تعاريف عمومي و متداول در منابع تغذيه
كليه مدارات الكترونيكي نياز به منبع تغذيه دارند. براي مدارات با كاربرد كم قدرت از باطري يا سلولهاي خورشيدي استفاده مي شود. منبع تغذيه به عنوان منبع انرژي دهنده به مدار مورد استفاده قرار مي گيرد
  • 1397/1/28 4/17/2018 4:21:07 PM 4/17/2018 4:21:07 PM
  • 0
  • 57

كليه مدارات الكترونيكي نياز به منبع تغذيه دارند. براي مدارات با كاربرد كم قدرت از باطري يا سلولهاي خورشيدي استفاده مي شود. منبع تغذيه به عنوان منبع انرژي دهنده به مدار مورد استفاده قرار مي گيرد.
حدود 20 سال است كه سيستمهاي پر قدرت جاي خود را حتي در مصارف خانگي هم باز كرده اند و اين به دليل معرفي سيستمهاي جديد براي تغذيه مدارات قدرت است.
اين منابع تغذيه كاملاً خطي عمل مي نمايند. اين نوع منابع را منابع تغذيه سوئيچينگ مي نامند. اين اسم از نوع عملكرد اين سيستمها گرفته شده است. به اين منابع تغذيه اختصاراً SMPS نيز مي گويند. اين حروف بر گرفته شده از نام لاتين Switched Mode Power Supplies است.
راندمان SMPS بصورت نوعي بين 80% الي 90% است كه 30% تا 40% آنها در نواحي خطي كار مي كنند. خنك كننده هاي بزرگ كه منابع تغذيه رگوله قديمي از آنها استفاده مي كردند، درSMPSها ديگر به چشم نمي خورند و اين باعث شده كه از اين منابع تغذيه بتوان در توانهاي خيلي بالا نيز استفاده كرد.
در فركانسهاي بالاي كليدزني از يک ترانزيستور جهت كنترل سطح ولتاژ DC استفاده مي شود. با بالا رفتن فركانس ترانزيستور، ديگر خطي عمل نمي كند و نويز مخابراتي شديدي را با توان بالا توليد مي نمايد. به همين سبب در فركانس كليد زني بالا از المان كم مصرف Power MOSFET استفاده مي شود. اما با بالا رفتن قدرت، تلفات آن نيز زياد مي شود. المان جديدي به بازار آمده كه تمامي مزاياي دو قطعة فوق را در خود جمع آوري نموده است و ديگر معايب BJT و Power MOSFET را ندارد. اين قطعة جديد IGBT نام دارد. در طي سالهاي اخير به دليل ارزاني و مزاياي اين قطعه از IGBT استفادة زيادي شده است.
امروزه مداراتي كه طراحي مي شوند، در رنج فركانسي MHZ و قدرتهاي در حد MVA و با قيمت خيلي كمتر از انواع قديمي خود مي باشند.
فروشنده هاي اروپائي در سال 1990 ميلادي تا حد 2 ميليارد دلار از فروش اين SMPSها درآمد خالص كسب نمودند. 80% از SMPSهاي فروخته شده در اروپا طراحي شدند و توسط كارخانه هاي اروپائي ساخت آنها صورت پذيرفت. درآمد فوق العاده بالاي فروش اين SMPSها در سال 1990 باعث گرديدكه شاخة جديدي در مهندسي برق ايجاد شود، اين رشته مهندسي طراحي منابع تغذيه سوئيچينگ نام گرفت.
يک مهندس طراح منابع تغذيه سوئيچينگ بايستي كه در كليه شاخه هاي زير تجربه و مهارت کافي كسب كند و هميشه اطلاعات بروز شده در موارد زير داشته باشد:

  1. طراحي مدارات سوئيچينگ الكترونيك قدرت
  2. طراحي قطعات مختلف الكترونيك قدرت
  3. فهم عميقي از نظريه هاي كنترلي و كاربرد آنها در SMPSها داشته باشد
  4. اصول طراحي را با در نظر گرفتن سازگاري ميدانهاي الكترومغناطيسي منابع تغذيه سوئيچينگ با محيط انجام دهد
  5. درك صحيح از دفع حرارت دروني (انتقال حرارت به محيط) و طراحي مدارات خنك كنندة مؤثر با راندمان زياد.

دراين مقاله نيز سعي بر اين است كه طبق اصول نوين مهندسي طراحي منابع تغذيه سوئيچينگ كليه اطلاعات مورد نياز در اختيار خواننده قرار گيرد.
 

تعاريف عمومي در SMPSها
هر سيستم طراحي شده به طور طبيعي وابسته به منبع تغذية خود مي باشد. يعني اولين پارامتر در طراحي مدار نوع منبع تغذيه و مقادير وابسته به آن است. يكي از مباحث مهم در طراحي SMPS ها، سنگين وزن بودن و گراني آن است، كه كليه اينها در يك منبع تغذيه از نوع SMPS به صورت دستگاه ارزان قيمت، سبك و كوچك تعريف خواهد شد.
وقتي كه طراح سيستم شروع طراحي مي كند، اولين تعريفي را كه در نظر خود مجسم مي كند، مقدار ولتاژ و جـريان ماكزيمم در SMPS است. بنابراين نسبت ولتاژ و جريان تعيين كننده انتخاب قطعات مورد نياز براي طراحي است.

