منبع تغذیه سوئیچینگ یا SMPS نوعی منبع تغذیه است که از تکنیک‌های سوئیچینگ نیمه‌هادی به جای روش‌های خطی استاندارد برای تامین ولتاژ خروجی مورد نیاز استفاده می‌کند.
آی‌سی‌های رگولاتور ولتاژ خطی (Linear voltage IC regulators)، سال‌ها اساس طراحی‌های منبع تغذیه بوده‌اند، زیرا در تامین خروجی ولتاژ ثابت پیوسته بسیار خوب عمل می‌کنند.
تنظیم‌کننده یا رگولاتورهای ولتاژ خطی معمولاً بسیار کارآمدتر و دارای استفاده راحت‌تر از مدارهای تنظیم‌کننده ولتاژ معادل که از اجزای مجزا مانند دیود زنر و مقاومت یا ترانزیستورها و حتی آپ‌آمپ‌ها ساخته شده‌اند، هستند.
محبوب‌ترین انواع تنظیم‌کننده ولتاژ خروجی خطی و ثابت، سری‌های ولتاژ خروجی مثبت …۷۸ و سری‌های ولتاژ خروجی منفی …۷۹، هستند. این دو نوع تنظیم‌کننده ولتاژ مکمل، یک خروجی ولتاژ دقیق و پایدار از حدود ۵ ولت تا حدود ۲۴ ولت برای استفاده در بسیاری از مدارهای الکترونیکی تولید می‌کنند.
طیف گسترده‌ای از این رگولاتورهای ولتاژ ثابت سه ترمینالی وجود دارد که هر کدام دارای مدارهای تنظیم ولتاژ داخلی و مدارهای محدودکننده جریان هستند. در نتیجه این امکان را میدهد تا مجموعه کاملی از خطوط و خروجی‌های مختلف منبع تغذیه، اعم از منبع تغذیه تکی یا دوگانه، مناسب برای اکثر مدارها و برنامه‌های الکترونیکی ایجاد کنیم.
حتی تنظیم‌کننده‌های خطی ولتاژ متغیر نیز وجود دارند که ولتاژ خروجی را ارائه کرده که به طور مداوم از صفر تا چند ولت کمتر از حداکثر ولتاژ خروجی آن متغیر است.
اکثر منابع تغذیه DC، شامل یک ترانسفورماتور اصلی بزرگ و سنگین، یکسوساز دیودی تمام موج یا نیمه موج، و یک مدار فیلتر برای حذف هرگونه محتوای مواج از DC یکسو شده برای تولید ولتاژ خروجی DC مناسب و صاف است.
همچنین، نوعی مدار تنظیم کننده ولتاژ یا تثبیت کننده خطی یا سوئیچینگ را می‌توان برای اطمینان از تنظیم صحیح ولتاژ خروجی منبع تغذیه تحت شرایط بار متفاوت استفاده کرد. بنابراین، یک منبع تغذیه DC معمولی چیزی شبیه به شکل زیر خواهد بود:
منبع تغذیه DC معمولی
1. منبع تغذیه DC معمولی
این طراحی منبع تغذیه معمولی شامل یک ترانسفورماتور شبکه بزرگ (که همچنین جداسازی بین ورودی و خروجی را فراهم می‌کند) و یک مدار تنظیم‌کننده سری است. مدار تنظیم‌کننده میتواند از یک دیود زنر منفرد یا یک تنظیم‌کننده سری خطی سه ترمینالی برای تولید ولتاژ خروجی مورد نیاز تشکیل شود. مزیت تنظیم‌کننده خطی این است که مدار منبع تغذیه برای تنظیم ولتاژ خروجی فقط به یک خازن ورودی، خازن خروجی و تعدادی مقاومت فیدبک نیاز دارد.
تنظیم‌کننده‌های ولتاژ خطی با قرار دادن یک ترانزیستور دائما رسانا به صورت سری بین ورودی و خروجی که باعث میشود در ناحیه خطی (دلیل نام آن) مشخصه ولتاژ جریان (i-v) آن کار کند، یک خروجی DC تنظیم شده تولید می‌کنند.
