دانلود تحقیق منبع تغذیه

مقدمه

بعضی از تجهیزات الکترونیکی نیاز به منابع تغذیه با ولتاژ و جریان بالا دارند.

بدین منظور باید ولتاژ AC شهر توسط ترانسفورماتور کاهنده به ولتاژ پایینتر تبدیل و سپس یکسوسازی شده و به وسیله خازن و سلف صاف و DC شود.

تا سال 1972 ، منابع تغذیه خطی برای بیشتر دستگاههای الکترونیکی مناسب بودند.

اما با توسعه کاربرد مدارهای مجتمع ، لازم شد که خروجی این مدارها در برابر تغییرات جریان و یا ولتاژ شبکه برق بیشتر تثبیت گردد.

آی سی های خانواده TTL به ولتاژ کاملا تثبیت شده 5V احتیاج دارند.

به منظور بدست آوردن ولتاژ ثابت تر، یک سیستم کنترل فیدبک در آی سی ها ی تثبیت کننده به کار برده می شود.

تا سال 1975 ، آی سی های موجود مثل 723 و CA3085 قادر به تثبیت ولتاژ ثابت مورد نظر نمونه برداری می کردند.

این منابع، منابع تغذیه تثبیت شده خطی نامیده می شد.

امروزه تراشه های یکپارچه تنظیم ولتاژ برای جریانهای تا 5A در دسترس می باشد.

این تراشه ها مناسب می باشند.

اما راندمانی زیر 50% دارند و تلفات حرارتی آنها در بار کامل زیاد است.

منابع تغذیه سوئیچینگ دارای راندمان بالایی می باشند.

این منابع در سال 1970 هنگامی که ترانزیستورهای سوئیچینگ سرعت بالا با ظرفیت زیاد در دسترس قرار گرفت، ابداع شدند.

ولتاژ خروجی منابع تغذیه سوئیچینگ به وسیله تغییر چرخه کار (Duty Cycle) یا فرکانس سیگنال ترانزیستورهای کلید زنی کنترل می شود.

البته می توان با تغییر هم زمان هر دوی آنها نیز ولتاژ خروجی را کنترل نمود.

یک منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) شامل منطق کنترل (Control Logic) و نوسان ساز می باشد.  نوسان ساز سبب قطع و وصل عنصر کنترل کننده (Control Element) می گردد.

عنصر کنترل کننده معمولا یک ترانزیستور کلید زنی ، یک سلف و یک دیود می باشد.

انرژی ذخیره شده در سلف با ولتاژ مناسب به بار واگذار می شود، با تغییر چرخه کار یا فرکانس کلید زنی، می توان انرژی ذخیره شده در هر سیکل و در نتیجه ولتاژ خروجی را کنترل نمود.

با قطع و وصل ترانزیستور کلیدزنی ، عبور انرژی انجام و یا متوقف می شود.

اما انرژی در ترانزیستور تلف نمی شود.

با توجه به اینکه فقط انرژی مورد نیاز برای داشتن ولتاژ خروجی با جریان مورد نظر، کشیده می شودع راندمان بالایی بدست می آید.

انرژی به صورت مقطعی تزریق می شود.

اما ولتاژ خروجی به وسیله ذخیره خازنی ثابت باقی می ماند.

1-1: دلیل انتخاب  SMPS و مقایسه آن با منابع تغذیه خطی:

انتخاب بین یک منبع تغذیه خطی یا سوئیچینگ می تواند بر اساس کاربرد آنها انجام می شود.

هر یک مشخصات، مزایا و معایب خاص خود را دارند، همچنین حوزه های متعددی وجود دارد که تنها یکی از این دو نوع می تواند مورد استفاده قرار گیرند و یا کاربردهایی که یکی از بر دیگری برتری دارد.

مزایای منابع تغذیه خطی:

نخست سادگی (طرح مدار بسیار ساده است و با قطعات کمی به راحتی اجرا می شود).

دوم قابلیت تحمل بار زیاد نویز  ناچیز یا کم در خروجی و زمان پاسخ دهی بسیار کوتاه.

برای توان های کمتر از 10W ارزانتر از مدارهای مشابه سوئیچینگ می شود.

معایب منابع تغذیه خطی:

تنها به صورت رگولاتور کاهنده قابل کاربرد هستند(ورودی حداقل باید 2 تا 3 ولت از خروجی بیشتر باشد).

عدم انعطاف پذیری تغذیه، افزودن هر خروجی مستلزم اضافه کردن سخت افزار زیادی است.

بهره متوسط چنین منابعی کم و نوعا 30% تا 40% است.

این تلفات توان در ترانزیستور خروجی تولید حرارت می کند و نیاز به ترانزیستور قوی تر را مطرح می کند،در توانهای کمی بالا نیاز به گرماگیر بر روی ترانزیستورها دارد.

تمامی این معایب در منابع تغذیه های سوئیچینگ رفع شده است:

افزایش راندمان به حدود 68% تا 90% کارکرد ترانزیستور در نواحی قطع و اشباع به انتخاب حرارت گیر یا خنک کننده و ترانزیستور کوچکتر منجر شده است.

