ایستاتجهیز پیشرو | مرجع تخصصی فروش لوازم برق صنعتی و اتوماسیون صنعتی
نویسنده: اصغرزاده 
منبع تغذیه سوئیچینگ (Switching Power Supply) نوعی مدار الکترونیکی است که برای تبدیل و تنظیم ولتاژ ورودی AC یا DC به ولتاژ خروجی مطلوب با استفاده از عنصر کلیدزنی (معمولاً ترانزیستورهای قدرت مانند MOSFET یا IGBT) طراحی شده است. در این سیستم‌ها، به‌جای روش خطی که در آن ولتاژ اضافی روی عنصر گذرا (مثل یک رگولاتور خطی) به حرارت تبدیل می‌شود، کلیدزنی در فرکانس بالا (معمولاً چند ده کیلوهرتز تا چند مگاهرتز) انجام می‌گیرد. سیگنال کلیدزنی با استفاده از یک مدولاسیون پهنای پالس (PWM) یا روش‌های مشابه شکل می‌گیرد، سپس از طریق سلف و خازن‌های فیلتر عبور کرده و به ولتاژ خروجی پیوسته و تثبیت‌شده تبدیل می‌شود.
مزیت اصلی منبع تغذیه سوئیچینگ، بهره‌وری بالای آن‌ها (معمولاً بیش از ۸۰–۹۰٪) و کاهش حجم و وزن اجزای فیلترینگ و هیت سینک است. این کاهش حجم و وزن، آن‌ها را برای تجهیزات الکترونیکی قابل حمل، سرورها، مودم‌ها و انواع مصارف صنعتی و مخابراتی ایده‌آل می‌سازد. همچنین با تنظیم دقیق فرکانس و شیب سیگنال کلیدزنی، می‌توان تولید نویز الکترومغناطیسی (EMI) را کنترل کرد و عملکرد پایدار و ایمن را تضمین نمود.
اجزای اصلی منبع تغذیه سوئیچینگ
در یک منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS)، اجزای مختلف به‌صورت هماهنگ با یکدیگر کار می‌کنند تا ولتاژ و جریان خروجی با کیفیت و پایداری بالا فراهم شود. در ادامه هر یک از بخش های منبع تغذیه سوئیچینگ را معرفی میکنیم:
فیلتر نویز ورودی (EMI Filter)
مسئول کاهش تداخل الکترومغناطیسی ورودی و جلوگیری از بازتاب نویز به شبکه‌ی برق عمومی است. معمولاً از ترکیب سلف‌ها و خازن‌های خاص برای تأمین تطابق امپدانس و حذف فرکانس‌های ناخواسته استفاده می‌شود.
یکسوکننده و خازن ذخیره (Rectifier & Bulk Capacitor)
بعد از فیلتر EMI، ولتاژ متناوب (AC) به ولتاژ مستقیم (DC) توسط دیود یا پل دیودی یکسو می‌شود و خازن بزرگ پس از آن انرژی را ذخیره کرده و ولتاژ پیوسته‌ای ایجاد می‌کند.
مدار کلیدزنی (Power Switch)
عنصر اصلی انتقال انرژی است که معمولاً ترانزیستورهای قدرت همچون MOSFET یا IGBT در نقش کلید عمل می‌کنند. این کلیدها با سرعت بالا روشن و خاموش شده و مدولاسیون پهنای پالس (PWM) را پیاده‌سازی می‌کنند.
ترانسفورماتور (Transformer) یا سلف (Inductor)
در منابع ایزوله از ترانسفورماتور برای جداسازی و تبدیل ولتاژ استفاده می‌شود و در انواع غیرایزوله (مانند باک/بوست) از سلف برای تغییر مقدار ولتاژ و صاف‌سازی جریان بهره می‌گیرند.
یکسوکننده خروجی و فیلتر (Output Rectifier & Filter)
پس از بخش القایی، جریان پالس‌شده به کمک دیود شاتکی یا ماسفت یکسو شده و سپس با استفاده از خازن‌ها و سلف‌های خروجی فیلتر می‌شود تا ولتاژ خروجی صاف و پایدار گردد.
مدار کنترل و فیدبک (Control & Feedback)
یک آی‌سی یا مدار مخصوص وظیفه‌ی تولید سیگنال کلیدزنی (PWM) را بر عهده دارد و با مقایسه ولتاژ/جریان خروجی با مقدار مرجع، پهنای پالس را تنظیم می‌کند تا تنظیم ولتاژ دقیق حفظ شود.
