آموزش طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ (جلسه ۱۳ام)

در این جلسه از آموزش طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ به بررسی مباحث متفرقه در طراحی یک منبع تغذیه سوئیچینگ از جمله نحوه استفاده و طراحی مهار کننده ها و اسنابرها،فیلتر خط، فیلتر EMI، استفاده از مقاومت های NTC برای کاهش جریان های یورشی، اپتوکوپلر و بحث خروجی متعدد در منابع تغذیه سوئیچینگ می پردازیم.

نحوه استفاده و طراحی مهارکننده‌ها و اسنابرها

 اسنابرها و مهارکننده ها در منابع تغذیه سوئیچینگ برای کاهش اثرات مخرب اسپایک های تولید شده در مدار به کار می روند. دامنه و همچنین شکل این اسپایک ها می تواند به قطعات نیمه هادی منبع تغذیه آسیب جدی وارد کند. این سیگنال های ناخواسته به دلیل فرکانس بالای آن ها به راحتی قابل تشعشع نیر هستند.بنابر این از بین بردن این سیگنال ها ضروری می باشد . استفاده از مهار کننده ها و اسنابرها آخرین انتخاب طراح برای از بین بردن این سیگنال ها ی مزاحم می باشد.

در واقع طراح سعی دارد با طراحی درست ترانسفورمر و همچنین PCB مدار این اثرات مخرب را به حداقل برساند . اما اگر با وجود همه ی این ها اسپایک های تولید شده اثرات قابل توجهی داشته باشند باید از اسنابرها و مهارکننده ها برای از بین بردن آنها استفاده کرد. معمولا از دیودهای یکسوساز و زنر برای طراحی مهار کننده ها استفاده می شود . شکل1-8 این موضوع را نشان می دهد . در شکل 1-8الف:درزمان خاموشی ماسفت، دیود روشن شده و انرژی سلف ورودی ترانس از این طریق تخلیه می شود. و در شکل 1-8 ب یک دیود زنر به موازات ماسفت قرار گرفته است وظیفه این زنر این است که دامنه اسپایک های تولید شده را محدود کند تا آسیبی به ماسفت وارد نشود.

در شکل 2-8 دو نوع دیگر از مهار کننده های نرم نشان داده شده است در این مدار در زمان خاموشی ماسفت دیود عمل کرده و یک مدار RLC در بخش ورودی ترانس به وجود می آید .این مدار تانک برای کاهش اثرات اسپایک استفاده می شود. در منابع تغذیه فلای بک می توان از شکل 3-8 نیز برای مهار اسپایک ها استفاده کرد. در این مدار در زمان خاموشی ماسفت دیود عمل کرده و سیم پیچ کمکی وارد عمل می شود و از این طریق انرژی حالت بی باری ترانس تخلیه می شود . لازم به ذکر است که این سیم پیچ با سیم پیچ اولیه نسبت 1:1 دارد ، در شکل 4-8 دو نوع اسنابر نشان داده شده است که وظیفه آن ها کنترل دامنه و شکل اسپایک های تولید شده در مدار می باشد .

شکل 1-8 مدارهای مهارکننده سخت

شکل 2-8 مهار کننده‌های نرم

از آن جایی که دامنه و فرکانس و شکل اسپایک های تولید شده به مقدار سلف های پراکنده و همچنین خازن های پراکنده در مدار بستگی دارد.از نظر تئوری محاسبه همه این مقادیر غیر ممکن می باشد ، برای همین منظور طراحی اسنابر در مرحله آخر و زمانی که طراحی PCB به

.

شکل 3-8 مهار کننده برای مبدل‌های فلای‌بک

اتمام رسیده است انجام می گیرد . تا همه سلف ها و خازن ها ی پراکنده PCB و عناضر مختلف در نظر گرفته شود.

اگر علاقمند به طراحی برد‌های فرکانس بالا هستید مقاله زیر برای شروع می‌تونه مفید باشه.

• آموزش طراحی بردهای فرکانس بالا

برای طراحی عملی اسنابر به صورت زیر عمل می کنیم.

• 1 – با استفاده از یک اسیلوسکوپ دامنه و فرکانس(F0) اسپایک های تولید شده در سرالمان مورد نظر را اندازه گیری می کنیم.
• 2 – یک خازن موازی کوچک در دو سر المان قرار می دهیم مقدار ظرفیت این خازن را کم کم افزایش می دهیم تا به نقطه ای برسیم که فرکانس اسپایک ها به نصف حالت بدون خازن کاهش یابد. در این نقطه مقدار ظرفیت خازن های پراکنده(c0) یک سوم ظرفیت خازن موازی خواهد بود.
• 3 – با داشتن C0 و F0 مقدار R اسنابر را از طریق رابطه زیر حساب می کنیم 

• 4 – این مقاومت را به صورت سری با خازن فوق قرار می دهیم .

شکل 4-8 مدار اسنابر

.

فیلتر خط (Line Filter)

فیلتر خط که به فیلتر EMI نیز معروف است ، از ورود سیگنال های ناخواسته RF (الکترومغناطیسی) از طریق شبکه به منبع تغذیه و همچنین از خروج این سیگنال ها از منبع و ورود آن ها به شبکه جلوگیری می کند . ما دو نوع منبع سیگنال تشعشعی داریم.

• 1- مد تفاضلی
• 2 – مد مشترک

شکل 5-8 مدل‌های مختلف نویز

در مد تفاضلی جریان از یک خط شبکه وارد می شود و همان جریان از خط دیگر خارج می شود (شکل 5-8 الف) . اما در مد مشترک یک جریان با دامنه یکسان و جهت یکسان از هر دو سیم عبور می کند (شکل 5-8 ب ). برای از بین بردن این دو نوع نویز تشعشعی و RF معمولا از فیلتر شکل 6-8 استفاده می کنند . البته فیلتر EMI در شکل های مختلفی طراحی می شود اما رایج ترین آن ها که بیشتر در منابع تغذیه به کار برده می شود ، همان شکل 6-8 می باشد .در این فیلتر وظیفه خازن ها از بین بردن جریان های نویز تفاضلی می باشد . در واقع این خازن ها در

شکل 6-8 شکل مداری فیلتر EMI

مقابل جریان های تفاضلی فرکانس بالا امپدانس کمتری از خود نشان می دهند و تقریبا اتصال کوتاه هستند. و به این ترتیب جریان تفاضلی از طریق این خازن ها به خود شبکه و یا منبع تغذیه برگردانده می شود . سلف به کار رفته در فیلتر در برابر جریان های تفاضلی اتصال کوتاه بوده و اثری بر این نوع جریان ها ندارد . این سلف همانطور که از شکل 7-8 پیداست ، سلفی است که دو سیم پیچ جدا از هم روی یک هسته با جهت یکسان پیچیده می شود و اندوکانس متقابل این سیم پیچ ها (M) تقریبا برابر با اندوکتانس هر یک از این سیم پیچ ها (L) می باشد. در نتیجه در

شکل 7-8 مسیرهای شار مغناطیسی در داخل هسته سلف فیلتر خط

جریان های تفاضلی اندوکتانس معادل، یعنی L-M ، حدودا صفر بوده و این سلف به صورت اتصال کوتاه عمل می کند . اما در برابر جریان های مشترک همانطور که در شکل 7-8 دیده می شود ، اندوکتانس معادل برابر با L+M بوده و در نتیجه این سلف در مقابل این جریان ها امپدانس خیلی بالایی از خود نشان می دهد و به این ترتیب مانع از ورود این نوع جریان ها به منبع و یا از منبع به شبکه می شود . طراحی المان های فیلتر خط معمولا بیشتر به تجربه نیاز دارد.

استفاده از مقاومت های NTC برای کاهش جریان های یورشی

مقاومت های NTC مقاومت هایی هستند که مقدار آن ها با افزایش دما کاهش پیدا می کند ، از این مقاومت ها در طراحی تغذیه برای کاهش جریان های یورشی استفاده می شود . جریان های یورشی جریان هایی هستند که در هنگام متصل کردن منبع تغذیه به شبکه برق شهری ، به علت خالی بودن خازن های ورودی منبع تغذیه به وجود می آیند . به عبارتی این خازن ها در لحظه اول در مقابل برق شهری اتصال کوتاه می باشند و به همین خاطر جریان بالایی از آن ها عبور می کند که باعث ایجاد جرقه می شود . مقاومت های NTC طبق شکل 8-8 به صورت سری با این خازن ها قرار می گیرند در لحظه اول ، این مقاومت ها مقدار بالایی دارند و باعث می شوند جریان کمتری از خازن ها در لحظه اول عبور کند ، اما بعد از گذشت مدت اندکی به خاطر داغ شدن این مقاومت ها در اثر عبور جریان ، مقدار آن ها کاهش پیدا می کند و تقریبا اتصال کوتاه می شوند و به این ترتیب خازن ها مستقیما به شبکه متصل می شوند و به این ترتیب از ایجاد جریان های مخرب یورشی در لحظه اول جلوگیری می شود.

شکل 8-8 نحوه قرار گیری مقاومت‌های NTC

استفاده از اپتوکوپلر و دیود زنر قابل برنامه ریزی در شبکه فیدبک

 شکل مداری این نوع فیدبک در شکل 9-8 نشان داده شده است . از این مدار در مواقعی که می خواهیم خروجی مدار کامل از بخش های دیگر ایزوله باشد ، استفاده می کنیم . قبل ار تشریح عملکرد مدار ، ابتدا به صورت جداگانه و خلاصه عملکرد TL431 و اپتوکوپلر را مورد بررسی قرار می دهیم .

شکل 9-8 شبکه فیدبک ایزوله توسط اپتوکوپلر و TL431

اپتوکوپلر

اپتوکوپلر عنصری است که نور تابیده شده به فتوترانزیستور آن از طریق LED داخل آن باعث ایجاد جریان در کلکتور ترانزیستور می شود. میزان جریان عبوری از LED (میزان شدت روشناییLED ) و جریان کلکتور آن با یک ضریب به اسم CTR مشخص می شود . در واقع CTR نسبت جریان کلکتور به جریان عبوری از LED می باشد.

شکل 10-8 نماد مداری و شکل اپتوکوپلر

زنر TL431

TL431 یک زنر قابل برنامه ریزی دقیق می باشد. دیودهای زنر معمولا با ولتاژهای استاندارد در بازار موجود هستند. در مواقعی که نیاز به یک ولتاژ مرجع غیر استاندارد و دقیق داشته باشیم از TL431 استفاده می کنیم . در واقع با تغییر مقدار مقاومت های R1 و R2 در شکل 11-8 ، می توانیم ولتاژ دلخواه را در دوسر آند وکاتد TL431 ایجاد کنیم ، ولتاژ آند وکاتد TL431 از رابطه زیر بدست می آید.

حال به نحوه ی عملکرد مدار شکل 9-8 می پردازیم . در این مدار با تغییر ولتاژ V₀ ، ولتاژ پایه Ref المان TL431 تغییر کرده و این تغییرات باعث تغییر جریان کاتد آن می شود.و چون LED اپتوکوپلر با کاتد TL431 سری است ، با تغییر جریان کاتد TL431 ، جریان LED نیز تغییر می کند این تغییرات جریان با نسبت CTR به کلکتور ترانزیستور اپتوکوپلر انتقال داده می شود . با تغیر جریان I_c میزان افت ولتاژ در دو سر مقاومت R_C تغییر پیدا می کند و این تغییرات به تقویت کننده خطای آی-سی کنترل اعمال می شود .که این نیز به نوبه ی خود باعث تغییر ولتاژ خروجی V₀ می شود . به این ترتیب ولتاژ خروجی برای بارهای متفاوت ثابت نگه داشته می شود . به عنوان مثال با کم شدن ولتاژ خروجی V₀ ، ولتاژ پایه مرجع TL431 کم شده و این باعث می شود جریان عبوری از کاتد و یا LED افزایش یابد . این عمل به نوبت خود باعث افزایش i_c شده و افزایش i_c ولتاژ پایه منفی تقویت کننده خطا را تغییر داده و این باعث می شود عرض پالس خروجی بیشتر شود و به این ترتیب ولتاژ V₀ خروجی افزایش پیدا می کند .

شکل 11-8 شکل سمت راست نماد مداری و ساختار داخلی TL431 را نشان می‌دهد و شکل سمت چپ استفاده از آن جهت ساخت ولتاژ مرجع دلخواه

بحث خروجی متعدد در منابع تغذیه سوئیچینگ و Cross-Regulation

حتما در آینده برای بعضی از پروژه‌های طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ نیاز به چندین خروجی خواهید داشت. در مواقعی که چندین خروجی متعدد در منابع تغذیه سوئیچینگ داریم برای حس کردن و مانیتورینگ ولتاژ این خروجی ها توسط تقویت کننده خطا معمولا از آرایش های متعددی استفادده می کنند . یکی از این آرایش ها در شکل 12-8 نشان داده شده است . در این آرایش جریان عبوری از مقاومت پایینی ، مجموعه ای از جریان های عبوری مقاومت های

شکل 12-8 شبکه حسگر ولتاژهای خروجی متعدد

بالایی می باشد. بنا بر این با تغییر ولتاژ خروجی ها ، جریان این مقاومت ها و در نتیجه جریان مقاومت پایینی تغییر خواهد کرد. این تغییرات باعث تغییر ولتاژ دوسر مقاومت پایینی شده که به تقویت کننده خطا متصل است. بنا بر این اثر این تغییرات توسط این تقویت کننده حس شده و جبران می گردد .

روش دوم استفاده از هسته مشترک در سیم پیچ ها می باشد . به این صورت که سلف های متعدد خروجی روی یک هسته مشترک پیچیده می شوند . در این صورت با تغییرات ولتاژ یکی از خروجی ها ، شار هسته تغییر پیدا کرده و این تغییرات روی تمام خروجی ها اثر می گذارد . در نتیجه شبکه فیدبک که به یکی از خروجی ها متصل است ، این تغییرات را حس کرده و اثر آن را جبران می کند.

به پایان قسمت ۱۳ ام از آموزش طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ رسیدیم. تا الان باید دانش پایه‌ای طراحی یک منبع تغذیه سوئیچینگ را یادگرفته باشید. در جلسه بعدی آموزش طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ به بررسی مثال‌ها می‌پردازیم..

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.

مطالعه دیگر جلسات این آموزش

<< جلسه قبلی                    جلسه بعدی >>