منابع تغذیه

از بدو اختراع الکتریسته و تولید وسائل برقی اولین نیاز منبع تغذیه وسائل برقی بود که این وظیفه را ژنراتورها یا پیل های الکتریکی انجام می دادند .با شروع عمر الکترونیک نیاز به منابع تغذیه تفاوتهای بسیاری را به وجود آورد اولا جریان مصرفی در دستگاههای الکترونیک بر خلاف دستگاهای برقی DC می باشدو دما این دستگاهها برای کار به ولتاژ بیشتری به نسبت دستگاههای برقی نیاز دارند و

سوم اینکه به علت دقت حساسیت این دستگاهها رگوله بودن و نبود هر توع فریزر بار اذیت در منبع تغزیه بسیار بسیار مهم است. پس در ابتدا به تبدیل ولتاژ به ولتاژ دلخواه را داریم در مرحله دوم تبدیل جریان AC به DC (در صورت استفاده از جریان AC در وردی ) و در نهایت رگوله و فیلتر ینگ کردن جریان خروجی برای ما اهمیت دارد. در ساده ترین روشها که هنوز هم در منابع تغذیه ساده

و ارزان قیمت بسیار رایج است روش منابع تغذیه خطی می باشد در این روش در اولین مرحله جریان ورودی وارد ترانسفورماتور می شود تا به ولتاژ مورد نظر تبدیل میشود بعد از ترانسفورماتور مرحله یکسو سازی جریان AC مطرح می شود و در پایان با توجه به نوع و مصرف منبع تغذیه یه

عملیات اغییر ولتاژ ، فیلترینگ ، رگولاتورها و … قرار می گیرند. این منابع تغذیه سالهاست که وظیفه تولید توان کلیه دستگاههای الکترونیکی را بر عهده دارند اما معایب بسیاری نیز دارند که می توان از این معایب به بزرگی و سنگینی، هزینه نسبتاً بالا و فریزوراپیل زیاد آنها اشاره کرد. مشکل فریزراپیل را با اضافه کردن فیلترهای مختلف و بهینه سازی تولید منبع تغذیه می توان تا حد بسیاری مرتفع و وزن و حجم زیاد (۹۰% از وزن و حجم زیاد به علت ترانس بزرگ و سنگین در این نوع منابع می باشد) این منابع زیاد قابل رفع نیست تا اینکه نظریه منابع تغذیه سوئیچینگ در سال ۱۹۳۰ مطرح می شود و در سال ۱۹۷۰ رسما تولید انبوه آن شروع و مورد استفاده قرار گرفت.
بررسی منابع سوئیچینگ :
اولین مزیت این منابع حجم کم آنها می باشد که به دلیل استفاده از ترانسفورماتور با سلف کوچک این امر صورت می گیرد.

چرا که در منابع تغذیه سوئیچینگ ترانس کوچک می شود؟
در شار و فلوی تولیدی در هسته و سیم پیچ های ترانس فورماتور فرکانس نوسانات جریان مهمترین نقش را در طراحی دارد به این شکل که هر چه فرکانس بالاتر برود اثر مغانیس شوندگی هسته و در نتیجه تاثیرات متقابل سیم پیچ ها افزایش پیدا می کند که به همین منظور می توان از هسته  روابط حاکم بر محاسبات الکتریکی با بالا رفتن فرکانس مقاومت سیم پیچ بالا می رود و در صورت نیاز به مقاومت ثابت در مدار منبع تغذیه باید از ظرفیت سیم پیچ و در نتیجه از تعداد دور آن کاست که این مسئله خود باعث کوچکی سلف تا ترانس مورد نظر می شود.
همانطور که از مباحث فوق مشخص است اولین هدف در مباحث منبع تغذیه بالا بردن فرکانسمی باشد. با توجه به اینکه مصرف و ورودی خرد مدار تولید فرکانس (نوسانساز) جریان مستقیم می باشد در ابتدای کار باید جریان ورودی به جریان DC تبدیل شود و وارد مدار نوسانساز با فرکانس بالا شود در پایان این مرحله جریان برای ارسال به ترانس کوچک آماده است و بعد از خروج از

ترانسفورماتور با توجه به قیمت و مورد استفاده منبع تغذیه سوئیچینگ می توان از یک مبدل DC و یک فیلتر خازنی ساده تا مدارات پیچیده تر برای تولید جریان بسیار با کیفیت تری را استفاده کرد.
همانطور که مشخص است بیشتر بافت منبع تغذیه سوئیچینگ را مدارات الکترونیکی اشغال می کند که این مسئله باعث ارزانتر شدن سبک شدن و کوچکتر شدن منابع تغذیه سوئیچینگ می

