در این مقاله با منبع تغذیه سوئیچینگ یا همان SMPS و طراحی و کارکرد آن آشنا خواهیم شد.
منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) چیست؟
SMPS مخفف منبع تغذیه حالت سوئیچ شده است. آن را با طیف گسترده ای از نام ها مانند منبع تغذیه، واحد منبع تغذیه، رگولاتور یا سوئیچر در منبع تغذیه الکترونیکی می شناسند. این شامل یک تنظیم کننده سوئیچینگ برای تبدیل توان الکتریکی به طور موثر است. این عمدتا برای به دست آوردن منبع تغذیه dc کنترل شده به عنوان خروجی استفاده می شود.
برای تبدیل برق (ولتاژ) با استفاده از دستگاه های سوئیچینگ که به طور متناوب در فرکانس های بالا روشن و خاموش می شوند استفاده می شود. این دستگاه از اجزای ذخیره سازی مانند سلف ها یا خازن ها برای تامین برق زمانی که دستگاه سوئیچینگ در حالت غیر رسانایی (حالت خاموش) است استفاده می کند. SMPS دارای راندمان بالایی است و به طور گسترده در تجهیزات الکترونیکی مختلف مانند رایانه ها، شارژرهای باتری و سایر تجهیزات حساس که نیاز به منبع تغذیه پایدار و کارآمد دارند استفاده می شود.
کار و طراحی SMPS به بخش ها و مراحل مختلفی تقسیم می شود.
1: مرحله ورودی
منبع ورودی AC فرکانس (50-60) هرتز مستقیماً به مدار یکسو کننده و فیلتر تغذیه می شود. خروجی آن دارای تغییرات زیادی است و مقدار ظرفیت خازن باید به اندازه کافی بالاتر باشد تا بتواند نوسانات ورودی را کنترل کند. در نهایت، dc تنظیم نشده به بخش سوئیچینگ مرکزی SMPS داده می شود تا آن را تنظیم کند. این بخش حاوی هیچ ترانسفورماتوری برای کاهش ولتاژ ورودی نیست.
2: بخش سوئیچینگ
این شامل دستگاه های سوئیچینگ سریع مانند ترانزیستور قدرت یا ماسفت است که با توجه به تغییرات ولتاژ، روشن و خاموش می شود. خروجی به دست آمده به اولیه ترانسفورماتور موجود در این بخش داده می شود.
ترانسفورماتور مورد استفاده در اینجا یک ترانسفورماتور بسیار کوچکتر، سبک تر و بسیار موثر است که ولتاژ را کاهش می دهد. این روش ها در مقایسه با سایر روش های گام به گام بسیار کارآمد هستند. از این رو، نسبت تبدیل توان بالاتر است.
3: مرحله خروجی
خروجی که از بخش سوئیچینگ به دست می آید دوباره اصلاح و فیلتر می شود. برای بدست آوردن ولتاژ DC مورد نظر از مدار یکسوسازی و فیلتر استفاده می کند. سپس ولتاژ خروجی تنظیم شده به دست آمده به مدار کنترل داده می شود.
4: واحد کنترل
این واحد در مورد بازخورد است، که دارای بخش های زیادی در آن است. بیایید اطلاعات مختصری در مورد این بخش را ببینیم.
واحد کنترل داخلی از یک نوسان ساز، تقویت کننده، سنسور و غیره تشکیل شده است. سنسور سیگنال خروجی و بازخورد واحد کنترل را حس می کند. تمام سیگنال ها از یکدیگر جدا می شوند به طوری که هرگونه ضربه ناگهانی نباید بر مدار تأثیر بگذارد. ولتاژ مرجع به عنوان یک ورودی همراه با سیگنال تقویت کننده خطا داده می شود. تقویت کننده مقایسه کننده ای است که سیگنال را با سطح سیگنال مورد نیاز مقایسه می کند.
مرحله بعدی کنترل فرکانس خرد کردن است. سطح ولتاژ نهایی با مقایسه ورودی های داده شده به تقویت کننده خطا کنترل می شود که خروجی آن به تصمیم گیری در مورد افزایش یا کاهش فرکانس برش کمک می کند. نوسان ساز یک موج استاندارد PWM با فرکانس ثابت تولید می کند.
منبع تغذیه سوئیچینگ SMPS بیشتر در مواردی استفاده می شود که تعویض ولتاژها اصلاً مشکلی ندارد، اما در جایی که کارایی سیستم واقعاً مهم است. طراحی و کار SMPS بر اساس همین مفهوم است.
A: غیر ایزوله
مبدل های غیر ایزوله بیشتر زمانی استفاده می شوند که تغییر ولتاژ نسبتاً کم باشد. SMPSهای غیر ایزوله آنهایی هستند که مدارهای ورودی و خروجی آنها از یکدیگر جدا نیستند. عیب اصلی این است که نمی تواند از ولتاژهای الکتریکی بالا محافظت کند و صدای بیشتری ایجاد می کند. آنها 3 نوع هستند.
1: باک
در یک مبدل کاهنده معمولی غیر ایزوله، ولتاژ خروجی VOUT به VIN ولتاژ ورودی و چرخه وظیفه سوئیچینگ کلید برق بستگی دارد.
2: بوست
برای تقویت ولتاژ استفاده می شود و از همان تعداد مولفه غیرفعال استفاده می کند اما به گونه ای تنظیم شده است که ولتاژ ورودی را افزایش دهد تا خروجی بالاتر از ورودی باشد.
3: Buck-Boost
این مبدل به ولتاژ ورودی اجازه می دهد تا بسته به چرخه کاری، افزایش یا کاهش یابد. ولتاژ خروجی توسط رابطه داده می شود
VOUT = -VIN *D/ (1-D)
B: ایزوله
SMPS ایزوله آنهایی هستند که بین مدار ورودی و خروجی ایزوله وجود دارد. منابع از یک ترانسفورماتور برای جدا کردن سوئیچینگ از خروجی استفاده می کنند. سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور به عنوان عنصر ذخیره انرژی عمل می کند.
I: مبدل Fly-back:
عملکرد این مبدل مشابه مبدل باک بوست از دسته غیر ایزوله است. تنها تفاوت این است که از ترانسفورماتور برای ذخیره انرژی به جای سلف در مدار استفاده می کند.
II: مبدل فوروارد
کار این مبدل از ترانسفورماتور برای ارسال انرژی بین ورودی و خروجی در یک مرحله استفاده می کند.
• در سرورها، نیروگاه ها و رایانه های شخصی استفاده می شود.
• در وسایل نقلیه برای شارژ باتری استفاده می شود.
• در کارخانجات و صنایع برای نیرو استفاده می شود.
• در سیستم راه آهن، سیستم امنیتی استفاده می شود.
• در موبایل و همچنین نورپردازی نیز استفاده می شود.
مزایا
• از نظر اندازه کوچکتر و سبک وزن است.
• راندمان برق بهتر در حدود 60 تا 70 درصد.
• ضد تداخل قوی.
• طیف وسیعی از خروجی.
• حرارت کمتری تولید می کند.
معایب
• طراحی و کار SMPS پیچیده تر است.
• دارای ریپل خروجی بالاتر و تنظیم آن رضایت بخش نیست.
• عمدتاً محدود به تنظیم کننده گام به پایین است.
• دارای نویز الکتریکی با فرکانس بالا.
• منجر به اعوجاج هارمونیک می شود.
