انواع منابع تغذیه در مدارت Power Supply Circuits

folder_openUncategorized

یکی از مهمترین بخش ها در مدارات الکترونیکی، قسمت تغذیه مدار است. این قسمت برق مورد نیاز بخش های دیگر را تامین می‌کند و در واقع مانند ستون فقرات سیستم است.  همچنین همانطور که می‌دانیم برای انتقال برق در خطوط قدرت، از برق AC استفاده می‌شود اما در عمده‌ی دستگاه های الکترونیکی، مانند گوشی های هوشمند، کامپیوتر ها و… برق مورد نیاز برای مدار DC است. علاوه بر آن هر قسمت مدار با سطح ولتاژ مخصوصی کار می‌کند. پس انتخاب منبع مناسب و طراحی صحیح آن‌، می‌تواند تاثیر زیادی روی بهبود عملکرد مدار و کارکرد بهینه‌ی آن داشته باشد. در نتیجه لازم است منابع تغذیه را شناخته و با عملکرد آن ها آشنا شویم.

به طور کلی منابع تغذیه به دو دسته‌ی منابع تغذیه خطی (linear power supply) و سوییچینگ (switching mode power supply-SMPS) تقسیم می‌شوند.

انواع منابع تغذیه
انواع منابع تغذیه

 

  • منابع تغذیه خطی (linear power supply)

منابع تغذیه خطی تا سال 1970 بسیار مورد استفاده بودند اما پس از آن با وارد شدن منابع تغذیه سوییچینگ، استفاده از این منابع کاهش یافت. در واقع آن ها بیشتر زمان هایی استفاده می‌شوند که بدون نویز بودن خروجی بسیار حائز اهمیت باشد. زیرا به دلیل استفاده نکردن از تکنیک سوییچینگ، نویز این مدارات کم است. از دیگر مزایای این نوع مدارات می‌توان به ساختار ساده تر آن ها نسبت به منابع تغذیه سوییچینگ اشاره کرد. بزرگترین نقطه ضعف این مدارات، بازده پایین و تلفات بالا می‌باشد. به طوری که به طور میانگین بازده منابع تغذیه خطی در حدود 50% است. همچنین به دلیل بزرگ بودن قطعات در این مدارات، سایز و وزن بالایی دارند و به دلیل تلفات بالا و گرم شدن احتیاج به heatsink های بزرگ دارند.

به طور کلی مطابق تصویر زیر، بخش های یک منبع تغذیه  خطی شامل بخش ترانسفورماتور، بخش یکسوساز، بخش صافی و قسمت تثبیت ولتاژ می‌باشد.

بلوک بندی کلی منابع تغذیه خطی
یک برد منبع تغذیه خطی

 

  • در قسمت ترانسفورماتوری منبع تغذیه خطی، سطح ولتاژ ac ورودی کاهش پیدا می‌کند و علاوه بر آن به این وسیله، دو قسمت مدار از هم ایزوله می‌شوند.
  •  در بخش بعد، ولتاژ ac یکسو می‌شود. برای اینکار عموما از پل های یکسوساز تمام موج استفاده می‌شود. می‌توان از یکسوساز نیم موج و یا حتی یک دیود سری نیز برای یکسوسازی استفاده کرد. (مشخصا استفاده از یکسوساز تمام موجب کیفیت بهتری را به دست می‌دهد.) نکته‌ی دانستی درمورد این مدارات این است که در تعمیر این گونه منابع، بیشترین احتمال مربوط به خرابی دیود های این قسمت می‌باشد. زیرا به دلیل جریان کشی بالا و یا وجود اسپایک در ورودی، این بخش مدار در معرض آسیب بیشتری قرار دارد.
شکل موج ورودی پس از یکسوسازی
  •  در قسمت بعد خروجی یکسوساز با استفاده از یک خازن صاف می ‌شود. خازنی که در این قسمت استفاده می‌شود، باید تا ماکزیمم پیک ولتاژ سمت ثانویه ترانسفورماتور، شارژ شوند. (خازن های تانتالیوم به دلیل ریپل کمتر می‌توانند گزینه‌ی خوبی برای استفاده به عنوان خازن های صافی باشند.)
شکل موج ورودی یکسوشده پس از عبور از خازن صافی
  • در قسمت بعد ولتاژ باید توسط یک رگولاتور تثبیت شود. برای مثال فرض کنید خروجی قسمت خازن صافی یک ولتاژ DC باشد که بین 15 تا 17 ولت نوسان دارد. با استفاده از یک رگولاتور می‌توان خروجی نهایی را روی 12 ولت تثبیت کرد. رگولاتور ها خود تنوع بالایی دارند. به عنوان ساده ترین مدارات برای تثبیت کردن ولتاژ در خروجی می‌توان به دیود زنر موازی با بار، یا ترانزیستور به عنوان بافر اشاره کرد. همچنین نمونه هایی از رگولاتور های IC-based نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. مانند رگولاتور 7812 یا رگولاتور LM317. در این قسمت مدار به علت اتلاف توان به شکل حرارت، استفاده از heat sink لازم است.
  • منابع تغذیه سوییچینگ Switched mode power supplies (SMPS)

