اختصاصی از
فی موو دانلودمقاله منابع تغذیة سوئیچینگ و خطی دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .
انتخاب بین یک منبع تغذیة خطی یا سوییچینگ می¬تواند بر اساس کاربرد آنها انجام شود. هر یک مشخصات مزایا و معایب خاص خود را دارند همچنین حوزه¬های متعددی وجود دارد که تنها یکی از این دو نوع می¬تواند مورد استفاده قرار گیرند و یا کاربردهایی که یکی از بر دیگری برتری دارد.
مزایای منابع تغذیة خطی:
1- نخست سادگی (طرح مدار بسیار ساده است و با قطعات کمی به راحتی پایدار می¬شود).
2- دوم قابلیت تحمل بار زیاد نویز ناچیز یا کم در خروجی و زمان پاسخ دهی بسیار کوتاه
3- برای توان¬های کمتر از w10 ارزانتر از مدارهای مشابه سوییچینگ تمام می¬شود.
معایب منابع تغذیة خطی (معایب این گونه منابع به طور کلی قابل رفع نیستند ولی به کمک طراحی بهتر قابل کاهش می¬باشند).
1- نخست آنکه تنها به صورت یک رگولاتور کاهنده قابل کاربرد هستند (ورودی باید حداقل 2 یا 3 ولت بیشتر از خروجی باشد).
2- عدم انعطاف پذیری تغذیه، افزودن هر خروجی مستلزم اضافه کردن سخت افزار زیادی است.
3- بهرة متوسط چنین منابعی کم و نوعاً 30% تا 40% است. این تلفات توان درترانزیستور خروجی تولید حرارت می¬کند و نیاز به ترانزیستور قویتری را مطرح می¬کند، تا حدود w15 روشهای معمول مفید است ولی بیش از آن نیاز به سرمایش تحت فشار وجود دارد.
تمامی این معایب در تغذیه¬های سوییچینگ رفع شده است، که عبارتند از:
1- افزایش راندمان به حدود 68% تا 90% کارکرد ترانزیستور در نواحی قطع و اشباع به انتخاب حرارت گیر یا خنک کننده و ترانزیستور کوچکتر منجر شده است.
2- به دلیل اینکه قدرت خروجی از یک ولتاژ DC بریده شده که به شکل AC، در یک قطعة مغناطیسی ذخیره می¬شود، تأمین می¬گردد. لذا با اضافه کردن تنها یک سیم پیچ می¬توان خروجی دیگری را به دست آورد، که در مقام مقایسه بسیار ارزانتر و ساده تر تمام می¬شود.
به علاوه به دلیل افزایش فرکانس کاری به حدود 50 تا KHz60 اجزاء ذخیره کنندة انرژی می¬تواند خیلی کوچکتر انتخاب شوند.
3- برخلاف منابع خطی، در توان¬های بالا قابل استفاده هستند.
همة این موارد به کاهش هزینه و توان تلفاتی و افزایش بهره¬دهی و انعطاف پذیری منجر می¬شود. معایب این منابع ناچیز بوده، و به کمک طراحی بهینه قابل رفع می¬باشد.
اولاً طرح چنین منابعی اصولاً مشکل و پیچیده است.
دوماً نویز قابل ملاحظه¬ای از آنها به محیط انتشار می¬یابد و این اشکالی است که نباید در مرحلة طراحی نادیده گرفته شود. و با کمک فیلتر و محافظ به نحو چشمگیری کاهش می¬یابد.
سوماً به دلیل ماهیت کار این منابع که بر اساس برش یک ولتاژ DC استوار است، زمان رسیدن ولتاژ خروجی به مقدار مطلوب در مقایسه با منابع خطی زیاد است، این زمان اصطلاحاً زمان پاسخ ناپایدار نامیده می¬شود.
تمامی این موارد در جهت کاهش کارآمدی انعطاف پذیری و افزایش قیمت هستند ولی با طراحی بهتر قابل بهبود می¬باشند.
