یک منبع تغذیه سوئیچینگ (به انگلیسی: Switched-mode power supply به اختصار SMPS ) یا به بیانی ساده، یک Switcher، یک منبع تغذیهٔ الکترونیکی است که شامل یک تنظیم‌کنندهٔ جریان برای داشتن کارآیی خیلی بالا در هنگام تغییر توان الکتریکی است. مانند سایر منابع تغذیه یک SMPS، توان را از یک منبع به یک مقصد (مصرف‌کننده) همزمان با تغییر مشخصه‌های ولتاژ و جریان تبدیل می‌کند. یک SMPS معمولاً برای تأمین کارای، ولتاژی منظم به کار گرفته می‌شود. برخلاف منابع تغذیه خطی, در این منابع ترانزیستوری که نقش کلید را به عهده دارد با فرکانسی حدود 50 کیلو هرتز یا بیشتر بین وضعیت قطع و اشباع در نوسان است که این خود سبب کاهش تلفات ترانزیستور می گردد .نسبت ولتاژ خروجی به ورودی را می توان با تغییر نسبت زمان روشن بودن به زمان خاموش بودن ترانزیستور تعیین کرد . در نقطه مقابل, در یک منبع تغذیه خطی برای دستیابی به ولتاژ دلخواه باید قسمتی از ولتاز ورودی روی ترانزیستور افت کرده و تلف شود .بازده بالا مزیت اصلی یک منبع تغذیه سوئیچینگ است . هنگامی که بازده بالاتر, ابعاد کوچک تر و وزن کم تر مد نظر باشد منابع تغذیه سوئیچینگ جایگزین منابع تغذیه خطی می شوند . منابع تغذیه سوئیچینگ پیچیده تر هستند و اگر جریان ورودی به آنها به خوبی فیلتر نشود می تواند نویز ایجاد کند.
توضیحات
یک رگولاتور خطی با تلف کردن توان اضافی به شکل حرارت قادر است ولتاژ یا جریان خروجی را تنظیم کند بنابراین حداکثر بازده توان آن برابر است با نسبت ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی . در یک منبع تغذیه سویچینگ ولتاژ یا جریان از طریق سویچ کردن یک المان ذخیره کننده انرژی مثل سلف یا خازن تنظیم می شود . المان های سویچینگ آرمانی (ایده آل) (مثل ترانزیستوری که در خارج از ناحیه فعال کار می کند) در حالت بسته مقاومتی نداشته و در حالت باز هم جریانی از آنها عبور نمی کند بنابراین این دسته از منابع تغذیه به لحاظ نظری می توانند بازده ۱۰۰ درصد داشته باشند .
(این یعنی اینکه تمامی توان ورودی به بار منتقل می شود و هیچ کسری از آن از طریق گرما هدر نمی رود ).
مزایا و معایب
مهمترین مزیت یک منبع تغذیه سویچینگ بازده بالای آن است . از آنجایی که ترانزیستور سویچینگ فقط در ناحیه قطع و اشباع کار می کند ( در حالت قطع جریان عبوری از آن ناچیز بوده و در حالت اشباع هم افت ولتاژ روی آن کم است ) بنابراین توان مصرفی آن ناچیز است که این سبب بالا رفتن بازده منبع تغذیه می گردد . سایر مزایای آن عبارتند از حجم و وزن کمتر ( به دلیل حذف ترانسفورماتور فرکانس پایین که وزن بالایی دارد ) و گرمای ایجاد شده کمتر (به دلیل بازده بالاتر ). معایب آن عبارتند از پیچیدگی زیاد و امکان تداخل الکترومغناطیسی و همچنین ایجاد موجک (ریپل ) در فرکانس سویچینگ و هماهنگ های آن نوع ارزان قیمت این گونه منابع می تواند نویز الکتریکی حاصل از سویچینگ وارد شبکه برق شهری نماید که این سبب بروز تداخل با سایر دستگهاهای صوتی و تصویری که به همان فاز وصل شده اند، میگردد . منابع تغذیه سویچینگ فاقد تصحیح ضریب توان نیز ممکن است اعوجاج هارمونیک ایجاد نمایند .
مقایسه منابع تغذیه سویچینگ و خطی
منابع تغذیه خطی منابع تغذیه سویچینگ ملاحظات
وزن و ابعاد در منابع با توان بالا هیت سینک (گرماگیر) مورد نیاز است که ابعاد منبع را افزایش میدهد . استفاده از ترانسفورمر های فرکانس پایین، به حجم و سنگینی دستگاه می افزاید . در بعضی منابع ممکن است از ترانسفورمر (یا سلف )استفاده شود که البته به دلیل فرکانس کاری بالا، سنگینی و ابعاد ترانسفورمر زیاد نیست . برای یک ابعاد و وزن مشخص، توان یک ترانسفورمر با فرکانس نسبت مستقیم دارد البته به شرط اینکه بتوان تلفات هیسترزیس را پایین نگه داشت .به عبارت دیگر فرکانس کاری بالاتر به معنای ابعاد کوچک تر است .
ولتاژ خروجی در صورت استفاده از ترانسفورمر، می توان در خروجی به هر ولتاژ دلخواهی دست یافت . در منابع خطی بدون ترانسفورمر ولتاژ خروجی از ورودی بیشتر نخواهد شد
در صورت عدم استفاده از رگولاتور، ولتاژ خروجی با بار تغییر می کند . هیچ گونه محدودیتی در ولتاژ خروجی نداریم . در بیشتر مدارات فقط ولتاژ شکست ترانزیستور می تواند محدود کننده باشد . ولتاژخروجی با بار تغییری نمی کند . یک منبع تغذیه سویچینگ می تواند برای دامنه گسترده تری از ولتاژ های ورودی و خروجی جوابگو باشد.
