منبع تغذیه سوئیچینگ

منبع تغذیه سوئیچینگ (Switched-mode power supply) نوعی منبع تغذیه است. منبع تغذیه، یک عبارت عمومی برای توصیف مدارهایی می‌باشد که از منبع ولتاژ در دسترس، ولتاژ DC با اندازه ای ثابت و یا کنترل شده تولید می ‌کنند. ولتاژ DC خروجی در بسیاری از مدار ها کاربرد دارد و تأمین آن  بسیار ضروری است. برای مثال، تراشه‌ مدار مجتمع (IC) که در داخل مدار های الکترونیکی به کار گرفته می‌شوند، به یک ولتاژ DC استاندارد با دامنه ثابت نیازمند هستند.

به طور کلی، دو نوع منبع تغذیه وجود دارد که عبارتند از:

1. منبع تغذیه خطی (Linear Regulated Power Supply)
2. منبع تغذیه سوئیچینگ (Switched Mode Power Supply) یا SMPS

محبوب‌ ترین نوع رگولاتور های ولتاژ خطی و ثابت در دو نوع با ولتاژ خروجی مثبت و منفی موجود هستند. ولتاژ خروجی این دو مکمل، پایدار و دقیق بوده و در محدوده ۵ تا ۲۴ ولت می‌باشد که در بسیاری از مدارهای الکترونیکی به کار گرفته می‌شود. استفاده از تنظیم کننده ‌ها یا رگولاتورهای خطی نسبت به استفاده از مدار های تنظیم کننده ولتاژ که از قطعات گسسته مانند دیود زنر، مقاومت یا ترانزیستور و حتی آپ امپ ساخته شده‌ اند عموماً ساده ‌تر و دارای عملکرد بیشتری است.

طیف بسیاری از این رگولاتور های ولتاژ سه ترمیناله وجود دارند که در درون آن ‌ها مدارهای محدود کننده جریان و تنظیم ولتاژ تعبیه شده است. رگولاتور های خطی متغیری همچنین در دسترس هستند که ولتاژ خروجی آن‌ از صفر تا یک مقدار مشخص قابل تغییر است. اغلب منبع تغذیه های جریان مستقیم، از یک ترانسفورماتور سنگین کاهنده، یکسوساز دیودی تمام موج یا نیم موج، یک فیلتر برای حذف هر نوع 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.در ورودی منبع تغذیه یک ترانسفورماتور بزرگ بعد از ac ورودی وجود دارد. این ترانسفورماتور باعث ایزولاسیون بین خروجی و ورودی می‌شود.

نحوه کار منبع تغذیه سوئیچینگ 

منبع‌های تغذیه سوئیچینگ یا  SMPS ها به جای منابع تغذیه AC به DC خطی سنتی به کار می ‌روند که تولید گرما، مصرف توان، وزن و اندازه مدار را کاهش می‌ دهند. امروزه منبع های تغذیه سوئیچینگ در تقویت کننده‌های توان، کامپیوترها، تلویزیون‌ ها، درایو موتورهای  dc  و… به کار گرفته می‌شوند. 

بر طبق تعاریف، منبع سوئیچینگ (SMPS) نوعی منبع تغذیه است که از روش‌ های سوئیچینگ مبتنی بر نیمه ‌هادی برای رسیدن به ولتاژ خروجی مناسب و مطلوب استفاده می‌ کند. مبدل سوئیچینگ پایه از یک مدار کنترل و یک بخش سوئیچینگ توان تشکیل شده است. بخش سوئیچینگ توان، تبدیل توان را از ولتاژ ورودی  VIN مدار به ولتاژ خروجی  VOUT انجام می ‌دهد که فیلتر خروجی هم دارد.

ویژگی اصلی منبع تغذیه سوئیچینگ بازده بالاتر آن در مقایسه با رگولاتورهای خطی استاندارد است. مهره اصلی در رسیدن به این بازده یک ترانزیستور (یا ماسفت) می‌باشد که بین دو وضعیت (ON) و (OFF) سوئیچ می‌ کند و موجب هدر رفت توان و انرژی کمتری می ‌شود. 