بنابراین ترانزیستور بیشتر شبیه یک مقاومت متغیر عمل می‌کند که به طور مداوم خود را با هر مقداری که برای حفظ ولتاژ خروجی صحیح لازم است تنظیم می‌کند. مدار تنظیم‌کننده ترانزیستور عبور سری ساده زیر را در نظر بگیرید:
مدار تنظیم‌کننده ترانزیستوری سری
این مدار تنظیم‌کننده امیتر-پیرو (emitter-follower) ساده از یک ترانزیستور NPN و یک ولتاژ بایاس DC برای تنظیم ولتاژ خروجی مورد نیاز تشکیل شده است. از آنجایی که مدار امیتر پیرو دارای بهره ولتاژ واحد است، با اعمال یک ولتاژ بایاس مناسب به بیس ترانزیستور، خروجی تثبیت شده از ترمینال امیتر به دست میآید.
از آنجایی که ترانزیستور بهره جریان (current gain) را فراهم می‌کند، جریان بار خروجی بسیار بیشتر از جریان بیس خواهد بود و اگر از آرایش ترانزیستور دارلینگتون استفاده شود، همچنان بالاتر خواهد بود.
۲. مدار تنظیم‌کننده ترانزیستوری سری
همچنین، به شرطی که ولتاژ ورودی به اندازه کافی زیاد باشد تا ولتاژ خروجی مورد نظر به دست آید، ولتاژ خروجی توسط ولتاژ بیس ترانزیستورها کنترل میشود و در این مثال به صورت ۵.۷ ولت ارائه میشود تا خروجی ۵ ولت را در بار تولید کند زیرا افت ولتاژ بین بیس و امیتر تقریباً ۰.۷ ولت می‌باشد. بنابراین بسته به مقدار ولتاژ بیس، هر مقداری برای ولتاژ خروجی امیتر را می‌توان به دست آورد.
اگرچه این مدار تنظیم‌کننده سری ساده کار می‌کند، اما نقطه ضعف آن این است که ترانزیستور سری به طور مداوم در ناحیه خطی بایاس شده و در نتیجه توان را به شکل گرما اتلاف می‌کند. از آنجایی که تمام جریان بار باید از ترانزیستور سری عبور کند، این منجر به راندمان ضعیف، اتلاف توان V*I و تولید گرمای مداوم در اطراف ترانزیستور میشود.
همچنین، یکی از معایبی که تنظیم‌کننده‌های ولتاژ سری دارند این است که حداکثر جریان نامی خروجی پیوسته آنها فقط به چند آمپر محدود میشود، بنابراین معمولاً در کاربردهایی استفاده میشود که خروجی‌های توان پایین مورد نیاز است.
هنگامی که نیاز به ولتاژ خروجی یا تقاضای توان جریان بالاتری باشد، روش معمول استفاده از یک تنظیم‌کننده سوئیچینگ است که معمولاً به عنوان منبع تغذیه مد سوئیچ شناخته میشود تا ولتاژ شبکه را به هر خروجی توان بالاتر مورد نیاز تبدیل کند.
منابع تغذیه سوئیچینگ یا SMPS در حال تبدیل شدن به یک وسیله رایج هستند و در اکثر موارد جایگزین منابع تغذیه خطی AC به DC به عنوان راهی برای کاهش مصرف برق، کاهش اتلاف گرما و همچنین اندازه و وزن شده‌اند.
منابع تغذیه مد سوئیچ را می‌توان در اکثر رایانه‌های شخصی، تقویت‌کننده‌های برق، تلویزیون‌ها، راه‌اندازهای موتور dc و تقریباً در هر چیزی که به منبع تغذیه بسیار کارآمد نیاز دارد، یافت، زیرا منابع تغذیه مد سوئیچ به طور فزاینده‌ای در حال تبدیل به فناوری بسیار پیشرفته‌تری هستند.
طبق تعریف، منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) نوعی منبع تغذیه است که از تکنیک‌های سوئیچینگ نیمه هادی به جای روش‌های خطی استاندارد برای تامین ولتاژ خروجی مورد نیاز استفاده می‌کند. مبدل اصلی سوئیچینگ از یک قسمت سوئیچینگ قدرت و یک مدار کنترل تشکیل شده است.
قسمت سوئیچینگ قدرت، تبدیل توان را از ولتاژ ورودی مدار، VIN به ولتاژ خروجی آن، VOUT انجام میدهد که شامل فیلتر خروجی است.
