کاربردها، مزایا و اصول کار منبع تغذیه سوئیچینگ

منبع تغذیه چیست؟
 منبع تغذیه دستگاهی الکتریکی است که جریان الکتریکی حاصل از منبع تغذیه را به مقدار ولتاژ لازم برای تغذیه بار، مانند یک موتور یا یک دستگاه الکترونیکی، تبدیل می‌کند. دو طرح اصلی برای منابع تغذیه وجود دارد: منبع تغذیه خطی و منبع تغذیه سوئیچینگ.

فروشگاه آینور ارائه کننده انواع منبع تغذیه در سراسر ایران است. شما می توانید برای خرید انواع منبع تغذیه سفارش خود را به صورت آنلاین ثبت نمایید.

منبع تغذیه خطی

طرح های منبع تغذیه خطی از ترانسفورماتور برای پایین آوردن ولتاژ ورودی استفاده می کنند. سپس ولتاژ یکسو می شود و به ولتاژ جریان مستقیم تبدیل می شود که سپس برای بهبود کیفیت شکل موج فیلتر می شود. منابع تغذیه خطی از تنظیم کننده های خطی برای حفظ ولتاژ ثابت در خروجی استفاده می کنند. این تنظیم کننده های خطی هر انرژی اضافی را به شکل گرما دفع می کنند.
سوئیچینگ: طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ روش جدیدی است که برای حل بسیاری از مشکلات مرتبط با طراحی منبع تغذیه خطی، از جمله اندازه ترانسفورماتور و تنظیم ولتاژ توسعه یافته است. در طرح های منبع تغذیه سوئیچینگ، ولتاژ ورودی دیگر کاهش نمی یابد. در عوض، در ورودی تصحیح و فیلتر می شود. سپس ولتاژ از طریق یک ترانسفورمر سایز کوچک و یک ترازیستور قدرت  عبور می کند که آن را به یک قطار پالس فرکانس بالا تبدیل می کند. قبل از اینکه ولتاژ به خروجی برسد، یک بار دیگر فیلتر و اصلاح می شود.

منبع تغذیه سوئیچینگ

 طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ روش جدیدی است که برای حل بسیاری از مشکلات مرتبط با طراحی منبع تغذیه خطی، از جمله اندازه ترانسفورماتور و تنظیم ولتاژ توسعه یافته است. در طرح های منبع تغذیه سوئیچینگ، ولتاژ ورودی دیگر کاهش نمی یابد. در عوض، در ورودی تصحیح و فیلتر می شود. سپس ولتاژ از طریق یک ترانسفورمر سایز کوچک و یک ترازیستور قدرت  عبور می کند که آن را به یک قطار پالس فرکانس بالا تبدیل می کند. قبل از اینکه ولتاژ به خروجی برسد، یک بار دیگر فیلتر و اصلاح می شود.

منبع تغذیه سوئیچینگ چگونه کار می کند؟

سال‌هاست که منابع تغذیه AC/DC خطی برق متناوب را از شبکه برق به ولتاژ DC برای راه‌اندازی لوازم خانگی یا روشنایی تبدیل می‌کنند. نیاز به منابع کوچکتر برای کاربردهای پرقدرت به این معنی است که منابع تغذیه خطی به مصارف صنعتی و پزشکی خاص منتقل شده‌اند، جایی که به دلیل سر و صدای کم هنوز مورد نیاز هستند. اما منابع تغذیه سوئیچینگ به دلیل کوچکتر بودن، کارآمدتر بودن و توانایی مدیریت توان بالا، همه چیز را به خود اختصاص داده اند. شکل 1 تبدیل کلی از جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) در منبع تغذیه سوئیچینگ را نشان می دهد.

شکل 1: منبع تغذیه AC/DC مدل سوئیچینگ

یک سو سازی ولتاژ ورودی

 یکسوسازی فرآیند تبدیل ولتاژ AC به ولتاژ DC است. تصحیح سیگنال ورودی اولین مرحله در منابع تغذیه AC/DC حالت سوئیچ است. معمولاً تصور می شود که ولتاژ DC یک خط مستقیم و تزلزل ناپذیر از ولتاژ ثابت است، مانند نوعی که از باتری خارج می شود. با این حال، آنچه جریان مستقیم (DC) را تعریف می کند، جریان یک طرفه بار الکتریکی است. این بدان معنی است که ولتاژ در یک جهت جریان دارد اما لزوماً ثابت نیست.

