انواع و عوامل مؤثر در انتخاب یک آرایش مناسب و بررسی رگولاتور نوع Buck

در این فصل ما ابتدا عوامل مؤثر در انتخاب یک آرایش را به طور مختصر بیان می کنیم و سپس انواع آرایش های منابع سوئیچینگ و در پایان نیز به تفسیر آرایش Buck می پردازیم .

۱-۲) عوامل مؤثر در انتخاب یک آرایش مناسب :
جهت انتخاب یک آرایش مناسب نیاز به شناخت آرایش های مختلف ، تفاوت ها و قابلیت ها و محدودیتهای آنها وجود دارد .
پنج عامل متمایز کننده ی آرایش ها تعداد زیر هستند :
‌أ حداکثر جریان اولیه که تعیین کننده ی حد تحمل نیمه هادی قدرت است

.
‌ب مقدار ولتاژی که باید روی اولیه ترانس بیفتد ( یا ولتاژ ورودی).
‌ج بخشی از منحنی مغناطیسی B-H ( مربوط به هسته ای که انرژی را به شکل مغناطیسی در خود ذخیره می کند ) که این نشان دهنده ی آن است که کدام آرایش ترانسفورماتور کوچکتری را برای یک توان مشخص دارد .

‌د ایزولاسیون ورودی از بار ، که ایزولاسیون DC خروجی را از ورودی تأمین می کند و این اجازه را به طراح می دهد که خروجی های متعددی را به راحتی اضافه کند . همچنین برحسب تقاضا می تواند جهت برآوردن نیازهای ایمنی بکار رود .
‌ه قیمت و قابلیت اطمینان . طراح همواره به دنبال طراحی با حداقل قطعه و هزینه بدون تأثیرگذاری سوء در عملکرد و یا بروز حالات ناخواسته است .
در آغاز طراحی با توجه به یک سری فرضیات بطور تقریبی به سوالات زیر باید پاسخ دهیم . بدین ترتیب در زمان و هزینه ی طرح و ساخت صرفه جویی قابل ملاحظه ای می شود .
‌أ انتخاب اولیه ی نیمه هادی .
‌ب انتخاب اولیه ی بهترین آرایش ممکن .
‌ج پیش بینی تقریبی تلفات در قطعه .
منابع غیر ایزوله مشکلات زیادی دارند . طرح فلای بک به دلیل سادگی و قیمت کم برای توانهای خروجی کم ( کمتر از ۱۵۰ وات ) مناسب است . البته جریان پیک ورودی آن در مقایسه با نوع فوروارد بیشتر است . لذا برای توانهای بیشتر کاملاً نامناسب است ( البته برای توانهای کم نیز از نوع فوروارد هم استفاده می شود ) .
برای طرح های توان میانه (۱۰۰ تا ۴۰۰ وات ) از آرایش نیمه پل که جریان ورودی آن در مقایسه با فلای بک تا است استفاده می شود . برای توان های بیش از ۴۰۰ وات ، جریان ورودی خیلی زیاد می شود و در این حالت از آرایش پوش پل می توان استفاده کرد .

۲-۲) انواع آرایش های منابع تغذیه سوئیچینگ :
در کل آرایش های رگولاتورهای سوئیچینگ به دو دسته تقسیم می شوند که عبارتند از :
‌أ رگولاتور فاقد ترانسفورماتور ایزوله کننده .
‌ب رگولاتور با ترانسفورماتور ایزوله کننده .
که البته آرایشها هم قابل تقسیم هستند که عبارتند از :
انواع آرایشهای فاقد ترانسفورماتور ایزوله کننده :
۱٫ Buck کاهنده
۲٫ Boost افزاینده
۳٫ Buck & Boost معکوس کننده
هر مدار تنها یک ولتاژ بزرگتر یا کوچکتر با پلاریته ی معکوس را می تواند تولید کند و این منابع محدودیتهای خاصی در ارتباط با خروجی و ورودی دارند .
تنها عامل ایزوله کننده در منابع غیر ایزوله سوئیچ نیمه هادی است .و بنا به دلایلی از قبیل ولتاژ شکست نسبتاً پایین ، زمان MBTF نه خیلی طولانی ایزولاسیون خوبی را تأمین نمی کنند . و اینها به خاطر عیب نیمه هادی نمی باشد بلکه بیشتر به خاطر شرایط تحمیلی کار است .
با بهره گیری از ترانسفورماتور ایزوله کننده ، ایزولاسیون به کمک سیم ها و نوارهای عایق انجام می شود . در این حالت تا صدها ولت و بیشتر ولتاژ قابل تحمل وجود دارد .