شود (در منابع تغذیه خطی بخش زیادی از حجم روزن به ترانسفورماتور مربوط می شود)
اکنون با توضیحات مختصری که درباره تغذیه خطی و سوئیچینگ داده شد مزایا و معایب این دو را بررسی می کنیم.
مزایای منابع تغذیه خطی:
۱- سادگی مدار: ساخت و تولید منابع تغذیه خطی با حداقل قطعات در زمان ناچیز ممکن است
۲- تحمل بار زیاد نویز ناچیز و خروجی و زمان پاسخدهی بسیار کوتاه
۳- برای توانهای کمتر از ۱۰۷ ارزانتر از مدارهای سوئیچینگ تمام می شوند.
معایب منابع تغذیه خطی:
معایب این منابع به طور کامل قابل رفع نیست ولی همانطور که قبلا گفته شد با طراحی مناسب دقت در ساخت قابل کاهش می باشد
۱- رگولاتورهای این منابع صرفا کاهنده هستند و خروجی حداقل ۲ تا۳ ولت کمتر از ورودی است.
۲- انعطاف پذیری کم به طوری که برای هر خروجی جدا سخت افزاری اضافه می شود.
۳- بهره پایین حد ۳۰ تا ۴۰ درصد که این مسئله باعث بالا رفتن حرارت در قطعات و اصراف انرژی می شود.
۴- حجم و وزن زیاد
تمام این معایب در تغذیه های سوئیچینگ رفع شده است
مزایای این منابع تغذیه سوئیچینگ :
۱- افزایش راندمان به حدود ۶۸ تا ۹۰ درصد که باعث استفاده از ترانزیستور خنک کننده کوچکتر می انجامد
۲- بدلیل اینکه قطعه مغناطیسی (ترانس یا سلف) با کلیه جریان DC بریده شود کار می کند برای هر خروجی اضافی فقط کلیه سیم پیچ اضافی لازم داریم
۳- به علت افزیش فرکانس کاری به حدود ۵۰ تا ۶۰ کیلو هرتز (۱۰۰۰ برابر جریان برق شهر) ابزار ذخیره کننده انرژی مثل ترانس و خازن بسیار کوچک می شوند.
۴- برخلاف منابع خطي، در ترانهاي خيلي بالا قابل استفاده هستند.
معايب منابع تغذيه سوئيچينگ:
۱- اولاً طرح چنين منابعي اصولاً پيچيده است.

۲- نويز قابل ملاحظه اي از آنها به محيط انتشار مي يابد.( به علت فركانس كاري بالا)
۳- به علت ماهيت كار اين منابع كه با جريان DC برش دار كار مي كند زميون به ولتاژ خروجي كندتر صورت مي گيرد.
معايب اين منابع ناچيز بوده و به كمك طراحي بهينه قابل رفع مي باشد:
كليات عملكرد منابع تغذيه سوئيچينگ در بحث قبل گفته شد. اكنون به تفصيل و با دقت شروع

به توضيح منابع تغذيه سوئيچينگ مي كنيم.
براي توليد جريان معرفي قطعات مغناطيسي ( سلف و ترانس ) احتياج به يك جريان متناوب داريم. در منابع تغذيه سوئيچينگ براي بازده بالاتر سادگي كار و علكرد و بازده بهتر نيمه هاديها كه فقط در نقطه قطع و اشباع مار مي كنند از يك ولتاژ DC برش خورده ( موج مربعي ) كه در هسته قطعه مغناطيسي به صورت AC ذخيره مي شود، استفاده مي شود، براي توليد اين موج مربعي مورد نظر با فركانس دلخواه از دو روش زير استفاده مي شود:
۱- فوروارد
۲- فلاي بك

۱- فوروارد :
در اين روش جريان ورودي به قطعه مغناطيسي با فركانس خاص دائم قطع و وصل مي شود كه باعث توليد يك جريان DC برش خورده يا يك موج مربعي منظم مي شود.
۲- فلاي بك :
در اين سيستم براي توليد جريان DC برش خورده جريان ارسالي به قطعه مغناطيسي و خازن دائم و با فركانس خاص در حال اتصال كوتاه شدن است ( شورت مسير كوئيت ) كه همان نتيجه روش فوروارد را در بر دارد.

 

 

