اقبال الکترونیک

آموزش میکروکنترولر، الکترونیک و کامپیوتر

منابع تغذیه سوییچینگ

 نعریف منبع تغذیه

 انرژی الکتریکی معمولاً بصورتی که در نیروگاه تولید و توزیع شده، مورد استفاده واقع نمیشود. عملاً تمامی تجهیزات الکترونیکی جهت استفاده از انرژی الکتریکی به نوعی تبدیل نیازمندند. منبع تغذیه یا پاور ساپلای وسیله ای است که  با استفاده از مدارات الکترونیکی، انرژی الکتریکی منبع ورودی را به شکل مناسب به بار (مصرف کننده) انتقال داده و یا تبدیل میکند.

یک منبع تغذیه سوییچینگ

در تمامی مصارف، مدارات الکترونیک بنا به طراحی خاص خود، جهت راه اندازی به ولتاژ و جریان در سطوح معین نیاز دارند. در نگاه محدودتر، منبع تغذیه دستگاهی است که قادر است از یک ورودی ولتاژ متناوب یا مستقیم در محدوده معین، ولتاژهای مستقیم مختلف (قابل تنظیم) با سطوح جریان مختلفی تولید نماید

منبع تغذیه سوئیچینگ (Switched-mode power Supply) یا SMPS یك واحد تغذیه توان (PSU) است كه به روش سوئیچینگ عمل رگولاسیون را انجام می‌دهد. برای ثابت نگه داشتن ولتاژ در خروجی یك منبع تغذیه، دو روش رگولاسیون خطی و رگولاسیون به روش سوئیچینگ رایج می‌باشد.

 تفاوت منبع تغذیه خطی و سوئیچینگ

 برای ثابت نگه داشتن ولتاژ مستقیم در خروجی یك منبع تغذیه، دو روش رگولاسیون خطی و رگولاسیون به روش سوئیچینگ رایج میباشد. منبع تغذیه سوئیچینگ یك واحد تغذیه توان است كه به روش سوئیچینگ عمل رگولاسیون را انجام میدهد. در روش رگولاتور خطی از ترانس و المانهای یكسو كننده جریان و فیلتر استفاده میشود. تلفات بالا و بازدهی پائین و عدم دسترسی به رگولاسیون دقیق و کیفیت دلخواه در خروجی، مشکلات منبع تغذیه خطی میباشند. سه عامل اصلی در تفاوت این دو روش عبارتند از فركانس کار ترانسها در روش خطی 50 تا 60 هرتز است. ترانسهای فرکانس پایین، اندازه و حجم بزرگی دارند. در روش سوئیچینگ به دلیل استفاده از فركانس بالای 50 تا 200 کیلوهرتز، حجم و وزن ترانسها به میزان قابل توجهی كاهش یافته و درنتیجه اندازه منبع تغذیه سوئیچینگ کوچکتر است

راندمان یا بازده توان در روش سوئیچینگ بسیار بیشتر از روش خطی است. یك منبع خطی با تلف كردن توان، خروجی را رگوله یا یکسو میكند ولی در روش سوئیچینگ با تغییر میزان دوره سیكل سوئیچ ، ولتاژ و جریان خروجی كنترل میشود. با یك طراحی خوب در روش سوئیچینگ میتوان به حدود 90درصد بازدهی دست یافت.

در طراحی منابع تغذیه سوئیچنگ، بدلیل وجود فرکانس بالا، بحث نویز و اثرهای ناخواسته الكترومغناطیسی بسیار مهم بوده و برای حذف آنها از فیلتر ای.ام.آی و اتصالات آر.اف استفاده میشود. طراحی منبع تغذیه خطی بسیار ساده بوده و اثرات نویز در خروجی بسیار کمتر است.

  منابع تغذیه سوئیچینگ

شكل زیر بلوك دیاگرام منبع تغذیه سوئیچینگ را نشان میدهد. در طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ اگر ورودی اصلی ولتاژ متناوب باشد، ابتدا از یك طبقه یكسوكننده عبور کرده و یك ولتاژ مستقیم رگوله نشده ایجاد میشود. این ولتاژ مستقیم به خازنهای فیلترینگ بزرگ متصل میشود. جریان كشیده شده توسط این یكسوكننده از ورودی ولتاژ متناوب باعث ایجاد پالسهای جریان در اطراف پیك ولتاژ متناوب میشود. این پالسهای كوچك مولد فركانسهای بالا بوده و كاهش فاكتور توان را بهمراه دارند. تكنیك پاور فکتور کورکشن برای مقابله ایجاد شده است. مدار پاور فکتور کورکشن جریان مصرفی یكسوکننده را شبیه به شكل موج سینوسی نگاه داشته و در نتیجه فاكتور توان در برق ورودی متناوب اصلاح و نزدیک به 1،00 باقی میماند.

