معرفی بلوک‌های مختلف منبع تغذیه سوئیچینگ

2معرفی بلوک‌های مختلف منبع تغذیه سوئیچینگ، برای طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ مناسب، طراح باید درک عمیق و درستی از بلوک های اصلی منبع تغذیه داشته باشد. در این قسمت بلوک های ضروری که یک منبع تغذیه سوئیچینگ باید دارا باشد، مورد بررسی قرار خواهند گرفت و می توان با اضافه کردن بلوک های دیگری امکانات بیشتری را به منبع تغذیه اضافه کرد.در ادامه با میکرودیزاینرالکترونیک باشید تا بیشتر با بلوک‌های مختلف منبع تغذیه سوئیچینگ آشنا شویم.

شکل های1 و 2 مدار یک منبع تغذیه پوش پول تک خروجی را به همراه شکل موج های آن نشان می دهند. در این بخش بلوک های سازنده این منبع تغذیه را بررسی خواهیم نمود.دوست عزیز لطفا این مطلب را تا آخر در میکرودیزاینرالکترونیک دنبال کنید تا مطالب خوبی را باهم یادبگیریم.

1 – فیلتر EMI

این قسمت از یک فیلتر L-C کوچک تشکیل شده است که بین شبکه ورودی و رگولاتور قرار می‌گیرد. این قسمت دو وظیفه اصلی دارد: اول اینکه  و  به صورت یک فیلتر RFI عمل می کنند. در نتیجه از ورود سیگنال های نویزی که توسط قطعات فرکانس بالای منبع تولید می شوند، به داخل شبکه ورودی(برق شهر) جلوگیری می کند. اگر این سیگنال های نویز وارد شبکه ورودی شوند به صورت امواج یک آنتن انتشار پیدا می کنند.

فرکانس قطع این فیلتر پایین گذر نباید بزرگتر از دو یا سه برابر فرکانس کاری  منبع تغذیه باشد.

دومین وظیفه این قسمت اضافه کردن یک امپدانس کوچک  بین شبکه ورودی و خازن Bulk می باشد. این عمل باعث کاهش ولتاژهای گذرای خطرناک می شود. و همچنین این اجازه را را به خازن Bulk و بقیه محافظ ها می دهد که انرژی های مخربی که از اسپایک های ورودی تولید می شوند،جذب کرده و مانع آسیب زدن آن ها به منبع شوند.

2 – خازن Bulk فیلتر ورودی

این خازن معمولا دارای ظرفیت بیشتری می باشد و وظیفه آن ذخیره انرژی مورد نیاز منبع در فرکانس های بالا و پایین می باشد. این قسمت حداقل از دو خازن تشکیل می شود، یک خازن الکترولیتی یا تانتالیومی که وظیفه تامین انرژی در فرکانس کاری منبع تغذیه را برعهده دارند و یک خازن سرامیکی برای فرکانس های هارمونیکی منبع تغذیه.

این خازن ها در رنج وسیعی از فرکانس باید مقاومت خیلی پایینی داشته باشند.

یکی دیگر از ضرورت های استفاده از این خازن این است که ممکن است خط ورودی از سیم طولانی تغذیه شود. و یا خطوط PCB طولانی باشند که در این صورت این سیم ها، سلف ها و مقاومت های سری به مدار اضافه می کنند. در نتیجه این سلف ها  در فرکانس های بالا مقاومت بیشتری از خود نشان می دهند و در این حالت شبکه ورودی شبیه منبع جریان محدود شده عمل می کند و نمی تواند جریان مورد نیاز را تامین کند. خازن ورودی در فرکانس های پایین شارژ شده و به صورت منبع جریان در فرکانس های وسیعی عمل می کند. بدون خازن فرکانس پایین الکترولیتی و خازن فرکانس بالای سرامیکی، منبع تغذیه در فرکانس های بالا دچار مشکل میشود و  همچنین در پایداری منبع تغذیه تاثیر زیادی خواهد داشت.