البته هر یک از این منابع حوزه¬های کاری خود را دارند، عموماً برای مدارهای با راندمان و ولتاژ بالا مثل مدارهای تغذیه شونده با باطری¬های قابل حمل تغذیة سوییچینگ برتری دارد، ولی برای ولتاژهای ثابت و کم منابع خطی ارزانتر و ارجح هستند.
کارکرد منبع تغذیة سوییچینگ
اگر یک رگولاتر سوییچینگ (منابع تغذیة سوییچینگ گاهی رگولاتور سوییچینگ هم نامیده می-شوند) به عنوان یک جعبه سیاه در نظر گرفته شود در این صورت با یک منبع خطی تفاوتی ندارد.
ولی رگولاتور خطی بر اساس تأمین جریان و ولتاژ مطلوب در خروجی به وسیله یک نیمه¬هادی باید تلف شود که بعضاً زیاد هم هست و مهمترین عامل پایین بودن راندمان می¬باشد.
دلیل این امر هم کارکرد ترانزیستور در حالت خطی است یعنی جایی که ولتاژ دوسر سوییچ و جریان عبوری آن هر دو زیاد است.
در حالی که در یک منبع از نوع سوییچنیگ تغییر سطح ولتاژ خروجی از طریق تغییر در نسبت روشن به خاموش یا اصطلاحاً زمان کارکرد تراتزیستور خروجی انجام می¬گیرد. به دلیل کارکرد تراتزیستور در حالت خاموش و روشن تلفات در نیمه¬هادی در مقایسه با حالت خطی خیلی کم است.
دلیل نامگذاری این منابع به نامهای خطی و سوییچینگ هم همین حالات کارکرد عنصر نیمه هادی است.
منابع تغذیه سوییچینگ به دو نوع کلی قابل تقسیم بندی هستند:
فوروارد forward
فلای بک flyback
با وجود شباهتهای فراوان تفاوتهای متمایز کننده¬ای هم وجود دارد. نحوة عملکرد و چگونگی قرارگیری عنصر مغناطیسی تعیین کنندة نوع مدار است.
عناصر اصلی هر یک از انواع این منابع عبارتند از:
• یک منبع سوییچ جهت تهیهة موج PWM
• القاگر (در مورد منابع پیشرفته تر القاگر جای خود را به ترانس می¬دهد).
• سوییچ قدرت
• یکسو کننده
• خازن ذخیره کنندة انرژی در خروجی
• شبکه¬های حس کننده و عمل کنندة باز خورد
1-2: رگولاتور سوییچینگ حالت فوروارد
آرایش کلی منابع نوع فوروارد مطابق مدار شکل زیر است.
سوییچ قدرت امکان دارد یک ترانزیستور قدرت یا یک MOSFET باشد. همچنین امکان وجود یک ترانسفورمر به جای القاگر به منظور تغییر سطح ولتاژ و ایجاد ایزولاسیون وجود دارد. (اولیة این ترانس جای القاگر را می¬گیرد و ثانویه آن بار و فیلتر خروجی را تغذیه می¬کند).
القاگر یک عنصر ذخیره کنندة انرژی است. و عملکرد مدار خیلی شبیه پیستون و چرخ طیار می¬باشد.
همان طوری که هنگامی که پیستون انرژی ندارد انرژی از سوی چرخ طیار تأمین می¬شود و در چرخه بعدی پیستون به مجموعه چرخ طیار انرژی می¬دهد؛ هنگامی که سوییچ باز است با چرخش جریان از طریق دیود انرژی از سوی القاگر تأمین می¬شود و در چرخه بعدی با بسته شدن سوییچ القاگر مجدداً توسط منبع Vin انرژی دار می¬شود.