بلوک دیاگرام منبع تغذیه سوییچینگ

 محدوده ولتاژ متناوب ورودی توسط یك سوئیچ در دو حالت 115 و 230 ولت انتخاب میشود . در حالت 115 ولت یك مدار دو برابر كننده ولتاژ در طبقه ورودی اضافه میشود. در برخی مدلها محدوده ولتاژ متناوب ورودی یونیورسال بوده و حداقل100  تا 240 ولت را پشتیبانی میکنند. در یك منبع تغذیه با ورودی ولتاژ مستقیم به مرحله یكسو كننده احیتاجی نیست.

در مرحله اینورتر، مقدار ولتاژ مستقیم تولید شده در مرحله قبل، دوباره به ولتاژ متناوب تبدیل میشود. فركانس خروجی اینورتر بیش از 20 كیلوهرتز (خارج از محدوده شنوایی) انتخاب میشود. عمل سوئیچ معمولاً به كمك چند طبقه ماسفت  جهت رسیدن به بهره بالا انجام میشود. در مرحله بعد ترانس با تعداد دورهای پیچشی كم قرار دارد. به دلیل فركانس بالا دور سیم پیچ ترانس كم میشود و بسته به نیاز ترانس افزاینده یا كاهنده است. در مرحله نهایی هم یک طبقه یکسوکننده و فیلتر وجود دارد که وظیفه ی آن ساختن خروجی ولتاژ مستقیم در محدوده معین و مشخصات مناسب است

 آشنایی با اجزاء فیزیکی منبع تغذیه

 در اینجا به صورت مختصر و با زبان ساده، اجزاء داخلی منبع تغذیه سوئیچینگ شرح داده شده است. بدیهی است که این ساختار عمومی نبوده و در حدود 75 درصد از ساختار های داخلی منابع تغذیه استاندارد کنونی را در بر میگیرد

 EMI Filter

این بخش از عناصر سلف و خازن تشکیل شده و وظیفه ی آن ممانعت از خروج فركانس های اضافی (درمحدودهی كاری نویز حاصل از مدار سوئیچینگ) منبع تغذیه به بیرون و همچنین ممانعت از ورود فركانس های اضافی (حاصل ازدوران موتور های الكتریكی و سیستمهای مولد حرارت و غیره) به داخل منبع تغذیه میباشد

 Input Capacitor

این قسمت از دو خازن الکترولیت با ظرفیت متناسب توان منبع تغذیه تشکیل شده و وظیفه آن كنترل سطح ولتاژ ورودی در هنگام كاركرد و همچنین ذخیره انرژی مورد نیاز مدار سوئیچینگ به هنگام وقفه های كوتاه انرژی میباشد

  Power Switching

این بخش معمولاً از دو ترانزیستور قدرت (ماسفت) تشکیل شده و وظیفهی آن كنترل سطح ولتاژ خروجی را از طریق زمان روشن و خاموش شدن (سوئیچ) است

 Transformer

این بخش بنا به نوع طراحی، از دو تا سه ترانس (سوئیچینگ تی.آر، درایو تی.آر و غیره) تشکیل شده که علاوه بر ایزولاسیون ولتاژ مستقیم، وظیفه تغییر سطح ولتاژ را بر عهده دارند. طراحی این قسمت بسیار حساس است، زیرا اگر تعداد دور های اولیه و ثانویه متناسب با طراحی مدار پالز ویدث ماجولار نباشد، پایداری مدار و ضریب اطمینان نیمه هادی و در نهایت کارکرد منبع تغذیه با مشکل اساسی مواجه خواهد شد

  Output Diodes

این قسمت از دیودهای شاتکی، زنر و فست تشکیل شده و وظیفه آن یکسو سازی ولتاژ خروجی را در حالات عادی و قطع کامل جریان خروجی را در حالات خاص میباشد

 Heat Sink

این قسمت از آلیاژهای مختلف آلومینیوم و مس ساخته می شود و به واسطه تعبیه شیارهایی برروی آن جهت عبور جریان هوا، وظیفه انتقال دما از ترانزیستورهای سوئیچینگ و همچنین دیودهای شاتکی و  فست به محیط اطراف را بر عهده دارد

