علت افت ولتاژ و جریان در منبع تغذیه سوئیچینگ

در عصر حاضر، منبع تغذیه سوئیچینگ (Switch Mode Power Supply – SMPS) به‌عنوان یکی از مؤثرترین و متداول‌ ترین روش‌های تأمین انرژی الکتریکی در تجهیزات اتوماسیون صنعتی شناخته می‌شود. به دلیل ابعاد کوچک، راندمان بالا و وزن کم، این منابع تغذیه به‌طور گسترده‌ای در صنایع برق، مخابرات، پزشکی، کنترل صنعتی و دستگاه‌های الکترونیکی به‌کار برده می‌شوند. با این حال، افت ولتاژ منبع تغذیه سوئیچینگ، افت جریان در منبع تغذیه سوئیچینگ، علت افزایش ولتاژ منبع تغذیه سوئیچینگ و نوسان ولتاژ خروجی منبع تغذیه سوئیچینگ از جمله چالش‌های رایج در بهره‌برداری این منابع هستند که می‌توانند عملکرد سیستم‌های متصل را با اختلال مواجه سازند.

4 بخش اصلی منبع تغذیه سوئیچینگ

یک منبع تغذیه سوئیچینگ شامل چهار بخش اصلی است:

1. مرحله ورودی و اصلاح ضریب توان (PFC): برای بهبود PF و کاهش هارمونیک‌ها.
2. کلیدزنی اولیه (Primary Switch): معمولاً ماسفت یا IGBT که با فرکانس بالا روشن/خاموش می‌شود.
3. ترانسفورماتور ایزوله یا مبدل غیرایزوله: جهت تنظیم ولتاژ و ایزولاسیون گالوانیکی.
4. مدار خروجی و فیلترینگ: خازن‌ها، سلف‌ها و مدار فیدبک که ولتاژ نهایی را تثبیت می‌کنند.

اصل کار به این صورت است که کلید اولیه در هر چرخه فرکانسی به‌صورت پالس‌های جریان را از ورودی می‌گیرد و در ترانسفورماتور یا سلف ذخیره می‌کند. سپس انرژی ذخیره‌شده در خروجی به کمک خازن و سلف آزاد شده و تثبیت می‌گردد. حلقه فیدبک ولتاژ خروجی را دائم مانیتور کرده و پهنای پالس (PWM) یا پهنای پالس با پهنای تغییرناپذیر (PFM) را جهت حفظ ولتاژ تنظیم می‌کند.

علت افت ولتاژ منبع تغذیه سوئیچینگ

کاهش ولتاژ منبع تغذیه سوئیچینگ می‌تواند در سطوح مختلف بروز کند که شامل موارد زیر میشود:

افت ولتاژ ناشی از مقاومت داخلی اجزا

هر جزء الکترونیکی دارای مقاومتی ذاتی است (R total). با افزایش جریان، افت ولتاژ برابر I×R افزایش می‌یابد. در سیم‌پیچ‌ها (سلف و ترانس)، دیودها و ماسفت‌ها، این افت قابل ملاحظه است. با گذشت زمان و کارکرد دمای بالا، مقاومت داخلی افزایش یافته و افت ولتاژ منبع تغذیه سوئیچینگ بیشتر می‌شود.

تأثیر افت ولتاژ ورودی بر خروجی

اگر ورودی SMPS به دلیل عدم کفایت کابل‌کشی یا افت شبکه برق کاهش یابد، ولتاژ مرجع کنترلر به‌درستی تامین نمی‌شود. این امر به ‌صورت افت ولتاژ منبع تغذیه سوئیچینگ در خروجی مشهود است.

سوختگی یا کاهش ظرفیت خازن‌های الکترولیتی

خازن‌های الکترولیتی به مرور زمان خشک شده و ظرفیت خود را از دست می‌دهند، که منجر به کاهش توان فیلترینگ و افت جریان در منبع تغذیه سوئیچینگ می‌شود. یکی از علل شایع علت افت ولتاژ منبع تغذیه سوئیچینگ زیر بار نیز همین موضوع است.

علت افت ولتاژ منبع تغذیه سوئیچینگ زیر بار

وقتی بار مصرفی ناگهانی افزایش یابد، SMPS باید جریان بیشتری تولید کند:

• محدودیت جریان کلیدزنی: در طراحی SMPS، اغلب یک محافظ OCP (Over Current Protection) تعبیه می‌شود تا در صورت عبور جریان بیش از حد، خروجی کاهش یابد.
• افزایش دما و افت Rds(on) ماسفت: در دمای بالا، مقاومت کانال ماسفت افزایش یافته و بازده کلیدزنی کاهش می‌یابد.
• کاهش ولتاژ رفرنسی کنترلر: برخی آی‌سی‌ها در دماهای بالا یا فرکانس‌های بیشتر از حد تعریف‌شده کنترلر، ولتاژ مرجع را کاهش می‌دهند.

این ترکیب از عوامل باعث می‌شود در شرایط بار سنگین، افت ولتاژ منبع تغذیه سوئیچینگ زیر بار رخ دهد تا از آسیب به سیستم و خود SMPS جلوگیری گردد.

