طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ

منبع تغذیه سوئیچینگ از دهه ۱۹۷۰ به بازار معرفی شدند و امروزه به عنوان یکی از رایج‌ترین انواع منابع تغذیه در سطح جهانی شناخته می‌شوند. در این نوع منابع تغذیه، با استفاده از قطع و وصل سریع و با فرکانس بالا، شکل موج مورد نظر تولید می‌شود. این فرآیند قطع و وصل به ما این امکان را می‌دهد که جریان مستقیم (DC) را به حالت مشابه جریان متناوب (AC) تبدیل کنیم و سپس دوباره آن را به جریان مستقیم تبدیل نماییم با توجه به این گفته در می یابیم که چگونگی آشنایی با طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ خود مبحث حائز اهمیتی به شمار می آید که بهتر است کاربران عزی به آن احرازکامل داشته باشند.سایت سلام صنعت به همین منظور کلیه ی مطالب مورد نیاز را در قالب مقالاتی از این دسته در سایت درج و در اختیار مخاطبان قرار می دهد.

 

سلام صنعت دارای نمایندگی محصولات IFM ، نمایندگی محصولات Sick ، نمایندگی محصولات اندرس هاوزر و نمایندگی محصولات زیمنس میباشد.

طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ

قبل از پرداختن به آموزش طراحی مدارات سوئیچینگ، ضروری است که با کاربرد هر یک از قطعات استفاده شده در این نوع مدارات آشنا شویم. عدم آگاهی از این قطعات می‌تواند باعث کاهش راندمان یادگیری شود. یکی از مهم‌ترین اجزای این مدارات، ماسفت (MOSFET) است. ماسفت یک ترانزیستور چهار پایه‌ای است که شامل پایه‌های سورس (Source)، گیت (Gate)، درین (Drain) و بدنه (Body) می‌باشد. بدنه این قطعه معمولاً با پایه سورس در ارتباط است و به همین دلیل، می‌توان آن را به‌عنوان یک دستگاه سه پایه‌ای مشابه ترانزیستورهای اثر میدانی در نظر گرفت. ماسفت‌ها به‌طور عمده در مدارات آنالوگ و دیجیتال مورد استفاده قرار می‌گیرند و به‌عنوان یک نوع ترانزیستور شناخته می‌شوند.

ماسفت

ماسفت‌ها به چهار دسته اصلی تقسیم می‌شوند که شامل: ماسفت حالت کاهشی N-Channel، ماسفت حالت کاهشی P-Channel، ماسفت حالت افزایشی N-Channel و ماسفت حالت افزایشی P-Channel هستند. هر یک از این دسته‌ها ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند که در طراحی مدارات سوئیچینگ نقش بسزایی ایفا می‌کنند. درک عمیق‌تر از این قطعات به طراحان کمک می‌کند تا بتوانند مدارات بهینه‌تری را طراحی و پیاده‌سازی کنند.

رگولاتور

رگولاتور به عنوان یک تنظیم‌کننده ولتاژ، نقش مهمی در طراحی و ساخت مدارات الکترونیکی و به ویژه مدارات سوئیچینگ ایفا می‌کند. واژه رگولاتور از فعل انگلیسی “regulate” به معنای تنظیم کردن نشأت گرفته است و به همین دلیل این قطعه به عنوان ابزاری برای تنظیم ولتاژ شناخته می‌شود. رگولاتورها به عنوان نوعی نیمه‌رسانا طراحی شده‌اند که هدف اصلی آن‌ها تنظیم و تثبیت ولتاژ الکتریکی در خروجی است.

یکی از مزایای کلیدی رگولاتورها، توانایی آن‌ها در ارائه یک ولتاژ ثابت در خروجی است، که این ویژگی از نوسانات غیرمطلوب ولتاژ در مدار جلوگیری می‌کند. در واقع، این قطعات به ما این امکان را می‌دهند که ولتاژهای متفاوتی را در یک مدار مدیریت کنیم و به این ترتیب، کارایی و ثبات عملکرد مدار را بهبود ببخشند. به طور کلی، رگولاتورها به عنوان اجزای اساسی در بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی مدرن به شمار می‌روند و نقش آن‌ها در بهینه‌سازی عملکرد مدارها غیرقابل انکار است.

