آشنایی با منبع تغذیه سوئیچینگ و انواع آن

موضوعی که در اینجا می‌خواهیم به آن بپردازیم، منبع تغذیه سوئیچینگ است.

آی سی‌های رگولاتور خطی، سال‌های زیادی اساس طراحی منابع تغذیه بوده‌اند. زیرا در خروجی یک ولتاژ ثابت و پایدار را ارائه می‌دهند. رگولاتوهای خطی نسبت به رگولاتورهایی که با دیود زنر و مقاومت یا ترانزیستور و حتی آپ امپ ساخته می‌شوند، بازده بسیار بیشتری دارند و راحت‌تر قابل استفاده هستند.

رایج‌ترین رگولاتورهای خطی رگولاتورهای سری 78 با ولتاژ خروجی مثبت و سری 79 با ولتاژ خروجی منفی هستند. این دو نوع رگولاتور مکمل، خروجی‌های دقیق و پایدار در رنج 5V تا 24V تولید می‌کنند که در بسیاری از مدارهای الکترونیکی کاربرد دارد.

رگولاتورهای خطی 3 پایه دارند و دارای یک رگولاتور ولتاژ داخلی و یک مدار محدودکننده جریان هستند و در رنج گسترده‌ای در بازار عرضه می‌شوند، به طوری که می‌توان با استفاده از آن‌ها انواع منابع تغذیه با خروجی‌های مختلف به صورت تکی و دوبل را برای کاربردها و مدارات مختلف، ساخت. رگولاتورهای خطی با خروجی متغیر، خروجی‌هایی را تولید می‌کنند که از صفر تا کمی پایین‌تر از حداکثر مقدار ولتاژ خروجی قابل تغییر هستند.

بیشتر منابع تغذیه DC از ترانسفورماتور کاهنده، دیودهای یکسوساز تمام موج یا نیم موج، فیلتر برای حذف ریپلاز ولتاژ یکسوشده و رگولاتور خطی یا سوئیچینگ برای اطمینان از درستی ولتاژ رگوله شده در شرایط تغییر بار تشکیل شده‌اند. بنابراین یک ولتاژ تغذیه DC معمولا به شکل زیر است:

منبع تغذیه DC

این منابع تغذیه معمولا شامل یک ترانسفورماتور بزرگ که ایزولاسیون بین ولتاژ ورودی و خروجی را فراهم می‌کند و یک مدار رگولاتور هستند. این مدار رگولاتور یا از یک دیود زنر ساخته شده است یا شامل یک رگولاتور خطی 3 پایه می‌باشد. منابع تغذیه‌ای که شامل رگولاتور خطی هستند، تنها به یک خازن در ورودی و یک خازن در خروجی و چند مقاومت فیدبک برای تنظیم ولتاژ خروجی نیاز دارند.

قسمت اصلی مدار رگولاتور خطی یک ترانزیستور است که در ناحیه خطی عمل می‌کند که نام رگولاتور نیز از همین آمده است. بنابراین ترانزیستور در واقع یک مقاومت متغیر است. مقدار این مقاومت به طور پیوسته به گونه‌ای تغییر می‌کند که ولتاژ خروجی در ولتاژ موردنظر ثابت بماند.

در ادامه به مدار ساده ترانزیستوری رگولاتور می‌پردازیم.

مدار رگولاتور ترانزیستور سر

به دلیل اینکه اتصال ترانزیستور در این رگولاتور به صورت امیتر فالوور است، به آن رگولاتور امیتر فالوور هم می‌گویند. این مدار از یک ترانزیستور NPN و یک دیود زنر تشکیل شده است. همان‌طور که در شکل زیر نیز نشان داده شده است، امیتر و کلکتور ترانزیستور با بار سری هستند و دلیل استفاده از کلمه “سری” نیز همین است. خروجی مدار یکسوساز پس از فیلتر شدن به ورودی این مدار داده می‌شود و ولتاژ دو سر مقاومت Rload به عنوان ولتاژ رگوله شده در خروجی دریافت می‌شود. ولتاژ مرجع توسط یک دیود زنر ساخته می‌شود و ترانزیستور مانند یک مقاومت متغیر عمل می‌کند که مقدار آن با جریان بیس (I_base) تغییر می‌کند. در این ساختار تغییرات ولتاژ ورودی روی ترانزیستور می‌افتد، بنابراین ولتاژ خروجی ثابت باقی می‌ماند. ولتاژ خروجی برابر است با:

Vzener – Vbe = Vout

ولتاژ بیس برابر با ولتاژ دیود زنر است، بنابراین ولتاژ بیس ثابت می‌باشد.

