منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟

منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟

منابع تغذیه سوئیچینگ، یکی از اجزای کلیدی در سیستم‌های الکترونیکی هستند که به منظور تأمین انرژی الکتریکی برای اجزای مختلف مدارها و دستگاه‌ها استفاده می‌شوند. منبع تغذیه سوئیچینگ یا SMPS، نوعی منبع تغذیه است که در آن از روش‌‌های سوئیچینگ مبتنی بر نیمه ‌هادی برای رسیدن به ولتاژ خروجی موردنظر طراحی استفاده می‌شود.

منابع تغذیه سوئیچینگ که به جای منابع تغذیه خطی سنتی به کار می‌روند، نسبت به آنها مصرف انرژی پایین‌تر و در نتیجه راندمان بالاتری دارند. از نظر وزن و سایزینگ مدار نیز نسبت به منابع تغذیه خطی بسیار کوچک‌تر هستند.

منبع تغذیه سوئیچینگ چگونه کار می‌کند؟

در منابع تغذیه سوئیچینگ، فرآیند تبدیل توان در چند مرحله انجام می‌شود. ابتدا ولتاژ ورودی توسط مدار پل دیودی به ولتاژ DC تبدیل می‌شود. سپس این ولتاژ DC توسط یک المان سوئیچ‌زنی که معمولاً یک ترانزیستور یا ماسفت است، به پالس‌های ولتاژ با فرکانس بالا تبدیل می‌شود. در مرحله بعد، این پالس‌ها توسط یک ترانسفورماتور به ولتاژ دلخواه خروجی تبدیل می‌شوند. در آخر نیز از یک فیلتر برای حذف نویز و تنظیم ولتاژ خروجی استفاده می‌شود.

اجزا و بلوک‌های منبع تغذیه سوئیچینگ

منابع تغذیه سوئیچینگ از هفت بخش ضروری تشکیل شده‌اند که در تصویر زیر مشاهده می‌فرمایید. در ادامه، هر کدام از این بخش‌ها به تفکیک توضیح داده شده است:

1) یکسوسازی

اولین مرحله در تغذیه‌های سوئیچینگ، تبدیل ولتاژ AC ورودی از شبکه برق یا منبع دیگر به ولتاژ DC است. یکسوساز پل دیودی  ولتاژ AC را یکسو می‌کند و یک ولتاژ DC ضربانی را تولید می‌کند.

2) فیلتر ورودی

در این بخش، از یک خازن فیلتر برای صاف کردن ولتاژ DC ضربان‌دار ورودی استفاده می‌شود و باعث می‌شود یک ولتاژ DC ثابت‌تر و با ریپل کمتر ایجاد شود.

3) مدار سوئیچینگ

بخش اصلی یک منبع تغذیه سوئیچینگ، مدار سوئیچینگ است که معمولاً از یک ترانزیستور (یا ماسفت) و یک مدار کنترل تشکیل شده است. در این بخش، ترانزیستور قدرت (ماسفت یا آی جی بی تی) به سرعت توسط مدار کنترل با فرکانس بالا (معمولاً ده‌ها تا صدها کیلوهرتز) روشن و خاموش می‌شود. هنگامی که ترانزیستور روشن است، جریان از سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور عبور می‌کند و وقتی که خاموش است، جریان متوقف می‌شود. بنابراین، با کنترل عرض پالس یعنی مقدار روشن بودن پالس در طول دوره تناوب، می توان مقدار ولتاژ و جریان مدار را کنترل کرد.

4) ترانسفورماتور

به منظور ایجاد ایزولاسیون مداری بین اولیه و ثانویه منبع تغذیه سوئیچینگ و همچنین برای استفاده از مزایای نسبت دور سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه که می‌تواند منجر به کاهش یا افزایش ولتاژ شود، از ترانسفورماتورها استفاده می‌شود. معمولا  به دلیل اینکه فرکانس سوئیچینگ بالا است، ترانسفورماتور این نوع منابع تغذیه از نظر اندازه نسبتا کوچک است.

5) یکسوسازی و فیلتر (سمت ثانویه)

ولتاژ افزایش یافته (یا کاهش یافته) از سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور، در سمت خروجی مدار یکسوسازی و فیلتر می‌شود تا یک ولتاژ خروجی DC صاف ایجاد گردد. در این مرحله پس از یکسوسازی، فیلتر دیگری ولتاژ را صاف می‌کند و ریپل ولتاژ خروجی را کاهش می‌دهد.

6) تنظیم و تثبیت ولتاژ

در منابع تغذیه سوئیچینگ از سیستم‌های کنترلی به منظور تثبیت ولتاژ خروجی استفاده می‌شود. در این سیستم‌ها از فیدبک به منظور کنترل ولتاژ و جریان خروجی منبع تغذیه استفاده می‌شود.

7) حفاظت و ویژگی ها

منابع تغذیه سوئیچینگ اغلب دارای ویژگی‌های حفاظتی مانند حفاظت در برابر ولتاژ، حفاظت از جریان بیش از حد و خاموش شدن در اثر حرارت بالا می‌باشند. همچنین، ممکن است در برخی منابع تغذیه توان بالا، ویژگی‌ها و امکانات بیشتری مانند تصحیح ضریب توان(PFC) به منظور بهبود کارایی و رعایت استانداردهای کیفیت جریان ورودی در نظر گرفته می‌شود.

