حدود 20 سال است كه سيستمهاي پر قدرت جاي خود را حتيدر مصارف خانگي هم باز كرده اند و اين به دليل معرفي سيستمهاي جديد براي تغذيهمدارات قدرت است.

اين منابع تغذيه كاملاً خطي عمل مي نمايند. اين نوع منابع رامنابع تغذيه سوئيچينگ مي نامند. اين اسم از نوع عملكرد اين سيستمها گرفته شده است. به اين منابع تغذيه اختصاراً SMPS نيز مي گويند. اين حروف بر گرفته شده از ناملاتين Switched Mode Power Supplies است

راندمان SMPS بصورت نوعي بين 80% الي 90% است كه 30% تا 40% آنها در نواحي خطي كار مي كنند. خنك كننده هاي بزرگ كه منابعتغذيه رگوله قديمي از آنها استفاده مي كردند، درSMPSها ديگر به چشم نمي خورند و اينباعث شده كه از اين منابع تغذيه بتوان در توانهاي خيلي بالا نيز استفاده كرد.

درفركانسهاي بالاي كليدزني از يک ترانزيستور جهت كنترل سطح ولتاژ DC استفاده مي شود. با بالا رفتن فركانس ترانزيستور، ديگر خطي عمل نمي كند و نويز مخابراتي شديدي را باتوان بالا توليد مي نمايد. به همين سبب در فركانس كليد زني بالا از المان كم مصرف Power MOSFET استفاده مي شود. اما با بالا رفتن قدرت، تلفات آن نيز زياد مي شود. المان جديدي به بازار آمده كه تمامي مزاياي دو قطعة فوق را در خود جمع آوري نمودهاست و ديگر معايب BJT و Power MOSFET را ندارد. اين قطعة جديد IGBT نام دارد. در طيسالهاي اخير به دليل ارزاني و مزاياي اين قطعه از IGBT استفادة زيادي شدهاست.

امروزه مداراتي كه طراحي مي شوند، در رنج فركانسي MHZ و قدرتهاي در حد MVA و با قيمت خيلي كمتر از انواع قديمي خود مي باشند.

فروشنده هاي اروپائي در سال 1990 ميلادي تا حد 2 ميليارد دلار از فروش اين SMPSها درآمد خالص كسب نمودند. 80% از SMPSهاي فروخته شده در اروپا طراحي شدند و توسط كارخانه هاي اروپائي ساخت آنهاصورت پذيرفت. درآمد فوق العاده بالاي فروش اين SMPSها در سال 1990 باعث گرديدكهشاخة جديدي در مهندسي برق ايجاد شود، اين رشته مهندسي طراحي منابع تغذيه سوئيچينگنام گرفت

يک مهندس طراح منابع تغذيه سوئيچينگ بايستي كه در كليه شاخه هاي زيرتجربه و مهارت کافي كسب كند و هميشه اطلاعات بروز شده در موارد زير داشتهباشد:

1-طراحي مدارات سوئيچينگ الكترونيك قدرت

2-طراحي قطعات مختلفالكترونيك قدرت.

3-فهم عميقي از نظريه هاي كنترلي و كاربرد آنها در SMPSهاداشته باشد.

4-اصول طراحي را با در نظر گرفتن سازگاري ميدانهاي الكترومغناطيسيمنابع تغذيه سوئيچينگ با

محيط انجام دهد.

5-درك صحيح از دفع حرارت دروني (انتقال حرارت به محيط) و طراحي مدارات خنك كنندة مؤثر با راندمان زياد.

و …
دراين کتاب نيز سعي بر اين است كه طبق اصول نوين مهندسي طراحي منابع تغذيهسوئيچينگ كليه اطلاعات مورد نياز در اختيار خواننده قرار گيرد.

Switch-mode power supply

1.2. تعاريفعمومي در SMPSها

هر سيستم طراحي شده به طور طبيعي وابسته به منبع تغذية خود ميباشد. يعني اولين پارامتر در طراحي مدار نوع منبع تغذيه و مقادير وابسته به آن است. يكي از مباحث مهم در طراحي SMPS ها، سنگين وزن بودن و گراني آن است، كه كليه اينهادر يك منبع تغذيه از نوع SMPS به صورت دستگاه ارزان قيمت، سبك و كوچك تعريف خواهدشد.

