خانه » مفاهیم پایه الکترونیک » الکترونیک قدرت » منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟

منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟

بازدید: 180

11
  1. خانه
  2. »
  3. مفاهیم پایه الکترونیک
  4. »
  5. الکترونیک قدرت
  6. »
  7. منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟

منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟

بازدید: 180

منبع تغذیه سوئیچینگ یا SMPS نوعی منبع تغذیه است که از تکنیک‌­های سوئیچینگ نیمه‌هادی به جای روش‌­های خطی استاندارد برای تامین ولتاژ خروجی مورد نیاز استفاده می‌­کند.

 آی­‌سی‌های رگولاتور ولتاژ خطی (Linear voltage IC regulators)، سال­‌ها اساس طراحی­‌های منبع تغذیه بوده‌­اند، زیرا در تامین خروجی ولتاژ ثابت پیوسته بسیار خوب عمل می­‌کنند.

تنظیم­‌کننده­‌ یا رگولاتورهای ولتاژ خطی معمولاً بسیار کارآمدتر و دارای استفاده راحت‌تر از مدارهای تنظیم‌کننده ولتاژ معادل که از اجزای مجزا مانند دیود زنر و مقاومت یا ترانزیستورها و حتی آپ‌آمپ‌ها ساخته شده‌­اند، هستند.

محبوب‌ترین انواع تنظیم‌کننده ولتاژ خروجی خطی و ثابت، سری‌های ولتاژ خروجی مثبت …78 و سری­‌های ولتاژ خروجی منفی …79، هستند. این دو نوع تنظیم‌­کننده ولتاژ مکمل، یک خروجی ولتاژ دقیق و پایدار از حدود 5 ولت تا حدود 24 ولت برای استفاده در بسیاری از مدارهای الکترونیکی تولید می­‌کنند.

طیف گسترده‌­ای از این رگولاتورهای ولتاژ ثابت سه ترمینالی وجود دارد که هر کدام دارای مدارهای تنظیم ولتاژ داخلی و مدارهای محدود­کننده جریان هستند. در نتیجه این امکان را می‌دهد تا مجموعه کاملی از خطوط و خروجی‌های مختلف منبع تغذیه، اعم از منبع تغذیه تکی یا دوگانه، مناسب برای اکثر مدارها و برنامه‌های الکترونیکی ایجاد کنیم.

حتی تنظیم‌کننده‌های خطی ولتاژ متغیر نیز وجود دارند که ولتاژ خروجی را ارائه کرده که به طور مداوم از صفر تا چند ولت کمتر از حداکثر ولتاژ خروجی آن متغیر است.

اکثر منابع تغذیه DC، شامل یک ترانسفورماتور اصلی بزرگ و سنگین، یکسوساز دیودی تمام موج یا نیمه موج، و یک مدار فیلتر برای حذف هرگونه محتوای مواج  از DC یکسو ­شده برای تولید ولتاژ خروجی DC مناسب و صاف است.

همچنین، نوعی مدار تنظیم کننده ولتاژ یا تثبیت کننده خطی یا سوئیچینگ را می‌­توان برای اطمینان از تنظیم صحیح ولتاژ خروجی منبع تغذیه تحت شرایط بار متفاوت استفاده کرد. بنابراین، یک منبع تغذیه DC معمولی چیزی شبیه به شکل زیر خواهد بود:

منبع تغذیه DC معمولی

1. منبع تغذیه DC معمولی

این طراحی منبع تغذیه معمولی شامل یک ترانسفورماتور شبکه بزرگ (که همچنین جداسازی بین ورودی و خروجی را فراهم می‌کند) و یک مدار تنظیم‌کننده سری است. مدار تنظیم­‌کننده می­‌تواند از یک دیود زنر منفرد یا یک تنظیم‌­کننده سری خطی سه ترمینالی برای تولید ولتاژ خروجی مورد نیاز تشکیل شود. مزیت تنظیم‌­کننده خطی این است که مدار منبع تغذیه برای تنظیم ولتاژ خروجی فقط به یک خازن ورودی، خازن خروجی و تعدادی مقاومت فیدبک نیاز دارد.