موج سینوسی معمولی ترین شکل موج جریان متناوب (AC) است و برای نیم سیکل اول مثبت اما برای بقیه چرخه منفی است. اگر نیم چرخه منفی معکوس یا حذف شود، جریان متناوب متوقف می شود و به جریان مستقیم تبدیل می شود. این را می توان با فرآیندی به نام یک سو سازی به دست آورد.
یکسوسازی را می توان با استفاده از یکسو کننده نیمه پل برای حذف نیمه منفی موج سینوسی با استفاده از یک دیود به دست آورد (شکل 2 را ببینید). دیود اجازه می دهد تا جریان در طول نیمه مثبت موج از آن عبور کند، اما هنگامی که در جهت مخالف جریان دارد، جریان را قطع می کند.

شکل 2: یکسو کننده نیم پل

پس از یکسوسازی، موج سینوسی حاصله دارای توان متوسط پایینی خواهد بود و قادر نخواهد بود دستگاه ها را به طور کارآمد تغذیه کند. یک روش بسیار کارآمدتر تغییر جهت  نیم موج منفی و مثبت کردن آن خواهد بود. این روش یکسوسازی تمام موج نامیده می شود و فقط به چهار دیود در پیکربندی پل نیاز دارد (شکل 3 را ببینید). 
این آرایش یک جهت جریان جریان را بدون توجه به جهت ولتاژ ورودی حفظ می کند.

شکل 3: یکسو کننده تمام پل

یک موج کاملا یکسو شده دارای میانگین ولتاژ خروجی بالاتری نسبت به ولتاژ تولید شده توسط یکسو کننده نیم پل است، اما هنوز با شکل موج DC ثابت مورد نیاز برای تغذیه دستگاه های الکترونیکی فاصله زیادی دارد. اگرچه این یک موج DC است، اما استفاده از آن برای تغذیه یک دستگاه به دلیل شکل موج ولتاژ، که مقدار آن خیلی سریع و اغلب تغییر می کند، ناکارآمد خواهد بود. این تغییر دوره ای در ولتاژ DC ریپل نامیده می شود - کاهش یا حذف ریپل برای یک منبع تغذیه کارآمد بسیار مهم است.
ساده ترین و متداول ترین روش برای کاهش امواج استفاده از یک خازن بزرگ در خروجی یکسو کننده است که به آن خازن یا فیلتر صاف کننده می گویند (شکل 4 را ببینید).
خازن ولتاژ را در زمان اوج موج ذخیره می کند، سپس بار را با جریان تامین می کند تا زمانی که ولتاژ آن از موج ولتاژ اصلاح شده در حال افزایش کوچکتر شود. شکل موج به دست آمده بسیار نزدیکتر به شکل مورد نظر است و می توان آن را یک ولتاژ DC بدون مولفه AC در نظر گرفت. این شکل موج ولتاژ نهایی اکنون می تواند برای تغذیه دستگاه های DC استفاده شود.
 

شکل 4: یکسو کننده پل کامل با خازن صافی

یکسوسازی غیرفعال از دیودهای نیمه هادی به عنوان کلیدهای کنترل نشده استفاده می کند و ساده ترین روش برای اصلاح موج AC است، اما کارآمدترین روش نیست.
دیودها سوئیچ های نسبتا کارآمدی هستند. آنها می توانند به سرعت با حداقل تلفات برق روشن و خاموش شوند. تنها مشکل دیودهای نیمه هادی این است که افت ولتاژ بایاس رو به جلو بین 0.5 ولت تا 1 ولت دارند که باعث کاهش راندمان می شود.
یکسوسازی فعال دیودها را با سوئیچ های کنترل شده جایگزین می کند، مانند ماسفت ها یا ترانزیستورهای BJT (شکل 5 را ببینید). مزایای این دو مورد است: اول اینکه یکسو کننده های مبتنی بر ترانزیستور افت ولتاژ ثابت 0.5 ولت تا 1 ولت مرتبط با دیودهای نیمه هادی را حذف می کنند، زیرا مقاومت آنها می تواند کوچک شود و در نتیجه افت ولتاژ کمی داشته باشد. دوم، ترانزیستورها سوئیچ های کنترل شده هستند، به این معنی که فرکانس سوئیچینگ را می توان کنترل و بنابراین بهینه کرد.
نقطه ضعف این است که یکسو کننده های فعال برای رسیدن به هدف خود به مدارهای کنترلی پیچیده تری نیاز دارند که به اجزای اضافی نیاز دارد و در نتیجه آنها را گران تر می کند.
 