مقدار ولتاژ خروجي
عموماً در بيشتر مدارات منطقي ولتاژ 5v مورد نياز مي باشد، اما در بعضي موارد نياز به 5v- هم مي باشد. در كامپيوترها براي ايجاد گشتاور در موتورهاي متنوع به كار رفته در درايوهاي مختلف مانند موتورهاي CPU FAN ,CD ROM, F.D.D , H.D.D و ... نياز به ولتاژهاي +12v ,-12v مي باشد. در مصارف كنترل صنعتي جهت اعمال فرمان تحريك قطع و وصل در شيرهاي برقي و رله هاي كنتاكتوري از طريق پورتهاي PLC ولتاژ اعمالي به سيستمهاي تحت كنترل داراي سطوح ولتاژي +24v ,-24v است. در اتومبيلهاي برقي، تركشن و HVDC به سطح ولتاژ بالاتري احتياج است.

مقدار جريان
در هر خروجي مي بايست ماكزيمم جريان مصرفي در حالت پايداري مشخص شود. هر سيستم الكتريكي در روي بدنه خود پلاكي دارد كه در آن تمام مقادير نامي و مجاز مورد نياز دستگاه از طرف كارخانه سازنده باتوجه به مشخصات طراحي و تستهاي متعددي كه بر روي دستگاه انجام شده است، مشخص مي باشد. براي مثال در ديسك درايوها مقدار جريان راه اندازي و حالت پايداري مشخص مي باشد و طراح منبع تغذيه بايستي حد مجاز جريان خروجي را بالاتر از جريان راه اندازي و حالت پايداري تعيين نمايد. حتي در بعضي از مواقع سازنده دياگرامهايي را همراه با دستگاه قرار مي دهد كه كمك بيشتري به طراح مي كند.

ولتاژ ورودي
ولتاژ ورودي مي تواند از نوع AC يا DC و با رنج تغييرات مشخصي باشد. طراح حتماً بايد به نوع ورودي و عملياتي كه مي بايد روي آن انجام دهد تا خروجي مطلوبي بدست آورد را همواره در نظر بگيرد. معمولاً فرکانس، دامنه و شکل موج ولتاژ ورودي در طراحي خيلي مهم است. همچنين نوع شبکه اي که تغذيه ورودي را بر عهده دارد مهم است. معمولاً در محيطهاي صنعتي مانند کارخانجاتي که شبکه در شرايط سخت جهت تامين انرژي قوص الکتريکي و … کار مي کند شکل موج ولتاژ و جريان ورودي غير قابل پيش بيني است و بايد با استفاده از سيستمهاي جبرانساز شکل موجهای شبکه را تا حد قابل قبولي اصلاح کرد.

ايزولاسيون
در بسياري از كاربردها ايزولاسيون الكتريكي بين ورودي ها و خروجي هاي مدارات احتياج مي باشد، وحتي در بسياري از موارد ايزولاسيون بين خروجي دستگاه با ورودي دستگاه ديگر نيز مورد نياز است و طراح ملزم به انديشيدن تدابيري خاص جهت برآورده سازی اين امر مي باشد.
ايزولاسيون الكتريكي اغلب توسط ترانسفورماتور در منابع تغذيه ايجاد مي شود كه استفاده از ترانسفورماتور باعث حجيم شدن منبع تغذيه مي شود. در مصارفي كه نياز به حجم كوچك مي باشد، مانند ماهواره ها، كامپيوترها، شارژرهاي باطري موبايل و تلفن و همچنين در منبع تغذيه مورد استفاده در پرينترها و دستگاه هاي كوچك كه اجبار در كوچك ساختن آنها مي باشد نظير دوربينهاي عكاسي ديجيتالي و دوربينهاي فيلم برداري و لوازم نظامي استراق سمع و جاسوسي و بمبها و موشكهاي دوربرد ناچاراً بايد از ايزولاسيون به وسيله ترانسفورماتور چشمپوشي كرد و به فكر چارة ديگري براي تحقق بخشيدن به اين امر بود يا اينكه توسط مدارات فيدبك عمل تثبيت خروجي را در صورت وجود تغيير يا اغتشاش در ورودي را انجام داد تا از مدارات در مقابل صدمه ديدن و معيوب شدن حفاظت شود و يا اينكه بايست از ايزولاسيون تا حدودي يا کلاً صرف نظر نمود.

ريپل در خروجي
طبيعتاً مقداري نوسان در خروجي DC منابع تغذيه وجود دارد. به مقدار دامنه پيك تا پيك اين نوسانات ريپل مي گويند. هر خروجي كه داراي ريپل باشد، حتماً داراي تعدادي هارمونيك بغير از فرکانس صفر هرتز است. به همين خاطر اغلب مقدار خروجي را به جاي معرفي با مقدار DC آنرا با مقدارrms نشان مي دهند. هر چه مقدار نسبت ثابت ريپل به مقدار DC كوچكتر باشد بهتر است. اين نسبتِ در صديِ ريپل را مي توان با استفاده از فيلتر پايين گذر متشكل از سلف و خازن و يا افزايش فركانس ورودي و كليدزني با سرعت زياد تا حد قابل ملاحظه اي كاهش داد.

