منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟

حدود 20 سال است كه سیستم های پر قدرت جای خود را حتی در مصارف خانگی هم باز كرده اند و این به دلیل معرفی سیستم های جدید برای تغذیه مدارات قدرت است.
این منابع تغذیه كاملاً خطی عمل می نمایند. این نوع منابع را منابع تغذیه سوئیچینگ می نامند. این اسم از نوع عملكرد این سیستم ها گرفته شده است. به این منابع تغذیه اختصاراً SMPS نیز می گویند. این حروف بر گرفته شده از نام لاتین Switched Mode Power Supplies است.
راندمان SMPS بصورت نوعی بین 80% الی 90% است كه 30% تا 40% آنها در نواحی خطی كار می كنند. خنك كننده های بزرگ كه منابع تغذیه رگوله قدیمی از آن ها استفاده می كردند، درSMPSها دیگر به چشم نمی خورند و این باعث شده كه از این منابع تغذیه بتوان در توان های خیلی بالا نیز استفاده كرد.
در فركانس های بالای كلیدزنی از یک ترانزیستور جهت كنترل سطح ولتاژ DC استفاده می شود. با بالا رفتن فركانس ترانزیستور، دیگر خطی عمل نمی كند و نویز مخابراتی شدیدی را با توان بالا تولید می نماید. به همین سبب در فركانس كلید زنی بالا از المان كم مصرف Power MOSFET استفاده می شود. اما با بالا رفتن قدرت، تلفات آن نیز زیاد می شود. المان جدیدی به بازار آمده كه تمامی مزایای دو قطعه فوق را در خود جمع آوری نموده است و دیگر معایب BJT و Power MOSFET را ندارد. این قطعه جدید IGBT نام دارد. در طی سالهای اخیر به دلیل ارزانی و مزایای این قطعه از IGBT استفاده زیادی شده است.
امروزه مداراتی كه طراحی می شوند، در رنج فركانسی MHZ و قدرتهای در حد MVA و با قیمت خیلی كمتر از انواع قدیمی خود می باشند.
فروشنده های اروپائی در سال 1990 میلادی تا حد 2 میلیارد دلار از فروش این SMPSها درآمد خالص كسب نمودند. 80% از SMPSهای فروخته شده در اروپا طراحی شدند و توسط كارخانه های اروپائی ساخت آن ها صورت پذیرفت. درآمد فوق العاده بالای فروش این SMPSها در سال 1990 باعث گردیدكه شاخه جدیدی در مهندسی برق ایجاد شود، این رشته مهندسی طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ نام گرفت.
یک مهندس طراح منابع تغذیه سوئیچینگ بایستی كه در كلیه شاخه های زیر تجربه و مهارت کافی كسب كند و همیشه اطلاعات بروز شده در موارد زیر داشته باشد:

1. طراحی مدارات سوئیچینگ الكترونیك قدرت.
2. طراحی قطعات مختلف الكترونیك قدرت.
3. فهم عمیقی از نظریه های كنترلی و كاربرد آنها در SMPSها داشته باشد.
4. اصول طراحی را با در نظر گرفتن سازگاری میدان های الكترومغناطیسی منابع تغذیه سوئیچینگ با محیط انجام دهد.
5. درك صحیح از دفع حرارت درونی (انتقال حرارت به محیط) و طراحی مدارات خنك كننده مؤثر با راندمان زیاد.

دراین مقاله نیز سعی بر این است كه طبق اصول نوین مهندسی طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ كلیه اطلاعات مورد نیاز در اختیار خواننده قرار گیرد.

تعاریف عمومی در SMPSها

هر سیستم طراحی شده به طور طبیعی وابسته به منبع تغذیه خود می باشد. یعنی اولین پارامتر در طراحی مدار نوع منبع تغذیه و مقادیر وابسته به آن است. یكی از مباحث مهم در طراحی SMPS ها، سنگین وزن بودن و گرانی آن است، كه كلیه این ها در یك منبع تغذیه از نوع SMPS به صورت دستگاه ارزان قیمت، سبك و كوچك تعریف خواهد شد.
وقتی كه طراح سیستم شروع طراحی می كند، اولین تعریفی را كه در نظر خود مجسم می كند، مقدار ولتاژ و جـریان ماكزیمم در SMPS است. بنابراین نسبت ولتاژ و جریان تعیین كننده انتخاب قطعات مورد نیاز برای طراحی است.

