مبانی منابع تغذیه سوئیچینگ

رگولاتورهای سوئیچینگ به خاطر راندمان بالا و بالابردن انعطاف پذیری طراحی، شهرت زیادی یافته‌اند. با استفاده از رگولاتورهای سوئیچینگ می‌توان چندین خروجی با سطح پتانسیل‌های مختلف از یک ورودی بدست آورد. در این مقاله به بررسی اصول عملکردی چهار مبدل سوئیچینگ پر کاربرد خواهیم پرداخت:

همچنین چند نمونه توپولوژی مبدل چند ترانزیستوری ارائه خواهد شد:
پوش پول (Push-Pull): یک مبدل دو ترانزیستوری که برای ولتاژ ورودی های کوچک بهینه است.
نیم پل (Half-Bridge): یک مبدل ترانزیستوری که در بسیاری از کاربردهای آفلاین مورد استفاده قرار می‌گیرد.
تمام پل (Full-Bridge): یک مبدل چهار ترانزیستوری است که توان خروجی بیشتری نسبت به انواع قبلی تولید میکند.

مبانی سوئیچینگ
قبل از بیان تئوری مبدل‌ها، اصول پایه تبدیل توان مطرح میشود:

قانون القا
اگر ولتاژی به یک سلف اعمال شود، جریانی متغیر با زمان در آن جاری خواهد شد (حتی اگر ولتاژ اعمالی ثابت باشد، باز هم جریان جاری شده در سلف متغیر با زمان خواهد بود). همچنین می‌توان گفت اگر یک جریان متغیر با زمان در یک سلف ایجاد شود، در دو طرف آن ولتاژی ایجاد خواهد شد.

رابطه بین ولتاژ و جریان یک سلف به صورت زیر است:

(V=L(di/dt

شکل 1: رابطه بین ولتاژ و جریان سلف

در شکل (1) اصول القا نشان‌داده شده‌است. پارامتر مهم عبارت di/dt است که نشان‌دهنده تغییرات جریان نسبت به زمان است. هنگامی‌که جریان بر حسب زمان رسم شود، مقدار di/dt شیب نمودار رسم شده در هر نقطه است.

نمودار چپ نشان میدهد جریان در طول زمان ثابت است پس مقدار di/dt صفر است و ولتاژی در دو سر سلف ایجاد نمیشود.
نمودار وسط نشان میدهد که جریان با گذشت زمان افزایش می‌یابد، پس مقدار di/dt مقداری مثبت است و ولتاژی مثبت را تشکیل میدهد.
نمودار راست نشان میدهد که جریان با گذشت زمان کاهش می‌یابد، در نتیجه مقدار di/dt مقداری منفی بوده و ولتاژی منفی را تشکیل میدهد.

لازم به ذکر است شیب خطی جریان در یک سلف وقتی اتفاق می‌افتد که ولتاژ ثابتی دو سر آن باشد.

عملکرد ترانسفورماتور
ترانسفورماتور وسیله‌ای است که در آن دو یا چند سیم‌پیچ به صورت مغناطیسی به یکدیگر متصل هستند. عملکرد پایه آن در شکل ۲ نشان داده شده‌است.

شکل 2: تئوری ترانسفورماتور

عملکرد ترانس به این صورت است که جریان یا ولتاژ متغیر با زمان (AC) را با توجه به نسبت بین سیم‌پیچ‌ها، به مقادیر بزرگتر یا کوچک‌تر تبدیل می‌کند. ترانس توانی اضافه نمی‌کند؛ به عبارت دیگر توان دو طرف ترانس (V*I) ثابت است. به همین خاطر، سیم‌پیچ اولیه با تعداد دور بیشتر ولتاژ بیشتر ولی جریان کمتری دارد، اما سیم‌پیچ ثانویه با تعداد دور کمتر، جریان بیشتر و ولتاژ کمتری دارد. نقطه روی سیم‌پیچ ترانس نشان دهنده پلاریته دو سیم‌پیچ نسبت به یکدیگر است و معکوس کردن نقطه، باعث قرینه شدن پلاریته میشود.