عملکرد این مدار به این صورت است که با افزایش ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی (V_Load) نیز زیاد می‌شود. به دلیل اینکه ولتاژ دیود زنر ثابت است، افزایش V_Load، باعث کاهش ولتاژ بیس-امیتر می‌شود. کاهش ولتاژ بیس-امیتر نیز باعث کاهش رسانایی ترانزیستور و افزایش مقاومت کلکتور-امیتر می‌شود. با زیاد شدن مقاومت کلکتور-امیتر ترانزیستور، ولتاژ آن نیز افزایش می‌یابد که در نهایت موجب کاهش ولتاژ خروجی می‌شود. بنابراین، ولتاژ خروجی ثابت می‌ماند. عملکرد مدار برای زمانی‌که ولتاژ ورودی کاهش پیدا می‌کند، مشابه است.   رگولاتور ترانزیستور سری دارای محدودیت‌هایی است که باعث می‌شود که رگولاتوری با این ساختار تنها برای ولتاژهای خروجی کم مناسب باشد. یکی از این محدودیت‌های آن، زیاد بودن پراکندگی توان به شکل گرما است که از رابطه V_ccI_c به دست می‌آید. بنابراین، جریان‌های خروجی زیاد که باید از ترانزیستور عبور کنند موجب کاهش بازدهی، افزایش پراکندگی توان و گرما می‌شوند. یکی از راه‌ها برای زمانی که به ولتاژ خروجی یا جریان زیاد نیاز است، استفاده از منابع تغذیه سوئیچینگ است.

از آنجا که توان مصرفی، تلفات حرارتی، وزن و اندازه‌ی منابع تغذیه سوئیچینگ کم است، در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرد. به منابع تغذیه سوئیچینگ SMPS نیز گفته می‌شود. این نوع منبع تغذیه را می‌توان در هر چیزی که نیاز به منبع تغذیه با بازدهی بالا دارد، مانند بیشتر PC ها، تقویت کننده‌های توان، تلویزیون، درایورهای موتور DC به کار گرفت.

در واقع منبع تغذیه سوئیچینگ یا SMPS، نوعی منبع تغذیه است که از روش سوئیچینگ به جای روش‌های خطی برای تولید ولتاژ خروجی استفاده می‌کند. مبدل اصلی سوئیچینگ از یک مرحله سوئیچینگ توان و یک مدار کنترل تشکیل شده است. در مرحله سوئیچینگ توان، توان از مدار ولتاژ ورودی  VIN  به ولتاژ خروجی VOUT فیلتر شده تبدیل می‌شود.

از مزیت‌های این منبع تغذیه، می‌توان به راندمان بالای آن‌ها نسبت به رگولاتورهای خطی استاندارد اشاره کرد که با استفاده از یک ترانزیستور داخلی (یا ماسفت قدرت) که بین وضعیت ON (حالت اشباع) و OFF (حالت قطع) سوئیچ می‌کند، حاصل می‌شود و باعث اتلاف کمتر توان می‌گردد. به این معنا که وقتی ترانزیستور سوئیچینگ کاملا روشن است و جریان را عبور می‌دهد، ولتاژ دو سر آن، حداقل مقدار ممکن است و وقتی کاملا خاموش است، هیچ جریانی از آن عبور نمی‌کند. بنابراین، ترانزیستور مانند یک سوئیچ ایده‌ال عمل می‌کند.

برخلاف رگولاتورهای خطی که ولتاژ خروجی تنها می‌تواند از ولتاژ ورودی کمتر باشد، منبع تغذیه سوئیچینگ، ولتاژ ورودی را با استفاده از یک یا چند توپولوژی مانند باک، بوست و باک-بوست کاهش، افزایش و حتی منفی کند. توپولوژی مدار، به نحوه قرار گرفتن ترانزیستور سوئیچ، سلف و خازن‌های صافی بستگی دارد.

