منبع تغذیه سوئیچینگ چیست و چه کاربردی دارد؟

منبع تغذیه سوئیچینگ (Switched Mode Power Supply) به اختصار SMPS یکی از مدل های منبع تغذیه الکترونیکی است که از رگولاتورهای سوئیچینگ برای تبدیل کردن توان الکتریکی استفاده می کند. منبع تغذیه SMPS کاربردهای گسترده ای در صنایع الکترونیکی پیدا کرده که بخاطر هزینه کم و سازگاری بالاست.

این وسیله الکترونیکی، در حین تبدیل ولتاژ و جریان، برق را از منبع DC یا AC به بارهای DC منتقل می کند. بد نیست بدانید که تفاوت منبع تغذیه سوئیچینگ با مدل خطی این این است که ترانزیستور عبور پیوسته بین حالت های کم اتلاف، روشن و کامل سوئیچ می کند. در ادامه بیشتر در خصوص اینکه منبع تغذیه سوئیچینگ چیست و چه کاربردها و مدل هایی دارد صحبت خواهیم کرد.

منظور از منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟

منبع تغذیه سوئیچینگ از ترانزیستورهای سوئیچینگ مثل ماسفت ها و قطعات ذخیره کننده انرژی مثل خازن ها و سلف ها برای تأمین برق در مواقع عدم رسانایی دستگاه سوئیچینگ استفاده می کند. فناوری که در ساخت منبع تغذیه سوئیچینگ استفاده شده نتیجه آن حذف ترانس و کاهش دما و افزایش راندمان تا بالای 90% بوده است. این نوع منبع تغذیه سایز کوچکی دارد و در بسیاری از کامپیوترهای شخصی و تجهیزات الکترونیک مختلف مخصوصا حساس ها استفاده می شوند.

تاریخچه منبع تغذیه سوئیچینگ

منابع تغذیه سوئیچینگ بواسطه کاربرد در صنعت کامپیوتر از حدود سال 1970 به شکل تجاری در دسترس بودند. در سال 1972 توسط هیولت پاکارد در ماشین حساب HP-35 برای برق نمایشگر LED و سیگنال های زمان بندی استفاده کرد. در سال 1936 منبع تغذیه ویبراتور پدید آمد که در رادیو خودرو برای بیشتر کردن ولتاژ باتری 6 ولت به ولتاژ بالاتر برای لوله های خلأ استفاده گردید. در سال 1977 نیز اپل از منبع تغذیه سوئیچینگ برای ساخت یک کامپیوتر خانگی کوچک و سبک استفاده نمود.

پیشنهاد می کنیم برای خرید انواع پی ال سی دلتا به سایت آزند اتوماسییون مراجعه کنید.

انواع منبع تغذیه سوئیچینگ براساس ولتاژ ورودی و خروجی

منبع تغذیه سوئیچینگ برحسب ولتاژ ورودی و خروجی منبع تغذیه به 4 دسته مختلف تقسیم بندی می شود که عبارتند از:

• AC به DC – منبع تغذیه DC آفلاین
• AC به AC – چرخه مبدل تغییر فرکانس
• DC به DC – مبدل
• DC به AC – اینورتر

اجزای منبع تغذیه سوئیچینگ

قطعات و اجزای تشکیل دهنده منبع تغذیه سوئچینگ عبارتند از:

• یکسو کننده ورودی و فیلتر
• یکسو کننده خارجی
• ترانسفورماتر قدرت
• یکسو کننده خروجی
• سیستم فیدبک و مدار کنترل
• اینورتر حاوی سیگنال فرکانس بالا و دستگاه های سوئیچینگ

منبع تغذیه سوئیچینگ ساده چندین بلوک دارد. یکسو کننده و فیلتر در بخش ورودی منابع تغذیه سوئیچینگ، باعث حذف شدن نویز و یکسوسازی فرکانس شده و سپس فرکانس سیگنال نیم موج یا تمام موج به وجود می آید. این سیگنال توسط مدار مبدل افزایش پیدا می کند و برای تقویت بیشتر تحویل قدرت و ساختار می گردد. از مدار خروجی ترانس بسته به اینکه چقدر نیاز وجود داشته باشد می توان ولتاژهای DC مختلفی ایجاد کرد.