مقدار ولتاژ خروجی

عموماً در بیشتر مدارات منطقی ولتاژ 5v مورد نیاز می باشد، اما در بعضی موارد نیاز به 5v- هم می باشد. در كامپیوترها برای ایجاد گشتاور در موتورهای متنوع به كار رفته در درایوهای مختلف مانند موتورهای CPU FAN ,CD ROM, F.D.D , H.D.D و ... نیاز به ولتاژهای +12v ,-12v می باشد. در مصارف كنترل صنعتی جهت اعمال فرمان تحریك قطع و وصل در شیرهای برقی و رله های كنتاكتوری از طریق پورت های PLC ولتاژ اعمالی به سیستم های تحت كنترل دارای سطوح ولتاژی +24v ,-24v است. در اتومبیل های برقی، تركشن و HVDC به سطح ولتاژ بالاتری احتیاج است.

مقدار جریان

در هر خروجی می بایست ماكزیمم جریان مصرفی در حالت پایداری مشخص شود. هر سیستم الكتریكی در روی بدنه خود پلاكی دارد كه در آن تمام مقادیر نامی و مجاز مورد نیاز دستگاه از طرف كارخانه سازنده باتوجه به مشخصات طراحی و تست های متعددی كه بر روی دستگاه انجام شده است، مشخص می باشد. برای مثال در دیسك درایوها مقدار جریان راه اندازی و حالت پایداری مشخص می باشد و طراح منبع تغذیه بایستی حد مجاز جریان خروجی را بالاتر از جریان راه اندازی و حالت پایداری تعیین نماید. حتی در بعضی از مواقع سازنده دیاگرام هایی را همراه با دستگاه قرار می دهد كه كمك بیشتری به طراح می كند.

ولتاژ ورودی منبع 

ولتاژ ورودی می تواند از نوع AC یا DC و با رنج تغییرات مشخصی باشد. طراح حتماً باید به نوع ورودی و عملیاتی كه می باید روی آن انجام دهد تا خروجی مطلوبی بدست آورد را همواره در نظر بگیرد. معمولاً فرکانس، دامنه و شکل موج ولتاژ ورودی در طراحی خیلی مهم است. همچنین نوع شبکه ای که تغذیه ورودی را بر عهده دارد مهم است. معمولاً در محیط های صنعتی مانند کارخانجاتی که شبکه در شرایط سخت جهت تامین انرژی قوص الکتریکی و … کار می کند شکل موج ولتاژ و جریان ورودی غیر قابل پیش بینی است و باید با استفاده از سیستم های جبرانساز شکل موج های شبکه را تا حد قابل قبولی اصلاح کرد.

ایزولاسیون منبع تغذیه

در بسیاری از كاربردها ایزولاسیون الكتریكی بین ورودی ها و خروجی های مدارات احتیاج می باشد، وحتی در بسیاری از موارد ایزولاسیون بین خروجی دستگاه با ورودی دستگاه دیگر نیز مورد نیاز است و طراح ملزم به اندیشیدن تدابیری خاص جهت برآورده سازی این امر می باشد.
ایزولاسیون الكتریكی اغلب توسط ترانسفورماتور در منابع تغذیه ایجاد می شود كه استفاده از ترانسفورماتور باعث حجیم شدن منبع تغذیه می شود. در مصارفی كه نیاز به حجم كوچك می باشد، مانند ماهواره ها، كامپیوترها، شارژرهای باطری موبایل و تلفن و همچنین در منبع تغذیه مورد استفاده در پرینترها و دستگاه های كوچك كه اجبار در كوچك ساختن آنها می باشد نظیر دوربین های عكاسی دیجیتالی و دوربین های فیلم برداری و لوازم نظامی استراق سمع و جاسوسی و بمب ها و موشك های دوربرد ناچاراً باید از ایزولاسیون به وسیله ترانسفورماتور چشمپوشی كرد و به فكر چاره دیگری برای تحقق بخشیدن به این امر بود یا اینكه توسط مدارات فیدبك عمل تثبیت خروجی را در صورت وجود تغییر یا اغتشاش در ورودی را انجام داد تا از مدارات در مقابل صدمه دیدن و معیوب شدن حفاظت شود و یا اینكه بایست از ایزولاسیون تا حدودی یا کلاً صرف نظر نمود.