وقتی ترانزیستور کاملاً ON باشد و جریان را هدایت نماید، افت ولتاژ آن در حداقل خود خواهد بود و هنگامی که به طور کامل OFF شود جریانی از آن عبور نخواهد کرد. و در آخر، ترانزیستور شبیه یک سوئیچ یا کلید ایده‌آل عمل خواهد کرد.

پس در نتیجه، برخلاف رگولاتور های خطی که فقط تنظیم ولتاژ را به صورت کاهنده انجام می‌ دهند، یک منبع سوئیچینگ می ‌تواند افزاینده، کاهنده و یا وارون‌ گر پلاریته ولتاژ ورودی باشد. 

سه مدار بوست (Boost) ، سوئیچینگ باک Buck و باک-بوست که به ترتیب افزاینده، کاهنده و وارون ‌گر پلاریته ولتاژ هستند، مدار های پایه منبع تغذیه سوئیچینگ را تشکیل می‌ دهند. تفاوت این مدار ها در مکان‌های قرار گرفتن سوئیچ، خازن و سلف خروجی در مدار می باشد. در ادامه، با مبدل ‌های سوئیچینگ آشنا می‌شویم.

رگولاتور سوئیچینگ باک

 مبدل باک یک نوع مدار تغذیه سوئیچینگ است که برای کاهش ولتاژ ورودی بدون تغییر پلاریته طراحی شده است. به بیانی دیگر، رگولاتور سوئیچینگ باک یک مدار کاهنده است. 

برای مثال، ولتاژ‌ 12+ را به ولتاژ 5+ ولت تبدیل می ‌کند. رگولاتور باک یک مبدل DC به DC و یکی از ساده ‌ترین و البته محبوب ‌ترین رگولاتورهای سوئیچینگ می باشد. در مبدل باک، ترانزیستور سری TR1 وجود دارد که وظیفه کنترل ولتاژ خروجی را برعهده دارد. مبدل باک، بسته به اینکه ترانزیستور سوئیچینگ TR1 خاموش یا روشن باشد، دو وضعیت عملکرد دارد.

وقتی که ترانزیستور بایاس ON باشد، دیود  D1 بایاس معکوس می‌شود و ولتاژ ورودی  VIN سبب برقراری جریان در سیم ‌پیچ سلف شده و از طریق آن خازن متصل به بار شارژ می شود. 

وقتی جریان از سلف می ‌گذرد، یک نیروی محرکه الکتریکی معکوس  (Back-EMF)  تولید می‌شود که طبق قانون «فارادی» تا زمانی که به حالت ماندگار برسد با عبور جریان مخالف است. هنگامی که ترانزیستور خاموش می ‌شود، ولتاژ ورودی امیتر برای لحظه ‌ای قطع خواهد شد و سبب می ‌شود که میدان مغناطیسی حول سلف با یک ولتاژ‌ معکوس کاهش یابد.

 این ولتاژ معکوس باعث می ‌شود تا دیود بایاس مستقیم شده و انرژی ذخیره در میدان مغناطیسی سلف باعث ادامه عبور جریان در جهت قبلی خواهد بشود. این جریان، بار را تغذیه می ‌کند و از طریق دیود به سلف باز می‌گردد.

 در این وضعیت، تا زمانی که ترانزیستور به حالت هدایت برگردد، سلف، مانند یک منبع، بار را تغذیه می ‌کند. در همین حین، خازن نیز تخلیه می ‌شود و جریان بار را تأمین می‌کند. ترکیب خازن و سلف یک فیلتر LC را تشکیل می ‌دهد که ریپل خروجی ایجاد شده توسط سوئیچینگ ترانزیستور را حذف می ‌کند. بنابراین، وقتی ترانزیستور هدایت نکند، جریان توسط سلف تأمین خواهد شد و وقتی که هدایت کند، جریان از منبع کشیده می ‌شود. توجه کنید که جریان گذرنده از سلف باید همواره در یک جهت قرار گیرد. 

