switching power supply

منبع تغذیه سوییچینگ و قسمت های مختلف آن

آشنایی با منبع تغذیه سوییچینگ و قسمت های مختلف آن

نمونه منبع تغذیه سوئیچینگ

منبع تغذیه سوئیچینگ

امروزه در اکثر وسایل الکترونیکی از جمله وسایل صوتی و تصویری، پاور کامپیوتر، انواع شارژرها، اینورترها و… ازکلیدزنی و مدارات سوییچینگ برای تبدیل ولتاژ و جریان استفاده می شود. زیرا نسبت به منبع های تغذیه خطی که با ترانسفورمرهای بزرگ عمل تبدیل ولتاژ و جریان را انجام می دهند وزن کمتری دارند، حجم کمتری را اشغال می کنند، نسبتا ارزان قیمت تر هستند و مهم تر از همه این که بازده بالاتری دارند. همچنین می توان رنج ولتاژ ورودی گسترده تری را به آن ها اعمال نمود و با این وجود خروجی آن ها بدون استفاده از رگولاتورهایی با اتلاف انرژی زیاد کاملا تثبیت شده است.

یک منبع خطی با تلف کردن توان، خروجی را رگوله یا یکسو میکند ولی در روش سوئیچینگ با تغییر میزان دوره سیکل سوئیچ، ولتاژ و جریان خروجی کنترل میشود. با یک طراحی خوب در روش سوئیچینگ میتوان به حدود ۹۰درصد بازدهی دست یافت . شارژرهای موبایل مثال خوبی برای منابع تغذیه سوییچینگ هستند. شارژرهای استاندارد را معمولا می توانید با ولتاژی در حدود ۱۰۰ تا ۲۵۰ ولت راه اندازی کنید و در هر حال خروجی آن ها بدون استفاده از رگولاتور و با تلفات بسیار ناچیز و تحت هر شرایطی ۴٫۹ ولت ثابت است . همین ویژگی ها باعث شده که منابع تغذیه سوییچینگ جایگزین های بسیار مناسب تری برای منابع تغذیه خطی و ترانسفورمرهای حجیم باشند. البته باید گفت که در منبع های تغذیه سوییچینگ نیز از ترانسفورمر یا چوک استفاده می شود اما بسیار کوچکتر هستند و جنس هسته آن ها از آهن فشرده (فریت) است.


در تصاویر زیر ، نمونه هایی از ترانسفورمرها و چوک های مورداستفاده درمدارهای سوییچینگ را مشاهده می کنید:

نمونه ترانسفورماتور ها و چوک ها

SMPS_transformers

ترانسفورمرهای بزرگ معمولی تنها در فرکانس های پایین مثل فرکانس برق شهری (حدود ۵۰ تا ۶۰ هرتز) عمل می کنند ، اما نمونه های کوچکی که دارای هسته فریت هستند و در مدارات سوییچینگ مورد استفاده قرار می گیرند، برای کار در فرکانس های بالا مناسب اند. در طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ اگر ورودی اصلی جریان متناوب باشد، ابتدا جریان را از یک طبقه یکسوکننده (با استفاده از دیودهای مناسب) عبور داده و یک ولتاژ مستقیم رگوله نشده ایجاد می کنیم و این ولتاژ مستقیم به خازن های فیلترینگ بزرگ متصل می گردد. البته در یک منبع تغذیه با ورودی جریان مستقیم، به مرحله یکسو کننده احتیاجی نیست.

سپس در مرحله ی بعد مقدار ولتاژ مستقیم تولید شده در مرحله قبل ، دوباره به ولتاژ متناوب با فرکانس بیش از ۲۰ کیلوهرتز (خارج از محدوده شنوایی) تبدیل میشود. در این جا معمولا برای ایجاد این فرکانس ، از کلیدزنی ترانزیستوری استفاده می شود که بین وضعیت قطع و اشباع در نوسان است که این خود سبب کاهش تلفات ترانزیستور می گردد. ماسفت ها این کار را بهتر انجام می دهند و در نتیجه استفاده از آن ها برای قسمت کلیدزنی بسیار مناسب تر است. در مرحله بعد ترانس با تعداد دورهای پیچشی کم قرار دارد که جریان متناوب ایجاد شده توسط مدار کلیدزنی وارد آن می شود.

