ترفندهای قدرتی: چگونه جریان هجومی در منبع تغذیه AC/DC را محدود کنیم؟

جریان هجومی در منابع تغذیه
با روشن کردن منبع تغذیه AC/DC، جریان هجومی گذرایی در ورودی منبع تغذیه مشاهده می‌شود (شکل ۱). اگر این جریان هجومی خیلی زیاد باشد (که منبع تغذیه برای مدتی کوتاه با انرژی خیلی زیادی روبرو شود) قطعات الکترونیکی همچون فیوز و دیودهای یک سو ساز در منبع تغذیه آسیب خواهند دید. در این مقاله خواهیم دید که جریان هجومی چگونه به قطعات الکترونیکی مدار آسیب می‌رساند و طی مثال‌هایی مدارات محدود کننده جریان هجومی معرفی خواهند شد.

شکل 1: نمودار جریان هجومی یک منبع تغذیه با ورودی 120 ولت 60 هرتز

در شکل (2) ساده‌ترین مبدل AC/DC که به صورت یک یکسوساز نیم موج است مشاهده میکنید.

شکل 2: مدار یکسوساز نیم موج

حداکثر جریان هجومی را در شرایط بی باری طبق فرمول زیر می‌توانید محاسبه کنید:

V_F ولتاژ هدایت دیود بوده و R_ESR مقاومت معادل خازن C₁ است.

با فرض V_F=1V و R_ESR=1Ω، حداکثر جریان هجومی برای ولتاژ ورودی 120 ولت برابر 168 آمپر خواهد بود. این میزان جریان فراتر از حد جریان اکثر دیودهاست. علاوه بر این، اگر ظرفیت خازن بالا باشد، جریان هجومی مدت بیشتری طول خواهد کشید و سبب سوختن فیوز هنگام روشن شدن منبع خواهد شد (انرژی عبوری از فیوز متناسب با I۲t است).

برای جلوگیری از آسیب رسیدن به قطعات الکترونیکی مدار به خاطر جریان هجومی، مدارات محدود کننده جریانی برای منابع تغذیه AC/DC نیاز است. سه نوع مداری که توسط طراحان مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از: ترمیستور ضریب دمایی منفی (NTC)، رله و مدار بای‌پس MOSFET.

ترمیستور - (NTC)
یکی از راه‌های موثر برای کاهش جریان هجومی، افزایش مقاومت مسیر شارژ خازن است (اضافه کردن یک مقاومت مطابق شکل ۳). اگر یک مقاومت Ω ۲.۵ اضافه کنیم، جریان هجومی برای ولتاژ ورودی ۱۲۰ ولت به کمتر از ۷۰ آمپر کاهش خواهد یافت. اما اضافه کردن این مقاومت به یک منبع تغذیه با توان ۲۰۰ وات، تلفاتی به میزان ۷ وات را به دنبال خواهد داشت.

راه بهینه‌تر جایگزینی مقاومت با یک ترمیستور NTC است (RT1 در شکل 4). قبل از روشن شدن منبع تغذیه، ترمیستور NTC سرد بوده و حداکثر مقاومت را دارد. به همین خاطر از مقاومت‌های بالا برای محدود کردن جریان هجومی در لحظه روشن شدن منبع، میتوان استفاده کرد.

طی عملکرد عادی، ترمیستور NTC داغ شده و کمترین میزان مقاومت را دارد (کمتر از میزان یک مقاومت ثابت). به عنوان مثال، ترمیستور NTC 2.5 اهمی شکل 4، در دمای 100 درجه سانتی گراد مقاومتی 0.5 اهمی دارد. این کاهش مقاومت ترمیستور NTC باعث می‌شود تلفات مدار محدود کننده جریان هجومی کاهش یابد.

شکل 3: مدار یکسوساز نیم موج و استفاده از مقاومت به عنوان محدود کننده جریان هجومیشکل 4: طبقه ورودی یکسوساز PMP5141

رله:
یک ترمیستور NTC راه حلی مقرون به صرفه برای محدود کردن جریان هجومی است. اما برای منابع توان بالا تلفات زیادی دارد. شکل 5 یک مدار رله‌ای برای منبع تغذیه 1 کیلو واتی را نشان می‌دهد. در ابتدا رله خاموش است. لحظه روشن شدن، جریان ورودی از یک مقاومت 10 اهم 10 وات می‌گذرد. هنگامی که منبع تغذیه به انرژی لازم رسید، ولتاژ رگوله شده 12.2 ولتی رله را روشن کرده و با اتصال کوتاه شدن دو سر مقاومت 10 وات، تلفات توان مدار محدود کننده جریان کاهش می‌یابد.

شکل 5: طبقه ورودی یکسوساز یک منبع تغذیه یک کیلو واتی

مدار بای پس ماسفت
علاوه بر رله، یک مدار بای پس ماسفت همانطور که در شکل 6 نشان داده‌شده است، باعث کمتر شدن تلفات مدار محدود کننده جریان می‌شود. در شکل 6، از یک مدار افزاینده PFC استفاده شده است. در عملکرد عادی، مدار افزاینده، ولتاژ ورودی یکسوسازی شده را (VREC) به ولتاژ بالاتری (380 VDC) در گره B+ افزایش می‌دهد. مدار بای‌پس MOSFET، سطح ولتاژ گره B+ را تشخیص می‌دهد. هنگامی که ولتاژ گره B+ نزدیک به 380 ولت باشد، ماسفت Q2 روشن شده و از تلفات بالا در RT2 جلوگیری می‌کند.

شکل 6: طبقه ورودی PMP9531