رگولاسيون
ولتاژ خروجي در يك منبع تغذيه متأثر از عواملي مي باشد كه اين عوامل عبارتند از:
الف) تغييرات در ولتاژ ورودي.
ب ) تغييرات در جريان بار.
ج ) تغييرات در درجه حرارت محيط.
يك منبع تغذية رگوله معمولاً داراي مدارات فيدبك براي جبران اين تغييرات و اصلاح آنها و محدود كردن اين تغييرات در ناحية قابل قبولي مي باشد. اين فيدبك ها ممكن است عمل رگولاسيون را به صور (1)رگولاسيون خط، (2)رگولاسيون بار، (3)رگولاسيون حرارتي، انجام دهد.

پاسخ حالت گذرايي
پاسخ به تغييرات ناگهاني و گذراي جريان بار يكي از پارامترهاي مهم در هر منبع تغذيه اي است. در حالت بار كامل در صورتي كه جريان بطور وصل شدن ناگهاني كليد در بار جاري شود، حتي در صورتي كه بار متصل به ترمينال خروجي جريان كمي را از منبع تغذيه دريافت كند، ولتاژ خروجي ناگهان مي افتد و از ولتاژ حالت بي باري كمتر مي شود و سپس توسط رگولاسيون به يك حد پايدار خواهد رسيد. از طرف ديگر در حالتي كه منبع تغذيه با بار كامل در حالت پايدار به سر مي برد اگر ناگهان بار توسط كليد قطع شود، آنگاه ناگهان ولتاژ خروجي صعود مي كند، و ازحالت قبلي خود فراتر مي رود و سپس با چندين نوسان به حالت پايدار بدون بار خواهد رسيد. در اين حالت ممكن است كه قطعاتي كه در بلوكهاي خروجي منبع تغذيه هستند اين سطح تغييرات را تحمل نكنند و از بين بروند. در بعضي از موارد دربعضي از سيستمها ممكن است كه خروجي به حالت پايدار نرسد و نوساني ياحتي ناپايدار شود. از آنجا كه در خروجي اغلب منابع تغذيه فيلتر هاي صافي براي كاهش ريپل ولتاژ و جريان مي باشند كه اين فيلترها داراي ظرفيتهاي خازني بزرگي هستند. با ناپايدار شدن ولتاژ امكان انفجار در خازن وجود دارد.
از سوي ديگر زمان بازيابي يا Recovery Time زمان لازم براي بازگشت به حالت پايدار طبيعي مي باشد، كه بايستي تاحد ممكن اين زمان كوچك باشد. پس بايد توسط روشهاي رگولاسيون خاص ولتاژ خروجي را محدود كرد و سعي نمود كه در كمترين زمان ممكن و با كمترين نوسان و Over Shoot به حد پايداري خود برسد. زمان پاسخ گذرايي در منابع تغذيه و بخصوص در منابع تغذيه سوئيچينگ با روشهاي مختلفي كه سازندگان SMPS از آن استفاده مي كنند نظيرحلقه هاي فيدبك و جبران ساز و قرار دادن فيلترهاي مخصوص در طبقات مختلف منبع تغذيه كه در قسمتهاي بعدي به آن اشاره مي شود، خيلي كوتاه خواهد شد.

راندمان
يك منبع تغذيه بدون بازدهي مطلوب دو خاصيت زير را دارا مي باشد:

  1. انرژي محدود: از اين قبيل منابع مي توان به باطري اشاره كرد كه با مصرف مستمر انرژي اوليه خود را رفته رفته از دست مي دهد و توان خروجي آن به سمت صفر ميل مي نمايد
  2.  حجم زياد و نياز داشتن به هيت سينكها بزرگ: از اين منابع تغذيه مي توان منابع تغذيه با ترانسفورماتور را نام برد كه انرژي زيادي صرف خنك سازي و تلفات حرارتي آن مي شود.

حفاظت
همة منابع تغذيه با روشهاي خاصي در برابر شرايط ناخواسته محافظت مي شوند كه حفاظت هاي مشترك بين كليه منابع تغذيه عبارتند از:
 

  • حفاظت در برابر اضافه ولتاژ
    از مهمترين حفاظتها، محافظت بار و منبع تغذيه در مقابل اضافه ولتاژ است. ساده ترين نوع كنترل ولتاژ در چنين مواقعي خاموش شدن منبع تغذيه بصورت اتوماتيك است. اين مدل از كنترل كننده ها در زمانهاي ابتدائي حالت گذرا عمل مي كند. عموماً ممكن است از يك ميله تريستوري براي اين منظور استفاده شود. در زماني كه تريستور قابليت روشن شدن را دارد، درصورتي كه سنسور قرار داده شده در خروجي احساس كند كه ولتاژ از حد مجاز بالاتر رفته است بلافاصله آتش شده و ورودي و خروجي منبع تغذيه را با هم قطع مي كند. در روشهاي ديگر با اتصال كوتاه كردن خروجي، يك جريان اتصال كوتاه از مدار مي گذرد و محدود كننده هاي جريان در اين زمان عمل كرده و با استمرار يافتن اين عمل مي توان خروجي منبع تغذيه را تا حد مجاز قابل قبولي كاهش داد و در برابر اضافه ولتاژ از سيستمها محافظت كرد
  • حفاظت در برابر اضافه جريان
    بسياري از منابع تغذيه داراي انواع مختلف محدود كننده هاي جريان هستند. بنابراين اگر جريان بار از سطح مجاز بالاتر رود، در نتيجه ولتاژ خروجي كاهش يافته و طبق قانون اهم جريان در سطح مجاز و قابل اطميناني محدود مي شود
  • حفاظت در برابر اتصال كوتاه
    روش حفاظت در مقابل اضافه جريان امكان محافظت در برابر اتصال كوتاه را مي تواند فراهم نمايد، ولي اين شرط كافي براي حفاظت منبع تغذيه در برابر جريان اتصال كوتاه نمي باشد. چون اتصال كوتاه اغلب در حالت ماندگار اتفاق مي افتد و به راحتي بر طرف نخواهد شذ. به همين خاطر با استمرار اين شرايط و تلفات حرارتي زياد امكان آتش سوزي زياد است. براي جلوگيري از چنين اتفاق ناخوش آيندي بايد از مدار شكن استفاده كرد تا بلافاصله مدار را خاموش كند. و تا وقتي كه اتصال كوتاه در ترمينالهاي منبع تغذيه از بين نرفته است، امكان روشن كردن منبع تغذيه وجود نداشته باشد.
  • حفاظت در مقابل جريان تهاجمي
     SMPS عموماً داراي خازنهاي بزرگ جهت نرم كردن ولتاژ DC و جلوگيري ريپل ولتاژ در نزديك ورودي هستند، كه باعث مي شود جريان بزرگي در لحظه روشن كردن سوئيچ ها در مدار جاري گردد. بسياري از SMPSها داراي محدود ساز جريان براي كاهش دادن جريان هجومي مي باشند.