کارایی، توان و گرمای تلفاتی در منابع تغذیه دارای رگولاتور، بازده عمدتا بسته به اختلاف بین ولتاژ ورودی و خروجی است .ولتاژخروجی از طریق تلف کردن توان اضافی به شکل حرارت، تنظیم می گردد که این سبب می شود بازده منبع تغذیه به حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد محدود شود . در منابع تغذیه فاقد رگولاتور، تلفات مسی و آهنی ترانسفورمر تنها عامل موثر بر کارایی منبع تغذیه است . ولتاژخروجی از طریق کنترل سیکل وظیفه (دیوتی سایکل) تنظیم می گردد . ترانزیستور ها یا کاملا روشن (حالت اشباع)هستند یا کاملا خاموش (حالت قطع) بنابراین تلفات اهمی بین ورودی و بار وجود ندارد . حرارت ایجاد شده ناشی از ویژگیهای غیر آرمانی اجزای مدار و همچنین جریان حالت دایم مدار کنترل کننده می باشد . تلفات سویچینگ در ترانزیستور ها ( به خصوص در بازه زمانی کوتاهی از هر دوره تناوب که ترانزیستور در حال گذار است )، مقاومت حالت روشن ترانزیستور ها، مقاومت معادل سری در سلف ها و خازن ها، تلفات هسته در سلف ها و افت ولتاژ روی دیودها همه و همه سبب می گردند که کارایی یک منبع تغذیه سویچینگ نوعا بین ۶۰ تا ۷۰ درصد باشد . با وجود این با یک طراحی بهینه مثلا استفاده از فرکانس سویچینگ بهینه، اجتناب از اشباع سلف ها و یکسوسازی فعال، می توان به بازده ۹۵ درصد هم رسید .
پیچیدگی یک منبع تغذیه خطی تنظیم نشده می تواند صرفا از یک دیود و یک خازن تشکیل شود . در منابع تنظیم شده یک مدار گسسته یا مجتمع برای تنظیم کردن ولتاژ خروجی وجود دارد . این مدار ( و همچنین معیار پایداری حلقه فیدبک آن ) نسبت به منابع تغذیه سویچینگ، پیچیدگی کمتری دارد . در این دسته از منابع یک مدار مجتمع کنترل کننده، یک یا چند ترانزیستور و دیود قدرت، یک ترانسفورمر قدرت و چندین سلف و خازن پالاینده (فیلتر) وجود دارند .طراحی این دسته از منابع دارای پیچیدگی هایی است که در منابع تغذیه خطی نظیر آن را نمی توان یافت . در منابع تغذیه سویچینگ با یک ترانسفورمر می توان در خروجی چندین ولتاژ بدست آورد . یکی از این ولتاژ های خروجی باید برای رگولاسیون ولتاژ حلقه فیدبک استفاده شود .
تداخل فرکانس رادیویی در بار زیاد، دیودهای یکسوساز ممکن است تداخل فرکانس بالای ناچیزی ایجاد کنند . در کابل های فاقد حفاظ (شیلد) هوم القا می کنند که می تواند در فرکانس صوتی مشکل ساز باشد . به این دلیل که جریان بطور ناگهانی قطع و وصل می شود، این دسته از منابع مستعد ایجاد تداخل فرکانس رادیویی و الکترومغناطیسی می باشند . لذا برای کاهش تداخل باید از پالایه (فیلتر)های تداخل الکترومغناطیسی و همچنین حفاظ های فرکانس رادیویی بهره جست . در منابع تغذیه سویچینگ وجود سیمهای ارتباطی بلند بین اجزای مدار می تواند کارایی پالایه (فیلتر) های فرکانس بالا را کاهش دهد .
نویز الکترونیکی در ترمینال های خروجی در منابع تغذیه تنظیم نشده یک موجک (ریپل) با فرکانس دو برابر برق شهری (۱۰۰ یا ۱۲۰هرتز) روی مولفه جریان مستقیم سوار خواهد شد .این موجک می تواند در دسنگاههای صوتی ایجاد هوم نموده و در دوربین های امنیتی سبب نوسان در شدت روشنایی تصویر یا اعوجاج شود. فرکانس سویچینگ سبب می شود که این گونه منابع نویز بیشتری ایجاد کنند . در صورتی که خروجی فیلتر نشود می تواند در مدارات صوتی ایجاد نویز نموده و در مدارات دیجیتال نیز نوسانات ناخواسته ایجاد نماید . به کمک خازن ها و سایر مدارات پالاینده (فیلترینگ) می توان نویز را حذف نمود . در منابع تغذیه سویچینگ می توان با انتخاب فرکانس سویچینگ، نویز را از محدوده فرکانس کاری دستگاه دور نگه داشت مثلا در دستگاههای صوتی می توان فرکانس سویچینگ را بالاتر از محدوده شنوایی انتخاب نمود .
نویز الکترونیکی در ترمینال های ورودی می تواند اعوجاج هارمونیک ایجاد نماید ولی نویز فرکانس بالای آن ناچیز است . منابع تغذیه سویچینگ ارزان قیمت می تواند نویز الکتریکی حاصل از سویچینگ وارد شبکه برق شهری نماید که این سبب بروز تداخل با سایر دستگهاهای صوتی و تصویری که به همان فاز وصل شده اند، میگردد . منابع تغذیه سویچینگ فاقد تصحیح ضریب توان نیز ممکن است اعوجاج هارمونیک ایجاد نمایند . در صورت استفاده از یک فیلتر تداخل الکترومغناطیسی بین پل دیودی و ترمینال های ورودی، می توان از ایجاد نویز پیشگیری کرد .