به دلیل فرکانس بالا، دور سیم پیچ ترانس کم میشود و بسته به نیاز ترانس افزایش یا کاهش می یابد. در مرحله نهایی هم یک طبقه یکسوکننده و فیلتر وجود دارد که وظیفه ی آن ساختن خروجی ولتاژ مستقیم در محدوده معین و مشخصات مناسب است. در این مرحله، باید از دیودهای پرسرعت برای یکسوسازی جریان خروجی استفاده کرد و در ولتاژهای پایین می توان دیود شاتکی را جایگزین آن کرد. سپس جریان یکسو شده، توسط یک خازن و سیم پیچ مناسب دکوپلاژ و فیلتر می شود. بنابراین اگر بخواهیم یک منبع تغذیه سوییچینگ برای تبدیل برق شهری به ولتاژهای پایین تر طراحی کنیم ، باید طبق الگوی زیر عمل نماییم :

بلوک دیاگرام منبع تغذیه سوئیچینگ

بلوک دیاگرام منبع تغذیه سوئیچینگ

در ادامه به صورت مختصر و با زبان ساده، اجزاء داخلی منبع تغذیه سوئیچینگ شرح داده شده است. بدیهی است که این ساختار عمومی نیست، اما در بیشتر منابع تغذیه استاندارد کنونی استفاده می شود:

EMI Filter

این بخش از عناصر سلف و خازن تشکیل شده و وظیفه ی آن ممانعت از خروج فرکانس های اضافی (درمحدوده کاری نویز حاصل از مدار سوئیچینگ) منبع تغذیه به بیرون است و همچنین از ورود فرکانس های اضافی که ممکن است حاصل از دوران موتور های الکتریکی و سیستمهای مولد حرارت و غیره باشند نیز به داخل منبع تغذیه جلوگیری می کند.

Input Capacitor

این قسمت از دو خازن الکترولیت با ظرفیت متناسب توان منبع تغذیه تشکیل شده و وظیفه آن کنترل سطح ولتاژ ورودی در هنگام کارکرد و همچنین ذخیره انرژی مورد نیاز مدار سوئیچینگ به هنگام وقفه های کوتاه انرژی میباشد.

Power Switching

این بخش معمولاً از دو ترانزیستور قدرت (ماسفت) تشکیل شده و وظیفه ی آن کنترل سطح ولتاژ خروجی از طریق زمان روشن و خاموش شدن (سوئیچ) است.

Transformer

این بخش بنا به نوع طراحی، از دو تا سه ترانس (سوئیچینگ تی.آر، درایو تی.آر و غیره) تشکیل شده که علاوه بر ایزولاسیون ولتاژ مستقیم، وظیفه تغییر سطح ولتاژ را بر عهده دارند. طراحی این قسمت بسیار حساس است، زیرا اگر تعداد دور های اولیه و ثانویه متناسب با طراحی مدار Pulse Width Modular نباشد، پایداری مدار و ضریب اطمینان نیمه هادی و در نهایت کارکرد منبع تغذیه با مشکل اساسی مواجه خواهد شد.

  Output Diodes

این قسمت از دیودهای شاتکی یا دیودهای پرسرعت و دیودهای زنر تشکیل شده و وظیفه آن یکسو سازی ولتاژ خروجی در حالات عادی و قطع کامل جریان خروجی در حالات خاص میباشد.

Heat Sink

این قسمت از آلیاژهای مختلف آلومینیوم و مس ساخته می شود و به واسطه تعبیه شیارهایی برروی آن جهت عبور جریان هوا، وظیفه انتقال دما از ترانزیستورهای سوئیچینگ و همچنین دیودهای شاتکی و پرسرعت (اگر از نوع پرقدرت باشند) به محیط اطراف را بر عهده دارد.

