پروژه کارشناسی الکترونیک

[seyed mehdi hoseyni 27119]

عنوان پروژه:
منابع تغذیه سوئیچینگ با کنترل جریان

چکیده پروژه:

این پروژه در مورد منابع تغذیه سوئیچینگ با کنترل جریان می باشد. این نوع کنترل در نسل جدید منابع تغذیه سوئیچینگ کاملأ رواج یافته است.

این پایان نامه در مورد انواع منابع تغذیه سوئیچینگ و مزایا و معایب هر یک از آنها و تفاوتهای بین انواع مختلف کنترل با حلقه های فیدبک و

معرفی و طرز کار آی سی های pwm با کنترل جریان از شرکتهای مختلفی همچون:

microchip – on semiconductor –texas instrument و غیره پرداخته است.

[seyed mehdi hoseyni 27119]

فهرست:


مقدمه:
بخش اول: مروری بر منابع تغذیه سوئیچینگ
مقایسه منابع تغذیه سوئیچینگ با منابع تغذیه خطی
بخش دوم: اصول منابع تغذیه سوئیچینگ
1-2: انواع رگولاتورهای ولتاژ
2-2:چاپرهای DC
3-2: اصول رگولاتورهای سوئیچینگ
بخش سوم: رگولاتورهای سوئیچینگ فاقد ترانسفورماتور ایزوله کننده
1-3:رگولاتور باک ( Buck )
2-3: رگولاتور بوست ( Boost )
3-3: رگولاتور باک – بوست ( Buck – Boost )
بخش چهارم: رگولاتورهای سوئیچینگ با ترانسفورماتور ایزوله کننده
1-4: رگولاتور فلای بک ( Fly Back )
2-4: رگولاتور پوش پول ( Push Pull )
3-4: رگولاتور نیم پل ( Half Bridge )
4-4: رگولاتور تمام پل ( Full Bridge )



بخش پنجم: مدارات مجتمع ( IC های ) کنترل کننده منابع تغذیه
1-5: کنترل ( نوع ) حالت شبه رزونانسی
2-5: کنترل ( نوع ) حالت ولتاژ
3-5: کنترل ( نوع ) حالت جریان
4-5: معرفی تراشه UC3842/3/4/5 با کنترل جریان
5-5: معرفی تراشه TC170 باکنترل جریان
6-5: معرفی تراشه LM5020 – 1/2 با کنترل جریان
7-5: معرفی تراشه L5991/1A با کنترل جریان
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

[seyed mehdi hoseyni 27119]

فهرست جداول و نمودارها:

شكل ( 1-2 ) زگولاتور سوئيچينگ ساده ( صفحه 4 )
شكل ( 2-2 ) چاپر كاهنده ( صفحه 5 ) شكل ( 3-2 ) چاپر افزاينده ( صفحه 5 )
شكل ( 4-2 ) عناصر رگولاتورهای سوئيچينگ ( صفحه 7 )
شكل ( 1-3 ) شكل موجها و دياگرام رگولاتور باک ( صفحه 10 )
شكل ( 2-3 ) شكل موجها و دياگرام رگولاتور بوست ( صفحه 12 )
شكل ( 3-3 ) شكل موجها و دياگرام رگولاتور باک - بوست ( صفحه 15 )
شكل ( 1-4 ) شكل موجها و دياگرام رگولاتور فلای بک ( صفحه 18 )
شكل ( 2-4 ) شكل موجها و دياگرام رگولاتور پوش پول ( صفحه 21 )
شكل ( 3-4 ) شكل موجها و دياگرام رگولاتور نيم پل ( صفحه 24 )
شكل ( 4-4 ) شكل موجها و دياگرام رگولاتور تمام پل ( صفحه 26 )
شكل ( 1-5 ) دياگرام ساده شده MC34066 به نقل از شركت موتورولا ( صفحه 30 )
شكل ( 2-5 ) طرح پايه حالت كنترل ولتا‍ژ ( صفحه 31 )
شكل ( 3-5 ) طرح پايه حالت كنترل جريان ( صفحه 34 )
شكل ( 4-5 ) دياگرام داخلی تراشه های UC3842/3/4/5 ( صفحه 36 )
شكل ( 5-5 ) جدول مقادير UVLO و DUTY CYCLE ( صفحه 36 )
شكل ( 6-5 ) نمودار هيسترزيس ( صفحه 37 ) شكل ( 7-5 ) نمودار زمان مرده ( صفحه 38 )
شكل ( 8-5 ) حالت كنترل جريان ( صفحه 39 ) شكل ( 9-5 ) جبران سازی ( صفحه 40 )
شكل ( 10-5 ) نحوه استفاده از نوسان ساز خارجی ( صفحه 42 )
شكل ( 11-5 ) دياگرام داخلی تراشه TC170 ( صفحه 43 )
شكل ( 12-5 ) دياگرام نوسان ساز داخلی TC170 ( صفحه 45 )
شكل ( 13-5 ) نمودار فركانس بر حسب Rt و Ct ( صفحه 45 )
شكل ( 14-5 ) نحوه محدود كردن جريان ( صفحه 46 )
شكل ( 16-5 ) دياگرام داخلی تراشه LM5020 – 1/2 ( صفحه 49 )
شكل ( 17-5 ) دياگرام داخلی تراشه L5991/1A ( صفحه 53 )
شكل ( 18-5 ) نحوه اتصال قطعات نوسان ساز( صفحه 54 )
شكل ( 19-5 ) نمودار زمانی عملكرد HICCUP ( صفحه 57 )
شكل ( 20-5 ) شمای داخلی قسمت حس جريان ( صفحه 58 )
شكل ( 21-5 ) دياگرام حالت STANDBY در تراشه ( صفحه 59 )

[seyed mehdi hoseyni 27119]

