امروزه منبع تغذیه سوئیچینگ کاربرد بسیار زیادی در مدارات الکترونیکی دارد. این نوع از منابع، به دلیل سوئیچ‌زنی ولتاژ ورودی، نویز‌های فرکانس بالایی بین چند کیلو تا چند ده مگاهرتز تولید می‌کنند که باید به خوبی کنترل و فیلتر شوند. در غیر این صورت به شکل هدایتی به خروجی و ورودی منبع منتقل شده و تاثیر منفی بر بار منبع یا تجهیزات دیگر می‌گذارند. قابل ذکر است که این نویز در منابع تغذیه خطی، فرکانس پایین‌تر بوده و راحت‌تر کنترل و حذف می‌شود؛ ولی در کل برای توان‌های مصرفی بالای 100 وات و جایی که به منبع با ابعاد کوچک و سبک نیاز داریم، منبع تغذیه سوئیچینگ ارجحیت دارد. در این بخش به معرفی کلی مبدل غیر ایزوله باک می‌پردازیم.
منبع کاهنده ولتاژ غیر ایزوله
مبدل باک (Buck Converter)
نحوه عملکرد مدار
- با وصل شدن سوئیچ، جریان سلف و ولتاژ خازن شروع به افزایش می‌کند و به دنبال آن ولتاژ خروجی نیز زیاد می‌شود.
- با رسیدن ولتاژ خروجی به ماکزیمم حد مورد نیاز، سوئیچ قطع می‌شود و در اینجا جریان برگشتی سلف، دیود را روشن می‌کند؛ در نتیجه انرژی ذخیره شده در سلف و خازن به بار خروجی منتقل می‌گردد و اگر این کار ادامه یابد انرژی سلف کاملا تخلیه می‌شود؛ که برای این نوع منبع گزینه مناسبی نیست و باعث افزایش استرس جریان سوئیچ و ریپل ولتاژ خروجی می‌شود؛ بدین منظور می‌توان ظرفیت سلف یا جریان کشی بار را افزایش داد. حالتی که جریان سلف در مقطعی صفر می‌شود را DCM و حالتی که هیچگاه صفر نمی‌شود را CCM گویند.
- با کاهش ولتاژ خروجی از حد مینیمم، سوئیچ منبع تغذیه سوئیچینگ دوباره روشن شده و دیود خاموش می‌شود و جریان سلف و ولتاژ خازن دوباره شروع به افزایش می‌کند تا جایی که ولتاژ خروجی از حد ماکزیمم عبور کند؛ سپس سیکل از اول تکرار می‌شود. توجه کنید که جریان ماکزیمم و مینیمم سلف باید نسبت به جریان متوسط بار تقارن داشته باشد؛ تا از به اشباع رفتن سلف جلوگیری شود، برای این منظور علاوه بر فیدبک گرفتن از ولتاژ خروجی، از جریان سلف نیز باید فیدبک گرفته شود.
نکات
- در این مدار فرکانس سوئیچ زنی معمولا ثابت است و عرض پالس تغییر می‌کند (PWM). این بدین معناست که با افزایش زمان روشن بودن سوئیچ ولتاژ خروجی زیاد و با کم شدن آن ولتاژ خروجی کم می‌شود.
- با کاهش ظرفیت سلف، ریپل جریانش زیادتر شده و در نتیجه برای کم نگه داشتن ریپل ولتاژ خروجی نیاز به خازنی با ظرفیت بیشتر داریم (عکس این قضیه نیز صدق می‌کند).
- هرچقدر اهم DC سلف، ESR خازن و افت ولتاژ دیود در حالت روشن، کمتر باشد مدار عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهد و ریپل ولتاژ خروجی می‌تواند کمتر شود.
- بالا بردن فرکانس سوئیچ زنی باعث کوچکتر شدن سلف و خازن می‌شود ولی ممکن است به سوئیچ و دیود سریع‌تر و گران‌تر نیاز پیدا کنید.
- زمان وظیفه یا duty cycle سوئیچ زنی محدودیت دارد و نمی‌تواند 100 درصد یا 0 درصد باشد. این محدودیت به دلیل غیر عملی بودن آن است. قابل ذکر است که سرعت قطع و وصل سوئیچ و فرکانس سوئیچ زنی نیز محدودیت ایجاد می‌کند.
- برای جریان‌های بالا حتما برای دیود شاتکی و ماسفت از هیت سینک استفاده کنید.
- برای جریان دهی بهتر مدار از ماسفت و دیود شاتکی قوی‌تر استفاده کنید. در این حالت اهم DC سلف نیز باید کمتر انتخاب شود و ترجیحا ظرفیت سلف و خازن زیادتر شود.