نویز آکوستیک هوم بسیار ضعیفی ایجاد می کنند که عامل آن لرزش لایه های سیم پیچ ترانسفورمر می باشد . معمولا برای انسان قابل شنیدن نیست مگر اینکه منبع تغذیه دارای فن باشد، درست کار نکند یا اینکه فرکانس سویچینگ در محدوده قابل شنیدن باشد یا لایه های سیم پیچ ها در یکی از زیر هارمونیک های فرکانس کاری شروع به لرزش کند . در بعضی از منابع تغذیه سویچینگ در حالت بدون بار فرکانس کاری ممکن است در محدوه شنوایی انسان قرار گیرد و در نتیجه برای کسانی که مشکل هایپراکوسیس دارند قابل شنیدن باشد .
ضریب توان در منابع تغذیه دارای رگولاتور ضریب توان پایین است زیرا جریان در قله (پیک) ولتاژ سینوسی از خط کشیده می شود . ازاعداد خیلی پایین تا متوسط در تغییر است زیرا در یک منبع تغذیه سویچینگ فاقد تصحیح ضریب توان، جریان در قله ولتاژ سینوسی از خط کشیده می شود . در منابع تغذیه سویچینگ تصحیح ضریب توان فعال یا غیر فعال می تواند این مشکل را حل نموده و حتی در بعضی از کشورهای اروپایی این کار الزامی است . در یک منبع تغذیه خطی، مقاومت داخلی یک ترانسفورمر معمولا حداکثر جریان را در هر تناوب محدود نموده و به این ترتیب ضریب توان آن از یک منبع تغذیه سویچینگ بهتر است .
جریان هجومی وارده به منبع در یک منبع تغذیه خطی در لحظه اتصال به برق شهری تا هنگامی که شار مغناطیسی ترانسفورمر به یک حد پایدار برسد و خازن ها کاملا شارژ شوند جریان هجومی بالا است . جریان هجومی فوق العاده بالاست و فقط توسط امپدانس ورودی منبع تغذیه و مقاومت های سری با خازن محدود می گردد . خازن های پالاینده (فیلتر) خالی در ابتدای کار برای پر شدن جریان زیادی می کشند که بسیار بیشتر از جریان حالت عادی منبع می باشد این امر به اجزایی ازمدار که در معرض این جریان هجومی قرار دارند فشار وارد نموده وانتخاب فیوز مناسب را مشکل می کند .
خطر برق گرفتگی در منابع تغذیه دارای ترانسفورمر امکان زمین کردن بدنه و هسته ترانسفورمر وجود دارد . چنانچه عایق بین سیم پیچی اولیه و ثانویه از بین برود، خطر برق گرفتگی وجود دارد که البته با طراحی صحیح می توان جلو آنرا گرفت . منابع تغذیه خطی بدون ترانسفورمر ذاتا خطرناک هستند . در منابع تغذیه خطی و سویچینگ باید ولتاژ ورودی و گاهی خروجی را ایزوله نمود . خط مرجع و بدنه دستگاه به ولتاژی برابر نصف ولتاژ برق شهر اما با امپدانس بالا متصل شده است مگر اینکه بدنه به زمین وصل شده باشد یا اینکه در ورودی منبع فیلتر تداخل الکترومغناطیسی موجود نباشد . بنابر مقررات مربوط به تداخل الکترومغناطیسی و فرکانس رادیویی، بیشتر منابع تغذیه سویچینگ در ورودی خود قبل از پل دیودی دارای مدار فیلتر تداخل الکترومغناطیسی بوده که از تعدادی خازن و سلف تشکیل شده است . دو خازن که یکی به فاز و دیگری به نول وصل است به هم سری شده اند سر وسط یرای اتصال به زمین در نظر گرفه شده است . این یک تقسیم ولتاژ خازنی ایجاد می کند که خط مرجع دستگاه را به ولتاژی برابر نصف برق شهر متصل می کند .امپدانس بالای این خط در کاربر یک حالت گزش خفیف ایجاد می کند و می توان از آن برای راه اندازی یک نمایشگر خطای زمین استفاده کرد .
خطر آسیب به تجهیزات بسیار پایین است مگر اینکه بین سیم پیچی اولیه و ثانویه اتصال کوتاه پیش بیاید یا اینکه رگولاتور خراب شود . ممکن است بعلت خرابی دستگاه، ولتاژ خروجی زیاد شود . فشار بر خازن ها می تواند سبب ترکیدن آنها شود .در برخی موارد ولتاژ شناور می تواند به طبقه ورودی آمپلی فایر ها آسیب برساند . ولتاژشناور توسط خازن هایی ایجاد می شود که اولیه و ثانویه منبع تغذیه سویچینگ را به هم وصل می کنند . چنانچه ثانویه به زمین وصل شود یک جریان لحظه ای و بالقوه مخرب از این خازن عبور خواهد کرد .
امروز هم يک مطلب تازه براي شما در وبلاگ قرار مي دهم. اين مطلب در مورد تعاريف عمومي و متداول در منابع تغذيه و بخصوص منابع تغذيه سوئيچينگ است.
1.1. مقدمه
كليه مدارات الكترونيكي نياز به منبع تغذيه دارند. براي مدارات با كاربرد كم قدرت از باطري يا سلولهاي خورشيدي استفاده مي شود. منبع تغذيه به عنوان منبع انرژي دهنده به مدار مورد استفاده قرار مي گيرد.
حدود 20 سال است كه سيستمهاي پر قدرت جاي خود را حتي در مصارف خانگي هم باز كرده اند و اين به دليل معرفي سيستمهاي جديد براي تغذيه مدارات قدرت است.
اين منابع تغذيه كاملاً خطي عمل مي نمايند. اين نوع منابع را منابع تغذيه سوئيچينگ مي نامند. اين اسم از نوع عملكرد اين سيستمها گرفته شده است. به اين منابع تغذيه اختصاراً SMPS نيز مي گويند. اين حروف بر گرفته شده از نام لاتين Switched Mode Power Supplies است.
