آی سی های کنترل منابع تغذیه سوئیچینگ

در سال های اخیر، انواع مختلف آی سی ها در بازار ظهور پیدا کرده اند که اجرای توابع سطح بالا را در یک منبع تغذیه سوئیچینگ آسان می کنند. انتخاب بهترین آی سی مورد نظر موقعی امکان پذیر است که سطح انتظارات از سیستم برای طراح مشخص شده باشد. با این که آی سی های کنترل بلوک دیاگرام های خیلی متفاوت از هم دارند، اما وظایف آن ها باهم مشترک می باشد و شامل موارد زیر است.

وظایف آی سی های کنترل منابع تغذیه سوئیچینگ

1.  یک اسیلاتور که فرکانس کاری منبع تغذیه را مشخص می کند. و همچنین یک شکل موج ramp برای استفاده مبدل ولتاژ به PWM تولید می کند.
2.  درایورهای خروجی که برای کاربردهای معمولی دارای جریان کافی می باشند.
3. بلوک تولید ولتاژ مرجع، که برای مقایسه ولتاژ خروجی و ایجاد پالس های pwm به کار می رود. این بلوک همچنین یک ولتاژ پایدار برای استفاده برخی از بلوک های دیگر در داخل آی سی کنترل که وظایف دیگری برعهده دارند، تولید می کند.
4.  تقویت کننده ولتاژ خطا، که یک مقایسه گر با بهره بالا می باشد. و اختلاف بین ولتاژ خروجی و ولتاژ مرج پایدار را تقویت می کند.
5.  مبدل ولتاژ خطا به عرض پالس، که عرض پالس های خروجی را نسبت به ولتاژ تقویت کننده خطا تعیین می کند.

این بلوک های پایه، اساس یک آی سی کنترل PWM را تشکیل می دهند. گاها بعضی از آی سی ها دارای بلوک های اضافه تری می باشند که سایر وظایف سطح بالاتری را در یک منبع تغذیه انجام می دهند. این بلوک ها عبارت اند از:

1.  تقویت کننده اضافه جریان (overcurrent) که منبع را از جریان های غیرطبیعی و بیش از حد که در داخل بار اتفاق می افتند، محافظت می کند.
2.  مدار راه انداز نرم، همانطور که از نامش پیداست منبع تغذیه را به صورت آرام راه اندازی می کند و باعث کاهش جریان های نجومی در زمان شروع به کار منبع تغذیه می شود.
3.  کنترل زمان مرده (deadtime) که ماکزیمم عرض پالسی را که آی سی می تواند تولید کند، به یک مقداری محدود می کند. این عمل از روشن شدن سوئیچ های قدرت به طور همزمان و همچنین از تولید duty cycleهای صد در صد جلوگیری می کند.
4.  بلوک توقف کننده ولتاژ پایین (undervoltage lockout) که از شروع به کار منبع تغذیه، زمانی که ولتاژ کافی برای درایو کردن ماسفت ها در درون آی سی کنترل وجود ندارد، جلوگیری می کند.

برای انتخاب آی سی کنترل مناسب، طراح ابتدا باید توپولوژی مناسب برای کاربرد مورد نظر را انتخاب کند. با مشخص شدن توپولوژی منبع تغذیه، تک سوئیچه یا دو سوئیچه بودن آی سی کنترل مشخص می شود.