تداخل الكترومغناطيسي
مسأله تداخل الكترومغناطيسي يا EMI در سيستمهاي خطي در طيف فركانسي كوچكتر از KHZ20 در منابع تغذيه سوئيچينگ قابل چشم پوشي مي باشد. اما با بالا رفتن فركانس، هارمونيكهاي با فركانس بيشتر از فركانس اصلي، ايجاد تداخل در باندهاي راديويي و مخابراتي مي كنند. از آنجايي كه منابع تغذية سوئيچينگ امروزه در توانهاي بالا هم كاربرد هاي وسيع پيدا كرده اند، اين گونه از منابع تغذيه سوئيچينگ به عنوان يك منبع توليد نويز شديد و قوي براي مدارات مخابراتي شناخته مي شوند. بنابراين با فيلتر كردن ورودي و خروجي، ميزان اثر تداخل الكترومغناطيسي را تا حد امكان بايد كاهش داد.

زمان Hold Up:
اين زمان در SMPSها خيلي مهم است و بايستي كه با ايجاد اشكال در خروجي بتوان بلافاصله ورودي منبع تغذيه را قطع كرد. اين زمان عموماً بر طبق استاندارد، حدود يك يا دو سيكل با فركانس 50HZ يعني زماني بين 20 الي 40 ميلي ثانيه مي باشد.

رنج حرارتي
يك نكته قابل توجه در مورد منابع تغذيه سوئيچينگ، خصوصاً منابع تغذية سوئيچينگي كه در داخل محفظه نگاهداري مي شوند، مسألة بالا رفتن سريع حرارت در داخل CASE يا محفظه است. اين حرارت ممكن است كه حتي از دماي بيرون جعبه هم بيشتر باشد و قطعات منبع تغذيه از اين حرارت خيلي تأثير پذير هستند. بنابراين بايد رنج حرارتي كه بدليل مصرف توان در داخل جعبه تغيير مي كند را مدِ نظر قرار داد و با طراحي مناسب پايداري حرارتي را در منبع تغذيه سوئيچينگ بخوبي حفظ نمود.

ابعاد
حجم فيزيكي و پهناي يك منبع تغذيه طبق ضرايب خاصي محدود مي شود. با دانستن مشخصات كاري منابع تغذيه سوئيچينگ مي توان مقدار حجم يك منبع تغذية سوئيچينگ را براحتي محاسبه كرد. عموماً SMPS هايي كه با فركانس كليدزني بالاتر از فركانس صوتي داراي حجم كوچكي هستند، چرا كه كليدهايي كه در اين رنج كار مي كنند داراي تحمل توان كمي هستند. با توجه به مسألة EMI نمي توان سرعت كليدزني را خيلي افزايش داد. چون باعث توليد نويز مخابراتي مخربي خواهد شد. پس مي توان نتيجه گرفت كه حجم و اندازه يك SMPS نسبت عكس با فركانس كليدزني و نسبت مستقيم با توان منبع تغذيه دارد.