[h=6]مقدمه:[/h]
ايده منابع تغذيه سوئيچينگ در سال 1970 توسط مهندسان الكترونيک مطرح گرديد كه در ابتدای امر از بازدهی پايينی برخوردار بود ولی در مقايسه با باتريها و منابع تغذيه آنالوگ وزن و حجم كوچكتر ولی در عين حال توان بالايی داشتند.
در طرحهای نخستين منابع تغذیه از عناصر ابتدايی نظيرbjt و مداراتmonostabl و astabl استفاده می شد كه اين خود باعث كاهش راندمان چيزی درحدود 68% می شد. امروزه منابع تغذيه سوئيچينگ جايگاه خاصی در صنعت برق و الكترونيک و مخابرات يافته اند و بدليل برتريها و مزايای زيادی كه نسبت به ديگر منابع تغذيه دارا می باشند توجه صنعتگران ومهندسان برق را به خود معطوف كرده اند تا جايی كه گروهی از مهندسان الكترونيک در بهبود و كاراييها و كيفيت آنها تحقيقات گسترده ای انجام داده اند البته نتيجه اين تلاشها پيشرفت روزافزونی است كه در ساخت اين سيستمها پديد آمده است. البته پيشرفت درتكنولوژی ساخت قطعات نيز تاثيربسزايی درمنابع تغذيه سوئيچينگ داشته است.
با پيداش ماسفتهای سريع و پرقدرت تلفات ترانزيستوری بطور چشمگيری كاهش پيدا كرد و عمده تلفات در ترانسها خلاصه شد كه برای غلبه بر اين مشكل فركانس كاری مدار را تا حد mhz 1 افزايش دادند.
بنابراين در اصل سعی شده تا درانجام تحقيق از آخرين فن آوريهای روز استفاده شود. اميد آنكه مورد قبول محققان و مهندسان اين رشته واقع شود.







بخش اول:

مروری بر منابع تغذیه سوئیچینگ

مقايسه منابع تغذيه سوئيچينگ با منابع تغذيه خطی:
بنا بركاربرد منابع تغذيه انتخاب بين منابع تغذيه خطی يا سوئيچينگ صورت می گيرد كه هر يک دارای مزايا و معايب نسبت به يكديگر می باشند كه در ذيل به آنها اشاره می شود.
مزايای منابع تغذيه خطی:
1- طراحی مدارات بسيار ساده صورت می گيرد.
2- قابليت تحمل بار زياد
3- توليد نويز ناچيز و نويزپذيری بسيار اندک
4- در كاربردهای توان پايين ارزانتر می باشند.
5- زمان پاسخدهی بالایی را دارند.
مزايای منابع تغذيه سوئيچينگ:
1- وزن و حجم كمتری را نسبت به منابع تغذیه خطی دارند.
2- بالا بودن راندمان از68% تا 90%
3- داشتن مقدار بيشتری سطح ولتاژ در خروجی
4- بدليل افزايش فركانس كاری اجزای ذخيره كننده انرژی می توانند كوچكتر و درعين حال با كارایی بيشتری عمل كنند.
5- در توانهای بالا استفاده می شوند.
6- كنترل آسان خروجی با استفاده از قابليتهای مدارات مجتمع

معايب منابع تغذيه خطی:

تمام مزايايی كه درمنابع تغذيه سوئيچينگ گفته شد عيبهای بود كه درمنابع تغذيه خطی وجود
داشت و علاوه بر آن:
1- بدليل كم بودن بهره توان تلفاتی در ترانزيستورهای خروجی زياد می باشد كه درنتيجه نياز به خنک كننده سيستم سرمايش تحت فشار می باشد.
2- تنها بصورت يک رگولاتور كاهنده قابل استفاده می باشد و همواره ورودی بايد 2 تا 3 ولت بيشترازورودی باشد.
معايب منابع تغذيه سوئيچينگ:
تمام مواردی كه به عنوان مزيت در درمنابع تغذيه خطی ذكر شد به عنوان عيوب منابع تغذيه سوئيچينگ به شمارمی رود علاوه بر آن به موارد زيراشاره می شود:
1- نياز به ***** كردن خروجی و حذف نويزهای توليدی
2- ناپايداری ولتاژ
3- حساسيت زياد به امواج محيط بگونه ايكه بعضا در برابر ديشهای مخابراتی اصلا عمل نمی كنند.

[seyed mehdi hoseyni 27119]

بخش دوم:

 

اصول منابع تغذیه سوئیچینگ

 

1-2: انواع رگولاتورهای ولتاژ:

 

مدارات رگولاتور ولتاژ به سه دسته تقسیم می شوند. در رگولاتور نوع سری یک المان کنترل خطی ( ترانزیستور ) بصورت سری و ولتاژ DC رگوله نشده برای ثابت نگهداشتن ولتاژ خروجی و فیدبک استفاده می شود. ولتاژ خروجی کمتراز ولتاژ ورودی رگوله نشده است و مقداری قدرت در المان کنترل تلف می شود.

یک نوع دیگر از این رگولاتورها رگولاتور موازی است که در آن المان کنترل بجای سری شدن با بار از خروجی به زمین بسته می شود و موازی با بار قرار می گیرد. یک مثال ساده مقاومت به اضافه دیود زنر است. روش دیگری برای تولید یک ولتاژ DC رگوله شده که اساسأ از آنچه تاکنون دیده ایم متفاوت است وجود دارد و آن رگولاتور سوئيچينگ است. شکل ( 1-2 ) یک رگولاتور سوئيچينگ را نشان می دهد.

 

شکل (1-2 ) رگولاتور سوئيچينگ ساده

 

2-2: چاپرهای DC:

 

در بسیاری از کاربردهای صنعتی نیاز به تبدیل یک منبع DC ولتاژ ثابت به یک منبع ولتاژ متغیر می باشد. چاپر DC وسیله ای است که مستقیمأ DC را به DC تبدیل می کند. چاپر می تواند به جهت افزایش یا کاهش پله ای ولتاژ منبع DC بکار گرفته شود. از اینرو می توان چاپرها را به دو دسته سوئیچر کاهنده و سوئیچر افزاینده تقسیم کرد.

 

شکل ( 2-2 ) چاپر کاهنده

 

شکل ( 3-2 ) چاپر افزاینده

 

 

 

شکل ( 2-2 ) یک چاپر کاهنده ( کاهش پله ای ) را نشان می دهد. با باز و بسته شدن سوئیچ ولتاژ دو سر بار صفر یا Vin می شود. در اینجا کلید می تواند یک MOSFET قدرت یا BJT قدرت یا تریستور قدرت با کموتاسیون اجباری باشد.