راندمان SMPS بصورت نوعي بين 80% الي 90% است كه 30% تا 40% آنها در نواحي خطي كار مي كنند. خنك كننده هاي بزرگ كه منابع تغذيه رگوله قديمي از آنها استفاده مي كردند، درSMPSها ديگر به چشم نمي خورند و اين باعث شده كه از اين منابع تغذيه بتوان در توانهاي خيلي بالا نيز استفاده كرد.
در فركانسهاي بالاي كليدزني از يک ترانزيستور جهت كنترل سطح ولتاژ DC استفاده مي شود. با بالا رفتن فركانس ترانزيستور، ديگر خطي عمل نمي كند و نويز مخابراتي شديدي را با توان بالا توليد مي نمايد. به همين سبب در فركانس كليد زني بالا از المان كم مصرف Power MOSFET استفاده مي شود. اما با بالا رفتن قدرت، تلفات آن نيز زياد مي شود. المان جديدي به بازار آمده كه تمامي مزاياي دو قطعة فوق را در خود جمع آوري نموده است و ديگر معايب BJT و Power MOSFET را ندارد. اين قطعة جديد IGBT نام دارد. در طي سالهاي اخير به دليل ارزاني و مزاياي اين قطعه از IGBT استفادة زيادي شده است.
امروزه مداراتي كه طراحي مي شوند، در رنج فركانسي MHZ و قدرتهاي در حد MVA و با قيمت خيلي كمتر از انواع قديمي خود مي باشند.
فروشنده هاي اروپائي در سال 1990 ميلادي تا حد 2 ميليارد دلار از فروش اين SMPSها درآمد خالص كسب نمودند. 80% از SMPSهاي فروخته شده در اروپا طراحي شدند و توسط كارخانه هاي اروپائي ساخت آنها صورت پذيرفت. درآمد فوق العاده بالاي فروش اين SMPSها در سال 1990 باعث گرديدكه شاخة جديدي در مهندسي برق ايجاد شود، اين رشته مهندسي طراحي منابع تغذيه سوئيچينگ نام گرفت.
يک مهندس طراح منابع تغذيه سوئيچينگ بايستي كه در كليه شاخه هاي زير تجربه و مهارت کافي كسب كند و هميشه اطلاعات بروز شده در موارد زير داشته باشد:
1- طراحي مدارات سوئيچينگ الكترونيك قدرت.
2- طراحي قطعات مختلف الكترونيك قدرت.
3- فهم عميقي از نظريه هاي كنترلي و كاربرد آنها در SMPSها داشته باشد.
4- اصول طراحي را با در نظر گرفتن سازگاري ميدانهاي الكترومغناطيسي منابع تغذيه سوئيچينگ با محيط انجام دهد.
5- درك صحيح از دفع حرارت دروني (انتقال حرارت به محيط) و طراحي مدارات خنك كنندة مؤثر با راندمان زياد.
و …
دراين کتاب نيز سعي بر اين است كه طبق اصول نوين مهندسي طراحي منابع تغذيه سوئيچينگ كليه اطلاعات مورد نياز در اختيار خواننده قرار گيرد.
1.2. تعاريف عمومي در SMPSها
هر سيستم طراحي شده به طور طبيعي وابسته به منبع تغذية خود مي باشد. يعني اولين پارامتر در طراحي مدار نوع منبع تغذيه و مقادير وابسته به آن است. يكي از مباحث مهم در طراحي SMPS ها، سنگين وزن بودن و گراني آن است، كه كليه اينها در يك منبع تغذيه از نوع SMPS به صورت دستگاه ارزان قيمت، سبك و كوچك تعريف خواهد شد.
وقتي كه طراح سيستم شروع طراحي مي كند، اولين تعريفي را كه در نظر خود مجسم مي كند، مقدار ولتاژ و جـريان ماكزيمم در SMPS است. بنابراين نسبت ولتاژ و جريان تعيين كننده انتخاب قطعات مورد نياز براي طراحي است.
مقدار ولتاژ خروجي:
عموماً در بيشتر مدارات منطقي ولتاژ 5v مورد نياز مي باشد، اما در بعضي موارد نياز به 5v- هم مي باشد. در كامپيوترها براي ايجاد گشتاور در موتورهاي متنوع به كار رفته در درايوهاي مختلف مانند موتورهاي CPU FAN ,CD ROM, F.D.D , H.D.D و ... نياز به ولتاژهاي +12v ,-12v مي باشد. در مصارف كنترل صنعتي جهت اعمال فرمان تحريك قطع و وصل در شيرهاي برقي و رله هاي كنتاكتوري از طريق پورتهاي PLC ولتاژ اعمالي به سيستمهاي تحت كنترل داراي سطوح ولتاژي +24v ,-24v است. در اتومبيلهاي برقي، تركشن و HVDC به سطح ولتاژ بالاتري احتياج است.
مقدار جريان:
در هر خروجي مي بايست ماكزيمم جريان مصرفي در حالت پايداري مشخص شود. هر سيستم الكتريكي در روي بدنه خود پلاكي دارد كه در آن تمام مقادير نامي و مجاز مورد نياز دستگاه از طرف كارخانه سازنده باتوجه به مشخصات طراحي و تستهاي متعددي كه بر روي دستگاه انجام شده است، مشخص مي باشد. براي مثال در ديسك درايوها مقدار جريان راه اندازي و حالت پايداري مشخص مي باشد و طراح منبع تغذيه بايستي حد مجاز جريان خروجي را بالاتر از جريان راه اندازي و حالت پايداري تعيين نمايد. حتي در بعضي از مواقع سازنده دياگرامهايي را همراه با دستگاه قرار مي دهد كه كمك بيشتري به طراح مي كند.