3 – ترانسفورماتور

در این پیکربندی، ترانسفورماتور عمل ایزولاسیون DC بین شبکه ورودی و خروجی را انجام می دهد. همچنین ترانسفورماتور عمل افزایش ولتاژ خروجی ( Step-up) و یا کاهش ولتاژ خروجی (  Step-down) را انجام می دهد. ترانسفورماتور در این پیکربندی هیچ انرژی ذخیره نمی کند. با اضافه کردن سیم پیچ های متعدد به راحتی می توان خروجی های بیشتری را داشته باشیم. بنابراین در سیستم هایی که نیاز به ولتاژهای DC متعددی دارند می توان با طراحی یک منبع تغذیه سوئیچینگ همه‌ی ولتاژهای مورد نیاز را داشته باشیم. ترانسفورماتور در واقع ستون فقرات یک منبع تغذیه سوئیچینگ می باشد. و اگر به طور نامناسب طراحی شود، بر عملکرد منبع تغذیه و قطعات نیمه هادی مدار تاثیر منفی زیادی خواهد داشت.

4 – سوئیچ‌های قدرت

سوئیچ‌های قدرت معمولا از ترانزیستورهای MOSFET تشکیل می شود که با سرعت بالا بین حالت اشباع (full-on) و حالت قطع (full-off) سوئیچ می شوند. در واقع سوئیچ های قدرت به عنوان دروازه (gate) برای وارد کردن انرژی به منبع تغذیه می باشند که این انرژی نیز به نوبه خود به بار تحویل داده می شود. میزان انرژی تحویل داده شده به بار توسط مدار کنترل، کنترل می شود. مدار کنترل میزان انرژی مورد نیاز بار را تشخیص داده و سپس با تغییر دادن زمان روشن بودن پالس (on-time) برای سوئیچ های قدرت، میزان انرژی مورد نیاز بار را رگوله می کند. سوئیچ های قدرت بیشترین میزان آسیب دیدگی را بین قطعات منبع تغذیه دارند و اگر قرار باشد که در منبع تغذیه قطعه‌ای آسیب ببیند سوئیچ های قدرت اولین قطعاتی خواهند بود که آسیب می بینند. بنابراین در روند طراحی باید دقت بیشتری برای این قطعات به خرج داده شود.

5 – یکسوسازهای خروجی

در این پیکربندی، دیودهای یکسوساز خروجی همزمان با سوئیچ های قدرت شروع به هدایت می کنند. مقدار DC شکل موج ولتاژ خروجی در ثانویه ترانس در پیکربندی های ایزوله شده( مثل این پیکربندی)، صفر می باشد، اما در زمان روشن بودن سوئیچ های قدرت ولتاژ خروجی متناسب با نسبت دور سیم پیچ ها به بیشترین مقدار خود می رسد. دیودهای یکسوساز این شکل موج دو طرفه را به قطارهای پالس یک طرفه تبدیل میکنند. برای تغییر دادن پلاریته ولتاژ خروجی کافی است فقط جهت دیودها را برعکس کنیم.

مطلب مرتبط : دیود چیست؟

با این که جریان متوسط دیودهای یکسوساز برابر با جریان بار می باشد، ولی مقادیر پیک جریان دیودها بیشتر از مقدار متوسط آن می باشد. بنابراین در انتخاب دیود یکسوساز، طراح باید این جریان های پیک و همچنین جریان های اضافی دیگری را نیز باید در نظر بگیرد و سپس با اضافه کردن یک حاشیه امن یکسوساز مناسب را انتخاب کند.