از چاپر می توان جهت بالا بردن ولتاژ DC استفاده کرد که در شکل ( 3-2 ) با نام چاپر افزاینده ( افزایش پله ای) نشان داده شده است. هنگامی که سوئیچ بسته است انرژی در سلف ذخیره می شود و زمانیکه سوئیچ باز میشود انرژی ذخیره شده در سلف به بار منتقل می شود و جریان سلف کاهش می یابد.

اگر یک خازن بزرگ همانطوری که با خط چین در شکل نشان داده شده است متصل شود ولتاژ خروجی 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 ولتاژ خروجی را داشته باشیم که بدلیل هارمونیکها یی با فرکانسهای غیر قابل پیش بینی طراحی ***** آن دشوار می شود.

 

3-2: اصول رگولاتورهای سوئیچینگ:

 

چاپرهای DC را می توان در رگولاتورهای تغییر دهنده حالت جهت تبدیل یک ولتاژ DC معمولأ تثبیت نشده به یک ولتاژ خروجی DC تثبیت شده بکار گرفت. تثبیت کردن معمولأ از طریق روش مدولاسیون پهنای پالس در یک فرکانس ثابت انجام می گیرد و عنصر کلیدزنی معمولأ BJT یا MOSFET یا IGBT قدرت می باشد. اجزا رگولاتورهای تغییر دهنده حالت در شکل ( 4-2 ) نشان داده شده اند.

 

 

شکل ( 4-2 ) عناصر رگولاتورهای سوئیچینگ

 

از شکل ( 4-2 ) می توان دریافت که خروجی یک چاپر DC با بار مقاومتی و ناپیوسته و شامل هارمونیکهایی می باشد.

مقدار ریپل ولتاژ خروجی معمولأ با استفاده از یک ***** LC کاسته می شود. رگولاتورهای سوئیچینگ به صورت مدارهای مجتمع یافت می شوند. طراح می تواند فرکانس کلیدزنی را با انتخاب مقادیر R و C نوسان کننده فرکانسی انتخاب کند. به عنوان یک قانون سر انگشتی برای حداکثر کردن بازده حداقل دوره تناوب نوسان گر باید حدود 100 مرتبه بیشتر از زمان کلیدزنی ترانزیستور باشد.

برای مثال اگر ترانزیستوری زمان کلیدزنی برابر 0.5 میکرو ثانیه داشته باشد دوره تناوب نوسان گر 50 میکرو ثانیه خواهد بود که در نتیجه حداکثر فرکانس نوسان گر kHz 20 خواهد بود.

این محدودیت ناشی از تلفات کلیدزنی ترانزیستور می باشد. تلفات کلیدزنی ترانزیستور با فرکانس کلیدزنی افزایش و در نتیجه بازده کاهش می یابد. بعلاوه تلفات هسته سلفها کارکرد با فرکانس بالا را محدود می سازد.

ولتاژ کنترلی Vc با مقایسه ولتاژ خروجی با مقدار مطلوب آن بدست می آید. Vc را می توان با یک ولتاژ دندان اره ای Vr مقایسه کرد تا سیگنال کنترلی PWM برای چاپر DC تولید شود. این عمل در شکل ( 4-2 ) نشان داده شده است.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[seyed mehdi hoseyni 27119]

بخش سوم:

رگولاتورهای سوئیچینگ فاقد ترانسفورماتور ایزوله کننده

 

 

1-3: رگولاتور باک ( Buck ):

در یک رگولاتور باک مقدار متوسط ولتاژ خروجی Vout کمتر از ولتاژ ورودی Vin است. نمودار مدار یک رگولاتور باک که از یک MOSFET قدرت به عنوان سوئیچ استفاده می کند در شکل ( 1-3 ) نشان داده شده است که مشابه یک چاپر کاهش پله ای می باشد. طرز کار مدار را می توان به دو حالت تقسیم کرد.

حالت اول هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور در t=0 روشن می شود. جریان ورودی که صعودی می باشد از سلف و ***** و مقاومت بار عبور می کند. حالت دوم هنگامی شروع می شود که ترانزیستور در لحظه t2 خاموش می شود به خاطر وجود انرژی ذخیره شده در سلف دیود هرزگرد هدایت می کند و جریان سلف به عبور از خازن و بار و دیود ادامه می دهد. جریان سلف تا زمان روشن شدن دوباره ترانزیستور در سیکل بعدی نزول می کند.

مدارهای معادل برای حالتهای مختلف کاری در شکل ( 1-3 ) نشان داده شده اند. شکل موجهای ولتاژو جریان نشان داده شده برای حالت پیوسته جریان در سلف می باشند. بسته به فرکانس کلیدزنی و اندوکتانس ***** جریان سلف می تواند ناپیوسته نیز باشد. رگولاتور باک ساده و بازده آن بیش از 90% است و فقط به یک ترانزیستور نیاز دارد.

در این رگولاتور ولتاژ خروجی فقط یک قطبیت داشته و جریان خروجی یکسویه است. همچنین برای جلوگیری از اتصال کوتاه در مسیر دیود به یک مدار محافظ نیاز است. ساده ترین وآسانترین و در عین حال ابتدایی ترین آرایش مربوط به این نوع است که نقاط ضعف مربوط به خود را داراست.

 

 

 

 

 

شکل (1-3 ) رگولاتور باک

 

 

 

شکل (1-3 ) شکل موجهای ولتاژ و جریان

 

 

 

معایب رگولاتور باک:

 

1- به منظور تثبیت ولتاژ خروجی لازم است که ولتاژ ورودی 1 تا 2 ولت بیشتر از ولتاژ خروجی با شد.

2- هنگامی که سوئیچ روشن می شود هنوز دیود روشن است که به آسیب دیدگی سوئیچ ودیود منجر می شود ( لذا باید از یک دیود سریع با زمان بازیابی حداقل استفاده شود ).

