فنی ومهندسی
برق,مخابرات,الکترونیک,قدرت.مهندسی پزشکی 
نويسندگان

 

دنیای منابع تغذیه سوئیچینگ در طی سالها حرکت آرام و کندی داشته است . استفاده از منابع تغذیه خطی گرفته تا منابع تغذیه سوئیچینگ کاربردی تر . منبع تغذیه خطی شامل یک ترانسفورمر و یک رگولاتور مصرف کننده سری است . این بدین معنی است که منبع دارای یک ترانس بسیار بزرگ وسنگین 60‍‍‍~50 هرتز و همچنین بازده تبدیل توان بسیار ضعیف است که هر دو از مشکلات بسیار جدی به حساب می آیند . بازده در حدود ٪30 برای منابع خطی ، بازدهی مناسب و استاندارد است . این بازده با بازده بین 10 تا 80 درصد برای منابع تغذیه سوئیچینگ مقایسه می شود .

بعلاوه با به کار گرفتن سوئیچ های فرکانس بالا ، سایز ترانس توان و قطعات فیلترهای به هم پیوسته در مقایسه با منابع خطی ، به صورت چشم گیری کاهش می یابد . به عنوان مثال زمانیکه فرکانس منابع تغذیه سوئیچینگ 20 k Hz است قطعات چهار برابر کوچک تر می شوند این کاهش به هشت برابر می رسد زمانی که فرکانس کار تا 100 k Hz و بیشتر افزایش پیدا می کند . این بدین معنی است که با طراحی مناسب می توانیم منابع بسیار جمع و جور و همچنین سبکی داشته باشیم . ( که امروزه این امر نیازهای اساسی اکثر سیستم های الکترونیکی به حساب می آید . ) تغذیه باید به صورت فشرده و جمع و جور طراحی شو د ( تاکید )

طرح کلی

از اصلی ترین بخش های یک مبدل بخش اینورتر فرکانس بالاست . جایی که ورودی در فرکانس های بسیار بالا ( 200~20 kHz و با استفاده از تکنولوژی های روز دنیا ) برای تولید خروجی DC جدا ، فیلتر و سپس صاف می شود . پیکربندی مدار تعیین می کند چگونه توان منتقل شود را توپولوِژی منابع تغذیه سوئیچینگ می نامند که یک بخش بسیار مهم در فرآیند طراحی به حساب می آید . توپولوژی بیانگر ترتیب چیدمان ترانس ، سلف ها ، خازن ها و نیمه هادی های توان ( ترانزیستورها ، ماسفت ها و یکسوسازهای توان ) می باشد .

امروزه توپولوژی های بسیار زیادی وجود دارد که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند . این مزایا و معایب است که باعث استفاده و یا عدم استفاده در عمومی ترین توپواوژی ها در بخش های بعدی مورد بحث قرار گرفته است .

1 – مدار اصلی منابع تغذیه سوئیچینگ

همان طور که در شکل ( 1 ) دیده می شود یک منبع تغذیه سوئیچینگ می تواند بسیار پیچیده باشد . ( در این مدار ورودی 50~60 Hz در نظر گرفته شده است ) . ولتاژ ac ورودی در مرحله اول یکسو شده و سپس به وسیله خازن ورودی فیلتر می شود تا در خروجی یک سیگنال DC‌ با اعوجاج زیاد داشته باشیم . این سطح از ولتاژ DC که در خروجی بخش یکسوساز و فیلترینگ به وجود می آید با توجه به تغییرات ولتاژ ac ورودی محدوده نوسانات گسترده ای خواهد داشت . به علاوه خازن ورودی برای حفظ کردن ولتاژ خروجی منبع در مواقعی که ورودی به شدت افت می کند ، به اجبار باید بزرگ انتخاب شود . ( همچنین منابع تغذیه سوئیچینگ می توانند به گونه ای طراحی شوند که در ورودی به جای ولتاژ ac ، از ولتاژ DC استفاده کنند که به این نوع منابع ،‌مبدل های DC به DC می گویند . )

{ صفحه 108 } ولتاژ DC رگوله نشده مستقیما به بلوک مرکزی منبع ، یعنی بلوک سوئیچینگ توان فرکانس بالا ( high frequency power switching داده می شود. نیمه هادی های سوئیچینگ سریع با توان بالا ، مانند Mosfet ها و ترانزیستور ها قطع و وصل شده و ولتاژ ورودی اولیه ترانس را با ایجاد سوئیچ پالس ( کنترل ) می کنند . این پالس های راه انداز معمولا از نظر فرکانسی ثابت ( 20~200 k Hz ) اما چرخه کار ( Duty Cycle ) آن ها متغیر است . از این رو ، یک قطار پالس با اندازه و دامنه مناسب و Duty Cycle خاص در ثانویه ترانس ظاهر می شود . این قطار پالس یکسوشده و سپس به وسیله فیلتر خروجی که می تواند یک خازن یا ترکیبی از خازن و سلف باشد ( بسته به توپولوژی استفاده شده ) ، صاف می شود . این انتقال توان باید با کم ترین تلفات ممکنه صورت بگیرد تا راندمان حفظ شود . از این رو ، در نظر گرفتن مقدار بهینه ( مطلوب ) قطعات پسیو و مغناطیسی و همچنین انتخاب صحیح نیمه هادی های قدرت بسیار مهم است .

رگولاسیون و تنظیم خروجی برای ایجاد ولتاژ DC‌ژایدار توسط بلوک کنترل در مسیر فیدبک ( control / feedback ) صورت می گیرد . به طور کلی اغلب منابع تغذیه سوئیچینگ بر اساس PWM در یک فرکانس ثابت کار می کنند . به طوری که مدت زمان روشن بودن ( on بودن ) پالس راه انداز با پالس اصلی متفاوت است . با این کار می توان تغییرات در ورودی بار را جبران کرد . ولتاژ خروجی با یک ولتاژ مرجع دقیق محاسبه می شود و اختلاف ولتاژ تولیدشده توسط مقایسه کننده به بخش کنترل ( Dedicated control logic  ) داده می شود تا در مواقعی که خروجی صحیح و بدون خطایی داریم پالس های راه انداز سوئیچ یا سوئیچ ها محدود شوند . یک طراحی صحیح خروجی کاملا پایدار و بدون خطایی را ایجاد خواهد کرد .

این بسیار مهم است که تاخیرها در حلقه کنترل به حداقل برسد وگرنه مشکلاتی در پایداری مدار به وجود خواهد آمد . از این رو باید قطعات با سرعت بسیار بالا در این حلقه استفاده شود . در منابع با کوپلاژ ترانسفورمری برای تغییر نکردن و دست نخورده ماندن ایزولاسیون ، یک سری ایزولاسیون های الکترونیکی در مسیر فیدبک مورد نیاز است . ( انجام می شود ) مانند استفاده کردن از ترانس های پالس  کوچک و اوپتو-ایزولاتور ( اپتو کوپلر )

در بیشتر مواردی که منابع تغذیه سوئیچینگ استفاده می شود ، توپولوژی آن ها دربردارنده یک ترانس قدرت است . این ترانس باعث ایجاد ایزولاسیون و تغییر ولتاژ با تغییر نسبت دور می شود . همچنین به کمک این ترانیس می توان چندین خروجی با ولتاژهای مختلف ایجاد نمود . البته توپولوژی های ایزوله نشده ( بدون ترانس ) نیز وجود دارد مانند مبدل های  Buck و Boost که در آن ها فرآیند توان تنها با انتقال انرژی القایی حاصل می شود . تمام مدارات دیگر نیز از این مدارات ایزوله نشده نشات می گیرند .

2 – مبدل های ایزوله نشده

تمام توپولوژی هایی که امروزه برای مبدل های مختلف استفاده می شود از سه مدار  ایزوله نشده Buck و Boost و Buck-Boost منشعب می شوند . این ها ساده ترین مدارهای ممکنه هستند و کم ترین قطعات را دارند . این مدارها با استفاده از تنها یک سلف ، یک خازن ، یک ترانزیستور و یک دیود سیگنال خروجی شان را تولید می کنند . اگر ایزولاسیون مابین ورودی و خروجی احتیاج باشد ، باید یک ترانس قبل از مبدل قرار گیرد .

الف : مبدل های Buck

خانواده مبدل های مستقیم و انواع پل که در بر دارنده پوش- پول هستند ، همه بر اساس این نوع مبدل ( Buck ) طراحی شده اند ( شکل  2 ) . نحوه کار این مدار آسان است . زمانی که TR1روشن می شود ولتاژ ورودی سلف L1 اعمال شده توان به خروجی می رسد . همچنین جریان سلف نیز بر اساس قانون فاراد که در زیر نمایش داده شده افزایش می یابد :

زمانیکه سوئیچ TR1 قطع می شود ، ولتاژ سلف معکوس شده و باعث می شود دیود D1 در بایاس مستقیم قرار بگیرد ( روشن شود ) . این امر باعث می شود تا انرژی ذخیره شده در سلف به خروجی برسد . خازن خروجی ( CO ) نیز این جریان ژیوسته را صاف می کند .

فیلتر LC تاثیری بر پالس هایی که به این مجموعه وارد می شود ، دارد ، یعنی باعث به وجود آمدن ولتاژ و جریان صاف پیوسته مولفه ریپل بسیار کوچک می شود .