ریپل در خروجی

طبیعتاً مقداری نوسان در خروجی DC منابع تغذیه وجود دارد. به مقدار دامنه پیك تا پیك این نوسانات ریپل می گویند. هر خروجی كه دارای ریپل باشد، حتماً دارای تعدادی هارمونیك بغیر از فرکانس صفر هرتز است. به همین خاطر اغلب مقدار خروجی را به جای معرفی با مقدار DC آنرا با مقدارrmsنشان می دهند. هر چه مقدار نسبت ثابت ریپل به مقدار DC كوچكتر باشد بهتر است. این نسبتِ در صدی ریپل را می توان با استفاده از فیلتر پایین گذر متشكل از سلف و خازن و یا افزایش فركانس ورودی و كلیدزنی با سرعت زیاد تا حد قابل ملاحظه ای كاهش داد.

رگولاسیون یا ولتاژ خروجی منبع

ولتاژ خروجی در یك منبع تغذیه متأثر از عواملی می باشد كه این عوامل عبارتند از:
الف) تغییرات در ولتاژ ورودی.
ب ) تغییرات در جریان بار.
ج ) تغییرات در درجه حرارت محیط.
یك منبع تغذیه رگوله معمولاً دارای مدارات فیدبك برای جبران این تغییرات و اصلاح آن ها و محدود كردن این تغییرات در ناحیه قابل قبولی می باشد. این فیدبك ها ممكن است عمل رگولاسیون را به صور (1) رگولاسیون خط، (2) رگولاسیون بار، (3)رگولاسیون حرارتی، انجام دهد.

پاسخ حالت گذرایی

پاسخ به تغییرات ناگهانی و گذرای جریان بار یكی از پارامترهای مهم در هر منبع تغذیه ای است. در حالت بار كامل در صورتی كه جریان بطور وصل شدن ناگهانی كلید در بار جاری شود، حتی در صورتی كه بار متصل به ترمینال خروجی جریان كمی را از منبع تغذیه دریافت كند، ولتاژ خروجی ناگهان می افتد و از ولتاژ حالت بی باری كمتر می شود و سپس توسط رگولاسیون به یك حد پایدار خواهد رسید. از طرف دیگر در حالتی كه منبع تغذیه با بار كامل در حالت پایدار به سر می برد اگر ناگهان بار توسط كلید قطع شود، آنگاه ناگهان ولتاژ خروجی صعود می كند، و ازحالت قبلی خود فراتر می رود و سپس با چندین نوسان به حالت پایدار بدون بار خواهد رسید. در این حالت ممكن است كه قطعاتی كه در بلوكهای خروجی منبع تغذیه هستند این سطح تغییرات را تحمل نكنند و از بین بروند. در بعضی از موارد دربعضی از سیستمها ممكن است كه خروجی به حالت پایدار نرسد و نوسانی یاحتی ناپایدار شود. از آنجا كه در خروجی اغلب منابع تغذیه فیلتر های صافی برای كاهش ریپل ولتاژ و جریان می باشند كه این فیلترها دارای ظرفیتهای خازنی بزرگی هستند. با ناپایدار شدن ولتاژ امكان انفجار در خازن وجود دارد.
از سوی دیگر زمان بازیابی یا Recovery Time زمان لازم برای بازگشت به حالت پایدار طبیعی می باشد، كه بایستی تاحد ممكن این زمان كوچك باشد. پس باید توسط روش های رگولاسیون خاص ولتاژ خروجی را محدود كرد و سعی نمود كه در كمترین زمان ممكن و با كمترین نوسان و Over Shoot به حد پایداری خود برسد. زمان پاسخ گذرایی در منابع تغذیه و بخصوص در منابع تغذیه سوئیچینگ با روش های مختلفی كه سازندگان SMPS از آن استفاده می كنند نظیرحلقه های فیدبك و جبران ساز و قرار دادن فیلترهای مخصوص در طبقات مختلف منبع تغذیه كه در قسمت های بعدی به آن اشاره می شود، خیلی كوتاه خواهد شد.

بازدهی مطلوب منبع تغذیه

یك منبع تغذیه بدون بازدهی مطلوب دو خاصیت زیر را دارا می باشد:

1. انرژی محدود: از این قبیل منابع می توان به باطری اشاره كرد كه با مصرف مستمر انرژی اولیه خود را رفته رفته از دست می دهد و توان خروجی آن به سمت صفر میل می نماید.
2. حجم زیاد و نیاز داشتن به هیت سینك ها بزرگ: از این منابع تغذیه می توان منابع تغذیه با ترانسفورماتور را نام برد كه انرژی زیادی صرف خنك سازی و تلفات حرارتی آن می شود.