انواع استانداردهاي معتبر در SMPS ها
بسياري از كشورهاي سازنده منابع تغذيه سوئيچينگ داراي معيارهاي تقريباً ثابت و مشابه در رابطه با SMPS ها مي باشند. براي مثال در اروپا يكي ازسازندگان مهم آلمان كه خود يکي از مهمترين پايه گذاران SMPS است يعنيVerbakd Deutscher Electroniker (VDE) است كه بسياري از تستهاي بين المللي را دارا مي باشد.
يكي از مسائل مهم منبع تغذيه تثبيت و كنترل روي اشكال متفاوت EMI است. كه استاندارد (VDE) معيارهايي براي حل اين مشکل دارد. اين معيارها نسبتاً با استانداردهاي مشابه آمريكايي تطابق دارند.
تستهاي استاندارد قابل اطمينان معتبر ديگر در مورد منابع تغذيه سوئيچينگ موجود است كه عبارتند از Underwriters Laboratory (UL) كه اين تستها در ايالات متحده امريكا انجام مي شود. استاندارد ديگري كه در كانادا بر روي منابع تغذيه سوئيچينگ اعمال مي شود، Canadian Standard Association (CSA) است.
نكته قابل توجه در مورد (UL) و (CSA) اين تستها اغلب در مورد محصولات الكتريكي که در امريكا و كانادا بکار برده مي شوند تصويب شده است، وحتماً اين تستها بايد در مورد اين اقلام انجام شود و در مورد محصولاتي كه به ساير نقاط جهان صادر مي شوند انجام نمي شود.
استاندارد International Electro technical Commission (IEC)، استاندارد ديگري است كه حتماً يك منبع تغذيه سوئيچينگ بايد از تستهاي آن سر بلند بيرون آمده باشد. به عنوان مثال IEC380 براي اعطاء مجوز به يك محصول که 3750v متناوب را بين ورودي و خروجي مدار اعمال مي كند. بايد مدارات اوليه و ثانويه فاصله 8mm و عايق بين فلزات و ساير اجزاء مدار با ضخامت 3mm را بايد رعايت كرده باشند. اين تست قويتر از انواع مشابه در استانداردهاي آمريكايي است.
تست تداخل الكترومغناطيسي در استانداردهايIEC478 part 3 و همچنين در آلمان طبق VDE0871 و در بريتانيا BS800 مصوب 1983 ميلادي و ... داراي قوانين و معيارهاي مشخصي مي باشد. حتماً در منابع تغذيه سوئيچينگ و هر نوع محصول الكتريكي ديگر بايست به اين استانداردها توجه نمود.

اقتصادي بودن
مهمترين مسأله براي توليد كننده و مصرف كننده هر كالايي بحث اقتصادي و مقرون بصرفه بودن آن است. يك طراح بايد به قيمت تمام شده كالا توجه ويژه داشته باشد. طبيعتاً هر چه كارايي يك سيستم بالا رود قيمت آن هم گرانتر خواهد شد.

انرژي
مصرف انرژي منابع تغذيه سوئيچينگ را توسط مدارات هوشمند ميكروپروسسوري مي توان تا حد ممكن كاهش داد. برنامه اي كه امروزه طراحان آنرا پيش گرفته اند، تدوين قوانين خاص براي تحقق بخشيدن به اين مهم است. از اين قبيل قوانين مي توان به برچسب ستاره انرژي امريكا service mark of the U.S. EPA اشاره كرد.
با خاموش كردن منابع تغذيه سوئيچينگ به صورت Stand by مي تواند از تلفات انرژي ناشي از كليدزني و ... درمواقعي كه بار به ترمينال منبع تغذيه متصل نمي باشد، تا حد چشمگيري جلوگيري كرد و همچنين داغ شدن منبع تغذيه را در زمان بي باري كاهش داد.

يک مثال عملی از منابع تغذيه سوئيچينگ

شرح کلي مدار

امروز مي خواهم به ذکر يک نمونه عملي از منابع تغذيه سوئيچينگ بپردازم تا با بررسي مدار آن، عملکرد اين سيستم براي شما بيشتر روشن شود. حال با توجه به مدار به شرح اجزاء مختلف آن خواهم پرداخت.
مداري را که به عنوان يک مثال عملي مشاهده مي نماييد، مدار يک منبع تغذيه سوئيچينگ 200 وات ATX متعلق به کامپيوتر شخصي است که توسط شرکت TDK طراحي و ساخته شده است.

در اين منبع تغذيه سوئيچينگ از يک آي سي با شماره TL494 استفاده شده و همچنين از يک مبدل که ترانزيستور هاي آن با آرايش پوش- پول عمل رگولاسيون خروجي را انجام مي دهند استفاده شده است. ولتاژ خط برق شهر پس از عبور از مدار فيلتر ورودي متشکل از (C1, R1, T1, C4, T5) به بلوک يکسو ساز هدايت مي شود. مدار يکسو کننده از نوع پل ديودي تمام موج مي باشد که نسبت به ساير يکسو کننده هاي ديگر از هر لحاظ مقرون به صرفه تر است. هنگامي که کليد تبديل از حالت 230 ولت بر روي 115 ولت قرار گيرد، در نتيجه مدار سيستم دو برابر کننده وارد عمل مي شود. مقاومت هاي واريستور (مقاومت متغير با ولتاژ) Z1 و Z2 داراي عملکرد محافظت از اضافه ولتاژ در ورودي مي باشند. مقاومت ترميستور (مقاومت متغير با دما) NTCR1 جهت محافظت در برابر جريان هجومي در هنگام شارژ C5 و C6 مورد استفاده قرار گرفته است.

مقاومت هاي R2 و R3 فقط براي تخليه نمودن بار الکتريکي داخل خازن ها و جلوگيري از خطر برق گرفتگي در هنگام قطع بودن (خاموش بودن) منبع تغذيه به کار مي روند. در هنگام اتصال منبع تغذيه به برق شهر، C5 و C6 با هم در ابتدا تا حد بالا تر از 300 ولت شارژ مي شوند.