مزیت اصلی منبع تغذیه مد سوئیچ، راندمان بالاتر آن در مقایسه با تنظیم‌کننده‌های خطی استاندارد است و این امر با سوئیچ داخلی یک ترانزیستور (یا ماسفت توان) بین حالت روشن (اشباع) و حالت خاموش (قطع) به دست میآید، که هر دو باعث اتلاف توان کمتری می‌شوند.
این بدان معناست که هنگامی که ترانزیستور سوئیچینگ کاملاً روشن است و جریان عبور می‌کند، افت ولتاژ در آن در حداقل مقدار خود است و هنگامی که ترانزیستور کاملاً خاموش است، جریانی از آن عبور نمی‌کند. بنابراین ترانزیستور مانند یک کلید روشن/خاموش ایده‌آل عمل می‌کند.
برخلاف تنظیم‌کننده‌های خطی که فقط تنظیم ولتاژ کاهشی (step-down voltage regulation) را ارائه می‌دهند، منبع تغذیه مد سوئیچ میتواند ولتاژ ورودی کاهشی، افزایشی و خنثی را با استفاده از یک یا چند مورد از سه توپولوژی مدار مد سوییچ اصلی باک (Buck)، بوست (Boost) و باک-بوست (Buck-Boost)، تولید کند. این نام‌ها به نحوه اتصال سوئیچ ترانزیستور، سلف و خازن هموارکننده در مدار پایه SMPS اشاره دارد.
منبع تغذیه سوئیچینگ باک
تنظیم‌کننده سوئیچینگ باک، نوعی مدار منبع تغذیه سوئیچینگ است که برای کاهش موثر ولتاژ DC از یک ولتاژ بالاتر به ولتاژ پایین‌تر طراحی شده است، یعنی ولتاژ منبع تغذیه را “کم” می‌کند و در نتیجه ولتاژ موجود در پایانه‌های خروجی را بدون تغییر قطبیت کاهش میدهد. به عبارت دیگر، تنظیم‌کننده سوئیچینگ باک یک مدار تنظیم‌کننده کاهشی است، بنابراین برای مثال یک مبدل باک میتواند 12+ ولت را به 5+ ولت تبدیل کند.
تنظیم‌کننده سوئیچینگ باک، یک مبدل DC به DC و یکی از ساده‌ترین و محبوب‌ترین انواع تنظیم‌کننده‌های سوئیچینگ است. هنگامی که در پیکربندی منبع تغذیه سوئیچینگ استفاده میشود، تنظیم‌کننده سوئیچ باک از یک ترانزیستور سری یا ماسفت توان (به طور ایده آل یک ترانزیستور دوقطبی گیت عایق یا IGBT) به عنوان دستگاه سوئیچینگ اصلی خود همانطور که در زیر نشان داده شده است، استفاده می‌کند.
تنظیم‌کننده سوئیچینگ باک
۳. مدار تنظیم‌کننده سوئیچینگ باک
می‌بینیم که پیکربندی مداری اولیه برای مبدل باک، یک سوئیچ ترانزیستوری سری TR۱، با مدار تحریک مرتبط، یک دیود D۱، یک سلف L۱ و یک خازن هموارکننده C۱، است که ولتاژ خروجی را تا حد ممکن نزدیک به سطح مورد نظر، نگه می‌دارد. مبدل باک دو حالت کاری، بسته به اینکه ترانزیستور سوئیچینگ TR۱ «روشن» یا «خاموش» باشد، دارد.
هنگامی که ترانزیستور بر روی حالت”روشن” بایاس میشود (سوئیچ بسته)، دیود D۱ بایاس معکوس شده و ولتاژ ورودی VIN باعث میشود جریانی از طریق سلف به بار متصل در خروجی برود و خازن C۱ را شارژ کند.
همانطور که یک جریان متغیر از سیم پیچ سلف عبور می‌کند، یک نیروی محرکه الکتریکی معکوس (back-emf) تولید می‌کند که طبق قانون فارادی با جریان عبوری مخالفت کرده تا زمانی که به حالت ثابت برسد و میدان مغناطیسی در اطراف سلف L۱ ایجاد کند. این وضعیت تا زمانی که TR۱ بسته باشد به طور نامحدود ادامه دارد.
هنگامی که ترانزیستور TR۱ توسط مدار کنترل “خاموش” میشود (کلید باز)، ولتاژ ورودی فوراً از مدار امیتر قطع شده و باعث میشود که میدان مغناطیسی اطراف سلف از بین برود و ولتاژ معکوس را در سراسر سلف القا کند.