متوسط در سلف در حالت ماندگار در یک سیکل کامل سوئیچینگ باید برابر صفر باشد .

( صفحه 109 ) با در نظر نگرفتن تلفات مدار ، متوسط ولتاژ در سر ورودی سلف برابر Vin . Dاست درحالی که در خروجی سلف VO را داریم . بدین ترتیب در حالت ماندگار برای صفر بودن متوسط ولتاژ در سلف ، معادله بدین صورت است :

D ، چرخه کار ( Duty Cycle ) ترانزیستور سوئیچ است که برابر است با زمان هدایت TR تقسیم بر یک سیکل کامل سوئیچینگ . که معمولا بدین صورت نشان داده می شود : T=ton+toff

بدین ترتیب ، Buck از نوع مبدل های step-down  است ؛ یعنی ولتاژ خروجی همیشه از ولتاژ ورودی کم تر است . ( D هیچ گاه یک نمی شود ). رگوله کردن ولتاژ خروجی با تغییر Duty Cycle ترانزیستور سوئیچ انجام می پذیرد . ترکیب L و C ، فیلترینگ بسیار موثری را برای جریان سلف ایجاد می کند . از این رو ، Buck و مشتقات آن همه مشخصه های ریپل بسیار کمی در خروجی دارند . Buck معمولا همیشه در حالت پیوسته کار می کند ( جریان سلف هیچ گاه صفر نمی شود ) بنابراین جریان پیک کم تر و خازن صافی مورد نیاز کوچک تر است . در صورتی که این مدار زمانی که در یک پیوسته کار کند با شکل کنترلی بزرگی روبه رو نمی شود .

ب – مبدل Boost

نحوه عملکرد رگولاتور Boost که در شکل ( 3 ) نشان داده شده است کمی پیچیده تر از رگولاتور Buck است . زمانی که سوئیچ روشن می شود ، دیود D1 به صورت معکوس بایاس شده و Vin به سلف L1 اعمال می گردد . جریان سلف نیز شروع به افزایش می کند تا به پیک خود برسد . حال اگر مدار در مد گسسته کار کن جریان از صفر شروع به افزایش می کند و اگر در مد پیوسته باشد این جریان از یک مقدار اولیه به پیک خود می رسد زمانی که سوئیچ خاموش می شود ؛ ولتاژ اما معکوس شده و باعث می شود ولتاژ دیود از ولتاژ ورودی بیشتر شود . سپس دیود انرژی ذخیره شده در سلف بعلاوه انرژی که به طور مستقیم از منبع ورودی دریافت می کند را به سمت خازن صافی و بار هدایت می کند . از این رو ، همیشه VO از Vi بزرگ تر است که به همین دلیل Boost یک مبدل step up است . برای زمانی که این مبدل در مد پیوسته کار می کند ، معادله DC آن با فرآیندی شبیه مبدل Buckبدین صورت محاسبه می شود :

در این جا نیز خروجی به ورودی و Duty Cycle بستگی دارد . بنابراین می توان با کنترل Duty Cycle ، ولتاِ خروجی را تنظیم کرد . از شکل موج این مبدل که در شکل 3 نشان داده شده است می توان فهمید جریانی که به خازن صافی خروجی مبدل اعمال می شود ، همان جریان دیود است که همیشه به صورت گسسته می باشد . این بدین معنی است که خازن خروجی باید بزرگ و با مقاومت معادل سری ( e.s.r ) کوچک باشد تا در خروجی نسبت قابل قبولی از ریپل را داشته باشیم که این کاملا بر خلاف ( عکس ) توضیحاتی است که در مورد خازن مورد نیاز برای Buck داریم . از سوی دیگر ، جریان ورودی Boost همان جریان پیوسته سلف است که مشخصه ریپل بسیار کوچکی دارد . Boost برای مداراتی که در آن ها از بارهای خازنی استفاده شده ، مانند فلاش دوربین و همین طور شارژر باتری بسیار مناسب است . بعلاوه ، به دلیل پیوسته بودن جریان ورودی Boost ، می توان از ایت مدار به عنوان رگولاتور اولیه که قبل از مبدل اصلی قرار می گیرد استفاده کرد . وظایف اصلی این مدار تنظیم کردن و رگوله کردن ولتاژ ورودی و افزایش چشم گیر راندمان می باشد . این افزایش ضریب توان اخیرا بسیار مورد توجه قرار می گیرد .

حال اگر Boost در مد گسسته کار کند ، جریان پیک ترانزیستور و دیود افزایش پیدا می کند و همچنین خازن خروجی باید دو برابر بزرگ تر انتخاب شود تا ریپلی معادل ریپل مد پیوسته به وجود آید . بعلاوه ، در مد گسسته ، ولتاژ خروجی به بار وابسته است که باعث می شود تنظیم بار نامناسب تری داشته باشیم .

متاسفانه زمانی که مدار Boost در مد پیوسته کار می کند با مشکلات جدی در تنظیم و کنترل مواجه می شود . فیلتر LC مجازی در پاسخ سیگنال کوچک یک مشخصه موجود خواهد شد . درمد گسسته ، انرژی در هر سیکل از صفر شروع می شود . این امر باعث از بین رفتن اندوکتانس در پاسخ سیگنال کوچک شده و فقط در خروجی اثر خازنی باقی خواهد ماند . پاسخ ایجاد شده در مد گسسته بسیار ساده تر و جبران سازی و کنترل آن بسیار راحت تر است .

( صفحه 110 )

پ – رگولاتور Buck-Boost ( fly backایزوله نشده )

این مبدل تنها با Boost راه اندازی نمی شود . اگر چه fly back هم مانند Boost انرژی سلف را در زمانی که سوئیچ خاموش است منتقل می کند اما طراحی آن بر اساس هر دو مبدل پیشین بوده و به همین خاطر به آن Buck-Boost یا رگولاتور ایزوله نشده fly back می گویند . توپولوژی این مدار در شکل ( 4‌ ) آمده است .

زمانی که سوئیچ روشن است ، دیود به صورت معکوس بایاس شده ورودی به سلف اعمال می شود و انرژی در آن ذخیره می گردد ( همان طور که در مدارات قبلی توضیح داده شد ) زمانی که سوئیچ خاموش می شود ، ولتاژ سلف معکوس شده انرژی ذخیره شده در آن از طریق یکسوسازی که به صورت مستقیم بایاس شده است به سمت خازن و بار می رود .

شکل موج های این مدار شبیه شکل موج های مدار Boost است با این تفاوت که ترانزیستور سوئیچ باید در دو سر خود ولتاژ Vi + VO را تحمل کند . کاملا واضح است که هر دو جریان ورودی و خروجی باید گسسته باشند . همچنین در این مدار یک تعویض جهت پلاریته جود دارد . جهت ولتاژ خروجی در مقایسه با ولتاژ ورودی برعکس می باشد با کمی بررسی معدله انتقال DCدر این مدار در مد پیوسته بدین صورت به دست می آید :

با تاملدر این معدله می توان دریافت که می توان با انتخاب مناسب D ( نسبت کار سوئیچ ) ، ولتاژ خروجی می تواند از ولتاژ ورودی کم تر  یا بیشتر باشد . یعنی این مدار این قابلیت را دارد که هم به صورت step-down کار کند هم  step up  . البته این مدار نیز به مشکلات مدار Boost  در مد پیوسته دچار است ع به همین خاطر کار با آن در مد گسسته بیشتر مورد توجه قرار می گیرد . از آن جا که جریان ورودی و خروجی این مدار هردو به صورت پالس است ، گرفتن خروجی با سطح ریپل کم بسیار مشکل به نظر می آید . چون خازن صافی خروجی بسیار بزرگ حدوداً تا 8 برابر بزرگ تر از خازن رگولاتورBuck  مورد نیاز است . ترانزیستور سوئیچ نیز باید قادر باشد همزمان و به همان خوبی که مجموع ولتاژ Vi و VO را تحمل می کند ، جریان پیک را نیز هدایت کند . در رگولاتور fly back بیشتر فشار بر روی ترانزیستور است . همچنین دیود یکسوساز نیز باید جریان پیک را عبور دهد که این باعث بالا رفتن مقدار موثر تلفات در زمان هدایت در مقایسه با این مقدار در مدار Buck می شود .

صفحه 111

3 – ترانسفورمرها در منابع تغذیه سوئیچینگ

مبدل های ایزوله نشده کاربردهای بسیار محدودی دارند ، مانند رگولاتورهای DC به DC با توانایی تولید تنها یک خروجی . همچنین محدوده خروجی نیز به وسیله ورودی و Duty Cycle محدود می شود . با افزودن یک ترانسفورمر اکثر این محدودیت ها از بین رفته و قابلیت های زیادی در مدار به وجود می آید از جمله :

1)     ایزولاسیون خروجی نسبت به ورودی ایجاد خواهد شد . معمولا زمانی که از ورودی 110v/220v استفاده می شود ، این ایزولاسیون بسیار ضروری است تا سطحی از امنیت برای خروجی حاصل آید .

