منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟ کاربرد و نحوه کار انواع آن

منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) یکی از انواع منابع تغذیه الکترونیکی است که از رگولاتورهای سوئیچینگ برای تبدیل توان الکتریکی به شکل موثری استفاده می‌کند.

منابع SMPS به دلیل تنوع کاربرد، هزینه کم و سازگاری به طور گسترده در طیف وسیعی از فعالیت‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند. مانند سایر منابع الکترونیکی، یک منبع تغذیه SMPS برق را از منبع DC یا AC به بارهای DC در حین تبدیل ولتاژ و جریان انتقال می‌دهد. برخلاف منابع تغذیه خطی، ترانزیستور عبور (pass transistor) منبع تغذیه سوئیچینگ دائماً بین حالت‌های کم اتلاف، روشن و کامل سوئیچ می‌شود. این مدل منبع تغذیه، زمان بسیار کمی را در انتقال با اتلاف زیاد صرف می‌کند و همین موضوع مقدار الکتریسیته‌ای را که تلف می‌شود به حداقل می‌رساند. در ادامه در باره اینکه اصلا منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟ و کاربردهای اصلی آن کدام است می پردازیم.

منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟

منبع تغذیه حالت سوئیچ یک مبدل برق است که از ترانزیستورهای سوئیچینگ مانند ماسفت‌ها که به طور مداوم با فرکانس بالا روشن و خاموش می‌شوند و قطعات ذخیره انرژی مانند خازن‌ها و سلف‌ها برای تامین برق در حالت عدم رسانایی دستگاه سوئیچینگ استفاده می‌کند. تکنولوژی سوئیچینگ در مدار منبع تغذیه موجب حذف ترانس و در نتیجه کاهش دما و افزایش راندمان بالای 90 درصد در آن شده است، اندازه کوچکی دارند و به طور گسترده در رایانه‌ها و سایر تجهیزات الکترونیکی حساس استفاده می‌شوند.

منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) بر اساس ولتاژ ورودی و خروجی منبع تغذیه طبقه‌بندی می‌شوند. چهار گروه اصلی عبارت‌اند از:

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

اجزای اصلی منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟

• یک‌سو کننده ورودی و فیلتر
• اینورتر متشکل از یک سیگنال فرکانس بالا و دستگاه‌های سوئیچینگ
• ترانسفورمر قدرت
• یک‌سو کننده خروجی
• سیستم  فیدبک و مدار کنترل

مدار منبع تغذیه سوئیچینگ ساده دارای چند بلوک است. یکسوساز و فیلتر در ورودی انواع منبع تغذیه سوئیچینگ، نقش حذف نویز و یکسوسازی را دارد. سپس فرکانس سیگنال نیم موج یا تمام موج به‌وجود آمده، توسط مدار مبدل افزایش یافته و تحویل ترانس قدرت جهت تقویت می گردد. از مدار خروجی ترانس قدرت بسته به نیاز، میتوان ولتاژهای DC مختلف ساخت. شماتیک مدار منبع تغذیه سوئیچینگ را در زیر مشاهده کنید.

تاریخچه منبع تغذیه سوئیچینگ

یکی از کاربردهای اصلی این نوع منبع تغذیه، صنعت کامپیوتر است. منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) از حدود سال 1970 به صورت تجاری در دسترس بوده است. هیولت پاکارد از یکی این منابع در ماشین حساب HP-35 (1972) برای تامین برق نمایشگر LED و سیگنال‌های زمان‌بندی استفاده کرد. این مفهوم به سیستم جرقه زنی تخلیه القایی کترینگ (1910) برمی‌گردد که بر اساس کشف در سال 1836 در مورد توانایی سیم‌پیچ‌های القایی برای افزایش ولتاژ شکل گرفته است. در سال 1936 منبع تغذیه “ویبراتور” ظاهر شد که در رادیوهای خودرو برای افزایش ولتاژ باتری 6 ولت به ولتاژ بالاتر مورد نیاز برای لوله‌های خلأ استفاده می‌شد. در سال 1977، اپل از منبع تغذیه سوئیچینگ برای ساخت یک کامپیوتر خانگی کوچک و سبک استفاده کرد.

