۶ مهارت طراحی منبع تغذیه را به شما آموزش می دهد

۶ مهارت طراحی منبع تغذیه را به شما آموزش می دهد

01 تقویت کننده مغناطیسی فریت در منبع تغذیه Flyback

برای منبع تغذیه دوگانه خروجی فلای بک با توان واقعی در هر دو خروجی (5 ولت 2 آمپر و 12 ولت 3 آمپر، هر دو با 5 ± درصد تنظیم می شوند)، هنگامی که ولتاژ به 12 ولت می رسد، به حالت بار صفر می رود و نمی تواند در محدوده 5 درصد تنظیم شود. تنظیم کننده خطی یک راه حل مناسب است، اما به دلیل هزینه بالا و از دست دادن کارایی، هنوز ایده آل نیست.

راه حل پیشنهادی ما استفاده از تقویت کننده مغناطیسی در خروجی 12 ولت است، حتی می توان از توپولوژی فلای بک استفاده کرد. برای کاهش هزینه، استفاده از تقویت کننده مغناطیسی فریت توصیه می شود. با این حال، مدار کنترل تقویت کننده مغناطیسی فریت با مواد حلقه هیسترزیس مستطیلی سنتی (مواد با نفوذپذیری مغناطیسی بالا) متفاوت است. مدار کنترل فریت (D1 و Q1) جریان را کاهش می دهد تا قدرت را در خروجی حفظ کند. این مدار به طور کامل تست شده است. سیم پیچ ترانسفورماتور برای خروجی 5 ولت و 13 ولت طراحی شده است. مدار حتی می‌تواند به توان ورودی زیر{5} وات (5 ولت 300 میلی‌وات و 12 ولت بار صفر) دست یابد و در عین حال به تنظیم 5± درصد خروجی 12 ولت دست یابد.

02 از مدار خمپاره قوس موجود برای ایجاد حفاظت در برابر جریان اضافه استفاده کنید

منابع 5 ولت 2 آمپر و 12 ولت 3 آمپر فلای بک را در نظر بگیرید. یکی از مشخصات کلیدی این منبع تغذیه، محافظت بیش از حد (OPP) بر روی خروجی 5 ولت در زمانی که خروجی 12 ولت به حالت بدون بار یا بار بسیار سبک می رسد است. هر دو خروجی نیاز به تنظیم ولتاژ 5± درصد دارند.

برای راه حل های رایج، استفاده از مقاومت های حسی عملکرد تنظیم متقابل را کاهش می دهد و فیوزها گران هستند. با این حال، مدارهای خراش برای حفاظت از اضافه ولتاژ (OVP) در حال حاضر در دسترس هستند. این مدار قادر است هم الزامات OPP و هم الزامات تنظیم ولتاژ را برآورده کند، که با استفاده از یک مدار قوس الکتریکی جزئی قابل دستیابی است.

R1 و VR1 یک پیش بار فعال را در خروجی 12 ولت تشکیل می دهند که اجازه تنظیم 12 ولت را در زمانی که خروجی 12 ولت کمی بارگذاری می شود، می دهد. هنگامی که خروجی 5 ولت در شرایط اضافه بار باشد، ولتاژ خروجی 5 ولت کاهش می یابد. بارهای ساختگی جریان زیادی را می کشند. برای حس کردن این جریان بزرگ می توان از افت ولتاژ در R1 استفاده کرد. Q1 روشن می شود و مدار OPP را راه اندازی می کند.

03 تنظیم کننده فعال شنت و پیش بارگذاری

Flyback در حال حاضر محبوب ترین توپولوژی در زمینه سوئیچینگ محصولات منبع تغذیه از ولتاژ خط AC به ولتاژ پایین DC است. دلیل اصلی این امر مقرون به صرفه بودن منحصر به فرد ارائه ولتاژهای خروجی متعدد با افزودن سیم پیچ اضافی به ترانسفورماتور ثانویه است.

به طور معمول، بازخورد از خروجی با سخت ترین شرایط تحمل خروجی می آید. سپس این خروجی چرخش در هر ولت را برای سایر سیم پیچ های ثانویه تعیین می کند. به دلیل اثرات اندوکتانس نشتی، خروجی ها همیشه نمی توانند به تنظیم متقاطع ولتاژ خروجی مطلوب دست یابند، به خصوص اگر یک خروجی معین ممکن است تخلیه یا بارگذاری بسیار کمی داشته باشد زیرا سایر خروجی ها کاملاً بارگذاری شده اند.