2)     با استفاده از نسبت دور ترانس می توان محدوده وسیعی از خروجی های متفاوت با ورودی را ایجاد نمود که محدوده در نمونه های ایزوله نشده تا تقریبا 5 برابر خروجی بیشتر افزایش نخواهد یافت . همچنین با انتخاب صحیح نسبت دور در ترانس ، Duty Cycle در مبدل به وضعیت بهینه خود و جریان های پیک نیز به کم ترین مقدار خود خواهند رسید . پلاریته هر خروجی نیز با توجه به پلاریته ثانویه قابل انتخاب است .

3)     به راحتی میتوان با اضافه کردن چند دور سیم ثانویه به یک ترانس چند خروجی مختلف داشت .

البته معایبی هم در استفاده از ترانس وجود دارد مانند افزایش سایز ، وزن و تلفات توان در مدار . همچنین به وجود آمدن ولتاژ های ضربه به علت جریان ( اندوکتانس ) نشتی نیز می تواند یکی از مشکلات استفاده از ترانس باشد .

مبدل های ایزوله شده به دو دسته اصلی متقارن و نامتقارن تقسیم می شود که این تقسیم بندی کاملا به نحوه عملکرد این مبدل ها بستگی دارد . در مبدل های نامتقارن محدوده عملکرد مغناطیس در ترانس همیشه در یک ربع از شار است و میدان مغناطیسی هیچ گاه تغییر علامت نمی دهد . هسته باید در هر سیکل Reset شود تا به اشباع نرود . این بدین معنی است که تنها نصف شار قابل بهره برداری ، مورد استفاده قرار می گیرد . شکل ( 5 ) نحوه عملکرد هر مبدل را نشان می دهد . مبدل های fly back و مستقیم هر دو از نوع نامتقارن هستند همچنین شکل 5 نشان می دهد که مبدل fly back  در مقایسه با بقیه مبدل ها در نفوذپذیری های مغناطیسی کم تر و اندوکتانس های کوچک تر کار می کند . این بدین خاطر است که ترانس fly back تمام انرژی را قبل از تحویل به بار ، در خود ذخیره می کند . از این رو ، برای ذخیره این انرژی و جلوگیری از به اشباع رفتن هسته یک فاصله هوایی در هسته به وجود می آورند . این فاصله هوایی باعث کاهش نفوذپذیری مغناطیسی هسته می شود یعنی انرژی را در خود ذخیره کرده و اجازه نمی دهد هسته یه اشباع برود . بقیه مبدل ها در ترانس خود چنین مشکلی را ندارند و در حالت ایده آل هیچ انرژی را در خود ذخیره نمی کنند ، پس به فاصله هوایی نیز احتیاجی ندارند . در مبدل های متقارن که همیشه از یک زوج ترانزیستور برای سوئیچ استفاده می شود ، تمام شار موجود در هر دو ربع نمودار نفوذپذیری مغناطیسی ( B/H ) مورد استفاده قرار می گیرد از این رو کاربرد هسته بسیار موثر است . بنابراین مبدل های متقارن می توانند توان بیشتری را نسبت به نمونه های نامتقارن تولید کنند . 3 توپولوژی اصلی که در عمل استفاده می شوند ، پوش-پول ، نیم پل و تمام پل نام دارند . جدول 1 درباره حداکثر توان خروجی هر توپولوژی که در حال حاضر در تکنولوژی روز دنیا در حال استفاده است ، توضیح مختصری بیان می کند .

صفحه 112

4 – انتخاب نیمه هادی های قدرت

ترانزیستور قدرت : دو نیمه هادی قدرتی که بیشترین کاربرد و استفاده را در منابع تغذیه سوئیچینگ دارند ، ترانزیستور های دو قطبی و Mosfet ها قدرت هستند . معمولا ترانزیستورها به خاطر تلفات سوئیچینگ در فرکانس های بالا تا 30K Hz ، محدودیت کاربرد دارند . اما به خاطر تلفات کم ( در حالت روشن ) و قیمت ارزان تر ، بسیار برای فرکانس های پایین مناسب اند . Mosfet ها به خاطر سرعت سوئیچینگ بالا برای کار در فرکانس های بالا بسیار مناسب اند ، اما همین سرعت بالا باعث به وجود آمدن تلفات در فرکانس های پایین می شود .

همچنین راه اندازی Mosfet بسیار راحت تر و ارزان تر اما تلفات حالت رون آن بسیار بیشتر از ترانزیستور است پس برای انتخاب یک قطعه خاص باید تعادلی بین قیمت قطعه و کیفیت عملکرد آن وجود داشته باشد .

1)     محدود ولتاژ : بعئ از تصمیم گیری در مورد استفاده از ترانزیستور یا Mosfet ، نوبت به انتخاب ولتاژ مناسب برای قطعه انتخاب شده می رسد . در توپولوژی هایی که از ترانس استفاده شده است بیشترین ولتاژ در زمانی که سوئیچ خاموش است به آن تحمیل می شود . این ولتاژ بسته به نوع توپولوژی می تواند نصف ، برابر و یا حتی دو برابر ولتاژ منبع تغذیه باشد . همچنین این ولتاژ ممکن است به دلیل اندوکتانس نشتی ترانس با یک ولتاژ لحظه ای نیز جمع شود . سوئیچ انتخاب شده باید بتواند بدون اینکه آسیب ببیند ( ویا این که بسوزد ) این حجم عظیم ولتاژ را در دو سر خود تحمل کند . از این رو باید ولتاژ VCES(max) برای ترانزیستورها و ولتاژ VBR(DSS) برای Mosfet ها به درستی انتخاب شود . در حال حاضر بیشترین ولتاژ قابل تحمل در بین ترانزیستورهای موجود 1750v و برای Mosfet1000v است .

در راهنماهای انتخاب قطعه این گونه فرض شده است که از ولتاژ 220v و یا 110v به عنوان ورودی استفاده شده است . بیشترین ولتاژهای خط DC که برای این شرایط در نظر گرفته شده اند به ترتیب 385v و 190v هستند . این مقادیر ولتاژ ورودی برای دسته بندی صحیح ولتاژ قطعات استفده می شود .

2)     محدود جریان : ترانزیستورها در زمان هدایت ، افت ولتاژ بسیار کمی دارند که این افت ولتاژ در محدوده جریان های مختلف نسبتاً ثابت است . از این رو برای این که از یک ترانزیستور بیشترین استفاده را بکنیم ، باید با آن در مدوده جریان اشباع ( ICsat )کار کنیم . با این کار می توانیم تعادل خوبی بین هزینه ، تجهیزات راه اندازی و سوئیچینگ برقرار کنیم . حداکثر جریان برای حصول یک توان کاری خاص در هر توپولوژی ، توسط یک سری معادلات ساده حساب می شود . هر کدام از این معادلات در بخش مربوط به خود آمده اند و سطوح حاصله از آن ها برای انتخاب قطعه دو قطبی ( ترانزیستور ) مناسب ، به کار خواهند رفت .

نحوه عملکرد Mosfet ها با ترانزیستورها از نظر تلفات متفاوت است . ولتاژی که درون Mosfet ها به وجود می آید بر جریان آن ها و مقاومتی که در زمان روشن بودن از خود نشان می دهند ( که با تغییرات دما متناسب است ) بستگی دارد . بنابراین Mosfet مناسب برای یک مبدل خاص ، Mosfet ای است که توان تلفاتی اش از یک درصد مشخص از توان خروجی تجاوز نکند . ( در این جا توان ٪5 برای Mosfet در نظر گرفته شده است ) . برای تخمین زدن RDS(on) که در هر توپولوژی در Mosfet ها به وجود می آید ، از مجموعه ای از معادلات استفاده می شود ( ضمیمه A ) این مقدار بدست آمده برای انتخاب Mosfet مناسب مورد استفاده قرار می گیرد .

توجه : در این روش تلفات سوئیچینگ بسیار ناچیز فرض شده است ، اما باید توجه داشت که این تلفات در فرکانس های بالای 50K Hz بصورت چشم گیری افزایش می یابد .

یکسوساز ها : در این جا دو نوع یکسوساز خروجی مورد بررسی قرار گرفته است .

1-برای ولتاژهای بسیار کم ( زیر 10 ولت ) ، یکسوساز می بایست افت ولتاژ ( در بایاس مستقیم ) بسیار کمی داشته باشد تا مبدل با کاهش راندمان مواجه نشود . از آن جایی که دیودهای شاتکی افت ولتاژ مستقیم ( VF )‌ بسیار کوچکی دارند ( حدوداً 0.5 ولت ) در این جا از این دیودها استفاده می شود . همچنین شاتکی تلفات سوئیچینگ بسیار ناچیزی دارد و می توان از آن در فرکانس های بالا بهره برد . متاسفانه این VF کم در ولتاژهای معکوس زیاد ( معمولا بالاتر از 100 ولت ) از بین می رود . این بدین معنی است که از این دیود در ولتاژهای معکوس بیشتر از 20 ولت نمی توان استفاده کرد .

توجه : قطعه مورد استفاده با توجه به توپولوژی و توان قابل تحملش باید بتواند 4 تا 6 برابر ولتاژ خروجی ای را که تولید می کند به صورت معکوس تحمل کند .