 منابع تغذیه سوییچینگ نسبت به منابع تغذیه خطی از نظر ساختار پیچیده‌ترند، اما اگر به درستی طراحی شوند، میتوان بازده تا 80% از این مدارات گرفت. همچنین به علت استفاده از ترانسفورماتور های فرکانس بالا که ابعاد هسته کوچکتری دارند، این مدارات از نظر اندازه از مدارات منابع تغذیه خطی کوچکترند. نقطه ضعف این مدارات این است که به علت بالا بودن فرکانس کاری مدار، ممکن است نویز ایجاد شود و روی دیگر بخش های مدار تاثیرات ناخواسته ای بگذارد.

منابع تغذیه سوییچینگ به طور کلی به سه دسته‌ی باک (کاهنده ولتاژ) ، بوست (افزاینده ولتاژ) و باک-بوست (وارونگر پلاریته ولتاژ) تقسیم می‌شوند.  در ادامه به توضیح و بررسی هر یک می‌پردازیم.

  • مبدل باک Busk Converter

مبدل های باک برای کاهش سطح ولتاژ DC استفاده می‌شوند. در رگولاتور های خطی، کاهش ولتاژ به شکل تلف شدن توان و تولید گرما، صورت می‌گیرد. اما  در این نوع مبدل ها کاهش ولتاژ از طریق افزایش جریان اتفاق می‌افتد. در نتیجه بازده به طور قابل توجهی افزایش پیدا می‌یابد. شکل زیر نمای کلی مبدل باک را نشان می‌دهد.

ساختار کلی مبدل های باک
یک مدار مبدل باک

ترانزیستور سوییچینگ با فرکانس بالایی دائما روشن و خاموش می‌شود. کنترل این ترانزیستور به وسیله IC های سوییچینگ صورت می‌گیرد که پالس PWM تولید می‌کنند. (حتی می‌توان از تایمر 555 نیز استفاده کرد.) در نتیجه ترانزیستور در بازه هایی روشن و در بازه هایی خاموش خواهد بود.

در ابتدا جریان در مدار صفر است. زمانی که ترانزیستور روشن می‌شود، جریان رفته رفته افزایش می‌یابد و از سلف عبور می‌کند. در نتیجه دو سر سلف، ولتاژی به وجود می‌آید که با افزایش جریان مخالفت کند. در این حالت انرژی در سلف ذخیره می‌شود. از طرفی جریان پس از عبور از سلف به بار می‌رسد و خازن نیز شارژ می‌شود. باید دقت داشت همانطور که در شکل نیز مشخص است، دیود در این حالت در بایاس معکوس قرار دارد.
سیکل اول در مبدل باک
سیکل اول- مبدل باک
زمانی که ترانزیستور خاموش می‌شود، منبع ولتاژ از مدار خارج می‌شود. در نتیجه جریان شروع به کاهش می‌کند. سلف با این کاهش جریان مخالفت کرده و در واقع مانند منبع جریان عمل خواهد کرد. در نتیجه دیود در این حالت در بایاس مستقیم قرار گرفته و جریان تامین شده توسط سلف، به بار می‌رسد.
سیکل دوم در مبدل باک
سیکل دوم- مبدل باک
ولتاژ خروجی در مبدل باک از رابطه‌ی زیر به دست می‌آید. در این رابطه همانطور که در تصویر نیز مشخص است، D در اینجا duty cycle است که نسبت مدت زمان روشن بودن ترانزیستور، به مدت زمان یک سیکل کامل می‌باشد.
رابطه ورودی-خروجی مبدل باک