تفاوت منابع تغذیه خطی با منابع تغذیه ی سوئیچینگ

در مقایسه با منبع تغذیه خطی که عمدتاً با استفاده از ترانسفورماتورها و با مصرف انرژی به شکل گرما عمل می‌کنند، منابع تغذیه سوئیچینگ از روشی متفاوت بهره می‌برند. منابع خطی به طور معمول جریان را به صورت خطی کنترل می‌کنند و بنابراین ورودی و خروجی آنها نسبتا ثابت است. اما منابع تغذیه سوئیچینگ با استفاده از تکنیک قطع و وصل، امکان کنترل جریان را فراهم می‌آورند و به کاربر این امکان را می‌دهند که با استفاده از مدولاسیون عرض پالس (PWM)، خروجی‌های متنوعی را با یک مدار ساده تولید کند. این روش کنترل به کاربر اجازه می‌دهد که خروجی را به دلخواه تنظیم کند، هرچند که این تغییرات محدودیت‌هایی نیز دارند.

بهینه‌سازی عملکرد در منبع تغذیه سوئیچینگ

در صورتی که با میکروکنترلرها آشنا باشید، حتماً نام PWM را شنیده‌اید. در منابع تغذیه سوئیچینگ نیز از همین تکنیک بهره گرفته می‌شود تا به بهینه‌سازی عملکرد و کنترل دقیق‌تر خروجی‌ها کمک کند. این قابلیت‌ها موجب شده‌اند که منابع تغذیه سوئیچینگ در کاربردهای مختلف الکترونیکی به انتخابی محبوب و کارآمد تبدیل شوند.

منبع تغذیه سوئیچینگ به طور کلی از منابع تغذیه خطی سبک‌تر و کوچک‌تر هستند. این ویژگی‌ها باعث می‌شود که آن‌ها گزینه‌ای مناسب برای دستگاه‌های الکترونیکی کوچک، ابزارهای قابل حمل و صنایعی که محصولات متحرک تولید می‌کنند، باشند. علاوه بر این، منابع تغذیه سوئیچینگ به طور قابل توجهی مصرف انرژی کمتری دارند.

اجزای منبع تغذیه سوئیچینگ

معمولاً یک منبع تغذیه سوئیچینگ از اجزایی نظیر سلف، فیلترهای مختلف برای کاهش نویز (از جمله فیلتر EMI) و خازن سوئیچ تشکیل شده است. همچنین، عناصر سوئیچ نظیر MOSFET، BJT یا IGBT در این نوع مدارها به کار می‌روند. کاربردهای متنوعی مانند تأمین انرژی برای کامپیوترها، مدارهای IC و تلویزیون‌ها از جمله مواردی است که در آن‌ها از منابع تغذیه سوئیچینگ استفاده می‌شود.

در مقایسه، منابع تغذیه خطی تنها قادر به تنظیم ولتاژ به روش کاهشی هستند. در حالی که منابع تغذیه سوئیچینگ این قابلیت را دارند که به صورت‌های مختلفی نظیر کاهنده (Buck)، افزاینده (Boost)، وارونگر (Buck-Boost)، کاهنده-افزاینده (Ćuk)، سپیک (SEPIC) و فلای بک (Flyback) طراحی و به کار گرفته شوند. این تنوع در طراحی به مهندسان این امکان را می‌دهد که منابع تغذیه بهینه‌تری متناسب با نیازهای خاص خود ایجاد کنند.

طراحی مدارات سوئیچینگ در دهه ۱۹۷۰ توسط مهندسان الکترونیک به عنوان یک رویکرد نوین در تأمین انرژی معرفی شد. در ابتدا، این سیستم‌ها با بازدهی پایین‌تری نسبت به منابع آنالوگ و باتری‌ها مواجه بودند، اما از نظر وزن و حجم، مزایای قابل توجهی داشتند و توان بالایی را ارائه می‌کردند. در طرح‌های اولیه، استفاده از ترانزیستورهای BJT به عنوان عناصر اصلی منجر به کاهش راندمان به حدود ۶۸ درصد می‌شد.

با پیشرفت‌های فناوری در عرصه الکترونیک و ظهور نیاز به قطعات سریع‌تر، رگولاتورها اهمیت بیشتری پیدا کردند و به عنوان منابع تأمین نیروی دستگاه‌ها و تجهیزات دیگر شناخته شدند. در حدود ۳۵ سال گذشته، با توجه به پیشرفت‌های انجام شده در زمینه منابع تغذیه، طراحی مدارات سوئیچینگ به طور جدی آغاز گردید. این مدارات به تدریج برای پاسخگویی به نیازهای متنوع توسعه یافتند و تأثیر بسزایی بر رشد صنعت الکترونیک گذاشتند.

رگولاتورهای طراحی شده در این مدارات دارای مزایای قابل توجهی نسبت به رگولاتورهای خطی هستند که در ادامه به بررسی این برتری‌ها پرداخته خواهد شد. به طور کلی، طراحی مدارات سوئیچینگ نه تنها کارایی بالاتری را فراهم می‌کند بلکه به بهینه‌سازی مصرف انرژی و کاهش حجم تجهیزات نیز کمک می‌کند.