3- سوئیچهای قدرت هنگام سوختن اتصال کوتاه می شوند به همین دلیل خروجی را به بار وصل می کنند ( راه حل آن حس کردن تغییرات سریع جریان بار و انتقال آن به یک تریستور موازی است ). علی رغم تمامی معایب و محدودیتهایی که ذکر شد در شرایط عادی این منابع توانایی تحویل بیش از 100 وات توان به خروجی را دارند.

 

2-3: رگولاتور بوست ( Boost ):

این رگولاتور یکی از انواع رگولاتورهای فلای بک است که خروجی آن بزرگتر یا مساوی ورودی است. در رگولاتور بوست ولتاژ خروجی می تواند بیشتر از ولتاژ ورودی باشد که به همین علت چنین نامگذاری شده است. یک رگولاتور بوست که از یک MOSFET قدرت استفاده می کند در شکل ( 2-3 ) نشان داده شده است.

طرز کار مدار را می توان به دو حالت تقسیم کرد. حالت اول با روشن شدن ترانزیستور در t=0 آغاز می شود. ولتاژ ورودی روی القاگر می افتد و جریان صعودی از L و ترانزیستور می گذرد. حالت دوم هنگامی شروع می شود که ترانزیستور در لحظه t2 خاموش می گردد.

 

 

 

شکل ( 2-3 ) رگولاتور بوست

 

 

شکل ( 2-3 ) شکل موجهای ولتاژ و جریان

 

 

جریانی که تا به حال از ترانزیستور عبور می کرد حالا از L-C و بار و دیود عبور می کند. جریان سلف کاهش می یابد تا اینکه ترانزیستور در سیکل بعدی دوباره روشن گردد. انرژی ذخیره شده در سلف به بار منتقل می گردد.

مدارهای معادل برای حالتهای مختلف کاری در شکل ( 2-3 ) نشان داده شده اند. شکل موجهای ولتاژ و جریان برای حالتی که جریان بار پیوسته است نشان داده شده اند. همان طور که گفته شد این رگولاتور بدون استفاده از ترانسفورماتور می تواند ولتاژ خروجی را افزایش دهد.

به خاطر داشتن فقط یک ترانزیستور این مدار بازده بالایی دارد. ولتاژ خروجی در برابر تغییرات سیکل کاری D.C ( Duty Cycle ) خیلی حساس است و پایدار کردن رگولاتور ممکن است مشکل باشد. مقدار متوسط جریان سلف بزرگتر از مقدار متوسط جریان خروجی است و جریان موثر خیلی بزرگتری از خازن ***** عبور خواهد کرد که باعث می شود مجبور شویم از خازن ***** بزرگتر و سلف بزرگتری نسبت به رگولاتور باک استفاده کنیم.

دو حالت کاری پیوسته و ناپیوسته برای این رگولاتور قابل ذکر است. تمایز این دو حالت این است که انرژی القاگر به صفر می رسد یا نه.

همانند سایر رگولاتورهای فاقد ترانسفورمر ایزوله این توپولوژی هم نقاط ضعف فراوانی دارد. بویژه در ارتباط با بار و حالات خطرناک گذرا که باعث می شود هرگونه تموج رودی به خروجی انتقال یابد. استفاده از ترانسفورمر ایزوله طیف وسیعی از اشکالات را بر طرف خواهد نمود.

 

3-3: رگولاتور باک - بوست ( Buck – Boost ):

 

 

 

 

این رگولاتور نوعی از رگولاتور فلای بک است که عملکرد آن خیلی به عملکرد رگولاتور Boost شبیه است. بعلاوه به عنوان یک رگولاتور معکوس کننده هم شناخته می شود. تفاوت موجود میان رگولاتور Boost و Buck-Boost همانطور که در شکل ( 3-3 ) پیداست تعویض جایگاه القاگر و سوئیچ قدرت است.

همانند رگولاتور بوست القاگر انرژی را ذخیره می کند. مادامی که سوئیچ قدرت روشن است انرژی ذخیره شده و سپس از طریق یکسوساز به زمین تخلیه می شود که نتیجه آن ولتاژ منفی است و مقدار آن بوسیله D.C سوئیچ قدرت تعیین می گردد.

زمان وظیفه ( D.C ) این رگولاتور بویژه هنگامی که نیاز به تخلیه انرژی هسته باشد به 50% محدود می شود. معادلات مربوط به انرژی و هسته درست همانند رگولاتور بوست است.اشکالی که وجود دارد این است که هرگونه تموج ولتاژ به نیمه هادی قدرت آسیب می رساند. راه حلی شبیه حالت قبل در اینجا وجود دارد.

علی رغم همه معایب این آرایش توان تحویل تا 100 وات را به خروجی دارد. ولتاژ خروجی یک رگولاتور باک - بوست می تواند کمتر یا بیشتر از ولتاژ ورودی آن باشد و به همین علت این چنین نامگذاری شده است. قطبیت ولتاژ خروجی مخالف ولتاژ ورودی است. این رگولاتور با نام رگولاتور معکوس کننده نیز شناخته می شود.

مدار یک رگولاتور باک - بوست در شکل ( 3-3 ) نشان داده شده است. طرز کار مدار را می توان در دو حالت بررسی کرد.

 

 

 

شکل ( 3-3 ) رگولاتور باک – بوست با جریان پیوسته سلف

 

 

شکل ( 3-3 ) شکل موجهای ولتاژ و جریان

 

 

 

 

در حالت اول ترانزیستور روشن و دیود بایاس معکوس می شود. جریان ورودی که در حال افزایش است از سلف و ترانزیستور می گذرد. در حالت دوم ترانزیستور خاموش می گردد و جریانی که از سلف می گذشت حال از خازن و بار و دیود عبور می کند.

انرژی ذخیره شده در القاگر به بار منتقل می گردد و جریان سلف نزول می کند تا اینکه ترانزیستور دوباره در سیکل بعدی روشن گردد. مدارهای معادل دو حالت در شکل ( 3-3 ) نشان داده شده است. شکل موجهای پایدار ولتاژ و جریانهای رگولاتور برای حالت پیوسته جریان در بار نشان داده شده اند.