شکل 5: یکسو کننده فعال تمام پل

تصحیح ضریب توان (PFC)

مرحله دوم در طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ، تصحیح ضریب توان (PFC) است.
مدارهای PFC ارتباط چندانی با تبدیل واقعی برق AC به برق DC ندارند، اما جزء حیاتی اکثر منابع تغذیه تجاری هستند.

شکل 6: شکل موج ولتاژ و جریان در خروجی یکسوساز

اگر شکل موج جریان خازن مخزن یکسو کننده را مشاهده کنید (شکل 6 را ببینید)، خواهید دید که جریان شارژ در یک بازه زمانی بسیار کوتاه از خازن عبور می کند، به ویژه از نقطه ای که ولتاژ در ورودی خازن است. بیشتر از شارژ خازن به پیک سیگنال تصحیح شده است. این باعث ایجاد یک سری نوک جریان کوتاه در خازن می شود، بنابراین نه تنها برای منبع تغذیه، بلکه برای کل شبکه برق به دلیل مقدار زیادی هارمونیک که این اسپایک های جریان به شبکه تزریق می کنند، مشکل مهمی ایجاد می کند. هارمونیک ها می توانند اعوجاج ایجاد کنند که ممکن است بر سایر منابع تغذیه و دستگاه های متصل به شبکه تأثیر بگذارد.
در طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ، هدف مدار تصحیح ضریب توان، به حداقل رساندن این هارمونیک ها با فیلتر کردن آنهاست. برای انجام این کار، دو گزینه وجود دارد: تصحیح ضریب توان فعال و غیرفعال.

1. مدارهای PFC غیرفعال از فیلترهای پایین گذر غیر فعال تشکیل شده اند که سعی در حذف هارمونیک های فرکانس بالاتر دارند. با این حال، منابع تغذیه، به ویژه در کاربردهای با توان بالا، نمی توانند با مقررات بین المللی در مورد نویز هارمونیک تنها با استفاده از PFC غیرفعال مطابقت داشته باشند. در عوض، آنها باید تصحیح توان فعال را اعمال کنند.
2. مدارهای PFC فعال شکل موج فعلی را تغییر می دهد و آ از ولتاژ پیروی می کند. هارمونیک ها به فرکانس های بسیار بالاتر منتقل می شوند و فیلتر کردن آنها را آسان تر می کند. پرکاربردترین مدار برای این موارد یک مبدل تقویت کننده است که به آن مبدل افزایش دهنده نیز می گویند.

جداسازی منابع تغذیه سوئیچینگ ایزوله وغیر ایزوله

چه مدار PFC وجود داشته باشد یا نباشد، مرحله نهایی برای تبدیل توان پایین آوردن ولتاژ DC تصحیح شده به مقدار مناسب برای کاربرد مورد نظر است.
از آنجایی که شکل موج AC ورودی در ورودی اصلاح شده است، خروجی ولتاژ DC بالا خواهد بود: اگر PFC وجود نداشته باشد، ولتاژ DC خروجی از یکسو کننده حدود 320 ولت خواهد بود. اگر یک مدار PFC فعال وجود داشته باشد، خروجی مبدل تقویت کننده یک ولتاژ DC ثابت 400 ولت یا بیشتر خواهد بود.
هر دو روش برای اکثر کاربردهایی که معمولاً به ولتاژ بسیار پایین تری نیاز دارند بسیار خطرناک و بی فایده هستند. جدول 1 چندین مدل مبدل و کاربردی را نشان می دهد که باید هنگام انتخاب روش یکسوسازی مناسب در نظر گرفته شوند.

جدول 1: منابع تغذیه AC/DC ایزوله در مقایسه با غیر ایزوله

نکته اصلی هنگام انتخاب روش طراحی برای استفاده، ایمنی است. منبع تغذیه در ورودی به برق AC متصل است، به این معنی که اگر جریانی به خروجی نشت داشته باشد، یک شوک الکتریکی به این نسبت می تواند به شدت آسیب ببیند یا باعث مرگ شود و به هر دستگاه متصل به خروجی آسیب برساند.
ایمنی را می توان با جداسازی مغناطیسی مدارهای ورودی و خروجی یک منبع تغذیه AC/DC متصل به شبکه به دست آورد. پرکاربردترین مدارها در منابع تغذیه ایزوله AC/DC مبدل های فلای بک و مبدل های رزونانسی LLC هستند، زیرا شامل جداسازی گالوانیکی یا مغناطیسی هستند (شکل 7 را ببینید).
 

