مقاله منابع تغذیه سوئیچینگ با کنترل جریان

مقاله ای جامع در مورد کنترل جریان در منابع تغذیه سوئیچینگ. بررسی مزایا و معایب، انواع مدارات مجتمع و کاربردهای کنترل جریان در منابع تغذیه سوئیچینگ.

چکیده

این پروژه به بررسی منابع تغذیه سوئیچینگ با کنترل جریان می‌پردازد که در نسل جدید این نوع منابع تغذیه به طور کامل جا افتاده است. پروژه دربرگیرنده انواع مختلف منابع تغذیه سوئیچینگ است و به بررسی مزایا و معایب هرکدام از آنها، همچنین تفاوت‌های موجود بین انواع مختلف کنترل با حلقه‌های فیدبک می‌پردازد. این تحقیق نیز به معرفی و توضیح طرز کار آی سی‌های PWM با کنترل جریان از شرکتهای مختلف، از جمله MICROCHIP، ON SEMICONDUCTOR، TEXAS INSTRUMENT و سایر شرکت‌ها می‌پردازد.

مقدمه

در دهه ۱۹۷۰، مهندسان الکترونیک ایده منابع تغذیه سوئیچینگ را مطرح کردند، که در آغاز معمولاً با بازدهی پایینی همراه بودند. با این حال، این منابع تغذیه نسبت به باتری‌ها و منابع تغذیه آنالوگ، وزن و حجم کوچکتری داشتند و همزمان با این ابعاد کوچک، توان بالایی ارائه می‌دادند. در طراحی اولیه‌ی این منابع تغذیه، از عناصر ابتدایی مانند BJT و مدارات MONOSTABL و ASTABL استفاده می‌شد، اما این انتخاب‌ها باعث کاهش راندمان تا حدود ۶۸% می‌شد.

اکنون منابع تغذیه سوئیچینگ جایگاه خود را در صنعت برق، الکترونیک، و مخابرات پیدا کرده‌اند. مزایای بزرگی که این منابع تغذیه نسبت به رقبا دارند، توجه صنعتگران و مهندسان برق را به خود جلب کرده است. گروه‌هایی از مهندسان الکترونیک به منظور بهبود و کارایی این منابع تغذیه، تحقیقات گسترده‌ای انجام داده و نتیجه این تلاش‌ها، پیشرفت روزافزون در ساخت این سیستم‌ها بوده است.

با پیداش ماسفت‌های سریع و پرقدرت، تلفات ترانزیستوری به طور چشمگیری کاهش یافته و عمده تلفات در ترانس‌ها بهبود یافته است. افزایش فرکانس کاری مدار تا حدود ۱ مگاهرتز نیز به عنوان یک راهکار برای غلبه بر مشکلات ایجاد شده توسط تلفات ترانزیستوری ارائه شده است. در کل، تلاش‌ها بر اساس آخرین فناوری‌های روز انجام شده است، و امیدواریم که این پیشرفت‌ها توسط محققان و مهندسان این رشته مورد تائید واقع شود.

انواع رگولاتورهای ولتاژ

مدارات رگولاتور ولتاژ را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد. در رگولاتور نوع سری، یک المان کنترل خطی (ترانزیستور) به صورت سری با ولتاژ DC رگوله نشده قرار می‌گیرد تا ولتاژ خروجی را ثابت نگه دارد و از فیدبک استفاده می‌شود. ولتاژ خروجی در این حالت کمتر از ولتاژ ورودی رگوله نشده است و مقداری از قدرت در المان کنترل تلف می‌شود. رگولاتور موازی نیز یک نوع دیگر از این مدارات است که المان کنترل به جای سری شدن با بار، از خروجی به زمین متصل می‌شود و موازی با بار قرار می‌گیرد. یک مثال ساده مقاومت به اضافه دیود زنر است. علاوه بر این، روش دیگری برای تولید ولتاژ DC رگوله شده وجود دارد که از روش‌های معمول متفاوت است و آن رگولاتور سوئیچینگ است. شکل (1-2) یک رگولاتور سوئیچینگ را نمایان می‌کند.

چاپرهای DC

در اکثر کاربردهای صنعتی، نیاز به تبدیل ولتاژ ثابت یک منبع DC به ولتاژ متغیر وجود دارد. چاپر DC وسیله‌ای است که مستقیماً ولتاژ DC را به DC تبدیل می‌کند و می‌تواند برای افزایش یا کاهش پله‌ای ولتاژ منبع DC به کار رود. این چاپرها به دو دسته سوئیچر کاهنده و سوئیچر افزاینده تقسیم می‌شوند. در شکل (2-2) یک چاپر کاهنده (کاهش پله‌ای) نمایش داده شده است که با باز و بسته شدن سوئیچ، ولتاژ دو سر بار صفر یا Vin می‌شود. اینجا کلید می‌تواند یک MOSFET قدرت یا BJT قدرت یا تریستور قدرت با کموتاسیون اجباری باشد.