این ولتاژ معکوس باعث میشود که دیود بایاس مستقیم شود، بنابراین انرژی ذخیره‌شده در میدان مغناطیسی سلف‌ها جریان را مجبور می‌کند تا از طریق بار در همان جهت عبور کند و از طریق دیود به عقب بازگردد.
سپس سلف L1 انرژی ذخیره شده خود را به بار باز می‌گرداند که مانند یک منبع عمل کرده و جریان را تامین می‌کند تا زمانی که تمام انرژی سلف به مدار بازگردد یا تا زمانی که کلید ترانزیستور دوباره بسته شود، هر کدام که زودتر اتفاق بیفتد. هم‌زمان، خازن نیز جریان داده شده به بار را تخلیه می‌کند. ترکیب سلف و خازن یک فیلتر LC را تشکیل میدهد که هرگونه ریپلی را که در اثر سوئیچینگ ترانزیستور ایجاد میشود، هموار می‌کند.
بنابراین، هنگامی که کلید حالت جامد ترانزیستوری بسته است، جریان از منبع تغذیه تامین میشود و زمانی که کلید ترانزیستوری باز است، جریان توسط سلف تامین میشود. توجه داشته باشید که جریان عبوری از سلف همیشه در یک جهت است، یا مستقیماً از منبع تغذیه یا از طریق دیود، که به طور واضح در زمان‌های مختلف در چرخه سوئیچینگ است.
از آنجایی که کلید ترانزیستوری به طور پیوسته بسته و باز میشود، مقدار متوسط ولتاژ خروجی به چرخه کاری D مربوط میشود که به عنوان زمان هدایت سوئیچ ترانزیستوری در طول یک چرخه سوئیچینگ کامل تعریف میشود.
اگر VIN ولتاژ تغذیه باشد و زمان‌های «روشن» و «خاموش» برای سوئیچ ترانزیستوری به صورت tON و tOFF تعریف شوند، ولتاژ خروجی VOUT به صورت زیر داده میشود:
چرخه کاری مبدل باک
چرخه کاری مبدل باک نیز میتواند به صورت زیر تعریف شود:
بنابراین، هر چه چرخه کار بزرگتر باشد، متوسط ولتاژ خروجی DC از منبع تغذیه مد سوئیچ بالاتر است. از این قسمت همچنین می‌توانیم ببینیم که ولتاژ خروجی همیشه کمتر از ولتاژ ورودی خواهد بود، زیرا D هرگز نمی‌تواند به یک (واحد) برسد و در نتیجه یک تنظیم‌کننده ولتاژ کاهشی داریم.
تنظیم ولتاژ با تغییر چرخه کاری به دست میآید و با سرعت‌های سوئیچینگ بالا، تا ۲۰۰ کیلوهرتز، می‌توان از قطعات کوچکتر استفاده کرد و در نتیجه اندازه و وزن منبع تغذیه مد سوئیچ را تا حد زیادی کاهش داد.
مزیت دیگر مبدل باک این است که آرایش سلف-خازن (LC) فیلتر بسیار خوبی برای جریان سلف فراهم می‌کند. در حالت ایده‌آل، مبدل باک باید در مد سوئیچینگ پیوسته کار کند تا جریان سلف هرگز به صفر نرسد. با اجزای ایده‌آل، یعنی افت ولتاژ و تلفات سوئیچینگ در حالت «روشن» صفر، مبدل باک ایده‌آل میتواند راندمانی به بزرگی 100 درصد داشته باشد.
علاوه بر تنظیم‌کننده سوئیچینگ باک کاهشی برای طراحی اولیه منبع تغذیه مد سوئیچ، عملکرد دیگری از تنظیم‌کننده سوئیچینگ پایه وجود دارد که به عنوان یک تنظیم‌کننده ولتاژ افزایشی به نام مبدل بوست عمل می‌کند.
منبع تغذیه سوئیچینگ بوست
تنظیم‌کننده سوئیچینگ بوست نوع دیگری از مدار منبع تغذیه مد سوئیچ است. این مبدل دارای همان قطعات مبدل باک قبلی است، اما این بار در موقعیت‌های متفاوت استفاده شده‌اند. مبدل بوست برای افزایش ولتاژ DC از ولتاژ پایین‌تر به ولتاژ بالاتر طراحی شده است، یعنی ولتاژ تغذیه را “افزایش” میدهد، در نتیجه ولتاژ موجود در پایانه‌های خروجی را بدون تغییر قطبیت افزایش میدهد. به عبارت دیگر، تنظیم‌کننده سوئیچینگ بوست یک مدار تنظیم‌کننده افزایشی است، بنابراین برای مثال یک مبدل بوست میتواند 5+ ولت را به +12 ولت تبدیل کند.