به دلیل اینکه قدرت خروجی از یک ولتاژ DC بریده شده که به شکل AC در یک قطعه مغناطیسی ذخیره می شود، تامین می گردد.

لذا با اضافه کردن تنها یک سیم پیچ می توان خروجی دیگری را بدست آورد، که در مقام مقایسه بسیار ارزانتر و ساده تر تمام می شود.

به علاوه به دلیل افزایش فرکانس کاری به حدود 15KHz تا 60KHz اجزا ذخیره کننده انرژی می توانند خیلی کوچکتر انتخاب شوند:

برخلاف منابع تغذیه خطی، در توانهای خیلی بالا قابل استفاده هستند.

همه این موارد به کاهش هزینه و توان تلفاتی و افزایش بهره دهی و انعطاف پذیری منجر می شود.

معایب این نوع منابع ناچیز بوده و به کمک طراحی بهینه قابل رفع می باشد.

از جمله معایب آن می توان به موارد زیر اشاره کرد:

طرح چنین منابعی اصولا مشکل و پیچیده است.

نویز قابل ملاحضه ای از آنها به محیط انتشار می یابد و این اشکالی است که نباید در مرحله طراحی نادیده گرفته شود.

به دلیل ماهیت کار این منابع که بر اساس برش یک ولتاژ C استوار است، زمان رسیدن ولتاژ خروجی به مقدار مطلوب در مقایسه با منابع تغذیه خطی زیاد است.

این زمان اصطلاحا زمان پاسخ ناپایدار نامیده می شود.

هر یک از منابع حوزه های کاری خود را دارند، عموما برای مدارهای با راندمان و ولتاژ بالا مثل مدارهای تغذیه شونده با باطری های قابل حمل تغذیه سوئیچینگ برتری دارد، ولی برای ولتاژ های ثابت و کم منابع خطی ارزانتر و مناسبتر هستند.

راندمان SMPS به دلیل تلفات کمتر توان، بالاتر می باشد.

وزن و اندازه آنها به خاطر ترانسفورماتورهای کوچکتر با هسته فریت سبکتر، کوچکتر می باشد.

افزایش فرکانس ابعاد ترانسفورماتور را به ازای قدرتهای یکسان کاهش می دهد.

از هسته های آهنی در فرکانسهای بیشتر از 400Hz به دلیل داغ شدن هسته نمی توان استفاده کرد.

در منابع تغذیه سوئیچینگ حذف ریپل های خروجی به خوبی منابع تغذیه خطی انجام نمی گیرد زیرا خازنهای کوچک و با کیفیت بالا مورد نیاز است.

پارازیتهای RF به دلیل قطع و وصل جریانهای بالا یکی دیگر از معایب SMPS می باشد.

این پارازیتها را می توان با پوشش هسته فریت و کل مدار کاهش داد.

در تلویزیون، SMPS با فرکانس خط (15625Hz) سنکرون می شود و در نتیجه اثر کلیدزنی در صفحه تلویزیون ظاهر نمی شود.

امروزه، بیشتر تلویزیونهای رنگی فط از SMPS برای تغذیه لامپ و قسمتهای مختلف استفاده می کنند.

کامپیوترهای شخصی نیز از SMPS برای تولید ولتاژهای 5V , 12V و 24V با جریان بالا استفاده می کنند.

مهمترین مزیت SMPS ها، وزن کم آن می باشد.

2-1: چگونگی تنظیم خروجی در SMPS

تنظیم SMPS با تغییر نرخ on و یا سرعت تکرار کلیدزنی و یا هر دوی اینها انجام می گیرد.

به هنگام تغذیه قدرت، جریان به سیم پیچ تزریق و در نتیجه انرژی در آن ذخیره می شود.

سپس این انرژی از طریق دیودهای با سرعت بالا به خازنهای الکترولیت ذخیره کننده، واگذار می گردد.

ولتاژ دو سر خازن صاف است .

می تواند با DC را تغذیه کند.

با افزایش بار، ولتاژ خروجی افت می کند.

این افت، با افزایش پهنای پالس که سبب افزایش جریان سیم پیچ می شود، جبران می گردد.

در واقع، افزایش پهنای پالس سبب می شود که انرژی بیشتری در هر دوره در میدان مغناطیسی ذخیره کردد.

چنانچه ولتاژ مورد نظر از مقدار مورد نظر بیشتر شود می توان با کاهش پهنای پالس مقدار انرا تنظیم نمود.

امروزه مدارهای مجتمع برای انجام وظایف بالا در دسترس هستند.

آی سی 2524 یا 3524 از این نوع می باشند.

در فصل های بعد در مورد این آی سی و مشخصات آن به همراه نمونه منبع تغذیه سوئیچینگ توضیح داده می شود.

3-1: یک نمونه SMPS دارای چه مشخصاتی است؟

یک SMPS را می توان برای ولتاژ خروجی مورد نیاز طراحی نمود.