رگولاتور باک - بوست بدون استفاده از ترانسفورمر عمل معکوس کردن قطبیت ولتاژ خروجی را انجام می دهد و بازده بالایی دارد. پیاده سازی محافظت در برابر اتصال کوتاه خروجی ساده می باشد.

این رگولاتور توان ثابتی را مستقل از امپدانس بار به خروجی تحویل می دهد و بطور وسیعی در فلاشهای نوری و باطری شارژها استفاده می شود.

 

 

 

 

 

 

 

[seyed mehdi hoseyni 27119]

بخش چهارم:

رگولاتورهای سوئیچینگ با ترانسفورماتور ایزوله کننده

رگولاتور سوئیچینگ با ترانسقورمر ایزوله کننده:

با بهره گیری از ترانسقورمر ایزوله کننده ایزولاسیون به کمک سیمهای عایق و نوارهای عایق انجام می شود که در این حالت تا صدها ولت و بیشتر ولتاژ قابل تحمل وجود دارد. حسن دیگر ترانسقورمر ایزوله کننده افزودن خروجیهای متعدد بدون نیاز به رگولاتور جداگانه است. در اینجا هم توپولوژی های فلای بک و فوروارد وجود دارد بعلاوه ترانس می تواند به عنوان افزاینده یا کاهنده ولتاژ عمل کند.

1-4: رگولاتور فلای بک ( Fly Back ):

ساده ترین و کم قطعه ترین عضو خانواده منابع تغذیه سوئیچینگ طرح فلای بک است که در محدوده بسیار وسیعی به کار می رود و در شکل ( 1-4 ) نشان داده شده است. این رگولاتور کاملأ شبیه رگولاتور بوست است بجز یک سیم پیچ اضافی روی القاگر آن که این سیم پیچ علاوه بر ایزولاسیون قابلیتهای فراوانی را هم به مدار می افزاید که عبارتند از: 1- بیش از یک خروجی در یک تغذیه قابل تحصیل است. 2- خروجی می تواند مثبت یا منفی مستقل از سطح ورودی باشد. 3- ایزولاسیون الکتریکی بین ورودی و خروجی خیلی زیاد است. عملکرد این رگولاتور ترکیبی از عملکرد رگولاتورهای بوست و باک است و در یک دوره کاری قابل تفسیر است. نخست هنگامی که ترانزیستور قدرت روشن است در این حالت

شکل ( 1-4 ) رگولاتور فلای بک

 

 

شکل ( 1-4 ) شکل موجهای ولتاژ و جریان

 

 

با عبور جریان از اولیه ترانسفورمر انرژی دار می شود و سپس هنگامی که سوئیچ خاموش می شود با تخلیه انرژی در بار از مقدار انرژی کاسته می شود. در اینجا هم اگر انرژی تا نیم دوره بعدی در هسته باقی بماند حالت کاری پیوسته و اگر نماند حالت کاری ناپیوسته است. هنگامی که سوئیچ روشن است جریان خطی مثلثی با شیب Vin/L1 در اولیه براه می افتد و تا هنگامی که سوئیچ خاموش نشود ادامه می یابد. هنگامی که ترانزیستور روشن است Vt برابر ولتاژ اشباع ترانزیستور و هنگامی که سوئیچ خاموش است این ولتاژ به مقدار Vin+(n1/n2)Vout می رسد ( بعلاوه افت یک دیود و حالت گذرا ). هنگامی که سوئیچ خاموش است جریان در ثانویه با شیب –Vout/L2 کاهش می یابد. عملکرد مدار فلای بک کمی پیچیده تر از فوروارد است ولی ریاضیات حاکم کماکان ساده است. علی رغم حالت فوروارد سیم پیچ اولیه و ثانویه همفاز پیچیده نشده اند و جریان همجهت براه نمی افتد و لذا اولیه و ثانویه مانند القاگرهای ساده جداگانه می توانند تحلیل شوند. مدار نوع فلای بک برای توانهای تا حدود 100 وات مناسب است.

 

2-4: رگولاتور پوش پول ( Push Pull ):

شکل ( 2-4 ) آرایش مدار پوش پول را نشان می دهد. این مدار مانند سایر رگولاتورهای فوروارد در خروجی به ***** L-C و Buck مجهز است. انرژی در هسته ذخیره نمی شود و جریان در ثانویه همزمان با هدایت ترانزیستور مربوطه در اولیه براه می افتد. ترانزیستورها به صورت متوالی با یک زمان مرده ( این زمان که برای BJT حدود 2 میکرو ثانیه و برای MOSFET حدود 50 تا 400 نانو ثانیه است برای کسب اطمینان از خاموش شدن ترانزیستورها از لحظه اعمال ولتاژ به گیت یا بیس تا توقف کامل عبور جریان از کلکتور یا درین لازم است ) کار هدایت جریان را بر عهده می گیرند ( در صورتی که زمان مرده کافی نباشد یک ترانزیستورهنگامی که ترانزیستور دیگر کاملأ خاموش نشده است روشن می شود ودر این حالت عبور جریان بسیار زیاد از اولیه باعث آسیب دیدن ترانزیستورها خواهد شد ). علی رغم اینکه سیم پیچهای اولیه و ثانویه در یک جهت پیچیده شده اند نحوه اتصالات بگونه ای است که جریان در جهت های عکس به صورت متوالی در اولیه براه می افتد. در این حالت از عنصر مغناطیسی به صورت متقارن استفاده می شود که این شکل کارکرد مدار مزایای زیر را به همراه دارد: 1- فوران ایجاد شده در هسته پیرامون منحنی B-H متقارن است ودر این حالت علی رغم فضای اضافی لازم برای سیم پیچی اضافی حجم هسته منتجه کاهش چشمگیری پیدا می کند. 2- مزیت دیگر رگولاتور پوش پول در مقایسه با طرح فلای بک قدرت تحویل توان 2 برابر

شکل ( 2-4 ) رگولاتور پوش پول

 

 

 

شکل ( 2-4 ) شکل موجهای ولتاژ و جریان

 