قبلاً دیدیم که تنظیم‌کننده سوئیچینگ باک از یک ترانزیستور سوئیچینگ سری در طراحی اولیه خود استفاده می‌کند. تفاوت طراحی تنظیم‌کننده سوئیچینگ بوست این است که از یک ترانزیستور سوئیچینگ اتصال موازی برای کنترل ولتاژ خروجی از منبع تغذیه مد سوئیچ استفاده می‌کند.
از آنجایی که سوئیچ ترانزیستوری به طور موثر به موازات خروجی وصل میشود، انرژی الکتریکی تنها زمانی از طریق سلف به بار عبور می‌کند که ترانزیستور مطابق شکل بر روی حالت “خاموش” بایاس شود (سوئیچ باز).
تنظیم‌کننده سوئیچینگ بوست
۴. تنظیم‌کننده سوئیچینگ بوست
در مدار مبدل بوست، زمانی که سوئیچ ترانزیستوری به طور کامل روشن است، انرژی الکتریکی از منبع تغذیه VIN، از سلف و کلید ترانزیستوری عبور کرده و به منبع تغذیه باز می‌گردد. در نتیجه، هیچ مقداری از آن به خروجی نمی‌رود زیرا سوئیچ ترانزیستوری به طور موثر اشباع شده و اتصال کوتاه در خروجی ایجاد می‌کند.
این امر جریان عبوری از سلف را افزایش میدهد زیرا مسیر داخلی کوتاه‌تری برای بازگشت به منبع تغذیه دارد. در همین حال، دیود D۱ بایاس معکوس میشود زیرا آند آن از طریق سوئیچ ترانزیستوری به زمین متصل میشود و سطح ولتاژ در خروجی نسبتاً ثابت باقی می‌ماند زیرا خازن شروع به تخلیه از طریق بار می‌کند.
هنگامی که ترانزیستور به طور کامل خاموش میشود، منبع ورودی از طریق سلف و دیود سری به خروجی وصل میشود. همانطور که میدان سلف کاهش می‌یابد، انرژی القایی ذخیره شده در سلف توسط VIN، از طریق دیود بایاس مستقیم به خروجی رانده میشود.
در نتیجه، ولتاژ القایی در سلف L۱ معکوس شده و به ولتاژ منبع ورودی اضافه میشود و کل ولتاژ خروجی را به VIN + VL افزایش میدهد.
جریان خازن هموارکننده C۱ که برای تامین بار در هنگام بسته شدن سوئیچ ترانزیستوری استفاده می‌شد، اکنون توسط منبع ورودی از طریق دیود به خازن بازگردانده میشود. بنابراین، جریان عرضه شده به خازن جریان دیود است که همیشه “روشن” یا “خاموش” خواهد بود زیرا دیود به طور مداوم بین وضعیت مستقیم و معکوس خود توسط عملکرد سوئیچینگ ترانزیستور سوئیچ میشود. بنابراین، خازن هموارکننده باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا یک خروجی ثابت و صاف تولید کند.
از آنجایی که ولتاژ القایی در سلف L۱ منفی است، به ولتاژ منبع VINاضافه شده، جریان سلف را به بار تحمیل می‌کند. ولتاژ خروجی حالت ثابت مبدل‌های بوست به صورت زیر است:
مانند مبدل باک قبلی، ولتاژ خروجی مبدل بوست به ولتاژ ورودی و چرخه کاری بستگی دارد. بنابراین با کنترل چرخه کاری، تنظیم خروجی حاصل میشود. همچنین توجه کنید که این معادله مستقل از مقدار سلف، جریان بار و خازن خروجی است.