قطعات موجود در منبع تغذیه سوئیچینگ

قطعات منبع تغذیه سوئیچینگ چیست و هر کدام چه وظایفی دارند؟ در ادامه توضیح داده ایم:

• منبع سوئیچ برای تهیه موج PWM

مدولاسیون پهنای باند روشی برای تنظیم توان الکتریکی داده شده به بار است و با تغییر زمان یا قطع و وصل شدن، منبع توان و بار در هر سیکل عوض می شوند.

• القاگر یا Inducer

القاگر یا سلف که به آن سیم پیچ یا پیچه هم می گویند در برابر تغییرات جریان مقاومت کرده و آن را ثابت نگه می دارد. وقتی که جریان برق از القاگر عبور می کند درون آن یک میدان مغناطیسی ایجاد می گردد که انرژی را به شکل موقت در خود ذخیره می سازد.

• ترانزیستور قدرت یا Power Transistor

مهمترین قطعه منبع تغذیه سوئیچینگ که برای قطع و وصل سیگنال به کار می رود، ترانزیستور قدرت است که نوعی قطعه جامد است و از سیلیسیم و ژرمانیوم ساخته شده اند.

• خازن برای ذخیره انرژی در زمان خروج جریان AC یا Capacitor

خازن ها انرژی را برخلاف حجم و اندازه ای که دارند ذخیره می کنند. خازن وظیفه دارد تا مقداری از جریان یکسو شده برد را در خود ذخیره کرده و در موقع مناسب آزاد سازد.

• شبکه های حس کننده و سازنده عمل بازخورد یا Sensing Networks

این شبکه ترکیبی از دو مقاومت و یک دیود هستند. مدار بازخوردی هم مانع خروج جریان در مرحله اول شده و با کمک شبکه ساخته شده جریان را به سمت ورودی می برد تا دوباره یکسوسازی روی آن انجام شود. نهایتا جریان به سمت خروجی رفته و از منبع تغذیه سوئیچینگ خارج می گردد.

ساختار مدارهای منبع تغذیه سوئیچینگ

پس از اینکه متوجه شدید منبع تغذیه سوئیچینگ چیست نوبت به ساختار مدارها یا توپولوژی آنها می رسد. ساختار مدار مشخص می کند که شیوه انتقال توان از ورودی به خروجی چگونه است. اکثرا یک ترانسفورماتور قدرت دارند که بسته به تعداد سیم پیچ ها، خروجی های متعدد و ایزوله را تعیین کند. ساختارهایی مثل باک و تقویت کننده یا بوست، ترانسفورماتور قدرت ندارند و غیر ایزوله هستند و تبدیل توان در آنها فقط از طریق انتقال انرژی القایی است.

توپولوژی یا ساختارهای ایزوله کاربرد زیادی ندارند و عموما در تنظیم کننده های DC-DC به کار می روند. معمولا ساختارهای غیر ایزوله یک خروجی واحد دارند که دامنه آن با سیکل کاری و ولتاژ ورودی محدود شده است. دقت داشته باشید که مواردی مثل هزینه، کارایی و اندازه فاکتورهایی هستند که قبل از انتخاب ساختار و توپولوژی باید در نظر گرفته شوند.

انواع توپولوژی یا ساختار مدارهای منبع تغذیه سوئیچینگ عبارتند از:

• باک یا Buck؛ پرکاربردترین، ساده ترین و ارزانترین مدل غیر ایزوله برای کم کردن ولتاژ DC به DC
• بوست یا Boost؛ افزایش ولتاژ به شکل غیر ایزوله
• باک و بوست؛ برای کاهش و افزایش به شکل غیر ایزوله
• فلای بک یا Fly Back؛ برای افزایش و کاهش به شکل ایزوله
• تمام پل یا Full Bridge
• نیم پل یا Half Bridge

انواع منبع تغذیه سوئیچینگ براساس توپولوژی یا ساختار مدار

همانطور که در تقسیم بندی بالا هم توضیح دادیم، منبع تغذیه سوئیچینگ را می توان برحسب نوع توپولوژی مدار به دو نوع ایزوله و غیر ایزوله تقسیم بندی کرد.