منبع تغذیه باک

رگولاتورهای سوئیچینگ باک نوعی از مدار منبع تغذیه حالت سوئیچ هستند که یک ولتاژ DC را به ولتاژ DC کمتر تبدیل می‌کنند. این نوع رگولاتور، ولتاژ را بدون تغییر پلاریته کاهش می‌دهد. به عبارت دیگر رگولاتور سوئیچینگ باک یک رگولاتور کاهنده است. برای مثال یک مبدل باک می‌تواند ولتاژ 12V+ را به 5V+ تبدیل کند. رگولاتور سوئیچینگ باک، یک مبدل DC به DC است و یکی از ساده‌ترین و متداول‌ترین نوع رگولاتورهای سوئیچینگ می‌باشد. در ساختار رگولاتور سوئیچینگ باک، یک ترانزیستور سری یا ماسفت قدرت، بخش اصلی را تشکیل می‌دهند. ساختار این رگولاتور را می‌توانید در تصویر زیر مشاهده کنید:

رگولاتور سوئیچینگ باک

همان‌طور که می‌بینید مدار اصلی مبدل باک از یک سوئیچ ترانزیستوری سری TR1 و مدار درایور که در حد امکان ولتاژ خروجی را در سطح مورد نظر نگه می‌دارد، از یک دیود D1، یک سلف L1، یک خازن صافی C1 تشکیل شده است. مبدل باک بسته به اینکه ترانزیستور سوئیچینگ  TR1خاموش یا روشن باشد، دو مد عملکرد خواهد داشت. وقتی ترانزیستور در وضعیت ON بایاس می‌شود (کلید بسته)، دیود D1 بصورت معکوس بایاس شده و ولتاژ ورودی V_IN باعث می‌شود که جریان از طریق سلف وارد بار خروجی شود و خازن C1 شارژ گردد. زیرا جریان شارژ از سیم پیچ سلف عبور می‌کند. براساس قانون فارادی، جریان الکترومغناطیسی بر خلاف شار جریان تولید شده و با رسیدن به حالت پایدار، یک میدان مغناطیسی اطراف سلف L1 ایجاد می‌کند که تا زمانی‌که کلید TR1 بسته است، در این حالت می‌ماند.

با خاموش شدن ترانزیستور TR1، با استفاده از مدار کنترل بلافاصله ولتاژ ورودی از مدار متصل به امیتر ترانزیستور قطع می‌شود و میدان مغناطیسی اطراف سلف یک ولتاژ معکوس به دو سر آن اعمال می‌کند و در نتیجه جهت جریان تغییری نمی‌کند. در این حالت، دیود در بایاس مستقیم قرار می‌گیرد. بنابراین انرژی ذخیره شده در سلف به بار منتقل می‌شود و از طریق دیود برمی‌گردد. در این حین، انرژی ذخیره شده در خازن نیز در بار تخلیه می‌شود. ترکیب سلف و خازن یک فیلتر LC را ایجاد می‌کند که به از بین رفتن ریپل‌های ناشی از عمل سوئیچینگ و صاف‌تر شدن سیگنال کمک می‌کند.

بنابراین وقتی ترانزیستور روشن و کلید بسته است، جریان مدار از منبع تامین می‌شود و وقتی ترانزیستور خاموش و کلید باز است، سلف جریان مدار را تامین می‌کند، پس می‌توان گفت جریان در این دو حالت در زمان‌های مختلفی از سیکل سوئیچینگ برقرار می‌شود. اما جهت جریان عبوری از سلف در دو حالت یکسان است. از ‌آنجا‌ که ترانزیستور دائما باز و بسته می‌شود، متوسط ولتاژ خروجی به ضریب وظیفه یا duty cycle بستگی دارد. D زمان هدایت ترانزیستور را در یک سیکل کامل سوئیچینگ تعریف می‌کند. اگر VIN ولتاژ ورودی و زمان‌های خاموش و روشن شدن ترانزیستور tON و tOFF باشد، ولتاژ خروجی از رابطه زیر بدست می‌آید.

