منابع تغذیه سوئیچینگ

منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟

در دنیای الکترونیک امروزی هر سیستم یا مدار الکترونیکی نیاز به یک منبع تغذیه دارد که دارای خصوصیاتی مانند راندمان بالا، توان اتلافی پایین، سطح ولتاژ یا جریان کنترل شده و دقیق و ابعاد فیزیکی پایین و … باشد. خصوصیاتی که ترانس های سیم پیچ دار سنتی فاقد آن هستند. راه حل استفاده از منابع تغذیه سوییچینگ ( Switch Mode Power Supply:SMPS ) است. در این نوع منابع تغذیه, تغییر توان الکتریکی از طریق تغییر سطح ولتاژ و یا تبدیل AC به DC،DC به DC و DC به AC و یا AC به AC میسر می شود.

یکی از ساده ترین انواع منابع تغذیه، رگولاتورهای خطی(Linear Regulator) هستند. سیستم کلی این رگولاتورها با استفاده از یک ترانزیستور و یک سیستم کنترلی برای تثبیت ولتاز خروجی قابل پیاده سازی است. ترانزیستور در حالت خطی کار میکند در نتیجه این حالت خطی باعث اتلاف توان ورودی می شود. برای مثال در شکل زیر در صورتی که ولتاژ ورودی 100 ولت باشد و مصرف کننده بخواهد در ولتاژ 50 ولت 10 آمپر مصرف کند، باید این رگولاتور 500 وات توان اتلاف کند تا بتواند برای مصرف کننده ولتاژ رگوله شده را تامین کند. این مقدار توان اتلاف شده باید با یک سیستم انتقال گرمای بسیار قدرتمند و با اشغال فضای زیاد، دفع شود. در ضمن این رگولاتور تنها دارای %50 بازدهی است و رگولاتورهای خطی نیز بطور کل دارای راندمان بالایی نیستند.

یک منبع تغذیه سوئیچینگ که اصول کارکرد آن باز یا بسته شدن یک سوئیچ الکترونیکی است می تواند به صورت تئوری %100 بازدهی داشته باشد و در عمل نیز می تواند تا حدود %97 راندمان داشته باشد. یک منبع تغذیه سوییچینگ شامل قطعاتی مانند سلف، خازن و سوییچ می شود و تنها انرژی را در خود ذخیره و یا انتقال می دهند و شامل اجزای مقاومتی که انرژی را بصورت گرما اتلاف می کنند نمی شود. یک سوئیچ الکترونیکی می تواند یک دیود، ترانزیستور bipolar، ماسفت و یا IGBT باشد که در ناحیه غیر خطی کار میکنند.  این نوع سوئیچ ها می توانند در حالت باز بودن با اختلاف ولتاژ نزدیک به صفر جریان را عبور دهند یا در حالت بسته بودن هیچ جریانی را از خود عبور ندهند. در هر دو حالت بر خلاف کارکرد یک رگولاتور خطی سوئیچ ها هیچ توانی را تلف نمی کنند. مانند شکل 2 ولتاژ خروجی دارای فرکانس های بالا و بی شماری است(با اصطلاح هارمونیک های زیادی دارد). به منظور فیلتر کردن چنین ولتاژ خروجی از یک فیلتر پایین گذر استفاده می کنیم تا بتوانیم یک مقدار DC با تغییرات خیلی کم به مصرف کننده بدهیم. با افزایش فرکانس سوئیچینگ می توانیم مقادیر سلف و خازن فیلتر پایین گذر را کاهش دهیم این کار باعث کوچک تر شدن قطعات می شود.

 

 ایده منابع سوئیچینگ اختراع جدیدی نیست اما طی مدت زمانی این منابع دارای مزیت های فراوانی مانند افزایش راندمان و کاهش قیمت قطعات شده اند و در وسایل الکترونیکی مانند منابع تغذیه کامپیوتر ها ، مدار های تامین کننده ولتاژ DC تنظیم شده برای پردازنده ها در مادربردها ، موبایل ها ، سیستم های تبدیل ولتاژ پنل های خورشیدی به نام اینورتر ، شارژر ها و آداپتور های سوئیچینگ و … از این منابع استفاده شده است.

 

تصویر یک منبع تغذیه سوئیچینگ

در مقایسه رگولاتور های سوئیچینگ و خطی به این موارد خواهیم رسید:

1- بازدهی : بدون شک در دنیای امروزی نیاز ما به انرژی زیاد شده است و در نتیجه باید مدیریت بهتری روی مصرف انرژی الکتریکی داشته باشیم، پس اگر بخواهیم در طراحی مدار میزان مصرف انرژی را مد نظر قرار دهیم ،باید در مدارمان جایی برای منبع تغذیه سوئیچینگ در نظر داشته باشیم.

2- اندازه مدار : برای تبدیل ولتاژ 12 ولت DC به 5 ولت DC با جریان حداکثر 1 آمپر می توان از یک رگولاتور خطی استفاده کنیم. اما برای مثال اگر بخواهیم برق شهر که دارای ولتاژ 220 ولت AC هست را به 5 ولت DC تبدیل کنیم ابتدا به یک ترانس با وزن و حجم نسبتا زیاد و سپس یک یکسو ساز و خازن ظرفیت بالا نیاز داریم. روی هم رفته این مدار فضای زیادی را اشغال می کند ولی با طراحی یک منبع تغذیه سوئیچینگ با همین مشخصات در یک فضای حداکثر 2 در 3 سانتیمتر با وزن بسیار کمتر قابل پیاده سازی است. مانند اکثر شارژر های گوشی های موبایل که از منابع تغذیه سوییچینگ بهره می برند.

3- قیمت قطعات : یک رگولاتور 5 ولت 1 آمپر مانند 7805 دارای قیمت متوسط 300 تومان در زمان تهیه این مطلب است اما یک منبع تبدیل DC به DC سوئیچینگ با خروجی 5 ولت و جریان حداکثر 3 آمپر قیمتی در حدود 3 تا 5 هزار تومان دارد. اما اگر بخواهیم از یک ترانسفورمر برای تبدیل AC به DC استفاده کنیم ترانسفورمر به تنهایی قیمتی بالای 10 هزار تومان را داراست.

4- تداخل فرکانسی : بر خلاف رگولاتور های خطی، رگولاتور های سوئیچینگ به دلیل فرکانس سوئیچینگ می تواند هارمونیک های زیادی را به وجود آورد و باعث تداخل فرکانسی شود. اگر یک مدار حساس به تداخل فرکانسی دارید بهتر است از یک رگولاتور خطی استفاده کنید. اما اگر این رگولاتور نیاز مداری شما را بر طرف نکند بهتر است برای مدار منبع تغذیه سوئیچینگ خود فیلتر های مناسب و باید ملاحظات High Speed PCB Design در نظر گرفت تا سطح نویز و هارمونیک های مدار کاهش یاید.

در یک منبع سوییچینگ باید اصول طراحی این نوع مدارات را هم در نظر گرفت.مورد دیگر هم اگر قطعات الکترونیکی مورد نظرتان دارای کیفیت و مناسب چنین طراحی هایی نباشند،ممکن است مدار سوئیچینگ شما به مشکلاتی مانند نویز و اختلال فرکانسی بالا و راندمان کم مواجه شود. در قسمت های بعد به کاربرد ها و توپولوژی های مختلف خواهیم پرداخت.