افت جریان در منبع تغذیه سوئیچینگ

افت جریان در منبع تغذیه سوئیچینگ معمولاً به دو گروه تقسیم می‌شود:

پارامترهای سخت‌افزاری مؤثر بر جریان خروجی

• مقاومت اتصالات و کابل‌ها: افت ولتاژ و جریان به‌دلیل مقاومت‌های اضافی.
• ضعیف شدن سیم‌پیچ ترانس یا سلف: به‌دلیل دمای بالا یا اشباع مغناطیسی.
• سوختن فیوز: فیوزهای حفاظتی گاهی جریان مجاز را محدود می‌کنند.

اختلالات مدارات کنترلی و تنظیم مرجع جریان

در صورت خرابی آی‌ سی کنترل یا نادرستی تنظیمات مرجع جریان (Current Sense)، SMPS قادر به تأمین جریان موردنظر نیست و افت جریان در منبع تغذیه سوئیچینگ بروز می‌کند.

علت کم شدن ولتاژ منبع تغذیه سوئیچینگ

علت کم شدن ولتاژ منبع تغذیه سوئیچینگ عمدتاً به نحوه طراحی و پیاده‌سازی مسیر فیدبک و خطوط PCB باز می‌گردد؛ طولانی بودن یا باریک بودن مسیرهای سیگنال فیدبک باعث افزایش مقاومت و القای پارازیتی می‌شود که تأخیر قابل‌توجهی در پاسخ‌دهی حلقه کنترلی ایجاد می‌کند. این تأخیر موجب می‌شود تنظیم‌کننده PWM پیش از تشخیص واقعی تغییرات ولتاژ، فرمان‌های کاهشی صادر کند و ولتاژ خروجی جهت حفظ پایداری به‌طور موقت کاهش یابد.

علاوه‌ براین، مسیریابی نامناسب خطوط تأمین توان و استفاده ناکافی از لایه‌های زمین (Ground Plane) باعث افت ولتاژ مخفی (IR drop) می‌شود که حتی در شرایط بار سبک نیز کاهش اندک اما محسوس ولتاژ خروجی را به همراه دارد. با بهینه‌سازی عرض مسیرها، کوتاه‌سازی خطوط فیدبک و گسترش فویل‌های زمین می‌توان این مشکل را تا حد زیادی کاهش داد.

علت افزایش ولتاژ منبع تغذیه سوئیچینگ

گاهی علت افزایش ولتاژ منبع تغذیه سوئیچینگ گزارش می‌شود که دلایل اصلی آن عبارت‌اند از:

1. خرابی مدارات فیدبک (قطع شدن مقاومت‌های شنت)
2. نوسان خروجی به دلیل رزونانس خازن-سلف
3. تنظیم نادرست ولتاژ مرجع در آی‌سی کنترل

روش‌های عیب‌یابی و رفع مشکلات منبع تغذیه

• آنالیز دیداری و حرارتی:

با دوربین ترموگرافی نقاط داغ (Hot Spot) را شناسایی کنید.

هیت‌سینک‌ها، ماسفت‌ها و ای‌سی کنترل را از نظر دما بررسی کنید.

• اندازه‌گیری ESR خازن‌ها:

با LCR متر، مقاومت سری معادل (ESR) خازن‌های خروجی را اندازه‌گیری کنید.

خازن‌های با ESR بالا را تعویض کنید.

• تست ولتاژ ورودی و خروجی:

با اسکوپ ولتاژ ورودی و خروجی را در شرایط بارهای مختلف ثبت کنید.

پیک‌های ریپل و نوسان را تحلیل کرده و منابع نویز را شناسایی کنید.

• بررسی مسیرهای PCB:

مسیرهای فیدبک و خطوط قدرت را کوتاه کنید.

از گسترده کردن آرد زمین (Ground Plane) در زیر ماسفت‌ها و خازن‌ها استفاده کنید.

• تنظیم پارامترهای کنترلی:

ضریب فیدبک ولتاژ و جریان را مطابق دیتاشیت آی‌سی کنترل تنظیم کنید.

در صورت نیاز، با جابجایی کامپنزاتورها (Compensation Network)، حلقه کنترل را پایدارسازی کنید.

• تست بار واقعی و شبیه‌سازی:

از بارهای الکترونیکی (Electronic Load) برای شبیه‌سازی شرایط نرمال و پیک استفاده کنید.

نمودار V-I منبع تغذیه را بررسی کرده و نقاط کاهش ولتاژ یا جریان را مثال‌زدنی کنید.

نتیجه گیری

پایداری و کیفیت ولتاژ و جریان خروجی منبع تغذیه سوئیچینگ در عملکرد صحیح تجهیزات صنعتی و اتوماسیون نقش کلیدی دارد. شناخت دلایل افت ولتاژ منبع تغذیه سوئیچینگ، بررسی افت جریان در منبع تغذیه سوئیچینگ، آگاهی از علت افزایش ولتاژ منبع تغذیه سوئیچینگ و تحلیل نوسان ولتاژ خروجی منبع تغذیه سوئیچینگ، پایه‌ای برای تشخیص سریع و رفع مشکلات است. با به‌کارگیری روش‌های عیب‌یابی و پیشگیری مطرح‌شده، می‌توان طول عمر منابع تغذیه را افزایش داده و از بروز اختلالات پرهزینه در خطوط تولید جلوگیری کرد.