منبع تغذیه پوش پول برای کاربردهای کم توان و خروجی متغیر بهترین شرایط کاری را دارد که طیف توانی آن از حدود چند وات تا کمتر از صد وات را در برمی گیرد و مناسب برای ولتاژهای ورودی پایین می باشد. قابلیت اجرای توپولوژی پوش پول با چندین خروجی، قابل انجام میباشد.
منبع تغذیه پوش پول تک خروجی
یک منبع تغذیه پوش پول از دو مبدل فوروارد تشکیل شده است که به صورت پشت به پشت (انتها به انتها) عمل میکنند، و هسته را در هر دو جهت مغناطیسی میکنند و سبب استفاده موثرتر هسته می شوند. توپولوژی اصلی منبع تغذیه پوش پول در شکل ۱٫۳ نشان داده شده است.
این توپولوژی شامل یک جفت سوئیچ مکمل S1 و S2، یک ترانسفورماتور سر وسط، یک یکسوکننده موج کامل با دیودهای D1 و D2 در سیم پیچ ثانویه، یک القاگر فیلتر خروجی L و یک خازن خروجی C میشود.
بر اساس حالات ON/OFF مربوط به سوئیچهای S1 و S2، مبدل دارای مودهای سوئیچینگ زیر است:
حالت ۱ – هنگامی که S1 روشن (ON) است و S2 خاموش (OFF) است، دیود D1 بایاس مستقیم میشود، درحالی که D2 بایاس معکوس میشود.
مود یا حالت ۲ – هنگامی که S2 روشن است و S1 خاموش است، دیود D2 بایاس مستقیم میشود، درحالی که دیود D1 بایاس معکوس میشود.
مود یا حالت ۳ – هنگامی که هردوی S1 و S2 خاموش هستند، دیودهای D1 و D2 بایاس مستقیم میشوند.
ولتاژ DC بدست آمده از خروجی یکسوکننده از طریق فیلتر به بار تغذیه میشود.
شکل-۳-۱ نمودار مدار یک مبدل پوش پول
منبع تغذیه پوش پول چند خروجی
نمودار بلوکی توپولوژی طراحی شده، در شکل ۲٫۳ نشان داده شده است. ولتاژ ورودی به مدار شروع کننده (startup) و ترانسفورماتور پوش پول داده میشود. بعد از ترانسفورماتور پوش پول، مدارهای یکسوکننده و فیلتر قرار دارند.
آیسی PWM با استفاده از مدار استارتاپ شروع میشود. این مدار به طریقی طراحی میشود که آیسی از خروجی کمکی مبدل تغذیه شود، و بدین وسیله نیاز به یک منبع تغذیه اضافی را کاهش میدهد. پالسهای آیسی برای درایو سوئیچهای مبدل پوش پول در سمت اولیه استفاده میشوند.
شکل-۳-۲ نمودار بلوک توپولوژی پوش پول چند خروجی
یک منبع تغذیه پوش پول با چند خروجی با توان حداکثر ۶٫۸۷۵W که در شکل-۳-۳ نشان داده شده است، برای تأمین ولتاژ کنترل شده به سیستمهای مخابراتی طراحی میشود.
برای سوئیچها از سوئیچینگ سخت استفاده میشود. این توپولوژی، ولتاژ تغذیه (۲۴V – ۴۲V) ورودی را به ترتیب به سه ولتاژ ثانویه +۵V/0.5A، +۱۲٫۵V/250mA و +۱۲٫۵V/100mA تبدیل میکند.
شکل-۳-۳ مبدل پوش پول چند خروجی
در میان این خروجیهای ثانویه ، خروجی (۱۲٫۵V/250mA (3.125W در مقایسه با دو خروجی دیگر (۵V/0.5A (2.5W و (۱۲٫۵V/100mA (1.25W یک خروجی توان بالا حساب میشود. اگر رگولاسیون روی آن انجام شود ، تأثیر آن روی سیستم مبدل نامطلوب است . همانطور که در زیر لیست شده است:
- آن به یک اپتو-ایزولاتور نیاز دارد، که سیستم را بسیار پیچیده میکند.
- انحراف بزرگ در این خروجی، رگولاسیون خروجیهای دیگر را افزایش میدهد (+۵V/0.5A و +۱۲٫۵V/100mA).
- اگر در حالت بدون بار استفاده شود، خروجیهای دیگر به آسانی در دسترس نخواهند بود.
به این دلایل، خروجی کم توان +۱۲٫۵V/100mA تشخیص داده میشود و بوسیله UC3825 کنترل میشود.
مشخصات طراحی
مبدل پوش پول برای عمل کردن در مودهای پیوسته و ناپیوسته طراحی میشود، و مشخصات طراحی در این بخش ارائه میشوند. مشخصات مبدل پوش پول با چند خروجی در جدول-۳-۱ ارائه شده است.
جدول-۳-۱ مشخصات مبدل پوش پول با چند خروجی
طراحی مبدل برای هردوی مودهای عملیات هدایت پیوسته و ناپیوسته (CCM و DCM) انجام میشود.