قسمت ثانويه منبع تغذيه به صورت کنترل شده توسط Q12 راه اندازي شده و سپس ولتاژ در خروجي قسمت ثانويه ظاهر مي شود. در پي آن IC3 که يک رگولاتور ولتاژ 5 ولت مي باشد، ولتاژ 5 ولتي مورد نياز مادر برد را براي راه اندازي گيت هاي منطقي و ساير موارد ديگر تأمين مي نمايد.
سپس ولتاژ تثبيت نشده از طريق D30 به چيپ کنترلي اصلي يعني IC1 و همچنين ترانزيستور هاي Q3 و Q4 هدايت مي شود. وقتي منبع تغذيه اصلي در حال کار بود، ولتاژ 12 ولت خروجي از طريق ديود D به سمت IC1 هدايت مي شود.

حالت کم مصرف Stand By

در حالت کم مصرف Stand By توسط ولتاژ مثبت در پايه PS-ON که از طريق مقاومت R23 از مدار ثانويه منبع تغذيه تأمين شده مانع از کار کردن قسمت اصلي منبع تغذيه مي شويم. چون ترانزيستور Q10 باز شده و در نتيجه ترانزيستور Q1 نيز در حالت باز قرار گرفته و در پي آن ولتاژ مبناي 5 ولت پايه شماره 14 IO1 براي پايه شماره 4 IO1 تأمين مي شود. و مدار در نهايت به حالت مسدود شده کليد زني خواهد شد. ترانزيستور هاي Q3 و Q4 هدايت خواهند کرد و سيم پيچ ترانسفورماتور کمکي T2 را اتصال کوتاه خواهند نمود. توسط پايه شماره 4 IO1 ما قادريم که پهناي پالس خروجي را تعيين نماييم. صفر بيانگر بيشترين پهناي پالس و 5 ولت بيانگر اين است که پهناي پالسي وجود ندارد.

تشريح کارکرد منبع تغذيه

وقتي کسي کليد روشن شدن کامپيوتر را فشار دهد، در نتيجه مادر برد صفر منطقي يا زمين منطقي را براي پايه PS-ON فراهم مي نمايد. ترانزيستور Q10 بسته شده و در نتيجه Q1 نيز بسته مي شود و خازن C15 از مسير مقاومت R15 شروع به شارژ شدن نموده و در پايه شماره 4 IC1 شاهد شروع کاهش ولتاژ دو سر مقاومت R17 به سمت صفر مي باشيم. به علت اين ولتاژ بيشترين مقدار پهناي پالس بطور پيوسته افزوده شده و باعث راه اندازي نرم و بدون اشکال قسمت اصلي منبع تغذيه خواهيم بود. در حالت عملکرد طبيعي منبع تغذيه دائماً توسط IC1 کنترل مي شود. زماني که ترانزيستور هاي Q2 و Q1 بسته اند، ترانزيستور هاي Q3 و Q4 باز مي باشند. وقتي که مي خواهيم يکي از ترانزيستور هاي قدرت Q1 و Q2 را باز کنيم، مجبور هستيم که تحريک ترانزيستور هاي Q3 و Q4 را برداريم. جريان از مسير مقاومت R46 و ديود D14 و همچنين سيم پيچ T2 جاري مي شود. اين جريان باعث مي شود که ولتاژ تحريک بيس ترانزيستور قدرت فراهم شده و به دليل وجود فيدبک مثبت ترانزيستور خيلي سريع در حالت اشباع قرار گيرد. با سپري شدن اين ضربه ناگهاني، هر دو ترانزيستور باز مي شوند. فيدبک مثبت از بين رفته و Overshoot در سيم پيچ تحريکي را ايجا مي کند که باعث بسته شدن سريع ترانزيستور قدرت مي شود. مجدداً اين فرايند در ترانزيستور دوم تکرار مي شود. ترانزيستور هاي Q1 و Q2 متناوباً ولتاژ مثبت و منفي را به يکي از دو سر سيم پيچ اوليه متصل مي نمايند. جريان الکتريکي از مسير شاخه اميتر Q1 (کلکتور Q2) را در سيم پيچ ثالثيه جاري شده و ترانسفورماتور T2 را تحريک مي نمايد. و سپس از سيم پيچ اوليه ترانسفورماتور T3 و خازن C7 و مرکز مجازي ولتاژ تغذيه ورودي مسير خود را تکميل مي نمايد.

پايداري ولتاژ خروجي

خروجي هاي +5v و +12v توسط مقاومت هاي R25 و R26 دائماً اندازه گيري مي شوند و براي پايدار نگه داشتن آنها را به IC1 ارسال مي نمايند. ساير ولتاژ ها از لحاظ پايداري مواظبت نمي شوند و مقدار آنها را با تعداد دور سيم پيچي ترانس و ديود ها به دست مي آورند. در مقدار خروجي ميزان رأکتانس سيم پيچي به دليل کار در فرکانس بالا اهميت زيادي دارد. همان طور که مي دانيد در جريان مستقيم تعداد دور سيم پيچي اهميتي ندارد و همواره ولتاژي روي سيم پيچ افت نمي نمايد. اما با بالا رفتن فرکانس تعداد دور سيم پيچي و نوع هسته در ميزان افت ولتاژ روي سيم پيچ دخالت زيادي دارد. معمولاً ولتاژ هاي خروجي حدود 10% مجاز هستند که انحراف از مقدار نامي خود داشته باشند. کنترل کننده IC1 با استفاده از Error Amplifier در پايه شماره 2 خود حاصل از مقاومت هاي مقسم ولتاژ R24/R19 و مقدار ولتاژ مبناي 5 ولت را در پايه 14 خود مقايسه نموده و اين انحراف 10% را جبران مي نمايد.