duty cycle مبدل باک

ضریب وظیفه مبدل باک به صورت زیر تعریف می‌شود:

پس هر چه ضریب وظیفه (duty cycle) بزرگتر باشد، متوسط ولتاژ خروجی نیز بیشتر می‌شود. در اینجا مقدار ضریب وظیفه D همیشه از یک کمتر است، بنابراین همیشه ولتاژ خروجی از ولتاژ ورودی مقدار کمتری دارد. به همین دلیل است که این رگولاتور، یک رگولاتور کاهنده است. ولتاژ رگوله شده با تغییر ظریب وظیفه و سرعت سوئیچینگ بالا تاحدود 200kHz بدست می‌آید. با استفاده از المان‌های کوچکتر می‌توان ابعاد و وزن منبع تغذیه حالت سوئیچینگ را به شدت کاهش داد.

مزیت مبدل باک این است که ترکیب سلف و خازن (LC) می‌تواند به صورت یک فیلتر عمل کند و از نوسانات ولتاژ خروجی بکاهد. به طور ایده آل مبدل باک بطور پیوسته در مد سوئیچینگ کار می‌کند، لذا جریان سلف در آن صفر نمی‌شود.

نوع دیگری از مبدل‌های اصلی منبع تغذیه سوئیچینگ، رگولاتور ولتاژ افزاینده یا مبدل بوست (Boost) است.

منبع تغذیه سوئیچینگ بوست (Boost)

رگولاتور سوئیچینگ بوست نوع دیگری از مدار منبع تغذیه سوئیچینگ است. المان‌های به کار رفته در این مبدل مانند مبدل باک است. اما چینش المان‌ها متفاوت است. برخلاف مبدل باک که ولتاژ خروجی آن از ولتاژ ورودی آن کمتر است، ولتاژ خروجی مبدل بوست از ورودی آن بیشتر است. در واقع این مبدل یک مبدل افزاینده است. این مدل پلاریته را تغییر نمی‌دهد. همان‌طور که دیدید، در  مبدل  باک، ترانزیستور سوئیچینگ به صورت سری در مدار قرار گرفته بود. در حالی که اتصال این ترانزیستور در مبدل بوست به صورت موازی است، زیرا ترانزیستور سوئیچینگ به صورت موازی با خروجی قرار دارد. زمانی که ترانزیستور خاموش یا کلید باز است، انرژی الکتریکی تنها از طریق سلف وارد بار می‌شود.

رگولاتور سوئیچینگ بوست

در مدار مبدل بوست، وقتی ترانزیستور کاملا روشن است، انرژی الکتریکی منبع VIN از سلف و ترانزیستور عبور می‌کند و دوباره به منبع برمی‌گردد. در نتیجه به دلیل اینکه ترانزیستور روشن است و خروجی را اتصال کوتاه کرده است، تمام جریان منبع از ترانزیستور عبور می‌کند و هیچ جریانی از بار نمی‌گذرد. هدر این حالت دیود D1 دارای بایاس معکوس است، زیرا آند آن از طریق ترانزیستور زمین شده است. خازن از طریق بار دشارژ می‌شود. بنابراین خروجی تقریبا ثابت است.

وقتی ترازیستور کاملا خاموش شد،  ولتاژ ورودی از طریق سلف و دیود به خروجی متصل می‌شود. در این حالت ولتاژ القایی در سلف L1 معکوس می‌شود و به ولتاژ ورودی اضافه می‌شود و ولتاژ خروجی تا VIN+VL افزایش می‌یابد.

جریان خازن صافی C1 که وقتی ترانزیستور خاموش بود برای تغذیه بار استفاده میشد، حالا بوسیله ولتاژ ورودی و از طریق دیود به به خازن بر میگردد. پس میتوان گفت که جریان خازن همان جریان دیود است. دیود بوسیله ترانزیستور سوئیچینگ دائما بین بایاس مستقیم و بایاس معکوس تغییر وضعیت داده و خاموش و روشن میشود. بنابراین خازن صافی باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا خروجی صاف و ثابتی تولید شود.