Output Filter

این قسمت از چند خازن الکترولیت و سلف های چند لایه تشکیل شده است که وظیفه ذخیره انرژی در زمان روشن و ارائه آن در زمان خاموشی ترانزیستور را بر عهده دارد.

FAN

انتقال حرارت در منابع تغذیه بسیار مهم و حیاتی بوده و رابطه مستقیمی با راندمان و طول عمر ان دارد. تهویه بهتر هوای گرم ازمحیط داخلی منبع تغذیه به فضای بیرون، کارکرد بهتر و عملکرد درازمدت تر منبع تغذیه را در پی دارد . تعبیه یک Fan مناسب بر روی محفظه منبع تغذیه و مقابل هیت سینک ها(مثل پاور کامپیوتر) می تواند این هدف را به خوبی برآورده سازد.

PCB

برد اصلی منبع تغذیه می باشد که کلیه قطعات بر روی آن نصب میشوند. رعایت استانداردهای مختلف درساخت برد، از جمله تحمل حرارت بالا و چینش قطعات در جای مناسب و عدم استفاده از مواد خطرناک برای محیط زیست، باعث افزایش ضریب ایمنی کاربر میگردد.

IC Controller

این قسمت پیچیده ترین بخش مدار Pulse Width Modular می باشد و درسال های اخیر تغییرات چشمگیری در طراحی آن به وجود آمده است. آی سی های جدید چند نوع وظیفه مختلف بر عهده دارند و کارکرد منابع تغذیه جدید را بهتر کرده اند. در زیر بطور خلاصه به وظایف آی سی هایی که در بعضی از پاورهای جدید به کار رفته اشاره می کنیم :

کنترل خروجی، که با تولیدپالس های ویدث ماجولار، فرآیند تغییر پهنای یک رشته پالس بر اساس تغییرات سیگنال های دیگر و اعمال بازخورد ولتاژ و جریان و راه اندازی نرم در کلیه خروجی ها را بر عهده دارد.
مونیتورینگ، که ازطریق یک شبکه تقسیم مقاومتی، کسری از ولتاژ خروجی به آی سی جهت مقایسه با یک ولتاژ مبنا، منتقل میشود و در صورت بروز هرگونه تغییر در خروجی ، دستور وقفه از طریق آی سی صادر میشود.
نوسان ساز، که در فرکانس پایه کار میکند و موج مثلثی جهت استفاده در پالس ویدث ماجولار را تولید میکند .
راه اندازخروجی، که توان کافی را جهت بکارگیری در بارهای کم ومیانه،تولیدمیکند .
ولتاژ مبنا، که ولتاژ پایه را جهت مقایسه خروجیها و همچنین یک ولتاژ پایدار برای سایر بخشها تولید میکند .
مبدل خطا، که عرض پالس ولتاژ خروجی را متناسب با سطح ولتاژ، تنظیم مینماید .
پاور فکتور کورکشن، که وظیفه آن تصحیح هارمونیک های فرکانس خروجی و هدایت و کنترل آنها به مدار پالس ویدث ماجولار است .

با توجه به نیاز روزافزون به منبع های تغذیه سوییچینگ ، شرکتهای مختلف به تولید آی سی هایی روی آورده اند که کارهای مختلف یک مدار سوئیچینگ را (از جمله ماسفت قدرت، محدود کننده جریان، فیدبک ولتاژ خروجی و…) به صورت مجتمع و یکجا انجام داده و بدین صورت از تعداد قطعات مدار کاسته شده و طراحی آن نیز ساده تر گردد. یکی از این شرکت ها کمپانی امریکایی Power Integrations می باشد که تنوع محصولات آن زیاد بوده و البته خوشبختانه تعدادی از آنها در بازار ایران هم پیدا می شوند. آی سی های این شرکت به خانواده های مختلفی تقسیم می شوند که هر خانواده برای استفاده در یک توپولوژی خاص طراحی شده است. برخی از این خانواده ها عبارتند از:

LinkZero – LinkSwitch – TinySwitch – TOPSwitch – PeakSwitch – DPA-Switch

خود این خانواده ها بسته به توان خروجی مدار ممکن است دارای یک یا چند زیر گروه باشند . به عنوان مثال به معرفی کاربرد چند سری از این آی سی ها می پردازیم:
• اگر توان خروجی ۳٫۵ تا ۱۵ وات بوده (با ورودی یونیورسال) و یا ۵ تا ۲۳ وات (با ورودی ۲۳۰ ولت) باشد، می توان از هر یک از خانواده های LinkSwitch-CV یاTinySwitch-II استفاده نمود.
• اگر توان خروجی ۱۸ تا ۲۴ وات باشد(با ورودی یونیورسال یا جهانی) و یا ۲۸ تا ۳۳ وات باشد (با ورودی ۲۳۰ ولت متناوب)، می توان از هر یک از خانواده هایTinySwitch-III یاTOPSwitch-HX استفاده نمود .
• اگر توان خروجی شما در بازه بین ۵۰ وات تا ۲۵۰ وات است، می توانید از هر یک از خانواده هایTOPSwitch-HX یاHiperPLCاستفاده کنید.
• از خانوادهHiperPLC فقط می توان در توپولوژی رزونانس LLC استفاده کرده و طراحی مدارات آن فقط از طریق نرم افزار PI Xls Designer امکان پذیر است.

نمونه ای سی های سوئیچینگ

Tiny_Switch_IC

نمونه ای سی های سوئیچینگ-2

Link_Switch_IC

باید گفت که مدارهای سوییچینگ برای مصارف مختلفی طراحی می شوند و به همین دلیل در توپولوژی های مختلفی کار می کنند که برخی از آن ها عبارتند از :
Flyback , Ringing choke converter (RCC) , Half-forward , Forward , Resonant forward , Push-pull , Half-bridge , Full-bridge , Resonant , zero voltage switched
هر یک از این توپولوژی ها برای کاربرد و توان مصرفی خاصی مناسب تر خواهند بود. مثلا:
در جریان های خروجی کمتر از ۴ آمپر، توپولوژی فلای بک ترجیح داده می شود. اگر جریان خروجی بیش از ۶ آمپر باشد، معمولا از توپولوژی فوروارد استفاده می شود. و برای جریان های بین ۴ تا ۶ آمپر، از هر یک از توپولوژی های فلای بک یا فوروارد می توان استفاده نمود.
از مزایای توپولوژی فلای بک می توان گفت که مدار فقط دارای یک المان مغناطیسی است که هم کار ایزولاسیون را انجام می دهد و هم محل ذخیره انرژی است. برای جریان های کمتر از حدود ۴ آمپر، فلای بک ارزان ترین توپولوژی ممکن است. ولی برای جریان های بیشتر، برای مقابله با ریپل های جریانی، مجبور به استفاده از خازنی با ابعاد بزرگتر در خروجی هستیم.
همچنین از مزایای توپولوژی فوروارد می توان گفت که سیم پیچ خروجی چه در زمان روشن بودن و چه در زمان خاموشی سیم پیچ اولیه ، جریان خروجی را تامین می کند . این یعنی ریپل کمتر در جریان، جریان های RMS کمتر ، و ابعاد کوچکتر خازن خروجی .

تا اینجا مختصری در مورد قسمت های مختلف منبع های تغذیه سوییچینگ برای شما توضیح دادم و امیدوارم که برایتان مفید بوده باشد و اگر مطالب ارائه شده برایتان بسیار ساده و پیش پا افتاده بودند، ما را به بزرگواری خودتان می بخشید. چون هدف من در اینجا ایجاد یک آشنایی مقدماتی بود برای مبتدیان و علاقمندانی که تازه وارد این عرصه شده اند. ان شاالله در پست های آینده مطالبی حرفه ای تر و مدارهایی از منابع تغذیه سوییچینگ با توپولوژی ها و توان های مختلف را در اختیارتان قرار خواهم داد.