ولتاژ ورودي:
ولتاژ ورودي مي تواند از نوع AC يا DC و با رنج تغييرات مشخصي باشد. طراح حتماً بايد به نوع ورودي و عملياتي كه مي بايد روي آن انجام دهد تا خروجي مطلوبي بدست آورد را همواره در نظر بگيرد. معمولاً فرکانس، دامنه و شکل موج ولتاژ ورودي در طراحي خيلي مهم است. همچنين نوع شبکه اي که تغذيه ورودي را بر عهده دارد مهم است. معمولاً در محيطهاي صنعتي مانند کارخانجاتي که شبکه در شرايط سخت جهت تامين انرژي قوص الکتريکي و … کار مي کند شکل موج ولتاژ و جريان ورودي غير قابل پيش بيني است و بايد با استفاده از سيستمهاي جبرانساز شکل موجهای شبکه را تا حد قابل قبولي اصلاح کرد.
ايزولاسيون:
در بسياري از كاربردها ايزولاسيون الكتريكي بين ورودي ها و خروجي هاي مدارات احتياج مي باشد، وحتي در بسياري از موارد ايزولاسيون بين خروجي دستگاه با ورودي دستگاه ديگر نيز مورد نياز است و طراح ملزم به انديشيدن تدابيري خاص جهت برآورده سازی اين امر مي باشد.
ايزولاسيون الكتريكي اغلب توسط ترانسفورماتور در منابع تغذيه ايجاد مي شود كه استفاده از ترانسفورماتور باعث حجيم شدن منبع تغذيه مي شود. در مصارفي كه نياز به حجم كوچك مي باشد، مانند ماهواره ها، كامپيوترها، شارژرهاي باطري موبايل و تلفن و همچنين در منبع تغذيه مورد استفاده در پرينترها و دستگاه هاي كوچك كه اجبار در كوچك ساختن آنها مي باشد نظير دوربينهاي عكاسي ديجيتالي و دوربينهاي فيلم برداري و لوازم نظامي استراق سمع و جاسوسي و بمبها و موشكهاي دوربرد ناچاراً بايد از ايزولاسيون به وسيله ترانسفورماتور چشمپوشي كرد و به فكر چارة ديگري براي تحقق بخشيدن به اين امر بود يا اينكه توسط مدارات فيدبك عمل تثبيت خروجي را در صورت وجود تغيير يا اغتشاش در ورودي را انجام داد تا از مدارات در مقابل صدمه ديدن و معيوب شدن حفاظت شود و يا اينكه بايست از ايزولاسيون تا حدودي يا کلاً صرف نظر نمود.
ريپل در خروجي:
طبيعتاً مقداري نوسان در خروجي DC منابع تغذيه وجود دارد. به مقدار دامنه پيك تا پيك اين نوسانات ريپل مي گويند. هر خروجي كه داراي ريپل باشد، حتماً داراي تعدادي هارمونيك بغير از فرکانس صفر هرتز است. به همين خاطر اغلب مقدار خروجي را به جاي معرفي با مقدار DC آنرا با مقدارrms نشان مي دهند. هر چه مقدار نسبت ثابت ريپل به مقدار DC كوچكتر باشد بهتر است. اين نسبتِ در صديِ ريپل را مي توان با استفاده از فيلتر پايين گذر متشكل از سلف و خازن و يا افزايش فركانس ورودي و كليدزني با سرعت زياد تا حد قابل ملاحظه اي كاهش داد.
رگولاسيون:
ولتاژ خروجي در يك منبع تغذيه متأثر از عواملي مي باشد كه اين عوامل عبارتند از:
الف) تغييرات در ولتاژ ورودي.
ب ) تغييرات در جريان بار.
ج ) تغييرات در درجه حرارت محيط.
يك منبع تغذية رگوله معمولاً داراي مدارات فيدبك براي جبران اين تغييرات و اصلاح آنها و محدود كردن اين تغييرات در ناحية قابل قبولي مي باشد. اين فيدبك ها ممكن است عمل رگولاسيون را به صور (1)رگولاسيون خط، (2)رگولاسيون بار، (3)رگولاسيون حرارتي، انجام دهد.
پاسخ حالت گذرايي:
پاسخ به تغييرات ناگهاني و گذراي جريان بار يكي از پارامترهاي مهم در هر منبع تغذيه اي است. در حالت بار كامل در صورتي كه جريان بطور وصل شدن ناگهاني كليد در بار جاري شود، حتي در صورتي كه بار متصل به ترمينال خروجي جريان كمي را از منبع تغذيه دريافت كند، ولتاژ خروجي ناگهان مي افتد و از ولتاژ حالت بي باري كمتر مي شود و سپس توسط رگولاسيون به يك حد پايدار خواهد رسيد. از طرف ديگر در حالتي كه منبع تغذيه با بار كامل در حالت پايدار به سر مي برد اگر ناگهان بار توسط كليد قطع شود، آنگاه ناگهان ولتاژ خروجي صعود مي كند، و ازحالت قبلي خود فراتر مي رود و سپس با چندين نوسان به حالت پايدار بدون بار خواهد رسيد. در اين حالت ممكن است كه قطعاتي كه در بلوكهاي خروجي منبع تغذيه هستند اين سطح تغييرات را تحمل نكنند و از بين بروند. در بعضي از موارد دربعضي از سيستمها ممكن است كه خروجي به حالت پايدار نرسد و نوساني ياحتي ناپايدار شود. از آنجا كه در خروجي اغلب منابع تغذيه فيلتر هاي صافي براي كاهش ريپل ولتاژ و جريان مي باشند كه اين فيلترها داراي ظرفيتهاي خازني بزرگي هستند. با ناپايدار شدن ولتاژ امكان انفجار در خازن وجود دارد.