برای جلوگیری از افزایش ولتاژ در خروجی در چنین شرایطی می توان از یک بار پس تنظیم کننده یا ساختگی استفاده کرد. با این حال، به دلیل افزایش هزینه و کاهش راندمان بارهای پست تنظیم کننده یا بارهای ساختگی، آنها به اندازه کافی جذاب نبوده اند، به خصوص در سال های اخیر برای مصرف برق ورودی بدون بار و/یا آماده به کار در بسیاری از کاربردهای مصرف کننده. تحت شرایط الزامات نظارتی سختگیرانه فزاینده، این طرح شروع به نادیده گرفتن شد. تنظیم کننده شنت فعال نشان داده شده در شکل 3 نه تنها مشکل تنظیم ولتاژ را حل می کند، بلکه تاثیر هزینه و کارایی را نیز به حداقل می رساند.

مدار به صورت زیر عمل می کند: هنگامی که هر دو خروجی در حالت تنظیم هستند، تقسیم کننده مقاومت R14 و R13 بایاس ترانزیستور Q5، که Q4 و Q1 را خاموش نگه می دارد. تحت این شرایط عملیاتی، جریان عبوری Q5 به عنوان یک پیش بار کوچک روی خروجی 5 ولت عمل می کند.

تفاوت استاندارد بین خروجی 5 ولت و خروجی 3.3 ولت 1.7 ولت است. هنگامی که بار نیاز به جریان اضافی از خروجی 3.3 ولت بدون افزایش برابر در جریان بار از خروجی 5 ولت داشته باشد، ولتاژ خروجی نسبت به خروجی 3.3 ولت افزایش می یابد. با اختلاف ولتاژ بیش از 100 میلی ولت، Q5 بایاس می شود، Q4 و Q1 را روشن می کند و اجازه می دهد جریان از خروجی 5 ولت به خروجی 3.3 ولت جریان یابد. این جریان ولتاژ را در خروجی 5 ولت کاهش می دهد و اختلاف ولتاژ بین دو خروجی را کاهش می دهد.

مقدار جریان در Q1 با اختلاف ولتاژ در دو خروجی تعیین می شود. بنابراین، مدار می‌تواند هر دو خروجی را بدون در نظر گرفتن بارگذاری آنها تنظیم کند، حتی در بدترین حالت که خروجی 3.3 ولت به طور کامل بارگذاری شده و خروجی 5 ولت تخلیه شود. Q5 و Q4 در طراحی، جبران دما را فراهم می کنند زیرا تغییرات دمای VBE در هر ترانزیستور یکدیگر را خنثی می کنند. دیودهای D8 و D9 مورد نیاز نیستند، اما می توان از آنها برای کاهش اتلاف انرژی در Q1 استفاده کرد و نیاز به افزودن هیت سینک به طراحی را از بین برد.

مدار فقط به اختلاف نسبی بین دو ولتاژ پاسخ می دهد و در شرایط بار کامل و سبک تا حد زیادی غیر فعال است. از آنجایی که تنظیم کننده شنت از خروجی 5 ولت به خروجی 3.3 ولت متصل است، مدار می تواند اتلاف فعال را تا 66 درصد در مقایسه با یک تنظیم کننده شنت زمینی کاهش دهد. نتیجه کارایی بالا در بار کامل و مصرف انرژی کم از بار سبک تا بدون بار است.

04 منبع تغذیه سوئیچینگ ورودی ولتاژ بالا با استفاده از StackFET

تجهیزات صنعتی که در سه فاز AC کار می کنند اغلب به یک مرحله برق کمکی نیاز دارند که می تواند DC ولتاژ پایین تنظیم شده را برای مدارهای آنالوگ و دیجیتال فراهم کند. نمونه هایی از این کاربردها عبارتند از درایوهای صنعتی، سیستم های UPS و کنتورهای انرژی.

