قسمتی از متن پایان نامه منابع تغذیه سوئیچینگ
چکیده :
کلیه مدارات الکترونیکی نیاز به منبع تغذیه دارند. برای مدارات با کاربرد کم قدرت از باطری یا سلولهای خورشیدی استفاده می شود. منبع تغذیه به عنوان منبع انرژی دهنده به مدار مورد استفاده قرار می‌گیرد. حدود 20 سال است که سیستم هایی پر قدرت جای خود راحتی در مصارف خانگی هم باز کرده اند و این به دلیل معرفی سیستمهای جدید برای تغذیه مدارات قدرت است.
این منابع تغذیه کاملاً خطی عمل می نمایند. این نوع منابع را منابع تغذیه سوئیچینگ می نامند. این اسم از نوع عملکرد این سیستمها گرفته شده است. به این منابع تغذیه اختصاراً SMPS نیز می گویند. این حروف برگرفته از نام لاتین Switched Mode Power Supplies است.
راندمان SMPS بصورت نوعی بین 80% الی 90% است که 30% تا 40% آنها در نواحی خطی کار می کنند. خنک کننده های بزرگ که منابع تغذیه گلوله قدیمی از آنها استفاده می کردند، در SMPS ها دیگر به چشم نمی خورند و این باعث شده که از این منابع تغذیه بتوان در توانهای خیلی بالا نیز استفاده کرد.
در فرکانسهای بالای کلیدزنی از یک ترانزیستور جهت کنترل سطح ولتاژ DC استفاده می شود. با بالا رفتن فرکانس ترانزیستور، دیگر خطی عمل نمی کند و نویز مخابراتی شدیدی را با توان بالا تولید می‌نماید. به همین سبب در فرکانس کلیدزنی بالا از المان کم مصرف Power MOSFET استفاده می شود. اما با بالا رفتن قدرت، تلفات آن نیز زیاد می شود. المان جدیدی به بازار آمده که تمامی مزایای دو قطعه فوق را در خود جمع آوری نموده است و دیگر معایب BJT و Power MOSFET را ندارد. این قطعه جدید IGBT نام دارد. در طی سالهای اخیر به دلیل ارزانی و مزایای این قطعه از IGBT استفاده زیادی شده است.
امروزه مداراتی که طراحی می شوند، در رنج فرکانسی MHZ و قدرتهای در حد MVA و با قیمت خیلی کمتر از انواع قدیمی خود می‌باشند.
فروشنده های اروپائی در سال 1990 میلادی تا حد 2 میلیارد دلار از فروش این SMPS ها درآمد خالص کسب نمودند. 80% از SMPS های فروخته شده در اروپا طراحی شدند و توسط کارخانه های اروپائی ساخت آنها صورت پذیرفت. درآمد فوق العاده بالای فروش این SMPS ها در سال 1990 باعث گردید که شاخه جدیدی در مهندسی برق ایجاد شود.
این رشته مهندسی طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ نام گرفت.
یک مهندس طراح منابع تغذیه سوئیچینگ بایستی که در کلیه شاخه‌های زیر تجربه و مهارت کافی کسب کند و همیشه اطلاعات بروز شده در موارد زیر داشته باشند:
- طراحی مدارات سوئیچینگ الکترونیک قدرت.
- طراحی قطعات مختلف الکترونیک قدرت.
- فهم عمیقی از نظریه های کنترلی و کاربرد آنها در SMPS ها داشته باشد.
- اصول طراحی را با در نظر گرفتن سازگاری میدانهای الکترومغناطیسی منابع تغذیه سوئیچینگ با محیط انجام دهد.
- درک صحیح از دفع حرارت درونی (انتقال حرارت به محیط) و طراحی مدارات خنک کننده موثر با راندمان زیاد.
مقدمه :
منابع تغذیه سوئیچینگ امروزه و بخصوص از سال 1990 به این طرف جای خود را در تمامی دستگاه های الکتریکی و در صنایع الکترونیک، مخابرات، کنترل، قدرت، ماهواره ها، کشتی ها، کامپیوترها، موبایل، تلفن و … به دلیل ارزانی قیمت و کم حجم بودن و راندمان بالا باز کرده اند. به همین دلیل اکنون همه کشورهای جهان حتی در جهان سوم به طراحی و ساخت این نوع از منابع تغذیه پرکاربرد می پردازند. اما با این وجود متأسفانه هنوز این منبع تغذیه در ایران ناشناخته مانده و همه روزه مقدار زیادی از بیت‌المال المسلمین در راه ساخت منابع تغذیه غیر ایده‌آل و یا خرید این گونه منابع تغذیه سوئیچینگ از کشور خارج می شود.