همچنین از چاپر می‌توان برای افزایش ولتاژ DC استفاده کرد. شکل (3-2) یک چاپر افزاینده (افزایش پله‌ای) را نشان می‌دهد. در این حالت، هنگامی که سوئیچ بسته است، انرژی در سلف ذخیره می‌شود و زمانی که سوئیچ باز می‌شود، انرژی ذخیره شده در سلف به بار منتقل می‌شود و جریان سلف کاهش می‌یابد. با اتصال یک خازن بزرگ، ولتاژ خروجی به صورت پیوسته خواهد بود.

چاپرها دو نوع عملکرد متفاوت دارند :
1- عملکرد فرکانس ثابت. در این روش فرکانس چاپر ثابت نگه داشته می شود و زمان بودن کلید تغییر داده می شود. پهنای پالس در این روش تغییر می کند و این نوع کنترل مدولاسیون پهنای پالس ( PWM ) نام دارد.

2- عملکرد فرکانس متغییر. در این حالت فرکانس چاپر تغییر می کند و زمان روشن و خاموش بودن ثابت نگه داشته می شود. این روش مدولاسیون فرکانس نام دارد. در این روش فرکانس باید در محدوده وسیعی تغییر یابد تا رنج کاملی از ولتاژخروجی را داشته باشیم که بدلیل هارمونیکها یی با فرکانسهای غیر قابل پیش بینی طراحی فیلتر آن دشوار می شود.

اصول رگولاتورهای سوئیچینگ

چاپرهای DC به عنوان عناصر کلیدی در رگولاتورهای تغییر دهنده حالت (Switching Regulators) بکار می‌روند تا یک ولتاژ DC معمولاً تثبیت نشده را به یک ولتاژ خروجی DC تثبیت شده تبدیل کنند. این تثبیت معمولاً از طریق مدولاسیون پهنای پالس در یک فرکانس ثابت انجام می‌شود، و عنصر کلیدزنی معمولاً از BJT، MOSFET یا IGBT قدرت استفاده می‌شود. شکل (4-2) اجزا و اتصالات رگولاتورهای تغییر دهنده حالت را نشان می‌دهد.

از شکل (4-2) مشخص است که خروجی یک چاپر DC با بار مقاومتی ناپیوسته و شامل هارمونیک‌هایی است. برای کاهش مقدار ریپل ولتاژ خروجی، از یک فیلتر LC استفاده می‌شود. رگولاتورهای سوئیچینگ معمولاً به صورت مدارهای مجتمع طراحی می‌شوند تا طراحان بتوانند با انتخاب مقادیر R و C، فرکانس کلیدزنی را تنظیم کنند.

برای مثال، اگر زمان کلیدزنی ترانزیستور ۰.۵ میکروثانیه باشد، دوره تناوب نوسان‌گر باید حدود ۵۰ میکرو ثانیه باشد و حداکثر فرکانس نوسان‌گر تقریباً ۲۰ کیلوهرتز خواهد بود. این محدودیت ناشی از تلفات کلیدزنی ترانزیستور است که با افزایش فرکانس کلیدزنی، تلفات آن افزایش و بازده کاهش می‌یابد.

ولتاژ کنترلی Vc از طریق مقایسه ولتاژ خروجی با مقدار مطلوب آن تعیین می‌شود. Vc را می‌توان با یک ولتاژ دندانه‌دار Vr مقایسه کرد تا سیگنال کنترلی PWM برای چاپر DC تولید شود، که این فرآیند در شکل (4-2) نمایش داده شده است.

فهرست مطالب

مقدمه: ۱
بخش اول: مروری بر منابع تغذیه سوئیچینگ
مقایسه منابع تغذیه سوئیچینگ با منابع تغذیه خطی ۲
بخش دوم: اصول منابع تغذیه سوئیچینگ
۱-۲: انواع رگولاتورهای ولتاژ ۴
۲-۲:چاپرهای DC 5
۳-۲: اصول رگولاتورهای سوئیچینگ ۶
بخش سوم: رگولاتورهای سوئیچینگ فاقد ترانسفورماتور ایزوله کننده
۱-۳:رگولاتور باک ( Buck ) 8
۲-۳: رگولاتور بوست ( Boost ) 10
۳-۳: رگولاتور باک – بوست ( Buck – Boost ) 12
بخش چهارم: رگولاتورهای سوئیچینگ با ترانسفورماتور ایزوله کننده
۱-۴: رگولاتور فلای بک ( Fly Back ) 15
۲-۴: رگولاتور پوش پول ( Push Pull ) 17
۳-۴: رگولاتور نیم پل ( Half Bridge ) 19
۴-۴: رگولاتور تمام پل ( Full Bridge ) 21
بخش پنجم: مدارات مجتمع ( IC های ) کنترل کننده منابع تغذیه ۲۳
۱-۵: کنترل ( نوع ) حالت شبه رزونانسی ۲۵
۲-۵: کنترل ( نوع ) حالت ولتاژ ۲۶
۳-۵: کنترل ( نوع ) حالت جریان ۲۸
۴-۵: معرفی تراشه UC3842/3/4/5 با کنترل جریان ۳۱
۵-۵: معرفی تراشه TC170 باکنترل جریان ۳۷
۶-۵: معرفی تراشه LM5020 – ۱/۲ با کنترل جریان ۴۳
۷-۵: معرفی تراشه L5991/1A با کنترل جریان ۴۶
۵-۸: منابع ۵۲
بخش ششم: ضمایم
الف: خانواده IC های CS2842/3A و CS3842/3A
ب: مجموعه IC های UCC28C40/1/2/3/4/5 و UCC38C40/1/2/3/4/5
ج: تراشه TEA2019
د: گروه IC های UC1/2/3856
و: خانواده IC های UCC1/2/3806
ز: تراشه FAN7601

