آشنایی با منابع تغذیه برق

منبع تغذیه، یک عبارت عمومی برای توصیف مدارهایی است که از یک منبع ولتاژ در دسترس، ولتاژ DC با اندازه ثابت یا کنترل شده تولید می‌کنند. این ولتاژ DC خروجی در بسیاری از مدارها کاربرد دارد و تأمین آن ضروری است. برای مثال، تراشه‌های مدار مجتمع (ICها) که در مدارهای الکترونیکی به کار می‌روند، به یک ولتاژ DC استاندارد با دامنه ثابت نیاز دارند. در این آموزش با منبع تغذیه سوئیچینگ و انواع آن آشنا خواهیم شد.

در حالت کلی، دو نوع منبع تغذیه وجود دارد:

• منبع تغذیه خطی (Linear Regulated Power Supply)
• منبع تغذیه سوئیچینگ (Switched Mode Power Supply) یا SMPS

محبوب‌ترین انواع رگولاتورهای ولتاژ ثابت و خطی در دو نوع با ولتاژ خروجی مثبت و ولتاژ خروجی منفی موجود هستند. ولتاژ خروجی این دو نوعِ مکمل، دقیق و پایدار بوده و در محدوده ۵ تا ۲۴ ولت است که در بسیاری از مدارهای الکترونیکی به کار می‌رود.

استفاده از تنظیم کننده‌ها یا رگولاتورهای خطی ولتاژ نسبت به استفاده از مدارهای تنظیم کننده ولتاژی که از قطعات گسسته مانند دیود زنر و مقاومت یا ترانزیستور و حتی آپ امپ ساخته شده‌اند عموماً کارامدتر و ساده‌تر است.

 

 

غلب منابع تغذیه جریان مستقیم، از یک ترانسفورماتور بزرگ و سنگین کاهنده، یکسوساز دیودی نیم موج یا تمام موج، یک فیلتر برای حذف هرگونه ریپل سیگنال ولتاژ خروجی و تعدادی تنظیم کننده یا پایدارساز خطی یا سوئیچینگ برای تضمین تنظیم صحیح ولتاژ خروجی در شرایط تغییر بار تشکیل می‌شوند. شمای کلی یک منبع تغذیه DC، مطابق شکل زیر است.

 

 

در ورودی این منبع تغذیه یک ترانسفورماتور بزرگ بعد از برق ac ورودی وجود دارد. این ترانسفورماتور سبب ایزولاسیون بین ورودی و خروجی می‌شود.

 

منبع تغذیه خطی

 

مدار بخش رگولاتور شکل بالا می‌تواند فقط یک دیود زنر یا یک رگولاتور خطی سه سر باشد و ولتاژ خروجی مورد نظر را تولید کند. مزیت رگولاتور خطی این است که در مدار منبع تغذیه فقط به یک خازن ورودی، خازن خروجی و تعدادی مقاومت فیدبک برای تنظیم ولتاژ نیاز دارد.

 

رگولاتورهای ولتاژ خطی یک ترانزیستور سری بین ورودی و خروجی تشکیل می‌شوند. این ترانزیستور به طور پیوسته جریان را هدایت کرده و رگولاتور یک ولتاژ DC تنظیم شده را تولید می‌کند. همان‌گونه که از نام رگولاتور خطی بر می‌آید در ناحیه خطی مشخصه جریان-ولتاژ کار می‌کند. بنابراین، ترانزیستور بیشتر شبیه یک مقاومت متغیر عمل است که به صورت پیوسته مقاومتش را با توجه به مقدار ولتاژ خروجی مورد نیاز تغییر می‌دهد.

 

شکل زیر مدار یک رگولاتور امیتر فالوئر ساده را نشان می‌دهد که از یک ترانزیستور NPN و یک ولتاژ بایاس DC برای تنظیم ولتاژ خروجی مورد نظر تشکیل شده است.

 

 

 

از آن‌جایی که مدار یک امیتر فالوئر دارای بهره ولتاژ واحد است، با اعمال ولتاژ بایاس DC‌ مناسب به بیس ترانزیستور، یک خروجی پایدار در ترمینال امیتر حاصل می‌شود.