رگولاتورهای سوئیچینگ به دلیل راندمان بالا، که می‌تواند بین ۶۸ تا ۹۰ درصد باشد، به گزینه‌ای جذاب در تأمین انرژی تبدیل شده‌اند. این نوع رگولاتورها به ترانزیستورهایی نیاز دارند که در نواحی اشباع عمل کنند، به همین دلیل انتخاب صحیح سیستم‌های خنک‌کننده و حرارت‌گیر برای آن‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. در این رگولاتورها، قدرت خروجی از یک ولتاژ DC که به شکل قطع و وصل تبدیل می‌شود، تأمین می‌گردد. این امر موجب می‌شود که با افزودن یک سیم‌پیچ، خروجی‌های دیگری نیز بدست آید که این کار از نظر هزینه و پیچیدگی نسبت به روش‌های دیگر بسیار ساده‌تر است.

افزایش فرکانس کاری به حدود ۵۰ تا ۶۰ کیلوهرتز موجب می‌شود که اجزای ذخیره‌سازی انرژی، از جمله خازن‌ها و سلف‌ها، به اندازه قابل توجهی کوچک‌تر شوند. به علاوه، رگولاتورهای سوئیچینگ در توان‌های بالا عملکرد بهتری دارند و امکان تنظیم ولتاژ ورودی به خروجی، به کاهش هزینه‌ها و کاهش تلفات انرژی کمک می‌کند و به همین دلیل از نظر انعطاف‌پذیری نیز مزایای قابل توجهی دارند.

طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ

با این حال، طراحی چنین منابعی پیچیده‌تر است و می‌تواند نویز قابل توجهی تولید کند که البته با استفاده از فیلترها و دیگر محافظ‌ها قابل کاهش است. زمان پاسخ‌دهی این رگولاتورها، که به زمان رسیدن ولتاژ خروجی به مقدار مطلوب اشاره دارد، به دلیل ماهیت کار آن‌ها نسبت به رگولاتورهای خطی بیشتر است. همچنین، وجود اجزای خارجی اضافی مانند خازن‌ها و سلف‌ها می‌تواند بر کارایی و هزینه نهایی تأثیر بگذارد.

با توجه به تمامی این موارد، می‌توان گفت که رگولاتورهای سوئیچینگ برای کاربردهایی با ولتاژ و توان بالا، مانند مدارهای تغذیه باتری‌های قابل حمل، بهینه‌تر هستند. در مقابل، برای تأمین ولتاژ ثابت و پایین، رگولاتورهای خطی گزینه‌ای اقتصادی‌تر و کارآمدتر به شمار می‌روند. به طور کلی، عملکرد رگولاتورهای خطی بر اساس تأمین جریان و ولتاژ مطلوب با استفاده از نیمه‌هادی‌های قدرت در حالت خطی است که در این حالت، توان قابل توجهی در این عناصر هدر می‌رود و این یکی از عوامل اصلی کاهش راندمان در این نوع دستگاه می باشد.

سخن آخر :

 بنابراین در یک کلام می توان گفت که طراحی مدارات سوئیچینگ به طور کلی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شود: Forward و Flyback. با وجود شباهت‌های ظاهری بین این دو نوع مدار، تفاوت‌های قابل توجهی نیز در عملکرد و ساختار آن‌ها وجود دارد. یکی از عوامل کلیدی که نوع مدار را تعیین می‌کند، نحوه عملکرد و موقعیت عنصر مغناطیسی در مدار است. عناصر اصلی هر یک از این سیستم‌ها شامل یک سوئیچ برای تولید سیگنال PWM است. در مدارهای پیشرفته‌تر، به جای القاگر، از ترانسفورماتور استفاده می‌شود. همچنین، سوئیچ‌های قدرت که معمولاً از نوع ترانزیستورهای قدرت هستند، نقش مهمی در کنترل جریان و ولتاژ دارند. علاوه بر این، خازن‌هایی برای ذخیره انرژی در خروجی و همچنین شبکه‌های حسگر و عملگر برای ایجاد بازخورد در سیستم‌ها به کار می‌روند. در مجموع، درک عملکرد این مدارات و چگونگی تعامل اجزای مختلف آن‌ها می‌تواند به بهینه‌سازی کارایی و عملکرد سیستم‌های الکترونیکی کمک کند. طراحی دقیق و مؤثر این مدارات نه تنها به بهبود عملکرد آن‌ها می‌انجامد، بلکه به توسعه فناوری‌های نوین در حوزه الکترونیک نیز کمک می‌کند. با سایت سلام صنعت همراه باشید

منبع:طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