فهرست جداول و نمودارها:

• شکل ( ۱-۲ ) زگولاتور سوئیچینگ ساده ( صفحه ۴ )
• شکل ( ۲-۲ ) چاپر کاهنده ( صفحه ۵ )
• شکل ( ۳-۲ ) چاپر افزاینده ( صفحه ۵ )
• شکل ( ۴-۲ ) عناصر رگولاتورهای سوئیچینگ ( صفحه ۷ )
• شکل ( ۱-۳ ) شکل موجها و دیاگرام رگولاتور باک ( صفحه ۸و۹)
• شکل ( ۲-۳ ) شکل موجها و دیاگرام رگولاتور بوست ( صفحه ۱۰و۱۱ )
• شکل ( ۳-۳ ) شکل موجها و دیاگرام رگولاتور باک – بوست ( صفحه ۱۳ )
• شکل ( ۱-۴ ) شکل موجها و دیاگرام رگولاتور فلای بک ( صفحه ۱۶ )
• شکل ( ۲-۴ ) شکل موجها و دیاگرام رگولاتور پوش پول ( صفحه ۱۸ )
• شکل ( ۳-۴ ) شکل موجها و دیاگرام رگولاتور نیم پل -( صفحه ۲۰ )
• شکل ( ۴-۴ ) شکل موجها و دیاگرام رگولاتور تمام پل ( صفحه ۲۲ )
• شکل ( ۱-۵ ) دیاگرام ساده شده MC34066 به نقل از شرکت موتورولا ( صفحه ۲۶ )
• شکل ( ۲-۵ ) طرح پایه حالت کنترل ولتا‍ژ ( صفحه ۲۷ )
• شکل ( ۳-۵ ) طرح پایه حالت کنترل جریان ( صفحه ۲۹ )
• شکل ( ۴-۵ ) دیاگرام داخلی تراشه های UC3842/3/4/5 ( صفحه ۳۱ )
• شکل ( ۵-۵ ) جدول مقادیر UVLO و DUTY CYCLE ( صفحه ۳۲ )
• شکل ( ۶-۵ ) نمودار هیسترزیس ( صفحه ۳۲ )
• شکل ( ۷-۵ ) نمودار زمان مرده ( صفحه ۳۳ )
• شکل ( ۸-۵ ) حالت کنترل جریان ( صفحه ۳۴ )
• شکل ( ۹-۵ ) جبران سازی ( صفحه ۳۵ )
• شکل ( ۱۰-۵ ) نحوه استفاده از نوسان ساز خارجی- ( صفحه ۳۷ )
• شکل ( ۱۱-۵ ) دیاگرام داخلی تراشه TC170 ( صفحه ۳۸ )
• شکل ( ۱۲-۵ ) دیاگرام نوسان ساز داخلی TC170 ( صفحه ۳۹ )
• شکل ( ۱۳-۵ ) نمودار فرکانس بر حسب Rt و Ct ( صفحه ۴۰ )
• شکل ( ۱۴-۵ ) نحوه محدود کردن جریان ( صفحه ۴۱ )
• شکل (۱۵-۵) حالت کنترل جریان ( صفحه ۴۲ )
• شکل ( ۱۶-۵ ) دیاگرام داخلی تراشه LM5020 – ۱/۲ ( صفحه ۴۳ )
• شکل ( ۱۷-۵ ) دیاگرام داخلی تراشه L5991/1A ( صفحه ۴۶ )
• شکل ( ۱۸-۵ ) نحوه اتصال قطعات نوسان ساز ( صفحه ۴۷ )
• شکل ( ۱۹-۵ ) نمودار زمانی عملکرد HICCUP ( صفحه ۵۰ )
• شکل ( ۲۰-۵ ) شمای داخلی قسمت حس جریان ( صفحه ۵۱ )
• شکل ( ۲۱-۵ ) دیاگرام حالت STANDBY در تراشه ( صفحه ۵۱ )