تنظیم‌­کننده­‌های ولتاژ خطی با قرار دادن یک ترانزیستور دائما رسانا به صورت سری بین ورودی و خروجی که باعث می­‌شود در ناحیه خطی (دلیل نام آن) مشخصه­ ولتاژ جریان (i-v) آن کار کند، یک خروجی DC تنظیم شده تولید می­‌کنند.

بنابراین ترانزیستور بیشتر شبیه یک مقاومت متغیر عمل می‌­کند که به طور مداوم خود را با هر مقداری که برای حفظ ولتاژ خروجی صحیح لازم است تنظیم می‌­کند. مدار تنظیم­‌کننده ترانزیستور عبور سری ساده زیر را در نظر بگیرید:

مدار تنظیم‌کننده ترانزیستوری سری

این مدار تنظیم­‌کننده امیتر-پیرو (emitter-follower) ساده از یک ترانزیستور NPN و یک ولتاژ بایاس DC برای تنظیم ولتاژ خروجی مورد نیاز تشکیل شده است. از آنجایی که مدار امیتر پیرو دارای بهره ولتاژ واحد است، با اعمال یک ولتاژ بایاس مناسب به بیس ترانزیستور، خروجی تثبیت شده از ترمینال امیتر به دست می‌­آید.

از آنجایی که ترانزیستور بهره جریان (current gain) را فراهم می­‌کند، جریان بار خروجی بسیار بیشتر از جریان بیس خواهد بود و اگر از آرایش ترانزیستور دارلینگتون استفاده شود، همچنان بالاتر خواهد بود.

2. مدار تنظیم‌کننده ترانزیستوری سری

همچنین، به شرطی که ولتاژ ورودی به اندازه کافی زیاد باشد تا ولتاژ خروجی مورد نظر به دست آید، ولتاژ خروجی توسط ولتاژ بیس ترانزیستورها کنترل می‌­شود و در این مثال به صورت 5.7 ولت ارائه می­‌شود تا خروجی 5 ولت را در بار تولید کند زیرا افت ولتاژ بین بیس و امیتر تقریباً 0.7 ولت می‌­باشد. بنابراین بسته به مقدار ولتاژ بیس، هر مقداری برای ولتاژ خروجی امیتر را می­‌توان به دست آورد.

اگرچه این مدار تنظیم‌کننده سری ساده کار می‌کند، اما نقطه ضعف آن این است که ترانزیستور سری به طور مداوم در ناحیه خطی بایاس شده و در نتیجه توان را به شکل گرما اتلاف می­‌کند. از آنجایی که تمام جریان بار باید از ترانزیستور سری عبور کند، این منجر به راندمان ضعیف، اتلاف توان V*I و تولید گرمای مداوم در اطراف ترانزیستور می­‌شود.

همچنین، یکی از معایبی که تنظیم‌­کننده‌­های ولتاژ سری دارند این است که حداکثر جریان نامی خروجی پیوسته آن­ها فقط به چند آمپر محدود می‌­شود، بنابراین معمولاً در کاربردهایی استفاده می‌­شود که خروجی‌­های توان پایین مورد نیاز است.

هنگامی که نیاز به ولتاژ خروجی یا تقاضای توان جریان بالاتری باشد، روش معمول استفاده از یک تنظیم‌­کننده سوئیچینگ است که معمولاً به عنوان منبع تغذیه مد سوئیچ شناخته می­‌شود تا ولتاژ شبکه را به هر خروجی توان بالاتر مورد نیاز تبدیل کند.

منابع تغذیه سوئیچینگ یا SMPS در حال تبدیل شدن به یک وسیله رایج هستند و در اکثر موارد جایگزین منابع تغذیه خطی AC به DC به عنوان راهی برای کاهش مصرف برق، کاهش اتلاف گرما و همچنین اندازه و وزن شده‌اند.