Power Good

مادر برد به سيگنال Power Good نياز دارد. وقتي که همه ولتاژ هاي خروجي به حالت پايداري رسيده باشند، پايه Power Good مقدار 5 ولت يا يک منطقي مي شود. Power Good معمولاً به پايه RESET بر روي مادر برد متصل مي شود.

پايداري ولتاژ 3.3 ولت

به مداري که به ولتاژ 3.3 ولت متصل است توجه کنيد. اين مدار اضافه ولتاژ پايداري را به دليل افت ولتاژ در کابل ايجاد مي نمايد. يک سيم پيچ کمکي براي اندازه گيري ولتاژ 3.3 ولت در مادر برد در نظر گرفته شده است.

مدار اضافه ولتاژ

اين مدار از ترکيب ترانزيستور هاي Q5 و Q6 و تعداد ديگري از قطعات ساخته شده است. اين مدار کليه ولتاژ هاي خروجي را از لحاظ ايجاد اضافه ولتاژ در آنها محدود نموده و محافظت مي نمايد.
براي مثال اگر اشتباهاً بين خروجي هاي +5v و -5v اتصال کوتاهي به وجود آيد، از طريق مسير D10، R28 و D9 ولتاژ مثبت به پايه بيس Q6 مي رسد. اين ترانزيستور اکنون باز است و ترانزيستور Q5 نيز باز مي باشد. ولتاژ +5v از پايه 14 کنترل کننده IC1 از مسير D11 به پايه شماره 4 کنترل کننده IC1 رسيده و منبع تغذيه را بلوک مي کند. از طرف ديگر Q6 توسط ولتاژ رسيده به بيس خود روشن شده و مدار برق ورودي منبع تغذيه را قطع مي کند.

معرفي پايه­هاي خروجي منبع تغذيه سوئيچينگ  ATX

 

پايه

سيگنال

رنگ اول

رنگ دوم

1

3.3v

نارنجي

بنفش

2

3.3v

نارنجي

بنفش

3

GND

مشکي

مشکي

4

5v

قرمز

قرمز

5

GND

مشکي

مشکي

6

5v

قرمز

قرمز

7

GND

مشکي

مشکي

8

PW_OK

خاکستري

نارنجي

9

5v_SB

بنفش

قهوه اي

10

12v

زرد

زرد

11

3.3v

نارنجي

بنفش

12

-12v

آبي

آبي

13

GND

مشکي

مشکي

14

PS_ON

سبز

خاکستري

15

GND

مشکي

مشکي

16

GND

مشکي

مشکي

17

GND

مشکي

مشکي

18

-5v

سفيد

سفيد

19

5v

قرمز

قرمز

20

5v

قرمز

قرمز

 

اصول کار منابع تغذيه سوئيچينگ به زبان ساده

امروز يک مبحث تازه اي را بررسي مي کنم. و اين مبحث در مورد ساختار و عملکرد منابع تغذيه سوئيچينگ است. حتماً شما با خودتان مي گوييد که چرا وبلاگي که ادعا مي کند در مورد منابع تغذيه سوئيچينگ مطالبي را ارائه مي دهد. هيچ چيزي از نحوه عملکرد اين منابع تغذيه را به ميان نياورده و توضيحي در مورد منابع تغذيه سوئيچينگ نداده است. به همين دليل امروز سعي ميکنم با ارائه مطالب جديد اين عيب خود را تا حدودي رفع کنم. طبق نظراتي که دوستان و مراجعين به وبلاگ با من در ميان گذاشته اند همه متفقاً از من خواسته اند که توضيحي در مورد عملکرد منابع تغذيه سوئيچينگ براي آنها بدهم. تا مسئله تبديل ولتاژ و جريان در اين منابع تغذيه براي آنها روشن شود. خوب اگر شما هم با نظر اين دوستان موافق هستيد مطالب زير را مطالعه کنيد. من در اينجا سعي کرده ام که تا جايي که امکان دارد مطالب را ساده بيان کنم. همچنين سعي مي کنم که از مدارات الکترونيک و بحث رياضي و فرمول هاي پيچيده تا جايي که مي شود پرهيز کنم.
همان طور که مي دانيد در منابع تغذيه معمولي ابتدا برق شهر را از ترانسفورماتور کاهنده يا افزاينده عبور مي دهند و سپس عمل يکسو سازي و بعد از آن عمل رگولاسيون يا تثبيت ولتاژ را انجام مي دهند. عمل کاهش يا افزايش ولتاژ و جريان فقط با ترانسفورماتور انجام مي شود. اما در منابع تغذيه سوئيچينگ برق شهر را مستقيماً يکسو نموده و پس از عبور از يک مدار کليد زني يا همان چهار نوع رگولاتور معروف کاهنده، افزاينده، فلاي بک و Cuk عبور مي دهند تا جريان دوباره به AC تبديل شود و عمل کاهش يا افزايش را روي آن انجام مي دهند. پس از آن براي ايزولاسيون انرژي الکتريکي را از ترانسفورماتور عبور داده و پس از يکسو سازي و عبور از صافي آن را به بار تحويل مي دهند.


