تغذیه سوییچینگ : تغذیه سوییچینگ شامل مباحثی از قدرت، الکترونیک و کنترل است. در مباحث الکترونیک قدرت، کنترل حالت گذرا و پایدار در تولید و انتقال و توزیع قدرت الکتریکی توسط مدارات الکترونیکی آنالوگ و یا دیجیتال مطرح میباشد.
مدارات مربوط به الکترونیک قدرت را میتوان به دو بخش توپولوژیها و کلیدهای قدرت و دیگری مدارات کنترل الکتریکی تقسیم کرد. انواع مدارهای الکترونیک قدرت به چند دسته تقسیم میشوند:
- یکسوکنندههای دیودی: ولتاژac تکفاز یا سه فاز را بهdc تبدیل میکنند.
- مبدلهایac بهdc یا یکسو کنندههای کنترل شونده: با استفاده از سوئیچهای کنترل شونده منابع ثابت یا متغییرdc میسازند. بعضی از منابع تغذیه سوئیچینگ و خطی در این بخش قرار دارند.
- مبدلهایac بهac : با استفاده از سوئیچهای کنترل شونده، سطح ولتاژ، شکل موج و فرکانس منبع ورودی را تغییر میدهند.
- مبدلهایdc بهdc : چاپرها، بعضی از انواع رگولاتورهای سوئیچینگ و منابع خطی در این بخش جای میگیرند.
- مبدلهایdc بهac یا اینورتورها:منابعac مورد نیاز را از یک منبعdc مانند باطری تامین میکنند
- کلیدهای استاتیک: جایگزین کردن سوئیچهای کنترل شونده به جای کنتاکتورها و رلهها و…
طراحی وسایل الکترونیک قدرت شامل مراحل طراحی مدارهای قدرت، محافظت مدارات قدرت، تعیین روش کنترل و طراحی مدارات کنترلی و درایورهای(روشن کنندههای)مدارات قدرت میباشد.
منابع تغذیه سوییچینگ
منبع تغذیه وسایل الکترونیکی، عمدتاًمنابعی هستند که در دستههای مبدلهای ac به dc و یا dc به dc قرار میگیرند. این مدارات نقش یکتایی در سیستمها بر عهده دارند. یک منبع تغذیه خوب باید با ارائه توان پایدار و قابل اطمینان به بار و محافظت از بار در برابر شرایط خط ورودی و همچنین محافظت بار در برابر ایجاد اشکال در خود بار و عدم صدمه رساندن به بار در زمان صدمه دیدن خود منبع تغذیه، حفاظت کاملی از بار به عمل آورد. اما معمولاً طراحی منابع تغذیه جدی گرفته نمیشود و به مراحل پایانی طراحی یک سیستم موکول میگردد و به علت عدم وجود دانش کافی و جذابیت موضوع در نزد اکثر طراحان، طراحیهای غلط منبع تغذیه و نارسایی آن عامل اصلی از کار افتادن و ایجاد ایراد در وسایل الکترونیکی است.
جهت طراحی یک منبع تغذیه مناسب باید قبل از طراحی سوالات زیر را جواب دهیم:
- منبع توان ورودی چیست و شرایط غیر معمول قابل تصور که میتواند در مورد عملکرد آن اتفاق بیفتد کداماند؟
- ملزومات ایمنی و نیز حداکثر میزان تولید تداخل الکترومغناطیسی(EMI) و رادیویی(RFI) کداماند؟
- نحوه نگهداری از سیستم چگونه است؟ ( که این، نحوه محافظت و طراحی فیزیکی مناسب کاربرد را تعیین میکند.)
- شرایط محیطی که منبع تحت آن شرایط کار خواهد کرد کداماند؟ (که شامل مواردی چون: گستره درجه حرارت، سطحRF موجود در محیط، غبار، کثیفی، ضربه، لرزش و دیگر ملاحظات فیزیکی است.)
- در صورت از کار افتادن قسمتی از سیستم از کار افتادن نرم سیستم چگونه خواهد بود؟
- تکنولوژیهای ساختIC های بهکار رفته در مدار چیست؟ ( که نحوه محافظت از آنها را معین میکند)
- مقادیر تخمینی حداقل و حداکثر جریان بار چقدر خواهد بود و همچنین تقاضای جریان گاهبهگاه بار که مثلاً در موقع استفاده از موتورها و یا صفحههای نمایش اتفاق میافتد چقدر است؟ حداکثر تغییرات ولتاژ قابل تحمل بار چقدر است؟ (که نحوه رگولاسیون متقابل خروجیها و جبرانسازی فیدبک را تعیین میکند.)
