چرا از منابع تغذیه سوئیچینگ استفاده می‌کنیم؟

چرا از منابع تغذیه سوئیچینگ استفاده می‌کنیم؟

اینکه از چه نوع منبع تغذیه‌ای (خطی یا سوئیچینگ) در یک طراحی خاص استفاده کنیم، به نیاز طرح بستگی دارد. بنابراین برای انتخاب مناسب‌ترین و بهترین منبع تغذیه برای یک طراحی خاص در نظر گرفتن مشخصات الکتریکی مدار و هزینه تمام شده آن ضروری است.

برای اینکه در انتخاب خود مرتکب اشتباه نشویم باید ابتدا با مزایا و معایب بکاربردن هرکدام از منابع تغذیه در طراحی خود آشنا شویم. در ادامه با ما همراه باشید تا بیشتر با منابع تغذیه خطی و سوئیچینگ آشنا شویم.

منبع تغذیه خطی

استفاده از منبع تغذیه خطی سه مزیت مهمی برای طراح دارد. اولین مزیت مهم، سادگی در طراحی آن می‌باشد. طراح می‌تواند با تهیه یک رگولاتور خطی و اضافه کردن چند خازن، یک منبع تغذیه خطی طراحی کند. حتی اگر طراح مجبور به ساختن منبع تغذیه با قطعات مجزا باشد (از رگولاتورهای موجود در بازار استفاده نکند)، می‌تواند با خواندن یک کتاب ساده و سبک، منبع تغذیه خود را طراحی کند.

دومین مزیت منبع تغذیه خطی به عملکرد آن برمی‌گردد. منبع تغدیه خطی در حالت سکون کار می‌کند این بدین معناست که بر‌خلاف منبع تغذیه سوئیچینگ مدام قطع و وصل نشده و این مزیت باعث می‌شود نویز الکتریکی خیلی کمی در خروجی‌شان داشته باشند و همچنین پاسخ زمانی خیلی سریعی نسبت به تغییرات بار دارند (با تغییر بار خروجی، جریان خروجی منبع تغییر می‌کند و پاسخ به این تغییر جریان در منابع تغذیه خطی سریعتر می‌باشد).

یک شماتیک خیلی ساده از منبع تغذیه خطی را در شکل زیر می‌توانید ببینید:

سومین مزیت آن در به‌صرفه بودن هزینه استفاده از منبع تغذیه خطی برای توان‌های زیر 10 وات، نسبت به منبع تغذیه سوئیچینگ است.

عیب‌های منبع تغذیه خطی

از عیب‌های منبع تغذیه خطی، می‌توان به محدودیت تنوعی آنها اشاره کرد. این بدین معناست که همه منبع تغذیه‌های خطی از نوع stepdown می‌باشد. یعنی باید حداقل ورودی یک منبع تغذیه خطی 2 الی 3 ولت بیشتر از خروجی آن باشد و به خاطر همین مسئله ترانسفورماتور و عمل یکسوسازی و فیلترینگ باید قبل از منبغ تغذیه قرار بگیرند، و این باعث بالا رفتن حجم و هزینه منبع تغذیه خطی می‌شود. چراکه برق شهری دارای فرکانس 50-60 هرتز بوده و در نتیجه فرکانس کاری و المان‌های قبل از منبع تغذیه، مخصوصاً ترانس 50-60 هرتز بوده و این باعث بزرگتر شدن حجم و سایز ترانس ورودی می‌شود.

دومین عیب منابع تغذیه خطی این است که هر منبع تغذیه خطی فقط می‌تواند یک خروجی داشته باشد. بنابراین زمانی که به چندین ولتاژ خروجی نیاز داشته باشیم باید چندین منبع تغذیه خطی به طور مستقل طراحی کنیم، و این عمل باعث افزایش هزینه و بهای تمام شده طراحی منبع تغذیه می‌شود.

یکی دیگر از عیب‌های مهم منبع تغذیه خطی به بازده آنها می‌توان اشاره کرد.کاربرد‌های عمومی منابع تغذیه خطی دارای بازده 30 الی 60 درصد بوده و این یعنی به ازای هر ولتی که به بار تحویل داده می‌شود، بیشتر از یک وات توان در خود منبع تغذیه تلف می‌شود. همانطور که می‌دانیم در منبع تغذیه خطی یک ترانزیستور به اسم ترانزیستور مسیر، بین ورودی و خروجی قرار می‌گیرد و این، تلفات ناشی از ترانزیستور مسیر می‌باشد. یعنی ترانزیستور مسیر، این توان را به صورت گرما تلف می‌کند و مقدار  این تلفات وقتی ورودی رگولاتور بین حداقل و حداکثر مقدار خود تغیر می‌کند، بیشتر نیز می‌شود. در نتیجه این اتلاف بیشتر توان، حرارت بیشتری در ترانزیستور بوجود می‌آورد و باعث نصب گرما گیر‌های بزرگتری بر روی ترانزیستور مسیر می‌شود.

منبع تغذیه سوئیچینگ

منبع تغذیه سوئیچینگ (Switched-mode power supply) همه معایب ذکر شده منبع تغذیه خطی را دور زده و مقرون بصرفه تر می‌باشد.

اول از همه بازده منبع تغذیه سوئیچینگ بین 68 الی 90 درصد بوده و این مزیت مستقل از ولتاژ ورودی منبع تغذیه می‌باشد.این امر باعث کاهش سایز و حجم قطعات و همچنین کاهش گرماگیر‌ها شده، و در نتیجه باعث کاهش هزینه ها می‌شود.

