور زمان كافي براي پاسخ گويي به پالس هاي اعمالي از مدار كنترل نخواهد داشت در نتيجه علاوه بر كاهش كيفيت خروجي باعث افزايش بسيار شديد تلفات در ترانزيستور مي شود.

3-3: MOSFET هاي قدرت
MOSFET هاي قدرت به عنوان سوئيچ هاي سريع شناخته شده اند. تكنولوژي MOSFET هاي قدرت امروزه خيلي توسعه يافته است و تقريبا بيش از ده هابار سريعتر از سوئيچ هاي BJT هستند. به علاوه ولتاژ اشباع در مقايسه با ترانزيستور هاي دو قطبي خيلي كمتر است كه همه اينها MOSFET هاي قدرت را براي اغلب كارها بهترين انتخاب كرده است.

MOSFET هاي قدرت اجزا هدايت شونده با ولتاژ گيت هستند و جريان متوسط خيلي كمتري در مقايسه با BJTها نياز دارند. براي اغلب MOSFET ها ولتاژ هدايت گيت بايد براي اشباع درين به سورس به 10V برسد. كه اين خود در مقايسه با مربوط به BJTهاكه 0.7V است يك مزيت محسوب مي شود از اين جهت كه نياز به كاهش ولتاژ و تلفات ناخواسته نمي باشد.

گيت در يك MOSFET مانند خازنبژي با ظرفيت 900pF تا 2000pF رفتار مي كند. در حالت DC جريان چند نانو آمپري براي كار و اشباع كافي است ولي در حالت عملكرد AC جريان به طرز قابل ملاحظه اي افزايش مي يابد و اين بدان معناست كه مدار راه انداز بايد امپدانس خيلي كوچكي داشته باشد.
يك راه انداز خوب براي 30 تا به راحتي كار مي كند. در بعضي موارد شايد نياز به كاهش سرعت سوئيچ باشد اين كار با افزودن يك مقاومت سري به گيت انجام مي شود. كه اين كار توانايي كنترل بهتري را به طراح مي دهد. توصيه نمي شود كه دوره كار طولاني تر از انتخاب شود.

ساختار فيزيكي MOSFETها آنها را براي مقاصد سوئیچینگ ايده آل كرده است. نخستين آسودگي طراح آن است كه آنها با مشكل شكست ثانويه و ازدحام جريان روبرو نيستند ولي تلفات سوئیچینگ كماكان قطعه را گرم مي كند. توزيع جريان الگوي خاص خود را دارد . MOSFET هاي قدرت قطعاتي با نواحي كاري ايمن مستقيم و معكوس CSOA و RBSOA هستند.

امپدانس هدايت نبايد از 200 اهم تجاوز كند كه نه تنها براي سوئیچینگ سريع بلكه برايي شارژ كافيخازن ميلر لازم است. كه به رغم مقدار كم ولتاژ خيلي زياد روي آن مي افتد. هنگامي كه سوئيچ فوق با سرعت خاموش و روشن مي شود خازن فوق با امپدانس كم عملا ولتاژ را از درين به گيت انتقال مي دهد. اين امر در مدارهاي با امپدانس درين بالا عملا مدار را به يك نوسان ساز تبديل مي كند ولي به صورت آشكار تلفات MOSFET را نمي افزايد.

نقاط ضعف MOSFET هاي قدرت:
1- شكست بهمني: اين پديده هنگامي رخ مي دهد كه ولتاژ درين به سورس از حداكثر ولتاژ قابل تحمل در حالت خاموش و يا خاموش سازي تجاوز كند.
2- خاموش سازي ديودهاي ذاتي: بهضي توليدكنندگان MOSFET هاي قدرت خود را مجبور به رعايت نرخهاي جريان و سرعت مطابق MOSFET براي ديود ذاتي نمي دانند لذا با عبور جريان از داخل ديود چند اتفاق مي افتد. نخست آنكه سهمي از توان تلفاتی را به خود اختصاص می دهد و دیگر آنکه زمان طولانی برای روشن و خاموش شدن نیاز دارد. این عمل ساده در MOSFETها می تواند به مصرف توان اضافی منجر شود. دیودهای با زمان احیای معکوس طولانی ممکن

است تا روشن شدن ترانزيستور روشن باقی بمانند و جریان معکوس بالایی را به راه بیندازند اتصال کوتاه مجازی بین تغذیه و زمین ایجاد کند و به طور ناگهانی سبب سوختن MOSFET شود این حالت در آرایش نیمه پل رخ می دهد. راه حل اضافه کردن دو دیود فوق سریع یکی با درین و دیگری به موازات MOSFET است دیودها مانع عبور جریان از دیود ذاتی می شوند.