هر دوره کاری از مدار فوق به دو بخش قابل تقسیم است. T1 هنگامی که سوییچ بسته است جریان از منبع و القاگر عبور کرده و در اختیار فیلتر و بار قرار می¬گیرد در این حالت دیود خاموش است سپس t2 سوییچ باز می¬شود در این هنگام جریان القاگر، فیلتر و بار از طریق دیود تأمین می¬گردد. و کار بدون تغییر در سطح ولتاژ خروجی ادامه می¬یابد. DC سوییچ، متوسط ولتاژ خروجی را کنترل می¬کند (عملاً 5% تا 95%).
(رابطة 1-2)
چنین منابعی ولتاژی با پلاریتة مخالف یا بزرگتر از ولتاژ ورودی نمی¬توانند تولید کنند.
2-2: رگولاتور سوییچینگ حالت فلای بک
مدارهای فلای بک از آرایش کلی در شکل 2-2 پیروی می¬کنند.
(رابطة 2-2)
با روشن شدن سوییچ قدرت القاگر از طریق منبع پرانرژی می¬گردد با خاموش شدن آن جریان بار از طریق دیود القاگر و تغذیه ادامه می¬یابد تحت حداقل ولتاژ کاری D.C به 50% می¬رسد و Tflbk برابر کل دوره کاری منهای Ton می¬شود.
علی رغم شباهتهای فراوان حالات فلای بک و فوروارد تفاوت عمدة این دو در هنگام خاموشی سوییچ قدرت است در این زمان:
در مدار فوروارد تغذیة بار از راه القاگر و دیود ادامه یابد در حالی که در مدار فلای بک این کار از راه تغذیه القاگر و دیود انجام می¬شود.
منبع تغذیه
سوییچینگ نمونه
طرح زیر طرح کلی یک منبع تغذیة سوییچینگ نمونه را به همراه شکل موجهای آن نشان می¬دهند.
توضیح مختصری دربارة هر قسمت داده شده است،
1-3: فیلتر EMI
این بخش از دو عنصر القاگر L1 و خازن C1 که یک فیلتر را می¬سازند تشکیل شده است.
دو وظیفة عمدة این بخش عبارتند از:
* ممانعت از تشعشع رادیویی در فرکانس کاری و تزریق نویز حاصل از سوییچینگ به خط تغذیه اصلی Vin.
* و دیگری جلوگیری از ورود اسپایک های موجود در تغذیه Vin به مدار.
فرکانس قطع این فیلتر نباید از 2 تا 3 برابر فرکانس کار تغذیه بیشتر باشد.
2-3: خازن انباره فیلتر ورودی
این یک خازن بزرگ است که وظیفة ذخیرة انرژی را بر عهده دارد و حداقل مرکب از دو خازن است. یک خاز الکترولیت یا تانتالیوم برای مؤلفه¬های جریان در فرکانس تغذیه سوییچینگ و یک خازن سرامیک برای مؤلفه¬های هارمونیک فرکانسی سوییچینگ.
به این دلیل که مسیرهای سیم کشی یا مدار چاپی امکان دارد طولانی باشند و امپدانس زیادی را از خود نشان دهند (هنگام عبور مؤلفه¬های بالای جریان) برای حفظ پایداری مدار و تأمین مؤلفه¬های جریان فوق الذکر وجود این دو خازن ضروری است.
مقدار این دو خازن باید به گونه¬ای باشد که در فرکانس 3 برابر فرکانس تغذیه، امپدانس ناچیزی را از خود نشان دهند.
3-3: ترانسفورمر
این قسمت علاوه بر ایزولاسیون DC وظیفة تغییر سطح ولتاژ را هم بر عهده دارد.
تغییر در سطح ولتاژ با تغییر نسبی تعداد دور اولیه و ثانویه انجام می¬شود ولی اگر طرح ترانس درست نباشد پایداری مدار و ضرایب اطمینان نیمه¬های متأثر می¬شود.
4-3: سوییچ قدرت
معمولاً ترانزیستورهای قدرت یا MOSFET استفاده می¬شود، که در دو حالت کاملاً روشن یا خاموش کار می¬کنند کنترل سطح ولتاژ خروجی از طریق تغییر زمان روشن و خاموش اینها انجام می¬گیرد.