در مجموع، زمانی که ترانزیستور روشن است، جریان بار از طریق منبع تامین می‌شود و زمانی که ترانزیستور خاموش است، جریان بار را سلف تامین می‌کند. همچنین وجود خازن (با ظرفیت بالا) در خروجی، ثابت ماندن Vo را در طول زمان تضمین می‌کند.

  • مبدل بوست Boost Converter

مبدل های بوست برای افزایش سطح ولتاژ DC استفاده می‌شوند. در این نوع مبدل ها افزایش ولتاژ از طریق کاهش جریان صورت می‌گیرد. قطعات استفاده شده در این مدار، همان قطعات استفاده شده در مدار مبدل باک می‌باشند. تنها تفاوت در نحوه‌ی قرارگیری قطعات است. می‌توان از ترانزیستور ماسفت نیز استفاده کرد. شکل زیر نمای کلی مبدل بوست را نشان می‌دهد.

ساختار کلی مبدل های بوست
یک مدار مبدل بوست

در مبدل های باک نیز از ترانزیستور سوییچینگ استفاده شده است که با IC هایی سوییچینگ می‌توان آن را کنترل کرد.

اولین باری که ماسفت روشن می‌شود، مدار سمت راست سلف توسط ماسفت اتصال کوتاه می‌شود. زیرا امپدانس در این مسیر بسیار کمتر از مسیر گذرنده از دیود و خازن است. در نتیجه جریان پس از عبور از سلف و ماسفت به منبع باز می‌گردد. در این حالت انرژی در سلف ذخیره می‌شود.
حالت گذرا اولیه – مبدل بوست
زمانی که ماسفت ناگهان خاموش می‌شود، مسیر عبور جریان مطابق تصویر روبرو خواهد بود. در این حالت جریان به شکل ناگهانی کاهش می‌یابد. (به علت افزایش امپدانس مسیر) در نتیجه سلف با کاهش جریان مخالفت کرده و پلاریته آن مطابق تصویر روبرو تغییر خواهد کرد. در این حالت دو ولتاژ Vin و VL با هم سری شده و ولتاژ Vin + VL روی گره d خواهد افتاد. در نتیجه دیود در بایاس مستقیم قرار خواهد گرفت و خازن تا ولتاژ Vin + VL شارژ شده و این ولتاژ روی بار قرار می‌گیرد. (البته افت ولتاژ اندکی نیز روی دیود به وجود می‌آید که از آن چشم پوشی شده است.)
سیکل خاموش بودن ترانزیستور- مبدل بوست
در سیکل های بعد، هر بار که ماسفت دوباره روشن می‌شود، ولتاژ کاتد دیود از ولتاژ آند آن بیشتر خواهد بود و دیود در بایاس معکوس قرار خواهد داشت. (به علت شارژ بودن خازن و تغییر جهت پلاریته سلف) در این حالت ولتاژ روی بار توسط خازن ایجاد می‌شود که تا مقدار  Vin + VL شارژ شده بود. البته اگرچه ولتاژ دو سر خازن در این حالت با تخلیه روی بار کاهش پیدا می‌کند، در هر بار که ماسفت خاموش می‌شود، خازن تا ولتاژ Vin + VL شارژ می‌شود. و در مجموع ولتاژ روی بار تقریبا ثابت می‌ماند.
سیکل روشن بودن ترانزیستور- مبدل بوست
همچنین ولتاژ خروجی را از رابطه‌ی روبرو می‌توان به دست آورد. مشاهده می‌شود که هر قدر عرض پالس بیشتر باشد، ولتاژ خروجی نیز بیشتر خواهد بود.
رابطه ورودی-خروجی مبدل بوست