از سوي ديگر زمان بازيابي يا Recovery Time زمان لازم براي بازگشت به حالت پايدار طبيعي مي باشد، كه بايستي تاحد ممكن اين زمان كوچك باشد. پس بايد توسط روشهاي رگولاسيون خاص ولتاژ خروجي را محدود كرد و سعي نمود كه در كمترين زمان ممكن و با كمترين نوسان و Over Shoot به حد پايداري خود برسد. زمان پاسخ گذرايي در منابع تغذيه و بخصوص در منابع تغذيه سوئيچينگ با روشهاي مختلفي كه سازندگان SMPS از آن استفاده مي كنند نظيرحلقه هاي فيدبك و جبران ساز و قرار دادن فيلترهاي مخصوص در طبقات مختلف منبع تغذيه كه در قسمتهاي بعدي به آن اشاره مي شود، خيلي كوتاه خواهد شد.
راندمان:
يك منبع تغذيه بدون بازدهي مطلوب دو خاصيت زير را دارا مي باشد:
1- انرژي محدود: از اين قبيل منابع مي توان به باطري اشاره كرد كه با مصرف مستمر انرژي اوليه خود را رفته رفته از دست مي دهد و توان خروجي آن به سمت صفر ميل مي نمايد.
2- حجم زياد و نياز داشتن به هيت سينكها بزرگ: از اين منابع تغذيه مي توان منابع تغذيه با ترانسفورماتور را نام برد كه انرژي زيادي صرف خنك سازي و تلفات حرارتي آن مي شود.
حفاظت:
همة منابع تغذيه با روشهاي خاصي در برابر شرايط ناخواسته محافظت مي شوند كه حفاظت هاي مشترك بين كليه منابع تغذيه عبارتند از:
1- حفاظت در برابر اضافه ولتاژ: از مهمترين حفاظتها، محافظت بار و منبع تغذيه در مقابل اضافه ولتاژ است. ساده ترين نوع كنترل ولتاژ در چنين مواقعي خاموش شدن منبع تغذيه بصورت اتوماتيك است. اين مدل از كنترل كننده ها در زمانهاي ابتدائي حالت گذرا عمل مي كند. عموماً ممكن است از يك ميله تريستوري براي اين منظور استفاده شود. در زماني كه تريستور قابليت روشن شدن را دارد، درصورتي كه سنسور قرار داده شده در خروجي احساس كند كه ولتاژ از حد مجاز بالاتر رفته است بلافاصله آتش شده و ورودي و خروجي منبع تغذيه را با هم قطع مي كند. در روشهاي ديگر با اتصال كوتاه كردن خروجي، يك جريان اتصال كوتاه از مدار مي گذرد و محدود كننده هاي جريان در اين زمان عمل كرده و با استمرار يافتن اين عمل مي توان خروجي منبع تغذيه را تا حد مجاز قابل قبولي كاهش داد و در برابر اضافه ولتاژ از سيستمها محافظت كرد.
2- حفاظت در برابر اضافه جريان: بسياري از منابع تغذيه داراي انواع مختلف محدود كننده هاي جريان هستند. بنابراين اگر جريان بار از سطح مجاز بالاتر رود، در نتيجه ولتاژ خروجي كاهش يافته و طبق قانون اهم جريان در سطح مجاز و قابل اطميناني محدود مي شود.
3- حفاظت در برابر اتصال كوتاه: روش حفاظت در مقابل اضافه جريان امكان محافظت در برابر اتصال كوتاه را مي تواند فراهم نمايد، ولي اين شرط كافي براي حفاظت منبع تغذيه در برابر جريان اتصال كوتاه نمي باشد. چون اتصال كوتاه اغلب در حالت ماندگار اتفاق مي افتد و به راحتي بر طرف نخواهد شذ. به همين خاطر با استمرار اين شرايط و تلفات حرارتي زياد امكان آتش سوزي زياد است. براي جلوگيري از چنين اتفاق ناخوش آيندي بايد از مدار شكن استفاده كرد تا بلافاصله مدار را خاموش كند. و تا وقتي كه اتصال كوتاه در ترمينالهاي منبع تغذيه از بين نرفته است، امكان روشن كردن منبع تغذيه وجود نداشته باشد.
4- حفاظت در مقابل جريان تهاجمي: SMPSها عموماً داراي خازنهاي بزرگ جهت نرم كردن ولتاژ DC و جلوگيري ريپل ولتاژ در نزديك ورودي هستند، كه باعث مي شود جريان بزرگي در لحظه روشن كردن سوئيچ ها در مدار جاري گردد. بسياري از SMPSها داراي محدود ساز جريان براي كاهش دادن جريان هجومي مي باشند.
تداخل الكترومغناطيسي:
مسأله تداخل الكترومغناطيسي يا EMI در سيستمهاي خطي در طيف فركانسي كوچكتر از KHZ20 در منابع تغذيه سوئيچينگ قابل چشم پوشي مي باشد. اما با بالا رفتن فركانس، هارمونيكهاي با فركانس بيشتر از فركانس اصلي، ايجاد تداخل در باندهاي راديويي و مخابراتي مي كنند. از آنجايي كه منابع تغذية سوئيچينگ امروزه در توانهاي بالا هم كاربرد هاي وسيع پيدا كرده اند، اين گونه از منابع تغذيه سوئيچينگ به عنوان يك منبع توليد نويز شديد و قوي براي مدارات مخابراتي شناخته مي شوند. بنابراين با فيلتر كردن ورودي و خروجي، ميزان اثر تداخل الكترومغناطيسي را تا حد امكان بايد كاهش داد.
زمان Hold Up:
اين زمان در SMPSها خيلي مهم است و بايستي كه با ايجاد اشكال در خروجي بتوان بلافاصله ورودي منبع تغذيه را قطع كرد. اين زمان عموماً بر طبق استاندارد، حدود يك يا دو سيكل با فركانس 50HZ يعني زماني بين 20 الي 40 ميلي ثانيه مي باشد.