آسیب پذیرترین قسمت مدار اینجاست و اگر هر قسمت دیگری عمل نکند اولین جایی که آسیب می¬بیند این قسمت خواهد بود.
5-3: یکسوکنندة خروجی
وظیفة یکسوسازی ولتاژ خروجی را بر عهده دارد در مواردی که بعداً بررسی می¬شود باید از دیودهای سریع و حتی خیلی سریع استفاده شود.
6-3: بخش فیلتر خروجی
وظیفة ذخیرة انرژی در زمان وشنی و ارائه آن را به بار در زمان خاموشی ترانزیستور بر عهده دارد و مانند چرخ طیار انرژی را در زمان on (روشن) تحویل گرفته و در هنگام off (خاموش) به بار تحویل می¬دهد. تقریباً 50% انرژی بیشتر از مقدار مورد نیاز بار در سلف و خازن ذخیره می¬شود.
7-3: عنصر حسن کنندة جریان
روشی که در اینجا نشان داده شده است تنها یک راه حس جریان است، هدف تولید یک ولتاژ متناسب با جریان خروجی است سپس این ولتاژ تقویت شده و جهت کنترل جریان به هر روشی به کار می¬رود.
8-3: عنصر بازخورد ولتاژ
از طریق یک شبکه تقسیم مقاومتی کسری از ولتاژ خروجی به تقویت کنندة خطا جهت مقایسه با یک ولتاژ مبنا برده می¬شود. روش حس ولتاژ خروجی به این راه محدود نمی¬شود، این راه حلی معمولی است.
9-3: بخش کنترل
وظایف اصلی این قسمت حول تولید پالس¬های PWM دریافت و اعمال بازخوردهای ولتاژ و جریان و راه اندازی نرم (بعضی از پارامترهای مهم در منابع تغذیة سوییچینگ بر مبنای Vout نامی طرح
از طریق یک شبکه تقسیم مقاومتی کسری از ولتاژ خروجی به تقویت کنندة خطا جهت مقایسه با یک ولتاژ مبنا برده می¬شود. روش حس ولتاژ خروجی به این راه محدود نمی¬شود، این راه حلی معمولی است.
9-3: بخش کنترل
وظایف اصلی این قسمت حول تولید پالس¬های PVM دریافت و اعمال بازخوردهای ولتاژ و جریان و راه¬اندازی نرم (بعضی از پارامترهای مهم در منابع تغذیة سوییچینگ بر مبنای Vout نامی طرح می¬شوند و هنگامی که Vout کم است امکان آسیب رسیدن به بخشهایی از مدار هست عبور از مرحلة گذرا و نیل به حالت پایدار بدون آسیب دیدن هیچ قسمتی را راه اندازی نرم می¬نامند). متمرکز شده است و از بخشهای:
مولد موج، مقایسه گر با پالس¬های ramp، تقویت کننده¬های خطا و مرجع ولتاژ ... تشکیل یافته است.)
1-4: عوامل مؤثر در طرحی یک منبع تغذیه
جهت انتخاب یک آرایش مناسب نیاز به شناخت آرایشهای مختلف، قابلیتها و محدودیتهای آنها وجود دارد. پنج عامل متمایز کننده آرایشها به قرار زیر هستند:
1- حداکثر جریان اولیه که تعیین کنندة حد تحمل نیمه¬هادی قدرت است.
2- مقدار ولتاژی که باید روی اولیه ترانس بیفتد (یا ولتاژ ورودی).
3- بخشی از منحنی مغناطیسی B.H (مربوط به هسته¬ای که انرژی را به شکل مغناطیسی در خود ذخیره می¬کند) که این نشان دهندة آن است که کدام آرایش ترانسفورماتور کوچکتری را برای یک توان مشخص دارد.