در بالا دیدیم که عملکرد اولیه یک مدار منبع تغذیه مد سوئیچ غیرایزوله میتواند از پیکربندی مبدل باک یا مبدل بوست بسته به اینکه نیاز به ولتاژ خروجی کاهشی (باک) یا افزایشی (بوست) داشته باشیم، استفاده کند. در حالی که مبدل‌های باک ممکن است پیکربندی رایج‌تر سوئیچینگ SMPS باشند، مبدل‌های بوست معمولاً در کاربردهای مدار خازنی مانند شارژرهای باتری، فلاش‌های عکس، فلاش‌های آنی (strobe flashes) و غیره استفاده می‌شوند، زیرا خازن تمام جریان بار را در زمانی که سوئیچ بسته است تامین می‌کند.
همچنین می‌توانیم این دو توپولوژی اصلی سوئیچینگ را در یک مدار تنظیم‌کننده سوئیچینگ غیرایزوله به نام یک مبدل باک-بوست ترکیب کنیم.
تنظیم‌کننده سوئیچینگ باک-بوست
تنظیم‌کننده سوئیچینگ باک-بوست ترکیبی از مبدل باک و مبدل بوست است که یک ولتاژ خروجی معکوس (منفی) تولید می‌کند که بر اساس چرخه کاری میتواند بیشتر یا کمتر از ولتاژ ورودی باشد. مبدل باک-بوست نوعی از مدار مبدل بوست است که در آن مبدل معکوس‌کننده تنها انرژی ذخیره شده توسط سلف L۱ را به بار تحویل میدهد. مدار منبع تغذیه مد سوئیچ باک-بوست اولیه در زیر آورده شده است.
مدار تنظیم‌کننده سوئیچینگ باک-بوست
۵. مدار تنظیم‌کننده سوئیچینگ باک-بوست
هنگامی که سوئیچ ترانزیستوری، TR۱، به طور کامل روشن (بسته) است، ولتاژ دو سر سلف برابر با ولتاژ تغذیه است، بنابراین سلف انرژی را از منبع ورودی گرفته و ذخیره می‌کند. هیچ جریانی به بار متصل در خروجی داده نمی‌شود زیرا دیود D۱ بایاس معکوس است. هنگامی که کلید ترانزیستور کاملاً خاموش است (باز)، دیود بایاس مستقیم شده و انرژی که قبلاً در سلف ذخیره شده بود به بار منتقل میشود.
به عبارت دیگر، هنگامی که کلید “روشن” است، انرژی توسط منبع DC (از طریق سوئیچ) به سلف تحویل داده میشود و هیچ انرژی به خروجی نمی‌رسد، و هنگامی که کلید “خاموش” است، ولتاژ دو سوی سلف به صورت معکوس میشود زیرا سلف اکنون به منبع انرژی تبدیل شده، بنابراین انرژی ذخیره شده قبلی در سلف به خروجی (از طریق دیود) منتقل شده و هیچ انرژی مستقیماً از منبع DC ورودی نمی‌آید. بنابراین، ولتاژ کاهش یافته در بار هنگام خاموش بودن ترانزیستور سوئیچینگ برابر با ولتاژ سلف است.
نتیجه این است که دامنه ولتاژ خروجی معکوس میتواند بزرگتر یا کوچکتر (یا مساوی) با دامنه ولتاژ ورودی بر اساس چرخه کاری باشد. به عنوان مثال، یک مبدل باک بوست مثبت به منفی میتواند ۵ ولت را به ۱۲ ولت (افزایشی) یا ۱۲ ولت را به ۵ ولت (کاهشی) تبدیل کند.
ولتاژ خروجی حالت پایدار تنظیم‌کننده سوئیچینگ باک-بوست، VOUT به صورت زیر است:
بنابراین، تنظیم‌کننده باک-بوست نام خود را از تولید یک ولتاژ خروجی گرفته است که میتواند دامنه آن از ولتاژ ورودی بیشتر (مانند بخش توان بوست) یا کمتر (مانند بخش توان باک) باشد. با این حال، ولتاژ خروجی در قطبیت مخالف ولتاژ ورودی است.
خلاصه منبع تغذیه سوئیچینگ
منبع تغذیه سوئیچینگ مدرن یا SMPS از سوئیچ‌های حالت جامد برای تبدیل ولتاژ ورودی DC تنظیم‌نشده به ولتاژ خروجی DC تنظیم‌شده و هموار در سطوح ولتاژ مختلف استفاده می‌کند. منبع تغذیه میتواند یک ولتاژ DC از باتری یا پنل خورشیدی یا یک ولتاژ DC اصلاح شده از منبع AC با استفاده از یک پل دیودی همراه با فیلترهای خازنی اضافی باشد.