 

به دلیل آنکه ترانزیستور بهره جریان دارد، جریان بار خروجی بسیار بزرگتر از جریان بیس خواهد بود. اگر از یک زوج دارلینگتون به جای ترانزیستور استفاده کنیم، این مقدار بهره بیشتر نیز خواهد شد.

 

همچنین، اگر اندازه ولتاژ ورودی به اندازه کافی باشد، می‌توان ولتاژ خروجی را با ولتاژ بیس ترانزیستورها کنترل کرد. برای مثال، در مدار شکل بالا اگر ولتاژ بایاس بیس 5.7 ولت باشد، ولتاژ خروجیِ ۵ ولت به بار اعمال خواهد شد، زیرا تقریباً 0.7 ولت بین پایه‌های بیس و امیتر افت ولتاژ وجود دارد. بسته به مقدار ولتاژ بیس، می‌توان به هر ولتاژ خروجی دلخواهی برای امیتر دست یافت.

 

وقتی این مدار رگولاتور ساده کار می‌کند که ترانزیستور سری آن به طور پیوسته در ناحیه خطی خود (مصرف توان) بایاس شود. در این حالت، توان به فرم گرما تلف می‌شود. در نتیجه بازدهی آن ضعیف بوده و موجب تولید مداوم گرما خواهد شد.

 

یکی دیگر از معایب رگولاتورهای خطی ولتاژ این است که حداکثر جریان خروجی پیوسته آن‌ها به چند آمپر محدود است و به همین دلیل در مواردی مورد استفاده قرار می‌گیرند که در آن‌ها توان کم باشد. وقتی منابع تغذیه‌ای با جریان و توان بیشتر نیاز داشته باشیم، معمولاً از یک رگولاتور سوئیچینگ استفاده می‌کنیم که در این صورت، منبع تغذیه، «منبع تغذیه سوئیچینگ» (Switch Mode Power Supply) یا SMPS نامیده می‌شود.

 

 

 

منبع تغذیه سوئیچینگ

 

منابع تغذیه سوئیچینگ یا SMPSها به جای منابع تغذیه AC به DC خطی سنتی به کار می‌روند و مصرف توان، تولید گرما و اندازه و وزن مدار را کاهش می‌دهند. امروزه منابع تغذیه سوئیچینگ در کامپیوترها، تقویت کننده‌های توان، تلویزیون‌ها، درایو موتورهای dc و… مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 

طبق تعریف، یک منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) نوعی منبع تغذیه است که از روش‌های سوئیچینگ مبتنی بر نیمه‌هادی برای رسیدن به ولتاژ خروجی مطلوب استفاده می‌کند. یک مبدل سوئیچینگ پایه از یک بخش سوئیچینگ توان و یک مدار کنترل تشکیل شده است. بخش سوئیچینگ توان، تبدیل توان را از ولتاژ ورودی  $$V_{\text{IN}}$$ مدار به ولتاژ خروجی $$V_{\text{OUT}}$$ انجام می‌دهد که فیلتر خروجی نیز دارد.

 

مزیت اصلی منبع تغذیه سوئیچینگ بازده بالاتر آن در مقایسه با رگولاتورهای خطی استاندارد است. عنصر اصلی در رسیدن به این بازده یک ترانزیستور (یا ماسفت) است که بین دو وضعیت اشباع (ON) و قطع (OFF) سوئیچ می‌کند و موجب اتلاف توان کمتری می‌شود. وقتی ترانزیستور سوئیچینگ کاملاً ON باشد و جریان را هدایت کند، افت ولتاژ آن حداقل خواهد بود و هنگامی که کاملاً OFF شود جریانی از آن عبور نخواهد کرد. بنابراین، ترانزیستور شبیه یک سوئیچ یا کلید ایده‌آل عمل می‌کند.

 

در نتیجه، برخلاف رگولاتورهای خطی که فقط تنظیم ولتاژ را به صورت کاهنده انجام می‌دهند، یک منبع تغذیه سوئیچینگ می‌تواند کاهنده، افزاینده و یا وارون‌گر پلاریته ولتاژ ورودی باشد. سه مدار سوئیچینگ «باک» (Buck)، «بوست» (Boost) و «باک-بوست» (Buck-Boost) که به ترتیب، کاهنده، افزاینده و وارون‌گر پلاریته ولتاژ هستند، مدارهای پایه منابع تغذیه سوئیچینگ را تشکیل می‌دهند. تفاوت این مدارها در مکان قرار گرفتن سوئیچ، سلف و خازن خروجی در مدار است.