مدولاسیون عرض پالس (PWM)
تمامی مبدل‌های سوئیچینگ که در این مقاله پوشش داده شده‌است، برای تنظیم ولتاژ خروجی‌شان از PWM استفاده می‌کنند. به عبارت ساده، حلقه فیدبک با تغییر زمان روشن بودن عنصر سوئیچینگ، ولتاژ خروجی را تنظیم میکند. در شکل 3، مثالی ارائه شده است که با اعمال پالس مربعی به یک فیلتر L-C خروجی آن بررسی شده‌است.

شکل 3: اصول پایه PWM

موج‌های مربعی پشت سر هم، فیلتر شده و یک خروجی DC تولید می‌کند که مقدار آن برابر است با حاصل‌ضرب دامنه پالس در دوره کاری (Duty cycle). این مثال نشان می‌دهد که چگونه با تغییر زمان روشن‌بودن المان سوئیچینگ، می‌توان ولتاژ خروجی را کنترل کرد.

توپولوژی‌های مبدل‌های سوئیچینگ
در ادامه به شرح و بررسی متداول‌ترین مبدل‌های DC-DC خواهیم پرداخت

رگولاتورهای کاهنده (Buck)
متداول‌ترین مبدل سوئیچینگ مورد استفاده، مبدل کاهنده است که برای تبیدل یک ولتاژ DC به ولتاژ DC پایین‌تر است. برای سیستم‌هایی که از خطوط توزیع برق (مانند 24 تا 48 ولت) استفاده می‌کنند و باید ولتاژهای 15، 12 یا 5 ولت را با کمترین تلفات تامین کنند از این مبدل‌ها استفاده می‌شود. مبدل‌های کاهنده با استفاده از یک ترانزیستور به عنوان کلید، ولتاژ اعمالی به یک سلف را قطع و وصل می‌کنند (شکل 4).

شکل 4: رگولاتور سوئیچینگ کاهنده

شکل‌های پایین، مسیر جریان را هنگام قطع و وصل سوئیچ نشان میدهد. وقتی سوئیچ بسته است، ولتاژ ورودی به سلف متصل است. اختلاف ولتاژ بین ورودی و خروجی سبب ایجاد جریانی افزایشی در سلف میشود. در هنگام بسته بودن سوئیچ، جریان سلف به بار و خازن خروجی می‌رود (خازن طی این مدت شارژ میشود). با باز شدن کلید، ولتاژ اعمالی به سلف حذف می‌شود. اما به خاطر اینکه جریان سلف نمی‌تواند سریع تغییر کند، ولتاژ عبوری از سلف طوری تنظیم خواهد شد که جریان را ثابت نگه دارد. ولتاژ سر ورودی سلف با کاهش جریان منفی خواهد شد و دیود روشن خواهد شد. سپس جریان در حلقه بار و دیود جاری خواهد شد. در زمان باز بودن سوئیچ، شارژ خازن در بار، تخلیه خواهد شد و به تامین جریان مورد نیاز بار کمک خواهد کرد. نمودار جریان سلف به صورت شکل 5 است.

شکل ۵: جریان سلف در مبدل سوئیچینگ کاهنده

همانطور که قبلا گفته شد، جریان سلف در زمان بسته شدن سوئیچ، افزایش یافته و با باز شدن سوئیچ کاهش می‌یابد. جریان DC خروجی تنظیم شده برابر است با میانگین جریان سلف. اختلاف پیک تا پیک در شکل موج یک سلف، به عنوان ریپل جریان سلف در نظر گرفته میشود و برای اینکه مقدار ریپل جریان کمتر از 20 تا 30 درصد جریان DC شود، سلف را به اندازه کافی بزرگ انتخاب میکنند.

رگولاتور افزاینده (Boost)
رگولاتور افزاینده، ولتاژ ورودی DC را به ولتاژ DC بزرگتری در خروجی تبدیل می‌کند. شکل 6 مدار معادل یک رگولاتور افزاینده و مسیر جریان‌ها هنگام باز و بسته بودن سوئیچ را نشان میدهد.