2-برای ولتاژهای بالاتر مناسب ترین یکسوساز ها دیودهای Fast Recovery ( FRED ) هستند . این دیودها برای استفاده در یکسوسازی های فرکانس بالا طراحی شده است . VF این دیود بسیار پایین بوده ( تقریباً 1 ولت ) و دارای سرعت سوئیچینگ بسیار بالا و موثری می باشد . FRED ها ولتاژ معکوس تا 800 ولت را تحمل می کنند از این رو برای خروجی های 10 تا 200 ولت بسیار مناسب اند . یکسوسازهای مورد بحث قرار گرفته در کتب راهنما ، با توجه به محدوده ولتاژ و ظرفیت جریانی که می توان از خود عبور دهند برای یک توان خروجی خاص مورد استفاده واقع می شود ( برای مدارات تک خروجی )

صفحه 113

5 – توپولوژی های ایزوله شده استاندارد

الف – مبدل fly back

نحوه عملکرد : شکل 6 ساده ترین مبدل در میان مبدل های ایزوله شده و یا همان مبدل تک خروجی fly back را نشان می دهد . استفاده از تک ترانزیستور سوئیچ بدین معنی است که ترانس فقط بصورت تک قطبی ( نامتقارن ) راه اندازی می شود که باعث افزایش سایز هسته ترانس می شود . fly back که نمونه ایزوله شده Buck-Boost است در حقیقت ترانس ندارد اما از ترانس برای کوپلینگ آن استفاده می شود . زمانی که ترانزیستور روشن است جریان اولیه ترانس افزایش یافته انرژی در هسته ذخیره می شود و وقتی سوئیچ خاموش می گردد این انرژی از طریق ثانویه به خروجی مدار منتقل می شود ( یک ترانس معمولی مانند توانی که برای انتقال انرژی در Buck استفاده شد ، در حالت ایده آل تمام انرژی را در زمانی که TR روشن است منتقل میکند و در خود انرژی ذخیره نمی کند ) . پلاریته سیم پیچ ها مانند پلاریته دیود خروجی در زمان روشن بودن ترانزیستور است . در زمانی که ترانزیستور خاموش است ولتاژ ثانویه معکوس شده یک شار ثابت را در هسته حفظ می کند و باعث عبور جریان ثانویه از طریق دیود به خروجی می شود . اندازه دامنه پیک جریان ثانویه همان پیک جریان اولیه حاصله از زمان خاموش بودن ترانزیستور است که با توجه به نسبت دور بازتابیده می شود و تعادل آمپر – دور را حفظ می کند . ( توان اولیه برابر توان ثانویه است ) در حقیقت تمام توان خروجی در fly back با نسبت LI22باید در هسته ذخیره شود که موجب افزایش سایز و هزینه این توپولوژی نسبت به بقیه توپولوژی هایی می شود که در آن ها فقط انرژی مغناطیسی کردن ( تحریک کردن ) ( احتمالاً سیم پیچ ) در هسته ذخیره می شود که آن هم بسیار کوچک است . این بعلاوه بکارگیری هسته تک قطبی بسیار ضعیف بیان گر این نکته است که حجم ترانس از ایرادات اصلی مبدل fly back به حساب می آید .

اندوکتانس سیم پیچ اولیه ترانس fly back برای ذخیره سازی حداکثر انرژی باید بسیار کم تر از پیک جریان مورد نیاز باشد که این معمولا با ایجاد یک فاصله در هسته حاصل می شود . این فاصله اندوکتانس را کاهش می دهد و بخش اعظمی از انرژی را در خود ذخیره می کند که مانع به اشباع رفتن ترانس می شود .

در زمانی که ترانزیستور خاموش است ، ولتاژ خروجی که در خیلی مواقع به بزرگی ولتاژ منبع تغذیه است . از طریق ترانس به اولیه بازتابیده می شود . همچنین در این زمان یک ولتاژ ضربه ای به خاطر انرژی ذخیره شده در اندوکتانس نشتی ترانس نیز وجود دارد . این بدین معنی است که ترانزیستور باید توان تحمل ولتاژی معادل تقریباً 2 برابر ولتاژ منبع بعلاوه ولتاژ نشتی لحظه ای نشتی را داشته باشد . از این رو در مواردی که از ولتاژ AC220v ( DC تا 385ولت ) استفاده می شود ، محدوده ولتاژ ترانزیستور باید بین 800 تا 1000 ولت باشد . استفاده از یک ترانزیستور 1000v مانند BUT11A و یا BUW13A ، سوئیچینگ تا فرکانس 30K Hz را باتوان خروجی تا 200 w ممکن می سازد همچنین از Mosfet های 800 و 1000 ولتی مانند BUK 456-800A می توان در فرکانس های سوئیچینگ بالا( تا 300K Hz ) و با توان خروجی بالا ( 100 w ) بهره برد . اگر چه Mosfet ها می توانند بسیار سریع تر سوئیچ کنند و تلفات سوئیچینگ آن بسیار کم است اما درمقایسه با ترانزیستور در زمانی که روشن است تلفات زیادی دارد مخصوصادر مدارات ولتاژ بالا . خلاصه ای از ترانزیستورهای مناسب و یکسوسازهای خروجی برای ورودی های مختلف و سطح توان مورد استفاده در fly back ‌ در جدول 3 آمده است یک راه برای حذف ولتاژ لحظه ای نشتی ترانس ، استفاده ازسیم پیچ clamp است ( شکل 8 ) . این سیم پیچ به انرژی نشتی این امکان را می دهد که به جای فشار بر ترانزیستور به ورودی برگردد . دیود قرار داده شده در سر بالای این سیم پیچ باعث می شود که ظرفیت خازنی جریان لحظه ای ترانزیستور ( در زمانی که روشن می شود ) متصل نگردد اگر دیود به زمین وصل می شد این اتصال رخ می داد . استفاده از این سیم پیچ اختیاری است به احتیاجات خاص طراح بستگی دارد .

صفحه 114

مزایا : نحوه عملکرد fly back بدین صورت است که اندوکتانس ثانویه با دیود خروجی ( در زمانی که جریان منبع به خروجی منتقل می گردد ) سری است . این بدین معنی است که هیچ فیلتر القایی ( سلفی ) در مدار خروجی نیاز نیست . از این رو هر خروجی فقط به یک دیود و یک فیلتر خروجی خازنی احتیاج دارد . بنابراین fly back  برای منابع چند خروجی با هزینه پایین انتخاب ایده آلی است . همچنین مجموعه تنظیمات حاصله در زمانی که چند خروجی داریم نیز بسیار مناسب است ( تغییرات بار در یک خروجی تاثیرات بسیار کمی در دیگر خروجی ها می گذارد ) بدلیل نبود چک خروجی که این عملکرد قوی را کاهش می دهد .

همچنین fly back برای تولید خروجی های ولتاِ بالا انتخاب بسیار خوبی است . اگر از یک فیلتر LC از نوع فیلتر Buck برای تولید ولتاژ بالا استفاده می شد ، اندوکتانس بسیار بزرگی نیاز بود تا سطح ریپل جریان خروجی به اندازه کافی کاهش پیدا می کرد و مدار در حالت پیوسته مورد نیاز قرار می گرفت . از آن جایی که fly back به اندوکتانس خروجی برای اصلاح خروجی احتیاج ندارد پس با این مشکل مواجه نیست .

معایب : با توجه به شکل موج fly back در شکل 6 کاملاً این نکته واضح است که خازن خروجی فقط در زمانی که TR خاموش است تغذیه می شود . پس خازن خروجی باید جریان پالس مانندی را صاف کند که پیک آن از پیک جریان خروجی تولید شده در یک مبدل مستقیم که در مد پیوسته کار می کند نیز بیشتر است . بنابراین برای بدست آورن خروجی با ریپل کم ، خازن هایی با ظرفیت بسیار کم و مقاومت معادل سری بسیار کم احتیاج است . از این جا می توان فهمید که در یک فرکانس خاص برای کاهش ریپل ، یک فیلتر LC نسبت به یک خازن تنها می تواند 8 برابر موثرتر باشد . از این رو fly back ذاتاً نسبت به دیگر توپولوژی ها ریپل خروجی بیشتری دارد این ریپل زیاد بعلاوه جریان پیک بیشتر و خازن و ترانس بزرگ ، کاربرد fly back را بر کار در توان های پایین ( 200w~20w ) محدود می کند ( این موضوع باید مورد توجه قرار بگیرد که دامنه ریپل خروجی در ولتاژ های بالا خیلی زیاد نمی شود بنابراین مقاومت معادل سری و در پی آن اندازه خازن نیز به آن بزرگی ای که انتظار می رود نیست . )

Fly back با دو ترانزیستور : یک راه ممکن برای حل مشکل استفاده از ترانزیستور 1000v استفاده از fly back  با دو ترانزیستور است ( شکل 6 ) . هر دو ترانزیستور دقیقاً همزمان سوئیچ می کنند و تمام شکل موج ها کاملاً یکی است تنها تفاوت این است که ولتاژ هر کدام هیچ گاه از ولتاژورودی تجاوز نمی کتد . در این جا چون دو دیود clamp انرژی نشتی را به ورودی برمی گردانند ، دیگر از سیم پیچ clamp استفاده نمی شود . حالا می توان از دو قطعه 400 یا 500 ولت که سرعت سوئیچینگ بیشتر و تلفات هدایت کم تری دارند استفاده کرد . بنابراین توان خروجی فرکانس سوئیچینگ می توانن افزایش مناسبی داشته باشند . ایراد این مدار وارد آمدن هزینه اضافه و همچنین راه اندازی مجموعه ای برای ایزولاسیون بیس ترانزیستور بالایی است .