در بسیاری از کاربردهای کنترل توان، ترانزیستور توان، ماسفت یا IGFET، در حالت سوئیچینگ خود کار می‌کند، جایی که مکرراً با سرعت بالا «روشن» و «خاموش» میشود. مزیت اصلی این است که راندمان توان تنظیم‌کننده میتواند بسیار بالا باشد زیرا ترانزیستور یا به طور کامل روشن و رسانا (اشباع) و یا کاملا خاموش (قطع) است.
انواع مختلفی از مبدل DC به DC (بر خلاف مبدل DC به AC که یک اینورتر است) در دسترس است، با سه توپولوژی اصلی منبع تغذیه سوئیچینگ باک، بوست و باک-بوست که در اینجا بررسی شد. هر سه این توپولوژی‌ها غیرایزوله هستند، یعنی ولتاژ ورودی و خروجی آنها یک خط زمین مشترک دارند.
هر طراحی تنظیم‌کننده سوئیچینگ دارای ویژگی‌های منحصر به فرد خود با توجه به چرخه‌های کاری حالت پایدار، رابطه بین جریان ورودی و خروجی، و ریپل ولتاژ خروجی تولید شده توسط عملکرد کلید حالت جامد، هستند. یکی دیگر از ویژگی‌های مهم این توپولوژی‌های منبع تغذیه مد سوئیچ، پاسخ فرکانسی عمل سوئیچینگ به ولتاژ خروجی است.
تنظیم ولتاژ خروجی با کنترل درصد زمانی که ترانزیستور سوئیچینگ در حالت “روشن” در مقایسه با کل زمان روشن/خاموش است، حاصل میشود. این نسبت چرخه کاری نامیده میشود و با تغییر چرخه کاری (D)، مقدار ولتاژ خروجی، VOUT را می‌توان کنترل کرد.
استفاده از یک سلف و دیود و همچنین کلیدهای حالت جامد سوئیچینگ سریع با قابلیت عملکرد در فرکانس‌های سوئیچینگ در محدوده کیلوهرتز، در طراحی منبع تغذیه مد سوئیچ باعث میشود تا اندازه و وزن منبع تغذیه تا حد زیادی کاهش یابد.
به این دلیل که هیچ ترانسفورماتور بزرگ و سنگین ولتاژ کاهشی (یا افزایشی) در طراحی آنها وجود نخواهد داشت. با این حال، اگر بین پایانه‌های ورودی و خروجی ایزولاسیون الکتریکی لازم باشد، باید قبل از مبدل یک ترانسفورماتور قرار داده شود.
دو مورد از محبوب‌ترین پیکربندی‌های سوئیچینگ غیر ایزوله، مبدل‌های باک (تفریقی) و بوست (افزودنی) هستند.
مبدل باک نوعی منبع تغذیه مد سوئیچ است که برای تبدیل انرژی الکتریکی از یک ولتاژ به ولتاژ پایین‌تر طراحی شده است. مبدل باک با یک ترانزیستور سوئیچینگ متصل سری کار می‌کند. به دلیل چرخه وظیفه کمتر از یک، D < 1، ولتاژ خروجی باک همیشه کوچکتر از ولتاژ ورودی، VIN است.
مبدل بوست نوعی منبع تغذی سوئیچینگ است که برای تبدیل انرژی الکتریکی از یک ولتاژ به ولتاژ بالاتر طراحی شده است. مبدل بوست با یک ترانزیستور سوئیچینگ متصل موازی کار می‌کند که منجر به یک مسیر جریان مستقیم بین VIN و VOUT از طریق سلف L۱ و دیود D۱ میشود. این بدان معناست که هیچ حفاظتی در برابر اتصال کوتاه در خروجی وجود ندارد.
با تغییر چرخه کار (D) مبدل بوست، ولتاژ خروجی را می‌توان کنترل کرد و با D < 1، خروجی DC مبدل بوست بیشتر از ولتاژ ورودی VIN است که حاصل ولتاژ القایی خود سلف است.
همچنین، خازن‌های هموارکننده خروجی در منابع تغذیه سوییچینگ، بسیار بزرگ فرض می‌شوند که منجر به یک ولتاژ خروجی ثابت از منبع تغذیه مد سوئیچ در طول عمل سوئیچینگ ترانزیستور میشود.
دیدگاه خود را بنویسید