3- امپدانس هدایت گیت بالا: اگر امپدانس گیت خیلی بالا باشد، خازن میلر درین به سورس می تواند انرژی کافی را به گیت تزویج کند. در این حالت MOSFET نوسانی شده و در هر بارخاموش و روشن شدن نوسان می کند و تلفات سریع و فوق العاده ای را ایجاد می کند. امپدانس هدایت گیت نباید در مجموع 200 اهم تجاوز کند.
4- تلفات فوق العاده: هنگامی که طراح همه تلفات یک MOSFET را حین کار در نظر نگیرد ایجاد می شود این اندازه گیری به وسیله یک پروپ جریان و ولتاژ و با کمک یک اسکوپ انجام می شود(جهت به نمایش درآوردن تلفات لحظه ای). این تلفات شامل تلفات اشباع (زمان روشن) تلفات سوئیچینگ و تلفات هدایت دیودها است طراحی که هر یک از اینها را از یاد ببرد ممکن است با مشکل جدی روبرو شود. با در نظر گرفتن محدودیتهای مبدل های حرارتی طراح باید مبدل حرارتی مناسب را به کار ببرد.

4-3: يكسوكننده ها
يكسوكننده ها به دليل آنكه وسايل دو سيمه هستند راهي بجز انتخاب بهترين و مناسبترين ديود باقي نمي ماند. پارامترهاي انتخاب يكسوكننده ها در ارتباط با منابع تغذيه شامل موارد زير مي باشد:

1- افت ولتاژ مستقيم: ولتاژي است كه عمگام عبور جريان مستقيم از ديود وجود دارد و در كيفيت كاري ديود موثر است.
2- زمان احياي معكوس: اين زمان براي خاموش شدن ديود بعد از آنكه ولتاژ مستقيم از روي آن برداشته شد براي توقف جريان در ديود لازم است. براي توقف جريان در ديود بعد از آنكه يك ولتاژ معكوس بزرگ روي ديود اعمال شود زمان مشخصي صرف مي شود.

3- زمان حياي مستقيم: زمان لازم براي شروع به هدايت ديود، بعد از اعمال ولتاژ مستقيم به ديود است.در زمان كوتاهتر اسپايك هاي كمتري رخ مي دهد، هنگامي كه القاگر و ترانزيستور در حالت خاموشي ديود بي بار مي شوند.

4- ولتاژ بلوك كننده معكوس: اين ولتاژي است كه قطعه، مي تواند پيش از شكسته شدن پيوندش به صورت معكوس تحمل كند. در تعيين اين ولتاژ در طراحي علاوه بر حداكثر اعمالي اسپايك هاي احتمالي را هم بايد در نظر گرفت.

دیودها در فرکانسهای 15KHz و بالاتر به کار می روند. این دیودها با دیودهای معمولی که در فرکانس برق شهر کار می کنند، تفاوت دارد. در SMPS ها معمولا از دیودهای سوئیچینگ با پیوند gold doped یا دیودهای مسدود کننده شاتکی (Shottky Barrier Diodes) که دارای پیوندهای نیمه هادی فلزی هستند، استفاده می شود. بار زیادی در پیوند این نوع دیودهای سوئیچینگ ذخیره نمی شود.

5-3: خازنها
خازنهای الکترولیت برای حذف ریپلها در انواع منبع تغذیه به کار می رود. در یکسوکننده های معمولی، فرکانس ریپل حدود 100Hz است اما در منابع تغذیه سوئیچینگ ، فرکانس کلیدزنی حدود چندین کیلوهرتز می باشد. در چنین فرکانسهایی بالایی، خازنهایی الکترولیت همواره دارای خاصیت اندوکتانس و مقاومت سری هستند، مقاومت سری خازن حدود 0.05 تا 0.1 اهم می باشد. امپدانس خازن در فرکانس 20KHz ، کمترین مقدار را داراست. جهت کاهش مقاومت بهتر است به جای استفاده از یک خازن ، چند خازن یکسان را باهم موازی کنیم.

منابع:

كتاب ها:
مدارات الكترونيك ، عليرضا مازوچي ، انتشارات استاد ، 1379
منبع تغذيه سوئيچينگ ، مهدي نيكخواه ، انتشارات آصال ، 1383
پروژه هاي الكترونيك، جلد 1 و3 ، محمدرضا موسوي ، انتشارات پرتونگار ، 1383

سايت ها:
http://sound.westhost.com
http://www.qrp4u.de
http://www.electronics-lab.com
http://www.specs.de