- به جای یک خازن الکترولیتی، بهتر است از چند خازن کوچکتر و به صورت موازی با هم استفاده کنید.
- در موازات خازن‌های الکترولیتی از خازن‌های مولتی لایر (MLLC Capacitor) استفاده کنید.
- سلف ترجیحا از نوع تیروئیدی (Toroid Inductor) باشد.
- برای افزایش راندمان مدار می‌توانید ولتاژ ورودی و خروجی را نزدیکتر به هم در نظر بگیرید.
- برای جلوگیری از overshoot ولتاژ خروجی در لحظه شروع سوئیچ زنی و ریپل کمتر ولتاژ خروجی در حالت ولتاژ ثابت، جریان سلف و ولتاژ خروجی را باید با PID کنترلر، کنترل کرد.
- عملکرد آی سی کنترلر‌ها مشابه هم است ولی نحوه مدار بندی داخلی‌شان، نقش بسیار مهمی در کیفیت عملکرد منبع تغذیه ایفا می‌کند.
در جداول بالا دو نمونه مبدل باک توسط نرم افزار طراحی شده است که با انتخاب المان‌های درست می‌توان نتیجه خوبی از آن گرفت. قابل ذکر است که تنوع آی سی های سوئیچینگ رگولاتور و کنترلر بسیار زیاد است و باید بر حسب نیاز انتخاب شود تا بالانس مناسبی بین قیمت و کارایی بوجود آید.
منبع افزاینده ولتاژ غیر ایزوله
مبدل بوست (boost converter)
در این بخش قصد داریم به نحوه عملکرد مبدل بوست بپردازیم. باید دقت شود که این مبدل محدودیت هایی دارد. برای مثال اگر ولتاژ ورودی ثابت باشد، با افزایش دادن ولتاژ خروجی، جریان دهی خروجی مدار کاهش می‌یابد و المان سوئیچ سریع‌تر داغ می‌شود؛ به همین دلیل ولتاژ خروجی نباید از 10 برابر ولتاژ ورودی بیشتر شود؛ در این حالت جریان دهی خروجی، کمتر از 0.1 برابر جریان دهی منبع ورودی است و ضریب وظیفه حدودا 90 درصد می‌باشد. در ادامه با توضیح نحوه عملکرد مدار این موضوع واضح‌تر می‌شود.
این مبدل مانند مبدل باک دارای دو مد جریان است. در حالت DCM جریان سلف در بازه‌ایی از زمان سوئیچ زنی به صفر می‌رسد و در این هنگام جریان خروجی توسط خازن تامین می‌شود ولی در حالت CCM جریان سلف هیچگاه صفر نمی‌شود و خازن در زمانی که سلف در حال شارژ شدن است، جریان خروجی را تامین می‌کند.
CCM
- با وصل شدن المان سوئیچ، جریان سلف از صفر شروع به افزایش می‌کند و با رسیدن به حد معینی المان سوئیچ را خاموش می‌کنیم.
- در این زمان انرژی ذخیره شده در سلف به علاوه ولتاژ منبع ورودی، به خروجی منتقل و خازن را شارژ می‌کند، در نتیجه ولتاژ خروجی از صفر شروع به افزایش می‌کند و جریان سلف کاهش می‌یابد.
- با رسیدن ولتاژ خروجی به حد مورد نیاز، سوئیچ دوباره روشن می‌شود و سلف دوباره شروع به شارژ شدن می‌کند و در این حین جریان بار توسط خازن تامین می‌شود. بعد از رسیدن جریان سلف به حد مورد نیاز، سوئیچ دوباره قطع می‌شود. دقت کنید که زمان روشن بودن المان سوئیچ نباید انقدر زیاد شود که سلف به اشباع رود و باعث اتصال کوتاه شدن منبع ورودی شود. برای همین بهتر است که با منبع ورودی یک عدد فیوز با جریان مناسب سری شود.
- با قطع شدن مجدد سوئیچ، انرژی ذخیره شده در سلف به علاوه ولتاژ ورودی به خروجی منتقل می‌شود و خازن را دوباره شارژ و ولتاژ خروجی به دنبال آن زیاد می‌شود. در این حین جریان سلف رو به کاهش است و زمانی که ولتاژ خروجی به حد مد نظر رسید، سوئیچ دوباره وصل می‌شود و از این به بعد روند طبیعی مدار بین دو مرحله 3 و 4 ادامه می‌یابد.
DCM
- با وصل شدن المان سوئیچ، جریان سلف از صفر شروع به افزایش می‌کند و با رسیدن به حد معینی سوئیچ را خاموش می‌کنیم.