به بار است. این منابع توان تحویل تا چند صد وات را به خروجی دارند. 3- به دلیل کارکرد هر یک از ترانزیستورها در فرکانسی برابر نصف فرکانس کاری اصلی عوامل محدود کننده نظیر حرارت و ... به نصف کاهش یافته است. مانند رگولاتور Buck القاگر خروجی هیچگاه نباید کاملأ از فوران تخلیه گردد. جریان القاگر خروجی یک موج مثلثی برابر حاصل جمع جریان در دو نیمه اولیه ضربدر ضریب تبدیل جریان ترانسفورمر است که روی یک سطح DC که دست کم برابر نصف جریان نامی خروجی باید باشد سوار است. اشکال اساسی و غیر قابل حل رگولاتور :PUSH PULL به دلیل اینکه هیچ دو ترانزیستوری یافت نمی شوند که مشخصاتشان کاملأ یکسان باشد و عملأ پیچیدن دو نیمه اولیه به صورت کاملأ یکسان بسیار مشکل است مدار از کار متقارن حول منحنی B-H خارج می شود و این همه مشکل نیست. مشکل اصلی هنگامی بروز می کند که کنترلر سعی در جبران D.C ( Duty Cycle ) مدار هنگامی که بار با یک افزایش پله ای در جریان خروجی مواجه می شود بنماید که در این حالت هسته به اشباع می رود و هر گونه تلاشی در جهت افزایش توان تحویلی به بار بیهوده است واین کار به افزایش جریان عبوری از ترانزیستورها منجر می شود که در نهایت باعث بروز آسیب جدی به نیمه هادی می شود. اغلب طراحان با تجربه استفاده از آرایشهای نیم پل و تمام پل را بر پوش پول ترجیح می دهند.

 

3-4: رگولاتور نیم پل ( Half Bridge ):

شکل دیگر مبدل با ترانسفورمر ایزوله آرایش نیم پل است. همان طور که در شکل ( 3-4 ) پیداست در اینجا تنها یک سیم پیچ اولیه داریم که در کوپلاژ با یک ترانسفورمر سروسط افزاینده یا کاهنده قرار می گیرد. اولیه این ترانس توسط دو سوئیچ قدرت بطور متناوب به زمین یا Vinوصل می شود.سر دیگر اولیه به محل اتصال یک جفت خازن که تقریبأ در ولتاژ نصف Vin روی سیم پیچ اولیه می افتد. خطر اشباع وجود ندارد ( تنها پیک Iinمی تواند هسته را به اشباع بیاندازد ) به علاوه نیازی به مدارات کنترلی گران قیمت نمی باشد. بیشترین ولتاژی را که ترانزیستورها باید تحمل کنند Vin است در صورتیکه در رگولاتور پوش پول 2Vin بود. از اینرو ترانزیستورهایی با ولتاژ شکست کمتر قابل بکارگیری است. یکی از اشکالات این منابع هدایت ترانزیستورها به ویژه ترانزیستور بالایی است و هدایت آنها به وسیله یک ترانسفورمر ایزوله انجام میگیرد. در محدوده 150 تا 500 وات این طرح بهترین انتخاب است و کمتر از آن رگولاتور فلای بک از نظر قیمت ترجیح دارد و بیشتر از آن هم قابلیت اطمینان این مدار کم است.

شکل ( 3-4 ) رگولاتور نیم پل

 

 

 

 

شکل ( 3-4 ) شکل موجهای ولتاژ و جریان

 

4-4: رگولاتور تمام پل ( Full Bridge ):

 

شکل ( 4-4 ) آخرین آرایش مربوط به رگولاتور تمام پل را نشان می دهد. در اینجا در مقایسه با رگولاتور نیم پل خازن ها جای خود را به یک جفت ترانزیستور داده اند و هر جفت ترانزیستور همزمان کار هدایت را برعهده می گیرند. به دلیل اینکه همه Vin روی سیم پیچ اولیه می افتد پیک جریان کمتری دارد وتوان قابل عرضه به شکل قابل ملاحظه ای افزایش می یابد. وجود خازن سری تعادل هسته را تامین می کند ( این کار با حذف مولفه DC جریان انجام می گیرد ). در اینجا هم مدار فرمان ترانزیستور ایزوله لازم است که به راحتی برای دو جفت ترانزیستور با دو جفت سیم پیچ قابل تحصیل است و مدار فرمان پیچیده ای را طلب نمی کند. اشباع هسته واقعأ برای ترانزیستورها مخرب است ولی این طرح برای توانهای 400 تا چند کیلووات به راحتی کار می کند. این مدار قابلیت اطمینان بالایی دارد زیرا افت ولتاژ و پیک جریان کمتری برای هر یک از ترانزیستورها قرار می گیرد. استفاده از تمامی فرمولهای مدار نیم پل از دیگر خاصیتهای خوب این مدار است. یک عیب این مدار استفاده از 4 ترانزیستور است چراکه وقتی ترانزیستورهای یک قطر خاموش می شوند در همان زمان بایاس جداگانه ای برای راه اندازی ترانزیستورهای دیگر باید استفاده شود. بنابراین فضا و هزینه بیشتر به علت استفاده از دو عنصر سوئیچ اضافی عیب عمده این مدار به حساب می آید.

 

شکل ( 4-4 ) رگولاتور تمام پل

 

 

شکل ( 4-4 ) شکل موجهای ولتاژ و جریان

 

 

 

[seyed mehdi hoseyni 27119]

 

 

بخش پنجم:

 

 

 

مدارات مجتمع ( IC های ) کنترل کننده منابع تغذیه

 