مدار درایور گیت (Gate Driver) و تأمین راه‌اندازی
برای تأمین ولتاژ راه‌اندازی و درایو صحیح گیت ترانزیستورهای قدرت از این مدار استفاده می‌شود. همچنین شامل مقاومت‌ها و کمپوننت‌های حفاظتی جهت جلوگیری از نوسانات و امواج بازگشتی است.
انواع توپولوژی های منبع تغذیه
در طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ، انتخاب توپولوژی مناسب نقش کلیدی در عملکرد نهایی، بهره‌وری و هزینهٔ دستگاه دارد. توپولوژی‌های مختلف بسته به نیاز به ایزولاسیون، نسبت تبدیل ولتاژ، پیچیدگی مدار و کاربرد نهایی دسته‌بندی می‌شوند. در ادامه، مهمترین توپولوژی‌های متداول SMPS را معرفی میکنیم.
- Buck (کاهنده)
یک توپولوژی غیرایزوله که ولتاژ خروجی را همواره کمتر از ولتاژ ورودی نگه می‌دارد. ساده‌ترین ساختار را دارد و برای کاربردهای با جریان بالا و افت ولتاژ کم مناسب است.
- Boost (افزاینده)
توپولوژی غیرایزوله‌ای که قادر است ولتاژ خروجی را به مقداری بالاتر از ولتاژ ورودی تبدیل کند. معمولاً در مدارهای با ولتاژ باتری پایین که نیاز به ولتاژ بالاتری دارند مورداستفاده قرار می‌گیرد. - Buck–Boost (کاهنده–افزاینده)
این توپولوژی غیرایزوله می‌تواند ولتاژ خروجی را بالاتر یا پایین‌تر از ورودی تنظیم کند. پیاده‌سازی آن کمی پیچیده‌تر است اما در کاربردهایی که ولتاژ ورودی دامنهٔ وسیعی دارد، بسیار کارآمد است. - Cuk (کوک)
توپولوژی غیرایزوله که با استفاده از یک خازن انتقال انرژی، همزمان قابلیت کاهندگی و افزایندگی ولتاژ را دارد و جریان ورودی تقریباً پیوسته است. مناسب کاربردهای حساس به نویز جریان. - SEPIC (سِپیک)
یک توپولوژی غیرایزوله که مشابه Buck–Boost عمل می‌کند اما جریان ورودی نرم‌تر و جداسازی بهتری ارائه می‌دهد. در کاربردهایی که نیاز به انعطاف در تنظیم ولتاژ و جریان خوب است، کاربرد دارد. - Flyback (فلای‌بَک)
ساده‌ترین توپولوژی ایزوله با یک ترانسفورماتور و یک کلید سوئیچ. در توان‌های پایین تا متوسط مرسوم است و هزینهٔ ساخت پایینی دارد.
مزایا و معایب استفاده از Switching Power Supply
| مزایا | معایب |
|---|---|
| بهره‌وری بالا (۸۰–۹۵٪) | پیچیدگی طراحی و پیاده‌سازی بالاتر |
| حجم و وزن کم به‌دلیل اجزای فیلتر و هیت‌سینک کوچک‌تر | تولید نویز الکترومغناطیسی (EMI) بیشتر |
| دامنه گسترده ولتاژ ورودی و خروجی | نیاز به فیلترهای EMI/EMC جهت کاهش تداخل |
| دقت و تثبیت بالا در تنظیم ولتاژ خروجی | هزینه اولیه بالاتر آی‌سی‌ها و قطعات راه‌انداز |
| توانایی کار در فرکانس‌های بالا و پاسخ سریع به تغییر بار | ریسک ناپایداری و نوسان در صورت طراحی یا تنظیم فیدبک نامناسب |
| استفاده در طیف وسیع کاربردها از تجهیزات قابل‌حمل تا مراکز داده و مخابرات | تعمیر و عیب‌یابی سخت‌تر نسبت به منابع خطی ساده |
نحوه عملکرد منبع تغذیه سوئیچینگ
منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) با استفاده از یک فرآیند چندمرحله‌ای انرژی ورودی را به شکل بهینه و با کمترین تلفات تبدیل و تنظیم می‌کند:
- فیلتر ورودی و یکسوسازی
ولتاژ متناوب شبکه (AC) ابتدا از فیلتر EMI عبور می‌کند تا نویزها و هارمونیک‌های مزاحم حذف شوند. سپس با یکسوساز (پل دیودی) به ولتاژ مستقیم (DC) تبدیل شده و یک خازن بزرگ (خازن ذخیره) آن را صاف می‌سازد تا منبع بعدی انرژی یکنواخت دریافت کند. - مدولاسیون و کلیدزنی
ولتاژ DC صاف‌شده به مرحله کلیدزنی می‌رود؛ جایی که یک ترانزیستور قدرت (MOSFET یا IGBT) با سرعت بالا (چند ده کیلوهرتز تا چند مگاهرتز) روشن و خاموش می‌شود. نسبت زمان روشن به خاموش (Duty Cycle) با استفاده از سیگنال PWM کنترل می‌شود تا میانگین انرژی منتقل‌شده مطابق ولتاژ خروجی مورد نظر باشد. - تبدیل ولتاژ (ترانسفورماتور یا سلف)
در توپولوژی‌های ایزوله (مانند فلای‌بک، فوروارد، نیم‌پل)، پالس‌های سوئیچ‌شده وارد ترانسفورماتوری می‌شوند که علاوه بر تبدیل ولتاژ، جداسازی گالوانیک بین ورودی و خروجی را نیز فراهم می‌کند.