منابع تغذیه مد سوئیچ را می‌توان در اکثر رایانه‌های شخصی، تقویت‌کننده‌های برق، تلویزیون‌ها، راه‌­اندازهای موتور dc و تقریباً در هر چیزی که به منبع تغذیه بسیار کارآمد نیاز دارد، یافت، زیرا منابع تغذیه مد سوئیچ به طور فزاینده‌ای در حال تبدیل به فناوری بسیار پیشرفته‌تری هستند.

طبق تعریف، منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) نوعی منبع تغذیه است که از تکنیک‌­های سوئیچینگ نیمه هادی به جای روش‌­های خطی استاندارد برای تامین ولتاژ خروجی مورد نیاز استفاده می‌­کند. مبدل اصلی سوئیچینگ از یک قسمت سوئیچینگ قدرت و یک مدار کنترل تشکیل شده است.

قسمت سوئیچینگ قدرت، تبدیل توان را از ولتاژ ورودی مدار، VIN به ولتاژ خروجی آن، VOUT انجام می­‌دهد که شامل فیلتر خروجی است.

مزیت اصلی منبع تغذیه مد سوئیچ، راندمان بالاتر آن در مقایسه با تنظیم­‌کننده‌­های خطی استاندارد است و این امر با سوئیچ داخلی یک ترانزیستور (یا ماسفت توان) بین حالت روشن (اشباع) و حالت خاموش (قطع) به دست می‌­آید، که هر دو باعث اتلاف توان کمتری می­‌شوند.

این بدان معناست که هنگامی که ترانزیستور سوئیچینگ کاملاً روشن است و جریان عبور می­‌کند، افت ولتاژ در آن در حداقل مقدار خود است و هنگامی که ترانزیستور کاملاً خاموش است، جریانی از آن عبور نمی‌­کند. بنابراین ترانزیستور مانند یک کلید روشن/خاموش ایده­‌آل عمل می­‌کند.

برخلاف تنظیم­‌کننده‌­های خطی که فقط تنظیم ولتاژ کاهشی (step-down voltage regulation) را ارائه می‌دهند، منبع تغذیه مد سوئیچ می‌تواند ولتاژ ورودی کاهشی، افزایشی و خنثی را با استفاده از یک یا چند مورد از سه توپولوژی مدار مد سوییچ اصلی باک (Buck)، بوست (Boost) و باک-بوست (Buck-Boost)، تولید کند. این نام‌­ها به نحوه اتصال سوئیچ ترانزیستور، سلف و خازن هموار­کننده در مدار پایه SMPS اشاره دارد.

منبع تغذیه سوئیچینگ باک

تنظیم­‌کننده سوئیچینگ باک، نوعی مدار منبع تغذیه سوئیچینگ است که برای کاهش موثر ولتاژ DC از یک ولتاژ بالاتر به ولتاژ پایین‌تر طراحی شده است، یعنی ولتاژ منبع تغذیه را “کم” می‌کند و در نتیجه ولتاژ موجود در پایانه‌­های خروجی را بدون تغییر قطبیت کاهش می‌دهد. به عبارت دیگر، تنظیم­‌کننده سوئیچینگ باک یک مدار تنظیم­‌کننده کاهشی است، بنابراین برای مثال یک مبدل باک می­‌تواند 12+ ولت را به 5+ ولت تبدیل کند.

تنظیم‌­کننده سوئیچینگ باک، یک مبدل DC به DC و یکی از ساده­‌ترین و محبوب­‌ترین انواع تنظیم­‌کننده­‌های سوئیچینگ است. هنگامی که در پیکربندی منبع تغذیه سوئیچینگ استفاده می‌­شود، تنظیم‌­کننده سوئیچ باک از یک ترانزیستور سری یا ماسفت توان (به طور ایده آل یک ترانزیستور دوقطبی گیت عایق یا IGBT) به عنوان دستگاه سوئیچینگ اصلی خود همانطور که در زیر نشان داده شده است، استفاده می­‌کند.

