0
logo

آموزش منابع تغذیه DC – بخش پنجم | منبع تغذیه سوئیچینگ (قسمت اول)

مدارهای آنالوگ

۱۳۹۸/۰۲/۰۵

توسط : احسان ملکوتی نیا

162 بازدید

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

buck converter

مبدل باک (Buck Converter)

نحوه عملکرد مدار

  1. با وصل شدن سوئیچ، جریان سلف و ولتاژ خازن شروع به افزایش می‌کند و به دنبال آن ولتاژ خروجی نیز زیاد می‌شود.
  2. 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.
  3. 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.

waveforms of buck converter

نکات

  1. 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.
  2. 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).
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. برای جریان‌های بالا حتما برای دیود شاتکی و ماسفت از هیت سینک استفاده کنید.
  7. 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.
  8. به جای یک خازن الکترولیتی، بهتر است از چند خازن کوچکتر و به صورت موازی با هم استفاده کنید.Buck-Step Down
  9. در موازات خازن‌های الکترولیتی از خازن‌های مولتی لایر (MLLC Capacitor) استفاده کنید.
  10. سلف ترجیحا از نوع تیروئیدی (Toroid Inductor) باشد.
  11. برای افزایش راندمان مدار می‌توانید ولتاژ ورودی و خروجی را نزدیکتر به هم در نظر بگیرید.
  12. 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.
  13. عملکرد آی سی کنترلر‌ها مشابه هم است ولی نحوه مدار بندی داخلی‌شان، نقش بسیار مهمی در کیفیت عملکرد منبع تغذیه ایفا می‌کند.

Buck-Step Down

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.

برای بررسی دقیق‌تر منبع تغذیه سوئیچینگ از مقالات انگلیسی زبان 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.

احسان ملکوتی نیا

تاریخ عضویت : ۰۲ اردیبهشت ۱۳۹۸

علاقه مند به الکترونیک صنعتی، منابع تغذیه، سیستم های حفاظتی الکترونیکی و کنترل سطح نویز مدارات الکترونیکی

راه آسان‌تری برای ارتباط با کاربران‌مان پیدا کرده‌ایم :) عضویت در کانال

چنانچه دیدگاهی توهین آمیز باشد و متوجه اشخاص مدیر، نویسندگان و سایر کاربران باشد تایید نخواهد شد.

چنانچه دیدگاه شما جنبه ی تبلیغاتی داشته باشد تایید نخواهد شد.

چنانچه از لینک سایر وبسایت ها و یا وبسایت خود در دیدگاه استفاده کرده باشید تایید نخواهد شد.

چنانچه در دیدگاه خود از شماره تماس، ایمیل و آیدی تلگرام استفاده کرده باشید تایید نخواهد شد.

چنانچه دیدگاهی بی ارتباط با موضوع آموزش مطرح شود تایید نخواهد شد.