وقتي كه طراح سيستم شروع طراحي مي كند، اولين تعريفي را كه در نظر خود مجسممي كند، مقدار ولتاژ و جـريان ماكزيمم در SMPS است. بنابراين نسبت ولتاژ و جريانتعيين كننده انتخاب قطعات مورد نياز براي طراحي است.

مقدار ولتاژخروجي:

عموماً در بيشتر مدارات منطقي ولتاژ 5v مورد نياز مي باشد، اما در بعضيموارد نياز به 5v- هم مي باشد. در كامپيوترها براي ايجاد گشتاور در موتورهاي متنوعبه كار رفته در درايوهاي مختلف مانند موتورهاي CPU FAN ,CD ROM, F.D.D , H.D.D و ... نياز به ولتاژهاي +12v ,-12v مي باشد. در مصارف كنترل صنعتي جهت اعمال فرمانتحريك قطع و وصل در شيرهاي برقي و رله هاي كنتاكتوري از طريق پورتهاي PLC ولتاژاعمالي به سيستمهاي تحت كنترل داراي سطوح ولتاژي +24v ,-24v است. در اتومبيلهايبرقي، تركشن و HVDC به سطح ولتاژ بالاتري احتياج است.

مقدار جريان:

در هرخروجي مي بايست ماكزيمم جريان مصرفي در حالت پايداري مشخص شود. هر سيستم الكتريكيدر روي بدنه خود پلاكي دارد كه در آن تمام مقادير نامي و مجاز مورد نياز دستگاه ازطرف كارخانه سازنده باتوجه به مشخصات طراحي و تستهاي متعددي كه بر روي دستگاه انجامشده است، مشخص مي باشد. براي مثال در ديسك درايوها مقدار جريان راه اندازي و حالتپايداري مشخص مي باشد و طراح منبع تغذيه بايستي حد مجاز جريان خروجي را بالاتر ازجريان راه اندازي و حالت پايداري تعيين نمايد. حتي در بعضي از مواقع سازندهدياگرامهايي را همراه با دستگاه قرار مي دهد كه كمك بيشتري به طراح ميكند.

ولتاژ ورودي:

ولتاژ ورودي مي تواند از نوع AC يا DC و با رنج تغييراتمشخصي باشد. طراح حتماً بايد به نوع ورودي و عملياتي كه مي بايد روي آن انجام دهدتا خروجي مطلوبي بدست آورد را همواره در نظر بگيرد. معمولاً فرکانس، دامنه و شکلموج ولتاژ ورودي در طراحي خيلي مهم است. همچنين نوع شبکه اي که تغذيه ورودي را برعهده دارد مهم است. معمولاً در محيطهاي صنعتي مانند کارخانجاتي که شبکه در شرايطسخت جهت تامين انرژي قوص الکتريکي و … کار مي کند شکل موج ولتاژ و جريان ورودي غيرقابل پيش بيني است و بايد با استفاده از سيستمهاي جبرانساز شکل موجهای شبکه را تاحد قابل قبولي اصلاح کرد.

ايزولاسيون:

در بسياري از كاربردها ايزولاسيونالكتريكي بين ورودي ها و خروجي هاي مدارات احتياج مي باشد، وحتي در بسياري از مواردايزولاسيون بين خروجي دستگاه با ورودي دستگاه ديگر نيز مورد نياز است و طراح ملزمبه انديشيدن تدابيري خاص جهت برآورده سازی اين امر مي باشد.

ايزولاسيون الكتريكياغلب توسط ترانسفورماتور در منابع تغذيه ايجاد مي شود كه استفاده از ترانسفورماتورباعث حجيم شدن منبع تغذيه مي شود. در مصارفي كه نياز به حجم كوچك مي باشد، مانندماهواره ها، كامپيوترها، شارژرهاي باطري موبايل و تلفن و همچنين در منبع تغذيه مورداستفاده در پرينترها و دستگاه هاي كوچك كه اجبار در كوچك ساختن آنها مي باشد نظيردوربينهاي عكاسي ديجيتالي و دوربينهاي فيلم برداري و لوازم نظامي استراق سمع وجاسوسي و بمبها و موشكهاي دوربرد ناچاراً بايد از ايزولاسيون به وسيلهترانسفورماتور چشمپوشي كرد و به فكر چارة ديگري براي تحقق بخشيدن به اين امر بود يااينكه توسط مدارات فيدبك عمل تثبيت خروجي را در صورت وجود تغيير يا اغتشاش در وروديرا انجام داد تا از مدارات در مقابل صدمه ديدنو معيوب شدن حفاظت شود و يا اينكهبايست از ايزولاسيون تا حدودي يا کلاً صرف نظر نمود.