 Output Filter

این قسمت از چند خازن الکترولیت و سلف های چند لایه تشکیل شده است که وظیفه ذخیره انرژی در زمان روشن و ارائه آن در زمان خاموشی ترانزیستور را بر عهده دارد

 FAN

با وجود اینكه معمولاً مصرف كنندگان برای این قسمت اهمیتی قائل نمیشوند، انتقال حرارت در منابع تغذیه بسیار مهم و حیاتی بوده و رابطه مستقیمی با راندمان و طول عمر ان دارد. تهویه بهتر هوای گرم ازمحیط داخلی منبع تغذیه به فضای بیرون، كاركرد بهتر و عملکرد درازمدت تر منبع تغذیه را در پی دارد

 PCB

برد اصلی منبع تغذیه میباشد كه كلیه قطعات بر روی آن نصب میشوند. رعایت استانداردهای مختلف درساخت برد، از جمله تحمل حرارت بالا و عدم استفاده از مواد خطرناک برای محیط زیست ، باعث افزایش ضریب ایمنی كاربر میگردد

 IC Controller

این قسمت پیچیده ترین بخش مدار پالس ویدث ماجولار می باشد و درسال های اخیر تغییرات چشمگیری در طراحی آن به وجود آمده است. آی سی های جدید چند نوع وظیفه مختلف بر عهده دارند و کارکرد منابع تغذیه جدید را بهتر کردهاند. در زیر بطور خلاصه به وظایف آی سی هایی كه در بعضی از پاورهای جدید به كار رفته اشاره شده است

کنترل خروجی، که با  تولید پالس های ویدث ماجولار ، فرآیند تغییر پنهانی یک رشته پالس بر اساس تغییرات سیگنال های دیگر و اعمال بازخورد ولتاژ و جریان و راه اندازی نرم در کلیه خروجیها را بر عهده دارد

مونیتورینگ، که ازطریق یک شبکه تقسیم مقاومتی، کسری از ولتاژ خروجی به آی سی جهت مقایسه با یک ولتاژ مبنا، منتقل میشود و در صورت بروز هرگونه تغییر در خروجی دستور وقفه از طریق آی سی صادر میشود

نوسان ساز، که در فرکانس پایه کار میکند و موج مثلثی جهت استفاده در پالس ویدث ماجولار را تولید میکند

راه اندازخروجی، که توان کافی را جهت بکارگیری در بارهای کم  و میانه، تولید میکند

ولتاژ مبنا، که ولتاژ پایه را جهت مقایسه خروجیها و همچنین یک ولتاژ پایدار برای سایر بخشها تولید میکند

مبدل خطا، که عرض پالس ولتاژ خروجی را متناسب با سطح ولتاژ، تنظیم مینماید

پاور فکتور کورکشن، که وظیفه آن تصحیح هارمونیک های فرکانس خروجی و هدایت و کنترل آنها به مدار پالس ویدث ماجولار است

 مهمترین عامل در انتخاب منبع تغذیه بر مبنای توان مصرفی

 هر یک از قطعات بکار رفته در مدارات الکترونیک، مقدار توان مصرفی مشخصی دارند و میتوان با جمع کردن مقدار توانها، توان مصرفی کل را محاسبه نمود. تولیدکنندگان منبع تغذیه در سراسر جهان توصیه  میکنند پاوری را انتخاب نمایید که حداقل 10درصد  بالا تر از توان حداکثر مصرفی قدرت داشته باشد! با رعایت این نکته در دراز مدت راندمان و کارآیی یک پاور در مصرف کمتر از حداکثر 90درصد توان واقعی آن، به طور چشمگیری افزایش یافته و از بروز مشکلات جلوگیری میکند

 مشخصات فنی یک منبع تغذیه با کیفیت مطلوب

 شاید برای شما این مسئله به وجود آمده باشد که آیا صرفاً میزان ولتاژ و جریان خروجی یک منبع تغذیه ملاک مناسبی جهت کارآیی آن میباشد؟ جواب منفی است. در واقع نکات مهم دیگری نیز در تعیین کارآیی منبع تغذیه وجود دارند. به طور مثال اگر توان خروجی متناسب با توان مصرفی باشد ولی مقدار نویز و ریپل خروجی از منبع تغذیه بالاتر از حد استاندارد باشد، ممکن است در سیستم های کامپیوتری سرعت پردازش اطلاعات به طور چشمگیری کاهش داده و تجهیزات در حال کار را بارها دچار وقفه کند. در ادامه نکات فنی یک منبع تغذیه با کیفیت مناسب بصورت مختصر لیست شده اند

 در صورت به وجود آمدن اتصال كوتاه در هر یك از شاخههای خروجی، منبع تغذیه به صورت خودكار خاموش شود

MTBF TEST :‌ مطابق با استاندارد طراحی مدار، كیفیت قطعات داخلی و دور فن به گونه ای باشد كه باعث بالا رفتن عمر مفید منبع تغذیه گردد.