تنظیم‌کننده سوئیچینگ باک

3. مدار تنظیم‌کننده سوئیچینگ باک

می‌­بینیم که پیکربندی مداری اولیه برای مبدل باک، یک سوئیچ ترانزیستوری سری TR1، با مدار تحریک مرتبط، یک دیود D1، یک سلف L1 و یک خازن هموار­کننده C1، است که ولتاژ خروجی را تا حد ممکن نزدیک به سطح مورد نظر، نگه می‌­دارد. مبدل باک دو حالت کاری، بسته به اینکه ترانزیستور سوئیچینگ TR1 «روشن» یا «خاموش» باشد، دارد.

هنگامی که ترانزیستور بر روی حالت”روشن” بایاس می‌­شود (سوئیچ بسته)، دیود D1 بایاس معکوس شده و ولتاژ ورودی VIN باعث می­‌شود جریانی از طریق سلف به بار متصل در خروجی برود و خازن C1 را شارژ کند.

همانطور که یک جریان متغیر از سیم پیچ سلف عبور می­‌کند، یک نیروی محرکه الکتریکی معکوس (back-emf) تولید می­‌کند که طبق قانون فارادی با جریان عبوری مخالفت کرده تا زمانی که به حالت ثابت برسد و میدان مغناطیسی در اطراف سلف L1 ایجاد کند. این وضعیت تا زمانی که TR1 بسته باشد به طور نامحدود ادامه دارد.

هنگامی که ترانزیستور TR1 توسط مدار کنترل “خاموش” می­‌شود (کلید باز)، ولتاژ ورودی فوراً از مدار امیتر قطع شده و باعث می­‌شود که میدان مغناطیسی اطراف سلف از بین برود و ولتاژ معکوس را در سراسر سلف القا کند.

این ولتاژ معکوس باعث می‌شود که دیود بایاس مستقیم شود، بنابراین انرژی ذخیره‌شده در میدان مغناطیسی سلف‌ها جریان را مجبور می‌کند تا از طریق بار در همان جهت عبور کند و از طریق دیود به عقب بازگردد.

سپس سلف L1 انرژی ذخیره شده خود را به بار باز می­‌گرداند که مانند یک منبع عمل کرده و جریان را تامین می­‌کند تا زمانی که تمام انرژی سلف به مدار بازگردد یا تا زمانی که کلید ترانزیستور دوباره بسته شود، هر کدام که زودتر اتفاق بیفتد. هم‌زمان، خازن نیز جریان داده شده به بار را تخلیه می‌­کند. ترکیب سلف و خازن یک فیلتر LC را تشکیل می‌­دهد که هرگونه ریپلی را که در اثر سوئیچینگ ترانزیستور ایجاد می­‌شود، هموار می­‌کند.

بنابراین، هنگامی که کلید حالت جامد ترانزیستوری بسته است، جریان از منبع تغذیه تامین می­‌شود و زمانی که کلید ترانزیستوری باز است، جریان توسط سلف تامین می­‌شود. توجه داشته باشید که جریان عبوری از سلف همیشه در یک جهت است، یا مستقیماً از منبع تغذیه یا از طریق دیود، که به طور واضح در زمان‌های مختلف در چرخه سوئیچینگ است.

از آنجایی که کلید ترانزیستوری به طور پیوسته بسته و باز می­‌شود، مقدار متوسط ​​ولتاژ خروجی به چرخه کاری D مربوط می‌­شود که به عنوان زمان هدایت سوئیچ ترانزیستوری در طول یک چرخه سوئیچینگ کامل تعریف می‌­شود.