مدارات مجتمع ( IC های ) کنترل کننده منابع تغذیه: در سالهای اخیر انواع گسترده ای از IC ها که عملکردهای پیچیده تر را در یک منبع تغذیه امکان پذیر و آسان می کند به بازار عرضه شده است. پس از انتخاب آرایش و سطح انتظارات برای تهیه یک طرح دلخواه انتخاب بهترین IC کنترل کننده باید انجام گیرد. علی رغم اختلافات فراوان شباهتهای بسیاری بین این IC ها وجود دارد. موارد زیر در اغلب آنها مشترک است: 1- یک نوسان ساز که در فرکانس پایه کار می کند و موج مثلثی جهت استفاده در PWM را تولید می کند. 2- راه انداز خروجی که توان کافی را جهت بکارگیری در مقاصد کم و متوسط ( میانه ) تولید می نماید. 3- ولتاژ مبنا که ولتاژ پایه را جهت مقایسه خروجیها و همچنین یک ولتاژ پایدار برای سایر بخشها تولید می کند. 4- تقویت کننده ولتاژ خطا که با بهره بالا ولتاژ مقایسه ای را بین ولتاژ خروجی و ولتاژ مبنای پایدار تامین می کند. 5- یک مبدل خطا یا مبدل ولتاژ به عرض پالسی که D.C خروجی را متناسب با سطح ولتاژ خطا تنظیم می کند. اینها بلوکهای اصلی یک تراشه مدولاسیون عرض پالس ( PWM IC ) را تشکیل می دهند
بخشهایی که در یک سطح بالاتر کاری ممکن است لازم باشند عبارتند از: 1- یک تقویت کننده جریان اضافی که تغذیه را در شرایط غیر طبیعی در ارتباط با بار حفاظت می کند. 2- یک مدار شروع نرم که مطابق نامش برای راه اندازی نرم خروجی بکار می رود. 3- کنترل کننده زمان مرده که حداقل عرض پالس PWM را کنترل می کند و از هدایت همزمان دو ترانزیستور ممانعت بعمل می آورد. 4- یک ناظر ولتاژ حداقل که از شروع بکار کردن مدار در شرایطی که ولتاژ نامناسبی در ورودی وجود دارد جلوگیری می کند. برای شروع پروسه طراحی نخست باید توپولوژی مدار مورد نیاز مناسب انتخاب شود ( اینکه یک یا دو راه انداز در خروجی داشته باشیم ) و بدین صورت نیازهای اولیه IC را تعیین می کنیم. کنترل کنندهای با یک سر خروجی تنها یک سوئیچ قدرت و انواع دوگانه دو سوئیچ قدرت را تحت کنترل خود دارند. کنترلرهای با دو خروجی در توپولوژی های نیم پل و تمام پل و پوش پول بکار می روند. IC های مجهز به دو خروجی مضاعف دارای یک بخش اضافی به نام حافظ پالس دوگانه هستند تا یک سوئیچ قدرت نتواند دو بار پیاپی روشن شود ( که به اشباع تراسفورمر منجر شود ). عامل دوم نوع سوئیچ قدرت بکار گرفته شده است. بعضی از IC های PWM ترانزیستور خروجی برای راه اندازی دارند که اینها برای راه اندازی ترانزیستورهای دو قطبی لازم است و امکان دارد ترانزیستور کمکی خروجی هم لازم باشد.
برای ماسفتهای قدرت طرح توتم پل بهترین انتخاب است. این راه اندازهای خروجی برای هدایت ترانزیستورها ایده آال هستند همچنین جهت تامین جریانهای شارژ و دشارژ خازنهای گیت لازم هستند. بعلاوه هر یک از ترانزیستورهای خروجی توان هدایت هر ترانزیستور را با حداقل قطعات دارند. بطور کلی در IC های PWM سه نوع حالت کنترل وجود دارد که عبارتند از: 1- حالت ( نوع ) کنترل شبه رزونانسی 2- حالت ( نوع ) کنترل ولتاژ 3- حالت ( نوع ) کنترل جریان 1-5: حالت ( نوع ) کنترل شبه رزونانسی: منابع تغذیه سوئیچینگ شبه رزونانسی تکنولوژیی هستند که شکل موجهای هدایت سوئیچهای قدرت را به شکل سینوسی شکل می دهند. این تضمین می کند که در طی نوسانات سوئیچینگ حاصلضرب ولتاژ و جریان برابر صفر باشد. به عبارت دیگر تلفات سوئیچینگ در نیمه هادی برابر صفر است. این انواع مبدل از یکی از روشهای کنترل زیر بهره می گیرند: 1- زمان روشن ثابت و زمان خاموش متغییر برای جریان سوئیچ برابر صفر 2- زمان خاموشی ثابت و زمان روشن متغییر برای ولتاژ سوئیچ برابر صفر
کنترل بوسیله تغییر تعداد چرخه های هدایت رزونانسی بار خروجی در ثانیه انجام می گردد. IC های کنترل کننده ای به بازار عرضه شده اند که نیازمندیهای این نوع تغذیه را تامین می کنند. یک IC کنترل رزونانسی نمونه را می توان در شکل ( 1-5 ) پیدا کرد. بعضی از انواعی که اخیرأ عرضه شده اند عبارتند از:

 

MC34066 ZCS

 

 

LD405 ZCS

 

 

UC3860 ZCS

شکی نیست که در آینده نزدیک انواع بیشتری هم ارائه خواهد شد.

شکل ( 1-5 ) دیاگرام ساده شده MC34066 به نقل از شرکت موتورولا

 

2-5: حالت ( نوع ) کنترل ولتاژ: این روشی بود که در اولین منابع تغذیه سوئیچینگ و برای سالهای زیادی در صنعت استفاده می شد. مدل پایه این حالت در شکل ( 2-5 ) نشان داده شده است. از مشخصات اصلی این روش وجود یک مسیر فیدبک به همراه مدولاسیون عرض پالس ( مقایسه یک ولتاژ خطا با یک شکل موج دندان اره ای ) می باشد و محدود کردن جریان باید بصورت جداگانه ای صورت گیرد. مزیتهایی را که این نوع تکنیک کنترل شامل می شود عبارتند از:

 

 

 