EMC TEST : مطابق با استاندارد ، منبع تغذیه دارای ضربه گیر ورودی و لاین فیلتر به همراه خازن های X,Y با علامت درج شده استاندارد باشد.

BURN IN TEST : حرارت قطعات داخلی از محدوده مجاز تعیین شده در استاندارد تجاوز نكرده و در صورت از كار افتادن فن ، منبع تغذیه به طور خودكار خاموش شود.

LOW NOISE : نویز به وجود آمده، از محدوده مجاز تعیین شده دراستاندارد تجاوز ننماید، كه این مورد در كارایی رایانه و همچنین بالا رفتن عمر مفید قطعات متصل به منبع تغذیه تاثیر بسیار زیادی دارد.

SILENT PC : طراحی مدار به گونه ای باشدكه دوران فن ها متناسب با حرارت داخلی تغییر یابد. این مورد باعث پایین آمدن نویز صوتی و بالا رفتن عمر مفید فن می‌گردد.

HI-POT TEST : در حدود تعیین شده در استاندارد، در صورت افزایش ناگهانی ولتاژ در ورودی، منبع تغذیه دچار آسیب جدی نشود.

THERMINAL EARTH : مطابق با استاندارد، منبع تغذیه دارای ترمینال تخلیه بار الکتریکی و همچنین درج علامت مربوطه بر روی بدنه داخلی باشد.

PCB FIRE TEST : مطابق استاندارد آتش سوزی، برد اصلی منبع تغذیه دارای کلیه موارد و نکات ایمنی لحاظ شده در استاندارد آتش‌سوزی باشد.

HOLD UP TIME  : مدت زمانی كه به طول می انجامد تا ولتاژ +V پس از وقفه انرژی در ورودی، از مرز 90% مقداراولیه خود پایین تر بیاید، مطابق با استاندارد باشد.

POWER GOOD TIME : مدت زمانی كه به طول می انجامد تا ولتاژ +V پس از روشن شدن  منبع تغذیه، از مرز 95%  مقدار اولیه خود عبور كند، ‌مطابق  استاندارد باشد.

SHORT CIRCUIT PROTECTION : در صورت به وجود آمدن اتصال كوتاه در هر یك از شاخه‌های خروجی، منبع تغذیه به صورت خودكار خاموش شود.

OVERLOAD PROTECTION : در حدود تعیین شده در استاندارد، در صورت افزایش بار مصرفی خارج ازتوان حداكثر، منبع تغذیه به صورت خودكار خاموش شود.

OVER VOLTAGE PROTECTION : در حدود تعیین شده  استاندارد، در صورت افزایش ولتاژ در هر یك از شاخه های خروجی، منبع تغذیه به صورت خودكار خاموش شود.

UNDER VOLTAGE PROTECTION : در حدود تعیین شده استاندارد، در صورت کاهش ولتاژ در هر یک از شاخه های خروجی ،منبغ تغذیه به صورت خودکار خاموش شود.

OVER CURRENT PROTECTION : در حدود تعیین شده در استاندارد، در صورت اضافه بار خارج از توان بر روی هر یك از شاخه های خروجی، منبع تغذیه به صورت خودكار خاموش شود. 

POWER FACTOR CORRECTION : در حدود تعیین شده دراستاندارد، هارمونیک های فرکانس خروجی توسط مدار PWM تصحیح شود، که این امر باعث افزایش راندمان منبع تغذیه و کاهش مصرف انرژی می‌گردد.

INTERACTION & CROSS REGULATION : مطابق  استاندارد، با اعمال بار متقابل بر روی هر یك از خروجی‌ها، تغییر ولتاژ سایر  خطوط در  گستره معین و هماهنگ با سخت افزار به كاربرده شده باشد. این مورد در سال های اخیر با توجه به تغییرات مكرر تكنولوژی به طور مرتب رو به تغییر بوده و عدم رعایت آن باعث بروز مشكلات اساسی گردیده است.

CONDUCTED EMI : در صورتی كه منبع تغذیه به فیلترهای مناسب ورودی و خروجی مجهز باشد، تداخل فركانس های رادیویی بر روی پایانه های ورودی و خروجی باید در محدوده مجاز تعیین شده در استاندارد باشد.

