دانلود مقاله منابع تغذیه سوئیچینگ و خطی

انتخاب بین یک منبع تغذیه خطی یا سوییچینگ می¬تواند بر اساس کاربرد آنها انجام شود.

هر یک مشخصات 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 گیرند و یا کاربردهایی که یکی از بر دیگری برتری دارد.

مزایای منابع تغذیه خطی:
1- نخست سادگی (طرح مدار بسیار ساده است و با قطعات کمی به راحتی پایدار می¬شود).

2- دوم قابلیت تحمل بار زیاد نویز ناچیز یا کم در خروجی و زمان پاسخ دهی بسیار کوتاه
3- برای توان¬های کمتر از w10 ارزانتر از مدارهای مشابه سوییچینگ 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- نخست آنکه تنها به صورت یک رگولاتور کاهنده قابل کاربرد هستند (ورودی باید حداقل 2 یا 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 نوعاً 30% تا 40% است.

این تلفات توان درترانزیستور خروجی تولید حرارت می¬کند و نیاز به ترانزیستور قویتری را مطرح می¬کند، تا حدود w15 روشهای معمول مفید است ولی بیش از آن نیاز به سرمایش تحت فشار وجود دارد.

تمامی این معایب در تغذیه¬های سوییچینگ رفع شده است، که عبارتند از:
1- افزایش راندمان به حدود 68% تا 90% کارکرد ترانزیستور در نواحی قطع و اشباع به انتخاب حرارت گیر یا خنک کننده و ترانزیستور کوچکتر منجر شده است.

2- به دلیل اینکه قدرت خروجی از یک ولتاژ DC بریده شده که به شکل AC، در یک قطعه مغناطیسی ذخیره می¬شود، تأمین می¬گردد.

لذا با اضافه کردن تنها یک سیم پیچ می¬توان خروجی دیگری را به دست آورد، که در مقام مقایسه بسیار ارزانتر و ساده تر تمام می¬شود.

به علاوه به دلیل افزایش فرکانس کاری به حدود 50 تا KHz60 اجزاء ذخیره کننده انرژی می¬تواند خیلی کوچکتر انتخاب شوند.

3- برخلاف منابع خطی، در توان¬های بالا قابل استفاده هستند.

همه این موارد به کاهش هزینه و توان تلفاتی و افزایش بهره¬دهی و انعطاف پذیری منجر می¬شود.

معایب این منابع ناچیز بوده، و به کمک طراحی بهینه قابل رفع می¬باشد.

اولاً طرح چنین منابعی اصولاً مشکل و پیچیده است.

دوماً نویز قابل ملاحظه¬ای از آنها به محیط انتشار می¬یابد و این اشکالی است که نباید در مرحله طراحی نادیده گرفته شود.

و با کمک فیلتر و محافظ به نحو چشمگیری کاهش می¬یابد.

سوماً به دلیل ماهیت کار این منابع که بر اساس برش یک ولتاژ DC استوار است، زمان رسیدن ولتاژ خروجی به مقدار مطلوب در مقایسه با منابع خطی زیاد است، این زمان اصطلاحاً زمان پاسخ ناپایدار نامیده می¬شود.

تمامی این موارد در جهت کاهش کارآمدی 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، عموماً برای مدارهای با راندمان و ولتاژ بالا مثل مدارهای تغذیه شونده با باطری¬های قابل حمل تغذیه سوییچینگ برتری دارد، ولی برای ولتاژهای ثابت و کم منابع خطی ارزانتر و ارجح هستند.

کارکرد منبع تغذیه سوییچینگ
اگر یک رگولاتر سوییچینگ (منابع تغذیه سوییچینگ گاهی رگولاتور سوییچینگ هم نامیده می-شوند) به عنوان یک جعبه سیاه در نظر گرفته شود در این صورت با یک منبع خطی تفاوتی ندارد.

ولی رگولاتور خطی بر اساس تأمین جریان و ولتاژ مطلوب در خروجی به وسیله یک نیمه¬هادی باید تلف شود که بعضاً زیاد هم هست و مهمترین عامل پایین بودن راندمان می¬باشد.

