انواع منابع تغذیه در مدارت

یکی از مهمترین بخش‌ها در مدارات الکترونیکی، قسمت تغذیه مدار (Power Supply Circuits) است. این قسمت برق مورد نیاز بخش‌های دیگر را تأمین می‌کند و در واقع مانند ستون فقرات سیستم است. همچنین برای انتقال برق در خطوط قدرت، از برق AC استفاده می‌شود اما در عمده‌ دستگاه‌های الکترونیکی، مانند گوشی‌های هوشمند، کامپیوترها و… برق مورد نیاز برای مدار، DC می‌باشد. علاوه بر آن هر قسمت از مدار با سطح ولتاژ مخصوصی کار می‌کند. پس انتخاب منبع مناسب و طراحی صحیح آن‌، میتواند تاثیر زیادی روی بهبود عملکرد مدار و کارکرد بهینه‌ آن داشته باشد. در نتیجه لازم است منابع تغذیه را شناخته و با عملکرد آنها 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.

 

 

 

• 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 آنها بیشتر زمانهایی 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 ساده‌تر آنها 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 heatsinkهای بزرگ دارند.

بخش‌های یک منبع تغذیه خطی همانطور که در تصویر زیر مشخص است شامل بخش ترانسفورماتور، بخش یکسوساز، بخش صافی و قسمت تثبیت ولتاژ می‌باشد.

عملکرد بلوک‌های منبع تغذیه خطی

1. 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.
2.   در بخش بعد، ولتاژ ac یکسو می‌شود. برای اینکار عموما از پل‌های یکسوساز تمام موج استفاده می‌شود. میتوان از یکسوساز نیم موج و یا حتی یک دیود سری نیز برای یکسوسازی استفاده کرد. (مشخصاً استفاده از یکسوساز تمام موجب کیفیت بهتری می‌شود.) نکته‌ دانستی درمورد این مدارات این است که در تعمیر این گونه منابع، بیشترین احتمال مربوط به خرابی دیودهای این قسمت می‌باشد. زیرا به دلیل جریان کشی بالا و یا وجود اسپایک در ورودی، این بخش مدار در معرض آسیب بیشتری قرار دارد.

   

3. در قسمت بعد خروجی یکسوساز با استفاده از یک خازن صاف می‌شود. خازنی که در این قسمت استفاده می‌شود، باید تا ماکزیمم پیک ولتاژ سمت ثانویه ترانسفورماتور، شارژ شوند. (خازن‌های تانتالیوم به دلیل ریپل کمتر میتوانند گزینه‌ خوبی برای استفاده به عنوان خازن‌های صافی باشند.)

   

    

4. 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. رگولاتورها خود تنوع بالایی دارند. به عنوان ساده‌ترین مدارات برای تثبیت کردن ولتاژ در خروجی می‌توان به دیود زنر موازی با بار، یا ترانزیستور به عنوان بافر اشاره کرد. همچنین نمونه‌هایی از رگولاتورهای 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 

منابع تغذیه سوییچینگ (Switched mode power supplies (SMPS)) 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 ترانسفورماتورهای 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 بخش‌های مدار تاثیرات ناخواسته‌ای بگذارد.

منابع تغذیه سوییچینگ به طور کلی به سه دسته‌ 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

مبدل‌های باک برای کاهش سطح ولتاژ DC استفاده می‌شوند. در رگولاتورهای خطی، کاهش ولتاژ به شکل تلف شدن توان و تولید گرما، صورت می‌گیرد. اما  در این نوع مبدل‌ها 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.

 

 

عملکرد مبدل باک

ترانزیستور سوییچینگ با فرکانس بالایی دائما روشن و خاموش می‌شود. کنترل این ترانزیستور به وسیله ICهای سوییچینگ صورت می‌گیرد که پالس PWM تولید می‌کنند. (حتی میتوان از تایمر 555 نیز استفاده کرد.) در نتیجه ترانزیستور در بازه‌هایی روشن و در بازه‌هایی 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.
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 تأمین شده توسط سلف، به بار می‌رسد.
ولتاژ خروجی در مبدل باک از رابطه‌ زیر به دست می‌آید. D در اینجا duty cycle است که نسبت مدت زمان روشن بودن ترانزیستور، به مدت زمان یک سیکل کامل می‌باشد.

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

 

• مبدل بوست Boost Converter

مبدل‌های بوست برای افزایش سطح ولتاژ DC استفاده می‌شوند. در این نوع مبدل‌ها 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.

 

عملکرد مبدل بوست

در مبدل‌های باک نیز از ترانزیستور سوییچینگ استفاده شده است که با ICهایی 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.
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.)
در سیکل‌های 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 تقریباً ثابت می‌ماند.
همچنین ولتاژ خروجی را از رابطه‌ روبرو میتوان به دست آورد. مشاهده می‌شود که هر چقدر عرض پالس بیشتر باشد، ولتاژ خروجی نیز بیشتر خواهد بود.

البته در عمل، افزایش ولتاژ با استفاده از مبدل بوست، محدودیت‌هایی 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.

چند مثال طراحی

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 مبدل‌های بوست به مثالهای 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 و در نتیجه‌، سطح ولتاژ خروجی را تنظیم کرد.

شماتیک یک مدار مبدل بوست

 

در مثال زیر نیز 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 مقاومت‌های 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 گونه‌ای تنظیم می‌شود که ولتاژ خروجی ثابت مانده و مستقل از تغییرات بار باشد.

 

• مبدل باک- بوست Buck-Boost Converter

در مبدل باک بوست (buck-boost converter) آرایش مدار در دو حالت باک و بوست با هم ترکیب شده‌اند. 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.

 

عملکرد مبدل 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.
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 تأمین میگردد. دقت کنید در این حالت، سلف با کاهش جریان مخالفت می‌کند، در نتیجه پلاریته‌ آن مطابق تصویر روبرو خواهد بود. در مبدل‌های باک-بوست همواره ولتاژ ورودی و خروجی معکوس یکدیگرند.
در ادامه در سیکل‌های 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 تأمین میگردد.
ولتاژ خروجی از رابطه‌ 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.

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

 

 

• عملکرد منابع تعذیه سوییچینگ

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

 

عملکرد منابع تغذیه سوییچینگ

در ابتدا 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 پیچ‌های ترانسفورماتور، سطح خروجی تنظیم شده و در قسمت بعد مجدداً 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 مجدداً 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 سلف‌ها و خازن‌های مورد استفاده، می‌توانند در ابعاد بسیار کوچکتری استفاده شوند. که این موضوع باعث کاهش قیمت تمام شده مدار میگردد.

 

مزایا و معایب منابع تغذیه خطی و سوییچینگ

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

ویژگی‌ها/ 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، مناسبتر است.

 

خلاصه

در این مقاله با انواع منابع تغذیه و عملکرد هر کدام آشنا شدیم. با توجه به مزایا و معایب گفته شده برای هر نوع از طراحی منبع، میتوان منبع مناسب را انتخاب و استفاده کرد. علاوه بر این در تعمیر مدارات، عمده‌ خرابی‌ها مربوط به این قسمت می‌باشد که نشان‌ دهنده‌ لزوم توجه به کیفیت طراحی قسمت تغذیه است. در مرکز ذهن دیجیتال، طراحی مدارات توسط مهندسین مجرب صورت گرفته و تمامی نکات مورد توجه قرار می‌گیرد. همچنین پس از اتمام طراحی، مدار مدتی برای تست در اختیار مشتری قرار می‌گیرد تا از عملکرد مناسب آن اطمینان حاصل شود.