شکل 9: منبع تغذیه سوئیچینگ AC/DC غیر ایزوله با PFC فعال

مبدل های باک را می توان بسیار راحت تر از یک ترانسفورماتور یکپارچه کرد، زیرا فقط یک سلف مورد نیاز است. آنها همچنین در کاهش ولتاژ بسیار کارآمدتر هستند، با راندمان معمولی بالاتر از 95٪. این سطح از راندمان امکان پذیر است زیرا ترانزیستورها و دیودها تقریباً هیچ افت قدرت سوئیچینگ ندارند، بنابراین تنها تلفات از سلف است.
یک نمونه از رگولاتورهای خروجی منبع تغذیه AC/DC غیر ایزوله، خانواده MPS MP17xA است. این خانواده می‌تواند توپولوژی‌های مبدل مختلفی مانند buck، boost، buck-boost یا flyback را کنترل کند. می توان از آن برای ولتاژهای تا 700 ولت استفاده کرد، به این معنی که برای تغذیه تک فاز در نظر گرفته شده است. همچنین دارای یک گزینه حالت سبز است که در آن فرکانس سوئیچینگ و جریان پیک متناسب با بار کاهش می یابد و بازده کلی منبع تغذیه را بهبود می بخشد. شکل 10 مدار کاربردی معمولی برای MP173A را نشان می دهد، جایی که یک مبدل باک را تنظیم می کند که از یک سلف (L1)، دیود (D1) و خازن (C4) تشکیل شده است. مقاومت ها (R1 و R2) یک تقسیم کننده ولتاژ ایجاد می کنند که ولتاژ بازخورد (پاین FB) را فراهم می کند و حلقه کنترل را می بندد.
 

شکل 10: مدار کاربردی MP173A معمولی

منابع تغذیه سوئیچینگ AC/DC عملکرد بیشتری را در اندازه مداری کوچکترارائه می دهند که همین موضوع باعث محبوبیت آنها شده است. نقطه ضعف این است که مدارهای آنها به طور قابل توجهی پیچیده تر هستند و به مدارهای کنترلی دقیق تری و فیلترهای حذف نویز نیاز دارند. علیرغم پیچیدگی بیشتر، MPS راه حل های ساده و کارآمدی را برای سهولت در توسعه منبع تغذیه AC/DC ارائه می دهد.

خلاصه

منابع تغذیه سوئیچینگ AC/DC در حال حاضر کارآمدترین راه برای تبدیل برق AC به برق DC هستند. برق در سه مرحله تبدیل می شود:

یکسوسازی ورودی: این فرآیند ولتاژ شبکه AC را می گیرد و با استفاده از یک پل دیودی آن را به یک موج یکسو شده DC تبدیل می کند. یک خازن در خروجی پل اضافه می شود تا ولتاژ ریپل را کاهش دهد.

تصحیح ضریب توان (PFC): به دلیل جریان غیرخطی در یکسو کننده، محتوای هارمونیک جریان بسیار زیاد است. دو راه برای حل این مشکل وجود دارد. اولی PFC غیرفعال است که از یک فیلتر برای کاهش اثر هارمونیک ها استفاده می کند، اما خیلی کارآمد نیست. گزینه دوم که PFC فعال نام دارد، از یک مبدل تقویت کننده سوئیچینگ استفاده می کند تا شکل موج جریان را از شکل ولتاژ ورودی پیروی کند. PFC فعال تنها روش طراحی مبدل قدرت است که استانداردهای فعلی اندازه و کارایی را برآورده می کند.

جداسازی: منابع تغذیه سوئیچینگ می توانند ایزوله یا غیر ایزوله باشند. هنگامی که ورودی و خروجی منبع تغذیه به صورت فیزیکی متصل نباشد، دستگاه ایزوله می شود. جداسازی با استفاده از ترانسفورماتورها انجام می شود که به صورت گالوانیکی دو نیمه مدار را ایزوله می کنند. با این حال، ترانسفورماتورها تنها زمانی می توانند توان الکتریکی را انتقال دهند که تغییر در جریان وجود داشته باشد، بنابراین ولتاژ DC یکسو شده به یک موج مربعی با فرکانس بالا تقسیم می شود، که سپس به مدار ثانویه منتقل می شود، جایی که دوباره یکسو شده و در نهایت به خروجی منتقل می شود. 

ترجمه و تدوین : مهندس رضا آقایی کارشناس ارشد الکترونیک