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 سوییچنیگ تغییر سطح ولتاژ خروجی از طریق تغییر در نسبت روشن به خاموش یا اصطلاحاً زمان کارکرد تراتزیستور خروجی انجام می¬گیرد.

به دلیل کارکرد تراتزیستور 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 تقسیم بندی 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: یک منبع سوییچ جهت تهیهه موج PWM القاگر (در مورد منابع پیشرفته تر القاگر جای خود را به ترانس میدهد).

سوییچ قدرت یکسو کننده خازن ذخیره کننده انرژی در خروجی شبکههای حس کننده و عمل کننده باز خورد 1-2: رگولاتور سوییچینگ حالت فوروارد آرایش کلی منابع نوع فوروارد مطابق مدار شکل زیر 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 میشود و در چرخه بعدی پیستون به مجموعه چرخ طیار انرژی میدهد؛ هنگامی که سوییچ باز است با چرخش جریان از طریق دیود انرژی از سوی القاگر تأمین میشود و در چرخه بعدی با بسته شدن سوییچ القاگر مجدداً توسط منبع Vin انرژی دار میشود.

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 میگیرد در این حالت دیود خاموش است سپس t2 سوییچ باز میشود در این هنگام جریان القاگر، فیلتر و بار از طریق دیود تأمین میگردد.

و کار بدون تغییر در سطح ولتاژ خروجی ادامه مییابد.

DC سوییچ، متوسط ولتاژ خروجی را کنترل میکند (عملاً 5% تا 95%).

(رابطه 1-2) چنین منابعی ولتاژی با پلاریته مخالف یا بزرگتر از ولتاژ ورودی نمیتوانند تولید کنند.

2-2: رگولاتور سوییچینگ حالت فلای بک مدارهای فلای بک از آرایش کلی در شکل 2-2 پیروی میکنند.

(رابطه 2-2) با روشن شدن سوییچ قدرت القاگر از طریق منبع پرانرژی میگردد با خاموش شدن آن جریان بار از طریق دیود القاگر و تغذیه ادامه مییابد تحت حداقل ولتاژ کاری D.C به 50% میرسد و Tflbk برابر کل دوره کاری منهای Ton میشود.

علی رغم شباهتهای فراوان حالات فلای بک و فوروارد تفاوت عمده این دو در هنگام خاموشی سوییچ 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 میشود.

منبع تغذیه سوییچینگ نمونه طرح زیر طرح کلی یک منبع تغذیه سوییچینگ نمونه را به همراه شکل موجهای آن نشان میدهند.

توضیح مختصری درباره هر قسمت داده شده است، 1-3: فیلتر EMI این بخش از دو عنصر القاگر L1 و خازن C1 که یک فیلتر را میسازند 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.

2-3: 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 تانتالیوم برای مؤلفههای جریان در فرکانس تغذیه سوییچینگ و یک خازن سرامیک برای مؤلفههای 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 مؤلفههای بالای جریان) برای حفظ پایداری مدار و تأمین مؤلفههای جریان فوق الذکر وجود این دو خازن ضروری است.

مقدار این دو خازن باید به گونهای باشد که در فرکانس 3 برابر فرکانس تغذیه، امپدانس ناچیزی را از خود نشان دهند.

3-3: ترانسفورمر این قسمت علاوه بر ایزولاسیون DC وظیفه تغییر سطح ولتاژ را هم بر عهده دارد.

تغییر در سطح ولتاژ با تغییر نسبی تعداد دور اولیه و ثانویه انجام میشود ولی اگر طرح ترانس درست نباشد پایداری مدار و ضرایب اطمینان نیمههای متأثر میشود.

4-3: سوییچ قدرت معمولاً ترانزیستورهای قدرت یا MOSFET استفاده میشود، که در دو حالت کاملاً روشن یا خاموش کار میکنند کنترل سطح ولتاژ خروجی از طریق تغییر زمان روشن و خاموش اینها انجام میگیرد.

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

5-3: یکسوکننده خروجی وظیفه یکسوسازی ولتاژ خروجی را بر عهده دارد در مواردی که بعداً بررسی میشود باید از دیودهای سریع و حتی خیلی سریع استفاده شود.