4- ایزولاسیون ورودی از بار که ایزولاسیون DC خروجی را از ورودی تأمین می¬کند، و این اجازه را به طراح می¬دهد که خروجیهای متعددی را به راحتی اضافه کند. همچنین برحسب تقاضا می¬تواند جهت برآوردن نیازهای ایمنی به کار رود (این نیازمندیها توسط شرایط متقاضی تحمیل می¬شوند).
5- قیمت و قابلیت اطمینان، طراح همواره به دنبال طراحی با حداقل قطعه و هزینه بدون تأثیرگذاری سوء در عملکرد و یا بروز حالات ناخواسته است.
در آغاز مرحلة با توجه به یک سری فرضیات به طور تقریبی به سؤالات زیر باید پاسخ داد. بدین ترتیب در زمان و هزینة طرح و ساخت صرفه جویی ملاحظه¬ای می¬شود.
1- انتخاب اولیة نیمه¬هادی قدرت
2- انتخاب اولیة بهترین آرایش ممکن
3- پیش بینی تقریبی تلفات در قطعه
کاربرد نیمه هادی های قدرت در منابع تغذیة سوییچینگ
کشف و ترویج نیمه هادی قدرت در دهة 1930 نقطه عطفی در طرح منابع سوییچینگ به شمار می¬آید نیمه هادی¬ها مزایای فراوانی را در زمینه¬های سرعت اندازه وزن و راحتی استفاده .... به طراح می¬دهند. علی رغم پیشرفت تکنولوژی نیمه هادی¬ها هنوز هم این بخش آسیب پذیرترین جزء در طرح تغذیة سوییچینگ می¬باشد. و لذا برای یک طرح خوب نه تنها نیاز به دانستن اطلاعات خوب و کافی از قطعات ضروری است بلکه شناخت نقاط ضعف نیز ضرورت دارد.
کاربرد نیمه¬هادی¬ها نقش بسیار بزرگی در قابلیت تحمل مدارات تغذیة سوییچینگ بر عهده دارد.
1-5: ترانزیستور قدرت دو قطبی BJT
این ترانزیستورها از زمان ظهور نیمه هادی در منابع تغذیة سوییچینگ به کار گرفته شدند. و هنوز هم طیف وسیعی از کاربرد را دارند پیش از ساخت بهبود و استفاده از MOSFET های قدرت، اینها اجزای هدایت شونده با جریان هستند یعنی اینکه نیاز به هدایت جریان در بیس آنها برای جاری ساختن جریان از کلکتور به امیتر وجود دارد.
در ناحیة خطی کار ترانزیستور رابطة:
(1-5)
برقرار است. در حالت سوییچینگ ترانزیستور در حالت اشباع یا نزدیک به آن کار می¬کند و رابطة فوق به این صورت در می¬آید:
(2-5)
(یا Bsat کمتر از B ناحیة خطی است). بدین معنی که برای به اشباع بردن و ماندن در آن نیاز به جریان بیشتری برای بیس وجود دارد (برای VCE حداقل و تلفات کمتر). لذا طراح باید بدترین حالت یعنی Bmin حداقل و حداکثر جریان کلکتور را در نظر بگیرد.
عوامل مؤثر در این جریان: امپدانس مؤثر دیده شده از سوی کلکتور، ولتاژ ورودی حداکثر دوره هدایت و بار این روش معمولی هدایت بیس تحت نام بایاس ثابت می¬باشد. جریان نسبتاً زیاد بیس می¬تواند برای طراح مسئله ساز باشد (مشخصاً برای جایی که می¬خواهد جریان را تأمین کند).
اگر از خط ورودی اخذ شود تلفات (VinIb) می¬تواند کاملاً زیاد باشد. اگر قرار باشد بیس توسط ولتاژ ورودی بالا هدایت شود در ازای تلفات هدایت بیسV b.ib) باید مقادیر متنابهی توان هم جهت رساندن این توان به بیس صرف گردد (VinIb).