شکل 6: رگولاتور سوئیچینگ افزاینده (Boost)

تا وقتی سوئیچ بسته است، ولتاژ ورودی اعمال شده به سلف، سبب افزایش جریان عبوری از آن می‌شود. هنگامی‌که سوئیچ باز می‌شود،  کاهش جریان سلف باعث تغییر پلاریته سلف می‌شود. سپس دیود در حالت هدایت قرار گرفته و خازن به مقداری بزرگتر از مقدار ورودی شارژ می‌شود. در حالت پایدار، وقتی سوئیچ باز است، جریان سلف در خازن خروجی و بار جاری می‌شود. هنگامی‌که سوئیچ بسته است، جریان بار فقط از طریق خازن تامین میشود.

جریان خروجی و توان بار
نکته مهمی که در رگولاتورهای افزاینده باید در نظر گرفت، این است که جریان بار خروجی و جریان ورودی با یکدیگر برابر نیستند و همیشه حداکثر جریان خروجی کمتر از جریان ورودی است. لازم به ذکر است که حداکثر توان در دسترس برای تبدیل در هر رگولاتوری، با حاصلضرب ولتاژ ورودی در بیشینه جریان میانگین ورودی، برابر است. در رگولاتور افزاینده، به خاطر اینکه ولتاژ خروجی بزرگتر از ولتاژ ورودی است، جریان خروجی کمتر از جریان ورودی خواهد شد.

رگولاتور کاهنده افزاینده (معکوس کننده)
رگولاتور کاهنده-افزاینده یا معکوس کننده، ولتاژ ورودی DC را به یک ولتاژ DC با پلاریته معکوس در خروجی تبدیل می‌کند. ولتاژ منفی خروجی می‌تواند بزرگتر یا کوچکتر از ولتاژ ورودی باشد. شکل 7 مدار معادل این نوع رگولاتور را نشان میدهد.

شکل 7: رگولاتور سوئیچینگ باک بوست

هنگامی که سوئیچ بسته است، ولتاژ ورودی به سلف اعمال شده و سبب افزایش جریان در آن می‌شود. در زمان بسته بودن سوئیچ، جریان بار فقط از طریق دشارژ خازن تامین می‌شود. این امر مستلزم این است که خازن در زمان باز بودن سوئیچ دوباره شارژ شود. هنگامی که سوئیچ باز میشود، کاهش جریان سلف سبب منفی شدن سر اتصال دیود و سلف شده و دیود روشن می‌شود. در این هنگام سلف به تامین جریان بار و خازن میپردازد. همانطور که مشخص است، در زمان باز بودن سوئیچ، جریان بار توسط سلف و هنگامی که سوئیچ بسته است توسط خازن خروجی، تامین میشود.

رگولاتور فلای بک
رگولاتور فلای بک، پرکاربردترین نوع توپولوژی است و به طراح این امکان را می‌دهد تا یک یا چند ولتاژ خروجی حتی با پلاریته معکوس، بسازید. مبدل‌های فلای بک در سیستم‌هایی که با باتری کار می کنند، کاربرد فراوان دارند. زیرا باید با استفاده از یک ولتاژ ورودی، ولتاژهای مورد نیاز سیستم را فراهم کنند. در شکل ۸ اساس یک مبدل فلای بک تک خروجی نشان داده شده است.

شکل 8: رگولاتور سوئیچینگ فلای بک تک خروجی

مهمترین ویژگی رگولاتور فلای بک، فاز ترانسفورماتور است که توسط نقطه‌هایی بر روی سیم‌پیچ اولیه و ثانویه نشان داده شده‌است. هنگامی که سوئیچ بسته است، ولتاژ ورودی به سیم پیچ اولیه اعمال شده و سبب افزایش جریان آن میشود. لازم به ذکر است که نقطه روی سیم‌پیچ اولیه نشان دهنده پلاریته منفی است و ولتاژی با همان پلاریته روی سیم‌پیچ ثانویه ایجاد میکند. دامنه این ولتاژ به نسبت بین تعداد دور سیم‌پیچ اولیه و ثانویه بستگی دارد.