رنج حرارتي:
يك نكته قابل توجه در مورد منابع تغذيه سوئيچينگ، خصوصاً منابع تغذية سوئيچينگي كه در داخل محفظه نگاهداري مي شوند، مسألة بالا رفتن سريع حرارت در داخل CASE يا محفظه است. اين حرارت ممكن است كه حتي از دماي بيرون جعبه هم بيشتر باشد و قطعات منبع تغذيه از اين حرارت خيلي تأثير پذير هستند. بنابراين بايد رنج حرارتي كه بدليل مصرف توان در داخل جعبه تغيير مي كند را مدِ نظر قرار داد و با طراحي مناسب پايداري حرارتي را در منبع تغذيه سوئيچينگ بخوبي حفظ نمود.
ابعاد:
حجم فيزيكي و پهناي يك منبع تغذيه طبق ضرايب خاصي محدود مي شود. با دانستن مشخصات كاري منابع تغذيه سوئيچينگ مي توان مقدار حجم يك منبع تغذية سوئيچينگ را براحتي محاسبه كرد. عموماً SMPS هايي كه با فركانس كليدزني بالاتر از فركانس صوتي داراي حجم كوچكي هستند، چرا كه كليدهايي كه در اين رنج كار مي كنند داراي تحمل توان كمي هستند. با توجه به مسألة EMI نمي توان سرعت كليدزني را خيلي افزايش داد. چون باعث توليد نويز مخابراتي مخربي خواهد شد. پس مي توان نتيجه گرفت كه حجم و اندازه يك SMPS نسبت عكس با فركانس كليدزني و نسبت مستقيم با توان منبع تغذيه دارد.
انواع استانداردهاي معتبر در SMPS ها:
بسياري از كشورهاي سازنده منابع تغذيه سوئيچينگ داراي معيارهاي تقريباً ثابت و مشابه در رابطه با SMPS ها مي باشند. براي مثال در اروپا يكي ازسازندگان مهم آلمان كه خود يکي از مهمترين پايه گذاران SMPS است يعنيVerbakd Deutscher Electroniker (VDE) است كه بسياري از تستهاي بين المللي را دارا مي باشد.
يكي از مسائل مهم منبع تغذيه تثبيت و كنترل روي اشكال متفاوت EMI است. كه استاندارد (VDE) معيارهايي براي حل اين مشکل دارد. اين معيارها نسبتاً با استانداردهاي مشابه آمريكايي تطابق دارند.
تستهاي استاندارد قابل اطمينان معتبر ديگر در مورد منابع تغذيه سوئيچينگ موجود است كه عبارتند از Underwriters Laboratory (UL) كه اين تستها در ايالات متحده امريكا انجام مي شود. استاندارد ديگري كه در كانادا بر روي منابع تغذيه سوئيچينگ اعمال مي شود، Canadian Standard Association (CSA) است.
نكته قابل توجه در مورد (UL) و (CSA) اين تستها اغلب در مورد محصولات الكتريكي که در امريكا و كانادا بکار برده مي شوند تصويب شده است، وحتماً اين تستها بايد در مورد اين اقلام انجام شود و در مورد محصولاتي كه به ساير نقاط جهان صادر مي شوند انجام نمي شود.
استاندارد International Electro technical Commission (IEC)، استاندارد ديگري است كه حتماً يك منبع تغذيه سوئيچينگ بايد از تستهاي آن سر بلند بيرون آمده باشد. به عنوان مثال IEC380 براي اعطاء مجوز به يك محصول که 3750v متناوب را بين ورودي و خروجي مدار اعمال مي كند. بايد مدارات اوليه و ثانويه فاصله 8mm و عايق بين فلزات و ساير اجزاء مدار با ضخامت 3mm را بايد رعايت كرده باشند. اين تست قويتر از انواع مشابه در استانداردهاي آمريكايي است.
تست تداخل الكترومغناطيسي در استانداردهايIEC478 part 3 و همچنين در آلمان طبق VDE0871 و در بريتانيا BS800 مصوب 1983 ميلادي و ... داراي قوانين و معيارهاي مشخصي مي باشد. حتماً در منابع تغذيه سوئيچينگ و هر نوع محصول الكتريكي ديگر بايست به اين استانداردها توجه نمود.
اقتصادي بودن:
مهمترين مسأله براي توليد كننده و مصرف كننده هر كالايي بحث اقتصادي و مقرون بصرفه بودن آن است. يك طراح بايد به قيمت تمام شده كالا توجه ويژه داشته باشد. طبيعتاً هر چه كارايي يك سيستم بالا رود قيمت آن هم گرانتر خواهد شد.
انرژي:
مصرف انرژي منابع تغذيه سوئيچينگ را توسط مدارات هوشمند ميكروپروسسوري مي توان تا حد ممكن كاهش داد. برنامه اي كه امروزه طراحان آنرا پيش گرفته اند، تدوين قوانين خاص براي تحقق بخشيدن به اين مهم است. از اين قبيل قوانين مي توان به برچسب ستاره انرژي امريكا service mark of the U.S. EPA اشاره كرد.
با خاموش كردن منابع تغذيه سوئيچينگ به صورت Stand by مي تواند از تلفات انرژي ناشي از كليدزني و ... درمواقعي كه بار به ترمينال منبع تغذيه متصل نمي باشد، تا حد چشمگيري جلوگيري كرد و همچنين داغ شدن منبع تغذيه را در زمان بي باري كاهش داد.