در توپولوژی‌های غیرایزوله (مانند باک، بوست)، پالس‌ها از طریق یک سلف عبور کرده و با تغییر ذخیره و آزادسازی انرژی، ولتاژ را کاهش یا افزایش می‌دهند. - یکسوسازی و فیلتر خروجی
پس از مرحله القایی، سیگنال پالس‌شده مجدداً با دیود یا ماسفت در خروجی یکسوسازی شده و سپس با ترکیب سلف و خازن‌های فیلتر، به یک ولتاژ DC صاف و با ریپل بسیار کم تبدیل می‌شود. - مدار کنترل و فیدبک
یک آی‌سی کنترلی با مقایسه ولتاژ (و گاهی جریان) خروجی با مقدار مرجع، پهنای پالس PWM را به‌صورت لحظه‌ای تنظیم می‌کند. این فیدبک باعث حفظ ثبات ولتاژ خروجی حتی در مقابل نوسانات بار و تغییرات ولتاژ ورودی می‌شود. - مدار درایور گیت و حفاظت‌ها
برای روشن و خاموش کردن صحیح ترانزیستور قدرت، یک مدار درایور گیت ولتاژ و جریان مناسب را تأمین می‌کند. همچنین اجزای حفاظتی مانند کلید جریان و محدودکننده ولتاژ از آسیب‌های احتمالی در شرایط گذرا یا بارهای غیرعادی جلوگیری می‌کنند.
با این رویکرد، SMPS ضمن بهره‌وری بالا و حجم و وزن کم، توانایی ارائه ولتاژ خروجی ثابت و پاسخ سریع به تغییرات بار را داراست.
کاربردهای منبع تغذیه سوئیچینگ
منبع تغذیه سوئیچینگ به‌واسطهٔ بهره‌وری بالا، ابعاد و وزن کم و قابلیت تنظیم دقیق ولتاژ و جریان، در طیف وسیعی از صنایع و دستگاه‌ها به‌کار می‌رود؛ از تأمین ولتاژهای مختلف (+12V، +5V، +3.3V) در کامپیوترها و سرورها و پاور کیس‌های دسکتاپ گرفته تا آداپتورها و شارژرهای لپ‌تاپ، موبایل و پاوربانک؛ از ایستگاه‌های BTS و روترهای مخابراتی تا سیستم‌های پزشکی مانند سونوگرافی و تجهیزات مونیتورینگ بیمار.
در درایورهای LED خیابانی و صنعتی برای کنترل جریان و کاهش ریپل؛ در PLCها، درایوهای موتور و دستگاه‌های اتوماسیون صنعتی برای تأمین ولتاژ دقیق؛ در خودروهای الکتریکی و هیبریدی برای تبدیل ولتاژ باتری به سطوح الکترونیکی داخلی؛ در اینورترهای خورشیدی و شارژکنترلرهای انرژی‌های تجدیدپذیر؛ در بخش شارژر و اینورتر UPSها؛ و حتی در کاربردهای حساس فضایی و ماهواره‌ای که کمترین وزن و نویز الکترومغناطیسی موردنیاز است.
سخن پایانی
در نهایت، منابع تغذیه سوئیچینگ با کارایی بالا، انعطاف‌پذیری و ابعاد جمع‌وجور، ستون فقرات تأمین انرژی در دنیای الکترونیک مدرن هستند و همین ویژگی‌ها موجب می‌شود تا در آینده نیز با پیشرفت فناوری‌های نوین، نقش پررنگ‌تری در بهینه‌سازی مصرف انرژی و کوچک‌سازی تجهیزات ایفا کنند.
