مطالب ویژه منابع تغذیه سوئیچینگ SMPS سایر مطالب

بررسی کارکرد مدار تغذیه سوییچینگ

بررسی کارکرد مدار تغذیه سوییچینگ
به این نوشته رای دهید

در این پست ما به نحوه عملکرد مدار SMPS یا همان منبع تغذیه سوییچینگ می پردازیم و در آخر در می یابیم که مدار تغذیه سوییچینگ چگونه کار می کند. یک مدار تغذیه سوییچینگ دارای ماسفت یا ترانزیستور BJT، دیود، سلف و خازن، درایور ماسفت یا ترانزیستور BJT و در آخر که یکی از مهمترین بخش های یک مدار سوییچینگ به شمار می آید یک مولد سیگنال PWM کنترل شده است. در این بخش یک مدار سوییچینگ Buck که یک مدار کاهنده است را تشریح خواهیم کرد.

یک مدار Buck به شکل زیر:

مدار سوییچینگ ساده شده Buck

دارای منبع ولتاژ Vg و یک سوییچ در حالت 1 و 2 و یک فیلتر LC و یک مصرف کننده R است. این سوییچ با توجه به سیگنال PWM به ترمینال های 1 و 2 متصل می شود. اگر سیگنال PWM به صورت زیر باشد:

شکل سیگنال PWM

Ts مدت زمان Period سیگنال PWM است و fs فرکانس این سیگنال می باشد. Duty Cycle، D سیگنال است که مقدار آن بین صفر و یک است و D’=1-D.

ولتاژ در ترمینال Vs به شکل زیر در خواهد آمد:

ولتاژ ترمینال قبل از فیلتر LC منبع سوییچینگ Buck

این سیگنال دارای دارای مقدار DC و فرکانس های هارمونیک سوییچینگ است. اگر فرکانس Cutoff فیلتر LC خیلی کوچکتر از فرکانس سوییچینگ fs باشد(fs>>Fcutoff) ولتاژ ترمینال v(t) از یک مقدار DC یا به اصطلاح سیگنالی (DC component) است به علاوه فرکانس های هارمونیک سوییچینگ که مقدار این فرکانس های هارمونیک بعد از فیلتر LC بسیار کاهش می یابند.

تبدیل فوریه سیگنال PWM سوییچینگ

برای اینکه مقدار DC Component ولتاژ خروجی را به دست آوریم باید در یک Period از ولتاژ خروجی انتگرال بگیریم و بعد آن را بر Ts تقسیم کنیم. در معادله پایین مقدار DC ولتاژ v(t) را به دست خواهیم آورد.

این مطلب را از دست ندهید  استفاده از موتور براشلس (BLDC) در کوادکوپتر:

معادله رابطه بین Duty Cycle و ولتاژ خروجی buck converter

با توجه به معادله بالا ولتاژ خروجی این منبع تغذیه سوییچینگ برابر است با V = D*Vg. البته باید در نظر داشته باشید که خروجی این منبع سوییچینگ DC-DC تنها دارای مقدار DC نیست بلکه خروجی دارای مقدار مشخصی توسان ولتاژ خروجی یا همان Vripple است. مقدار این ولتاژ Vripple به میزان مصرف کننده دارد و فیلتر LC و فرکانس سوییچینگ و نوع قطعاتی دارد که در این مدار از آن ها استفاده می شود. در نمودار زیر شکل سیگنال واقعی خروجی مدار Buck را مشاهده می کنید:

ولتاژ خروجی واقعی منبع سوییچینگ

برای محقق کردن مداری مدار Buck converter سوییچ این مدار را با ماسفت و دیود جایگزین می کنیم. که این مدار به شکل زیر در خواهد آمد:

مدار سوییچینگ کاهنده Buck

این قطعات در حقیقت دارای یک مقدار اتلاف هستند که با در نظر گرفتن همین اتلاف با duty cycle ثابت میزان ولتاژ خروجی این منبع سوییچینگ Buck نسبت به حالت ایده آل آن کاهش می یابد. اتلاف های که در این مدار وجود دارند:

1- مقاومت داخلی منبع ولتاژ ورودی Vg

2- Rdson ماسفت Q

3- ولتاژ Forward دیود

4- مقاومت سری ESL سلف

5- مقاومت سری ESR خازن

6- خازن های ذاتی موازی شده با دیود و ماسفت

در موارد بالا شما می توانید در طراحی مدار سوییچینگ خود میزان اتلاف مدار خود را کاهش دهید. برای مثال می توانید از ماسفت هایی استفاده نمایید که مناسب سوییچینگ هستند و مقدار Rdson آنها کم باشد. دیود استفاده شده در مدار سوییچینگ buck را از نوع شاتکی انتخاب کنید تا ولتاژ forward دیود به نسبت کاهش یابد. یا اینکه از سلف های با ESL پایین و خازن های با ESR پایین استفاده نمایید. لازم به ذکر است که در مدارات buck با راندمان بالا از synchronous buck استفاده می کنند مانند VRM پردازنده های کامپیتوری CPU یا منابع ولتاژ جریان بالا. مدار synchronous buck به جای دیود استفاده شده، یک ماسفت قرار می دهند که نحوه روشن شدن این ماسفت که به اصطلاح به آن Low side switch می گویند.

این مطلب را از دست ندهید  منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟

مدار synchronous buck

این مدار در تجهیزات مخابراتی، قطعات کامپیوتر، منابع تغذیه کامپیوتر، منابع تغذیه آزکایشگاهی جریان بالا، مدارات کنترل شارژ باطری استفاده می شود. این مدار را می توانید به صورت برعکس هم استفاده نمایید. ترمینالی به Rload متصل است را منبع ولتاژ و ترمینالی که Vin به آن وصل است را مصرف کننده قرار داد. در این حالت مدار به منبع تغذیه Boost تبدیل می شود که یک منبع تغذیه افزاینده به شمار می آید. در این مدار رابطه ولتاژ ورودی و خروجی با duty cycle به این شکل در خواهد آمد.

معادله منبع سوییچینگ boost

مدار bidirectional synchronous buck در شکل زیر نشان داده شده:

مدار synchronous buck bidirectional

یکی از مهمترین کاربردهای این مدار استفاده آن در ماشین هی الکتریکی است. به طوری که باتری لیتیومی ماشین را به ترمینال VA و درایور موتور 3 فاز را به ترمینال VB متصل می کنند. هنگامی که ماشین در حال حرکت است مدار مانند مدار buck عمل می کند و انرژی الکتریکی را از باتری به درایور موتور منتقل می کند. و در هنگام ترمز که نوع ترمز این ماشین ها اغلب به صورت Regenerative Brake هستند، انرژی را با ولتاژ بالاتر از موتور به باتری منتقل خواهد کرد.

نتیجه گیری:

منبع سوییچینگ یکی از مهمترین بخش های یک مدار است. این مدار می تواند با طراحی دقیق یک راندمان بالایی داشته باشد. در یک مدار سوییچینگ محاسبات و طراحی سیستم کنترلی نسبتا دقیقی نیاز دارد. این طراحی از قبیل انتخاب نوع قطعات و طراحی دقیق سیستم فیدبک و کنترلی مدار تاثیر به سزایی در دقت خروجی ولتاژ و راندمان چنین مداراتی دارد. در قسمت بعدی با topology های مختلف منابع سوییچینگ آسنا خواهیم شد.

این مطلب را از دست ندهید  سنسور شتاب سنج و استفاده از آن در کوادکوپتر

در صورتی که  در مورد  منابع سوییچینگ سوال  داشته باشید می توانید در diginic.net/fa/forum سوالات خود را مطرح کنید.

درباره نویسنده

مازیار قنبری نژاد

دیدگاهتان را بنویسید