ولتاژ منفی روی سیم پیچ دوم اجازه روشن شدن دیود را نمیدهد و به همین خاطر در هنگام بسته بودن کلید، جریانی در سیم پیچ ثانویه جاری نمیشود. در این حالت جریان بار فقط توسط خازن خروجی تامین میشود. هنگامی که کلید باز میشود، کاهش جریان در سیم پیچ اولیه سبب ایجاد ولتاژ مثبت در سر نقطه دار سیم‌پیچ میشود. در همین زمان، ولتاژ سیم‌پیچ اولیه به سیم‌پیچ ثانویه با پلاریته یکسان اعمال میشود. این ولتاژ مثبت سبب روشن شدن دیود شده و جریان در خازن و بار جاری میشود. خازن که در زمان بسته بودن سوئیچ در بار خروجی دشارژ شده بود، با باز شدن کلید دوباره شارژ میشود.

ساختن چندین خروجی
یکی دیگر از مزیت‌های بزرگ فلای‌بک، توانایی تامین چندین خروجی است (شکل 9). در برخی کاربردها، یک خروجی (معمولا جریان بالاترین) برای فیدبک حلقه کنترل PWM انتخاب می‌شود؛ به عبارت دیگر این خروجی مستقیما تنظیم می‌شود.

شکل 9: رگولاتور سوئیچینگ فلای بک چند خروجی

سیم پیچ های ثانویه دیگر به صورت غیر مستقیم تنظیم میشوند. در این سیم پیچ ها تنظیم بار خیلی خوب نیست (معمولا 5 تا 10 درصد)، اما با این وجود برای بسیاری از کاربردها مناسب است. اگر تنظیم دقیق تری نیاز باشد، استفاده از رگولاتور LDO راه حل مناسبی برای این موضوع است. ولتاژ ثانویه، “1” ولت بالاتر از ولتاژ مورد نظر در گرفته میشود و اینگونه رگولاتور LDO خروجی دقیق و بهینه‌ای را ارائه میدهد.

مبدل پوش پول
مبدل پوش-پول با استفاده از دو ترانزیستور تبدیل DC-DC را انجام می‌دهد (شکل 10).

شکل 10: مبدل سوئیچینگ پوش پول

عملکرد مبدل به این صورت است که هر ترانزیستور را به صورت متناوب روشن میکند (دو ترانزیستور هرگز در یک زمان روشن نخواهند بود). جریان ثانویه در همان زمان همانند جریان سیم‌پیچ اولیه جریان خواهد داشت (بر خلاف نوع قبلی که با روشن بودن سوئیچ جریان ثانویه قطع بود).

به عنوان مثال، هنگامی که ترانزیستور A روشن است، ولتاژ ورودی به قسمت بالایی سیم‌پیچ اولیه اعمال می‌شود. در قسمت ثانویه، ولتاژ القا شده سبب روشن شدن دیود پایین می‌شود. به این ترتیب جریان در سلف جاری شده و سبب تغذیه بار و خازن خروجی میشود. وقتی ترانزیستور B روشن است، ولتاژ ورودی به سیم‌پیچ پایینی اعمال می‌شود. ولتاژی با همین پلاریته روی سیم‌پیچ ثانویه تشکیل می‌شود که باعث روشن شدن دیود بالایی شده و جریان در خازن و بار جاری میشود.

ویژگی مهم مبدل پوش‌پول این است که سوئیچ‌های ترانزیستوری باید بتوانند بیشتر از دو برابر ولتاژ ورودی را تحمل کنند: وقتی یک ترانزیستور روشن است، ولتاژی به همان اندازه بر روی قسمت دیگر سیم‌پیچ اولیه ایجاد می‌شود اما به صورت شناور است. بنابراین کالکتور ترانزیستور خاموش نسبت به زمین، دو برابر ولتاژ دارد. این نوع مبدل‌ها برای کاربردهایی که ولتاژ ورودی کوچک است مناسب است. مبدل‌های پوش پول به طور گسترده در سیستم‌هایی که باتری ۱۲ و ۲۴ ولت دارند مورد استفاده قرار می گیرند.

