منابع تغذیه باک یکی از منابع پرکاربرد و اصلی در بین منابع تغذیه سوییچینگ می باشد . این مبدل برای تبدیل ولتاژ بالا به ولتاژ پایین تر استفاده میگردد و خروجی آن غیر ایزوله است . این مبدل شامل یک سوییچ فعال و دیود و سلف و خازن می باشد و توسط یک آیسی کنترلر سوییچ و کنترل میشود.
اتلاف بالا در ترانزیستور عبور سری در یک رگولاتور خطی و وجود ترانسفورماتور ۶۰ هرتز قرار گرفته در سمت خط، رگولاتورهای خطی را برای کاربردهای الکترونیک مدرن غیر جذاب کرده است. بعلاوه، اتلاف توان بالا در دستگاه سری به یک هیت سینک بزرگ و خازنهای ذخیرهسازی بزرگ نیاز دارد و منبع تغذیه خطی را بطور بیتناسبی بزرگ میکند.
با پیشرفت الکترونیک، مدارهای مجتمع، سیستمهای الکترونیک را کوچکتر کردند. رگولاتورهای خطی میتوانستند چگالیهای توان خروجی ۰٫۲ تا ۰٫۳ وات در اینچ مکعب را بدست آورند، و این برای سیستمهای الکترونیک مدرن حتی کوچکتر کافی نبود. بعلاوه، منابع تغذیه خطی نمیتوانستند زمان برپایی بیشتری را برای خاموشی کنترل شده سیستمهای ذخیره دیجیتال فراهم کنند.
رگولاتورهای سوئیچینگ کم کم بطور وسیع به عنوان جایگزینهایی برای رگولاتورهای خطی در اوایل دهه ۱۹۶۰ مورد استفاده قرار گرفتند . هنگامی که نیمه رساناهای مناسب با عملکرد و هزینه معقول در دسترس قرار گرفت، این منابع سوئیچینگ جدید از یک سوئیچ ترانزیستور برای تولید یک شکل موج مربعی از یک ولتاژ ورودی DC تنظیم نشده استفاده میکردند. این موج مربعی، با دوره کاری (دیوتی سایکل) قابل تنظیم، بمنظور فراهم کردن یک خروجی DC تنظیم شده به یک فیلتر خروجی پایین گذر اعمال می شود.
معمولاً فیلتر شامل القاگر و یک خازن خروجی خواهد بود. بوسیله تغییر دیوتی سایکل، ولتاژ DC میانگین در خازن خروجی میتواند کنترل شود. فیلتر پایین گذر تضمین میکند که ولتاژ خروجی DC هنگام اعمال به ورودی فیلتر پایین گذر، مقدار میانگین پالسهای pwm خواهد بود. توپولوژی باک و شکل موجهای آن در شکل ۱٫۴ نشان داده شده است.
با فیلترهای القاگر/خازن (LC) پایین گذر درست انتخاب شده، مدولاسیون موج مربعی تواند بطور مؤثر به حداقل رسانده شود و امکان ارائه ولتاژهای خروجی DC تقریباً بدون ریپل، مساوی با مقدار میانگین ورودی DC خام با دوره کاری مدوله شده، فراهم شود. بوسیله حس کردن ولتاژ خروجی DC و کنترل سوییچ pwm در یک حلقه فیدبک منفی، خروجی DC میتواند در مقابل تغییرات ولتاژ خط ورودی و تغییرات بار خروجی تنظیم شود.
منابع سوئیچینگ فرکانس بالا درحال حاضر تا ۲۰ وات در اینچ مکعب هستند درحالیکه منابع تغذیه خطی قدیمیتر ۰٫۳ وات در اینچ مکعب هستند. بعلاوه، آنها قادر به تولید ولتاژهای خروجی ایزوله شده چندگانه از یک ورودی منفرد هستند. آنها نیازی به یک ترانسفورماتور توان ایزولاسیون ۵۰/۶۰ هرتز ندارند، و بازدههایی از %۷۰ تا %۹۵ دارند. بعضی از طراحان مبدل DC/DC، چگالیهای توان بار تا ۵۰ وات در اینچ مکعب را برای المانهای سوئیچینگ واقعی طراحی میکنند.
شکل موجها و المانهای اصلی یک رگولاتور باک
در منابع تغذیه باک ، زمان روشن بودن دستگاه (Ton) برای حفظ رگولاسیون تنظیم میشود، درحالی که دوره کاری کل (T) ثابت است، و فرکانس در نتیجه در ۱/T ثابت میشود.
در بسیاری از رسالههای مدرن معمولاً به نسبت Ton/T، دیوتی سایکل (D) گفته میشود. به یاد داشته باشید که دیگر حالات عملیات میتوانند استفاده شوند. برای مثال، زمان روشن بودن میتواند ثابت باشد و فرکانس میتواند متغیر باشد، یا یک ترکیب از هردو میتواند استفاده شود.