بررسي كلي بخش هاي تشكيل دهنده منبع تغذيه سوئيچينگ:
۱- فيلتر EMI
اين بخش از دو عنصر القاگر L1 و خازن C1 كه يك فيلتر را مي سازند، تشكيل شده است. وظيفه عمده اين قسمت:
۱- ممانعت از تشعشع راديويي در فركانس كاري و تزريق نويز حاصل از سوئيچينگ به خط تغذيه اصلي Vin .
2- جلوگيري از ورود اسپايك هاي موجود در تغذيه Vin به مدار.
توجه : فركانس قطع اين فيلتر نبايد از ۲ تا ۳ برابر فركانس كار تغذيه بيشتر باشد.
۲- خازن فيلتر ورودي:
شامل يك خازن است كه وظيفه ذخيره انرژي را برعهده دارد و معمولاً مركب از دو خازن است. يك خازن الكتروليت يا تانتاليوم براي مولفه هاي جريان در فركانس تغذيه و يك خازن سراميك براي مولفه هاي هارمونيك فركانس سوئيچينگ.
۳- ترانسفورمر :
اين قسمت وظيفه ايزولاسيون DC و تغيير سطح ولتاژ را برعهده دارد.
۴- سوئيچ قدرت :
براي اينكار از يك نيمه هادي قدرت استفاده مي شود. مي توان از يك ترانزيستورBJT استفاده كرد اما معمولاً از Mosfet هاي قدرت استفاده مي شود و چون هم جريان ورودي ( گيت ) بسيار ناچيزي دارند و هم براي كار در دو ناحيه قطع و اشباع ( سوئيچينگ ) بسيار مناسبند. حساسترين و آسيب پذيرترين قطعه در منبع تغذيه سوئيچينگ همين قطعه است.
۵- يكسو كننده خروجي :
اين يكسو كننده ها ( ديودها ) وظيفه يكسو سازي ولتاژ خروجي را بر عهده دارند. براي اينكار استفاده از ديود هاي معمولي مناسب نيست و بايد از ديودهاي سريع و خيلي سريع استفاده كرد.
۶-فيلتر خروجي :

وظيفه ذخيره انرژي در زمان روشني و ارائه آن را به بار در زمان خاموشي ترانزيستور برعهده دارد و رگوله و صاف كردن جريان خروجي را بر عهده دارد.

توليد يك منبع تغذيه سوئيچينگ :
اكنون اقدام به بررسي آرايش كلي فرآيند توليد منبع تغذيه سوئيچينگ مي كنيم. چند عامل ممتاز كننده آرايش هاي مختلف شامل :
۱- حداكثر جريان اوليه كه تعيين كننده حد تحمل نيمه هادي قدرت است.
۲- مقدار ولتاژي كه بايد روي اوليه ترانس بيفتد.
۳- بخشي از سخن مغناطيسي B-H ( مربوط به هسته اي كه انرژي را به شكل مغناطيسي در خود ذخيره مي كند ) كه اين نشان دهنده آن است كه كدام آرايش ترانسفورماتور كوچكتري را براي يك توان مشخص دارد.
۴- ايزولاسيون ورودي از ز كه ايزولاسيون DC خروجي را از ورودي تامين مي كند. و اين اجازه را به طراح مي دهد كه خروجي هاي متعددي را به راحتي اضافه كند.
۵- قيمت و قابليت اطمينان: طراح همواره به دنبال طراحي با حداقل قطعه و هزينه بدون تاثيرگذاري سوء در عملكرد و يا بروز حالات ناخواسته است.

اولين مسئله در فرآيند توليد منبع تغذيه سوئيچينگ توان و ولتاژ منبع تغذيه مي باشد. براي انجام اين مهم بايد آشنا به موارد استفاده انواع رگولاتورهاي سوئيچينگ باشيم.
رگولاتورهاي سوئيچينگ فاقد ترانسفورماتور ايزوله كننده :
۱- كاهنده Buck
2- افزاينده Boost
3- Buck & Boost معكوس كننده

 

رگولاتور Buck :
ساده ترين سيستم در ميان رگولاتورها همين نوع مي باشد. اين رگولاتور داراي معايب بسياري است. اما با وجود تمام معايب توان تحويل بيش از w 1000 را به بار دارا مي باشد. اين رگولاتور نوعي رگولاتور فوروارد است.

رگولاتور افزاينده Boost :
اين رگولاتور نوعي رگولاتور فلاي بك است كه خروجي آن برخلاف نوع كاهنده بزرگتر تا مساوي ورودي است.
در اين آرايش (Boost ) ما مي توانيم به ولتاژ بالاتري به نسبت ورودي دست پيدا كنيم. اما توان كار اين مدار بسيار محدودتر بوده و در توان هاي تا w 200 مناسب است.

رگولاتور Buck & Boost :
اين نوع رگولاتور فلاي بك بوده كه عملكرد آن خيلي به عملكرد رگولاتور Boost شبيه است. به علاوه به عنوان يك رگولاتور معكوس كننده هم شناخته مي شود. اين نوع رگولاتور بسيار مناسب تر از دو نوع ديگر بوده و با وجود معايب خود بر دو نوع ديگر برتري دارد، اما توان تحويلي آن تا w 100 مي باشد كه خود جزء معايب آن است.