عملکرد ترانزیستور‌های قدرت فقط در ناحیه اشباع و قطع بوده و در نتیحه از نظر تئوری هیچ توانی روی این ترانزیستور‌ها تلف نمی‌شود، و این یعنی ترانزیستور‌ها عمده توان را به بار تحویل داده و نیازی برای بسته بندی کردن گران قیمت این ترانزیستور‌ها نیست و از آنجایی که ولتاژ ورودی در منابع تغدیه سوئیچینگ به ولتاژ AC تبدیل می‌شود و سپس در یک المان مغناطیسی( بعدا توضیح داده خواهد شد) قرار می‌گیرد. با اضافه کردن سیم‌پیچ‌های متعدد به المان مغناطیسی می‌توان خروجی‌های متعددی داشته باشیم. به این معنا که به ازای هر خروجی فقط کافیست چند دور سیم‌پیچ به ترانس المان مغناطیسی اضافه کنیم، در نتیجه این عمل باعث کاهش هزینه‌ها خواهد شد.

ولتاژ ورودی در منبع سوئیچینگ می‌تواند بیشتر و یا حتی کمتر از ولتاژ خروجی باشد. و آخرین مزیت منبع تغذیه‌های سوئیچینگ نسبت به منبع تغذیه‌های خطی در اندازه و حجم کوچکتر و کمتر بودن هزینه در توان‌های بالاتر می‌باشد. چون که فرکانس کاری منبع تغذیه سوئیچینگ خیلی بیشتر از 50-60 هرتز بوده و در نتیجه المان‌های مغناطیسی و ظرفیت‌ها که برای ذخیره انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرند، خیلی کوچکتر خواهد بود و این مزیت نیز به نوبت خود در توان‌های بالاتر هم از لحاظ قیمت تمام شده و هم از لحاظ حجم دارای اهمیت بالایی می‌باشد.

معایب منبع تغذیه سوئیچینگ

همه مزیت‌های ذکر شده باعث می‌شوند که منبع تغدیه سوئیچینگ انتخاب بهتری با دارا بودن محدوده وسیعی در تنوع، کاربردها و… نسبت به منبع تغذیه خطی باشد. این در حالی است که منبع تغذیه سوئیچینگ دارای معایبی نیز می‌باشد ولی در کل می‌توان بر آنها غلبه نمود. اولین عیب منبع تغذیه سوئیچینگ پیچیدگی آن نسبت به منبع تغذیه خطی می‌باشد که اگر برای یک کاربردی نتوان از بازار منبع تغذیه مناسبی را تهیه کرد، باید دست به طراحی یک منبع تغذیه سوئیچینگ زد که این کار معمولاً زمان‌بر و  وقت‌گیر بوده ومخصوصاً برای کسانی که اولین بار می‌خواهند منبع تغذیه سوئیچینگ طراحی کنند این زمان دوچندان نیز خواهد شد.

دومین عیب منبع تغذیه سوئیچینگ نویز تولیدی آن می‌باشد که به محیط اطراف آن تشعشع می‌یابد. که معمولاً برای جلوگیری از تشعشع این نویز به محیط از فیلتر‌های اضافی و شیلدینگ استفاده می‌کنند، که این کار باعث افزایش هزینه ساخت می‌شود.

لازم به ذکر است که این منبع تغذیه‌ها چون منابع ولتاژ ورودی را به پالس‌های متناوب تبدیل می‌کنند، بنابراین پاسخ این منبع به تغییرات جریان بار کند تر از منبع تغذیه خطی می‌باشد( این زمان به زمان حالت گذرا معروف است). از این می‌توان به عنوان سومین عیب منبع تغذیه سوئیچینگ یاد کرد. البته این عیب را می‌توان با افزایش مقادیر خازن‌ها در خروجی جبران نمود. که در نتیجه باعث افزایش هزینه خواهد شد. همانطور که اشاره شد می‌توان بر همه این معایب غلبه کرد در واقع این معایب تحت کنترل طراح بوده و طراح می‌تواند با تخصص و تجربیات خود منبع تغذیه‌ای کوچک و جمع‌و‌جورتری طراحی نماید. به طور کلی، امروزه صنعت به سمتی پیش می‌رود که در آن هم از منابع تغذیه خطی و هم از منبع تغذیه سوئیچینگ استفاده می‌شود.

کاربردهای منابع تغذیه خطی

منابع تغذیه خطی معمولاً در جاهایی که توان کمتر مورد نیاز می‌باشد و همچنین در جاهایی که استفاده از منابع تغذیه در حالت سکون ضروری می‌باشد، مورد استفاده قرار می‌گیرند. منابع تغذیه خطی از خروجی صافتری(ریپل کمتر) نسبت به منابع تغذیه سوئیچینگ برخوردار هستند بنابراین در جاهایی که نیاز به یک ولتاژ خیلی صاف داشته باشیم از منابع تغذیه خطی استفاده می‌کنند.

کاربردهای منابع تغذیه سوئیچینگ

منابع تغذیه سوئیچینگ در جاهایی که نیاز به بازده بالایی باشد و همچنین بوجود آمدن و تولید گرما یک اثر مخرب محسوب می‌شود، مورد استفاده قرار می‌گیرند(مانند مدار شارژر باتری). همچنین در جاهایی که نیاز به توان بالاتری داشته باشیم استفاده از منابع تغذیه سوئیچینگ ضروری می‌باشد. در کل بخاطر انعطاف‌پذیری، بازده، سایز و حجم و هزینه، منابع تغذیه سوئیچینگ بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

خیلی ممنون از اینکه این مطلب را مطالعه کردید.

منبع:  میکرودیزاینرالکترونیک