مود عملیات ناپیوسته (DM)
فرمول طراحی عملیاتهای ناپیوسته در این بخش لیست شده است.
محاسبه جریان اولیه:
اندوکتانس اولیه
جریان پیک اولیه
جریان RMS اولیه
که در آن،
Vimin – مینیمم ولتاژ ورودی (V)
Ton – زمان روشن بودن (میکرو ثانیه)
Pomax – ماکزیمم توان خروجی (W)
T – دوره زمان کل (میکرو ثانیه)
Dmax – ماکزیمم دوره کاری
محاسبه جریان ثانویه:
نسبت دورها،
زمان ریست
جریان پیک ثانویه
جریان RMS ثانویه
که در آن،
Np – دورهای اولیه
Ns – دورهای ثانویه
V0 – ولتاژ خروجی (V)
I0 – جریان خروجی (A)
مود عملیات پیوسته (CM)
فرمول طراحی برای عملیاتهای پیوسته در این بخش لیست شدند.
محاسبه جریان اولیه:
اندوکتانس اولیه
جریان پیک اولیه
جریان RMS اولیه
که در آن،
Po – توان خروجی (W)
محاسبه جریان ثانویه
جریان پیک ثانویه
جریان RMS ثانویه،
محاسبه فیلتر:
معادله ولتاژ خروجی یک مبدل پوش پول بصورت زیر بدست میآید:
جریان ریپل در القاگر ،
خازن فیلتر،
که در آن،
Vo – ولتاژ خروجی (V)
Vin – ولتاژ ورودی (V)
n – نسبت دورها
D – دوره کاری
L – اندوکتانس القاگر
ΔVo/Vo – ولتاژ ریپل خروجی خازن
f – فرکانس سوئیچینگ (kHz)
خازن فیلتر و القاگر با استفاده از معادلات (۳٫۱) – (۳٫۳) بدست میآیند و در جدول-۳-۲ برای هر سه ولتاژ خروجی لیست شدهاند.
جدول-۳-۲ مقدار طراحی شده القاگر و خازن فیلتر
با توجه به طراحی، میتوان بطور غیر مستقیم متوجه شد که هردوی جریانهای پیک اولیه و ثانویه در مود ناپیوسته نسبت به مود هدایت پیوسته بالاتر هستند. خاموش کردن سوئیچها در این جریان پیک بالاتر مطمئناً افتهای سوئیچینگ را افزایش خواهد داد و سوئیچها را بیش از اندازه بزرگ خواهد کرد.
برای محدود کردن جریان، فیلتر القایی بزرگ باید استفاده شود که مبدل را حجیمتر خواهد کرد. با توجه به مقادیر بدست آمده در طراحی ، نتیجهگیری میشود که جریانها در اولیه و ثانویه در مود پیوسته کمتر هستند (جریان اولیه RMS برابر با ۲٫۳۴A است و جریانهای ثانویه ۶٫۷/۰٫۴/۰٫۱۳۴A هستند)، نسبت به مود ناپیوسته (جریان اولیه RMS برابر با ۸٫۵A است و جریانهای ثانویه ۷/۴/۴٫۲A هستند).
این امر منجر به اندازه فیلتر کمتر برای مود پیوسته میشود. همیشه داشتن هدایت پیوسته با جریان کمتر مطلوب است.
بنابراین، از این به بعد مود هدایت پیوسته برای تحلیل در نظر گرفته میشود.
طراحی القاگر و ترانسفورماتور
فرضیات زیر در طراحی ترانسفورماتور در نظر گرفته میشوند:
چگالی جریان ، DCmax = 500 circular mils /RMS A
که در آن circular mill = 5.067* 10-10 m2
ماکزیمم چگالی شار، Bm = 3200 guass
توان خروجی، PO = 6.9W
D = 0.4
که در آن PO بر حسب وات است و Bm بر حسب گاوس است، Ac و Aw بر حسب سانتیمتر مربع هستند، f بر حسب هرتز است
و DCma برحسب circular mils per ampere است.
با توجه به معادله بالا، حاصلضرب مساحت، Ap = AwAc = 1481mm4.
با توجه به ضمیمه I، هسته EE 25/10/5 انتخاب میشود.
تعداد اولیه دورها
ولتاژ خروجی
با توجه به معادله بالا، NS1 = 3، NS2 = 10، NS3 = 8
فرضیات زیر در طراحی القاگر در نظر گرفته میشوند:
چگالی شار مغناطیسی، Bm = 0.2 T برای فریت
چگالی جریان، J = 3 × ۱۰۶ A/m2
ضریب دامنه، Kc = 1
ضریب استفاده از پنجره، Kw = 0,6
انرژی ذخیره شده در القاگر
حاصلضرب مساحت
تعداد دورها
که در آن، Im پیک جریان القاگر (A) است.
Ac = کل مساحت هسته برحسب (cm2)
جزئیات طراحی القاگر در جدول-۳-۳- لیست شده است.
جدول-۳-۳ مقادیر طراحی شده القاگر فیلتر