6 – فیلتر خروجی

فیلترهای خروجی برای مدهای مختلف منبع تغذیه فرق می کند و در این پیکربندی یک فیلتر خروجی مد Forward را مشاهده می کنید. این فیلتر با اسم چوک فیلتر ورودی (choke input filter) یا فیلتر LC شناخته می شود. و از یک سلف سری با یک خازن موازی تشکیل شده است. وظیفه این قسمت تامین انرژی بار در مواقعی است که سوئیچ های قدرت قطع می باشند. در واقع این قسمت در زمان روشن بودن سوئیچ های قدرت انرژی مورد نیاز بار را در خود ذخیره می کند. معمولا میزان انرژی ذخیره شده در سلف و خازن 50 درصد بیشتر از انرژی مورد نیاز بار می باشد. در نتیجه زمانی که تغییر بار ناگهانی پیش می آید(میزان انرژی مورد نیاز بار بیشتر می شود)، حلقه کنترل  برای تشخیص انرژی مورد نیاز بار و جبران آن نیاز به زمان کوتاهی دارد. و در این زمان کوتاه انرژی مورد نیاز بار، توسط این انرژی ذخیره شده اضافی در سلف و خازن تامین می شود.

7 – المان‌های حسگر جریان

وظیفه مدار حسگر جریان این است که در صورتی که جریان بیش از حد از منبع کشیده شود، حس کرده و با کاهش ولتاژ خروجی از کشیده شدن جریان بیش از حد از منبع جلوگیری می کند. روش به کار رفته در اینجا (شکل 1) تنها یکی از روش های حس کردن جریان می باشد. و روش های مختلفی برای این کار وجود دارد. معمولا برای اندازه‌گیری جریان خروجی، با روش  های مختلفی ابتدا آن را به صورت یک ولتاژ در می آورند. و مقدار این ولتاژ متناسب با جریان بار می باشد. سپس این ولتاژ تقویت می شود. اگر مقدار ولتاژ تقویت شده بیش از حد باشد (جریان اضافی توسط بار کشیده شود) در این صورت مدار حسگر جریان کنترل حلقه ولتاژ را بدست گرفته و باعث کاهش ولتاژ خروجی می شود.

8 – المان‌های فیدبک ولتاژ

این قسمت معمولا از یک تقسیم ولتاژ مقاومتی تشکیل می شود، و نسبت این تقسیم ولتاژ طوری انتخاب می شود که میزان ولتاژ خروجی آن با ولتاژ مرجع تقویت کننده خطا یکی باشد. تقویت کننده خطا اختلاف ولتاژهای مرجع و ولتاژ خروجی را که از طریق فیدبک بدست آمده است، تقویت می کند. و از روی این سیگنال تقویت شده میزان زمان روشنی پالس (on-time) برای سوئیچ های قدرت را کنترل می کند.

9 – قسمت کنترل

این قسمت معمولا به صورت یک مدار مجنمع(آی‌سی) در مرکز منابع تغذیه سوئیچینگ قرار می گیرد. و وظایف کنترل ولتاژ خروجی از طریق فیدبک گرفته شده از ولتاژ خروجی، مبدل ولتاژ به عرض پالس، ایجاد ولتاژ مرجع پایدار، اسیلاتور، آشکارساز جریان های بیش از حد و غلبه بر آن ها، ودرایو کردن سوئیچ های قدرت را بر عهده دارد. در بعضی از تراشه های واحد کنترل، مدار راه انداز اولیه(soft-start) ، کنترل زمان dead-time و ریموت خاموش کننده نیز وجود دارد. اسیلاتور فرکانس کاری سیستم را مشخص می کند و یک موج دندانه اره‌ای برای واحد مبدل ولتاژ به عرض پالس تولید می کند.

تقویت کننده ولتاژ خطا ( The voltage error amplifier) اختلاف بین ولتاژ مرجع و ولتاژ اندازه گیری شده خروجی توسط تقسیم ولتاژ مقاومتی را تقویت می کند. خروجی این تقویت کننده اختلاف بین ولتاژ مرجع و ولتاژ واقعی خروجی را که در یک گین بالایی ضرب شده است، و همچنین سوار بر یک ولتاژ آفست DC است، نشان می دهد. این سیگنال خطا به یکی از ورودی های قسمت مبدل ولتاژ به عرض پالس اعمال می شود. در نتیجه قطاری از پالس ها که Duty cycle آن ها متناسب با سیگنال خطا می باشد، تولید می شود.