رگولاتور سوئيچينگ با ترانسفورماتور ايزوله كننده‌ :
استفاده از رگولاتورهاي ترانسفورمري بسيار متداولتر و مناسبتر است زيرا اين رگولاتورها به علت وجود عايق سيم ها در ترانس داراي ايزولاسيون بسيار بالا بوده و براي افزودن به خروجي ها تنها احتياج به افزودن يك سيم پيچ است و مزيت بزرگ ديگر اين رگولاتورها انتخاب هر ولتاژ ( كاهنده يا افزاينده ) بدون هيچ محدوديت تنها با تكيه بر محاسبات سيم پيچ ترانس محيا مي شود. در اين رگولاتورها نيز دو نوع فوروارد و فلاي بك وجود دارد كه البته نوع كاربري اين دو نوع رگولاتور در آرايش تغذيه ترانس متفاوت است كه منجر به تقسيم بندي رگولاتورهاي ترانسفورمري به انواع زير مي شود :
۱- فلاي بك
رگولاتورهاي سوئيچينگ ترانسفورمري ۲- پوش پول

۳- نيم پل
۴ – تمام پل

۱- فلاي بك :
اساس كاراين رگولاتور بسيار شبيه رگولاتور (Boost)است با اين تفاوت كه از يك سيم پيچ ثانويه در كنار سلف اين رگولاتور كمك گرفته شده است. شكل مدار علمي فلاي بك ترانسفورمري به صورت زير مي باشد.

۲- رگولاتور پوش پول push- pull :
اين روش كه نوعي فور وارد است داراي مزاياي بسياري است كه مي تواند تواني تا ۳ برابر نوع فلاي بك را توليد كند. بزرگترين اشكال اين منابع تغذيه غير همسان بودن دو ترانزيستور آنها مي باشد. كه اين مسئله باعث غير متوازن شدن جريان تحويلي به ترانس و فشار نامناسب بر روي خود ترانزيستورها مي شود. براي همين منظور طراحان روش هاي نيم پل و تمام پل را ترجيح مي دهند.
۳- رگولاتور نيم پل :
در اين طرح اوليه ترانس داراي يك سيم پيچ است و به علت اينكه اين نصف ولتاژ ورودي مستقيم روي سيم پيچ مي افتد، خطر اشباع وجود ندارد. اين نوع رگولاتورها در محدوده w50 تا w 500 مناسبترين انتخاب هستند. در ترانهاي كمتر نوع فلاي بك و در توان بالاتر تمام پل توصيه مي شود.

۴- رگولاتور تمام موج :
در اين نوع منابع تغذيه از ۴ ترانزيستوربراي تغذيه اوليه ترانس استفاده شده است كه اين مسئله باعث انتقال تمام ولتاژ ورودي بر روي اوليه ترانس مي شود. اين روش جريان عبوري را كاهش داده و امكان انتقال توان را تا حد قابل توجهي افزايش مي دهد. محدوده مناسب عملكرد اين رگولاتورها w400 تا چند كيلو وات است.

نيمه هادي ها در منابع سوئيچينگ :
الف – ترانزيستورها :
ترانزيستورها از بدو ورود منابع تغذيه سوئيچينگ يكي از مهمترين وظايف را در توليد اين منابع ايفا كرده اند. بخش سوئيچ دستگاه كه همان برش دهنده جريان DC يا توليد يك موج مربعي با توان بالا در مدار مي باشد، بدون استفاده از ترانزيستورها ممكن نيست. اولين ترانزيستوري كه به نظر مي رسد يك BJT با فرمان گرفتن از يك مدار ديگر كه مي تواند ترانزيستوري يا IC دار باشد شروع به سوئيچ كردن مي كند كه به معني استفاده از ترانزيستورها در ناحيه قطع و اشباع مي باشد. اين مسئله كمك زيادي به نيمه هادي براي بازدهي بالا و توان مناسب توليدي آن مي كند اما خود BJT كاملاً خطي نبوده و مشكلاتي مانند زمان خاموش شدن زمان روشن شدن و … دارد. در اولين ديدگاه فركانس توليدي ما بسيار محدود مي شود كه خود از معايب بزرگ است. در مرحله بعد مي توان مشاهده كرد كه حتي در فركانس هاي مناسب هم BJT موج مربعي مناسبي را در خروجي

خود به همراه ندارد كه خود باعث مشكلات فراواني در هسته قطعه مغناطيسي مي شود كه بازخورد اين انرژي هاي ناخواسته ممكن است باعث آسيب رسيدن به خود نيمه هادي نيز شود. مشكل ديگر مصرف جريان در بيس BJT است كه خود باعث بروز چند مشكل مي شود. يكي خود مصرف و نياز بيس به جريان و زمان تامين جريان كافي باعث اشكال ناخواسته در خروجي موج

مربعي موردنظر مي شود. اين مشكل تا حدي بوسيله مدارات ديگر قابل رفع است. مدارات هدايت بيس معمولاً خود شامل يك يا چند ترانزيستور ديگر مي باشد. از نظر كلي هر چند BJT ها در ناحيه اشباع با بازده بالاتري كار مي كنند، اما ساختار كلي آنها مناسب براي كار در ناحيه فعال مي باشد كه به همين دليل و دلايل ذكر شده در بالا طراحان معمولاً از استفاده BJT ها در مدارات سوئيچينگ كمتر استفاده مي كنند و به جز مدارات محدود كه در استفاده هاي خاص مي باشد و اولين و قديميترين مدارات سوئيچينگ كمتر مورد استفاده قرار مي گيرند و بيشتر نظرها به سوي نيمه هادي هايي جلب مي شود كه براي سوئيچينگ مناسب باشند.