شکل 11: نمودار زمان بندی مبدل سوئیچینگ پوش-پول

شکل (11) رابطه بین پالس‌های ورودی و خروجی را نشان میدهد. لازم به ذکر است که فرکانس سیم‌پیچ ثانویه دو برابر فرکانس کنترل‌کننده PWM است. به عنوان مثال، اگر فرکانس PWM را 50 کیلوهرتز در نظر بگیریم، فرکانس پالس‌های سیم‌پیچ ثانویه 100 کیلوهرتز است.

معادله ولتاژ خروجی DC عبارت است از:

(V_out=V_pk * (T_on/T_per

حداکثر دامنه پالس‌های خروجی سیم‌پیچ ثانویه به صورت زیر است:

V_pk = ( V_in – V_switch ) * (N_s/N_p) – V_rect

که در آن V_switch افت ولتاژ هر ترانزیستور، Ns و Np به ترتیب تعداد دور سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه و V_rect ولتاژ هدایت دیود است. بر اساس این فرمول مشخص می‌شود که مبدل پوش-پول برای مبدل‌های ولتاژ پایین مناسب است. زیرا ولتاژ اعمالی به هر قسمت سیم‌پیچ اولیه، برابر کل ولتاژ ورودی منهای ولتاژ اشباع سوئیچ است. اگر از ماسفت های قدرت استفاده شود، افت ولتاژ سوئیچ‌ها به شدت کاهش یافته و از ولتاژ ورودی حداکثر استفاده میشود.

مزیت دیگر مبدل‌ پوش پول تولید چندین ولتاژ خروجی است (با اضافه کردن به تعداد سیم‌پیچ‌های ثانویه). این مزیت باعث می‌شود تا با استفاده از یک باتری، کلیه ولتاژهای مورد نیاز برای عملکرد سیستم فراهم شود.

نقطه ضعف مبدل‌های پوش پول این است که برای جلوگیری از روشن شدن همزمان ترانزیستورها و اشباع شدن، هسته، به تطبیق (matching) بسیار خوبی نیاز است.

مبدل نیم پل
نیم پل یک مبدل دو ترانزیستوری است که در طراحی‌های توان بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای کاربردهایی در محدوده 500 تا 1500 وات بسیار مناسب است و معمولا همیشه از خط AC تغذیه می‌شود. عملکرد آفلاین به این معناست که نیازی به ترانسفورماتور قدرت ۵۰-۶۰ هرتز نیست. کلیه ترانس‌های استفاده شده در مبدل‌های نیم‌پل در فرکانس سوئیچینگ کار میکنند ( معمولا ۵۰ کیلوهرتز یا بیشتر) و به این معناست که کوچک‌تر و بهینه‌ترند. مزیت مهم نیم پل، ایزولاسیون بین ورودی و خروجی است، و مرجع تمامی مدارات کنترل PWM، زمین خروجی DC است.

ولتاژ راه اندازی مدارات کنترلی توسط یک ترانس ۵۰-۶۰ هرتز کوچک متصل شده به یک رگولاتور تامین می‌شود. در مواردی که به راندمان بالایی نیاز است، خروجی سوئیچ‌کننده‌ها وظیفه تامین تغذیه داخلی را پس شروع به کار مدار به عهده میگیرند. ترانزیستور راه انداز، باید از دیگر ترانزیستورها ایزوله باشد و برای همین از یک ترانسفورماتور پایه استفاده می‌شود. طراحی پیچیده مدار راه‌انداز مبدل نیم پل یکی از معایب آن است.

اگر ولتاژ 230 ولت AC توسط یکسوساز تمام موج و یک فیلتر خازنی، یکسو و فیلتر شود، خروجی غیر تنظیم شده 300 ولتی تولید خواهد کرد. اگر از تغذیه 115 ولت AC استفاده شود، با استفاده از یک مدار دو برابر کننده ولتاژ، ولتاژ 300 ولت تولید خواهد شد.