عملکرد پیوسته و گسسته : fly back نیز مانند Buck-Boost می تواند در هر دو مد پیوسته و گسسته کار کند . شکل موج های شکل 6 برای مد گسسته هستند . در مد گسسته جریان ثانویه در هر دوره تناوب سوئیچینگ به صفر می رسد و تمام انرژی درون ترانس از بین می رود . در مد پیوسته همیشه یک جریان در سلف متصل به مدار جاری است که باعث می شود که شکل موج جریان به صورن ذوزنقه ای درآید امتیاز اصلی مد پیوسته این است که پیک جریان در این مد نصف پیک جریان در مد گسسته ( در یک توان ثابت ) است که باعث کاهش ریپل خروجی می شود . هر چند سایز هسته در مد پیوسته بای افزایش اندوکتانس و در پی آن کاهش پیک جریان ( برای ایجاد خروجی پیوسته ) ، 2 تا 4 برابر بزرگ تر است .

یکی دیگر از معایب fly back در مد پیوسته این است که کنترل آن در حالت حلقه بسته بسیار مشکل است . ( مد پیوسته شامل یک صفر سمت راست در پایسخ فرکانسی حلقه بازش است که مد گسسته آن را ندارد ) این بدین معنی است که زمان و تلاش بسیاری برای طراحی تجهیزات بسیار پیچیده جبران ساز لازم است تا مدار به پایداری برسد .

تلفات ترانزیستور در مد گسسته بسیار ناچیز است در حالی که این تلفات در مد پیوسته بسیار زیاد است ، بخصوص زمانی که تاثیر جریان معکوس بازسازس دیود خروجی ( که فقط در مد پیوسته رخ می دهد ) جمع شود . این بدین معنی است که باید از یک اسنابر استفاده شود تا از TR‌ در زمانی که روشن می شود محافظت کند .

یکی از مزایای پیوسته این است که بهره حلقه باز آن از بار خروجی مستقل است و به Duty Cycle و Vin بستگی دارد ( همان طور که در معادله DC آن در انتهای این بخش آمده است ) . مد پیوسته قابلیت تنظیم بار حلقه باز بسیار عالی دارد یعنی تغییرات بار بر VO تاثیر نمی گذارد اما از سوی دیگر مد گسسته کاملاً خروجی اش به بار وابسته است . بنابراین مد گسسته از این نظر کمی ضعیف تر است . یعنی با تغییر بار خروجی اش تغییر می کند که اگر از مسیر کنترلی حلقه بسته استفاده شود این مشکل نیز از بین خواهد رفت . استفاده از  کنترل مد جریان در fly back گسسته ( که در آن جریان اولیه و ولتاژ خروجی برای کنترل Duty Cycle اندازه گیری و ترکیب می شوند ) باعث به وجود آمدن یک حلقه تنظیم شده و بهبود یافته می شود که گین حلقه بسته کم تری نیز احتیاج دارد . اگر چه مد گسسته دارای معایبی چون جریان پیک خروجی بالاو خازن خروجی بزرگ است اما بسیار راحت تر راه اندازی شده و بیشترین استفاده را در طراحی های روز دارد .

صفحه 116

ب – مبدل مستقیم ( Forward )

نحوه عملکرد : مبدل Forward نیز یک مبدل ایزوله شده تک سوئیچ است ( شکل 8 ) . اساس طراحی این مبدل بر پایه مبدل Buck است با این تفاوت که یک ترانس و یک دیود در مدار خروجی دارد . مشخصه فیلتر خروجی LC کاملا واضح است بر خلاف fly back ، عملکرد ترانس در مبدل Forward کاملا بدون ایراد است ، به نحوی که انرژی مستقیماً از طریق سلف و در زمانی که TR روشن است به خروجی منتقل می شود . پس می توان دید پلاریته ثانویه Forward برعکس پلاریته ثانویه fly back  است که اجازه می دهد جریان مستقیم از طریق D1 جاری شود . در زمانی که TR روشن است ، جریان موجود در مدار باعث افزایش انرژی در سلف خروجی L1 می شود . زمانی که TR خاموش می شود ، ولتاژ ثانویه معکوس گردیده دیود D1 از حالت هدایت به حالت انسداد ( از بایاس مستقیم به معکوس ) می رود سپس D2 به صورت مستقیم بایاس شده و مسیری را برای جاری شدن جریان سلف ایجاد می کند . این امر باعث می شود که انرژی ذخیره شده در L1در زمانی که TR خاموش است به بار منتقل شود .

مبدل Forward همیشه به صورت پیوسته کار می کند ( جریان خروجی سلف ) . از این رو جریان پیک ورودی و خروجی و مولفه ریپل بسیار کوچکی دارد با رفتن به مد گسسته این مقادیر بعلاوه نویز ایجاد شده در هنگام سوئیچینگ به شدت افزایش پیدا می کند . هیچ صفر سمت راستی که باعث ناپایداری مدار شود در مد پیوسته مبدل Forward رخ نمی دهد ( مانند Buck ) این به این معنی است که مشکل کنترلی که در مد پیوسته fly back وجود داشت در اینجا وجود ندارد . بنابراین هیچ دلیل خاصی وجود ندارد که از مبدل Forward در مد گسسته استفاده کنیم .

مزایا : همان طور که در شکل موج های شکل 8 مشهود است ، جریان سلف IL که همان جریان خروجی است ، همیشه پیوسته است . دامنه ریپل و در پی آن پیک جریان ثانویه ، به اندازه سلف خروجی بستگی دارد . بنابراین ریپل در مقایسه با جریان خروجی ( با حداقل پیک جریان ) می تواند کوچک باشد . این جریان پیوسته و کم ریپل  به راحتی صاف می شود . بنابراین در مقایسه با fly back به یک خازن کوچک تر با مقاومت سری معادل کوچک تر احتیاج است و همین طور جریان پیک نیز کم تر از fly back می باشد .

از آن جایی که در این توپولوژی ترانس را مستقیماً انتقال می دهد ، انرژی بسیار ناچیزی در هسته ذخیره می شود . با این که این انرژی مغناطیسی کم باعث تحریک هسته برای انتقال انرزژی متوسط شود این انرژی بسیار کم است و فقط جریان مغناطیسی بسیار کمی از اولیه را احتیاج دارد . بنابراین جریان بالای اولیه بسیار مناسب بوده ما را از ایجاد فاصله هوایی در هسته بی نیاز می کند . هسته های فریت استاندارد بدون فاصله هوایی با قابلیت نفوذپذیری بالا ( 2000~3000 ) بسیار برای ایجاد اندوکتانس مورد نیاز مناسب هستند . انرژی ذخیره شده بسیار کم در هسته ترانس بدین معناست که ترانس مبدل Forward از ترانس مبدل fly back کوچک تر است و تلفات توان هسته Forward نیز در یک توان خروجی ثابت از مقدار این تلفات در fly back کمتر است . البته ترانس کماکان به صورت نامتقارن کار می کند یعنی توان فقط در زمانی که سوئیچ روشن است به خروجی متصل می شود و این بدین معنی است که اندازه ترانس هسته از نوع متقارنش بسیار بزرگ تر است .

ولتاژ TR در Forward مانند ولتاژ TR در fly back گسسته است اما در این جا پیک جریان مورد نیاز در یک توان ثابت نصف شده است و این کاملاً در معادلات مبدل Forward مشهود است . این بعلاوه ترانس در فیلتر خروجی خازنی کوچک تر باعث می شود که Forward بتواند به توان خروجی بیشتری نسبت به fly back‌ دست پیدا کند ( 100w~400w ) . ترانزیستورها و Mosfet های مناسب برای استفاده در مبدل Forward در جدول 3 آمده اند .

معایب : با توجه به سوئیچینگ تک قطبی در این مبدل ، مشکلی جدی در خصوص پاک کردن و تخلیه کردن هسته در انتهای هر سیکل سوئیچینگ وجود دارد . اگر این عمل پاک سازی انجام نگیرد ممکن است شار DC خط افزایش یابد و هسته را به اشباع برد و باعث سوختن TR شود . این انرژی مغناطیسی در مدار پوش-پول نوع متقارن به صورت خودکار از بین می رود در fly back این انرژی در زمانی که TR خاموش است به بار منتقل می شود . اگر چه چنین امکانی در مبدل Forward وجود ندارد .