حسن دیگر ترانسفورماتور ایزوله کننده افزودن خروجیهای متعدد بدون نیاز به رگولاتور جداگانه است ، در اینجا هم توپولوژی های فلای بک و فوروارد وجود دارد . به علاوه ترانس می تواند به عنوان افزاینده یا کاهنده ولتاژ عمل کند .
انواع آرایشهای با ترانسفورماتور ایزوله کننده :
۱٫ Fly back فلای بک
۲٫ Push pull پوش پول

۳٫ Half-Bridge نیم پل
۴٫ Full-Bridge تمام پل
ما در اینجا چون از آرایش Buck می خواهیم استفاده کنیم بدلیل قیمت کم و توان کم ورودی و همچنین تعداد قطعات کم ، پس این آرایش را به طور مفصل توضیح می دهیم .
۳-۲) رگولاتور Buck (Step-Down) :
ساده ترین ، آسانترین و در عین حال ابتدایی ترین آرایش ، مربوط به این نوع است . که نقاط ضعف مربوط به خود را داراست .
و همانگونه که در فصل اول گفته شد عملکرد آن بسیار شبیه پیستون و چرخ طیار است .
در شکل (۱-۲) طرح کلی مدار یک رگولاتور Buck نشان داده شده است که رگولاتور سوئیچینگ مدار مجتمع می تواند محتوی سوئیچ باشد یا نباشد که البته سلف ، دیود ، بار و خازن پایین گذر خروجی ، خارج از مدار مجتمع هستند .

و شکل ۱- ۲: رگولاتور ساده حالت Buck

همانگونه که از شکل (۱-۲) می توان مشاهده کرد ، ولتاژ خروجی حس می شود و سپس مدار را به وسیله مدار کنترل سوئیچ تنظم می کند . که البته روش های متعددی برای کنترل سوئیچ می توان بکار برد . که در اینجا ما فرض می کنیم سوئیچ توسط یک موج PWM با یک فرکانس ثابت f ، کار می کند .
یک رگولاتور Buck می تواند در دو مد مختلف کار کند که عبارتند از :
۱٫ مد پیوسته
۲٫ مد غیرپیوسته
در زیر این دو مد را بررسی می کنیم .

۱-۳-۲) رگولاتور Buck در حالت مد پیوسته :
شکل موجهای یک رگولاتور Buck در حالت مد پیوسته در شکل (۲-۲) نشان داده شده است .

شکل ۲-۲ : شکل موجهای یک رگولاتور Buck در حالت مُدپیوسته.

حال ولتاژ خروجی را در این حالت محاسبه می کنیم که داریم :
هنگامی که سوئیچ قدرت روشن است مقدار ولتاژ در دو سر سلف ظاهر می شود ( که ولتاژ هدایت سوئیچ می باشد ) و در این حالت جریان سلف با شیب افزایش می یابد ( شکل A 2-2) و هنگامی که سوئیچ خاموش است ، جریان پیوسته از طریق سلف و بار دیود یک مسیر را برای جاری شدن پیدا می کند .
( با توجه به اینکه جریان در یک سلف ، نمی تواند بطو آنی تغییر کند ) در این حالت ولتاژ دو سر سلف برابر ( ولتاژ آستانه هدایت دیود است ) خواهد بود اما پلاریته آن معکوس است بنابراین جریان سلف با شیب کاهش می یابد و به همین منوال ادامه می یابد . با توجه به اینکه جریان سلف برابر جریان خروجی در یک رگولاتور Buck است .

در شکل های (c-2-2) و (o-2-2) جریان های دیود و سوئیچ نشان داده شده است و می توان گفت که جریان سلف جمع این جریانها می باشد . جریان ورودی متوسط کمتر از جریان خروجی متوسط است .
در اینجا ما فرض کرده ایم که مقدار C به اندازه کافی بزرگ است که ولتاژ خروجی از مقدار مشخص شده اش در هنگام قطع و وصل سوئیچ کمتر نشود .
با توجه به مطالب گفته شده فوق ، می توان ولتاژ خروجی را به طریق زیر محاسبه کرد :

و با مرتب کردن داریم :

که در رابطه بالا ، مقدار می نیمم را استفاده می کنیم که البته ما مد پیوسته را در نظر گرفته ایم یعنی جریان سلف هیچگاه به مقدار صفر نمی رسد .

۲-۳-۲) رگولاتور Buck در حالت مد غیرپیوسته :
شکل موجهای یک رگولاتور Buck در حالت مد غیرپیوسته در شکل (۳-۲) نشان داده شده است .

شکل ۳-۲ : شکل موجهای یک رگولاتور Buck در حالت غیرپیوسته .