نحوه عملکرد منبع تغذیه سوئیچینگ

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، یک منبع تغذیه سوئیچینگ چگونه کار می‌کند، از نظر مفهومی، یادگیری نحوه عملکرد منابع تغذیه سوئیچینگ کار دشواری نمی‌باشد. وقتی به یک منبع تغذیه سوئیچینگ به صورت یک جعبه سیاه نگاه کنیم که فقط ترمینال‌های ورودی و خروجی آن در اختیار ما قرار دارند، در این صورت رفتار یک منبع تغذیه سوئیچینگ شبیه یک منبع تغذیه خطی خواهد بود. تنها تفاوت اساسی بین آن‌ها این است که منبع تغذیه خطی برای ثابت نگه داشتن ولتاژ بار، جریان بار را که از جریان ورودی تامین می‌شود به صورت پیوسته رگوله می‌کند. در صورتی که منبع تغذیه سوئیچینگ همین کار را (رگوله کردن جریان بار جهت ثابت نگه داشتن ولتاژ خروجی) با قطع و وصل کردن ولتاژ ورودی و سپس با کنترل کردن جریان متوسط آن از طریق تغییر عرض پالس انجام می‌دهد. زمانی که جریان خروجی بیشتری توسط بار مورد نیاز باشد با افزایش زمان روشن بودن پالس‌ها این عمل انجام می‌شود. 

در حالت کلی دو نوع منبع تغذیه سوئیچینگ پایه که بر اساس مدولاسیون عرض پالس (PWM) کار می‌کنند وجود دارد. این دو نوع منبع تغذیه عبارت اند از

منبع تغذیه Forward-mode
منبع تغذیه Fly-back-mode

هر یک از این نام‌ها بر اساس عملکرد عنصر مغناطیسی که در رگولاتور استفاده می‌شود برگرفته شده است.

رگولاتور‌های Forward-mode

رگولاتور‌های Forward-mode عمل رگوله کردن را توسط چهار عنصر انجام می‌دهند. این چهار عنصر عبارت اند از: یک سوئیچ قدرت جهت تولید پالس PWM، یک دیود (یا دیود catch)، یک سلف سری و یک خازن.

سوئیچ قدرت می‌تواند یک ترانزیستور BJT قدرت یا یک MOSFET قدرت باشد که مستقیما بین ولتاژ ورودی و قسمت فیلتر قرار گرفته است. ممکن است بین سوئیچ قدرت و قسمت فیلتر یک ترانسفورماتور جهت افزایش یا کاهش ولتاژ ورودی قرار داده شود؛ که به رگولاتور‌های Forward با ایزولاسیون ترانسفورمری (transformer-isolated) مشهور می‌باشند.

مخزن ذخیره انرژی

دیود شنت، سلف سری و خازن شنت یک مخزن ذخیره انرژی را تشکیل می‌دهند و وظیفه آن‌ها این است که انرژی لازم را برای ثابت نگه داشتن ولتاژ بار خروجی در زمان قطع بودن سوئیچ قدرت تامین کنند. در واقع سوئیچ قدرت عمل پر کردن این مخزن انرژی را که در زمان قطع بودن سوئیچ قدرت تلف شده است، بر عهده دارد.

عملکرد منبع تغذیه را می‌توان در دو حالت قطع و وصل بودن سوئیچ قدرت بررسی کرد. ابتدا حالت وصل بودن سوئیچ قدرت را بررسی می‌کنیم. در این مدت، جریان خروجی از منبع ورودی عبور کرده و از طریق سلف به بار رفته و دوباره از طریق خطوط برگشتی (یا از طریق زمین) به منبع ورودی برمی گردد. در این مدت دیود در بایاس معکوس بوده و قطع می‌باشد. بعد از اینکه سوئیچ قدرت قطع شد، جهت جریان در سلف به صورت قبل بوده، ولی پلاریته ولتاژ آن عوض شده و باعث می‌شود که دیود در بایاس موافق قرار گرفته و روشن شود. با روشن شدن دیود مسیر جریان خروجی از طریق سلف و دیود برقرار می‌شود؛ و بدین ترتیب انرژی ذخیره شده در سلف در زمان روشن بودن سوئیچ قدرت، از طریق دیود شنت به بار و خازن انتقال می‌یابد و به این ترتیب انرژی بار در زمان قطع بودن سوئیچ تامین می‌شود. با وصل شدن سوئیچ دوباره دیود قطع شده و در این حالت انرژی مورد نیاز از طریق منبع ورودی تامین می‌شود.