منبع تغذیه ایزوله (Isolated Converters)

منبع تغذیه ایزوله مدلی است که ایزولاسیون بین مدار ورودی و خروجی حفظ می شود. مدل های زیادی از منبع تغذیه سوئیچینگ ایزوله وجود دارند ولی پرکاربردترین و بهترین آنها فلای بک و فوروارد هستند که هر دو از ترانسفورمر برای جداسازی سوئیچ کردن از خروجی استفاده می کنند ولی در نوع دوم ترانسفورمر برای ذخیره انرژی به کار می رود.

• منبع تغذیه فلای بک (Fly Back)

در این نوع منابع تغذیه موقعی که جریان از آنها عبور می کند از دو القاگری که به شکل متقابل کول شده اند برای ذخیره انرژی استفاده می کنند که وقتی منبع تغذیه قطع می شود آزاد می گردد. منبع تغذیه فلای بک از لحاظ معماری و عملکرد مشابه با مبدل های بوست هستند. سیم پیچ اولیه ترنسفورمر به جای القا کننده است و دومین سیم پیچ برای خروجی است.

• منبع تغذیه فوروارد (Forward)

منبع تغذیه با مبدل فوروارد یک نوع مبدل DC/DC است که از ترنسفورمر برای کاهش یا افزایش خروجی ولتاژ و ایجاد ایزولاسیون گالوانیکی برای بار استفاده می کند. این مبدل ها چندین سیم پیچ خروحی دارند که باعث شده ولتاژهای خروجی بالاتر یا پایینتر بتوانند همزمان از مبدل فوروارد استفاده کنند. با اینکه مبدل های فوروارد تا حدی شبیه به نوع فلای بک هستند ولی پایه و اساس کاری متفاوت بوده و کارآمدتر هستند. مبدل های فلای یک، انرژی را در میدان مغناطیسی درون گپ هوایی القا کننده در هنگام القای ترانزیستور ذخیره می کنند در حالی که در مبدل های فوروارد اینگونه نیست. در مبدل های فوروارد، جریان، به کمک ترانسفورمر در طی القا، مستقیما به سمت خروجی مبدل می رود به همین دلیل به آنها فوروارد یا مستقیم رو به جلو می گویند.

منبع تغذیه غیر ایزوله

نوع دیگری از منبع تغذیه سوئیچینگ، مدل های غیر ایزوله هستند که منبع ورودی و بار خروجی یک مسیر جریان مشترک در طی عملکرد خود دارند و انرژی از طریق المان های ذخیره کننده انرژی مثل القاگرها و خازن ها منتقل می شود. مدل های اصلی مبدل های ایزوله شامل:

• مبدل باک (Buck)

مبدل باک که به آن Step Down هم می گویند یک مبدل توان DC/DC است که ولتاژ را از منبع ورودی آن کاهش داده و جریان را به سمت بار خروجی آن افزایش می دهد. مبدل های باک یا شامل یک دیوید و یک ترانزیستور یا دو ترانزیستور و حداقل یک المان ذخیره کننده انرژی مثل خازن یا القاگر هستند. کارآمدی توانی که این مبدل ها ایجاد می کنند در اکثر موارد بالای 90% است و به همین خاطر در صنایع کامپیوتری استفاده می کنند.

• مبدل بوست (Boost)

مبدل بوست که به آن Step-up هم گفته می شود یک مبدل توان DC-DC است که دقیقا نقطه مقابل مبدل باک محسوب می شود چون ولتاژ ورودی را افزایش داده و جریان را به سمت بار خروجی آن افزایش می دهد. این نوع مبدل ها یا حاوی یک دیود و یک ترانزیستور هستند یا دو ترانزیستور و حداقل یک خازن یا القاگر دارند که انرژی ذخیره می کنند.

• مبدل باک – بوست (Buck-Boost)

مبدل باک بوست همانطور که از اسمش پیداست ترکیبی از مبدل های باک و بوست است بنابراین می تواند یک خروجی DC تنظیم شده از منبع تغذیه ایجاد کند که ولتاژ آن کمتر یا بیشتر از ولتاژ خروجی تنظیم شده است.