اگر VIN ولتاژ تغذیه باشد و زمان‌های «روشن» و «خاموش» برای سوئیچ ترانزیستوری به صورت tON و tOFF  تعریف ‌شوند، ولتاژ خروجی VOUT به صورت زیر داده می‌شود:

چرخه کاری مبدل باک

چرخه کاری مبدل باک نیز می­‌تواند به صورت زیر تعریف شود:

بنابراین، هر چه چرخه کار بزرگتر باشد، متوسط ​​ولتاژ خروجی DC از منبع تغذیه مد سوئیچ بالاتر است. از این قسمت همچنین می‌توانیم ببینیم که ولتاژ خروجی همیشه کمتر از ولتاژ ورودی خواهد بود، زیرا D هرگز نمی‌تواند به یک (واحد) برسد و در نتیجه یک تنظیم‌کننده ولتاژ کاهشی داریم.

تنظیم ولتاژ با تغییر چرخه کاری به دست می­آید و با سرعت‌­های سوئیچینگ بالا، تا 200 کیلوهرتز، می­‌توان از قطعات کوچکتر استفاده کرد و در نتیجه اندازه و وزن منبع تغذیه مد سوئیچ را تا حد زیادی کاهش داد.

مزیت دیگر مبدل باک این است که آرایش سلف-خازن (LC) فیلتر بسیار خوبی برای جریان سلف فراهم می­‌کند. در حالت ایده‌­آل، مبدل باک باید در مد سوئیچینگ پیوسته کار کند تا جریان سلف هرگز به صفر نرسد. با اجزای ایده‌آل، یعنی افت ولتاژ و تلفات سوئیچینگ در حالت «روشن» صفر، مبدل باک ایده‌آل می‌تواند راندمانی به بزرگی 100 درصد داشته باشد.

علاوه بر تنظیم‌­کننده سوئیچینگ باک کاهشی برای طراحی اولیه منبع تغذیه مد سوئیچ، عملکرد دیگری از تنظیم­‌کننده سوئیچینگ پایه وجود دارد که به عنوان یک تنظیم‌­کننده ولتاژ افزایشی به نام مبدل بوست عمل می­‌کند.

منبع تغذیه سوئیچینگ بوست

تنظیم­‌کننده سوئیچینگ بوست نوع دیگری از مدار منبع تغذیه مد سوئیچ است. این مبدل دارای همان قطعات مبدل باک قبلی است، اما این بار در موقعیت­‌های متفاوت استفاده شده­‌اند. مبدل بوست برای افزایش ولتاژ DC از ولتاژ پایین­‌تر به ولتاژ بالاتر طراحی شده است، یعنی ولتاژ تغذیه را “افزایش” می­‌دهد، در نتیجه ولتاژ موجود در پایانه‌­های خروجی را بدون تغییر قطبیت افزایش می‌­دهد. به عبارت دیگر، تنظیم­‌کننده سوئیچینگ بوست یک مدار تنظیم‌­کننده افزایشی است، بنابراین برای مثال یک مبدل بوست می­‌تواند 5+ ولت را به +12 ولت تبدیل کند.

قبلاً دیدیم که تنظیم­‌کننده سوئیچینگ باک از یک ترانزیستور سوئیچینگ سری در طراحی اولیه خود استفاده می­‌کند. تفاوت طراحی تنظیم­‌کننده سوئیچینگ بوست این است که از یک ترانزیستور سوئیچینگ اتصال موازی برای کنترل ولتاژ خروجی از منبع تغذیه مد سوئیچ استفاده می­‌کند.

از آنجایی که سوئیچ ترانزیستوری به طور موثر به موازات خروجی وصل می­‌شود، انرژی الکتریکی تنها زمانی از طریق سلف به بار عبور می­‌کند که ترانزیستور مطابق شکل بر روی حالت “خاموش” بایاس شود (سوئیچ باز).

تنظیم‌کننده سوئیچینگ بوست

4. تنظیم‌کننده سوئیچینگ بوست

در مدار مبدل بوست، زمانی که سوئیچ ترانزیستوری به طور کامل روشن است، انرژی الکتریکی از منبع تغذیه VIN، از سلف و کلید ترانزیستوری عبور کرده و به منبع تغذیه باز می‌­گردد. در نتیجه، هیچ مقداری از آن­ به خروجی نمی­‌رود زیرا سوئیچ ترانزیستوری به طور موثر اشباع شده و اتصال کوتاه در خروجی ایجاد می­‌کند.