SMPS دارای یک آی سی کنترل، یک یا دو ترانزیستور کلیدزنی، تعدادی دیود کلیدزنی سرعت بالا، مجموعه ای از خازنهای با کیفیت بالا، یک هسته فریت و تعدادی قطعه دیگر می باشد.

مشخصات دقیقتر یک نمونه SMPS می تواند به قرار زیر باشد:

یک هسته از نوع LOT

یک ترانزیستور سوئیچینگ مانند BU208

یک مدولاتور پهنای پالس تنظیم کننده مانند آی سی SG3524

ویژگیها و تواناییهای مدار برای نمونه می تواند:

خروجی 5v , 5A برای کاربردهای کامپیوتری و دیجیتالی

خروجی  و 1A برای مدارهای RS232  و خطی

جداسازی (ایزوله بودن) خروجی از تغذیه ورودی برق شهر

عمل جداسازی خروجی از ورودی با قرار دادن تعدادی سیم پیچ روی هسته فریت به آسانی انجام می گیرد.

در بعضی از SMPS ها، حتی از ایزولاتور نوری نیز استفاده می شود زیرا مدار کنترل در ارتباط مستقیم با برق شهر است.

مدار کنترل، پالس های کلیدزنی مناسب را تولید و از خروجی نیز نمونه برداری می کند.

این نوع منابع تغذیه با ایزولاتور در تلویزیون های رنگی و کامپیوتر به کار می روند.

این نوع منابع تغذیه با ایزولاتور در تلویزیونهای رنگی و کامپیوتر به کار می روند.

برای تامین قدرت آی سی دو روش وجود دارد: استفاده از خروجی خود SMPS استفاده از یک منبع تغذیه جداگانه ، برای نمونه 150mA به وسیله ترانسفورماتور با ولتاژ نامی 220V/18V .

برای روش اول شدنی است اما در راه اندازی اولیه آن مشکل وجود دارد.

روش دوم، نیاز به مدارات و قطعات اضافی مانند ترانسفورماتور و دیود یکسو ساز و خازن صافی حجیم الکترولیت است.

در قسمت کلید زنی سیم پیچها باید دارای اندوکتانس مناسب و مقاومت کم باشند.

به ازای هر پالس تحریک، جریان بالایی به وسیله ترانزیستورهای کلیدزنی از سیم پیچها عبور می کند.

پیک جریان، تابعی از ولتاژ ورودی، ولتاژ کلید، اندوکتانس سیم پیج و زمان روشن بودن ترانزیستورهای کلیدزنی می باشد.

با وصل ولتاژ تغذیه (ترانزیستور روشن) جریان در یک مدار R-L به صورت نمایی افزایش می یابد.

با قطع تغذیه (ترانزیستور خاموش) ، ولتاژ بالایی القا می شود که دیود طرف دوم را روشن می کند و سپس جریان به سرعت به صفر می رسد.

برای عبور جریان میرا شونده ، هنگام قطع ترانزیستور ، خازن و مقاومتی در نظر گرفته می شود.

در صورت نبودن این عناصر، ولتاژ بسیار زیادی در کلکتور در لحظه قطع ترانزیستور ایجاد می شود.

یک VDR نیز به قسمت قبلی اضافه می شود.

انرژی هر سیکل برابر است با: L اندوکتانس طرف اولیه می باشد.

یکی از روشهای افزایش انرژی، داشتن L بزرگ است.

ولتاژ تغذیه E برابر است با: با بزرگ شدن L ، مقدار برای تغذیه داده شده ، افزایش می یابد.

هنگام پاس روشن بودن، جریان I نمی تواند به طور کافی افزایش یابد.

بنابراین مقدار ، کوچک است.

اگر L ، خیلی کوچک باشد، I به مقدار افزایش می یابد.در این حالت سرعت رسیدن به مقدار نهایی زیاد است اما انرژی ذخیره شده کم است.

R مقداری کوچک دارد .

اندازه با توجه به جریان مجاز ضربه ای ترانزیستور های کلیدزنی تعیین می گردد.

برای داشتن بزرگ، سیم پیچ و مقاومتهای دیگر را کاهش دهید، از ترانزیستور با سرعت بالا استفاده نمایید و ولتاژ تغذیه را افزایش دهید.

پیک ولتاژ را با یک شبکه سری R-C در کلکتور و امیتر ترانزیستور توان خروجی کنترل کنید.

کاهش این مقاومت ، پیک ولتاژ را افزایش می دهد.

این مقاومت تضعیف کننده معمولا حدود تا در نظر گرفته شود.

مقدار خازن C می تواند حدود 2000PF باشد.

ولتاژ آن به علت ارتباط مستقیم با ولتاژ بالا و همچنین تحت تاثیر جریانهای سوئیچ بودن ، باید بالا و حدود 2KV انتخاب شود.

جریان تحریک ترانزیستورهای کلیدزنی نیز عامل مهمی است.

ترانزیستور کلیدزنی مناسب انتخاب کنید.

برای نمونه BU208 دارای بهره جریان بزرگی نیست.

بنابراین برای جریانهای بزرگ کلید، جریان بیس بزرگ لازم است.

زمان صعود جریان کلکتور با افزایش جریان بیس زیاد می شود.