منبع تغذیه سوئیچینگ چطور کار می کند؟

این سوال یکی از مواردی است که حتما باید به آن پاسخ داد تا بیشتر با این نوع منابع تغذیه آشنا شوید. تا سالیان طولانی از منابع تغذیه خطی AC/DC جریان متناوب را از شبکه برق می گرفتند و به ولتاژ DC تبدیل می کردند تا لوازم خانگی و روشنایی کار کنند.

اما امروزه به منابعی با توان کمتر نیاز پیدا شده که برای کاربردهای با توان بالا استفاده می شوند به همین دلیل منابع تغذیه خطی در مصارف صنعتی و پزشکی استفاده می شوند که نویز خیلی کمی دارند.

بنابراین طبیعی است که منابع تغذیه سوئیچینگ به خاطر سایز کوچکتر، کارآمدی زیاد و امکان مدیریت توان بالا کاربرد بسیار بیشتری پیدا کنند. در شکل زیر می بینید که چطور یک جریان متناوب به جریان مستقیم در یک منبع تغذیه سوئیچینگ تبدیل می شود:

نحوه عملکرد و کارکرد یک منبع تغذیه سوئیچینگ طبق مراحل زیر است:

• یکسوسازی ولتاژ ورودی (Input Rectification)

یکسوسازی یعنی ولتاژ AC به DC تبدیل شود. یکسوسازی اولین مرحله کاری در منبع تغذیه سوئیچینگ است. معمولی ترین فرم موج جریان متناوب یا AC، موج سینوسی است که در نیم سیکل اول جهت مثبت و در مابقی چرخه منفی است.

در فرایند یکسوسازی نیم چرخه منفی معکوس یا حذف خواهد شد و بدین ترتیب جریان متناوب متوقف شده و به جریان مستقیم تبدیل می گردد. بعد از اینکه یکسوسازی انجام گرفت، موج سینوسی توان متوسط پایینی دارد و نمی تواند به شکل مؤثری به همه دستگاه ها برق رسانی کند.

برای این منظور، تغییر قطبیت نیم موج منفی و مثبت کردن آن روش بهتری به نظر می رسد. به این روش یکسوسازی تمام موج می گویند و با چهار دیود در یک پیکربندی پل قابل انجام است. در سمت مقابل یکسوسازی نیم پل را داریم که با یک دیود به دست می آید و دیود اجازه عبور جریان در طول نیمه مثبت را می دهد ولی اجازه عبور جریان در جهت مخالف را نمی دهد.

در نهایت باید دقت داشته باشید موجی که کاملا یکسو شده، میانگین ولتاژ خروجی آن نسبت به ولتاژی که با یکسو کننده نیم پل تولید می شود بسیار بیشتر است ولی هنوز با شکل موج DC ثابت مورد نیاز برای اینکه دستگاه های الکترونیکی را تغذیه کند کافی نیست.

پس اگر چه یک موج DC دارید ولی چون مقدار آن در اکثر موارد خیلی سریع تغییر می کند برای اینکه بتواند یک دستگاه را تغذیه کند کارآمدی خوبی ندارد. به این تغییرات دوره ای در ولتاژ DC ریپل (Ripple) می گویند که برای کم کردن میزان ریپل یا حذف آن باید از یک خازن بزرگ در خروجی یکسو کننده قرار داد که نقش صافی یا فیلتر صاف کننده دارد.

• تصحیح ضریب توان (Power Factor Correction) یا PFC

مرحله دوم در شیوه کاری منبع تغذیه سوئیچینگ چیست، تصحیح ضریب توان که بد نیست بدانید مدارهای PFC چندان مرتبط با تبدیل برق AC به DC نیستند.

به شکل بالا دقت کنید. جریان شارژ طی یک بازه زمانی خیلی کوتاه از خازن عبور کرده و یکسری قله جریان کوتاه در خازن ایجاد می کند که نه تنها برای منبع تغذیه بلکه کل شبکه دردساز است چون هارمونیک زیادی به شبکه برق تزریق می کند که باعث اعوجاج شده و در کار منبع تغذیه و کلیه دستگاه های متصل به آن اختلال ایجاد می کند.