عملیات اصلی منابع تغذیه باک
المانهای اصلی منابع تغذیه باک در شکل ۱٫۴ نشان داده شده است. ترانزیستور Q1 بصورت سری با ورودی مستقیم Vdc برای تولید یک ولتاژ مربعی در نقطه V1 “روشن” و “خاموش” میشود. برای کنترل دیوتی سایکل با فرکانس ثابت، Q1 برای یک زمان Ton (یک قسمت کوچک از دوره سوئیچینگ کل T) هدایت می کند. هنگامی که Q1 “روشن” است، ولتاژ در V1، برابر Vdc است، با فرض اینکه برای آن لحظه، افت ولتاژ “روشن” در Q1 صفر است.
یک جریان در القاگرهای سری Lo افزایش مییابد و به سمت خروجی جاری میشود. هنگامی که Q1 “خاموش” میشود، ولتاژ در V1 بوسیله جریان جاری در القاگر Lo بسرعت به سمت صفر پیش رانده میشود و تا زمانی که در حدود -۰٫۸ ولت بوسیله دیود D1 (معروف به دیود هرزگرد) گرفته شود منفی خواهد شد.
فرض کنید برای آن لحظه “روشن” ، افت دیود D1 صفر است. ولتاژ مربعی نشان داده شده در شکل۱-۴ قسمت b مستطیلی خواهد بود و در محدودهای بین Vdc و زمین، (۰V) تغییر میکند . مقدار میانگین این شکل موج مستطیلی، VdcTon/T است. فیلتر LoCo پایین گذر بصورت سری بین V1 و خروجی V مؤلفه DC را استخراج میکند و یک ولتاژ DC تقریباً بدون ریپل تمیز را در خروجی با مقدار بزرگی Vo برابر با VdcTon/T بدست میدهد.
برای کنترل ولتاژدر منابع تغذیه باک ، V0 بوسیله مقاومت نمونهبرداری R1 و R2 حس میشود و با یک ولتاژ مرجع Vref در تقویت کننده خطا (EA) مقایسه میشود. ولتاژ خطای DC تقویت شده Vea به یک مدولاتور پهنای پالس (PWM) داده میشود. در این مثال، PWM ضرورتاً یک مقایسه کننده ولتاژ با یک شکل موج دندانه ارهای در ورودی دیگر است (شکل-۱-۴- قسمت a را ببینید). این شکل موج دندانه ارهای دارای یک دوره T و دامنه نوسان در مرتبه ۳ V است.
مقایسه کننده ولتاژ PWM با بهره بالا یک شکل موج خروجی مستطیلی تولید میکند (Vwm، شکل-۱-۴- قسمت c را ببینید) که در شروع دامنه شکل موج دندانه ارهای بالا میرود، و در لحظهای که ولتاژ رمپ سطح ولتاژ DC را از خروجی تقویت کننده خطا قطع میکند پایین میرود. در نتیجه پهنای پالس خروجی PWMکه همان Ton می باشد بوسیله ولتاژ خروجی تقویت کننده EA کنترل میشود.
پالس خروجی PWM در منابع تغذیه باک به یک مدار درایور داده میشود و برای کنترل زمان “روشن” بودن ترانزیستور Q1 درون حلقه فیدبک منفی استفاده میشود. تغییر فاز بطوری است که اگر Vdc کمی بالاتر رود، سطحDC مربوط به EA به پایین موج رمپ نزدیکتر میشود، شکل موج رمپ سطح خروجی EA را زودتر قطع میکند، و زمان “روشن”بودن Q1 کاهش مییابد، که ولتاژ خروجی را ثابت نگه میدارد. بطور مشابه، اگر Vdc کاهش یابد، زمان “روشن” Q1 برای ثابت نگه داشتن V0 افزایش مییابد. بطور کلی، برای تمام تغییرات، زمان “روشن” بودن Q1 کنترل میشود تا ولتاژ خروجی DC نمونهبرداری شده که برابر V0R2/(R1 + R2) می باشد را با ولتاژ مرجع Vref بدقت تنظیم کند.
شکل موجهای معمول در منابع تغذیه باک
به طور کلی، مزیت اصلی تکنیک رگولاتور سوئیچینگ نسبت به همتاهای خطی خودش، حذف اتلاف توان ذاتی در المان عبور رگولاتور خطی است.
در رگولاتور سوئیچینگ، المان عبور یا کاملاً “روشن” است (با اتلاف توان بسیار کم) یا کاملاً “خاموش” است (با اتلاف توان قابل چشمپوشی). رگولاتور باک یک مثال خوب از این حالت است و دارای تلفات داخلی و در نتیجه بازده تبدیل توان بالا است.
بااینوجود، برای پی بردن کامل به ظرافتهای عملیات آن، درک شکل موجها و زمانبندی جریانها و ولتاژها در کل مدار ضروری است. به همین منظور، ما بصورت مفصلتر یک دوره کامل از رویدادها را بررسی خواهیم کرد .هنگامی که Q1 کاملاً “روشن” میشود، در نقطه V1 ولتاژ منبع Vdc ظاهر خواهد شد. از آنجایی که ولتاژ خروجی V0 کمتر از Vdc است ، القاگر L0 دارای مقدار ولتاژی برابر با (Vdc – V0) خواهد بود.