اگر جریان کلکتور 100mA باشد، جریان تحریک بیس باید حدود 25mA در نظر گرفته شود.

به ازای جریان کلکتور 1A ، جریان بیس باید حدود 250mA باشد.

به ازای جریان تحریک 25mA ، ترانزیستور کاملا روشن نمی شود و تلفات قدرت خواهد داشت.

چنانچه ترانزیستور زیاد داغ شود، باید جریان تحریک بیس را افزایش داد.

ترانزیستورهای قدرت خروجی را باید بر روی گرماگیر مناسب نصب شود.

4-1: کاربرد دیگر SMPS ها به عنوان اینورتر یا UPS کار اصلی اینورترها تبدیل خروجی DC یک باتری دارای شارژ به ولتاژ AC با فرکانس برق شهر می باشد تا بتواند بارهای ضروری را تغذیه نماید.

در حالت ایده‌آل، شکل موج خروجی یک اینورتر باید سینوسی خالص باشد که رابطه نزدیکی با قیمت آن دارد.

قیمت یک اینورتر همچنین به ظرفیت باتری پشتیبان، توان خروجی، درصد تنظیم ولتاژ (رگولاسیون) ، مدارهای محافظ، نشانگرهای زمان تبدیل (سرعت عملکرد) و ...

بستگی دارد.

داشتن این ویژگی ها، اینورتر را به یک منبع تغذیه غیر قابل وقفه (UPS) تبدیل می کند.

5-1: انواع مختلف منبع تغذیه سوئیچینگ در یک منبع از نوع سوئیچینگ تغییر سطح ولتاژ خروجی از طریق تغییر در نسبت روشن به خاموش یا اصطلاحا زمان کارکرد ترانزیستور خروجی انجام می گیرد.

منابع بر اساس نوع کنترل تغییرات خروجی و چگونگی این عمل به دو نوع کلی قابل تقسیم بندی هستند.

دو نوع منبع تغذیه سوئیچینگ عبارتند از: SMPS با مبدل پیشرو (Forward Convertor) SMPS با مبدل برگشتی (Flyback Convertor) با وجود شباهتهای فراوان تفاوتهای متمایز کننده ای هم وجود دارد.

نحوه عملکرد و چگونگی قرار گیری عناصر مغناطیسی تعیین کننده نوع مدار است.

عناصر اصلی هر یک از انواع این منابع عبارتند از: یک منبع سوئیچ جهت تهیه موج PWM القاگر (در مورد منابع پیشرفته تر القاگر جای خود را به ترانس می دهد).

سوئیچ قدرت یکسو کننده خازن ذخیره کننده انرژی در خروجی شبکه های حس کننده و عمل با زخورد در نوع برگشتی ، انرژی به طور کامل در میدان مغناطیسی سلف در دوره کلیدزنی ذخیره می شود.

این انرژی در مدار ولتاژ خروجی هنگام باز بودن کلید تخلیه می شود.

ولتاژ خروجی به دوره قطع و وصل کلید بستگی دارد.

در بعضی حالتها، ممکن است ولتاژ خروجی از ولتاژ سوئیچ شده ورودی بیشتر شود.

در شکل الف ، انرژی ذخیره شده در سلف برابر می باشد که i جریان L است.

با روشن شدن ترانزیستور، جریان L با توجه به ولتاژ تغذیه Vs ، مقاومت ذاتی R و انوکتانس L چوک افزایش می یابد.

در شکل ب ، همین اثر به روش دیگری برای مبدل پیشرو به دست می آید.

در هر دو حالت روشن و خاموش بودن ترانزیستور از چوک جریان عبور می کند.

هنگام قطع بودن ترانزیستور، دیود روشن شده و مسیر جریان را می بندد.

بنابراین انرژی در هر دو حالت به بار منتقل می شود.

در این مدار، ولتاژ Vo فقط می تواند کمتر از Vs باشد.

چوک هنگام روشن بودن ترانزیستور انرژی را ذخیره می کند و مقداری از ان را نیز در همین دوره به بار خروجی منتقل می کند.

دو وظیفه دیود عبارت است از: اول فراهم کردن مسیر تخلیه برای چوک ، هنگامی که ترانزیستور باز است.

همچنین مانع تولید جرقه در اثر ولتاژ القایی بالا در لحظه قطع ترانزیستور می گردد.

دوم آنکه ، ایجاد مسیری برای میراشدن جریان سیم پیچ.

علی رغم شباهتهای فراوان حالات فلاوی بک و فوروارد تفاوت عمده این دو نوع هنگام خاموشی سوئیچ قدرت است در این زمان: در مدار فوروارد تغذیه بار از راه القاگر و دیود ادامه یابد در حالی که در مدار فلای بک این کار از راه تغذیه القاگر و دیود انجام می شود.

در شکل پ یک مدل برگشتی موازی را نشان داده شده است.

در این حالت، جریان در چوک زمانی برقرار می شود که ترانزیستور روشن باشد.

در این هنگام از دیود جریان عبور نمی کند زیرا به وسیله ترانزیستور اتصال کوتاه شده است.