البته در عمل، افزایش ولتاژ با استفاده از مبدل بوست، محدودیت هایی دارد. اگر ماسفت برای مدت زمانی بیشتر از چند صد میکروثانیه (با توجه به ظرفیت سلف) روشن بماند، منبع اتصال کوتاه می‌شود، ممکن است عایق سلف آسیب ببیند و یا حتی ماسفت از بین برود.

تا اینجا ساختاری که معرفی شد ساختار بسیار ساده‌ای بود تا به راحتی قابل فهم باشد. باید توجه داشت در حالت معرفی شده، ولتاژ خروجی با تغییرات بار تغییر می‌کند. برای رفع این مشکل می‌توان قسمت فیدبک به مدار اضافه کرد به نحوی که PWM تولید شده متناسب با تغییرات بار تغییر کرده و ولتاژ خروجی را ثابت و مستقل از تغییرات بار نگه دارد. برای درک بهتر مبدل های بوست به مثال های جالب زیر توجه کنید

  • در مثال زیر برای ساخت PWM برای کنترل ماسفت از تایمر 555 استفاده شده است. مشاهده می‌شود که خروجی تایمر به گیت ماسفت داده شده است. با تغییر پتانسیومتر، می‌توان عرض پالس تولید شده  توسط تایمر را تغییر داد که در نتیجه ی آن سطح ولتاژ خروجی را تنظیم کرد.
شماتیک یک مدار مبدل بوست

 

در مثال زیرنیز برای تثبیت سطح خروجی از LM27313 استفاده شده است. درون این IC پالس با فرکانس ثابت 1.6MHz تولید می‌شود. همچنین ترانزیستور سوییچینگ نیز درون IC قرار دارد که از طریق پایه SW به سلف متصل می‌شود. در این مدار (با توجه به نسبت مقاومت های R2 و R3)  از ولتاژ خروجی نمونه برداری شده این نمونه با ولتاژ رفرنس درون IC مقایسه می‌شود. با توجه به تفاوت این مقادیر، عرض پالس سیگنال تولید شده به گونه ای تنظیم می‌شود که ولتاژ خروجی ثابت مانده و مستقل از تغییرات بار باشد.

یک مدار مبدل بوست با IC switching LM27313

 

  • مبدل باک- بوست Buck-Boost Converter

در مبدل باک بوست (buck-boost converter) آرایش مدار در دو حالت باک و بوست با هم ترکیب شده اند. با استفاده از این مدارات می‌توان در خروجی ولتاژی کمتر یا بیشتر از ولتاژ ورودی را به دست آورد. شکل زیر نمای کلی این مدارات را نشان می‌دهد.

ساختار کلی مبدل های باک- بوست
یک مدار باک- بوست

رفتار مدار را در دو حالتی که ترانزیستور روشن و خاموش است بررسی می‌کنیم.

در ابتدای راه اندازی مدار، زمانی که ترانزیستور روشن می‌شود، دیود در بایاس معکوس قرار خواهد گرفت و مسیر عبور جریان از ترانزیستور و سلف خواهد بود. در این حالت سلف شارژ می‌شود.

سیکل اول مبدل باک-بوست
سپس زمانی که ترانزیستور خاموش می‌شود، منبع از مدار خارج شده و انرژی ذخیره شده در سلف، در مدار تخلیه می‌شود. در این حالت دیود در بایاس مستقیم قرار دارد، خازن شارژ می‌شود و جریان گذرنده از بار نیز توسط سلف تامین می‌گردد. دقت کنید در این حالت، سلف با کاهش جریان مخالفت می‌کند، در نتیجه پلاریته‌ی آن مطابق تصویر روبرو خواهد بود. در مبدل های باک-بوست همواره ولتاژ ورودی و خروجی معکوس یکدیگرند.
سیکل دوم مبدل باک-بوست

در ادامه در سیکل های بعدی زمانی که دوباره ترانزیستور روشن می‌شود، سلف مجددا شارژ می‌گردد. در این حالت جریان بار توسط خازن که در سیکل قبل شارژ شده بود تامین می‌گردد.