از آنجایی که ترانزیستور به طور پیوسته روشن و خاموش می‌گردد، مقدار ولتاژ‌ خروجی میانگین آن را می توان با در نظر گرفتن از معیاری به نام سیکل وظیفه (Duty Cycle) یا سیکل کاری تعیین کرد. سیکل وظیفه یا دیوتی سایکل برابر است با نسبت زمان هدایت ترانزیستور به مجموع زمان قطع و هدایت آن. اگر  VIN ولتاژ ورودی باشد و مدت زمان روشن و خاموش بودن ترانزیستور به ترتیب، tON  و  tOF باشند، ولتاژ‌ خروجی مبدل باک  می توانیم به صورت کلی این‌گونه مطرح کنیم:

VOUT=tON(tON+tOFF)×V IN

با استفاده از معنای سیکل کاری می‌شود ولتاژ خروجی را به صورت زیر بیان کرد:

D=tON(tON+tOFF)=tONT

D≈VOUTVIN⇒VOUT=DVIN

در نتیجه، هرچه سیکل کاری بیشتر شود، ولتاژ خروجی DC میانگین منبع تغذیه سوئیچینگ نیز بیشتر می‌شود. با توجه به رابطه بالا می ‌توان دید که ولتاژ خروجی به طور پیوسته از ولتاژ ورودی کمتر است؛ زیرا سیکل کاری همیشه در مقداری کم‌تر از یک قرار دارد. یکی از ویژگی‌های مثبت مبدل باک این است که ترکیب خازن و سلف آن باعث فیلترسازی مناسب جریان خواهد شد. در حالت مورد انتظار، مبدل باک باید در مُد سوئیچینگ همواره کار کند و جریان سلف هیچ‌ گاه به صفر نرسد. اگر عناصر مدار ایده‌آل باشند، در حالت ON‌ سوئیچ افت ولتاژ صفر خواهد بود و بازدهی مبدل باک صد درصد می باشد.

رگولاتور سوئیچینگ بوست

 مبدل سوئیچینگ بوست نوع دیگری از منبع سوئیچینگ است که عملکرد آن مشابه رگلاتور باک است، با این تفاوت که ولتاژ خروجی به مقدار قابل توجه ای بزرگتر از ولتاژ ورودی بوده و پلاریته ورودی را تغییر نمی ‌دهد. به بیانی دیگر، مبدل بوست یک مدار رگولاتور افزاینده ولتاژ‌ می باشد که برای مثال ولتاژ 5+ ولت در ورودی را به 12+ ولت خروجی تبدیل می ‌کند. در رگلاتور بوست از یک ترانزیستور سوئیچینگ موازی برای کنترل ولتاژ‌ خروجی استفاده می ‌شود و از آن ‌جایی که ترانزیستور به صورت موازی با خروجی در مدار مبدل قرار گرفته است، انرژی وقتی از سلف به خروجی منتقل می ‌شود که ترانزیستور خاموش باشد.

در مدار رگلاتور بوست وقتی ترانزیستور کاملاً ON باشد، انرژی از منبع  VIN به سلف منتقل می ‌شود و از طریق ترانزیستور به منبع باز می ‌گردد. بنابراین، هیچ گونه بخشی از جریان به بار منتقل نمی ‌شود؛ چون در این حالت ترانزیستور اشباع شده و مانند یک اتصال کوتاه عمل می ‌کند. در نتیجه، جریان گذرنده از سلف افزایش می‌یابد؛ زیرا یک مسیر داخلی کوتاه ‌تر برای برگشت جریان به منبع وجود دارد. در همین حین، دیود بایاس معکوس می ‌شود، به دلیل اینکه آند آن به سبب هدایت ترانزیستور تعیین شده است. و در آخر خازن در بار تخلیه می ‌شود.

 هنگامی که ترانزیستور به طور کامل OFF  شود، منبع ورودی از سلف و دیود سری به خروجی متصل می‌شوند. از آن‌ جایی که در این وضعیت میدان سلف کاهش می ‌یابد، انرژی ذخیره شده از دیودی که در حال حاضر بایاس مستقیم را هدایت می‌کند به خروجی انتقال می ‌یابد. پس، ولتاژ‌ القایی سلف  L1 معکوس شده و با ولتاژ ورودی جمع می‌گردد. و در نهایت، ولتاژ خروجی برابر با  VIN+VL خواهد بود.