شکل 12: مبدل سوئیچینگ نیم پل

مبدل نیم‌پلی در شکل (12) نشان داده شده‌است. با استفاده از تقسیم خازنی، ولتاژ DC غیر تنظیم شده، ولتاژی معادل نصف ولتاژ اصلی را برای سیم‌پیچ اولیه فراهم می‌کند. طرف دیگر سیم‌پیچ اولیه به صورت متناوب با روشن و خاموش شدن ترانزیستورها، بالا و پایین میرود.

ترانزیستورهای سوئیچینگ نصف ولتاژ ورودی را بر روی سیم‌پیچ اولیه اعمال می‌کنند. این ترانزیستورها هرگز به صورت همزمان روشن نیستند، در غیر این صورت بین دو سر ولتاژ ورودی اتصال کوتاه برقرار کرده و خواهند سوخت. نمودار زمانی مبدل نیم پل در شکل (13) نشان داده شده است (مشابه پوش پول است).

شکل 13: نمودار زمان بندی مبدل سوئیچینگ نیم پل

هنگامی که یک ترانزیستور روشن است، ولتاژ قسمت مشخص شده توسط نقطه در سیم‌پیچ اولیه مثبت بوده و به سیم‌پیچ ثانویه القا میشود. این ولتاژ مثبت در سیم‌پیچ ثانویه، دیود بالایی را روشن کرده و خازن و بار خروجی را تغذیه میکند. وقتی ترانزیستور A خاموش می‌شود، ترانزیستور B روشن می‌شود و پلاریته سیم‌پیچ اولیه عکس می‌شود. همچنین پلاریته سیم‌پیچ ثانویه نیز عکس می‌شود و دیود پایینی روشن میشود. در یک مبدل نیم پل، جریان در سیم پیچ های اولیه و ثانویه به طور همزمان جاری است. تنها وظیفه خازن، تامین بار در زمان خاموشی هر دو ترانزیستور است. همانطور که در شکل (13) مشاهده میشود، پالس‌های قسمت ثانویه ترانس (که به فیلتر LC اعمال میشود)، دو برابر فرکانس کنترل‌کننده PWM است.

ولتاژ خروجی طبق معادله زیر است:

(V_out=V_pk * (T_on/T_per

حداکثر دامنه پالس‌های خروجی سیم‌پیچ ثانویه به صورت زیر است:

V_pk = ( ½ V_in – V_switch ) * (N_s/N_p) – V_rect

مبدل تمام پل
در مبدل تمام پل از چهار ترانزیستور سوئیچینگ استفاده می‌شود. تمام پل‌ها معمولا از خط برق AC تغذیه می‌شوند و توان بار 1 تا 3 کیلو وات را فراهم می‌کنند. عملکرد آن آفلاین بوده و و از ولتاژ 300 ولت DC برای تبدیل استفاده می‌کنند. برای ایزولاسیون ولتاژ ترانزیستورهای راه‌انداز، از کوپلاژ ترانسفورمری استفاده شده‌است. شکل (14) شماتیک ساده‌ای از یک مبدل تمام موج را نشان می دهد.

شکل 14: مبدل سوئیچینگ تمام موج

ولتاژ اعمالی به سیم‌پیچ اولیه، وقتی هر مجموعه از ترانزیستورها روشن باشد (مجموعه A یا B)، کل ولتاژ ورودی خواهد بود. استفاده از تمام ولتاژ ورودی به این معناست که مبدل‌های تمام موج توان بیشتری نسب به دیگر مبدل‌ها تولید می‌کنند. نمودار زمان‌بندی آن مشابه همان نمودار نیم‌پل است. جریان سیم پیچ های اولیه و ثانویه در زمان روشن بودن ترانزیستورها برقرار است و در زمان خاموشی، جریان بار توسط خازن تامین میشود.

معادله ولتاژ خروجی عبارت است از:

V_out=V_pk * (T_on/T_per)

حداکثر دامنه پالس های خروجی سیم پیچ ثانویه به صورت زیر است:

V_pk = (V_in – 2V_switch ) * (N_s/N_p) – V_rect