حفاظت

همه منابع تغذیه با روشهای خاصی در برابر شرایط ناخواسته محافظت می شوند كه حفاظت های مشترك بین كلیه منابع تغذیه عبارتند از:

1. حفاظت در برابر اضافه ولتاژ: از مهمترین حفاظت ها، محافظت بار و منبع تغذیه در مقابل اضافه ولتاژ است. ساده ترین نوع كنترل ولتاژ در چنین مواقعی خاموش شدن منبع تغذیه بصورت اتوماتیك است. این مدل از كنترل كننده ها در زمانهای ابتدائی حالت گذرا عمل می كند. عموماً ممكن است از یك میله تریستوری برای این منظور استفاده شود. در زمانی كه تریستور قابلیت روشن شدن را دارد، درصورتی كه سنسور قرار داده شده در خروجی احساس كند كه ولتاژ از حد مجاز بالاتر رفته است بلافاصله آتش شده و ورودی و خروجی منبع تغذیه را با هم قطع می كند. در روشهای دیگر با اتصال كوتاه كردن خروجی، یك جریان اتصال كوتاه از مدار می گذرد و محدود كننده های جریان در این زمان عمل كرده و با استمرار یافتن این عمل می توان خروجی منبع تغذیه را تا حد مجاز قابل قبولی كاهش داد و در برابر اضافه ولتاژ از سیستم ها محافظت كرد.
2. حفاظت در برابر اضافه جریان: بسیاری از منابع تغذیه دارای انواع مختلف محدود كننده های جریان هستند. بنابراین اگر جریان بار از سطح مجاز بالاتر رود، در نتیجه ولتاژ خروجی كاهش یافته و طبق قانون اهم جریان در سطح مجاز و قابل اطمینانی محدود می شود.
3. حفاظت در برابر اتصال كوتاه: روش حفاظت در مقابل اضافه جریان امكان محافظت در برابر اتصال كوتاه را می تواند فراهم نماید، ولی این شرط كافی برای حفاظت منبع تغذیه در برابر جریان اتصال كوتاه نمی باشد. چون اتصال كوتاه اغلب در حالت ماندگار اتفاق می افتد و به راحتی بر طرف نخواهد شذ. به همین خاطر با استمرار این شرایط و تلفات حرارتی زیاد امكان آتش سوزی زیاد است. برای جلوگیری از چنین اتفاق ناخوش آیندی باید از مدار شكن استفاده كرد تا بلافاصله مدار را خاموش كند. و تا وقتی كه اتصال كوتاه در ترمینالهای منبع تغذیه از بین نرفته است، امكان روشن كردن منبع تغذیه وجود نداشته باشد.
4. حفاظت در مقابل جریان تهاجمی: SMPSها عموماً دارای خازن های بزرگ جهت نرم كردن ولتاژ DC و جلوگیری ریپل ولتاژ در نزدیك ورودی هستند، كه باعث می شود جریان بزرگی در لحظه روشن كردن سوئیچ ها در مدار جاری گردد. بسیاری از SMPSها دارای محدود ساز جریان برای كاهش دادن جریان هجومی می باشند.

تداخل الكترومغناطیسی در منبع تغذیه

مسأله تداخل الكترومغناطیسی یا EMI در سیستم های خطی در طیف فركانسی كوچكتر از KHZ20 در منابع تغذیه سوئیچینگ قابل چشم پوشی می باشد. اما با بالا رفتن فركانس، هارمونیكهای با فركانس بیشتر از فركانس اصلی، ایجاد تداخل در باندهای رادیویی و مخابراتی می كنند. از آنجایی كه منابع تغذیه سوئیچینگ امروزه در توانهای بالا هم كاربرد های وسیع پیدا كرده اند، این گونه از منابع تغذیه سوئیچینگ به عنوان یك منبع تولید نویز شدید و قوی برای مدارات مخابراتی شناخته می شوند. بنابراین با فیلتر كردن ورودی و خروجی، میزان اثر تداخل الكترومغناطیسی را تا حد امكان باید كاهش داد.

زمان Hold Up:

این زمان در SMPSها خیلی مهم است و بایستی كه با ایجاد اشكال در خروجی بتوان بلافاصله ورودی منبع تغذیه را قطع كرد. این زمان عموماً بر طبق استاندارد، حدود یك یا دو سیكل با فركانس 50HZ یعنی زمانی بین 20 الی 40 میلی ثانیه می باشد.
رنج حرارتی:
یك نكته قابل توجه در مورد منابع تغذیه سوئیچینگ، خصوصاً منابع تغذیه سوئیچینگی كه در داخل محفظه نگاهداری می شوند، مسأله بالا رفتن سریع حرارت در داخل CASE یا محفظه است. این حرارت ممكن است كه حتی از دمای بیرون جعبه هم بیشتر باشد و قطعات منبع تغذیه از این حرارت خیلی تأثیر پذیر هستند. بنابراین باید رنج حرارتی كه بدلیل مصرف توان در داخل جعبه تغییر می كند را مدِ نظر قرار داد و با طراحی مناسب پایداری حرارتی را در منبع تغذیه سوئیچینگ بخوبی حفظ نمود.