 ولتاژ القایی سلف  L1 به منبع افزوده شده و باعث عبور جریان از سلف به بار می‌شود. ولتاژ خروجی رگلاتور بوست با رابطه زیر محاسبه می‌ شود:

VOUT=VIN1(1−D)

رگولاتور سوئیچینگ باک-بوست

 مبدل سوئیچینگ باک-بوست، ترکیبی از رگلاتور باک و بوست است که و انرژی خروجی آن منفی و یا معکوس ولتاژ ورودی است و از نظر اندازه می ‌تواند کوچکتر یا بزرگتر از آن باشد. هنگامی که ترانزیستور TR1 روشن می ‌شود، ولتاژ سلف برابر با ولتاژ منبع ورودی خواهد بود. در این وضعیت، جریانی از خروجی عبور نخواهد کرد، زیرا دیود D1 بایاس منفی شده است. زمانی که ترانزیستور خاموش گردد، دیود بایاس مستقیم شده و انرژی که قبل تر در سلف ذخیره شده بود به بار منتقل می‌گردد.

به بیانی دیگر، وقتی ترانزیستور روشن باشد، انرژی از منبع DC به بار منتقل می‌گردد و وقتی خاموش شود انرژی سلف به بار منتقل خواهد شد. پس، در حالتی که ترانزیستور خاموش است، ولتاژ بار برابر با سلف خواهد بود و در نتیجه آن، ولتاژ‌ خروجی معکوس توانایی این را دارد که کوچکتر، بزرگتر و یا مساوی با اندازه ولتاژ‌ منبع DC (ورودی) باشد. به طور مثال، مبدل باک-بوست مثبت به منفی این قدرت را دارد که ۵ ولت را به 12- ولت و یا ۱۲ ولت را به 5- ولت تبدیل کند.

ولتاژ خروجی وضعیت ماندگار مبدل سوئیچینگ باک-بوست به صورت زیر محاسبه می‌ شود:

VOUT=–VIN(D1–D)

نام این رگلاتور هم از این موضوع می ‌آید که اندازه ولتاژ‌ خروجی آن می ‌تواند بزرگتر مانند رگلاتور بوست یا کوچکتر مانند رگلاتور باک از اندازه ولتاژ منبع ورودی باشد. البته پلاریته خروجی برعکس پلاریته ورودی است.

مزایا منبع تغذیه سوئیچینگ

• راندمان بالا
• بازده منبع تغذیه سوئیچینگ بین % ۷۰ تا % ۹۶
• توان تلفاتی پایین
•  توان تلفاتی بسیار بالا در منابع تغذیه خطی عنصر کنترل  
• کاهش بسیار اتلاف انرژى
• ابعاد کوچک ترانس با افزایش فرکانس
• انتقال انرژی نسبتاً زیاد در تعداد دفعات کم به خروجی در فرکانس 50 هرتز شهری
• سبک و کم وزن
• کاملاً فشرده
• ورودی با محدوده دینامیکی بالا
• زمان نگهداری بیش از پنج میلی ثانیه

معایب منبع تغذیه سوئیچینگ

• نیاز به محافظت در مقابل اضافه بار 
• عدم افزایش ولتاژ با قطع شدن فیدبک در منبع تغذیه خطی 
• انتقال انرژی بیشتر به خروجی موجب افزایش ولتاژ و در نهایت  با انرژی بالاتر منجر به سوختن عناصر مدار می‌شود
•  جریان های یورشی زیاد

پاور ساپلای سوئیچینگ مدرن از سوئیچ‌ های حالت جامد برای تبدیل انرژی ورودی DC تنظیم نشده به یک ولتاژ‌ خروجی  پایدار و هموار با سطوح مختلف بهره می ‌برند. منبع ورودی می ‌تواند انرژی DC یک صفحه خورشیدی یا یک باتری و یا ولتاژ یکسو شده منبع AC باشد که با استفاده از پل دیودی با فیلتر های خازنی مناسب یکسو شده است. در بسیاری از کاربری های کنترل توان، ترانزیستور قدرت MOSFET یا IGFET در حالت سوئیچینگ خود کار می ‌کند و در سرعت بالا روشن و خاموش می‌شود. ویژگی اصلی در این مورد این است که، بازده توان بسیار بالا خواهد بود، چون ترانزیستور یا روشن یا اشباع است و هدایت می ‌کند و یا قطع یا همان خاموش است.