- در این زمان انرژی ذخیره شده در سلف به علاوه ولتاژ منبع ورودی، به خروجی منتقل و خازن را شارژ می‌کند، در نتیجه ولتاژ خروجی از صفر شروع به افزایش می‌کند و جریان سلف کاهش می‌یابد.
- تخلیه شارژ سلف تا زمانی ادامه می‌یابد که جریان سلف بصورت کامل صفر شود. در این حالت جریان بار از انرژی خازن تامین می‌شود.
- بعد از گذشت مدت زمان مشخصی سوئیچ دوباره روشن می‌شود و سلف دوباره شروع به شارژ می‌کند. در این حین نیز جریان بار توسط خازن تامین می‌شود. دقت کنید که زمان روشن بودن المان سوئیچ نباید انقدر زیاد شود که سلف به اشباع رود و باعث اتصال کوتاه شدن منبع ورودی شود. برای همین بهتر است که با منبع ورودی یک عدد فیوز با جریان مناسب سری شود.
- بعد از رسیدن جریان سلف به حد مورد نیاز، سوئیچ دوباره قطع می‌شود و انرژی ذخیره شده در سلف به علاوه ولتاژ ورودی به خروجی منتقل می‌شود و خازن را دوباره شارژ و ولتاژ خروجی به دنبال آن زیاد می‌شود. در این حین جریان سلف رو به کاهش است و از این به بعد روند طبیعی مدار بین سه مرحله 3 و 4 و 5 ادامه می‌یابد.
نکات
- در این مدار فرکانس سوئیچ زنی معمولا ثابت است و عرض پالس تغییر می‌کند (PWM). این بدین معناست که با افزایش زمان روشن بودن سوئیچ، ولتاژ خروجی زیاد و با کم شدن آن ولتاژ خروجی کم می‌شود.
- با افزایش ظرفیت سلف، انرژی که می‌توان در سلف ذخیره کرد بیشتر می‌شود و می‌توان ریپل ولتاژ کمتر و جریان دهی بهتر خروجی بهتری دریافت کرد.
- با افزایش ظرفیت خازن، ریپل ولتاژ خروجی کمتر می‌شود.
- ظرفیت سلف و خازن باید متناسب با فرکانس کاری مدار باشد.
- مقاومت اهمی DC سلف هر چقدر کوچکتر باشد، تلفات مدار کمتر و راندمان مدار افزایش می‌یابد، در نتیجه جریان دهی خروجی مدار افزایش می‌یابد.
- مقاومت معادل سری خازن (ESR) باید کوچک باشد تا ریپل و نویز خروجی حداقل شود. برای اینکار به جای استفاده از یک خازن الکترولیتی، از چند عدد خازن کوچکتر بصورت موازی با هم استفاده کنید و با آن‌ها خازن سرامیکی مولتی لایر (MLCC) موازی کنید.
- ضریب وظیفه (duty cycle) سوئیچ زنی محدودیت دارد. برای مثال نمی‌تواند 99 درصد یا 1درصد باشد. این محدودیت به دلیل محدودیت سرعت المان سوئیچ زنی و محدودیت مداری است. قابل ذکر است که فرکانس سوئیچ زنی نیز محدودیت ایجاد می‌کند و نباید از یک حد کوچکتر یا بزرگتر شود.
- از هیت سینک برای المان سوئیچ و دیود شاتکی استفاده کنید.
- برای جریان دهی خروجی قوی از دیود شاتکی و ماسفت قوی‌تر استفاده کنید. البته در درجه اول منبع ورودی باید جریان دهی کافی را داشته باشد.
- برای افزایش راندمان مدار می‌توانید ولتاژ ورودی و خروجی را نزدیکتر به هم در نظر بگیرید.
- عملکرد آی سی کنترلر‌ها مشابه هم است ولی نحوه مدار بندی داخلی‌شان، نقش بسیار مهمی در کیفیت عملکرد منبع تغذیه ایفا می‌کند.
منبع افزاینده و کاهنده ولتاژ غیر ایزوله
مبدل باک-بوست (buck-boost converter)
این مبدل را می‌توان به گونه‌ایی طراحی کرد که مانند دو مبدل قبلی یا به عنوان تثبیت کننده ولتاژ ورودی استفاده شود. تفاوت اصلی این مبدل با دو مبدل های قبلی در معکوس شدن ولتاژ ورودی در خروجی است. برای مد CCM و DCM رابطه ولتاژ خروجی متفاوت است و برای معمولا از حالت DCM برای این مبدل استفاده می‌شود، تا در حالت افزاینده، مدار دچار ناپایداری نشود.