فصل اول- انواع منابع تغذیه
1-1منبع تغذیه خطی
1-1-1 مزایای منابع تغذیه خطی
1-1-2 معایب منبع تغذیه خطی
1-1-2-1 بزرگ بودن ترانس کاهنده ورودی
1-2 منبع تغذیه غیر خطی (سوئیچینگ)
1-2-1 مزایای منبع تغذیه سوئیچینگ
1-2-2 معایب منابع تغذیه سوئیچینگ
فصل دوم – یکسوساز و فیلتر ورودی
2-1 یکسوساز ورودی
2-2 مشکلات واحد یکسوساز ورودی و روش های رفع آنها
2-2-1 استفاده از NTC
2-2-2 استفاده از مقاومت و رله
2-3-2 استفاده از مقاومت و تریاک
2-3-1 روش تریستور نوری
فصل سوم – مبدل های قدرت سوئیچنیگ
3-1 مبدل فلای بک غیر ایزوله
3-2 مبدل فوروارد غیر ایزوله
فصل چهارم – ادوات قدرت سوئیچینگ
4-1 دیودهای قدرت
4-1-1 ساختمان دیودهای قدرت
4-1-2 انواع دیود قدرت
4-1-2-1 دیودهای با بازیابی استاندارد یا همه منظوره
4-1-2-2 دیودهای بازیابی سریع و فوق سریع
4-1-2-3 دیودهای شاتکی
4-2 ترانزیستور دوقطبی قدرت سوئیچینگ
4-3 ترانزیستور ماس‌فت قدرت سوئیچینگ
فصل پنجم – مدارهای راه انداز
5-1 مدارهای راه‌انداز بیس
5-1-1 راه انداز شامل دیود و خازن
5-1-2 مدار راه انداز بهینه
5-1-3 راه اندازهای بیس تناسبی
5-2 تکنولوژی ساخت ترانزیستورهای ماس‌فت
فصل ششم – واحد کنترل PWM
6-1 نحوه کنترل PWM
6-2 معرفی تعدادی از مدارهای مجتمع کنترل کننده PWM
6-2-1 مدار مجتمع مد جریانی خانواده 5/4/3/842 (3)
6-2-2 مدار مجتمع کنترل کننده مُد جریانی از نوع سی‌ماس
6-2-3 مدر مجتمع مد ولتاژی P/FP 16666 HA
6-2-4 مدار مجتمع مد ولتاژی
6-2-5 مدار مجتمع مد جریانی
6-2-6 مدار مجتمع مد جریانی
فصل هفتم – سوئیچینگ ولتاژ صفر و جریان صفر
7-1 سوئیچینگ ولتاژ صفر و جریان صفر
7-2 مبدل فلای‌بک ولتاژ صفر ساده
7-3 مبدل های سوئیچینگ نرم ولتاژ صفر
7-3-1 مبدل تشدیدی موازی
7-3-2 مبدل تشدیدی سری
7-3-3 مبدل تشدیدی سری –موازی
7-3-4 پل تشدیدی با فاز انتقال یافته
7-4 سوئیچینگ نرم جریان صفر
فصل هشتم – تجزیه و تحلیل چند منبع تغذیه سوئیچینگ
8-1 مدار مجتمع
8-2 مدار مجتمع
8-3 مدار مجتمع P/FP 16666HA
8-4 مدار مجتمع
8-5 مدار مجتمع
8-6 مدار مجتمع TOPxxx
فصل نهم – برخی ملاحظات جانمایی
مقدمه
9-1 سلف
9-2 فیدبک
9-3 خازن های فیلتر
9-4 مسیر زمین
9-5 چند نمونه طرح جانمایی
9-6 خلاصه
9-7 فهرست قوانین طرح جانمایی
فصل ششم – واحد کنترل PEM
6-1 نحوه کنترل PWM
یک منبع تغذیه سوئیچینگ دو نقش اصلی بر عهده دارد؛ اول تأمین ولتاژهای کم با تثبیت خوب برای مدار و ابزارهای الکترونیکی و دوم بازدهی مناسب ضمن حفاظت از مصرف کننده در مقابل شوک حاصل از القاء ولتاژ زیاد و یا دیگر جریان های نشتی است. بر همین اساس واحد کنترل اکثر منابع تغذیه سوئیچینگ امروزی از نوع PWM می‌باشد. با این روش، دوره کارکرد[Duty cycle] برای تثبیت ولتاژ خروجی در یک محدوده از پیش تعیین شده تغییر می کند. اگرچه از روش های دیگری همچونتغییر سطح ولتاژ ورودی و یا تغییر فرکانس کار با ثابت بودن دوره کارکرد نیز می توان برای کنترل و تثبیت استفاده کرد اما روش PWM بازدهی بهتری ارائه می دهد و از مزایای آن می توان به تثبیت خوب بار و خط و پایداری با وجود تغییر درجه حرارت محیط اشاره کرد.