این قطار پالس ها به درایورهای سوئیچ های قدرت اعمال می شود. اگر آی سی واحد کنترل دارای یک خروجی باشد، در نتیجه منبع تغذیه نیز یک سوئیچ قدرت خواهد داشت و این پالس ها مستقیما به درایور خروجی اعمال خواهد شد. اما اگر آی سی کنترل دارای دو خروجی باشد، در این صورت این قطار پالس ها ابتدا در یک فلیپ فلاپ دیجیتال قرار می گیرد و این فلیپ فلاپ به طور متناوب پالسهای مورد نیاز برای درایورهای خروجی را تامین می کند. درایورهای خروجی معمولا از دو حالت خارج نیستند.

درایورهای خروجی یا به صورت ترانزیستور متصل نشده (Uncommitted Transistor) در داخل تراشه هستند که پایه کلکتور و امیتر آن ها از آی سی واحد کنترل بیرون آورده شده است و برای راه اندازی ترانزیستور های Bjt که به عنوان سوئیچ های قدرت به کار رفته اند، مناسب می باشد. و دومین نوع درایورهای خروجی، درایور پوش پول می باشد. که برای راه اندازی Mosfet های قدرت که به عنوان سوئیچ های قدرت به کار رفته اند مناسب می باشد.

امکانات IC های کنترل از یک آی‌سی به آی‌سی دیگر فرق می کند. و در انتخاب آی‌سی که متناسب با نیاز طراحی انتخاب می شود، باید دقت زیادی نمود. همانطور که قبلا هم گفته شد بعضی از آی سی ها دارای مدار Soft-start ریموت خاموشگر و قسمت سنکرون سازی دارند. مدار  Soft-startورود جریان های هجومی را که در ابتدای شروع به کار منبع تغذیه ایجاد می شوند، کاهش می دهد. و این کار را با خارج کردن تقویت کننده خطا و افزایش عرض پالس ها در لحظات اولیه، تا زمانی که خروجی منبع تغذیه به مقدار مطلوب برسد، انجام می دهد.

ریموت خاموشگر مداری است که بدون قطع کردن تغذیه مدار و تراشه واحد کنترل، خروجی های تراشه کنترل را قطع می کند. این ویژگی در کاربردهایی به کار می رود که از بین بردن جریان های بالای شبکه ورودی غیرممکن باشد. بعضی از آی سی ها ورودی سنکرون سازی کلاک دارند. و این در مواقعی که به دقت بالا نیاز باشد مورد استفاده قرار می گیرد.(جزئیات این بخش بعدا شرح داده خواهد شد)

این ویژگی ها حداقل امکاناتی هستند که یک تراشه کنترل منبع تغذیه سوئیچینگ نوعی باید دارا باشد. و تراشه های کنترل ممکن است امکاناتی اضافی مانند محافظ سیگنال های گذرای ورودی، مدار undervoltage lockout ( از شروع به کار مدار در شرایطی که ولتاژ ورودی نامناسب باشد جلوگیری می کند)، مدار output overvoltage protection (مدار محافظ برای جلوگیری از افزایش ولتاژ خروجی به بیش از مقدار تعیین شده) و … را داشته باشند.

خیلی ممنون از اینکه معرفی بلوک‌های مختلف منبع تغذیه سوئیچینگ را در میکرودیزاینرالکترونیک مطالعه کردید. برای تهیه این مطلب و مطالب دیگر کلی نفر ساعت زحمت کشیده میشه ، امیدوارم براتون خیلی خیلی مفید باشه ، تمام جلسات منابع تغذیه سوئیچینگ را اینجا مطالعه کنید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.

مطالعه دیگر جلسات این آموزش

<< جلسه قبلی                    جلسه بعدی >>