آی سی های تک سوئیچه در منابعی به کار می روند که در آنها فقط از یک سوئیچ قدرت استفاده می شود. این منابع تغذیه شامل توپولوژی های بدون ایزوله ترانسفورمری و توپولوژی فلای‌بک می باشند. آی سی های دو سوئیچه که دارای دو درایور برای سوئیچ های قدرت می باشند در منابعی که با توپولوژی های پوش-پول، نیم-پل و تمام-پل ساخته می شوند، به کار می روند. این آی سی ها دارای یک سری ویژگی های اضافی نسبت به آی سی های تک سوئیچه می باشند. که از جمله آنها می توان به ویژگی double-pulse lockout اشاره کرد. این ویژگی از هدایت همزمان دو سوئیچ قدرت جلوگیری می کند. دومین عامل موثر در انتخاب آی سی، نوع سوئیچ های قدرت به کار رفته در منبع تغذیه می باشد. بعضی از آی سی در خروجی خود از یک ترانزیستور به عنوان درایور استفاده می کنند. این نوع آی سی ها برای سوئیچ های با ترانزیستور دوقطبی قدرت مناسب هستند. معمولا همیشه یک درایور خارجی برای ایجاد جریان کافی برای سوئیچ کردن ترانزیستورها نیاز می باشد. برای منابعی که سوئیچ های قدرت آن ها ماسفت می باشد، استفاده از آی سی های کنترل با درایور خروجی totem-pole مناسب می باشد. با اینکه برای همه سوئیچ های قدرت (سوئیچ های قدرت ماسفتی و ترانزیستور دوقطبی) می توان از هر نوع آی سی کنترلی استفاده نمود، ولی انتخاب آی سی کنترل از روی عواملی که در بالا گفته شد باعث می شود تعداد قطعاتی که برای ساخت درایور خارجی به کار می روند، حداقل باشد.

کنترل مد-ولتاژی (Voltage-Mode Control)

در نهایت، باید انواع مدهای کنترلی مورد توجه قرار گیرد. این ها اساسا مدهای کنترلی تک-حلقه و چندین-حلقه می باشند. مد کنترلی تک-حلقه معمولا کنترل مد-ولتاژی نامیده می شود. این یک روش سنتی برای کنترل می باشد که در آن تنها ولتاژ خروجی اندازه گیری شده و با ولتاژ مرجع مقایسه می شود. سپس با مقایسه این دو ولتاژ، duty cycle مناسب جهت سوئیچ کردن سوئیچ های قدرت ایجاد می شود. کنترل مد-ولتاژی یک حالت کنترلی مناسب برای منبع تغذیه را فراهم می کند، ولی می تواند باعث بروز مشکل در حالت های پاسخ گذرای بار و رگولاسیون خط شود. آی سی های کنترلی که از این روش برای کنترل ولتاژ خروجی استفاده می کنند معمولا بلوک دیاگرامی به صورت شکل 10-5 دارند. همانطور که از بلوگ دیاگرام مشخص است دراین روش ولتاژ خطا با یک شکل موج Ramp که در بخش اسیلاتور تولید می شود، مقایسه می شود. و سپس این مقایسه، عرض پالس جهت سوئیچ های قدرت را مشخص می کند. این روش تا موقعی که بار ثابت است به خوبی جواب می دهد. ولی موقعی که بار یا خط ورودی تغییرات سریعی دارند، المان های مغناطیسی و همچنین فیلترها تاخیر زمانی زیادی قبل از پاسخ منبع به این تغییرات ایجاد می کنند. و تنها به خاطر همین دلیل، کنترل های چند-حلقه ای به وجود آمدند.

شکل 10-5 بلوک دیاگرام یک نمونه از آی سی کنترل با مد کنترل-ولتاژی

در زیر تعدادی از آی سی های مشهور که از مد کنترل ولتاژی استفاده می کنند، لیست شده اند

کنترل مد-جریان (Current-Mode Control)

مد کنترل-جریان یک حلقه دوم به حلقه فیدبک ولتاژ اضافه می کند. به جای استفاده از ولتاژ Ramp اسیلاتور، یک جریان Ramp از المان مغناطیسی برای تولید ولتاژ خطا و تبدیل آن به PWM استفاده می شود. بلوک دیاگرام داخلی یک آی سی کنترل مد-جریان در شکل 11-5 نشان داده شده است.