در مرحله دوم هدف این است که این هارمونیک ها به حداقل برسند و برای این منظور آنها را فیلتر می کنند که به دو شکل اکتیو و پسیو قابل انجام است.

مدارهای PFC پسیو یا غیر فعال از فیلترهای پایین گذر پسیو تشکیل شده اند که هارمونیک های با فرکانس بالاتر از دامنه گذر خود را حذف می کنند. با این حال منابع تغذیه سوئیچینگ باید حاوی مدارات تصحیح توان فعال هم باشند.

در سمت مقابل مدارهای PFC فعال را داریم که شکل موج را طوری تغییر می دهند که مقدار جریان از ولتاژ تبعیت کند. با این روش هارمونیک ها برای اینکه راحتتر فیلتر شوند به فرکانس های بسیار بالاتر منتقل می شوند. پرکاربردترین مدار در این حالت مبدل بوست کننده یا افزایش دهنده است.

• جداسازی یا Isolation

مرحله سوم کاری منبع تغذیه سوئیچینگ، جداسازی یا ایزوله کردن یا ایزولاسیون است که براین اساس منبع تغذیه به دو نوع ایزوله و غیر ایزوله تقسیم بندی می شود. در این مرحله، میزان ولتاژ DC تصحیح شده به مقدار ولتاژ مناسب برای کاربردی که برای آن در نظر گرفته شده پایین آورده می شود. چون شکل موج AC ورودی در ورودی یکسو شده، خروجی ولتاژ DC بالاتر است و اگر مدار PFC نباشد به 320 ولت هم می رسد؛ اگر هم مدار PFC فعال وجود داشته باشد به 400 ولت می رسد که در هر صورت بسیار خطرناک تر و بسیار بیشتر از ولتاژ کاری مورد نیاز است.

برای تبدیل در منابع تغذیه ایزوله، مبدل های فلای بک و رزونانسی LLC بسیار کاربرد دارند چون جداسازی به روش گالوانیکی و مغناطیسی انجام می گیرد:

مبدل های فلای بک و LLC ولتاژ DC ورودی را به یک موج مربعی تبدیل می کنند که با یک ترانسفورماتور می توان مقدار آن را کم کرد. سپس موج خروجی باید دوباره قبل از رفتن به سمت خروجی اصلاح شود. مبدل های فلای بک برای کاربردهای با مصرف توان پایین هستند و از نوع مبدل باک بوست ایزوله است یعنی ولتاژ خروجی بسته به اینکه نسبت تبدیل ترانسفورماتور بین سیم پیچ اولیه و ثانویه چقدر باشد، می تواند کمتر یا بیشتر از ولتاژ ورودی باشد.

در سمت مقابل مبدل های LLC برای کاربردهایی با توان بالا مناسب هستند و از طریق ترانسفورماتور به شکل مغناطیسی ایزوله می شوند. مبدل های LLC کارکردشان براساس پدیده رزونانس است یعنی وقتی یک فرکانس با فرکانس طبیعی فیلتر مطابقت دارد، تقویت می کند.

در منبع تغذیه غیر ایزوله از مبدل باک ولتاژ بالا استفاده می شود که مزایایی از نظر وزن، اندازه و عملکرد دارند و سطوح ولتاژ خروجی را کاهش می دهند. در این نوع مبدل ها وقتی کلید ترانزیستور بسته است جریانی که از سلف عبور کرده ولتاژی در کل سلف درست می کند که با ولتاژ منبع تغذیه وارد مقابله شده و نتیجه آن کاهش ولتاژ خروجی است. وقتی کلید باز است سلف جریانی آزاد می کند که از طریق بار عبور می کند اما مدار از منبع تغذیه قطع بوده و مدار جریان از طریق یک دیود فست بسته می شود.

مبدل های باک نسبت به ایزوله بخاطر داشتن تنها یک سلف یکپارچه سازی راحتتری دارند و در کاهش ولتاژ هم بهتر عمل می کنند و می توان به راندمان کاری 95% رسید چون ترانزیستورها و دیودها تقریبا اصلا افت توان سوئیچینگی ندارند.