مشخصات این نوع منبع تغذیه بسیار سخت تر از مشخصات مورد نیاز برای کلیدهای استاندارد خارج از قفسه است. نه تنها ولتاژهای ورودی در این کاربردها بیشتر است، بلکه تجهیزات طراحی شده برای کاربردهای سه فاز در محیط‌های صنعتی نیز باید نوسانات بسیار گسترده‌ای را تحمل کنند - از جمله زمان‌های شیب طولانی، نوسانات برق و از دست دادن گاه به گاه یک یا چند فاز. همچنین محدوده ولتاژ ورودی مشخص شده برای این منابع کمکی می تواند از 57 VAC تا 580 VAC باشد.

طراحی چنین منبع تغذیه سوئیچینگ برد وسیعی می تواند یک چالش باشد، عمدتاً به دلیل هزینه بالای ماسفت های ولتاژ بالا و محدودیت دامنه دینامیکی حلقه های کنترل PWM سنتی. فناوری StackFET ترکیبی از ماسفت‌های ولتاژ پایین 600 ولتی ارزان قیمت و کنترل‌کننده‌های منبع تغذیه یکپارچه از Power Integrations را امکان‌پذیر می‌سازد، که امکان طراحی ساده و ارزان منابع تغذیه سوئیچینگ با قابلیت کارکرد در محدوده وسیع ولتاژ ورودی را فراهم می‌کند.

مدار به صورت زیر عمل می کند: جریان در ورودی مدار می تواند از یک سیستم سه فاز سه سیمه یا چهار سیمه و یا حتی از یک سیستم تک فاز باشد. یکسو کننده سه فاز از دیودهای D1-D8 تشکیل شده است. مقاومت‌های R1-R4 محدودیت‌های جریان هجومی را فراهم می‌کنند. در صورت استفاده از مقاومت‌های ذوب‌پذیر، می‌توان این مقاومت‌ها را در هنگام خطا بدون نیاز به فیوز جداگانه جدا کرد. فیلتر پی از C5، C6، C7، C8 و L1 تشکیل شده است تا ولتاژ DC یکسو شده را فیلتر کند.

از مقاومت های R13 و R15 برای متعادل کردن ولتاژ بین خازن های فیلتر ورودی استفاده می شود. هنگامی که ماسفت داخل سوئیچ یکپارچه (U1) روشن می شود، منبع Q1 پایین کشیده می شود، R6، R7 و R8 جریان گیت را ارائه می دهند و ظرفیت اتصال از VR1 به VR3 Q1 را روشن می کند. دیود زنر VR4 برای محدود کردن ولتاژ منبع گیت اعمال شده به Q1 استفاده می شود. هنگامی که ماسفت در U1 خاموش است، حداکثر ولتاژ تخلیه U1 توسط یک شبکه گیره 450 ولتی متشکل از VR1، VR2 و VR3 بسته می شود. این ولتاژ تخلیه U1 را به تقریباً 450 ولت محدود می کند.

هر ولتاژ اضافی در انتهای سیم پیچ متصل به Q1 به Q1 اعمال می شود. این طرح به طور موثر کل ولتاژ DC ورودی اصلاح شده و ولتاژ برگشتی را بین Q1 و U1 توزیع می کند. از مقاومت R9 برای محدود کردن نوسانات فرکانس بالا در هنگام سوئیچینگ استفاده می شود و شبکه گیره VR5، D9 و R10 برای محدود کردن پیک ولتاژ در اصلی به دلیل اندوکتانس نشتی در بازه فلای بک استفاده می شود.

تصحیح خروجی توسط D1 ارائه می شود. C2 فیلتر خروجی است. L2 و C3 یک فیلتر ثانویه را برای کاهش امواج سوئیچینگ در خروجی تشکیل می دهند.

VR6 زمانی روشن می شود که ولتاژ خروجی از کل افت ولتاژ در دیود اپتوکوپلر و VR6 بیشتر شود. تغییر در ولتاژ خروجی باعث تغییر در جریان جریان از طریق دیود اپتوکوپلر در U2 می شود که به نوبه خود باعث تغییر جریان از طریق ترانزیستور در U2B می شود. وقتی این جریان از جریان آستانه پین ​​FB U1 تجاوز کند، چرخه بعدی مهار می شود. تنظیم خروجی را می توان با کنترل تعداد چرخه های فعال و غیرفعال به دست آورد. هنگامی که یک چرخه سوئیچینگ روشن می شود، زمانی که جریان به حد مجاز داخلی U1 برسد، چرخه به پایان می رسد. R11 برای محدود کردن جریان عبوری از اپتوکوپلر در طول بارهای گذرا و تنظیم بهره حلقه فیدبک استفاده می شود. مقاومت R12 برای بایاس دیود زنر VR6 استفاده می شود.