سوالات و پیشنهادات خود را می توانید در قسمت نظرات مطرح کنید…

منبع تغذیه سوئیچینگ

مدار منبع تغذیه سوئیچینگ

آموزش تعمیر پاور-جلسه اول

منبع : http://electronic4all.ir

31 پاسخ
  1. مهنوش
    مهنوش می گوید:

    مررررررررررررررررررررررررررررررررررررررررررررررررسیییییییییییییییییییییییییییییییییی

    پاسخ
  2. jalil
    jalil می گوید:

    سلامتشکر از مقاله خوبتون یه مشکل تو تعمبر سویچنگ داشتم که اونم ریپل ولتاژ خروجیهفرکانس خروجی خیلی کم شده راهنمایی کنین لطفا برا افزایش فرکانس خروجی چیکار میشه کرد؟

    پاسخ
    • سبحان واحد
      سبحان واحد می گوید:

      سلام و وقت بخیر
      چیشد که به این نتیجه رسیدید که فرکانس کاهش پیدا کرده؟
      چون معمولا فرکانس منابع ثابت هست و با عرض پالس ولتاژ خروجی تنظیم میشه و اگر شما ولتاژ خروجی در محدوده مجاز هست ایراد از فرکانس نیست
      مقدار ریپل را در چه حالتی اندازه گیری کردید و چقدر هست؟
      سپاس

      پاسخ
  3. علی
    علی می گوید:

    سلام دوست عزیز راجع به نحوه ساخت ترانس های فرکانس بالا (تعداد دور و ..) مطالبی رو ارائه میدید ؟

    پاسخ
  4. حسین
    حسین می گوید:

    سلام وقت بخیریک منبع تغذیه دارم که به اشتباه به ورودی 380 ولت وصل شده که الان هر چی فیوز عوض میکنم فیوز میسوزد در ضمن ظاهر برد سالم هست مشکل چی میتونه باشهممنون

    پاسخ
    • سبحان واحد
      سبحان واحد می گوید:

      درود
      سوختن فیوز دلیل داره دنبال خرابی موارد زیر بگردید
      1- vdr در قسمت ورودی
      2- پل دیود
      3- ترانزیستور های سوئیچ در ورودی که 310 ولت را سوئیچ میکنند

      پاسخ
  5. سمیر
    سمیر می گوید:

    با سلام خدمت شما
    پاور ۱۲ ولت ۳۰ امپر فقط ۵ ولت خروجی داره و ترانس هم یه صدای تیک تیک میده / ترانزیستورها ،خازنها هم چک شدن که سالم بودن…ممنون میشم راهنماییم کنید

    پاسخ
    • سبحان واحد
      سبحان واحد می گوید:

      درود
      مسیر تغذیه ای سی کنترلر
      وجود اتصالی در خروجی یا خرابی خازن های خروجی
      مسیر فیدبک
      سه مورد بالا را برسی کنید
      سپاس

      پاسخ
  6. حسن
    حسن می گوید:

    واقعا عالی هست دم شما گرم
    سوالی داشتم
    من چند تا خازن روی برد یک رسیورiclass k9k9 تعویض کردم به اشتباه جابجا اتصال دادم ولی جای اصلی خازن ها را فراموش کردم چطور میتونم نقشه برد را پیدا کنم چون نمونه مشابه ای در دسترس ندارم که مقایسه کنم خازنی که شک دارم 10 ولت 470 میکرو فاراد هست که نمیدونم جاش کجاست.