با قطع ترانزیستور، ولتاژ بالایی در چوک القا می شود که سبب عبور جریان از بار خروجی خواهد شد.

با توجه به اینکه ترانزیستور با منبع تغذیه موازی شده است، مدار نوع موازی خوانده می شود.

دیود همچنین مانع تخلیه خروجی در ترانزیستور -هنگام روشن بودن- می شود.

این مدار، نوع برگشتی نامیده می شود.

زیرا هنگام روشن بودن ترانزیستور کلید زنی جریانی از طرف منبع تغذیه به طرف خروجی جاری نمی شود.

هر سه مدار بالا، فقط دارای یک چوک با سرهای متعدد می باشند.

کلاف چوک می تواند بیستر از یک سیم پیچ داشته باشد.

یک سیم پیچ سری با ترانزیستور کلید زنی و دیگری سری بادیود خروجی قرار می گیرد.

به گونه ای که به وسیله یک فرد ناآشناع کلاف مانند یک ترانسفورماتور به نظر می رسد.

سیم پیچ اولی، جریان را در دوره هدایت پیشرو ترانزیستور کلیدزنی عبور میدهد.

در حالی که سیم پیچ دومی جریان را فقط در دوره برگشتی (دوره off) عبور می دهد.

انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی به سیم پیچ دومی کوپل می شود.

هنگام روشن بودن ترانزیستور، ولتاژ القا شده در سیم پیچ دوم، جریانی در خروجی ایجاد نمی کند، زیرا دیود در بایاس معکوس قرار دارد.

شکل ت یک مدل برگشتی را نشان می دهد.

همان مدار با این تفاوت که جهت دیود معکوس شده در شکل ث رسم شده است.

در این حالت، ولتاژ مثبت آمده به سر نقطه دار سبب عبور جریان از بار در دوره پیشرو یا روشن بودن ترانزیستور می گردد.

به همین دلیل، آن را مدار موازی پیشرو می نامند.

در این حالت دیود در هر دوره قطع و وصل ترانزیستور، هدایت می کند.

می توان ترکیب چند گانه ای از مدارهای بالا را در یک مدار جمع نمود به گونه ای که ولتاژ خروجی متعددی به وسیله آن ایجاد شود.

دراین حالت کلاف چوک، بیس از یک سیم پیچ را دارا می باشد.

2 روشهای کنترل در منابع تغذیه سوئیچینگ منابع تغذیه سوئیچینگ نه تنها دارای بازدهی و راندمان بالایی هستند، بلکه انعطاف پذیری بیشتری را برای طراح ایجاد می کنند.

دو روش عمومی برای کنترل PWM منابع تغذیه سوئیچینگ وجود دارد.

این روشها بر کمیتهای نمونه برداری شده در منبع تغذیه سوئیچینگ استوارند.

جریان یا ولتاژ می توانند دوباره برای تولید ولتاژ های خروجی مورد نیاز بکار روند.

تراشه های کنترل کننده منبع تغذیه سوئیچینگ یکی از روشهای کنترل حالت ولتاژ یا کنترل حالت جریان را انتخاب می کنند.

1-2: کنترل شده حالت ولتاژ در کنترل حالت ولتاژ، تنها از ولتاژ خروجی برای بدست آوردن دامنه مورد نیاز نمونه برداری می شود.

مقایسه گر ولتاژ خطا را با موج دندانه اره ای ایجاد شده به وسیله بخش نوسان ساز تراشه مقایسه می کند.

این مقایسه گر که معمولا مقایسه گر PWM می باشد، ولتاژ خطا را به شکل موج مدوله شده پهنای پالس (PWM) تبدیل می کند.

شکل موج حاصل برای تحریک کلیدهای قدرت به روس on/off مدوله شده پالس به کار می رود.

معمولتریت کنترل کننده حالت ولتاژه روش فرکانس تثبیت شده می باشد.

از روشهای دیگر کنترل حالت ولتاژ که در منابع سوئیچینگ شبه تشدید به کار می رود، کنترل فرکانس است..

این روش اساسا یک روش کنترل ولتاژ است زیرا تنها ولتاژ خروجی نمونه برداری شده و سپس زمانهای on و یا off خروجی و یا همان المانهای قدرت خروجی در هر ثانیه کنترل می شود.

در این روش یا زمان on ثابت و زمان off تغییر می کند و یا زمان off ثابت و زمان on متغیر است.

2-2: کنترل شده حالت جریان روش کنترل حالت جریان روش جدیدی است که در آن نه تنها از ولتاژ خروجی نمونه برداری می شود بلکه از جریان عبوری از سلف یا ترانسفورماتور نیز نمونه برداری می شود.

هنگامی که قدرت خروجی بیشتری نیاز دارد، کنترل کننده اجازه عبور جریان بیشتری از سلف یا ترانسفورماتور را می دهد.

برعکس، اگر ورودی یک تغییر ناگهانی را مشاهده نماید، این تغییر فورا به وسیله کنترا کننده آشکار می شود و در نتیجه ولتاژ خروجی را در مقدار مناسب تنظیم می کند.