آی سی U1 (LNK 304) دارای عملکردهای داخلی است به طوری که مدار در برابر از دست دادن سیگنال بازخورد، اتصال کوتاه در خروجی و اضافه بار محافظت می شود. از آنجایی که U1 مستقیماً از پایه DRAIN تغذیه می شود، نیازی به سیم پیچی اضافی روی ترانسفورماتور نیست. C4 برای ارائه جداسازی داخلی عرضه می شود.

05 انتخاب خوب دیودهای یکسو کننده می تواند هزینه مدارهای فیلتر EMI را در مبدل های AC/DC ساده و کاهش دهد.

این مدار می تواند هزینه مدارهای فیلتر EMI را در مبدل های AC/DC ساده و کاهش دهد. برای اینکه منبع تغذیه AC/DC مطابق با EMI باشد، نیاز به استفاده از تعداد زیادی از اجزای فیلتر EMI مانند خازن های X و Y است. مدارهای ورودی استاندارد برای منابع تغذیه AC/DC شامل یکسوساز پل برای اصلاح ولتاژ ورودی (معمولاً 50-60 هرتز) است. از آنجایی که این ولتاژ ورودی AC با فرکانس پایین است، می توان از دیودهای استاندارد مانند دیودهای سری 1N400X استفاده کرد، همچنین به این دلیل که این ولتاژها کم هزینه هستند.

این دستگاه های فیلتر برای کاهش EMI تولید شده توسط منبع تغذیه برای مطابقت با محدودیت های منتشر شده EMI استفاده می شوند. با این حال، از آنجایی که اندازه‌گیری‌های مورد استفاده برای ثبت EMI فقط در 150 کیلوهرتز شروع می‌شوند، و فرکانس ولتاژ خط AC تنها 50 یا 60 هرتز است، زمان بازیابی معکوس دیودهای استاندارد (به شکل 5-1) مورد استفاده در یکسو کننده‌های پل است. نسبتا کند طولانی است و معمولاً مستقیماً به تولید EMI مربوط نمی شود.

با این حال، مدارهای فیلتر ورودی در گذشته گاهی اوقات خازن هایی را به موازات یکسوساز پل برای سرکوب هر گونه موج فرکانس بالا ناشی از یکسوسازی ولتاژ ورودی فرکانس پایین قرار می دادند.

در صورت استفاده از دیودهای بازیابی سریع در یکسو کننده پل، به این خازن ها نیازی نیست. هنگامی که ولتاژ در این دیودها شروع به معکوس شدن می کند، آنها خیلی سریع بهبود می یابند (شکل 5-2 را ببینید). این امر باعث کاهش تحریک القایی خط سرگردان در خط ورودی AC با کاهش قطع‌های خاموش فرکانس بالا و EMI می‌شود. از آنجایی که 2 دیود می توانند هر نیم سیکل را انجام دهند، تنها 2 دیود از 4 دیود باید از نوع بازیابی سریع باشند. به همین ترتیب، تنها یکی از دو دیودی که هر نیم سیکل را هدایت می‌کنند باید ویژگی بازیابی سریع داشته باشد.

شکل موج ولتاژ ورودی و جریان، ضربه دیود را در پایان بازیابی معکوس نشان می دهد.

06 از Soft-Start برای غیرفعال کردن خروجی های کم هزینه برای جلوگیری از اسپک های فعلی استفاده کنید

برای برآورده کردن مشخصات دقیق برق آماده به کار، برخی از منابع تغذیه خروجی چندگانه طراحی شده اند تا زمانی که سیگنال آماده به کار فعال است، خروجی را قطع کنند.

به طور معمول، این کار با خاموش کردن یک ترانزیستور دوقطبی بای پس سری (BJT) یا ماسفت انجام می شود. اگر ترانسفورماتور قدرت با در نظر گرفتن افت ولتاژ اضافی در ترانزیستورها طراحی شود، برای خروجی های جریان کم، BJT ها می توانند جایگزین مناسب و کم هزینه تر برای ماسفت ها باشند.