این امکان با اضافه کردن یک سیم پیچ Reset با پلاریته عکس به اولیه به وجود می آید . دیود اضافه شده انرژی مغناطیسی را در زمانی که سوئیچ خاموش است به ورودی برمی گرداند . سیم پیچ Reset به منظور حصول اطمینان از اتصال و کوپلینگ خود به سیم پیچ اولیه پیچانده شده است و معمولا تعداد دور آن نیز با تعداد دور اولیه یکی است . ( قطر این سیم پیچ می تواند بسیار کم باشد ، چون یک جریان بسیار کوچک مغناطیسی را هدایت می کند ) زمان افت انرژی مغناطیسی به صفر دقیقا با زمان روشن شذن TR یکی است . این بدین معنی است که ماکزیمم نسبت کار مبدل Forward از لحاظ نظری 0.5 است و با محاسبه تاخیر سوئیچینگ به 0.45 نیز کاهش پیدا می کند . این بازه کنترلی محدود شده یکی از مشکلات استفاده ار این مبدل است شکل موج جریان مغناطیسی نیز در شکل 8 نشان داده شده است . استفاده از سیم پیچ clamp در fly back اختیاری است اما در Forward برای عملکرد صحیح اجباری است .

به دلیل وجود سیم پیچ Reset ، به منظور متعادل نگه داشتن ولتاژ حذف ریپل ثانویه در ترانس ، ولتاژ ورودی توسط سیم پیچ clamp در زمانی که TR خاموش است برای زمانی که جریان مغناطیسی Reset در D3 جاری است ، به اولیه بازتابیده می شود ( همچنین یک برگشن ولتاژ به ثانویه نیز وجود دارد . برای همین از دیود D1 برای جلوگیری از انتقال این ولتاژ به مدار خروجی استفاده شده است ) پس TR باید دو برابر Vin را در زمانی که خاموش است تحمل کند . ولتاژ بعد از اینکه Reset تمام شد به Vin باز می گردد که باعث می شود تلفات TRonکاهش یابد . در این جانیز TR باید توانایی تحمل ولتاژ را در همان رنج fly back داشته باشد یعنی 400 برای 110 ورودی و 800 برای 220 ولت ورودی .

انتخاب دیود خروجی : هر دیود خروجی باید تمام دامنه جریان خروجی را هدایت کنند ، آن ها همچنین باعث تغییرات سریع در جریان و در پی آن باریابی معکوس لحظه ای ، بخصوص در دیود هرزگرد D2 می شوند . این اتفاق ممکن است باعث افزایش تلفات سوئیچینگ در TR و یا سوختن آن در مواردی که اسنابر در مدار وجود ندارد ، شود . بنابراین دیودهای سریع با بازده بالا برای به حداقل رساندن تلفات هدایت و کاهش بازیابی معکوس دامنه ولتاژ لحظه ای مورد نیاز است . برای این کار می توان از دیودهای شاتکی برای خروجی های تا 20 ولت و برای خروجی های بالاتر از دیودهای Fast Recovery استفاده کرد . معمولا برای خروجی های بالای 100 ولت از مبدل Forward استفاده نمی شود چون به چوک خروجی بسیار بزرگی احتیاج دارد . به جای آن از fly back استفاده می شود . معمولا هر دو یکسوساز در یک پکیج موجود است .

مبدل Forward با دو ترانزیستور : بجای استفاده از یک ترانزیستور ولتاژ بالا در مبدل Forward ، می توان از دو ترانزیستور استفاده کرد . ( شکل 9 ) این مدار شبیه fly back دو ترانزیستوره است و مزایای یکسانی با آن دارد . در این جا نیز ولتاژ ترانزیستور به Vin برگردانده می شود و این اجازه را می دهد که از TR های با ولتاژ پایین تر و بهره بالاتر استفاده شود ، ریست مغناطیسی ترانس نیز توسط دو دیود clamp ( که به سیم پیچ clamp فرمان می دهند ) صورت می گیرد .

مدار دوترانزیستوره برای کاربردهای مبدل DC به DC بسیار مناسب است . این مدار توان خروجی بیشتر و فرکانس سوئیچینگ بالاتری دارد . عیب این مدار نیز هزینه بالاتر آن و همچنین ایزوله کردن بیس ترانزیستور بالایی دارد .

اگر چه این مبدل یک سری مشکلات همراه با عملکرد ضعیف ترانس را در بر دارد اما برای استفاده در محدوده توان خروجی ای که در بالا ذکر شد بسیار مناسب است و به مبدل تک ترنزیستوری ارزان ترجیح داده می شود . نوع چند خروجی این مدار بسیار رایج است . در این مدار سلف های خروجی بر روی یک هسته پیچیده می شوند که باعث تاثیر بر بهبود تنظیم رگولاتور می شود و حتی اگر به درستی طراحی شده باشد می تواند دامنه ریپل خروجی را نیز کاهش دهد . مزیت اصلی مبدل Forward ریپل خروجی بسیار کم آن است که به خاطر اندازه نسبتاً کوچک LC آن می باشد . بنابراین باید دانست که مبدل Forward برای تولید ولتاژهای کم ( 5 ، 12 ، 15 ، 28 ولت )با جریان زیاد برای راه اندازی مبدل های DC به DC چند خروجی که مشخصات ریپل برای خروجی تعیین شده است ، مورد استفاده قرار می گیرد . جریان های پیک که ممکن بود در fly back رخ دهند ممکن است به عنوان یک بار نامناسب برای خازن صافی ظاهر شوند .

صفحه 119

(c)مبدل های پوش-پول

نحوه عملکرد : برای بهره گیری از ترانسی که به صورت تمام موج شار داشتهباشد ، لازم است که هسته به صورت متقارن کار کند . این امر باعث کاهش حجم ترانس و افزایش توان خروجی ( بیشتر از حد ممکن ) نسبت به نمونه های تک خروجی می شود . مدل های متقارن همیشه یک زوج ترانزیستور سوئیچینگ لازم دارند . یکی از بهترین نمونه های مبدل متقارن ، مبدل پوش-پول بوده که در شکل آمده است . اولیه این ترانس به صورت سه سر است و هر ترانزیستور در یک نیم سیکل کار کرده ترانس را در هر دو جهت راه اندازی می کنند . ترانس پوش-پول از نظر سایز نصف ترانس مدارهای تک خروجی است و باعث کوچک تر شدن حجم طراحی می شود . این نحوه عملکرد پوش-پول باعث به وجود آمدن یک هسته کاملا خنثی و ریست شدن آن در هر نیم سیکل می شود از این رو دیگر احتیاجی به سیم پیچ clamp نیست . توان در هر دوره تناوبی که یکی از TR ها روشن است به مدار خروجی ( که به مدار خروجی buck می ماند ) منتقل می شود . نسبت کار هر سوئیچ معمولا از 0.45 کمتر است . این امر باعث به وجود آمدن زمان مرده کافی برای جلوگیری از هدایت همزمان TR ها می شود . حال توان می تواند در 90٪ دوره سوئیچینگ به خروجی منتقل شود . از این رو توان خروجی بیشتری نسبت به نمونه های تک خروجی خواهیم داشت . معمولا از مدار پوش-پول برای کار در محدود توان خروجی 100 تا 500 وات استفاده می شود .

همان طور که در شکل 11 مشخص است فرکانس خروجی دو برابر فرکانس سوئیچینگ هر TR است . از این رو سلف و خازن خروجی می توانند کوچک تر انتخاب شوند . همچنین این مدار برای چگالی توان بالا با ریپل خروجی کم بسیار مناسب است .

مزایا : در حالت کلی ، طراحی ترانس و فیلتر خروجی پوش-پول بسیار فشرده است در حالی که ولتاژ خروجی آن ریپل بسیار کمی دارد . بنابراین در مواردی که فضا اهمیت زیادی دارد ، پوش-پول می تواند پیشنهاد خوبی باشد . کنترل پوش-پول نیز مانند Forward بر پایه buck طراحی شده است . با بسته بودن حلقه فیدبک ، جبران سازی نسبتاً آسان است این پیشنهاد برای مبدل Forward با چند خروجی نیز ارایه می شود .

دیودهای clamp ، همان طور که در شکل نشان داده شده است ، به دو سر TR ها متصل شده اند . استفاده از این دیودها باعث انتقال انرژی مغناطیسی و نشتی به منبع شده و تا حدی بازده را بهبود می بخشد . همچنین باعث کاهش فشار بر TRها می گردد .

در مدار پوش-پول امیتر و یا سورس قطعات قدرت در یک پتانسیل ثابت قرار دارند و معمولا به زمین متصل اند . بنابراین به راحتی می توان بیس و یا گیت هر دو را درایو کرد و هیچ هزینه ای برای ایزولاسیون آن ها به مدار تحمیل نمی شود .

معایب : یکی از معایب پوش-پول این است که با اینکه در این مدار از دو ترانزیستور استفاده شده است ، باز هم هر کدام آن ها به خاطر تاثیر سر وسط ترانس باید دو برابر ولتاژ ورودی را تحمل کنند . این اتفاق زمانی رخ می دهد یک TR قطع و دیگری در حال هدایت باشد زمانی که هر دو ترانزیستور خاموش اند ، ولتاژ هر کدام برابر ولتاژ منبع است ( شکل موج 11 ) این بدین معنی است که ترانزیستورهای گران تر و با بازده کمتر ، 800 تا 1000 ولت برای کاربرد های مبدل DC به DC با ولتاژ 220 ولت مورد نیاز است .