Mosfet هاي قدرت :
ماسفت هاي قدرت به عنوان بهترين ابزار سوئيچ هاي شناخته شده اند. اين نيمه هادي ها مي توانند با سرعت ۱۰ برابر BJT ها در شرايط يكسان سوئيچ كنند. ماسفت ها به جريان بسيار كمتري به نسبت BJT ها براي رسيدن به اشباع احتياج دارند و تحريك آنها با اعمال ولتاژ به گيت ( بدون احتياج به جريان) صورت مي گيرد. ولتاژ ورودي آنها بالا بوده (حدودv10) كه اين در مقايسه با BJT ها VBE 7/0 ولت احتياج دارند، بسيار مناسب است، زيرا كم كردن ولتاژ خود باعث بروز بسياري از عوارض ناخواسته مي شود. يك راه انداز مناسب با سرعت حدود hs 30 تا ۵۰ كار مي كند، بهترين طراحي ها براي جلوگيري از تلفات حرارتي انتخاب زمان هاي كمتر از يك ميكروثانيه مي باشد (فركانس يك مگاهرتز) البته Mosfet ها با تمام مزايايي كه دارند داراي معايب بسياري نيز مي باشند كه در طراحي بايد در نظر گرفته شوند. اين معايب عبارتند از :
۱- شكست بهمني :
اين پديده اين است كه در BJT ها نيز وجود دارد و فقط با توجه به ساختار متفاوت آنها نحوه بروز آن تاحدي متفاوت است. سهم عمده اين مشكل در اثر امپدانس نشتي سيم پيچ هاي ترانس يا يكسو كننده هاي پارازيت دو قطبي ناشي از ديودهاي پارازيتي دوقطبي ايجاد مي شود.
يكسو كننده ها :
پارامترهاي مهم در انتخاب يكسوكننده ها در منابع سوئيچينگ به اين قرار هستند.
۱- افت ولتاژ مستقيم
۲- زمان احياي معكوس
۳- زمان احياي مستقيم
۴- ولتاژ بلوك كننده معكوس

ديودهاي مناسب براي سوئيچينگ شامل :
۱- ديود شاتكي :
با كمترين افت هدايت و سرعت مناسب (lonsec)، اما ولتاژ قابل تحمل كم حدود v100 و جريان اشباع معكوس زياد مي باشد، براي ولتاژ كم و جريان زياد مناسب است.
۲- يكسو ساز با زمان بازيافت فوق سريع :
اين ديودها ولتاژ هدايت زيادي دارند (حدود يك ولت) زمان هدايت معكوس حدود ۳۵ تا ۵۰ نانوثانيه و به علاوه ولتاژ شكست معكوس آنها بيش از v1000 است.
۳- ديودهاي سريع :
اين گونه ديودها افت ولتاژ مستقيم بيشتر و زمان احياء معكوس نسبتاً طولاني تري در مقايسه با ديودهاي فوق سريع دارند (nsec200و v4/1). ارزانتر از ديودهاي فوق سريع مي باشند.مناسب استفاده ما مي باشد.
۴- يكسو كننده هاي معمولي :
اين ديودها در سوئيچينگ استفاده اي ندارند و تنها در منابع تغذيه Hz 50 مناسب هستند.

مدارات مجتمع كنترل كننده منابع تغذيه :
امروزه بسياري از اعمال كنترلي منابع سوئيچينگ بوسيله Ic ها صورت مي گيرد كه اين امر بسيار به كوچك شدن و با كيفيت شدن مدارات كمك مي كند. در يك منبع تغذيه سوئيچينگ مناسب اگر طراح از يك تراشه مناسب كمك بگيرد، تنها چند قطعه كه مجتمع كردن آنها ممكن نمي باشد مانند قطعات مغناطيسي، قطعات قدرت و خازن هاي بزرگ بايد در بيرون مدار تراشه قرار بگيرمد. البته در عمل اين يك حالت ايده آل است و به واقعيت فقط نزديك است. شباهت هاي فراواني بين Ic هاي مدارات سوئيچينگ وجود دارد كه به اين قرار هستند:
۱- يك نوسان ساز كه در فركانس پايه كار مي كند و موج مثلثي جهت استفاده در PWM را توليد مي كند.
۲- راه انداز خروجي كه توان كافي را جهت به كارگيري در مقاصد كم و(ميانه) متوسط توليد مي نمايد.
۳- ولتاژ مبنا كه ولتاژ پايه را جهت مقايسه خروجي ها و همچنين يك ولتاژ پايدار براي ساير بخش ها توليد مي كند.
۴- تقويت كنننده ولتاژ خط كه با بهره بالا ولتاژ مقايسه اي را بين ولتاژ خروجي و ولتاژ مبناي پايدار تامين مي كند.
۵- يك مبدل خطا. مبدل ولتاژ به فرض پالس كه DC خروجي را متناسب با سطح ولتاژ خط تنظيم مي كند.
با توجه به نوع طراحي و مصرف مي توانيم از :
۱- كنترل كننده هاي حالت ولتاژ
۲- كنترل كننده هاي حالت جريان
۳- كنترل كننده هاي حالت شبيه رزنانس
استفاده كرد. با توجه به نوع نياز طراحي بايد نياز به هر گروه را تشخيص داده و از Ic مورد نظر استفاده كرد. چند تراشه معروف در سه كاربرد فوق به قرار زير هستند:

۱- حالت كنترل ولتاژ
الف) تك خروجي
NE5560-MC34063-UA78S40-MC34060-SG1524
ب) جفت خروجي:
TL494/495-SG1525/26/27
الف) تك خروجي
MC34065-MC34129-UC3842/43/45
ب) جفت خروجي:
CU3825
3- حالت كنترل شبه رزنانس
UC3860ZCS-LD405ZCS-MC34066ZCS

اجزاي مغناطيس در منابع تغذيه سوئيچينگ :
يكي از مهمترين قسمتهاي يك منبع تغذيه بخش مغناطيس يا ترانسفورماتور آن ست(از بررسي سلف ها به علت نوارد استفاده محدودتر صرف نظر مي كنيم) و در ضمن يكي از دلايل ساخت مدارات سوئيچينگ نيز همين برطرف كردن مشكلات بخش مغناطيس در منابع تغذيه مي باشد. محاسبات ترانسفورماتورها داراي فرمول هاي مغناطيسي ثابت هستند كه با توجه به فركانس، ولتاژ و جريان ترانس مورد نظر محاسبه مي شود. اگر فركانس كاري ثابت در نظر گرفته شود، مي توان در فرمول ها آنرا به صورت ثابت هاي فرمولي فرض كرد و فرمول ها و روابط بدست آمده ساده تري را بكار برد. همانگونه كه سازندگان ترانسفورماتورهاي معمولي (Hz 50 تا ۶۰) از چنين روابطي استفاده مي كنند:
روابط ساده محاسبه ترانسفورماتور با تثبيت فركانس(در يك فركانس پائين ثابت):
اولين رابطه مربوط به محاسبه سطح مقطع هسته مورد نياز مي باشد كه با توجه به توان معرفي و لازم به اين شكل محاسبه مي شود :

Afc سطح مقطع آهن هسته مورد نظر مي باشد كه با اين شكل محاسبه مي شود.
براي محاسبه تعداد دور سيم پيچ موردنياز به يك عدد ثابت (براي هر ترانس) نياز داريم به نام دوربرولت كه با بدست آوردن آن و ضرب اين عدد در ولتاژ مورد نظر تعداد دور سيم بدست مي آيد. اگر دور برولت را h/v بناميم، داريم: ۴۲/Afc = h/v
عدد ۴۲ يك ثابت بدست آمده براي فركانس موردنظر مي باشد و I جريان موردنظر در اوليه يا ثانويه ترانس مي باشد.

توان ترانس ۰ – ۵۰ w 50 – 100 w 200 – 100 w 200 – 500 w 100 -500 w

J 4 3.5 3 2.5 2

rcu = قطر سيم
dcu = سطح مقطع سيم

حل يك مثال :
براي نمونه يك ترانسفورماتور v 220 به v 24-2 آمپر را محاسبه مي كنيم:
W=V.I 24 × ۲ = ۴۸ W1 = W2
48 = 220 I1 I1 = 0.21A = 210mA
توجه :۱ براي اوليه ترانس و ۲ براي ثانويه ترانس استفاده مي كنيم
ما براي محاسبه ترانس احتياج به سطح مقطع آهن هسته و اطلاعاتي در مورد تعداد و دور قطر سيم پيچ ها در اوليه و ثانويه داريم.

چون مقطع هسته مربع فرض مي شود و يك ضلع آن ۲٫۸ سانت مي شود.