این امر جریان عبوری از سلف را افزایش می­‌دهد زیرا مسیر داخلی کوتاه‌­تری برای بازگشت به منبع تغذیه دارد. در همین حال، دیود D1 بایاس معکوس می‌­شود زیرا آند آن از طریق سوئیچ ترانزیستوری به زمین متصل می­‌شود و سطح ولتاژ در خروجی نسبتاً ثابت باقی می­‌ماند زیرا خازن شروع به تخلیه از طریق بار می­‌کند.

هنگامی که ترانزیستور به طور کامل خاموش می‌­شود، منبع ورودی از طریق سلف و دیود سری به خروجی وصل می­‌شود. همانطور که میدان سلف کاهش می­‌یابد، انرژی القایی ذخیره شده در سلف توسط VIN، از طریق دیود بایاس مستقیم به خروجی رانده می­‌شود.

در نتیجه، ولتاژ القایی در سلف L1 معکوس شده و به ولتاژ منبع ورودی اضافه می­‌شود و کل ولتاژ خروجی را به VIN + VL افزایش می­‌دهد.

جریان خازن هموار­کننده C1 که برای تامین بار در هنگام بسته شدن سوئیچ ترانزیستوری استفاده می­‌شد، اکنون توسط منبع ورودی از طریق دیود به خازن بازگردانده می‌­شود. بنابراین، جریان عرضه شده به خازن جریان دیود است که همیشه “روشن” یا “خاموش” خواهد بود زیرا دیود به طور مداوم بین وضعیت مستقیم و معکوس خود توسط عملکرد سوئیچینگ ترانزیستور سوئیچ می­‌شود. بنابراین، خازن هموار­کننده باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا یک خروجی ثابت و صاف تولید کند.

از آنجایی که ولتاژ القایی در سلف L1 منفی است، به ولتاژ منبع  VINاضافه شده، جریان سلف را به بار تحمیل می‌­کند. ولتاژ خروجی حالت ثابت مبدل­‌های بوست به صورت زیر است:

مانند مبدل باک قبلی، ولتاژ خروجی مبدل بوست به ولتاژ ورودی و چرخه کاری بستگی دارد. بنابراین با کنترل چرخه کاری، تنظیم خروجی حاصل می­‌شود. همچنین توجه کنید که این معادله مستقل از مقدار سلف، جریان بار و خازن خروجی است.

در بالا دیدیم که عملکرد اولیه یک مدار منبع تغذیه مد سوئیچ غیرایزوله می‌­تواند از پیکربندی مبدل باک یا مبدل بوست بسته به اینکه نیاز به ولتاژ خروجی کاهشی (باک) یا افزایشی (بوست) داشته باشیم، استفاده کند. در حالی که مبدل‌های باک ممکن است پیکربندی رایج‌تر سوئیچینگ SMPS باشند، مبدل‌های بوست معمولاً در کاربرد‌های مدار خازنی مانند شارژرهای باتری، فلاش‌های عکس، فلاش‌های آنی (strobe flashes) و غیره استفاده می‌شوند، زیرا خازن تمام جریان بار را در زمانی که سوئیچ بسته است تامین می‌کند.

همچنین می‌توانیم این دو توپولوژی اصلی سوئیچینگ را در یک مدار تنظیم‌کننده سوئیچینگ غیرایزوله به نام یک مبدل باک-بوست ترکیب کنیم.

تنظیم‌کننده سوئیچینگ باک-بوست

تنظیم‌کننده سوئیچینگ باک-بوست ترکیبی از مبدل باک و مبدل بوست است که یک ولتاژ خروجی معکوس (منفی) تولید می‌­کند که بر اساس چرخه کاری می‌­تواند بیشتر یا کمتر از ولتاژ ورودی باشد. مبدل باک-بوست نوعی از مدار مبدل بوست است که در آن مبدل معکوس­‌کننده تنها انرژی ذخیره شده توسط سلف L1 را به بار تحویل می­‌دهد. مدار منبع تغذیه مد سوئیچ باک-بوست اولیه در زیر آورده شده است.