توپولوژی یا ساختار مدارهای منبع تغذیه سوئیچینگ چگونه است؟

پیکربندی مدار که توپولوژی نامیده می‌شود، نحوه انتقال توان از ورودی به خروجی را تعیین می‌کند. اکثر توپولوژی‌ها از یک ترانسفورماتور قدرت تشکیل شده‌اند تا مقیاس ولتاژ را بر اساس نسبت سیم پیچ‌ها، خروجی‌های متعدد بسته به تعداد سیم‌پیچ‌ها و ایزوله تعیین کند. توپولوژی‌هایی مانند باک و تقویت کننده از ترانسفورماتور استفاده نمی‌کنند و بنابراین غیر ایزوله هستند و تبدیل توان آنها به تنهایی از طریق انتقال انرژی القایی حاصل می‌شود.

توپولوژی‌های غیر ایزوله کاربرد محدودی دارند و معمولاً در تنظیم‌کننده‌های dc-dc استفاده می‌شوند. این نوع مدارها معمولاً یک خروجی واحد تولید می‌کنند که دامنه آن دوباره توسط سیکل کاری (duty cycle) و ولتاژ ورودی محدود می‌شود. برای انتخاب توپولوژی باید به مواردی مانند هزینه، کارایی و اندازه توجه داشته باشید.

• Buck: رایج‌ترین، ساده‌ترین و ارزان‌ترین روش برای توپولوژی غیر ایزوله برای کاهش ولتاژ DC به DC است.
• Boost: افزایش ولتاژ به صورت غیر ایزوله
• Buck و Boost: برای کاهش و افزایش به صورت غیر ایزوله
• Fly back: افزایش و کاهش به صورت ایزوله
• مبدل تمام پل (Full bridge)
• مبدل نیم پل (Half bridge)

نحوه کار منبع تغذیه سوئیچینگ چگونه است؟

شاید بپرسید که منبع تغذیه سوئیچینگ چگونه کار میکند؟ ورودی dc تنظیم نشده، چه از یک منبع dc مانند یک‌سو کننده یا یک باتری، به بخش اینورتر متشکل از دستگاه‌های الکترونیکی سوئیچینگ سریع مانند ماسفت‌ها و ترانزیستورهای دوقطبی که روشن و خاموش می‌شوند، تغذیه می‌شود. این فرایند باعث می‌شود که ولتاژ ورودی در سیم پیچ اولیه به صورت پالس در فرکانس سوئیچینگ بین 20 تا 200 کیلوهرتز ظاهر شود. سپس خروجی ترانسفورماتور یک‌سو شده و صاف می‌شود تا ولتاژ DC مورد نیاز تولید شود. فرکانس که خارج از محدوده قابل شنیدن است، معمولاً ثابت است در حالی که دیوتی سایکل متغیر است تا سطح ولتاژ مناسب مورد نیاز را فراهم کند. با اسیلوسکوپ می توانید شکل موج خروجی ترانسفورماتور و ولتاژ مستقیم تولیدی را با مولتی متر مشاهده نمایید.

مزایای منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟

SMPS فشرده‌تر و سایزهای کوچک‌تری عرضه می‌شوند و از ترانسفورماتورهای کوچک‌تر استفاده می‌کنند. قابلیت کوچک کردن منابع یک مزیت و یک نیاز ضروری برای اکثر وسایل الکترونیکی با فضای محدود است. دیگر مزایای منبع تغذیه سوئیچینگ عبارت است از:

• راندمان بالا 68% تا 90%
• تکنولوژی انعطاف‌پذیر
• دارای خروجی‌های پایدار و مستقل از ولتاژ تغذیه ورودی
• چگالی توان بالا (High power density)

معایب منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟

• دارای اجزای خارجی اضافی که به فضای بیشتری نیاز دارند.
• دارای تداخل الکترومغناطیسی و نویز الکتریکی
• طراحی پیچیده
• به دلیل استفاده از قطعات پیچیده، تعمیر آنها هزینه زیادی خواهد داشت. قطعات استفاده شده در این نوع تغذیه ها به دلیل فرکانس کاری بالا، دارای ظرفیت پائینی است. از این رو، توصیه می گردد از lcr متر جهت تست قطعات استفاده کنید.