ابعاد منبع تغذیه

حجم فیزیكی و پهنای یك منبع تغذیه طبق ضرایب خاصی محدود می شود. با دانستن مشخصات كاری منابع تغذیه سوئیچینگ می توان مقدار حجم یك منبع تغذیه سوئیچینگ را براحتی محاسبه كرد. عموماً SMPS هایی كه با فركانس كلیدزنی بالاتر از فركانس صوتی دارای حجم كوچكی هستند، چرا كه كلیدهایی كه در این رنج كار می كنند دارای تحمل توان كمی هستند. با توجه به مسأله EMI نمی توان سرعت كلیدزنی را خیلی افزایش داد. چون باعث تولید نویز مخابراتی مخربی خواهد شد. پس می توان نتیجه گرفت كه حجم و اندازه یك SMPS نسبت عكس با فركانس كلیدزنی و نسبت مستقیم با توان منبع تغذیه دارد.
 

انواع استانداردهای معتبر در SMPS ها

بسیاری از كشورهای سازنده منابع تغذیه سوئیچینگ دارای معیارهای تقریباً ثابت و مشابه در رابطه با SMPS ها می باشند. برای مثال در اروپا یكی ازسازندگان مهم آلمان كه خود یکی از مهمترین پایه گذاران SMPS است یعنی VerbakdDeutscherElectroniker (VDE) است كه بسیاری از تستهای بین المللی را دارا می باشد.
یكی از مسائل مهم منبع تغذیه تثبیت و كنترل روی اشكال متفاوت EMI است. كه استاندارد (VDE) معیارهایی برای حل این مشکل دارد. این معیارها نسبتاً با استانداردهای مشابه آمریكایی تطابق دارند.
تست های استاندارد قابل اطمینان معتبر دیگر در مورد منابع تغذیه سوئیچینگ موجود است كه عبارتند از Underwriters Laboratory (UL) كه این تست ها در ایالات متحده امریكا انجام می شود. استاندارد دیگری كه در كانادا بر روی منابع تغذیه سوئیچینگ اعمال می شود، Canadian Standard Association (CSA) است.
نكته قابل توجه در مورد (UL) و (CSA) این تست ها اغلب در مورد محصولات الكتریكی که در امریكا و كانادا بکار برده می شوند تصویب شده است، وحتماً این تست ها باید در مورد این اقلام انجام شود و در مورد محصولاتی كه به سایر نقاط جهان صادر می شوند انجام نمی شود.
استاندارد International Electro technical Commission (IEC)، استاندارد دیگری است كه حتماً یك منبع تغذیه سوئیچینگ باید از تست های آن سر بلند بیرون آمده باشد. به عنوان مثال IEC380 برای اعطاء مجوز به یك محصول که 3750v متناوب را بین ورودی و خروجی مدار اعمال می كند. باید مدارات اولیه و ثانویه فاصله 8mm و عایق بین فلزات و سایر اجزاء مدار با ضخامت 3mm را باید رعایت كرده باشند. این تست قویتر از انواع مشابه در استانداردهای آمریكایی است.

اقتصادی بودن

مهمترین مسأله برای تولید كننده و مصرف كننده هر كالایی بحث اقتصادی و مقرون بصرفه بودن آن است. یك طراح باید به قیمت تمام شده كالا توجه ویژه داشته باشد. طبیعتاً هر چه كارایی یك سیستم بالا رود قیمت آن هم گرانتر خواهد شد.
مصرف انرژی منابع تغذیه سوئیچینگ را توسط مدارات هوشمند میكروپروسسوری می توان تا حد ممكن كاهش داد. برنامه ای كه امروزه طراحان آن را پیش گرفته اند، تدوین قوانین خاص برای تحقق بخشیدن به این مهم است. از این قبیل قوانین می توان به برچسب ستاره انرژی امریكا service mark of the U.S. EPA اشاره كرد.
با خاموش كردن منابع تغذیه سوئیچینگ به صورت Stand by می تواند از تلفات انرژی ناشی از كلیدزنی و ... درمواقعی كه بار به ترمینال منبع تغذیه متصل نمی باشد، تا حد چشمگیری جلوگیری كرد و همچنین داغ شدن منبع تغذیه را در زمان بی باری كاهش داد.