- آیا مدارات خاص حساس به نویز وجود دارد؟ (مثل مبدلهای آنالوگ به دیجیتال و دیجیتال به آنالوگ که ممکن است فیلتر شدن بیشتر منبع و یا همزمان کردن مدارات کنترلی منبع با مدارات بار را ایجاب کند.
- آیا ترتیب اعمال تغذیه به قسمتهای مختلف مهم است؟
- مقدار فضای اختصاص داده شده به منبع تغذیه در کل محصول چقدر میباشد؟ ( معمولاً این مقدار را کم در نظر میگیرند، پس در پی چانهزنی برای بدست آوردن حق مناسب خود باشید.)
- آیا به مدارات واسط خاصی در منبع احتیاج میباشد؟ (مثل دستورهای خاموش شدن.)
پس از تعیین این موارد نوبت به تعیین سازمان منبع تغذیه میباشد. هدف این است که توان را به شکل موثری به کل قسمتهای مختلف محصول برسانیم و به احتیاجات هر زیر بخش از سیستم توجه کنیم. منبع تغذیه میتواند یکپارچه یا مجتمع باشد به طوری که کل توان مورد نیاز محصول در یک منبع تغذیه اصلی ایجاد گردد. این راهکار سیستمی،برای سیستمهایی که دارای یک و یا دو مدار چاپی در کل هستند، به خوبی کار میکند.
سازمان دیگر منابع تغذیه،منابع تغذیه گسترده میباشد. در این نوع، قسمت اصلی منبع تغذیه یک باس قدرت است که توان لازم کل قسمتهای محصول پخش شده را فراهم میکند. احتیاجات توانی هر ماجول توسط رگولاتورهای روبردی کوچکتری تامین میشود. این نوع سیستم قدرت در بین سیستمهای بر پایه کارتهای متعدد مثل کامپیوترها و محیطهای کنترل صنعتی گسترده استفاده میشود. در این کاربردها مشکل اصلی افت ولتاژ در مسیرهای انتقال توان و اتصالات است. اگر از یک منبع تغذیه یکپارچه استفاده میشد افت ولتاژ در طول مسیر انتقال توان باعث میشد بین مدارات نزدیک و دور از منبع اختلاف ولتاژ ایجاد شود و این امر میتوانست باعث خارج شدن ولتاژ تغذیه بعضی مدارات از حدود مجازشان گردد و وضعیت با اکسید شدن اتصالات انتقال دهنده توان بدتر میشد در این موارد یک ولتاژ بالاتر از حد نیاز روی سیستم توزیع میشود و سپس توسط رگولاتور روبردی به مقدار لازم هر برد کاهش مییابد و این بدان معنی است که طراحی این سیستمهای تغذیه در واقع شامل طراحی چندین منبع تغذیه معمولاً با توپولوژیهای مختلف میباشد.
در فرآیند طراحی منبع تغذیه معمولاً باید مصالحهای بین اهداف تعیین شده به وجود آورد. غیر ممکن است بتوان منبع تغذیهای طراحی کرد که همه خواستههای اولیهی دیگر مهندسان سیستم و مدیریت را مرتفع سازد و در عین حال آن را در محدوده هزینه، فضا و وزن تعیین شده از قبل نگاه داشت. مفروضات اولیه تعیین شده برای یک منبع تغذیه سوییچینگ معمولاً این است که عملکردی بینهایت قابل انعطاف فراهم کند و کیلوواتها توان را در فضای صفر تحویل دهد و هیچ پولی را هم صرف آن نکنیم. مشخصاً مصالحهای در راه است.