ريپل در خروجي:

طبيعتاًمقداري نوسان در خروجي DC منابع تغذيه وجود دارد. به مقدار دامنه پيك تا پيك ايننوسانات ريپل مي گويند. هر خروجي كه داراي ريپل باشد، حتماً داراي تعدادي هارمونيكبغير از فرکانس صفر هرتز است. به همين خاطر اغلب مقدار خروجي را به جاي معرفي بامقدار DC آنرا با مقدارrms نشان مي دهند. هر چه مقدار نسبت ثابت ريپل به مقدار DC كوچكتر باشد بهتر است. اين نسبتِ در صديِ ريپل را مي توان با استفاده از فيلترپايين گذر متشكل از سلف و خازن و يا افزايش فركانس ورودي و كليدزني با سرعت زياد تاحد قابل ملاحظه اي كاهش داد.

رگولاسيون

ولتاژ خروجي در يك منبع تغذيه متأثراز عواملي مي باشد كه اين عوامل عبارتند از:

ب( تغييرات در جريان بار.

ج ) تغييرات در درجه حرارت محيط.

يك منبع تغذيةرگوله معمولاً داراي مدارات فيدبك براي جبران اين تغييرات و اصلاح آنها و محدودكردن اين تغييرات در ناحية قابل قبولي مي باشد. اين فيدبك ها ممكن است عملرگولاسيون را به صور (1)رگولاسيون خط، (2)رگولاسيون بار، (3)رگولاسيون حرارتي،انجام دهد.

پاسخ حالت گذرايي:

پاسخ به تغييرات ناگهاني و گذراي جريان بار يكياز پارامترهاي مهم در هر منبع تغذيه اي است. در حالت بار كامل در صورتي كه جريانبطور وصل شدن ناگهاني كليد در بار جاري شود، حتي در صورتي كه بار متصل به ترمينالخروجي جريان كمي را از منبع تغذيه دريافت كند، ولتاژ خروجي ناگهان مي افتد و ازولتاژ حالت بي باري كمتر مي شود و سپس توسط رگولاسيون به يك حد پايدار خواهد رسيد. از طرف ديگر در حالتي كه منبع تغذيه با بار كامل در حالت پايدار به سر مي برد اگرناگهان بار توسط كليد قطع شود، آنگاه ناگهان ولتاژ خروجي صعود مي كند، و ازحالتقبلي خود فراتر مي رود و سپس با چندين نوسان به حالت پايدار بدون بار خواهد رسيد. در اين حالت ممكن است كه قطعاتي كه در بلوكهاي خروجي منبع تغذيه هستند اين سطحتغييرات را تحمل نكنند و از بين بروند. در بعضي از موارد دربعضي از سيستمها ممكناست كه خروجي به حالت پايدار نرسد و نوساني ياحتي ناپايدار شود. از آنجا كه درخروجي اغلب منابع تغذيه فيلتر هاي صافي براي كاهش ريپل ولتاژ و جريان مي باشند كهاين فيلترها داراي ظرفيتهاي خازني بزرگي هستند. با ناپايدار شدن ولتاژ امكان انفجاردر خازن وجود دارد.

از سوي ديگر زمان بازيابي يا Recovery Time زمان لازم برايبازگشت به حالت پايدار طبيعي مي باشد، كه بايستي تاحد ممكن اين زمان كوچك باشد. پسبايد توسط روشهاي رگولاسيون خاص ولتاژ خروجي را محدود كرد و سعي نمود كه در كمترينزمان ممكن و با كمترين نوسان و Over Shoot به حد پايداري خود برسد. زمان پاسخگذرايي در منابع تغذيه و بخصوص در منابع تغذيه سوئيچينگ با روشهاي مختلفي كهسازندگان SMPS از آن استفاده مي كنند نظيرحلقه هاي فيدبك و جبران ساز و قرار دادنفيلترهاي مخصوص در طبقات مختلف منبع تغذيه كه در قسمتهاي بعدي به آن اشاره مي شود،خيلي كوتاه خواهد شد.