ولتاژ خروجی از رابطه‌ی روبرو به دست می‌آید. با توجه به این رابطه می‌توان فهمید که  اگر D>0.5 باشد، ولتاژ خروجی بزرگتر از ولتاژ ورودی خواهد بود و اگر D<0.5  باشد، ولتاژ خروجی از ورودی کوچک‌تر است
رابطه ورودی-خروجی مبدل باک-بوست

برای بهتر درک کردن تفاوت ساختار مبدل های باک و بوست و باک-بوست، به شکل زیر توجه کنید.

ساختار کلی مبدل های باک و بوست و باک-بوست

 

  • عملکرد منابع تعذیه سوییچینگ

حال که با مبدل های باک و بوست آشنا شدیم، می‌توانیم به بررسی دقیق تر منابع تغذیه سوییچینگ بپردازیم. ساختار این منابع به طور کلی مطابق بلوک بندی شکل زیر می‌باشد.

ساختار کلی منابع تغدیه سوییچینگ (SMPS)
یک برد SMPS

 

 ولتاژ AC به مدار اعمال می‌شود. سپس یکسوسازی صورت می‌گیرد و ولتاژ DC ساخته شده به ماسفت اعمال می‌شود. با روشن و خاموش شدن ماسفت سیگنال مربعی ساخته می‌شود که به ترانسفورماتور اعمال می‌شود. در این قسمت با توجه به نسبت سیم پیچ های ترانسفورماتور، سطح خروجی تنظیم شده و در قسمت بعد مجددا یکسو می‌شود و در خروجی آماده خواهد بود. همچنین برای تثبیت خروجی، مسیر فیدبکی قرار گرفته است که از خروجی نمونه برداری کرده و با توجه به آن عرض پالس PWM تنظیم می‌شود تا ولتاژ ثابت بماند و با تغییرات بار تغییر نکند.

پس در این منابع تغذیه، پس از DC کردن ولتاژ AC ورودی، این ولتاژ DC مجددا توسط مدار سوییچینگ (متشکل از IC switch و ترانزیستور) به ولتاژ AC با فرکانس بالا تبدیل می‌شود. در ادامه نیز مجددا این ولتاژ AC برای استفاده در خروجی یکسو شده و DC می‌گردد. ممکن است این سوال پیش بیاید که علت این تبدیلات متعدد AC و DC به هم چیست. باید دقت کرد که به علت تبدیل شدن ولتاژ AC ورودی که فرکانس پایینی دارد، به ولتاژ AC با فرکانس بالا، اجزای مدار از جمله ترانسفورماتور و سلف ها و خازن های مورد استفاده، می‌توانند در ابعاد بسیار کوچکتری استفاده شوند. که این موضوع باعث کاهش قیمت تمام شده مدار می‌گردد.

در جدول زیر مزایا و معایب منابع تغذیه خطی و سوییچینگ آورده شده است.

ویژگی ها/ نوع تغذیه منابع تغذیه خطی

Linear power supply

منابع تغذیه سوییچینگ

SMPS

ایجاد نویز کم زیاد
ساختار مدار ساده پیچیده
ابعاد مدار بزرگ کوچک
اتلاف توان (به شکل گرما) زیاد کم
پاسخ مدار نسبت به تغییرات خروجی سریع کند
قیمت برای خروجی با توان پایین: ارزان برای خروجی با توان بالا: ارزان

در مجموع می‌توان گفت هر کدام از انواع منابع تغذیه مزایا ومعایب خاص خود را دارد. در نتیجه برای انتخاب برای طراحی منبع مورد نیاز، نوع مدار و ملزومات آن مشخص می‌کند که استفاده از کدام منبع، مناسب تر است.

Related Posts

فهرست