کاربردهای منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟

اکنون که با منبع تغذیه سوئیچینگ یا SMPS آشنا شدید و انواع آن را شناختید بهتر است که به مبحث کاربردهای آن در صنایع مختلف بپردازیم. مدل های مختلف مبدل در SMPS باعث شده در مواردی که نیاز به راندمان بالا و پایین است استفاده شوند. هر جا که انعطاف پذیری بالا، ابعاد و وزن مناسب اهمیت دارد پای SMPS به میان می آید. مهمترین کاربردهای منبع تغذیه سوئیچینگ در شارژرهای موبایل، کامپیوترها و لپ تاپ ها و همچنین وسایل حمل و نقل الکتریکی است. در ادامه بیشتر توضیح خواهیم داد که منبع تغذیه سوئیچینگ در کجا و چه دستگاه هایی استفاده می شود:

• تجهیزات IT و ماشین حساب های صنعتی
• تجهیزات ارتباطی مثل مخابراتی و سیستم های برادکست و تحت وب
• وسایل الکترونیکی مثل کامپیوترها
• سیستم های کنترلی ربات، خطوط تولید و سیستم های قدرت در صنایع
• خودپردازها و سیستم های خودکار فروش
• تجهیزات آزمایشگاهی بزرگ و بیمارستانی
• تجهیزات درمانی و معاینه ای
• تجهیزات الکترونیکی و الکتریکی تعمیراتی مثل شارژرهای باتری
• لوازم الکتریکی کوچک مثل تلویزیون، وسایل پخش ویدیو، کنسول بازی، ستاپ باکس و غیره
• تجهیزات صوتی مختلف مثل رکوردرها
• لوازم خانگی بزرگ و کوچک

مزایای منبع تغذیه سوئیچینگ

کاربردهای گسترده منبع تغذیه سوئیچینگ یکی از مزایای بسیار مهم آنها محسوب می شود اما محدود به این موارد نیست. مزایای منبع تغذیه SMPS عبارتند از:

• تأمین ولتاژ مورد نیاز
• تطبیق پذیری بالا
• بهره وری و کارایی بالا
• بازدهی تا 95%
• توان تلفاتی پایین
• کم کردن بسیار زیاد اتلاف انرژی
• ابعاد کوچک و وزن مناسب
• انتقال انرژی نسبتا زیاد در دفعات کم
• کاملا فشرده و کامپکت
• زمان نگهداری بیش از 5 میلی ثانیه

معایب منبع تغذیه سوئیچینگ

با وجود همه مزایایی که برای منبع تغذیه سوئیچینگ SMSP نام بردیم معایبی نیز دارند که عبارتند از:

• نیاز به محافظت در مقابل اضافه بار دارند
• با قطع شدن فیدبک در منبع تغذیه خطی، ولتاژ افزایش پیدا نمی کند
• انرژی بیشتر به خروجی بیشتر منتقل می شود که موجب افزایش ولتاژ و نهایتا منجر به سوختن عناصر مدار می گردد
• جریان های یورشی زیاد هستند یعنی جریان هایی که در لحظه اول بعد از وصل شدن منبع تغذیه به علت شارژ نبودن خازن های مدارات سوئیچینگ از وروید دریافت می شود
• در ترانس علاوه بر تشعشع، تلفات هم افزایش می یابد که با افزایش تلفات، بازدهی آن به شکل مستقیم از طریق سیم های ارتباطی منتشر می شود و غیر مستقیم که از طریق محیط ارتباط برقرار می گردد، کاهش می یابد.

جمع بندی

در این مطلب به بررسی کامل منبع تغذیه سوئیچینگ چیست پرداختیم و سپس قطعات، کاربردها، انواع، مزایا و معایب را به طور مفصل توضیح دادیم. با مطالعه این مطلب به تمام چیزی که برای کار، آشنایی و خرید این وسیله نیاز دارید دست پیدا کردید تا یک مطلب تخصصی دیگری از سایت آزند اتوماسیون فروشگاه فروش تجهیزات اتوماسیون صنعتی را مطالعه کرده باشید.