 

در آموزش ویدئویی «ساخت منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) و شبیه سازی در MATLAB و PSIM» مباحث تئوری منابع تغذیه سوئیچینگ همراه با شبیه‌سازی در نرم‌افزارهای MATLAB و PSIM ارائه شده است. علاوه بر این، مثال‌هایی از فرایند طراحی مبدل‌ها بیان شده و نقشه‌های فنی آن‌ها در نرم‌افزار Altium طراحی و پیاده‌سازی شده است.

 

در ادامه، با مبدل‌های سوئیچینگ آشنا می‌شویم.

 

رگولاتور سوئیچینگ باک

 

مبدل باک یک مدار منبع تغذیه سوئیچینگ است که برای کاهش ولتاژ ورودی بدون تغییر پلاریته آن طراحی شده است. به عبارت دیگر، رگولاتور سوئیچینگ باک یک مدار کاهنده ولتاژ است که برای مثال، ولتاژ‌ 12+ ولت را به ولتاژ 5+ ولت تبدیل می‌کند.

 

رگولاتور باک یک مبدل DC به DC و یکی از ساده‌ترین و البته محبوب‌ترین رگولاتورهای سوئیچینگ است. در مدار این مبدل، مطابق شکل زیر یک ترانزیستور یا ماسفت یا IGBT قدرت وجود دارد.

 

 

 

همان‌طور که در مدار شکل بالا می‌بینیم، در مبدل باک ترانزیستور سری $${\text{TR}}_1$$ وجود دارد که وظیفه آن کنترل ولتاژ خروجی است. مبدل باک، بسته به اینکه ترانزیستور سوئیچینگ $${\text{TR}}_1$$ روشن یا خاموش باشد، دو وضعیت عملکرد دارد.

 

وقتی ترانزیستور بایاس ON باشد، دیود $${\text{D}}_1$$ بایاس معکوس شده و ولتاژ ورودی $$V_{\text{IN}}$$ سبب برقراری جریان در سیم‌پیچ سلف شده و از طریق آن خازن متصل به بار را شارژ می‌کند. وقتی جریان از سلف می‌گذرد، یک نیروی محرکه الکتریکی معکوس (Back-EMF) تولید می‌کند که طبق قانون فارادی تا زمانی که به یک حالت ماندگار برسد با عبور جریان مخالف است.

 

هنگامی که ترانزیستور خاموش می‌شود، ولتاژ ورودی مدار امیتر برای لحظه‌ای قطع خواهد شد و سبب می‌شود میدان مغناطیسی حول سلف با یک ولتاژ‌ معکوس کاهش یابد. این ولتاژ معکوس باعث می‌شود دیود بایاس مستقیم شده و انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی سلف سبب ادامه عبور جریان در جهت قبلی خواهد شد. این جریان، بار را تغذیه می‌کند و از طریق دیود به سلف بر می‌گردد.

 

در این حالت، تا زمانی که ترانزیستور به وضعیت هدایت برگردد، سلف، مانند یک منبع، بار را تغذیه می‌کند. همزمان، خازن نیز تخلیه می‌شود و جریان بار را تأمین خواهد کرد. ترکیب سلف و خازن یک فیلتر LC را تشکیل می‌دهد که ریپل خروجی ایجاد شده توسط سوئیچینگ ترانزیستور را حذف می‌کند.

 

بنابراین، وقتی ترانزیستور هدایت کند، جریان از منبع کشیده می‌شود و هنگامی که هدایت نکند، جریان توسط سلف تأمین خواهد شد. توجه کنید که جریان گذرنده از سلف باید همواره در یک جهت باشد.