    پاسخ
  7. ابوذر
    ابوذر می گوید:

    سلام
    یه تغذیه سوییچینگ دارم ۱۵ ولت خروجی کمو زیاد میشه خازن های مدارو تعویض کردم درست نشد

    پاسخ
  8. نیما
    نیما می گوید:

    سلام جناب مهندس ، یه منبع تغذیه سویچینگ آیفون تصویری دارم که چراغ استندبای آن بطور سریع خاموش روشن میشه و مانیتور آیفون روشن نمیشه، یه خازن 25 ولتی هم باد کرده بود عوض کردم درست نشد ، ولتاژ خروجی هم 12.5 ولت میده که البته فکر کنم کم باشه ، علت چیه که چراغ استندبای سریع چشمک میزنه و کدام قسمت از مدار را باید بررسی کنم که عیب را پیدا کنم؟

    ممنون میشم راهنمایی بفرمایید.

    پاسخ
    • سبحان واحد
      سبحان واحد می گوید:

      درود
      پروتکشن مدارتون احتمالا فعال میشه ایراد را در فیلت رهای خروجی تغذیه و خازن های صافی ورودی جستجو کنید
      البته اگر مطمئن هستید که ایراد از تغذیه است
      سپاس

      پاسخ
  9. Amin
    Amin می گوید:

    درود بر شما آقا سبحان ، چطور وریستور با مولتیمتر تست میشه؟
    و آیا امکان تست خازن های x2 که شبیه وریستور هستن با مولتیمتر هست یا خیر؟

    خیلی ممنون

    پاسخ
  10. MRK
    MRK می گوید:

    با سلام خدمت استاد محترم
    آیا امکان نمونه برداری از ولتاژ برای استفاده در میروکنترلر در منبع تغذیه سوییچینگ وجود دارد و اگر هست از چه قسمت از مدار باید نونه گیری کرد

    پاسخ
  11. سعید
    سعید می گوید:

    ممنون از مطالبتون
    لطفا طرز کار tny276 و این خانواده از آی سی های سوئچ رو بزرگواری کنید توضیح بدید

    پاسخ
  12. رامین
    رامین می گوید:

    سلام مهندس ، من در مورد عملکرد منبع تغذیه سویچینگ گیج شدم ، ممنون میشم دو تا سوالم را برایم روشن کنید.

    1- آیا کاهش ولتاژ در منبع تغذیه سویچینگ با تغییر در دیوتی سایکل انجام میشه و یا با ورود به ترانس کاهش پیدا میکنه؟ جایی خوندم که دیوتی سایکل ولتاژ رو تغییر میده

    2- ترانس کوچیک که وسط دو ترانس دیگه قرار داره (ترانس درایو) چه کاربردی داره؟

    در هیچ جای اینترنت ، عملکرد منابع تغذیه سوییچینگ رو بطور کامل شرح ندادن.

    ممنون از شما

    پاسخ
    • سبحان واحد
      سبحان واحد می گوید:

      درود
      تغییرات ولتاژ با تغییر دیوتی سایکل یا همون مدولاسیون عرض پالس انجام میشه
      برای ارسال سیگنال ای سی به ترانزیستور های قدرت روی هیت سینک اول نیازه که خروجی pwm ای سی یک مرتبه توسط چوک درایور تقویت و سپس به ترانزیستور های قدرت اعمال شود
      سپاس

      پاسخ
  13. مجید
    مجید می گوید:

    سلام یک پروژه دارم شارژر سوعیچینگ.میخواستم عملکرد این ترانس ها رو در اسن شارژر ها توضیح بدید
    ترانس 4ورودی داره و 2خروجی خروجی به دیود و خازن الکترولیتی وصل شده و ورودی سر اول به خازن ورودی سر دوم به امیتر ترانزیستور سر سوم به کلکتور و سر 4به مقاومت بیس وصل شده.ممنون میشم یه توضیح کلی در مورد عملکرد تراس بفرستید تا به استادم اراعه بدم شنبه اراعه دارم تا اون موقع بفرستید
    ممنون

    پاسخ

دیدگاهتان را بنویسید

می خواهید در گفت و گو شرکت کنید؟
خیالتان راحت باشد :)

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *