مقایسه رگولاسیون خطی و سوئیچینگ
- در روش رگولاتور خطی از ترانس و المان های یكسو كننده جریان و فیلتر استفاده می شود. نقطه ضعف این روش، تلفات بالا و بازدهی پائین و عدم دسترسی به رگولاسیون دقیق و کیفیت دلخواه در خروجی منبع تغذیه خطی می باشد.
- فركانس کار ترانس ها در روش خطی 50 تا 60 هرتز است. ترانس های فرکانس پایین، اندازه و حجم بزرگی دارند. در روش سوئیچینگ به دلیل استفاده از فركانس بالای 50 تا 200 کیلوهرتز، حجم و وزن ترانس ها به میزان قابل توجهی كاهش می یابد.
- راندمان یا بازده توان در روش سوئیچینگ بسیار بیشتر از روش خطی است. یك منبع خطی با تلف كردن توان، خروجی خود را رگوله می كند ولی در روش سوئیچینگ با تغییر میزان دوره سیكل سوئیچ یا همان duty cycle می توان ولتاژ و جریان خروجی را كنترل كرد.
با یك طراحی خوب در روش سوئیچینگ می توان به حدود 90% بازدهی دست یافت. در توان های بالا از روش PWM و در توان های پائین تر از 30 وات معمولا از روش كلید زنی به صورت پالس های معمولی استفاده می شود.
در طراحی منابع تغذیه سوئیچنگ، بحث نویز و اثرهای ناخواسته الكترومغناطیسی بسیار مهم بوده و برای حذف آن ها از فیلتر EMI و اتصالات RF استفاده می شود.
شكل مقابل بلوك دیاگرام منبع تغذیه سوئیچینگ را نشان می دهد.
در طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ اگر ورودی اصلی AC باشد، ابتدا از یك طبقه یكسوكننده عبور کرده و یك ولتاژ DC رگوله نشده ایجاد می شود.
روش کار منبع تغذیه
ولتاژ DC به خازن های فیلترینگ بزرگ متصل می شود.
جریان كشیده شده توسط این یكسو كننده از ورودی AC باعث ایجاد پالس های جریان در اطراف پیك ولتاژ AC می شود. این پالس های كوچك مولد فركانس های بالا بوده و كاهش فاكتور توان را بهمراه دارد. تكنیك Power Factor Correction برای مقابله ایجاد شده است. مدار PFC جریان مصرفی یكسوکننده را شبیه به شكل موج سینوسی نگاه داشته و در نتیجه فاكتور توان در برق ورودی AC اصلاح و نزدیک به 1،00 باقی می ماند.
محدوده ولتاژ AC ورودی توسط یك سوئیچ در دو حالت 115 و 230 ولت انتخاب می شود. در حالت 115 ولت یك مدار دو برابر كننده ولتاژ در طبقه ورودی اضافه می شود. در برخی مدل ها محدوده ولتاژ AC ورودی Universal بوده و حداقل 100 تا 240 ولت را پشتیبانی می کنند.
در یك SMPS با ورودی DC به این مرحله (یكسو كننده) احیتاجی نیست.
در مرحله اینورتر، این مقدار DC دوباره به AC تبدیل می شود. فركانس خروجی اینورتر بیش از 20 كیلوهرتز انتخاب می شود (خارج محدوده شنوایی). عمل سوئیچ معمولا به كمك چند طبقه MOSFET جهت رسیدن به بهره بالا انجام می شود. در مرحله بعد ترانس با تعداد دورهای پیچشی كم وجود دارد.
بدیهی است که این ساختار، همگانی و عمومی نبوده و در حدود 75 % ساختار داخلی منابع تغذیه استاندارد کنونی را در بر می گیرد.
اجزای داخلی منبع تغذیه
در ادامه به بررسی اجرای داخلی منبع تغذیه میپردازیم:
EMI) Line Filter)
این بخش از دو عنصر سلف و خازن تشکیل شده، وظیفه ممانعت از خروج فركانس های اضافی محدوده كاری (NOISE) منبع تغذیه به بیرون (حاصل از مدار سوئیچینگ) و همچنین ممانعت از ورود فركانس های اضافی (حاصل از دوران موتور های الكتریكی و یا سیستم های مولد حرارت) به داخل منبع تغذیه را بر عهده دارد.
Input Capacitor
این قسمت از دو خازن الکترولیت با ظرفیت متناسب توان منبع تغذیه تشکیل شده است که وظیفه كنترل سطح ولتاژ ورودی در هنگام كاركرد و همچنین ذخیره انرژی مورد نیاز مدار سوئیچینگ به هنگام وقفه های كوتاه انرژی را بر عهده دارد.
Power Switching
این بخش از دو ترانزیستور قدرت (MOSFET) تشکیل شده است که وظیفه كنترل سطح ولتاژ خروجی را از طریق زمان روشن و خاموش شدن (سوئیچ) بر عهده دارد.