مدار تنظیم‌کننده سوئیچینگ باک-بوست

5. مدار تنظیم‌کننده سوئیچینگ باک-بوست

هنگامی که سوئیچ ترانزیستوری، TR1، به طور کامل روشن (بسته) است، ولتاژ دو سر سلف برابر با ولتاژ تغذیه است، بنابراین سلف انرژی را از منبع ورودی گرفته و ذخیره می‌­کند. هیچ جریانی به بار متصل در خروجی داده نمی‌­شود زیرا دیود D1 بایاس معکوس است. هنگامی که کلید ترانزیستور کاملاً خاموش است (باز)، دیود بایاس مستقیم شده و انرژی که قبلاً در سلف ذخیره شده بود به بار منتقل می‌­شود.

به عبارت دیگر، هنگامی که کلید “روشن” است، انرژی توسط منبع DC (از طریق سوئیچ) به سلف تحویل داده می­‌شود و هیچ انرژی به خروجی نمی­‌رسد، و هنگامی که کلید “خاموش” است، ولتاژ دو سوی سلف به صورت معکوس می­‌شود زیرا سلف اکنون به منبع انرژی تبدیل شده، بنابراین انرژی ذخیره شده قبلی در سلف به خروجی (از طریق دیود) منتقل شده و هیچ انرژی مستقیماً از منبع DC ورودی نمی‌­آید. بنابراین، ولتاژ کاهش یافته در بار هنگام خاموش بودن ترانزیستور سوئیچینگ برابر با ولتاژ سلف است.

نتیجه این است که دامنه ولتاژ خروجی معکوس می­تواند بزرگتر یا کوچکتر (یا مساوی) با دامنه ولتاژ ورودی بر اساس چرخه کاری باشد. به عنوان مثال، یک مبدل باک بوست مثبت به منفی می‌­تواند 5 ولت را به 12 ولت (افزایشی) یا 12 ولت را به 5 ولت (کاهشی) تبدیل کند.

ولتاژ خروجی حالت پایدار تنظیم­‌کننده سوئیچینگ باک-بوست، VOUT به صورت زیر است:

بنابراین، تنظیم‌­کننده باک-بوست نام خود را از تولید یک ولتاژ خروجی گرفته است که می­‌تواند دامنه آن از ولتاژ ورودی بیشتر (مانند بخش توان بوست) یا کمتر (مانند بخش توان باک) باشد. با این حال، ولتاژ خروجی در قطبیت مخالف ولتاژ ورودی است.

خلاصه منبع تغذیه سوئیچینگ

منبع تغذیه سوئیچینگ مدرن یا SMPS از سوئیچ‌­های حالت جامد برای تبدیل ولتاژ ورودی DC تنظیم­‌نشده به ولتاژ خروجی DC تنظیم‌­شده و هموار در سطوح ولتاژ مختلف استفاده می­‌کند. منبع تغذیه می­‌تواند یک ولتاژ DC از باتری یا پنل خورشیدی یا یک ولتاژ DC اصلاح شده از منبع AC با استفاده از یک پل دیودی همراه با فیلترهای خازنی اضافی باشد.

در بسیاری از کاربردهای کنترل توان، ترانزیستور توان، ماسفت یا IGFET، در حالت سوئیچینگ خود کار می‌­کند، جایی که مکرراً با سرعت بالا «روشن» و «خاموش» می­‌شود. مزیت اصلی این است که راندمان توان تنظیم­‌کننده می­‌تواند بسیار بالا باشد زیرا ترانزیستور یا به طور کامل روشن و رسانا (اشباع) و یا کاملا خاموش (قطع) است.

انواع مختلفی از مبدل DC به DC (بر خلاف مبدل DC به AC که یک اینورتر است) در دسترس است، با سه توپولوژی اصلی منبع تغذیه سوئیچینگ باک، بوست و باک-بوست که در اینجا بررسی شد. هر سه این توپولوژی‌­ها غیرایزوله هستند، یعنی ولتاژ ورودی و خروجی آن­ها یک خط زمین مشترک دارند.