 

از آن‌جایی که ترانزیستور به طور مداوم خاموش و روشن می‌شود، مقدار ولتاژ‌ خروجی میانگین آن را می‌توان با استفاده از پارامتری به نام «سیکل وظیفه» (Duty Cycle) یا سیکل کاری تعیین کرد. سیکل وظیفه برابر است با نسبت زمان هدایت ترانزیستور به مجموع زمان هدایت و قطع آن. اگر $$V_{\text{IN}}$$ ولتاژ ورودی باشد و مدت زمان روشن و خاموش بودن ترانزیستور به ترتیب، $$t_{\text{ON}}$$ و $$t_{\text{OFF}}$$ باشند، ولتاژ‌ خروجی مبدل باک به صورت زیر قابل بیان است:

 

$$V_{\text{OUT}}=\frac{t_{\text{ON}}}{(t_{\text{ON}}+t_{\text{OFF}})}\times V_{\text{IN}}$$

 

با استفاده از تعریف سیکل کاری می‌توان ولتاژ خروجی را به صورت زیر نوشت:

 

$$D=\frac{t_{\text{ON}}}{(t_{\text{ON}}+t_{\text{OFF}})}=\frac{t_{\text{ON}}}{T}$$

 

$$D\approx \frac{V_{\text{OUT}}}{V_{\text{IN}}}\Rightarrow V_{\text{OUT}}=D{V}_{\text{IN}}$$

 

بنابراین، هرچه سیکل کاری زیاد شود، ولتاژ خروجی DC میانگین منبع تغذیه سوئیچینگ نیز افزایش می‌یابد. با توجه به رابطه اخیر می‌توان دید که ولتاژ خروجی همواره از ولتاژ ورودی کوچکتر است؛ زیرا سیکل کاری همواره در مقداری کوچکتر از یک قرار دارد.

 

یکی از مزایای مبدل باک این است که ترکیب سلف و خازن آن سبب فیلترسازی مناسب جریان خواهد شد. در حالت ایده‌آل، مبدل باک باید در مُد سوئیچینگ پیوسته کار کند و جریان سلف هیچ‌گاه صفر نشود. اگر عناصر مدار ایده‌آل باشند، در وضعیت ON‌ سوئیچ افت ولتاژ صفر خواهد بود و بازدهی مبدل باک صد درصد است.

 

رگولاتور سوئیچینگ بوست

 

مبدل یا رگولاتور سوئیچینگ بوست نوع دیگری از منبع تغذیه سوئیچینگ است که عملکرد آن مشابه مبدل باک است، با این تفاوت که ولتاژ خروجی آن بزرگتر از ولتاژ ورودی بوده و پلاریته ولتاژ‌ ورودی را تغییر نمی‌دهد. به عبارت دیگر، مبدل بوست یک مدار رگولاتور افزاینده ولتاژ‌ است که برای مثال ولتاژ 5+ ولت ورودی را به 12+ ولت در خروجی تبدیل می‌کند.

 

در قسمت قبل درباره مبدل باک دیدیم که در مدار آن یک ترانزیستور به به صورت سری با ورودی قرار می‌گیرد. اما در مبدل بوست از یک ترانزیستور سوئیچینگ موازی برای کنترل ولتاژ‌ خروجی مدار استفاده می‌شود. از آن‌جایی که ترانزیستور به صورت موازی با خروجی در مدار مبدل تعبیه شده است، انرژی الکتریکی وقتی از سلف به خروجی منتقل می‌شود که ترانزیستور خاموش یا OFF‌ باشد.

 

شکل زیر مدار مبدل بوست را نشان می‌دهد.

 

 

 

در مدار مبدل بوست شکل بالا وقتی ترانزیستور کاملاً ON باشد، انرژی الکتریکی از منبع $$V_{\text{IN}}$$ به سلف منتقل می‌شود و از طریق ترانزیستور به منبع باز می‌گردد. در نتیجه، هیچ بخشی از جریان به بار منتقل نمی‌شود؛ زیرا در این حالت ترانزیستور اشباع شده و مانند یک اتصال کوتاه عمل می‌کند. بنابراین، جریان گذرنده از سلف زیاد می‌شود؛ زیرا یک مسیر داخلی کوتاه‌تر برای بازگشت جریان آن به منبع وجود دارد. در همین حال، دیود بایاس معکوس می‌شود، زیرا آند آن به دلیل هدایت ترانزیستور زمین شده است. در نتیجه خازن در بار تخلیه می‌شود.