به طور کلی در مدارات کنترل حالت ولتاژ در صورت افزایش جریان مصرفی در خروجی و به دنبال آن کاهش ذخیره خازن صافی خروجی و پایین آمدن سطح ولتاژ از مقدار تنظیم شده، مدار تشخیص خطا بعد از کاهش ولتاژ، از ولتاژ خروجی، نمونه برداری می کند.

در این بین تا اصلاح سطح ولتاژ خروجی، برای زمانی حدود چند میکرو و یا میلی ثانیه، ولتاژ از مقدار تنظیم شده کمتر خواهد بود.

با بررسی ولتاژ خروجی به این نکته می رسیم که یک دامنه ضعیف ولتاژ با فرکانس بالا بر روی ولتاژ DC سوار است.

این ولتاژ AC کوچک همان ریپل منابع تغذیه سوئیچینگ می باشد.

حال با بررسی منابع تغذیه سوئیچینگ کنترل شده در حالت جریان به اینجا خواهیم رسید که این ریپل کمتر است.

دلیل آن در زیر شرح داده شده است.

در صورت افزایش جریان مصرفی در خروجی و به دنبال آن کاهش ذخیره خازن صافی خروجی و پایین آمدن سطح ولتاژ از مقدار تنظیم شده می شود.

به هنگام عبور جریان لحظه ای شدید که پیامد آن کاهش پیش بینی نشده ولتاژ است، در مدار کنترل جریان از این تغییر سریع جریان نمونه برداری شده و به مدار PWM جهت تغییر در پهنای پالس، در نتیجه اعمال توان بیشتر در خروجی،مانع از کاهش ولتاژ می شود.

روش معمول کنترل حالت جریان را می توان به وسیله خروجی تقویت کننده خطا (E/A) که به یکی از ورودیهای مقایسه گر اعمال می شود توصیف کرد.

به پایه دیگر مقایسه کننده ولتاژی متناسب با جریان دندانه اره ای عبوری از یک مقاومت نمونه بردار که در مسیر جریان عبوری از سلف خروجی قرار دارد، اعمال می شود.

این روش کنترل، زمان پاسخ گذاری بسیار مناسبی را فراهم می سازد، یعنی زمان پاسخ به هر گونه تغییر در ورودی یا خروجی بسیار کوتاه خواهد بود.

این امر همچنین به کنترل بسیار مقاوم که به سرعت به شرایط اتصال کوتاه و اضافه بار پاسخ می دهد منجر می شود.

یک سیگنال ساعت پالسهای قدرت را در فرکانس ثابت راه اندازی می کند.

هر پالس ساعت زمانی به پایان می رسد که یک مقدار آنالوگ از جریان سلف مقدار آستانه مشخص شده به وسیله سیگنال خطا برسد.

در این روش سیگنال خطا عملا پیک جریان سلف را کنترل می کند.

این امر با طرحهای متداول که در آن سیگنال خطا بدون در نظر گرفتن جریان سلف مستقیما پهنای پالس را کنترل می کنند، متفاوت است.

کاربرد کنترل حالت جریان چندین مزیت عملی را به دنبال دارد.

اول آنکه یک مشخصه پیش خورد برای ولتاژ ورودی ایجاد می شود، یعنی اینکه مدار کنترل بدون استفاده از محدوده دینامیک تقویت کننده های خطا تغییرات ولتاژ ورودی را اصلاح می کند.

بنابراین تنظیم ولتاژ خط (Line regulation) عالی می باشد و تقویت کننده خطا را می توان منحصرا برای اصلاح تغییرات بار بکار برد.

برای مبدلهایی که در آنها جریان سلف پیوسته است، کنترل پیک جریان تقریبا معادل کنترل متوسط جریان می باشد.

بنابراین هنگامی که چنین مبدلهایی کنترل حالت جریان را به کار می برند، سلف می تواند به عنوان یک منبع جریان کنترل شده با ولتاژ خطا برای تجزیه و تحلیل سیگنال کوچک بکار رود.

کنترل دو قطبی برای پاسخ فرکانسی خروجی این مبدلها به کنترل تک قطبی کاهش می یابد.

3 قطعات یک منبع تغذیه سوئیچینگ مهمترین قطعاتی که در یک منبع تغذیه سوئیچینگ بکار می رونند،ترانزیستورهای سرعت بالا و یا کلیدزنی، MOSFETهای قدرت سوئیچینگ، سلف و سیم پیچ و خازنهای فرکانسی باکیفیت می باشند.

در زیر به توضیح خصوصیات هر یک از آنها پرداخته می شود.

1-3: هسته و سیم پیچ انرژی فقط هنگام هدایت ترانزیستور کلید زنی ذخیره می شود.

مقدار انرژی، میزان قدرت خروجی SMPS را تعیین می کند.

برای افزایش انرژی، باید جریان بالایی به اندوکتانسی بزرگ تزریق شود.

اندوکتانس L ، نسبت شار بر آمپر می باشد.