با توجه به وجود یک ولتاژ ثابت در القاگر، جریان آن بصورت خطی با نرخ مشخص di/dt = (Vdc – V0)/L0 افزایش مییابد. (این حالت در شکل۱٫۴ قسمت d بصورت یک شکل رمپ نشان داده شده است که بالای شکل موج جریان پلهای مینشیند).
هنگامی که Q1 “خاموش” میشود، ولتاژ در نقطه V1 به سمت صفر رانده میشود و تغییر جریان قبلاً ایجاد شده بصورت لحظهای امکانپذیر نیست. در نتیجه، قطبیت ولتاژ در L0 فوراً معکوس میشود، و تلاش میکند جریان قبلی را حفظ کند (به این معکوس شدن قطبیت ، فلایبک یا بازگشت القایی القاگر گفته میشود).
بدون دیود D1، مقدار ولتاژ نقطه V1 بسیار منفی خواهد شد، اما با قرار دادن D1 بصورت نشان داده شده، با عبور ولتاژ V1 از صفر، D1 سمت چپِ L0 را در یک افت دیود زیر صفر هدایت میکند و گیر میاندازد. ولتاژ در القاگر اکنون معکوس شده است، و جریان در القاگر و D1 کاهش خواهد یافت، و در طول دوره “خاموش” شدن Q1 به مقدار شروع اصلی خودش باز میگردد.
بطور دقیقتر، هنگامی که Q1 “خاموش” میشود، جریان I2 (که در Q1، L0 و خازن خروجی C0 و بار درست قبل از “خاموش” کردن درحال جریان بوده است) منحرف میشود و اکنون در دیود D1، L0 و خازن خروجی و بار جریان مییابد، همانطور که در شکل ۱٫۴ قسمت e نشان داده شده است. قطبیت ولتاژ در L0 با مقدار (V0 + 1) معکوس شده است.
جریان در L0 اکنون بصورت خطی در یک نرخ تعریف شده بوسیله معادله di/dt = (V0 + 1)/L0 کاهش مییابد. این سراشیبی رو به پایین روی یک پله در شکل ۱٫۴ قسمت e قرار میگیرد. تحت شرایط حالت پایا، در انتهای زمان “خاموش” شدن Q1، جریان در L0 به I1 کاهش خواهد یافت و هنوز در D1، L0 و بار و خازن خروجی درحال جریان است.
تذکر: توجه کنید که جریان ورودی با یک مشخصه پالس-مانند ناپیوسته است، درحالی که جریان خروجی با مقداری مؤلفه ریپل نسبتاً کوچک بسته به مقدار L0 و C0 تقریباً پیوسته باقی میماند.
در منابع تغذیه باک هنگامی که Q1 دوباره “روشن” میشود، در ابتدا جریان را به کاتد D1 میدهد، و جایگزین جریان فوروارد قبلی خودش میشود. درحالی که جریان در Q1 به سمت مقدار قبلی I1 افزایش مییابد، جریان فوروارد D1 جایگزین خواهد شد، ومقدار V1 به نزدیکی Vdc افزایش خواهد یافت، و باعث بایاس معکوس D1 خواهد شد. از آنجایی که Q1 بصورت سخت “روشن” میشود، این فرایند بازیابی بسیار سریع است، معمولاً کمتر از ۱ μs.
توجه کنید که جریان در L0 مجموع جریان Q1 است هنگامی که آن “روشن” است (شکل-۱٫۴- قسمت d را ببینید) به اضافه جریان D1 هنگامی که Q1 “خاموش” است. این حالت در شکل۱٫۴ قسمت f بصورت IL,0 نشان داده شده است. آن دارای یک مؤلفه DC و یک مؤلفه ریپل شکل موج مثلثی (I2 – I1) است که در مرکز جریان خروجی DC میانگین I0 قرار دارد. در نتیجه مقدار جریان در مرکز رمپ در شکل-۱٫۴- قسمت d و ۱٫۴- قسمت e، جریان خروجی میانگین مستقیم I0 است.
با تغییر مقاومت بار در منابع تغذیه باک و در نتیجه جریان بار، مرکز رمپ(مقدار میانگین) در هر دو شکل ۱٫۴ قسمت d یا e حرکت میکند، اما شیبهای سراشیبیها ثابت باقی میمانند، زیرا در طول زمان “روشن” بودن Q1، نرخ رمپ در L0 در Vdc – V0)/L0) ثابت باقی میماند.در طول زمان “خاموش”بودن Q1، هنگامی که جریان بار تغییر میکند نرخ رمپ درL0 در V0 + 1)/L) ثابت باقی میماند، زیرا ولتاژهای ورودی و خروجی ثابت باقی میمانند.