از آنجا که ولتاژ دو سر سلف L1 منفی است و به ولتاژ منبع VIN اضافه می‌شود، لذا جریان سلف وارد بار می‌شود. ولتاژ خروجی حالت پایدار یک مبدل بوست به صورت زیر است:

همانند مبدل باک، در این مبدل نیز ولتاژ خروجی به ضریب وظیفه و ولتاژ ورودی بستگی دارد. بنابراین با کنترل ضریب وظیفه می‌توان خروجی را کنترل کرد.  همان‌طور که از رابطه فوق می‌توان فهمید، مقدار ولتاژ خروجی مستقل از مقدار سلف، جریان بار و مقدار خازن خروجی است.

در نهایت بسته به اینکه به ولتاژی کمتر یا بیشتر از ولتاژ ورودی نیاز است، مبدل باک یا بوست انتخاب می‌شود. مبدل باک متداول‌ترین ساختار SMPS است. در حالی‌که مبدل بوست بیشتر در مدارات خازنی مانند شارژرهای باطری، فلاش عکس، فلاش چشمک زن و غیره استفاده می‌شود.

این دو توپولوژی اصلی را می‌توان به صورت یک مدار رگولاتور سوئیچینگ ایزوله نشده به نام  باک-بوست  ترکیب کرد.

رگولاتور سوئیچینگ باک-بوست (Buck-Boost)

رگولاتور سوئیچینگ باک-بوست ترکیبی از مبدل بوست و مبدل باک است. این مبدل می‌تواند یک ولتاژ با پلاریته معکوس و اندازه کمتر یا بیشتر از ولتاژ ورودی تولید کند. اندازه ولتاژ با مقدار ضریب وظیفه کنترل می‌‍شود. در مبدل باک – بوست پلاریته خروجی معکوس پلاریته ولتاژ ورودی است که در این حالت تنها جریان سلف از بار عبور می‌کند. مدار مبدل سوئیچینگ باک-بوست در شکل زیر آمده است.

رگولاتور سوئیچینگ باک-بوست

زمانی که ترانزیستور TR1 کاملا روشن (کلید بسته) است، ولتاژ دو سر سلف برابر ولتاژ ورودی می‌شود. بنابراین، سلف انرژی ورودی منبع را در خود ذخیره می‌کند. از آنجا که دیود D1 در بایاس معکوس است، هیچ جریانی وارد بار خروجی نمی‌شود. با خاموش شدن ترانزیستور (باز شدن کلید)، دیود در بایاس مستقیم قرار می‌گیرد و انرژی ذخیره شده در سلف به بار منتقل می‌شود.

به عبارت دیگر وقتی کلید وصل است، انرژی DC ورودی بجای بار، از طریق ترانزیستور سوئیچینگ وارد سلف شده و وقتی کلید قطع می‌شود، ولتاژ دو سر سلف معکوس می‌شود و سلف مانند یک منبع ولتاژ عمل می‌کند. بنابراین، انرژی ذخیره شده در آن از طریق دیود به خروجی منتقل می‌شود. پس وقتی ترانزیستور خاموش است، ولتاژ دو سر بار برابر ولتاژ سلف است.

در نتیجه، اندازه ولتاژ خروجی معکوس شده با توجه به اندازه ضریب وظیفه می‌تواند بزرگتر، کوچکتر یا مساوی ولتاژ ورودی باشد. در رابطه زیر مقدار ولتاژ خروجی حالت پایدار این مبدل نیز مشخص است.

بنابراین رگولاتور باک-بوست (Buck-Boost) همان‌طور که از نام آن پیدا است، ولتاژ خروجی بزرگتر (مبدل Boost) یا کوچکتری (مبدل Buck) را از ولتاژ ورودی تولید می‌کند و در هر حالت پلاریته ولتاژ خروجی عکس ولتاژ ورودی است.

خلاصه منبع تغذیه سوئیچینگ

منبع تغذیه سوئیچینگ یا SPMS، از سوئیچ‌های حالت جامد برای تبدیل ولتاژ DC رگوله نشده به ولتاژ DC رگوله شده و صاف با اندازه‌های مختلف استفاده می‌کند. منبع ولتاژ ورودی می‌تواند ولتاژ DC باطری، پنل خورشیدی یا ولتاژ DC یکسوشده از منبع AC با استفاده از پل دیودی و فیلتر خازنی باشد.