بنابراین انرژی ذخیره شده در یک کلاف برابر است با: L اندوکتانس کلاف بر حسب هانری ، شار کلاف بر حسب وبر و I جریان بر حسب آمپر است.

شار به وسیله هسته مغناطیسی کلاف نگهداری می شود.

جنس هسته معمولا از فریت است تا بتواند با فرکانسهایی که در SMPS به کار می رود، کار نماید.

فرکانسهای حدود 15KHz در این منابع بکار می روند.

با افزایش فرکانس ، تلفات هیسترزیس هسته مغناطیسی افزایش می یابد.

در فرکانسهای پایین (زیر 10KHz) استفاده از منبع سوئیچینگ سودمند نیست.

اندازه هسته رابطه معکوس با فرکانس کار دارد.

در حال حاضر، KEPCO در آمریکا، حتی واحدهای SMPS با فرکانس کار 300KHz را که از موارد فریت مخصوص برای هسته استفاده می کند، تولید می نماید.

اندازه هسته، مقدار شاری که می توان نگهداری نمود، تعیین می نماید.

چگالی شار برابر میزان شار در واحد سطح می باشد.

هسته های فریت می توانند تا 0.4-0.35 تسلا شار را زیر نقطه اشباع نگهداری کنن.

هسته نباید در اثر عبور جریان مستقیم زیاد، به اشباع برود و بهتر است زیر نقطه اشباع کار نماید.

هسته های فریت چند نوعند: cup core , pot core , E-I , double-E و doule limb ساده که در تلویزیونها به کار می رود.

اشباع هسته فریت بر خلاف هسته های آهن در یک چگالی شار ثابت انجام نمی گیرد.

لازم است هسته فریت زیر نقطه اشباع کار نماید، و برای جلوگیری از اشباع، شکاف هوایی پیوندهای هسته باید کاملا نازک باشد.

شکاف هوایی زیاد، تعداد دور سیم را برای داشتن اندوکتانس مورد نظر افزایش می دهد و سبب زیاد شدن تلفات مسی می گردد.

2-3: ترانزیستور کاربرد نیمه هادی ها نقش بسیار بزرگی در قابلیت تحمل مدارات تغذیه سوئیچینگ برعهده دارد.

در حالت سوئیچینگ ترانزیستوها در خالت اشباع یا نزدیک آن کار می کنند.

در این حالت مقدار حداقل مقدار خود را خواهد داشت و در نتیجه تلفات به حداقل خواهد رسد.لذا طراح باید بدترین حالت یعنی در سلف حداقل و حداکثر جریان کلکتور را در نظر بگیرد.

عوامل موثر در این جریان: امپدانس موثر دیده شده از سوی کلکتور، ولتاژ ورودی حداکثر دوره هدایت و بار می باشد.

در صورتی که از کوپلاژ ترانسفورماتوری استفاده شود تلفات مذکور کاهش قابل ملاحضه ای پیدا می کند.

اشکال اینکار افزایش زیاد زمان خاموش سازی ترانزیستور در رابطه با فرو رفتن در حالت هدایت فوق العاده است.

اشکالات عمده ترانزیستور های دو قطبی: شکست بهمنی، همگامی که ترانزیستور خاموش است و یک موج ولتاژ فوق العاده به پیوند کلکتور بیس می رسد، رخ می دهد.

پدیده شایع تر و پیچیده تر، پدیده شکست ثانویه و ازدحام جریان است.

این در طی پروسه روشن و خاموش سازی رخ کی دهند.

و اینها پدیده های وابسته به ولتاژ هستند هنگامی که جرین جاری است و ولتاژ نسبتا زیادی بین کلکتور و امیتر وجود دارد رخ میدهد.

و این به تلفات لحظه ای نسبتا زیادی که به صورت یکنواخت هم توزیع نشده منجر می شود.

یکی از عواملی که ترانزیستور را به نواحی غیر مجاز کاری وارد می کند Snubbing است که در ادامه مورد بحث قرار می گیرد.

سرعت سوئیچ اثر مستقیمی در تلفات سوئیچ دارد و این تلفات رابطه مستقیمی با فرکانس کاری مدار دارد.

تلفات سوئیچینگ از جریان کلکتور به امیتر هنگامی که Vcc از اشباع به قطع می رود (یا برعکس) نشات می گیرد، در این زمان جریان بار کلکتور به جهت خاصیت القایی بار کماکان جاری است.

که به تلفات قابل توجهی متناسب با فرکانس کاری منتهی می شود.

در این حالت بهتر است به بیس به عنوان خازن کوچکی بین پایه بیس و امیتر نگاه شود، سرعت شارژ و ئشارژ شدن این خازن تعیین کننده فرکانس کاری بین قطع و اشباع است.

وجود این خازن طرح را کمی پیچیده می کند.

یک خازن به مقدار 200pF تا 50nF به موازات مقاومت بیس نصب می شود.

این خازن سرعت دهنده ، که انباره نامیده می شود شارژ و دشارژ خازن بیس را سرعت می دهد.

ای ن خازن عملا یک ولتاژ منفی در بیس هنگام خاموش کردن ترانزیستور ایجاد می کند.