CCM
- ابتدا سوئیچ وصل می‌شود و سلف شروع به شارژ شدن می‌کند، وقتی جریان سلف به حد معینی رسید، سوئیچ قطع می‌شود.
- بعد از قطع شدن سوئیچ، جریان سلف از طریق دیود به خروجی منتقل می‌شود و خازن شروع به شارژ می‌کند و ولتاژ خروجی مدار در جهت عکس (منفی) افزایش می‌یابد.
- زمانی که ولتاژ خروجی به حد معینی رسید، سوئیچ دوباره وصل می‌شود و سلف دوباره شروع به شارژ می‌کند؛ از این لحظه، تا زمان قطع شدن مجدد سوئیچ، جریان خروجی توسط خازن تامین می‌شود.
- پس از رسیدن ولتاژ خروجی و جریان سلف به حد معینی، سوئیچ قطع می‌شود و از این به بعد سیکل کاری مدار بین گزینه‌های 2 تا 4 ادامه می‌یابد.
DCM
- ابتدا سوئیچ وصل می‌شود و سلف شروع به شارژ شدن می‌کند، وقتی جریان سلف به حد معینی رسید، سوئیچ قطع می‌شود.
- بعد از قطع شدن سوئیچ، جریان سلف از طریق دیود به خروجی منتقل می‌شود و خازن شروع به شارژ می‌کند و ولتاژ خروجی مدار در جهت عکس (منفی) افزایش می‌یابد و تا زمانی ادامه می‌یابد که جریان سلف به صفر می‌رسد.
- پس از صفر شدن جریان سلف، جریان خروجی از طریق خازن تامین می‌شود، بعد از گذشتن زمان مرده معینی، سوئیچ دوباره وصل می‌شود.
- سپس سلف دوباره شروع به شارژ می‌کند و از این لحظه، تا زمان قطع شدن مجدد سوئیچ، جریان خروجی توسط خازن تامین می‌شود.
- پس از رسیدن ولتاژ خروجی و جریان سلف به حد معینی، سوئیچ قطع می‌شود و از این به بعد سیکل کاری مدار بین گزینه‌های 2 تا 5 ادامه می‌یابد.
نکات
- کوچکتر بودن مقاومت DC سلف، باعث کاهش تلفات، افزایش راندمان مدار و جریان دهی خروجی می‌شود.
- استفاده از دیود شاتکی با توان بالاتر و افت ولتاژ کمتر نیز باعث راندمان مدار و جریان دهی خروجی می‌شود.
- مقدار ESR خازن باید کوچک باشد تا ریپل و نویز ولتاژ خروجی کاهش یابد.
- بزرگتر بودن ظرفیت خازن، نیز باعث کمتر شدن ریپل و نویز خروجی مدار می‌شود.
- با افزایش ظرفیت سلف می‌توان جریان خروجی بیشتری از مدار دریافت کرد.
- توان و سرعت المان سوئیچ زنی باید متناسب با جریان کشی خروجی، ولتاژ ورودی و فرکانس اسیلاتور باشد.
- در خروجی این مدار حتما باید یک مینیمم جریان کشی داشته باشیم و خروجی را نباید بدون بار گذاشت.
کاربرد اصلی این مبدل در جایی است که ولتاژ ورودی به هر دلیل از ولتاژ خروجی کمتر یا بیشتر می‌شود و هدف ما تثبیت ولتاژ خروجی در هر دو وضعیت است. یک روش دیگر این کار استفاده از دو مبدل بوست و باک، بصورت مجزا و پشت سر هم است. دراین حالت، ابتدا ماکزیمم و مینیمم ولتاژ ورودی تعیین می‌شود و بعد از اعمال به مبدل بوست، ولتاژی بالاتر از ماکزیمم ورودی دریافت و این ولتاژ را به یک مبدل باک می‌دهیم و در نهایت ولتاژ ثابتی از خروجی باک دریافت می‌کنیم. مزیت این روش رگولاسیون ولتاژ بهتر و عیب‌های آن راندمان پایین‌تر، بزرگتر وگران‌تر بودن است.
برای بررسی دقیق‌تر منبع تغذیه سوئیچینگ از مقالات انگلیسی زبان شرکت‌های معروف تولید قطعات و کتاب‌های موجود مثل؛ کتاب دکتر ابریشمی‌فر استفاده کنید. در قسمت‌های بعد مطالب مرتبط با منابع تغذیه، به بررسی انواع دیگر منابع تغذیه سوئیچینگ غیر ایزوله می‌پردازیم همچنین منابع خطی را می‌توانید مطالعه فرمایید. با نظر و انتقادهای مفیدتان ما را همراهی کنید.