در سال های اخیر چندین مدار مجتمع توسعه یافته به بازار عرضه شده اند که شامل تمام توابع لازم برای طراحی کامل یک منبع تغذیه سوئیچینگ با استفاده از معدودی عناصر خارجی می باشند. از آن جایی که در حالت کلی مبدل های سوئیچینگ دارای دو مد عملکرد مختلف یعنی مد جریانی و ولتاژی هستند، مدارهای مجتمع کنترل نیز به دو صورت مد جریانی و ولتاژی عرضه شده اند. در این فصل با بیان مختصر کنترل با شیوه PWM با تعدادی از معروف‌ترین هر دو دسته از این مدارهای مجتمع همراه با خلاصه ای از مشخصات اصلی آن ها آشنا خواهیم شد.
با وجود تکنیک های فراوان، PWM با فرکانس ثابت مناسب ترین انتخاب برای کنترل منبع تغذیه سوئیچینگ به حساب می آید. در این روش از یک پالس با پهنای متغیر جهت کم یا زیاد کردن زمان هدایت ترانزیستور سوئیچینگ قدرت استفاده می کنند. به این ترتیب ولتاژ خروجی تثبیت می شود. در شکل شمای اصلی یک کنترل PWM ساده به همراه شکل موج های آن نشان داده شده است.
طرز کار مدار به این صورت است که در تقویت کننده خطا (EA) از تفاضل نمونه ولتاژ خروجی و ولتاژ مرجع و تقویت آن، ولتاژ خطا تولید می شود که به عنوان سیگنال خطا به ورودی معکوس کننده واحد مقایسه کننده اعمال می شود. ورودی غیر معکوس کننده این واحد، موجی دندانه اره ای با شیب خطی است که توسط یک نوسان ساز تولید شده و با تبدیل به پالس مربعی ورودی ساعت T فلیپ فلاپ را نیز تحریک می کند. با مقایسه ولتاژ خطا و موج دندانه اره ای پهنای پالس مناسب برای تنظیم زمان هدایت ترانزیستورهای سوئیچینگ تولید می شود. در مبدل هایی که شامل دو عنصر سوئیچینگ هستند (همانند مبدل پوش – پوش)، واحد کنترل باید بتواند تولید دو پالس مربعی با فاز مخالف و با دوره کارکرد قابل کنترل نماید. به همین دلیل موج مربعی خروجی مقایسه کننده و خروجی های Q و فلیپ فلاپ برای راه اندازی گیت های AND استفاده می شوند. هر کدام از خروجی‌های گیت های AND وقتی فعال می شوند که هر دو ورودی گیت، بالا باشند. نتیجه این کار، یک پالس با دوره کارکرد متغیر در کانال های A و B متناسب با سیگنال خطا است. در واقع امکان کنترل دوره کارکرد برای مبدل ای شامل دو عنصر سوئیچینگ نیز فراهم می شود.
اگر به هر دلیل مثل تغییر بار، ولتاژ خروجی تغییر کند به پیروی از آن ولتاژ فیدبک نیز تغییر خواهد کرد و تغییر توسط تقویت کننده خطا تقویت شده و به واحد مقایسه کننده اعمال می شود.
نقد و بررسی‌ها
هنوز بررسی‌ای ثبت نشده است.