اصل کار منبع تغذیه سوئیچینگ + تجزیه و تحلیل نمودار مدار

1. مروری بر منبع تغذیه سوئیچینگ

منبع تغذیه سوئیچینگیک دستگاه تبدیل انرژی الکتریکی با فرکانس بالا است که به عنوان منبع تغذیه سوئیچینگ یا مبدل سوئیچینگ نیز شناخته می شود. ولتاژ ورودی را از طریق یک لوله سوئیچینگ با سرعت بالا به سیگنال پالس فرکانس بالا تبدیل می کند و سپس انرژی الکتریکی را از طریق پردازش انرژی الکتریکی از شکلی به شکل دیگر تبدیل می کند.ترانسفورماتورمدار یکسو کننده و مدار فیلتر و در نهایت یک ولتاژ DC ریپل کم پایدار برای منبع تغذیه بدست می آورد.

منبع تغذیه سوئیچینگ دارای مزایای راندمان بالا، پایداری خوب، اندازه کوچک، وزن سبک، قابلیت اطمینان بالا است و می تواند با نیازهای برق تجهیزات مختلف سازگار شود.

منبع تغذیه سوئیچینگ به طور گسترده در زمینه های مختلف از جمله اتوماسیون صنعتی، ارتباطات و انرژی های نو استفاده شده است. در زمینه اتوماسیون صنعتی، منبع تغذیه سوئیچینگ پشتیبانی توان پایداری را برای تجهیزات مختلف اتوماسیون فراهم می کند تا از عملکرد کارآمد و پایدار تجهیزات اطمینان حاصل شود.

در زمینه ارتباطات، منبع تغذیه سوئیچینگ به طور گسترده در ایستگاه های پایه بی سیم، تجهیزات شبکه و غیره برای اطمینان از ثبات انتقال سیگنال سیستم ارتباطی و بهبود کیفیت ارتباط استفاده می شود. در زمینه انرژی های نو، منبع تغذیه سوئیچینگ نقش کلیدی در سیستم های انرژی خورشیدی و بادی ایفا می کند و به استفاده موثر از انرژی های تجدیدپذیر کمک می کند.

منبع تغذیه سوئیچینگ تقریباً از چهار جزء اصلی تشکیل شده است: مدار ورودی، مبدل، مدار کنترل و مدار خروجی. زیر یک نمودار بلوک شماتیک منبع تغذیه سوئیچینگ است، تسلط بر آن برای ما مهم است که منبع تغذیه سوئیچینگ را درک کنیم.

2. طبقه بندی منابع تغذیه سوئیچینگ

منابع تغذیه سوئیچینگ را می توان بر اساس استانداردهای طبقه بندی مختلف طبقه بندی کرد. در زیر چندین روش طبقه بندی رایج وجود دارد:

1. طبقه بندی بر اساس نوع توان ورودی:
منبع تغذیه سوئیچینگ AC-DC: برق AC را به برق DC تبدیل می کند.
منبع تغذیه سوئیچینگ DC-DC: برق DC را به ولتاژ DC دیگری تبدیل می کند.

2. طبقه بندی بر اساس حالت کار:
منبع تغذیه سوئیچینگ تک سر: دارای تنها یک لوله سوئیچ، مناسب برای کاربردهای کم مصرف.
منبع تغذیه سوئیچینگ دو سر: دارای دو لوله سوئیچ، مناسب برای کاربردهای پرقدرت.

3. طبقه بندی بر اساس توپولوژی:
با توجه به توپولوژی، می توان آن را به طور تقریبی به Buck، Boost، Buck-Boost، Flyback، Forward، Two-Transistor Forward، Push-Pull، Half Bridge، Full Bridge و غیره تقسیم کرد که این روش های طبقه بندی تنها بخشی از آنهاست. منابع تغذیه سوئیچینگ را نیز می توان با جزئیات بیشتری با توجه به سایر الزامات و کاربردهای خاص طبقه بندی کرد.

در ادامه به معرفی Flyback و Forward متداول می‌پردازیم. فوروارد و فلایبک دو فناوری مختلف منبع تغذیه سوئیچینگ هستند. منبع تغذیه سوئیچینگ فوروارد به منبع تغذیه سوئیچینگ اطلاق می شود که از یک ترانسفورماتور فرکانس بالا برای جداسازی انرژی جفت شده استفاده می کند و منبع تغذیه سوئیچینگ فلای بک مربوطه یک منبع تغذیه سوئیچینگ فلایبک است.

2.1 منبع تغذیه سوئیچینگ جلو

منبع تغذیه سوئیچینگ رو به جلو در ساختار پیچیده تر است، اما قدرت خروجی بسیار بالا است، مناسب برای منبع تغذیه سوئیچینگ 100W-300W، به طور کلی در منبع تغذیه سوئیچینگ با ولتاژ پایین، جریان بالا، به طور گسترده استفاده می شود.