تعاریف عمومی و متداول در منابع تغذیه و بخصوص منابع تغذیه سوئیچینگ
مقدمه كلیه مدارات الكترونیكی نیاز به منبع تغذیه دارند. برای مدارات با كاربرد كم قدرت از باطری یا سلولهای خورشیدی استفاده می شود. منبع تغذیه به عنوان منبع انرژی دهنده به مدار مورد استفاده قرار می گیرد.
حدود 20 سال است كه سیستمهای پر قدرت جای خود را حتی در مصارف خانگی هم باز كرده اند و این به دلیل معرفی سیستمهای 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 سیستمها 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 آنها استفاده می كردند، درSMPSها دیگر به چشم نمی خورند و این باعث شده كه از این منابع تغذیه بتوان در توانهای خیلی بالا نیز استفاده كرد.
در فركانسهای 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 قطعة فوق را در خود جمع آوری نموده است و دیگر معایب BJT و Power MOSFET را ندارد. این قطعة جدید IGBT نام دارد. در طی سالهای اخیر به دلیل ارزانی و مزایای این قطعه از IGBT استفادة 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 آنها صورت پذیرفت. درآمد فوق العاده بالای فروش این SMPSها در سال 1990 باعث گردیدكه شاخة جدیدی در مهندسی برق ایجاد شود، این رشته مهندسی طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ نام گرفت.
ادامه مطلب را بخوانید
مقدمه
كلیه مدارات الكترونیكی نیاز به منبع تغذیه دارند. برای مدارات با كاربرد كم قدرت از باطری یا سلولهای خورشیدی استفاده می شود. منبع تغذیه به عنوان منبع انرژی دهنده به مدار مورد استفاده قرار می گیرد.
حدود 20 سال است كه سیستمهای پر قدرت جای خود را حتی در مصارف خانگی هم باز كرده اند و این به دلیل معرفی سیستمهای 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 سیستمها 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 آنها استفاده می كردند، درSMPSها دیگر به چشم نمی خورند و این باعث شده كه از این منابع تغذیه بتوان در توانهای خیلی بالا نیز استفاده كرد.
در فركانسهای 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 قطعة فوق را در خود جمع آوری نموده است و دیگر معایب BJT و Power MOSFET را ندارد. این قطعة جدید IGBT نام دارد. در طی سالهای اخیر به دلیل ارزانی و مزایای این قطعه از IGBT استفادة 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 آنها صورت پذیرفت. درآمد فوق العاده بالای فروش این SMPSها در سال 1990 باعث گردیدكه شاخة 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 میدانهای الكترومغناطیسی منابع تغذیه سوئیچینگ با محیط انجام دهد.
5- درك صحیح از دفع حرارت درونی (انتقال حرارت به محیط) و طراحی مدارات خنك كنندة مؤثر با راندمان زیاد.
و …
دراین کتاب نیز سعی بر این است كه طبق اصول نوین مهندسی طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ كلیه اطلاعات مورد نیاز در اختیار خواننده قرار گیرد.
________________________________________
1.2. تعاریف عمومی در SMPSها
هر سیستم طراحی شده به طور طبیعی وابسته به منبع تغذیة 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 اینها 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 پورتهای PLC ولتاژ اعمالی به سیستمهای تحت كنترل دارای سطوح ولتاژی +24v ,-24v است. در اتومبیلهای 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 تستهای 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 دیاگرامهایی را همراه با دستگاه قرار می دهد كه كمك بیشتری به طراح می كند.
ولتاژ ورودی:
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 محیطهای 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 سیستمهای جبرانساز شکل موجهای شبکه را تا حد قابل قبولی اصلاح کرد.
________________________________________
ایزولاسیون:
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 دوربینهای عكاسی دیجیتالی و دوربینهای فیلم برداری و لوازم نظامی استراق سمع و جاسوسی و بمبها و موشكهای دوربرد ناچاراً باید از ایزولاسیون به وسیله ترانسفورماتور چشمپوشی كرد و به فكر چارة 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 مقدارrms نشان می دهند. هر چه مقدار نسبت ثابت ریپل به مقدار DC كوچكتر باشد بهتر است. این نسبتِ در صدیِ 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:
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 تغذیة رگوله معمولاً دارای مدارات فیدبك برای جبران این تغییرات و اصلاح آنها و محدود كردن این تغییرات در ناحیة 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 روشهای 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 روشهای 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 قسمتهای بعدی به آن اشاره می شود، خیلی كوتاه خواهد شد.
________________________________________
راندمان:
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 سینكها 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:
همة 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 حفاظتها، 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 سیستمها 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 خازنهای 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:
مسأله تداخل الكترومغناطیسی یا EMI در سیستمهای 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 تغذیة 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 تغذیة سوئیچینگی كه در داخل محفظه نگاهداری می شوند، مسألة 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:
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 تغذیة 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 مسألة 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 یعنیVerbakd Deutscher Electroniker (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.
تستهای استاندارد قابل اطمینان معتبر دیگر در مورد منابع تغذیه سوئیچینگ موجود است كه عبارتند از Underwriters Laboratory (UL) كه این تستها 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 تستها اغلب در مورد محصولات الكتریكی که در امریكا و كانادا بکار برده می شوند تصویب شده است، وحتماً این تستها 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 تستهای 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.
تست تداخل الكترومغناطیسی در استانداردهایIEC478 part 3 و همچنین در آلمان طبق VDE0871 و در بریتانیا BS800 مصوب 1983 میلادی و ... دارای قوانین و معیارهای مشخصی می باشد. حتماً در منابع تغذیه سوئیچینگ و هر نوع محصول الكتریكی دیگر بایست به این استانداردها توجه نمود.
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.
انرژی:
مصرف انرژی منابع تغذیه سوئیچینگ را توسط مدارات هوشمند میكروپروسسوری می توان تا حد ممكن كاهش داد. برنامه ای كه امروزه طراحان آنرا 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.