Transformer
این بخش بنا به نوع طراحی، از دو تا سه ترانس (Switching TR, Drive TR, Stand By TR) تشکیل شده است، که علاوه بر ایزولاسیون DC وظیفه تغییر سطح ولتاژ را بر عهده دارد. طراحی این قسمت بسیار حساس می باشد زیرا اگر تعداد دور های اولیه و ثانویه متناسب با طراحی مدار PWM نباشد، پایداری مدار و ضریب اطمینان نیمه هادی و در نهایت کارکرد منبع تغذیه با مشکل اساسی مواجه خواهد شد.
Transformer
این بخش بنا به نوع طراحی، از دو تا سه ترانس (Switching TR, Drive TR, Stand By TR) تشکیل شده است، که علاوه بر ایزولاسیون DC وظیفه تغییر سطح ولتاژ را بر عهده دارد. طراحی این قسمت بسیار حساس می باشد زیرا اگر تعداد دور های اولیه و ثانویه متناسب با طراحی مدار PWM نباشد، پایداری مدار و ضریب اطمینان نیمه هادی و در نهایت کارکرد منبع تغذیه با مشکل اساسی مواجه خواهد شد.
Heat Sink
این قسمت از آلیاژهای مختلف آلومینیوم و مس ساخته می شود و به واسطه تعبیه شیارهایی برروی آن جهت عبور جریان هوا ، وظیفه انتقال دما از ترانزیستورهای سوئیچینگ و همچنین دیودهای SHUTKEY و FAST به محیط اطراف را بر عهده دارد.
Output Filter
این قسمت از چند خازن الکترولیت و سلف های چند لایه تشکیل شده است که وظیفه ذخیره انرژی در زمان روشن و ارائه آن در زمان خاموشی ترانزیستور را بر عهده دارد.
FAN: این قسمت علی رقم اینكه معمولا اهمیتی برای آن ازطرف مصرف كنندگان قائل نمی شوند، بسیار مهم و حیاتی میباشد، چرا كه رابطه مستقیمی با راندمان و طول عمر منبع تغذیه دارد. هر چقدر تهویه هوای گرم ازمحیط داخلی منبع تغذیه به فضای بیرونی بهتر انجام گیرد، كاركرد منبع تغذیه بهتر میشود.
PCB
برد اصلی منبع تغذیه میباشد كه كلیه قطعات بر روی آن نصب می شوند. رعایت استانداردهای مختلف درساخت برد، از جمله تحمل حرارت بالا و عدم استفاده از مواد خطرناک برای محیط زیست (ROHS)، باعث افزایش ضریب ایمنی كاربر می گردد.
IC Controller
این قسمت پیچیده ترین بخش مدار PWM می باشد و درسال های اخیر تغییرات چشمگیری در طراحی این قسمت به وجود آمده است بطوری که امروزه آی سی های جدید چند نوع وظیفه مختلف را برعهده دارند که درنهایت باعث افزایش دقت در کارکرد منبع تغذیه گردیده است.
وظایف آی سی های جدید
وظایف آی سی چیست:
کنترل خروجی
که با تولید پالس های Pulse Width Modulation، فرآیند تغییر پنهانی یک رشته پالس بر اساس تغییرات سیگنال های دیگر و اعمال بازخورد ولتاژ و جریان و راه اندازی نرم در کلیه خروجی ها را بر عهده دارد.
شبیه سازی ازطریق یک شبکه تقسیم مقاومتی، کسری از ولتاژ خروجی به آی سی جهت مقایسه با یک ولتاژ مبنا، منتقل می شود و در صورت بروز هرگونه تغییر در خروجی دستور DOWN از طریق آی سی صادر می شود.
نوسان ساز که در فرکانس پایه کار می کند و موج مثلثی جهت استفاده در PWM را تولید می کند.
راه انداز خروجی
که توان کافی را جهت به کارگیری در مقاصد کم و میانه، تولید می کند.
ولتاژ مبنا
که ولتاژ پایه را جهت مقایسه خروجی ها و همچنین یک ولتاژ پایدار برای سایر بخش ها تولید می کند.
مبدل خطا
که عرض پالس DC خروجی را متناسب با سطح ولتاژ، تنظیم می نماید.
Power Factor Correction
که وظیفه تصحیح هارمونیک های فرکانس خروجی و هدایت و کنترل آنها به مدار PWM رابر عهده دارد.
به دلیل فركانس بالا دور سیم پیچ ترانس كم می شود و بسته به نیاز ترانس افزاینده یا كاهنده است. در مرحله نهایی هم یک طبقه یکسوکننده و فیلتر وجود دارد که وظیفه ی آن ساختن خروجی DC در محدوده معین و مشخصات مناسب است.