RADIATED EMI : مطابق با استاندارد، تشعشعات مغناطیسی كه از داخل منبع تغذیه به بیرون و بالعكس در جریان است، باعث بروز مشكل دركاركرد منبع تغذیه و نیز سایر وسایل الكترونیكی مجاور آن نگردد.

ESD PERSONAL : مطابق استاندارد، در صورت باردار شدن بدن كاربر به الكتریسیته ساكن و تماس كاربر با منبع تغذیه، مشكلی در كاركرد منبع تغذیه به وجود نیاید.

 مشخصات ظاهری یک منبع تغذیه با کیفیت مطلوب

 از آنجاییکه برای مصرف کننده نهایی امکان انجام تست های فنی وجود ندارد، این سوال مطرح است که چگونه می توان یک پاور مناسب را از نظر ظاهری شناخت؟ در اینجا تعدادی از موارد ظاهری در یک منبع تغذیه مناسب و استاندارد ذکر میگردد. در صورت رعایت موارد زیر توسط تولید کننده، این اطمینان پیدا میشود که منبع تغذیه مورد اشاره مناسب و در محدودهای که استاندارد مشخص نموده تولید شده و  در آینده مشکلاتی ایجاد نمیکند

 دارای استانداردهای بین المللی باشد و علامت آن برروی برچسب نصب شده، درج شده باشد    

 دارای گارانتی معتبر شرکت تولیدکننده باشد

علاوه بر مقدار توان حداکثر که بر روی برچسب ذکر شده است، حتماٌ مقدار توان واقعی آن در قسمتی از برچسب و یا مدل ذکر شده باشد. چرا که برای کاربر فقط و فقط مقدار توان واقعی پاور اهمیت دارد

حد اکثر  تفاوت میان توان واقعی و توان حداکثر درج شده بر روی برچسب از 30درصد تجاوز نکند

برچسب نصب شده بر روی جعبه پاور ، خوانا و شامل موارد زیر باشد: محدوده ولتاژ ورودی، جریان ورودی و فرکانس کاری. علاوه بر مقدار توان خروجی حداکثر، مقدار توان خروجی واقعی نیز بر روی آن درج شده باشد. نام کارخانه تولید کننده به همراه علامت تجاری آن، بر روی برچسب درج شده باشد نام آزمایشگاههای تاییدکننده و همچنین کلیه علامات استانداردهای کسب شده، بر روی آن درج شده باشد مشخصات ولتاژ خروجیها و همچنین مقدار آمپر عبوری هر یک به طور مجزا برروی آن درج شده باشد

  استاندارد های مربوط به منبع تغذیه

 بحث در مورد استاندارد های مربوط به منبع تغذیه بسیار گسترده میباشد که نمیتوان به طور کامل به آنها اشاره نمود. هر یک از کشورهای صنعتی برای خود استانداردهایی به منظور کسب اطمینان از ایمنی کامل در هنگام کارکرد منبع تغذیه دارند. واژه ایمنی برای تجهیزات الکترونیکی به معنای آن است که محصولات تولید شده، ایجاد شوک نکند، آتش نگیرد و یا حالات ناخواسته را به کاربر تحمیل ننماید. در مورد منبع تغذیه موارد ایمنی  مضاعفی در نظر گرفته شده است، چرا که  منبع تغذیه نه تنها نیازهای ایمنی خود، بلکه نیازهای ایمنی کلیه قطعاتی که از آن تغذیه میشوند را نیز تامین مینماید. تعدادی از این استانداردها عبارتند از

 CUL ,D ,N ,S, FI,VDE ,NKO ,EMI ,BSI ,CSA ,FCC ,TUV ,CB ,UL ,CE

 شرکتهای معتبری مانند MeanWell دارای آزمایشگاههای بسیار پیشرفته ای میباشند که قادرند شرایط بسیار دشواری را جهت تست کیفیت کارکرد و راندمان یک پاور به وجود آورند و در صورت احراز این شرایط، تاییدیه خاص خود را صادر نمایند. به طور مثال نویز و ریپل خروجی پاور تاثیر مستقیم بر روی بازدهی و سرعت پردازشگرهای کامپیوتری دارد. همچنین مسئله تخلیه حرارت داخلی پاور بسیار مهم است، چرا که بعضی از دستگاهها حرارت بسیار بالایی تولید مینمایند و تخلیه این حرارت به جهت افزایش راندمان کلی، بسیار حائز اهمیت میباشد.

 

+ نوشته شده در  جمعه هشتم مرداد 1389ساعت 13:34  توسط مهدی اقبال  |