در صورتی که از کوپلاژ ترانسفور مری استفاده شود تلفات مذکور کاهش قابل ملاحظه¬ای پیدا می-کند، اشکال این کار افزایش زیاد زمان خاموش سازی ترانزیستور در رابطه با درجة فرو رفتن در حالت هدایت فوق العاده است. راه¬حل استفاده از روش هدایت نسبی بیس می¬باشد (شکل 1-5) در یک طرح غیر بهینه تلفات بیس تا 40% کل تلفات می¬تواند افزایش یابد.
طرح دیگر هدایت نسبی بیس است، به به کاربردن یک ترانزیستور هدایت کنندة جریان کلکتور به داخل بیس جریان کافی برای در اشباع نگاه داشتن بیس تأمین می¬شود. و به خاطر اینکه این جریان از یک سیم پیچ ولتاژ پایین تأمین می¬شود تلفات و زمانهای گذرا کوتاه است.
ترانزیستورهای دو قطبی خیلی کندتر از MOSFET هستند به علاوه خیلی تحت تأثیر روش هدایت بیس قرار دارند (شکل 2-5).
در روش هدایت بیس با ولتاژ ثابت سرعت سوییچ در محدودة nsec10 تاsec 5/1 است. سرعت سوییچ اثر مستقیمی در تلفات سوییچ دارد و این تلفات رابطة مستقیمی با فرکانس کاری مدار دارد.
2-5: MOSFETهای قدرت
MOSFETهای قدرت به عنوان سوییچ های سریع شناخته شده¬اند. تکنولوژی MOSFET های قدرت امروزه خیلی توسعه یافته است و تقریباً بیش از ده بار سریعتر از سوییچ¬های BIT هستند (تحت شرایط کاری یکسان).
به علاوه ولتاژ اشباع در مقایسه با ترانزیستورهای دو قطبی خیلی کمتر است که همة اینها MOSFETهای قدرت را برای اغلب کاربردها بهترین انتخاب کرده است.
MOSFETهای قدرت اجزاء هدایت شونده با ولتاژ گیت هستند و جریان متوسط خیلی کمتری در مقایسة با BJTها نیاز دارند برای اغلب MOSFETها ولتاژ هدایت گیت باید برای اشباع درین به سورس به V10 برسد (که این خود در مقایسه با VBE مربوط به BJTها که v7 است یک مزیت محسوب می¬شود از این جهت که نیاز به کاهش ولتاژ و تلفات ناخواسته نمی¬باشد)
گیت یک MOSFET مانند خازنی با ظرفیت 900 تا PF 2000 رفتار می¬کند در حالت DC جریان چند نانوآمپر برای کار و اشباع کافی است ولی در حالت عملکرد AC جریان به طرز قابل ملاحظه¬ای افزایش می¬یابد و این بدان معناست که مدار راه انداز باید امپدانس خیلی کوچکی داشته باشد. به مانند درایور totem pole شکل 5-5 درایو فوق باید توان ارائه پیک¬های بزرگ جریان را داشته باشد.
یک راه انداز خوب برای 30 تا ns50 به راحتی کار می¬کند در بعضی موارد شاید نیاز به کاهش سرعت سوییچ باشد این کار با افزودن یک مقاومت سری به گیت انجام می¬شود.
که این کار توانایی کنترل بهتری را به طراح می¬دهد. توصیه نمی¬شود که دوره کار طولانی تر از 1 انتخاب شود (به دلیل بروز تلفات بیش از حد و مشکل حرارتی).
ساختار فیزیکی MOSFETها آنها را برای مقاصد سوییچینگ ایده آل کرده است نخستین آسودگی خاطر طراح آن است که آنها با مشکل شکست ثانویه و ازدحام جریان روبرو نیستند ولی تلفات سوییچینگ کماکان قطعه را گرم می¬کند.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 32 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود با لینک مستقیم
دانلودمقاله منابع تغذیة سوئیچینگ و خطی 