از دیگر ایرادات اصلی مدار پوش-پول آن است که این مدار تمایل دارد بصورت نامتوازن شار کند . اگر جریان در هر نیم سیکل از سوئینگ شار دقیقا هم اندازه و متقارن نباشد ، باعث عدم تعادل در ولت-ثانیه شده و در نتیجه ترانس به اشباع می رود ؛ به خصوص در مواقعی که ولتاژ ورودی بالایی داریم . این عدم تقارن در دو نیم سیکل ممکن است در اثر تفاوت مشخصه های دو TR رخ دهد ؛ مانند تفاوت در زمان انبارسازی ( STORAGE TIME ) و یا تفاوت تلفات زمان روشن بودن .

همچنین ترکیب سر وسط ترانس بدین مفهوم است که مس بیشتری در اولیه به کار رفته و برای به حداقل رساندن نشتی لحظه ای باید کوپلینگ بسیار خوبی بین دو نیمه سیم پیچ وجود داشته باشد . باید به این نکته توجه داشت که اگر از اسنابر برای محافظت از TR ها استفاده می شود باید طراحی بسیار دقیق باشد تا هر کدام از دیگری محافظت کنند و باعث خرابی یکدیگر نشود . این موضوع برای تمام مبدل های راه اندازی شده با ترانس متقارن صادق است .

این معایب بیانگر آنند که مبدل پوش-پول برای کار در ولتاژهای پایین ( 12،28،48 ولت ) مناسب است . مبدل های DC به DC ای که در خودروها و یا صنایع ارتباطات راه دور ( مخابرات ) استفاده می شوند ، معمولا از توپولوژی پوش-پول بهره برده اند . جلوگیری از به اشباع رفتن ترانس در این سطوح ولتاژ بسیار راحت تر است .

کنترل مد جریان : ابداع این شیوه منافع زیادی برای توپولوژی پوش-پول داشته است . در این شیوه کنترل جریان اولیه رصد ( مونیتور)شده و هر عدم تقارنی که رخ دهد بلافاصله توسط تغییرات که در Duty Cycle صورت می گیرد ، اصلاح می شود . کنترل مد جریان ، مشکل عدم توازن را کاملا رفع کرده و امکان به اشباع رفتن ترانس را به حداقل رسانده است . به همین دلیل امروزه طراحان از پوش-پول بیشتر استفاده می کنند .

صفحه 122

(d)نیم پل : شکل 12 نشان دهنده مبدل نیم پل است که بیشترین توان را در بین مبدل های متقارن دارد . این مدار منتسب است به مدار پوش-پول تک خروجی اما در کل نمونه بالانس شده مبدل Forward است . این مدار نیز از مدار buck منشعب شده است . نیم پل مزایای کلیدی زیادی نسبت به پوش-پول دارد که آن را در کاربردهای توان بالا ( 500w~1000w ) مورد توجه طراحان قرار می دهد .

نحوه عملکرد : دو خازن بزرگ C1 و C2 به صورت سری متصل شده اند و ولتاژ ورودی میانی ( سر وسط ) مجازی را به وجود آورده اند ( نقطه A ) . TRهای سوئیچ به صورت متناوب راه اندازی می شوند و این امر باعث وصل شدن هر خازن به یک سیم پیچ از سیم پیچ هی اولیه در هر نیم سیکل می شود در روش پوش-پول به اندازه در دو سر ترانس افت می کند .

توان در زمان هدایت هر TR مستقیماً به خروجی منتقل می شود و حداکثر Duty Cycle 90٪ در این مدار موجود است ( زمان مرده زیادی احتیاج است تا جلوگیری کند از همزمانی روشن شدن TRها) . از آنجایی که اولیه هر دو جهت راه اندازی می شود ( کار می کند ) ( ریست طبیعی ) یک فیلتر تمام موج خروجی ( که با دو برابر فرکانس سوئیچینگ کار می کند ) کار آمد تر از یک فیلتر نیم موج است . این نیز باعث بهبود کارایی هسته می شود ( همان طور که در شکل 13 مشخص است ، شکل موج ها عیناً شبیه شکل موج های پوش-پول اند . بجز این که ولتاژ TRها نصف شده است ( جریان قطعه در توان های مساوی بیشتر است ).

مزایا : از آن جایی که TR ها به صورت سری قرار گرفته اند ، هرگز ولتاژی بیشتر از ولتاژ ورودی ( Vin ) را نمی بینید . زمانی که هر دو TR خاموش اند ولتاژ آن ها به مقدار ثابت می رسد که نصف ولتاژ پوش-پول در این حالت است ( البته با جریان دو برابر ) . از این رو نیم پل برای مواردی که ولتاژ ورودی بالایی داریم بسیار مناسب است . به عنوان مثال برای یک ورودی 220 ولت دو ترانزیستور سریع تر و بازده بیشتر 450 ولت استفاده کرد که به جای این که از دو TR 800 ولت ( مانند پوش-پول ) بهره برد .این کار باعث افزایش فرکانس کار نیز می شود .

مزیت دیگر نیم پل نسب به پوش-پول حل شدن مشکل اشباع ترانس به خاطر شار نامتقارن است . با استفاده از یک خازن کوچک ( کمتر از 10u F ) از افزایش هرگونه شارDC در ترانس جلوگیری شده و فقط AC متقارن از ورودی کشیده می شود .

همان طور که در شکل 12 مشخص است در توپولوژی نیم پل می توان از دو دیود clamp ، D3 ,D4 در دو سر TRها استفاده کرد . انوکتانس نشتی و انرژی مغناطیسی به خازن ورودی منتقل شده و از ترانزیستور دو برابر خطرناک محافظت کرده و بازده را بهبود می بخشد .

مزیت دیگری که مختص نیم پل بوده و کمتر دیده می شود ، همان خازن های بزرگ است که یک مدار دو برابر کننده ولتاژ را تشکیل می دهد . این خازن ها به مدار این اجازه را می دهند که بتوانند از ولتاژ 220 ولت و یا 110 ولت به عنوان ورودی منبع استفاده کنند .

همچنین مدار نیم پل دربردارنده تمام مزیت هایی که مدار پوش-پول نسبت به مدار تک خروجی داشته است ؛ از جمله بهره گیری از ترانس بسیار عالی ، ریپل خروجی بسیار کم و ظرفیت توان خروجی بسیار بالا. فاکتور محدود کننده حداکثر توان خروجی جریان پیک است که باتوجه به ظرفیت TRها تعیین می شود . حداکثر محدوده توان 1000 وات است . برای توان های بالاتر از مدار تمام پل استفاده می شود .

معایب : استفاده کردن از دو خازن 50~60 Hz به علت سایز بزرگشان یک ایراد برای این مدار به حساب می آیند . همچنین TR بالایی به علت پتانسیل شناور بیسش ، باید به صورت ایزوله شده درایو شود . افزون بر این ، اگر از اسنابر در دو سر ترانزیستورهای قدرت استفاده شود باید در طراحی آن دقت بسیار زیادی صورت گیرد ، چون در مدارات متقارن ترانزیستورها و اسنابر تاثیرات متقابلی بر یکدیگر می گذارند و هزینه و پیچیدگی مدار به وضوح افزایش می یابد . این معایب باعث می شود که از این توپولوژی در مواردی که توان خروجی کمتر از 500w است استفاده نشود .

صفحه 125

تمام پل

طرح کلی : مبدل تمام پل که در شکل 14 نشان داده شده است نمونه پرقدرت تر نیم پل است و نسبت به تمام مبدل هایی که تا به حال مورد بحث قرار گرفته اند توان خروجی بیشتری دارد . حداکثر جریان خروجی ترانزیستورهای قدرت ، تعیین کننده ماکزیمم توان خروجی تمام پل است که با اضافه کردن دو ترانزیستورو دیود clamp دیگر به نیم پل بدست آید . ترانزیستورها دو به دو به صوررت متناوب درایو می شوند ؛ T1 با T3 و T2با T4 . حال اولیه ترانس برخلاف مدار قبل به تمام ولتاژ ورودی متصل شده است . سطح جریان نیز در این مبدل نسبت به نیم پل در یک توان خاص نصف شده است . از این رو تمام پل ( با استفاده از ترانزیستورهای مشابه ) نسبت به مبدل نیم پل می تواند خروجی دو برابر تولید کند . ثانیه تمام پل کاملا شبیه ثانویه نیم پل و پوش-پول عمل می کند و ریپل خروجی بسیار کمی را در سطوح جریان بالا تولید می کند . بنابراین شکل موج های تمام پل که در شکل 13 آمده است مانند نیم پل است با این تفاوت که ولتاژ اولیه دوبرابر شده و جریان سوئیچ نصف شده است . این افزایش با توجه به معادله گین DC و همین طور جریان پیک برای تمام پل در مقایسه با نیم پل کاملا مشهود است .

مزایا : در کل تمام پل بای تولید توان خروجی بسیار بالا مناسب است . پیچیدگی مدار این مبدل بیانگر این است که کاربرد این توپولوژی در توان های 1KW و بالاتر است . برای چنین توان های بالایی ، طراحان از دارلینگتون های قدرت استفاده می کنند تا همراه با افزایش جریان ، بهبود خوبی در مشخصه سوئیچینگ داشته باشند .

مزیت دیگر تمام پل نسبت به نیم پل استفاده از یک خازن برای صافی است که باعث حفظ فضا نسبت به نیم پل می شود . مزایای دیگر این مبدل کاملاً شبیه مزایای نیم پل است .