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، برای منبع تغذیه سوئیچینگ رو به جلو به طور خاص زمانی که لوله سوئیچینگ روشن است، ترانسفورماتور خروجی به عنوان یک رسانه عمل می کند که مستقیماً به انرژی میدان مغناطیسی، انرژی الکتریکی و انرژی مغناطیسی متصل می شود، به طوری که ورودی و خروجی همزمان

همچنین در کاربرد روزانه کاستی هایی وجود دارد: مانند نیاز به افزایش سیم پیچ پتانسیل معکوس (برای جلوگیری از سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور تولید شده توسط پتانسیل معکوس به خرابی لوله سوئیچینگ)، بیش از یک سلف ثانویه برای فیلتر ذخیره انرژی، بنابراین در مقایسه با منبع تغذیه سوئیچینگ فلای بک، هزینه آن بالاتر است و حجم ترانسفورماتور منبع تغذیه سوئیچینگ رو به جلو از حجم ترانسفورماتور منبع تغذیه سوئیچینگ فلای بک بزرگتر است.

منبع تغذیه سوئیچینگ رو به جلو

2.2 منبع تغذیه سوئیچینگ Flyback

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، منبع تغذیه سوئیچینگ فلای بک به منبع تغذیه سوئیچ اطلاق می شود که از یک ترانسفورماتور فرکانس بالا برای جداسازی مدارهای ورودی و خروجی استفاده می کند. ترانسفورماتور آن نه تنها نقش تبدیل ولتاژ برای انتقال انرژی را ایفا می کند، بلکه نقش سلف ذخیره انرژی را نیز ایفا می کند. بنابراین، ترانسفورماتور فلایبک شبیه به طراحی یک سلف است. همه مدارها نسبتا ساده هستند و کنترل آنها آسان است. Flyback به طور گسترده در برنامه های کم مصرف 5W-100W استفاده می شود.

برای منبع تغذیه سوئیچینگ فلایبک، هنگامی که لوله سوئیچ روشن می شود، جریان سلف اولیه ترانسفورماتور افزایش می یابد. از آنجایی که سیم پیچ خروجی مدار فلای بک دارای انتهای مخالف است، دیود خروجی خاموش می شود، ترانسفورماتور انرژی را ذخیره می کند و بار توسط خازن خروجی با انرژی تامین می شود. هنگامی که لوله سوئیچ خاموش می شود، ولتاژ القایی سلف اولیه ترانسفورماتور معکوس می شود. در این زمان، دیود خروجی روشن می شود و انرژی ترانسفورماتور از طریق دیود به بار می رسد، در حالی که خازن را شارژ می کند.

منبع تغذیه سوئیچینگ فلای بک

از مقایسه می توان دریافت که ترانسفورماتور تحریک رو به جلو فقط عملکرد ترانسفورماتور را دارد و کل را می توان به عنوان یک مدار باک با ترانسفورماتور در نظر گرفت. ترانسفورماتور فلای بک را می توان به عنوان یک سلف با عملکرد ترانسفورماتور در نظر گرفت، یک مدار باک بوست است. به طور کلی، اصل کار فلایبک رو به جلو متفاوت است، کار ثانویه کار اولیه به جلو است، ثانویه با یک سلف جریان برای تجدید جریان، به طور کلی حالت CCM کار نمی کند.

ضریب توان به طور کلی زیاد نیست و ورودی و خروجی و چرخه وظیفه متغیر متناسب است. Flyback کار اولیه است، ثانویه کار نمی کند، دو طرف به طور مستقل، به طور کلی حالت DCM، اما اندوکتانس ترانسفورماتور نسبتا کوچک خواهد بود، و نیاز به اضافه کردن شکاف هوا، بنابراین معمولا برای قدرت کوچک و متوسط ​​مناسب است.

ترانسفورماتور رو به جلو ایده آل است، بدون ذخیره انرژی، اما از آنجا که اندوکتانس تحریک یک مقدار محدود است، جریان تحریک باعث می شود که هسته بزرگ باشد، به منظور جلوگیری از اشباع شار، ترانسفورماتور به سیم پیچ کمکی برای تنظیم مجدد شار نیاز دارد.

ترانسفورماتور فلای بک را می توان به عنوان شکلی از اندوکتانس جفت شده، اندوکتانس اول ذخیره انرژی و سپس تخلیه، به دلیل ولتاژ ورودی و خروجی ترانسفورماتور فلای بک با قطبیت مخالف مشاهده کرد، بنابراین هنگامی که لوله سوئیچینگ قطع می شود، ثانویه می تواند تامین کند.هسته مغناطیسیبا یک ولتاژ تنظیم مجدد، و بنابراین ترانسفورماتور فلای بک نیازی به اضافه کردن سیم پیچ تنظیم مجدد شار اضافی ندارد.