کاربرد منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟

یکی از پرکاربردترین دستگاه های مورد نیاز تجهیزات برقی، منابع تغذیه هستند. SMPS در زمینه‌های مختلفی از کامپیوترها، سرورها و تجهیزات مرتبط، برای تجهیزات الکترونیکی خانگی، امنیت و بیشتر تجهیزاتی که با باتری کار می‌کنند، در مواردی که راندمان بالا و اندازه‌های کوچک مورد نیاز است، استفاده می‌شود. کاربرد منبع تغذیه سوئیچینگ به اینجا ختم نمی شود بنا به هریک از موارد زیر، شما به یک منبع تغذیه سوئیچینگ نیاز دارید:

• تامین ولتاژ مورد نیاز

متأسفانه، ولتاژ منبع استاندارد ممکن است با سطوح مورد نیاز ریزپردازنده‌ها، موتورها، LEDها یا بارهای دیگر مطابقت نداشته باشد، به خصوص زمانی که ولتاژ منبع تنظیم نشده باشد. دستگاه‌های باطری‌دار نمونه‌های اصلی این مورد هستند: ولتاژ معمولی یک سلول استاندارد Li+ یا پشته NiMH یا خیلی زیاد یا کم است.

• تطبیق‌پذیری بیشتر

خوشبختانه، تطبیق‌پذیری SMPSها مشکل تبدیل یک ولتاژ منبع استاندارد به یک ولتاژ خروجی قابل استفاده و مشخص را حل می‌کند. توپولوژی‌های SMPS متعددی وجود دارد که به دسته‌های اساسی طبقه‌بندی می‌شوند، ولتاژ ورودی را افزایش می‌دهند، پایین می‌آورند، معکوس می‌کنند یا حتی بالا و پایین می‌برند. برخلاف تنظیم‌کننده‌های خطی که فقط می‌توانند ورودی را پایین بیاورند، SMPS جذاب است؛ زیرا یک توپولوژی را می‌توان تقریباً برای تناسب با هر ولتاژ خروجی انتخاب کرد.

• بهره‌وری بهتر

مهندسان همچنین با مشکل رایج دیگری روبرو هستند که چگونه توان DC را به طور مؤثر تبدیل کنند. به عنوان مثال، برای دستیابی به ولتاژ خروجی کمتر، اغلب لازم است ولتاژ ورودی را پایین بیاورید. راه حل ساده این است که یک تنظیم کننده خطی پیاده‌سازی کنید، زیرا این دستگاه تنها به چند خازن و مدیریت حرارتی کافی نیاز دارد. اما این سادگی در پیاده‌سازی متأسفانه به معنای کارآمدی نیست. کارایی یک رگولاتور خطی به طور مستقیم با توان کاهش یافته در ترانزیستور عبور آن مرتبط است. این افت توان می‌تواند قابل توجه باشد زیرا توان تلف شده برابر با ILDO × (VIN – VOUT) است. به عنوان مثال، هنگام کاهش بار 100 میلی آمپر از باتری 3.6 ولت به خروجی 1.8 ولت، 0.18 وات در سراسر تنظیم کننده خطی کاهش می‌یابد. این افت توان بازده کم 50 درصدی را به همراه دارد که طول عمر باتری را تا 50 درصد کاهش می‌دهد (با فرض عملکرد ایده آل).

این در حالی است که یک SMPS با طراحی خوب بسته به سطح بار و ولتاژ می‌تواند به بازده 90 درصد یا بیشتر دست یابد. همانند مثال قبلی، با استفاده از SMPS کاهنده به جای تنظیم کننده خطی، بازده 90% به جای 50 درصدی خواهید داشت.

مقایسه منبع تغذیه سوئیچینگ و منبع تغذیه خطی (Linear Power Supply)

در حالی که ساخت یک منبع تغذیه خطی کار ساده‌ای است، یک SMPS کوچک‌تر و کارآمدتر است. طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ این امکان را به شما می‌دهد تا در طیف گسترده‌ای از ولتاژها و فرکانس‌ها بدون هیچ صدا و اختلالی از  آن استفاده کنید. منبع تغذیه خطی اگرچه ساده‌تر است، اما انرژی زیادی را در ترانسفورماتور، فیلترها و مدارهای تنظیم هدر می‌دهد. همچنین می‌تواند در مقایسه با یک SMPS مشابه بسیار بزرگ‌تر باشد؛ بنابراین می‌توان گفت:

• منابع تغذیه خطی بسیار بزرگ‌تر هستند.
• راندمان منابع تغذیه خطی بین 30 الی 40 درصد متغیر است. در حالی که اگر منبع تغذیه سوئیچینگ طراحی بهینه‌ای داشته باشید، بین 65 الی 90 درصد بازده خواهد داشت.
• منبع تغذیه خطی در صورتی که به خوبی تنظیم شده باشد، خروجی خوبی خواهد داشت. در غیر این صورت ولتاژ ورودی و خروجی تفاوت زیادی خواهد داشت. این در حالی است که خروجی منبع تغذیه سوئیچینگ بدون توجه به ورودی، بسیار پایدار است.