 

وقتی ترانزیستور کاملاً OFF‌ شود، منبع ورودی از طریق سلف و دیود سری به خروجی وصل می‌شود. از آن‌جایی که در این حالت میدان سلف کاهش می‌یابد، انرژی ذخیره شده آن از طریق دیودی که اکنون بایاس مستقیم است و هدایت می‌کند به خروجی انتقال می‌یابد. در نتیجه، ولتاژ‌ القایی سلف $$L_1$$ معکوس شده و با ولتاژ ورودی جمع می‌شود. در نتیجه، ولتاژ خروجی برابر با $$V_{\text{IN}}+V_{\text{L}}$$ خواهد بود.

 

جریان خازن خروجی $$C_1$$ که برای تغذیه بار از آن استفاده می‌شود، اکنون از منبع و از طریق دیود به آن بر می‌گردد. جریانی که خازن را تغذیه می‌کند همان جریان گذرنده از دیود است و از آن‌جایی که وضعیت دیود همواره بین بایاس معکوس و مستقیم تغییر می‌کند، جریانی تغذیه کننده خازن همواره قطع و وصل می‌شود. در نتیجه، خازن خروجی باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا بتواند ولتاژ خروجی را هموار کند.

 

ولتاژ القایی سلف $$L_1$$ به ولتاژ منبع افزوده شده و موجب عبور جریان از سلف به بار می‌گردد. ولتاژ خروجی مبدل بوست با رابطه زیر محاسبه می‌شود:

 

$$V_{\text{OUT}}=V_{\text{IN}}\frac{1}{(1-D)}$$

 

مشابه مبدل باک، ولتاژ خروجی مبدل بوست به ولتاژ ورودی و سیکل وظیفه بستگی دارد. بنابراین، با کنترل سیکل وظیفه تنظیم خروجی امکان پذیر خواهد بود. همان‌طور که می‌بینیم، اندازه ولتاژ خروجی مستقل از مقدار سلف، جریان بار و خازن خروجی است.

 

مبدل‌های بوست معمولاً در مدارهای خازنی مانند شارژ باتری، فلاش دوربین و… به کار می‌روند، زیرا وقتی سوئیج بسته است، خازن همه جریان بار را تأمین می‌کند.

 

رگولاتور سوئیچینگ باک-بوست

 

رگولاتور سوئیچینگ باک-بوست ترکیبی از مبدل باک و بوست است که ولتاژ‌ خروجی آن معکوس (منفی) ولتاژ ورودی است و از نظر اندازه می‌تواند بزرگتر یا کوچکتر از آن باشد. مدار پایه یک منبع تغذیه سوئیچینگ مطابق شکل زیر است.

 

 

 

وقتی ترانزیستور $${\text{TR}}_1$$ کاملاً روشن می‌شود، ولتاژ سلف برابر با ولتاژ منبع تغذیه ورودی خواهد بود. در این حالت، جریانی از بار خروجی عبور نخواهد کرد، زیرا دیود $${\text{D}}_1$$ بایاس معکوس شده است. هنگامی که ترانزیستور کاملاً خاموش گردد، دیود بایاس مستقیم شده و انرژی که قبلاً در سلف ذخیره شده بود به بار منتقل می‌شود.

 

به عبارت دیگر، وقتی ترانزیستور ON باشد، انرژی از منبع DC به بار منتقل می‌شود و وقتی OFF شود انرژی سلف به بار منتقل خواهد شد. بنابراین، در حالتی که ترانزیستور OFF است، ولتاژ بار برابر با ولتاژ سلف خواهد بود. در نتیجه، ولتاژ‌ خروجی معکوس می‌تواند بزرگتر یا کوچکتر و یا مساوی با اندازه ولتاژ‌ منبع DC ورودی باشد. برای مثال، یک مبدل باک-بوست مثبت به منفی می‌تواند مثلاً ۵ ولت را به 12- ولت و یا ۱۲ ولت را به 5- ولت تبدیل کند.