انواع منابع تغذیه سوئیچینگ

منابع تغذیه سوئیچینگ در ساختارهای مداری مختلفی ساخته و تولید می‌شوند. در ادامه، مهم‌ترین و رایج‌ترین ساختارهای مداری منابع تغذیه سوئیچینگ توضیح داده شده است:

1) مبدل باک (کاهنده ولتاژ)

مبدل باک یکی از ساده ترین توپولوژی‌های منبع تغذیه سوئیچینگ است که ولتاژ ورودی را به ولتاژ خروجی کمتر کاهش می‌دهد. این مدار از یک ترانزیستور (یا ماسفت)، یک دیود، یک سلف و یک خازن تشکیل شده است. مبدل باک برای کاربردهایی که ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ ورودی است و نیاز به ایزولاسیون وجود ندارد مناسب است.

2) مبدل بوست (افزاینده ولتاژ)

مبدل بوست می‌تواند ولتاژ ورودی را به ولتاژ خروجی بالاتر افزایش دهد. این مبدل، شامل یک ترانزیستور (یا ماسفت)، یک دیود، یک سلف و یک خازن است. این ساختار مداری برای کاربردهایی که ولتاژ خروجی باید بیشتر از ولتاژ ورودی باشد و نیازی به ایزولاسیون ندارند، مناسب است.

3) مبدل Buck-Boost(کاهنده-افزاینده)

مبدل باک بوست قابلیت کاهش یا افزایش ولتاژ ورودی را در خروجی خود دارد. در واقع این مبدل، قابلیت باک و بوست را به صورت یکجا فراهم می‌آورد. استفاده از این ساختار مداری زمانی مفید است که یک ولتاژ با تغییرات کاهشی یا افزایشی داشته باشیم و نیازی به ایزولاسیون وجود نداشته باشد.

4) مبدل فلای بک

مبدل فلای بک نوعی مبدل سوئیچینگ ایزوله است که در ساختار آن از ترانسفورماتور استفاده می‌شود. این مبدل می‌تواند ولتاژ را افزایش یا کاهش دهد و ایزولاسیون مداری بین ورودی و خروجی ایجاد کند. مبدل فلای بک در هنگام روشن شدن سوئیچ، انرژی را در سلف مغناطیس کنندگی ترانسفورماتور ذخیره می‌کند و پس از خاموش شدن سوئیچ، انرژی ذخیره شده را به سمت ثانویه انتقال می‌دهد. از این نوع تغذیه معمولاً در کاربردهای با توان پایین تا متوسط ​​مانند شارژرهای باتری، درایورهای LED و آداپتورهای کوچک استفاده می‌شود.

5) مبدل فوروارد

مبدل فوروارد نوع دیگری از مبدل‌های ایزوله است که از ترانسفورماتور استفاده می‌کند و نسبت به مبدل فلای بک بهبود داده شده است. برخلاف مبدل فلای بک، مبدل فوروارد انرژی را در حالت روشن ترانزیستور به سمت ثانویه منتقل می‌کند. از این نوع تغذیه سوئیچینگ برای کاربردهای توان متوسط و توان بالا استفاده می‌شود.

6) مبدل نیم پل و تمام پل

مبدل‌های نیم پل و تمام پل انواع مبدل های ایزوله هستند که از چندین ترانزیستور و دیود استفاده می‌کنند. این مبدل ها قابلیت عملکرد در توان های بالاتر را فراهم می‌آورند. از این نوع منابع تغذیه، اغلب در کاربردهای توان بالا مانند منابع تغذیه سرور، تجهیزات صنعتی و خودروهای الکتریکی استفاده می‌شود. مبدل نیم پل معمولا دو خازن لینک DC اضافه دارد و در مبدل تمام پل فقط خازن یکسوشده ورودی را داریم.

7) مبدل های تشدیدی (LLC، ZVS، ZCS)

مبدل های تشدیدی در فرکانس های تشدید به منظور دستیابی به سوئیچینگ نرم، کاهش تلفات سوئیچینگ و EMI کار می کنند. این ساختارها معمولا بر اساس توپولوژی LLC (سلف-سلف-خازن) بوده و  قابلت ZVS (سوئیچینگ ولتاژ صفر) و ZCS (سوئیچینگ جریان صفر) را ارائه می دهند. این منابع برای کاربردهای با بازدهی بالا با نویز کم و چگالی توان زیاد مناسب هستند.

مزایای منبع تغذیه سوئیچینگ

منابع تغذیه سوئیچینگ نسبت به منابع تغذیه دیگر، دارای مزایایی مثل بازدهی بالا، وزن و ابعاد پایین، ولتاژ و جریان خروجی قابل کنترل، بازه ولتاژ ورودی گسترده، سازگاری با انواع بار خروجی و تلفات حرارتی پایین می‌باشد.

کاربرد منبع تغذیه سوئیچینگ

منابع تغذیه سوئیچینگ به منظور فراهم آوردن ولتاژ DC برای کاربردهای بسیار متنوع شامل کامپیوتر و تجهیزات اداری، سیستم‌های صنعتی و الکترونیکی، درایورهای LED و تجهیزات پزشکی استفاده می‌شوند.