چرا اسم Forward.

چون هم در زمان وصل و هم در زمان قطع بودن سوئیچ قدرت جریان بار از سلف عبور می‌کند به همین خاطر اسم Forward برای این منبع تغذیه انتخاب شده است.

مقدار انرژی تحویل داده شده به بار توسط زمان وظیفه (duty cycle) سوئیچ قدرت کنترل می‌شود. زمان وظیفه سوئیچ قدرت می‌تواند بین ۰ تا ۱۰۰ درصد تغییر کند. ولی در منابع تغذیه‌های عملی این مقدار معمولا بین ۵ تا ۹۵ درصد می‌باشد.

رابطه تقریبی بین ولتاژ ورودی و خروجی

یک رابطه تقریبی بین ولتاژ ورودی و خروجی و زمان وظیفه را میتوان به صورت زیر نوشت:


رگولاتور‌های Flyback-mode

رگولاتور‌های سوئیچینگ Flyback مانند رگولاتور‌های Forward از چهار عنصر اصلی تشکیل شده است. با این تفاوت که نحوه چیدمان و قرارگیری این المان‌ها تغییر کرده است (شکل زیر). همانطور که از شکل ۲ مشخص است این بار سلف بین منبع ورودی و سوئیچ قدرت قرار گرفته است. پایه آند دیود به محل اتصال سوئیچ قدرت و سلف متصل شده است؛ و خازن هم بین کاتد دیود و زمین قرار گرفته است.

عملکرد مد flyback را می‌توان در دو حالت روشن و خاموش بودن سوئیچ قدرت بررسی نمود. اول حالتی را در نظر می‌گیریم که سوئیچ قدرت روشن است. در این حالت سلف مستقیما به منبع ورودی متصل بوده و یک جریانی از سلف عبور می‌کند در نتیجه یک انرژی در هسته سلف ذخیره می‌گردد. وقتی که سوئیچ قدرت قطع می‌شود، در این حالت جریان سلف نمی‌تواند تغییر جهت دهد، ولی پلاریته ولتاژ آن برعکس می‌شود (flies back در واقع اسم flyback از اینجا گرفته شده است). این عمل باعث می‌شود که دیود روشن شود و از طریق آن انرژی ذخیره شده در سلف به خازن انتقال یابد. این عمل تا خالی شدن کامل انرژی سلف ادامه می‌یابد.



از آن جایی که ولتاژ معکوس روی سلف بیشتر از ولتاژ ورودی می‌باشد و این ولتاژ با ولتاژ منبع ورودی جمع می‌شود در نتیجه ولتاژ خروجی که روی خازن خروجی ظاهر می‌شود، بیشتر از ولتاژ ورودی می‌باشد. با توجه به این که تنها المان ذخیره کننده انرژی بار، فقط خازن فیلتر خروجی می‌باشد در نتیجه میزان ریپل خروجی در رگولاتور‌های flyback بیشتر از رگولاتور‌های Forward می‌باشد.

زمان وظیفه در یک رگولاتور flyback معمولا بین ۰ تا ۵۰ درصد می‌باشد؛ و این محدودیت ناشی از زمان مورد نیاز برای خالی شدن انرژی سلف به خازن می‌باشد. زمان وظیفه در رگولاتور‌های flyback ایزوله شده با ترانسفورمر می‌تواند بزرگتر از حالت قبل باشد. این از تاثیر نسبت دور سیم پیج‌ها و اندوکتانس سیم پیج‌های اولیه و ثانویه می‌باشد.

رابطه بین ولتاژ ورودی و خروجی در رگولاتور‌های flyback اندکی پیچیده‌تر می‌باشد. زمانی که سوئیچ قدرت قطع می‌باشد، سلف قبل از روشن شدن سوئیچ قدرت خود را خالی خواهد کرد. از آنجایی که مقدار volt-time شارژ و دشارژ سلف باید یکی باشد، و خروجی مبدل بوست (boost) بدون ایزوله باید بیشتر از ولتاژ ورودی باشد در نتیجه رابطه بین ولتاژ ورودی و خروجی به صورت زیر خواهد بود.

 

منبع: melec