تعیین تکنولوژی منبع تغذیه سوییچینگ
بعد از تعیین سازمان منبع تغذیه سوییچینگ نوبت به تعیین تکنولوژی هر یک از منابع به کار رفته در سیستم میرسد. در مراحل ابتدایی طراحی میتوان عمل تعیین تکنولوژیها و تغییر سازمان منبع را چند بار تکرار کرد تا به نتیجه مطلوب دست یافت. مسائل مهمی که این مرحله از طراحی را تحت تاثیر قرار میدهند عبارتند از: هزینه، وزن و فضای اشغال شده، میزان گرمای مجاز تولید شده در محصول، منبع یا منابع توان ورودی، میزان تحمل نویز مدارات بار، میزان عمر باطری در صورتی که محصول قابل حمل باشد، تعداد ولتاژهای خروجی مورد نیاز و مشخصات خاص آنها و نهایتاً زمانی که باید محصول وارد بازار شود. مهندس طراح میتواند به طور دورهای سازمان و تکنولوژیهای منابع تغذیه سوییچینگ را همزمان با تغییر در احتیاجات محصول نهایی مورد بازبینی قرار دهد.
سه تکنولوژی اصلی که در طراحی یک منبع تغذیه میتوانند مورد استفاده قرار گیرند عبارتند از:
- رگولاتورهای خطی
- رگولاتورهای سوئیچینگ با عرض پالس مدوله شده(PWM)
- رگولاتورهای سوئیچینگ رزونانسی و شبهه رزونانسی
هر کدام از این تکنولوژیها در یک یا چند تا از ملاحظات سیستمی که در بالا مطرح شد، برتری دارد و باید برتریهای هر یک را در برابر دیگر ملاحظات بسنجیم تا ترکیب بهینهای از تکنولوژیهایی که احتیاجات محصول نهایی ما را برآورده میکند تعیین کنیم.
صنعت منابع تغذیه سوییچینگ هر کدام از این تکنولوژیها را برای استفاده در حوزه خاصی از کاربردها برگزیده است:
منابع خطی: منابع خطی غالباً در تجهیزات زمینی استفاده میشوند، جایی که تولید حرارت و راندمان پایین مسئله اصلی نیست و همچنین در جاهایی که هزینه پایین و زمان طراحی کوتاه مد نظر قرار دارد. این نوع منابع به عنوان رگولاتورهای روبردی در سیستمهای قدرت گسترده بسیار محبوبیت دارند و همچنین نویزRF منتشر شده از آنها بسیار کم میباشد.
برای محصولات Off Line (محصولاتی که توان مورد نیاز خود را از برق شهری تامین میکنند.) یک مرحله دیگر (شامل یک ترانس ایزوله کننده) قبل از رگولاتور خطی باید قرار گیرد تا ایمنی لازم را با تامین ایزولاسیون دیالکتریکی از خط ac فراهم کند. رگولاتورهای خطی فقط میتوانند ولتاژهای خروجی کمتر از ولتاژ ورودی خود ایجاد کنند و هر کدام به تنها یک خروجی محدود هستند. هر رگولاتور خطی دارای راندمان متوسطی بین ۳۵% تا۵۰% میباشد و انرژی هدر رفته به شکل گرما تلف میشود.
منابع تغذیه سوئیچینگPWM : این نوع منابع راندمان بسیار بالاتری دارند و انعطاف بیشتری نسبت به رگولاتورهای خطی دارند. معمولاً میتوان آنها را در محصولات قابل حمل، تجهیزات مربوط به هواپیما و اتومبیل، ابزارهای اندازهگیری کوچک، وسایل متصل به برق شهر و کلاً کاربردهایی که راندمان بالا و ولتاژهای خروجی چندگانه را لازم دارند یافت. وزن آنها بسیار کمتر است بدین دلیل که به گرماگیری کمتری برای همان مشخصات خروجی نسبت به نوع خطی احتیاج دارند. اما در عوض هزینه تولید آنها بیشتر است و زمان بیشتری را برای طراحی و توسعه احتیاج دارند، همچنین نویز RF منتشر شده از آنها بالاست. راندمان این گونه منابع بین ۷۰% تا ۸۵% است.
منابع سوئیچینگ رزونانسی و شبه رزونانسی: این نوع منابع سوئیچینگ تغییر یافته، جای خود را در کاربردهایی پیدا میکنند که وزن و حجم کمتری مطلوب است و از آن مهمتر در جاهایی که نویز تابشی (تداخل) کاهش یافته نسبت به نوع قبلی مورد نیاز است. محصولات معمولی که این نوع منابع در آنها استفاده میشوند شامل الکترونیک هوابرد، الکترونیک فضاپیماها و ابزار و ماجولهای سبک وزن است. جنبه منفی این گونه منابع این است که به بیشترین زمان طراحی احتیاج دارند و معمولاً هزینه ساخت آنها بیشتر از دو نوع تکنولوژی دیگر است.