معایب : در مقایسه با انواع دیگر مبدل های متقارن ، تمام پل به چهار TR و دیود clamp احتیاج دارد . تمام پل پیچیده ترین و گران ترین مبدلی است که تا به حال مورد بررسی قرار گرفته و فقط در مواردی که دیگر مبدل ها نمی توانند پاسخ گوی نیازهای طراح باشند می تواند مورد استفاده قرار گیرد . همچنین در صورت نیاز به اسنابر ( آن هم 4 عدد ) باید در طراحی آن بسیار دقت نمود .

کلام آخر

پنج نمونه از رایج ترین توپولوژی های مورد استفاده در مبدل های منابع تغذیه سوئیچینگ ، fly back ، Forward ، پوش-پول ، نیم پل و تمام پل بطور خلاصه مورد بررسی قرار گرفت . هر کدام از این توپولژی ها مشخصه ها و همچنین مزایای خاص خود را دارند که آن ها را مناسب استفاده برای یک کاربرد خاص می سازد .

همچنین بای توپولوژی های ولتاژ و جریان TRهای توان تعریف شد . همین طور معادلات و محاسبات ساده ای به طور خلاصه برای هر توپولوژی آورده شده است . مجموعه ای از TRها و یکسوسازهای فیلیپس نیز در انتهای هر بخش برای استفاده در منابع تغذیه سوئیچینگ ارایه گردیده است .

 

    

 

 

 

 

[ شنبه بیست و هفتم خرداد 1391 ] [ 21:14 ] [ حسین تابش ]

 

 


در اختيار داشتن سرعت همان چيزي است که هميشه در پي آن هستيم. فن‌آوري
ADSL پاسخي است به آنها که به سرعت احتياج دارند تا با استفاده از آن زودتر به هدف برسند، و از ديگر روشهاي دسترسي با استفاده از مودم‌ها و خط‌هاي تلفن به ستوه آمده‌اند و در پي آن هستند تا با استفاده از اين راهکار و با سرعت مطلوب به پاسخ خود برسند. ADSL تکنولوژي جديدي است که بر بستر کابل تلفن قديمي و آشناي خودمان عمل مي‌کند. نصب يک سيستم ويژه در داخل پست مخابراتي هر منطقه، مشترکين تلفن آن منطقه را به سادگي و بدون نياز به هر نوع دخل و تصرف سخت‌افزاري و يا نرم‌افزاري، از اين سرويس بهره‌مند مي‌نمايد.
از اين ساده‌تر ممکن نيست
اين تکنولوژي بهترين و بيشترين سرعت را بدون نياز به تدارک زيرساختهاي جديد ممکن ساخته است. استفاده از سيم‌کشي‌هاي موجود تلفن بدون نياز به اتصال به دستگاه‌هاي حجيم و پيچيده، کار مصرف‌کننده را بسيار راحت مي‌نمايد. براي داشتن يک اتصال
ADSL در محل مصرف‌کننده تنها نياز به يک مودم ويژه است. پس از برقراري ارتباط، تنها هزينه ثابت خط ADSL به شکل ماهانه و با توجه به پهناي باند دريافتي به عنوان هزينه دريافت مي‌شود. در حاليکه از ارتباط ADSL استفاده مي‌کنيد ارتباط تلفني شما هميشه آزاد و در دسترس است. هزينه تلفن تنها در صورت استفاده از تلفن محاسبه مي‌شود و ربطي به استفاده از خط ADSL ندارد.
DSL چيست
محبوب‌ترين تکنولوژي باند پهن در جهان يعني
DSL بيش از ۳۰ ميليون مشترک تا پايان بهار ۲۰۰۴ به کاربران اينترنت افزوده و تعداد بهره‌مندان جهاني را به ۷۸ ميليون در کل رسانده که اين رشد بيش از دو برابر ديگر روش‌هاي متکي بر پهناي باند بوده است. تکنولوژي DSL يکي از انواع انتقال پرسرعت بوده است که با تلفن معمولي شما را قادر مي‌سازد تا ضمن دسترسي به اينترنت پرسرعت از امکان دريافت صدا و تصوير با کيفيت بالا استفاده کنيد. نوع ديگر همين تکنولوژي ADSL است که يکي از انواع فن آوري DSL است، که در اين روش سيستمهاي سخت‌افزاري ويژه (DSLAM) بايد در پستهاي مراکز مخابراتي نصب گردند. پس از نصب اين سيستمها و با استفاده از کابل‌هاي تلفن، سرويس قابل راه‌اندازي مي‌شود، بدين لحاظ از نظر هزينه براي دولت و مصرف‌کننده بسيار قابل قبول است. زيرا هزينه کابل‌کشي مجدد به هيچيک از طرفين تحميل نمي‌شود. مصرف‌‌کننده اين سرويس تنها به يک مودم ADSL احتياج دارد.
DSL چگونه کار مي‌کند
با استفاده از زوج سيمهاي مخابرات براي تلفن خانگي ما تنها از يک پانصدم امکانات بالقوه اين سيمها استفاده مي‌کنيم و مابقي بلااستفاده مي‌ماند.
ADSL پهناي باند ۱.۱ مگاهرتزي خطوط مسي را به کانال هاي ۴ کيلوهرتزي تقسيم مي کند و آخرين کانال را جهت ارسال صدا و فاکس معمولي تخصيص مي دهد و ۲۵۶ کانال ديگر را براي انتقال دو طرفه اطلاعات استفاده مي کند; به اين ترتيب که ۶۴ کانال را براي خط ارسال اطلاعات و ۱۲۸ کانال ديگر را جهت دريافت اطلاعات استفاده مي کند. در بهترين حالت اگر ۱۹۲ کانال ۴ کيلو هرتزي موجود را استفاده کند، در تئوري سرعت بايد به حدود ۹ مگابيت در ثانيه برسد.در حال حاضر سرعت خطوط ADSL در بهترين حالت ۲ مگابيت در ثانيه مي باشد.در عمل، اين خطوط اطلاعات زنجيره وار ديجيتال را به اطلاعات پارالل در دو سر انتقال اطلاع تبديل مي کنند. دقيقا مشابه کاري که در مودم هاي خطوط عادي انجام مي شود.
سرعت انتقال اطلاعات در محدوده ذکر شده به عواملي از جمله فاصله ارتباطي و نوع سيم استفاده شده بستگي دارد.حال با استفاده از سخت‌افزارهايي که بتوانند داده‌ها را فشرده‌سازي، ارسال و دريافت نمايند مي‌توانيم اين قابليت بلااستفاده را هم به کار بگيريم. يکي از اين سخت‌افزارها در پست مخابرات نصب و ديگري در محل استفاده‌کننده نصب مي‌شود. ارتباط از طريق سيم تلفن قبلي شما برقرار مي‌شود بدون اينکه اختلالي در ارتباطات تلفني بوجود آيد. حالا به شرط اينکه مودم هميشه به خط وصل و روشن باشد ارتباط شما با اينترنت هميشه برقرار خواهد بود در عين حال اينکار براي مکالمات تلفني مشکلي پيش نمي‌آورد.
برتري‌هاي فني
DSL
اتصال دائم و بي‌وقفه و مطمئن به شبکه مخابرات و شبکه جهاني اينترنت برقرار است – هزينه ثابت ماهانه بدون هزينه نصب (کمتر از
۴۰۰۰۰۰ ريال براي ۲۵۶Kbps )[ حجم ارسال و دريافت محدوده و هزينه اي ندارد ] – تجهيزات تحويلي به مشتري رايگان است – فاصله زمان درخواست تا تحويل سيستم کوتاه مي‌شود – از حداقل تجهيزات در محل کار يا خانه استفاده مي‌شود – سرعت سيستم به قدري بالا خواهد بود که سرويس‌هاي ديگر اينترنت نيز مانند صوت و تصوير متحرک، براي استفاده در دسترس خواهند بود – نياز به کابل‌کشي مجدد نيست – مي توان بيش از يک نفر از هر اتصال استفاده نمود- در شرايط ايده‌آل (نبود نويز بر روي سيمها، فاصله کم تا مرکز مخابراتي) حداکثر سرعت دريافت ۸Mbps و سرعت ارسال ۱Mbps خواهد بود – اداره و کنترل کارهاي چنين اتصالي نيز به سادگي همان کاري است که با تلفن منزل انجام مي‌دهيم _ به علت سرعت بالا (دريافت و ارسال) امکان برقراري جلسات و سمينارهاي مجازي با سهولت ميسر است – بازشدن راه براي انجام پروژه‌هايي مانند دولت الکترونيک، پزشکي الکترونيک، آموزش سمعي بصري الکترونيک، شبکه اختصاصي الکترونيک و مجموعه وسيعي از ديگر کاربردهاي الکترونيک – مسافت ۸/۱ کيلومتري تحت پوشش شبکه براي تامين سرعت ۸ Mbps – ارائه انواع سرويس‌هاي مختلف براساس بستر شبکه DSL مانند VODSL، Video on demand، VOIP.

 

 

[ شنبه بیست و هفتم خرداد 1391 ] [ 21:9 ] [ حسین تابش ]
.: Weblog Themes By Iran Skin :.

درباره وبلاگ
امکانات وب
ساخت كد آهنگساخت كد موزیک آنلاین