شکل ( 2-5 ) طرح پایه حالت کنترل ولتاژ

1- طراحی و تجزیه و تحلیل یک حلقه فیدبک راحتر است. 2- یک موج دندان اره ای با دامنه بزرگ حد نویز خوبی را به منظور پایداری ایجاد می کند. 3- رگولاسیون بار به خوبی صورت می گیرد. معایبی را که حالت کنترل ولتاژ دارا می باشد عبارتند از: 1- هر تغییری در خط یا بار ابتدا بصورت تغییر در ولتاژ خروجی حس می شود وسپس توسط حلقه فیدبک تصحیح می گردد که این عمل معمولأ به کندی صورت می گیرد. 2- جبران سازی پیچیده تر است بخاطر اینکه بهره حلقه فیدبک با ولتاژ ورودی تغییر می کند. 3- ***** خروجی منابع معمولأ دو قطب به حلقه کنترل اضافه می کنند که بنابراین افزودن یک قطب مسلط فرکانس پایین و یا یک صفر به تقویت کننده خطا را برای جبران سازی موجب می شود. حالت کنترل ولتاژ هنگامی می تواند انتخاب مفیدی باشد که: 1- امکان تغییرات بار در خروجی وجود داشته باشد. 2- در شرایط کم بار که دامنه شکل موج جریان خیلی کم است برای پایداری عملکرد PWM. 3- کاربردهایی که در آن از پیچیدگیهای موجود در حلقه فیدبک دوتایی و یا جبران سازی شیب ( برای Duty Cycle بیشتر از 50% در حالت کنترل جریان ) باید جلوگیری شود. 4- توانهای بالا یا کاربردهای دارای پارازیت که نویز را روی شکل موج جریان سخت می توان کنترل کرد. 5- چندین ولتاژ خروجی مورد نیاز است. 6- رگولاتورهایی با کنترل از طریق ثانویه که در آنجا عامل واکنش اشباع شدنی وجود دارد. چند کنترلر نمونه تک خروجی و جفت خروجی در اینجا فهرست شده اند:

 

Single Ended Controllers: Double Ended Controllers:

 

 

SG1524 SG1525/26/27

 

 

MC34060 TL494/495

 

 

UA78S40

 

 

MC34063

3-5: حالت ( نوع ) کنترل جریان: تمام معایبی که برای حالت کنترل ولتاژ گفته شد توسط حالت کنترل جریان قابل حل است. دیاگرام پایه این حالت در شکل ( 3-5 ) نشان داده شده است. همانطور که از شکل پیداست در اینجا اسیلاتور فقط وظیفه شکل موجی با فرکانس ثابت را دارد وبجای شکل موج دندان اره ای در نوع کنترل ولتاژ نمونه ای از جریان خروجی بکار می رود. مزایایی را که این روش کنترل به همراه دارد عبارتند از: 1- از آنجاییکه شیب جریان سلف با اختلاف ولتاژ ورودی و خروجی متناسب است بنابراین پاسخ تاخیردار ناشی از حس ولتاژ خروجی و تغییرات بهره حلقه در اثر تغییر ولتاژ ورودی حذف می شود. 2- بدلیل اینکه تقویت کننده خطا برای فرمان دادن جریان خروجی بیشتر بکار می رود تا ولتاژ خروجی بنابراین تاثیر سلف خروجی بر حلقه کمترین مقدار شده و ***** خروجی فقط یک قطب به حلقه فیدبک اضافه می کند. بنابراین جبران سازی ساده تری صورت گرفته و پهنای باند بیشتری حاصل می شود.
معایبی را که برای حالت کنترل جریان می توان برشمرد عبارتند از: 1- وجود دو حلقه فیدبک آنالیز مدار را مشکلتر می کند. 2- حلقه کنترل در D.C بیشتر از 50% ناپایدار می شود مگر آنکه توسط مداری که جبران کننده شیب نام دارد جبران شود. این جبران ساز باید به حلقه کنترل اضافه شود.

 

شکل ( 3-5 ) طرح پایه حالت کنترل جریان

3- از آنجاییکه مدولاسیون کنترل توسط نمونه ای از جریان خروجی صورت گرفته است تشدیدهایی در رگولاتور می تواند نویزهایی را وارد حلقه کنترل کند. 4- اسپایکهای لبه شکل موج جریان منبع نویز دیگری هستند که در اثر خازنهای ترانسفورمر و جریان بازیافت یکسوکننده خروجی رگولاتور ایجاد می شوند. 5- با کنترل جریان رگولاسیون بار به خوبی صورت نمی گیرد. حالت کنترل جریان زمانی می تواند انتخاب خوبی باشد که: 1- خروجی منبع تغذیه بصورت یک منبع جریان یا یک ولتاژ خروجی خیلی بزرگ با شد. 2- پاسخ دینامیکی سریعتری برای یک فرکانس سوئیچینگ داده شده نیاز باشد. 3- کاربرد ما در یک مبدل DC to DC باشد در حالیکه تغییرات ولتاژ ورودی زیاد است. 4- در کاربردهایی که قابلیت موازی شدن با بار وجود دارد. 5- در مدارات پوش پول زمانیکه تعادل فلوی ترانسفورمر مهم است. 6- در کاربردهای ارزان قیمت که حداقل قطعات مورد نیاز است. فهرست بعضی کنترلرهای نوع جریان در اینجا آمده است:

 

Single Ended Controllers: Double Ended Controllers:

 

 

UC3842/43/45 CU3825

 

 

MC34129 UC1846/56

 

 

MC34065 UCC18/28/3806

 

 

CA1523/24 UCC18/28/3806

معرفی خانواده IC های UC3842/3/4/5 با کنترل جریان: تراشه های UC1842/3/4/5 انتخاب خوب و بهينه ای برای منابع تغذيه OFF LINE و DC به DC مي باشند. شكل ( 4-5 ) دياگرام پايه اين خانواده را نشان مي دهد. از ويژگيهای اين خانواده عبارتند از: 1- راه اندازی با جريان كمتر از mA 1 2- دارا بودن يک ولتاژ مرجع مطمئن و دقيق برای استفاده در ورودی تقويت كننده خطا 3- قابليت محدود كردن جريان 4- دارا بودن ترانزيستورهای خروجی با توانايی درايو كردن MOSFET های نوع N يا ترانزيستورهای BJT در جريان های با پيک بالا 5- عملكرد تا فركانس kHz 500

شکل ( 4-5 ) دیاگرام داخلی تراسه های UC3842/3/4/5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[hamidrezarah 11]

با عرض سلام و خسته نباشید خدمت مدیریت محترم انجمن

ضمن تشکر از مطالب خوب و بروزتون،میخواستم خواهش کنم اگر امکانش هست متن کامل این مقاله(پروژه) را در اختیارم قرار بدید.

با تشکر