گرایش در صنعت به سمت آن است که هر چه بیشتر از منابع خطی دور میشویم (بجز رگولاتورهای روبردی) و بیشتر به منابع تغذیه سوییچینگ PWM روی میآوریم. منابع رزونانسی و شبه رزونانسی نیز همزمان با تکامل بیشترشان به آرامی پدیدار میشوند و طراحیشان نیز آسانتر میگردد.
تجهیزات مورد نیازبرای طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ: در طراحی منابع تغذیه سوییچینگ بخصوص انواع سوئیچینگ لازم میشود که طراح پارامترهایی را مشاهده و اندازهگیری کند که در حوزههای دیگر طراحی معمولاً با آنها برخورد ندارد. جدا از ولتاژهایac وdc ، طراح باید جریانهایac وdc را نیز مشاهده کند و در منابع تجاری طیفRF ورودی و خروجی و منتشر شده را اندازه بگیرد. لوازم مورد نیاز عبارتند از:
- یک اسیلوسکوپ پایه زمانی MHZ100یا بالاتر،عرض باند زیاد به طور خاص برای طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ لازم میشود.
- پروب ولتاژ ۱۰:۱ برای اسیلوسکوپ
- مولتیمتر با قابلیت اندازهگیری ولتاژ و جریان ac و dc، داشتن قابلیت اندازهگیری RMS واقعی نیز مفید است.
- یک پروب جریان ac برای اسکوپ که خصوصاً برای منابع سوئیچینگ لازم است.
- یک منبع تغذیه رومیزی که قابلیت شبیهسازی منبع توان ورودی مدار در حال طراحی را داشته باشد این منبع، یک منبع dc بزرگ با جریاندهی و ولتاژدهی بیش از حد نیاز مدار میباشد. برای منابع تغذیه متصل به برق شهر از یک واریاک (اتوترانسفورمر) با جریاندهی بیش از حد مورد نیاز استفاده میشود.
- تحلیلگر طیف برای اندازهگیری میزان RFI و EMI تولیدی منبع.
- یک واتمتر اندازهگیر RMS برای اندازهگیری راحت راندمان و ضریب توان که این مورد برای طراحی منابع تغذیه متصل به برق شهر لازم میباشد.
منابع تغذیه خطی: برای کاربردهایی که کمتر از w10 توان مصرف میکنند و یا احتیاج به منبع کم نویز دارند نسبت به نوع سوئیچینگ برتری دارند، طراحی آنها ساده است و زمان پاسخدهی و رگولاسیون بهتری دارند. در صورت لزوم به ایزولاسیون، احتیاج به یک ترانس ایزوله کننده حجیم Hz50 دارند .
تمام منابع تغذیه با ولتاژ تثبیت شده چه خطی و چه سوئیچینگ در نحوه عملکرد پایه مشترک هستند و آن این است که شامل یک حلقه فیدبک منفی بسته هستند که ولتاژ خروجی را به طریقی در مقدار دلخواه نگاه میدارد. رگولاتورها، فقط رگولاتورهای کاهش دهنده هستند یعنی به ولتاژ ورودی بیشتری از ولتاژ خروجیشان احتیاج دارند و به دو دسته تقسیم میشوند:
رگولاتورهای با عنصر عبوری سری و رگولاتورهای شانت. رگولاتور شانت رگولاتوری است که به صورت موازی با بار قرار داده میشود و رگولاتور و بار از یک منبع جریان رگولهنشده مانند یک مقاومت متصل به ولتاژ بالاتری از ولتاژ خروجی، تغذیه میشوند. نمونه عمومی این نوع رگولاتورها، رگولاتور با دیود زینر است. رگولاتور با عنصر سری از رگولاتور شانت راندمان بالاتری دارد و از یک عنصر نیمههادی فعال به عنوان عنصر سری استفاده میکند. این قطعه در ناحیه خطی خود کار میکند یعنی در حالت نیمهروشن قرار دارد و میزان رسانایی آن توسط حلقه فیدبک منفی تعیین میشود.