عمليات حفاظت:
بعد از مرحله طراحي و توليد منبع تغذيه سوئيچينگ بايد احتمالات حالات غير منطقي در نظر گرفته شود و براي جلوگيري از آشسب هايي كه ممكن است در صورت بروز اين حالات به منبع تغذيه يا بار وارد شود، اقدامات پيشگيرانه لازم انجام گيرد. نخست بايد كليه عوامل ايجاد ناامني براي منبع تغذيه و بار را شناسايي كرد كه شامل :
۱- شرايط معكوس كاري خط AC ورودي
الف – افت خط AC
ب- حالت سوختن خارجي
ج- نشتي و حالت گذرا
د- حالت ورودي DC مغاير
و- حالت ولتاژ كم
ن- حالت ولتاژ زياد
ه- افت خروجي
ي- تموج (خاموش شدن بار سنگين و باز خورد بار)

۲- حفاظت از بار در مقابل تغذيه و خودش:
براي جلوگيري از اتفاقات پيش بيني شده و محتمل براي بار مي توان از روش هاي زيراستفاده كرد :
الف- استفاده از ديود زنر
ب- اهرم ولتاژ فوق العاده
ج- روش هاي سخت افزاري براي مقابله با حالت جريان بيش از حد

۱- محدود كردن جريان و فيزيك :
براي ثبات كلي موارد ايمني پا به كار مي توان از تجهيزات ساده الكترونيكي مثل فيو

زها، خازن هاي بزرگ و … در طراحي سود جست كه خود مانع بسياري از اتفاقات نامطلوب در منبع تغذيه و بار خواهند بود.
نکات گوناگون :
طرح منبع تغذیه و سیستم زمین
طرح زمین در منبع تغذیه سوییچینگ به دلائل تاثیر در پایداری سیستم و ایجاد قابلیت
همچنین مهندس طراح باید مراقب طراحی داخل تغذیه هم باشد طراح مدار چاپی تغذیه جایی است که می تواند دردسر زیادی ایجاد کند و اطمینان کمی به همراه داشته باشد .
در اغلب طرحهای دستی و همه طراحی های خود کار کامپیوتری زمین خطی است که ولتاژ DC صفر دارد و همانند یک چاه نامحدود جریان عمل می کند برای هر مقدار جریانی که به داخل آن ریخته شود ( جریان دهی زمین نباید فراتر از حد پایداری باشد) .
یک زمین خوب باید مشخصات را داشته باشد :
بازگشت جریان مصرفی توسط مدار به منبع
تزویج مدارهای مرتبط با یکدیگر
در منابع تغذیه سوییچینگ طیف های بسیار گسترده ای از مولفه های فرکانسی بالا و پایین با چگالی جریان بالا وجود دارند چنین مولفه های جریانی توان تبدیل شدن به ولتاژ را در امپدانس های مسیر PCB دارند این اندوکتانس های مهادل به صورت سری با مسیر جریان قرار گرفته اند ، و متناسب با جریان ارسالی بزرگتر می شوند . طرح زمین از اندوکتانس های سری پارازیتی ایمن نخواهد بود.
زمین مشابه ، ماتریسی از اتدوکتانس ها در هر جهت از طرح عمل می کند . این اندوکتانس ها از مقادیر مشابه در PCB های تک مسیره خیلی کوچکتر هستند . مولفه های بالا تمایل به تخریب مسیر خود دارند .
در منابع PWM معمولاً ارتباط زمینها سه مسئله را ایجاد می کند :
ولتاژ ریپل
جریان AC اشتراکی در خازن های موازی
پایداری حلقه بسته تغذیه و سطوح RFI و EMI
در مورد خازن ها مسیرهای PCB علاوه بر اندوکتانس ESL مقاومت سری ESR را هم به مدار اضافه می کنند و این قابلیت محلی خازن را متاثر می کند . از اینرو کاهش قابلیت خازن را به همراه دارد
در این حالت خازنی که مسیر کوتاهتری دارد انرژی بیشتری را نسبت به خازن دیگر که مسیر طولانی تری دارد جذب می کند جریان ربپل مرتبط با بخش کنترل باید آنقدر که ممکن است کم نگاه داشته شود چرا که تقویت کننده ها به تغییرات چند میلی ولت در ورودیهایشان حساس هستند.
اگر زمین جریان کم مربوط به بخش کنترلر با زمین جریان زیاد مخلوط شود ولتاژ تولید شده توسط اندوکتانس های پارازیتی به صورت حسابی با ولتاژ بازخورد یا سیگنال جریان جمع می شوند. تقویت کننده ها به تغییرات چند میلی ولتی حساس هستند به علاوه جریان زیادی که مسیر را تحت تأثیر قرار دهد نمی کشند. هنگام ترکیب زمین کنترل و قدرت پایداری ولتاژ مشکلتر می شود. هر چن

د غیر ممکن نمی شود. در مقاصد غیر ایزوله زمین کنترل باید مستقیما به ترمینال زمین خروجی متصل گردد به دلیل اینکه بخش خروجی نسبت به نویز خیلی صبورتر است. سرانجام اینکه طرح زمین خوب در ارتباط نزدیک با مسائل EMI و RFI قرار دارد. در هر منبع تغذیه سه نوع زمین وجود دارد. زمینهای منابع تغذیه.
اولین زمین مسیر برگشت اولیه ترانسفورمر و سوییچ قدرت که باید به خازن bulk ورودی که منبع جریان لحظه ای است اتصال یابد.
زمین دوم شامل ثانویه ترانسفورمر و فیلتر خازن خروجی است. در اینجا هم شامل پیک جریان و