در بسیاری از کاربردهای کنترل توان، ترانزیستور قدرت، ماسفت یا IGFET در مد سوئیچینگ کار می‌کنند. به این معنا که دائما با سرعت زیاد خاموش و روشن می‌شود. بازده توان این رگولاتورها بالا است، زیرا در این مدارات ترانزیستور یا کاملا روشن و یا کاملا خاموش است.

انواع مختلف ساختارهای مبدل DC به DC (برخلاف مبدل‌های DC به AC) وجود دارد. با سه توپولوژی اصلی منبع تغذیه سوئیچینگ یعنی رگولاتورهای سوئیچینگ Buck ، Boost، Buck-Boost در اینجا آشنا شدیم. هیچ کدام از این توپولوژی‌ها‌ ایزوله نشده‌اند و ولتاژهای ورودی و خروجی از زمین مشترک استفاده می‌کنند.

هر یک از رگولاتورهای سوئیچینگ با توجه به ضریب وظیفه، رابطه جریان ورودی و خروجی، ریپل ولتاژ خروجی تولید شده توسط سوئیچ حالت جامد، مشخصات خاص خود را دارد. یکی دیگر از مشخصات مهم این توپولوژی‌ها، پاسخ فرکانسی عمل سوئیچینگ به ولتاژ خروجی است.

با کنترل درصدی از زمانی‌که ترانزیستور سوئیچینگ روشن (ON) است، به کل زمان خاموش و روشن بودن آن (ON/OFF)، می‌توان ولتاژ خروجی را تنظیم کرد. به این نسبت، duty cycle یا ضریب وظیفه می‌گویند. با تغییر ضریب وظیفه (D)، می‌توان دامنه ولتاژ خروجی (VOUT ) را کنترل نمود.

استفاده از یک سلف، دیود و کلیدهای سوئیچینگ سریع که می‌تواند در فرکانس‌های بالا در رنج کیلوهرتز عمل سوئیچینگ را انجام دهد، وزن و اندازه منبع تغذیه سوئیچینگ را به‌شدت کاهش می‌دهد. زیرا ترانسفورماتورهای کاهنده یا افزاینده ولتاژ که حجیم و سنگین هستند، در مدار وجود ندارند. البته زمانی‌که ایزولاسیون بین ورودی و خروجی لازم است، باید یک ترانسفورماتور قبل از مبدل قرار داد.

دو نوع متداول از ساختارهای سوئیچینگ ایزوله نشده، مبدلهای باک (کاهنده) و بوست (افزاینده) هستند. مبدل باک نوعی از منبع تغذیه سوئیچینگ است که برای تبدیل انرژی الکتریکی از یک ولتاژ به ولتاژ کمتر طراحی شده است. این مبدل با یک ترانزیستور سوئیچینگ که در مدار به صورت سری قرار گرفته کار می‌کند. از آنجا که duty cycle  D < 1 است بنابراین در این مبدل ولتاژ خروجی همیشه کمتر از ولتاژ ورودی است.

مبدل بوست، نوعی از منبع تغذیه سوئیچینگ است که برای تبدیل انرژی الکتریکی از یک ولتاژ به ولتاژ بیشتر طراحی شده است. این مبدل با یک ترانزیستور سوئیچینگ که در مدار به صورت موازی قرار گرفته است، کار می‌کند. در نتیجه، یک مسیر مستقیم بوسیله سلف L1 و دیود D1 از VIN به VOUT وجود دارد و به این معناست که خروجی در برابر اتصال کوتاه محافظت نمی‌شود.

در مبدل بوست با تغییر ضریب وظیفه (D)، ولتاژ خروجی  قابل کنترل است. در این مبدل به خاطر ولتاژ خودالقایی سلف، ولتاژ خروجی بزرگتر از ولتاژ ورودی است. همچنین خازن صافی خروجی در منابع تغذیه سوئیچینگ، بسیار بزرگ در نظرگرفته می‌شود تا بتواند در طول عملیات سوئیچینگ ترانزیستور، ولتاژ خروجی پایداری ارائه کند.

---

اگر در مورد این موضوع سوالی داشتید، حتما با ما مطرح کنید.