حتماً اين سوال را از خود خواهيد پرسيد که چرا لقمه را دور سر تابانده و سيس وارد دهان مي کنيم! يعني چرا از همان روش اول که يک مرحله يکسو سازي و صافي داشت و همچنين داراي توپولوژي مداري بسيار ساده تري نسبت به منبع تغذيه سوئيچينگ است استفاده نکنيم؟ همچنين از خود خواهيد پرسيد که چرا دوباره کاري کنيم و جريان AC را DC و سپس آن را دوباره به AC و باز دوباره به DC تبديل کنيم؟ حتماً شما خواهيد گفت که تو عقلت را از دست داده اي يا پول و وقت باد آورده اي داري و مي خواهي سرمايه ات را حيف و ميل کني. اگر قصد چنين کاري را داشتي چرا از همان اول قصد خود را به ما مي گفتي و نام وبلاگ خود را هم نظريات پوچ يک اَبلَه مي گذاشتي و ما را هم اينقدر معطل نمي کردي!
اولاً براي دفاع از خودم بايد به اين نکته اشاره کنم که اگر خصوصيات من را از آنهايي که مرا خوب مي شناسند و با من مدت کوتاهي زندگي کرده اند سوال نماييد، قطعاً مرا فردي با در آمد ناچيز و اما بسيار خسيس و محتاط در خرج کردن و سرمايه گذاري معرفي مي کنند. همچنين به شما خواهند گفت که آرش محمدي تودشکي فردي است که خيلي سر خودش معطل است و دائماً براي خود کارت تبريک چاپ مي کند و هر وقت با او کاري داريم و مي خواهيم قرار ملاقات با او بگذاريم، با جوابي سر بالا که من خيلي کار دارم ما را از سر خود باز مي کند. و يا اگر با ما قرار گذاشت وقت خيلي کمي را به ما اختصاص مي دهد. حتماً قانع شده ايد که من وقت و پول خود را بي هوده تباه نمي کنم.
ثانياً پاسخ سوال شما بسيار ساده است و حتماً شما را قانع خواهد نمود. ما در منابع تغذيه معمولي از يک ترانسفورماتور استفاده مي کرديم که تلفات انرژي در آن خيلي زياد بود و راندمان کمي داشت و فقط مقدار ولتاژ و جريان خروجي آن را يکبار و آن هم فقط موقع مونتاژ ترانسفورماتور مي توانستيم تغيير دهيم. همچنين هيچ کنترلي ورودي و خروجي آن از لحاظ فيدبک و کنترل حالات مختلف تغييرات بار نداشتيم. همين موضوع عدم انعطاف پذيري اين منابع تغذيه قديمي و معمولي را اثبات مي کند.
اما در منابع تغذيه سوئيچينگ برق شهر خيلي ساده يکسو سازي شده و پس از عبور از صافي به طبقه بعدي تحويل داده مي شود با اين کار از آنجايي که ولتاژ برق شهر را مستقيم يکسو مي کنيم، و ولتاژ آن معمولاً زياد است نياز به خازن صافي کوچک اما با تحمل ولتاژ بالا و عايق بندي خوب و ارزان قيمتي داريم. در اين طبقه ما دوباره جريان DC را به AC با فرکانس بالا بين 20KHz الي 1MHz (معمولاً اکثر منابع تغذيه سوئيچينگ با فرکانسي حدود 65KHz کار مي کنند.) تبديل نموده و آن را پس از کاهش يا افزايش از ترانسفورماتور افزاينده يا کاهنده و يا ترانسفورماتور 1:1 عبور مي دهند. با اين کار اولاً يک محيط کنترلي انعطاف پذير براي کنترل فيدبک دار با استفاده از کنترل Duty Cycle ترانزيستور کليد زني براي کاهش و افزايش ميزان ولتاژ و جريان ايجاد نموده ايم. ثانياً با بالا بردن فرکانس جريان AC در حد چندين کيلوهرتز نياز به ترانسفورماتور از لحاظ ابعاد بسيار کوچکتر يعني با ابعادي حدود 1/400 الي 1/2000 نياز داريم و نيز راندمان ترانسفورماتور از 55% به حدود 99.9% خواهد رسيد. شما با مقايسه يک منبع تغذيه سوئيچينگ کامپيوتر و يک ترانسفورماتور با همان قابليت از لحاظ ظرفيت انتقال توان از نقطه نظر حجم، وزن و ابعاد مي توانيد به صحت اين ادعاي من پي ببريد. همچنين در ثانويه ترانسفورماتور پس از يکسو سازي و عبور از صافي سلف و خازن يک انرژي با ريپل خيلي کوچکتر از مدل معمولي منبع تغذيه هاي قديمي خواهيم داشت. و همچنين بار ما مي تواند متغير باشد. چون به دليل وجود فيدبک کنترل Duty Cycle همواره عمل استابيلازينگ و پايداري خروجي را نسبت به تغييرات بار و نيز برق شهر انجام مي دهيم. همچنين به دليل استفاده فرکانس بالا نياز به خازن کوچکي براي عمل صافي در خروجي خواهيم داشت. مزاياي منبع تغذيه سوئيچينگ قيمت تمام شده يک منبع تغذيه را حدود بيش از 1/1000 کاهش مي دهد.

نظرات 0
برای ارسال دیدگاه وارد حساب کاربری خود شوید.

ورود به حساب کاربری ایجاد حساب کاربری
مریم زمانی
تعاريف عمومي و متداول در منابع تغذيه
زیگماوب