شکل موجهای جریان ثانویه است. سومین زمین، زمین کنترل است که شامل همه زمینهای پیرامون IC می باشد. همه این زمینها در یک نقطه به هم اتصال یافته اند. جریان قدرت بالا نباید اجازه هدایت در این مسیر را پیدا کند، خازن های به کار رفته باید مشخصه فرکانسی خوبی داشته باشند این خازن ها باید توان حذف مؤلفه های فرکانس بالا را دارا باشند، تا یک مدار ساکت آنالوگ را فراهم آورند. این مؤلفه های فرکانسی توان تبدیل شدن به تشعشعات RFI و EMI را دارند. یک سیستم زمین خوب را نمایش می دهد هر یک از خازن های به کار رفته مشخصه فرکانسی مطلوبی دارند به علاوه برای جبران اثرات فرکانس بالا خازن های ویژه ای هم به موازات آنها قرار گرفته اند.
طرح و استفاده از برشگر و اسنوبر
استفاده از اسنوبر و کلمپر در یک منبع تغذیه به منظور کاهش اثرات مرگبار اسپایک های ولتاژ تولیدی و کاهش تشعشعات RFI و EMI انجام می گیرد.
دامنه و شکل این اسپایک ها می تواند به فراتر از نواحی کاری بایاس مستقیم و معکوس FBSOA و RBSOA تجاوز کندجهت ولتاژ و تغییرات جریان مرتبط با یک اسپایک می تواند به راحتی RFI تولید کند که در محیط پراکنده می شوند. لازم به ذکر است که افزون اسنوبر یا کلمپ تنها به عنوان آخرین راه حل مطرح است.کار بیشتری هنگام طرح «طرح مدار چاپی» PCB و ترانسفورمر و انتخاب عنصر می تواند انحام گیرد. اگر نیاز به اسنوبر برطرف نشد این کار عملای بعد از تولید نمونه های اولیه می تواند انجام گیرد. شکل فیزیکی و انرژی داخلی یک اسپایک ولتاژ کاملا می تواند توسط اندوکتانس ها و خازن های پارازیتی موجود در طرح مدار چاپی و طرح ترانسفورمر تعیین گردد. و پیش از اضافه کردن حفاظت طرح نهایی محسوب نمیشود. این طرح حفاظت نباید تلفات اضافی به مجموعه بیفزاید مگر آنکه یقینا لازم باشد. امکان وقوع خطاهای بسیاری هنگام استفاده از اسنوبر یا کلمپر وجوددارد. هر دوی اینها تمایل به کاهش پیک اسپایک را دارند و دو وظیفه متفاوت را انجام می دهند.
مهمترین چیز این است که طراح بداند چه چیزی باید حفاظت شود عموما این نیمه هادی قدرت است، ترانزیستور دو قطبی یا MOSFET ، ترانزیستورهای قدرت ولتاژ بالا را خیلی بهتر از M

OSFET ها تحمل می کنند به علاوه در مقابل شکست بهمنی در مقایسه با MOSFET خیلی مقاومتر هستند ولی ترانزیستورهای قدرت شکست ثانویه دارند و مسئله ازدحام جریان که در زیر ولتاژ بهمنی رخ می دهد.
نواحی عملکرد ایمن توسط SOA مشخص شده است مشکل هنگامی بروز می کند که بخواهیم

ترانزیستور (نیمه هادی) را در SOA خاموش و روشن کنیم، و تعیین مقادیر مجاز حداکثر لحظه ای ودایم I و V. در ترانزیستور نواحی RBSOA برای خاموش سازی و FBOSA برای روشن کردن و متناظرا برای MOSFET منحنی های SSOA و FBSOA وجود دارد اگر هر نقطه کاری خارج از SOA قرار بگیرد نیمه هادی آماده سوختن است. ممکن است سوختن بلادرنگ رخ ندهد یا حتی در نمونه های اولیه هم اتفاق نیفتد ولی یکجا دستگاه خواهد سوخت. و لذا طراح باید شکل موجهای جریان و ولتاژ سوییچ را در ناحیه SOA مورد مطالعه قرار دهد. و عملیات مناسب در طرح را انجام دهد.

دیودهای کلاسیک و برشگر کلمپ زنر (شکل ۳-۹) منحصرا برای شرایط فوق ولتاژ یا شکست بهمنی مورد استفاده قرار گیرند. و این هنگامی است که اسپایک های ولتاژ از محدوده Vceo یا Vdss بدون تجاوز به ناحیه شکست ثانویه یا ازدحام جریان تجاوز می کنند. اگر دیود برشگر یکسو کننده بخواهد بکار رود دیود باید از نوع دیودهای با زمان بازیافت خیلی سریع باشد