با اینکه پنج نوع روش اساسی مد کنترل-جریان وجود دارد، اما در آی سی های کنترل مدرن و مشهور از روش “روشن شدن با پالس ساعت” (turn-on with clock) استفاده می شود. به بیان ساده، در این روش، اسیلاتور سوئیچ قدرت را روشن می کند و زمان خاموش شدن سوئیچ قدرت را حلقه کنترلی تعیین می کند. همانطور که از شکل 11-5 دیده می شود، ولتاژ خطا، ماکزیمم جریان پیکی که می تواند وارد ترانسفورمر و یا فیلتر خروجی L-C شود، را کنترل می کند. اگر ولتاژ شبکه ورودی تغییر کند، این تغییرات باعث تغییر جریان المان مغناطیسی شده و به صورت آنی توسط فیدبک جریان حس می شود. اگر بار خروجی تغییر کند، از آنجایی که زمان حس کردن این تغییرات توسط فیدبک ولتاژ کند است، در نتیجه این تغییرات توسط فیدبک ولتاژ به صورت آنی حس نشده و باعث می شود که جریان اضافی وارد بار شود. از آنجایی که این جریان اضافی بار توسط فیلتر L-C تامین می شود در نتیجه یک جریان پیک اضافی وارد این فیلتر شده و فیدبک جریان می تواند به صورت آنی این افزایش جریان پیک را حس کرده و جبران کند. همچنین در این فرآیند، ولتاژ دره (I_min) هم تغییر می کند.

یکی از مشکلات بزرگی که در مد کنترل-جریان با روش روشن شدن با پالس ساعت وجود دارد، این است که سیستم برای زمان وظیفه های بزرگتر از 50 درصد ناپایدار ممی شود. این مشکل با روشی به نام جبران شیب (slope-compensation) حل می شود. این روش با جمع کردن دو سیگنال دیگر با سیگنال Ramp جریان این مشکل را حل می کند. مدارات مورد نیاز برای این کار در داخل آی سی های کنترل تعبیه نشده است و طراح باید به صورت خارجی این مدارات را به منبع اضافه کند. بیشتر این مشکلات در مبدل های فلای‌بکی که در مد پیوسته کار می کنند، به وجود می آید. زیرا در مد پیوسته یک صفر در

شکل 11-5 بلوک دیاگرام یک نمونه از آی سی کنترل با مد کنترل-جریان

سمت راست صفحه به وجود می آید که باعث ناپایداری مدار می گردد. برای همین اغلب طرحان سعی می کنند که از زمان وظیفه های زیر 50 درصد در مبدل های فلای‌بک استفاده کنند.

بعضی از آی سی های مشهور مد کنترل-جریان در زیر لیست شده‌اند.

کنترل مد-شبه تشدید (Quasi-Resonant-Mode Control)

منابع تغذیه سوئیچینگ شبه-رزونانسی یک تکنولوژی نو ظهور می باشد که در آن شکل موج هدایتی سوئیچ های قدرت به صورت سینوسی می باشند. این باعث می شود حاصلضرب ولتاژ و جریان در هر لحظه در سوئیچ های قدرت صفر باشد. به عبارتی توان تلفاتی سئیچینگ در داخل نیمه هادی ها صفر می باشد. این مبدل ها از یکی از روش های زیر برای کنترل استفاده می کنند.

1.  زمان روشنی ثابت و زمان خاموشی متغیر، برای سوئیچینگ جریان صفر
2.  زمان خاموشی ثابت و زمان روشنی متغیر، برای سوئیچینگ ولتاژ صفر

این مبدل ها بعدا جداگانه به صورت یک نوشته مفصلا توزیح داده می شود.

شکل 12-5 بلوک دیاگرام یک نمونه از آی سی کنترل جریان-صفر مد شبه تشدید

بعضی از آی سی های مشهور که از این نوع تکنولوژی استفاده می کنند عبارت اند از:

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.

مطالعه دیگر جلسات این آموزش

<< جلسه قبلی                    جلسه بعدی >>