6-3: بخش فیلتر خروجی وظیفه ذخیره انرژی در زمان وشنی 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 میدهد.

تقریباً 50% انرژی بیشتر از مقدار مورد نیاز بار در سلف و خازن ذخیره میشود.

7-3: عنصر حسن 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 میرود.

8-3: عنصر بازخورد ولتاژ از طریق یک شبکه تقسیم مقاومتی کسری از ولتاژ خروجی به تقویت کننده خطا جهت مقایسه با یک ولتاژ مبنا برده میشود.

روش حس ولتاژ خروجی به این راه محدود نمیشود، این راه حلی معمولی است.

9-3: بخش کنترل وظایف اصلی این قسمت حول تولید پالسهای PWM دریافت و اعمال بازخوردهای ولتاژ و جریان و راه اندازی نرم (بعضی از پارامترهای مهم در منابع تغذیه سوییچینگ بر مبنای Vout نامی طرح از طریق یک شبکه تقسیم مقاومتی کسری از ولتاژ خروجی به تقویت کننده خطا جهت مقایسه با یک ولتاژ مبنا برده میشود.

9-3: بخش کنترل وظایف اصلی این قسمت حول تولید پالسهای PVM دریافت و اعمال بازخوردهای ولتاژ و جریان و راهاندازی نرم (بعضی از پارامترهای مهم در منابع تغذیه سوییچینگ بر مبنای Vout نامی طرح میشوند 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 مینامند).

متمرکز شده است و از بخشهای: مولد موج، مقایسه گر با پالسهای ramp، تقویت کنندههای خطا و مرجع ولتاژ ...

تشکیل یافته است.) 1-4: عوامل مؤثر در طرحی یک منبع تغذیه جهت انتخاب یک آرایش مناسب نیاز به شناخت آرایشهای مختلف، قابلیتها و محدودیتهای آنها وجود دارد.

پنج عامل متمایز کننده آرایشها به قرار زیر هستند: 1- حداکثر جریان اولیه که تعیین کننده حد تحمل نیمههادی قدرت است.

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

3- بخشی از منحنی مغناطیسی B.H (مربوط به هستهای که انرژی را به شکل مغناطیسی در خود ذخیره میکند) که این نشان دهنده آن است که کدام آرایش ترانسفورماتور کوچکتری را برای یک توان مشخص دارد.

4- ایزولاسیون ورودی از بار که ایزولاسیون DC خروجی را از ورودی تأمین میکند، و این اجازه را به طراح میدهد که خروجیهای متعددی را به راحتی اضافه کند.

همچنین برحسب تقاضا میتواند جهت برآوردن نیازهای ایمنی به کار رود (این نیازمندیها توسط شرایط متقاضی تحمیل میشوند).

5- 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 با توجه به یک سری فرضیات به طور تقریبی به سؤالات زیر باید پاسخ داد.

بدین ترتیب در زمان و هزینه طرح و ساخت صرفه جویی ملاحظهای میشود.

انتخاب اولیه نیمههادی قدرت انتخاب اولیه بهترین آرایش ممکن پیش بینی تقریبی تلفات در قطعه کاربرد نیمه هادی های قدرت در منابع تغذیه سوییچینگ کشف و ترویج نیمه هادی قدرت در دهه 1930 نقطه عطفی در طرح منابع سوییچینگ به شمار میآید نیمه هادیها مزایای فراوانی را در زمینههای سرعت اندازه وزن و راحتی استفاده ....

به طراح میدهند.

علی رغم پیشرفت تکنولوژی نیمه هادیها هنوز هم این بخش آسیب پذیرترین جزء در طرح تغذیه سوییچینگ میباشد.

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 نیمههادیها نقش بسیار بزرگی در قابلیت تحمل مدارات تغذیه سوییچینگ بر عهده دارد.

1-5: ترانزیستور قدرت دو قطبی BJT این ترانزیستورها از زمان ظهور نیمه هادی در منابع تغذیه سوییچینگ به کار گرفته