هر طراحی تنظیم­‌کننده سوئیچینگ دارای ویژگی‌­های منحصر به فرد خود با توجه به چرخه‌­های کاری حالت پایدار، رابطه بین جریان ورودی و خروجی، و ریپل ولتاژ خروجی تولید شده توسط عملکرد کلید حالت جامد، هستند. یکی دیگر از ویژگی­‌های مهم این توپولوژی­‌های منبع تغذیه مد سوئیچ، پاسخ فرکانسی عمل سوئیچینگ به ولتاژ خروجی است.

تنظیم ولتاژ خروجی با کنترل درصد زمانی که ترانزیستور سوئیچینگ در حالت “روشن” در مقایسه با کل زمان روشن/خاموش است، حاصل می‌­شود. این نسبت چرخه کاری نامیده می‌­شود و با تغییر چرخه کاری (D)، مقدار ولتاژ خروجی، VOUT را می­‌توان کنترل کرد.

استفاده از یک سلف و دیود و همچنین کلیدهای حالت جامد سوئیچینگ سریع با قابلیت عملکرد در فرکانس‌­های سوئیچینگ در محدوده کیلوهرتز، در طراحی منبع تغذیه مد سوئیچ باعث می­‌شود تا اندازه و وزن منبع تغذیه تا حد زیادی کاهش یابد.

به این دلیل که هیچ ترانسفورماتور بزرگ و سنگین ولتاژ کاهشی (یا افزایشی) در طراحی آن­ها وجود نخواهد داشت. با این حال، اگر بین پایانه­‌های ورودی و خروجی ایزولاسیون الکتریکی لازم باشد، باید قبل از مبدل یک ترانسفورماتور قرار داده شود.

دو مورد از محبوب‌ترین پیکربندی‌های سوئیچینگ غیر ایزوله، مبدل‌های باک (تفریقی) و بوست (افزودنی) هستند.

مبدل باک نوعی منبع تغذیه مد سوئیچ است که برای تبدیل انرژی الکتریکی از یک ولتاژ به ولتاژ پایین‌تر طراحی شده است. مبدل باک با یک ترانزیستور سوئیچینگ متصل سری کار می­‌کند. به دلیل چرخه وظیفه کمتر از یک، D < 1، ولتاژ خروجی باک همیشه کوچکتر از ولتاژ ورودی، VIN است.

مبدل بوست نوعی منبع تغذی سوئیچینگ است که برای تبدیل انرژی الکتریکی از یک ولتاژ به ولتاژ بالاتر طراحی شده است. مبدل بوست با یک ترانزیستور سوئیچینگ متصل موازی کار می‌­کند که منجر به یک مسیر جریان مستقیم بین VIN و VOUT از طریق سلف L1 و دیود D1 می­‌شود. این بدان معناست که هیچ حفاظتی در برابر اتصال کوتاه در خروجی وجود ندارد.

با تغییر چرخه کار (D) مبدل بوست، ولتاژ خروجی را می­‌توان کنترل کرد و با D < 1، خروجی DC مبدل بوست بیشتر از ولتاژ ورودی VIN است که حاصل ولتاژ القایی خود سلف است.

همچنین، خازن‌های هموارکننده خروجی در منابع تغذیه سوییچینگ، بسیار بزرگ فرض می‌شوند که منجر به یک ولتاژ خروجی ثابت از منبع تغذیه مد سوئیچ در طول عمل سوئیچینگ ترانزیستور می‌شود.

نظرتان را درباره این مقاله بگویید 4 نظر

منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟

فهرست مطالب

مقالات مرتبط

مشاهده محصولات

بروزترین مقالات

این مقاله را با دوستانتان به اشتراک بگذارید!

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

فروشگاه
علاقه مندی
0 محصول سبد خرید
حساب کاربری من