 

ولتاژ خروجی حالت ماندگار رگولاتور سوئیچینگ باک-بوست به صورت زیر محاسبه می‌شود:

 

$$V_{\text{OUT}}=–V_{\text{IN}}\left(\frac{D}{1–D}\right)$$

 

نام این مبدل هم از این موضوع بر می‌آید که اندازه ولتاژ‌ خروجی آن می‌تواند بزرگتر (مانند مبدل بوست) یا کوچکتر (مانند مبدل باک) از اندازه ولتاژ منبع ورودی باشد. البته پلاریته ولتاژ خروجی برعکس پلاریته ولتاژ ورودی است.

 

جمع‌بندی

 

منابع تغذیه سوئیچینگ مدرن از سوئیچ‌های حالت جامد برای تبدیل ولتاژ ورودی DC تنظیم نشده به یک ولتاژ‌ خروجی DC هموار و پایدار با سطوح مختلف بهره می‌برند. منبع ورودی می‌تواند ولتاژ DC یک باتری یا صفحه خورشیدی و یا ولتاژ یکسو شده یک منبع AC باشد که با استفاده از یک پل دیودی با فیلترهای خازنی مناسب یکسو شده است.

 

در بسیاری از کاربردهای کنترل توان، ترانزیستور قدرت MOSFET یا IGFET در مُد سوئیچینگ خود کار می‌کند و سرعت بالا خاموش و روشن می‌شود. مزیت اصلی در این مورد این است که بازده توان بسیار بالا خواهد بود، زیرا ترانزیستور یا کاملاً روشن است و هدایت می‌کند (اشباع است) یا کاملاً خاموش است (قطع است).

 

چند نوع مبدل DC/DC مختلف وجود دارد که سه نوع مهم و پرکاربرد آن‌ها مبدل‌ها یا رگولاتورهای سوئیچینگ باک، بوست و باک-بوست هستند. این سه توپولوژی غیرایزوله هستند، یعنی در ولتاژ ورودی و خروجی آن‌ها یک نقطه مشترک زمین وجود دارد.

 

تنظیم ولتاژ خروجی با کنترل درصد زمان روشن بودن ترانزیستور سوئیچینگ نسبت به مجموع روشن و خاموش بودن آن در یک دوره تناوب انجام می‌شود. این نسبتِ زمان روشن بودن ترانزیستور به مجموع زمان روشن و خاموش بودن، سیکل کاری یا سیکل وظیفه نامیده می‌شود. با تغییر سیکل وظیفه می‌توان ولتاژ خروجی مبدل را کنترل کرد.

 

با استفاده از یک سلف و یک دیود در کنار سوئیچ‌های حالت جامدِ سریع با قابلیت سوئیچینگ در فرکانس‌های چند کیلوهرتز در طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ، می‌توان اندازه و وزن مدار را به طور قابل توجهی کاهش داد. دلیل این کاهش هزینه و وزن این است که از ترانسفورماتوهای کاهنده یا افزاینده در مدار استفاده نمی‌شود. البته اگر نیاز باشد بین ترمینال‌های ورودی و خروجی جداسازی و ایزولاسیون انجام دهیم، باید قبل از مبدل یک ترانسفوماتور تعبیه کنیم.

 

دو پیکربندی محبوب و رایج منابع تغذیه سوئیچینگ، مبدل‌های باک و بوست هستند. مبدل باک نوعی منبع تغذیه سوئیچینگ است که انرژی الکتریکی را از یک سطح ولتاژ مشخص به سطح ولتاژی پایین‌تر تبدیل می‌کند. در مبدل باک یک ترانزیستور به صورت سری با منبع ورودی قرار گرفته است. ولتاژ‌ خروجی مبدل باک همیشه کمتر از ولتاژ‌ ورودی آن است. مبدل بوست یک منبع تغذیه سوئیچینگ است و به گونه‌ای طراحی شده که انرژی الکتریکی را از یک سطح ولتاژ‌ معین به سطح ولتاژ بالاتری تبدیل می‌کند. در مبدل بوست یک ترانزیستور وجود دارد که به صورت موازی با ورودی در مدار قرار می‌گیرد. در مبدل بوست، ولتاژ خروجی همواره بزرگتر از ولتاژ ورودی است.

 

در خروجی مبدل‌ها یک خازن بسیار بزرگ برای هموارسازی ولتاژ وجود دارد که با اعمال سوئیچینگ ترانزیستور سبب تولید یک ولتاژ‌ ثابت و پایدار در خروجی می‌شود.