و اثرات ازدحام جریان را می کاهد.

به علاوه ولتاژ بیس امیتر را در طی خاموش کردن منفی می کند.

نکته دیگر که باید در انتخاب ترانزیستور دقت شود، سرعت کلیدزنی و یا فرکانس کار آن می باشد و زمان کلیدزنی ترانزیستورها باید بسیار کوچک (کمتر از ) باشد.

این زمان شامل تاخیر در روشن شدن، صعود و زمان نزول جریان می باشد.

در غیر این صورت ترانزیستور زمان کافی برای پاسخ گویی به پالس های اعمالی از مدار کنترل نخواهد داشت در نتیجه علاوه بر کاهش کیفیت خروجی باعث افزایش بسیار شدید تلفات در ترانزیستور می شود.

3-3: MOSFET های قدرت MOSFET های قدرت به عنوان سوئیچ های سریع شناخته شده اند.

تکنولوژی MOSFET های قدرت امروزه خیلی توسعه یافته است و تقریبا بیش از ده هابار سریعتر از سوئیچ های BJT هستند.

به علاوه ولتاژ اشباع در مقایسه با ترانزیستور های دو قطبی خیلی کمتر است که همه اینها MOSFET های قدرت را برای اغلب کارها بهترین انتخاب کرده است.

MOSFET های قدرت اجزا هدایت شونده با ولتاژ گیت هستند و جریان متوسط خیلی کمتری در مقایسه با BJTها نیاز دارند.

برای اغلب MOSFET ها ولتاژ هدایت گیت باید برای اشباع درین به سورس به 10V برسد.

که این خود در مقایسه با مربوط به BJTهاکه 0.7V است یک مزیت محسوب می شود از این جهت که نیاز به کاهش ولتاژ و تلفات ناخواسته نمی باشد.

گیت در یک MOSFET مانند خازنبژی با ظرفیت 900pF تا 2000pF رفتار می کند.

در حالت DC جریان چند نانو آمپری برای کار و اشباع کافی است ولی در حالت عملکرد AC جریان به طرز قابل ملاحظه ای افزایش می یابد و این بدان معناست که مدار راه انداز باید امپدانس خیلی کوچکی داشته باشد.

یک راه انداز خوب برای 30 تا به راحتی کار می کند.

در بعضی موارد شاید نیاز به کاهش سرعت سوئیچ باشد این کار با افزودن یک مقاومت سری به گیت انجام می شود.

که این کار توانایی کنترل بهتری را به طراح می دهد.

توصیه نمی شود که دوره کار طولانی تر از انتخاب شود.

ساختار فیزیکی MOSFETها آنها را برای مقاصد سوئیچینگ ایده آل کرده است.

نخستین آسودگی طراح آن است که آنها با مشکل شکست ثانویه و ازدحام جریان روبرو نیستند ولی تلفات سوئیچینگ کماکان قطعه را گرم می کند.

توزیع جریان الگوی خاص خود را دارد .

MOSFET های قدرت قطعاتی با نواحی کاری ایمن مستقیم و معکوس CSOA و RBSOA هستند.

امپدانس هدایت نباید از 200 اهم تجاوز کند که نه تنها برای سوئیچینگ سریع بلکه برایی شارژ کافیخازن میلر لازم است.

که به رغم مقدار کم ولتاژ خیلی زیاد روی آن می افتد.

هنگامی که سوئیچ فوق با سرعت خاموش و روشن می شود خازن فوق با امپدانس کم عملا ولتاژ را از درین به گیت انتقال می دهد.

این امر در مدارهای با امپدانس درین بالا عملا مدار را به یک نوسان ساز تبدیل می کند ولی به صورت آشکار تلفات MOSFET را نمی افزاید.

نقاط ضعف MOSFET های قدرت: شکست بهمنی: این پدیده هنگامی رخ می دهد که ولتاژ درین به سورس از حداکثر ولتاژ قابل تحمل در حالت خاموش و یا خاموش سازی تجاوز کند.

خاموش سازی دیودهای ذاتی: بهضی تولیدکنندگان MOSFET های قدرت خود را مجبور به رعایت نرخهای جریان و سرعت مطابق MOSFET برای دیود ذاتی نمی دانند لذا با عبور جریان از داخل دیود چند اتفاق می افتد.

نخست آنکه سهمی از توان تلفاتی را به خود اختصاص می دهد و دیگر آنکه زمان طولانی برای روشن و خاموش شدن نیاز دارد.

این عمل ساده در MOSFETها می تواند به مصرف توان اضافی منجر شود.

دیودهای با زمان احیای معکوس طولانی ممکن است تا روشن شدن ترانزیستور روشن باقی بمانند و جریان معکوس بالایی را به راه بیندازند اتصال کوتاه مجازی بین تغذیه و زمین ایجاد کند و به طور ناگهانی سبب سوختن MOSFET شود این حالت در آرایش نیمه پل رخ می دهد.

راه حل اضافه کردن دو دیود فوق سریع یکی با درین و دیگری به موازات MOSFET است دیودها مانع عبور جریان از دیود ذاتی می شوند.