آی سی های کنترل منابع تغذیه سوئیچینگ

در سال‌های اخیر، انواع مختلف آی سی ها در بازار ظهور پیدا کرده‌اند که اجرای توابع سطح بالا را در یک منبع تغذیه سوئیچینگ آسان می‌کنند. انتخاب بهترین آی سی مورد نظر موقعی امکان پذیر است که سطح انتظارات از سیستم برای طراح مشخص شده باشد. با این که آی سی های کنترل بلوک دیاگرام‌های خیلی متفاوت از هم دارند، اما وظایف آن‌ها باهم مشترک می‌باشد و شامل موارد زیر است.

وظایف آی سی های کنترل منابع تغذیه سوئیچینگ

یک اسیلاتور که فرکانس کاری منبع تغذیه را مشخص می‌کند. و همچنین یک شکل موج ramp برای استفاده مبدل ولتاژ به PWM تولید می‌کند.
درایورهای خروجی که برای کاربردهای معمولی دارای جریان کافی می‌باشند.
بلوک تولید ولتاژ مرجع، که برای مقایسه ولتاژ خروجی و ایجاد پالس های pwm به کار می‌رود. این بلوک همچنین یک ولتاژ پایدار برای استفاده برخی از بلوک های دیگر در داخل آی سی کنترل که وظایف دیگری برعهده دارند، تولید می‌کند.
تقویت کننده ولتاژ خطا، که یک مقایسه گر با بهره بالا می‌باشد. و اختلاف بین ولتاژ خروجی و ولتاژ مرج پایدار را تقویت می‌کند.
مبدل ولتاژ خطا به عرض پالس، که عرض پالس‌های خروجی را نسبت به ولتاژ تقویت کننده خطا تعیین می‌کند.

این بلوک‌های پایه، اساس یک آی سی کنترل PWM را تشکیل می‌دهند. گاها بعضی از آی سی ها دارای بلوک‌های اضافه تری می‌باشند که سایر وظایف سطح بالاتری را در یک منبع تغذیه انجام می‌دهند. این بلوک‌ها عبارت اند از:

تقویت کننده اضافه جریان (overcurrent) که منبع را از جریان‌های غیرطبیعی و بیش از حد که در داخل بار اتفاق می‌افتند، محافظت می‌کند.
مدار راه انداز نرم، همانطور که از نامش پیداست منبع تغذیه را به صورت آرام راه‌اندازی می‌کند و باعث کاهش جریان‌های نجومی در زمان شروع به کار منبع تغذیه می‌شود.
کنترل زمان مرده (deadtime) که ماکزیمم عرض پالسی را که آی سی می‌تواند تولید کند، به یک مقداری محدود می‌کند. این عمل از روشن شدن سوئیچ‌های قدرت به طور همزمان و همچنین از تولید duty cycleهای صد در صد جلوگیری می‌کند.
بلوک توقف کننده ولتاژ پایین (undervoltage lockout) که از شروع به کار منبع تغذیه، زمانی که ولتاژ کافی برای درایو کردن ماسفت‌ها در درون آی سی کنترل وجود ندارد، جلوگیری می‌کند.

برای انتخاب آی سی کنترل مناسب، طراح ابتدا باید توپولوژی مناسب برای کاربرد مورد نظر را انتخاب کند. با مشخص شدن توپولوژی منبع تغذیه، تک سوئیچه یا دو سوئیچه بودن آی سی کنترل مشخص می‌شود.

آی سی های تک سوئیچه در منابعی به کار می‌روند که در آنها فقط از یک سوئیچ قدرت استفاده می‌شود. این منابع تغذیه شامل توپولوژی‌های بدون ایزوله ترانسفورمری و توپولوژی فلای‌بک می‌باشند. آی سی های دو سوئیچه که دارای دو درایور برای سوئیچ‌های قدرت می‌باشند در منابعی که با توپولوژی‌های پوش-پول، نیم-پل و تمام-پل ساخته می‌شوند، به کار می‌روند. این آی سی ها دارای یک سری ویژگی‌های اضافی نسبت به آی سی های تک سوئیچه می‌باشند. که از جمله آنها می‌توان به ویژگی double-pulse lockout اشاره کرد. این ویژگی از هدایت همزمان دو سوئیچ قدرت جلوگیری می‌کند. دومین عامل موثر در انتخاب آی سی، نوع سوئیچ های قدرت به کار رفته در منبع تغذیه می‌باشد. بعضی از آی سی در خروجی خود از یک ترانزیستور به عنوان درایور استفاده می‌کنند. این نوع آی سی ها برای سوئیچ‌های با ترانزیستور دوقطبی قدرت مناسب هستند. معمولا همیشه یک درایور خارجی برای ایجاد جریان کافی برای سوئیچ کردن ترانزیستورها نیاز می‌باشد. برای منابعی که سوئیچ های قدرت آن‌ها ماسفت می‌باشد، استفاده از آی سی های کنترل با درایور خروجی totem-pole مناسب می‌باشد. با اینکه برای همه سوئیچ‌های قدرت (سوئیچ های قدرت ماسفتی و ترانزیستور دوقطبی) می‌توان از هر نوع آی سی کنترلی استفاده نمود، ولی انتخاب آی سی کنترل از روی عواملی که در بالا گفته شد باعث می‌شود تعداد قطعاتی که برای ساخت درایور خارجی به کار می‌روند، حداقل باشد.

کنترل مد-ولتاژی (Voltage-Mode Control)

در نهایت، باید انواع مدهای کنترلی مورد توجه قرار گیرد. این ها اساسا مدهای کنترلی تک-حلقه و چندین-حلقه می‌باشند. مد کنترلی تک-حلقه معمولا کنترل مد-ولتاژی نامیده می‌شود. این یک روش سنتی برای کنترل می‌باشد که در آن تنها ولتاژ خروجی اندازه گیری شده و با ولتاژ مرجع مقایسه می‌شود. سپس با مقایسه این دو ولتاژ، duty cycle مناسب جهت سوئیچ کردن سوئیچ‌های قدرت ایجاد می‌شود. کنترل مد-ولتاژی یک حالت کنترلی مناسب برای منبع تغذیه را فراهم می‌کند، ولی می‌تواند باعث بروز مشکل در حالت‌های پاسخ گذرای بار و رگولاسیون خط شود. آی سی های کنترلی که از این روش برای کنترل ولتاژ خروجی استفاده می‌کنند معمولا بلوک دیاگرامی به صورت شکل 10-5 دارند. همانطور که از بلوگ دیاگرام مشخص است دراین روش ولتاژ خطا با یک شکل موج Ramp که در بخش اسیلاتور تولید می‌شود، مقایسه می‌شود. و سپس این مقایسه، عرض پالس جهت سوئیچ های قدرت را مشخص می‌کند. این روش تا موقعی که بار ثابت است به خوبی جواب می‌دهد. ولی موقعی که بار یا خط ورودی تغییرات سریعی دارند، المان‌های مغناطیسی و همچنین فیلترها تاخیر زمانی زیادی قبل از پاسخ منبع به این تغییرات ایجاد می‌کنند و تنها به خاطر همین دلیل، کنترل های چند-حلقه ای به وجود آمدند.

در زیر تعدادی از آی سی های مشهور که از مد کنترل ولتاژی استفاده می‌کنند، لیست شده‌اند:

کنترل مد-جریان (Current-Mode Control)

مد کنترل-جریان یک حلقه دوم به حلقه فیدبک ولتاژ اضافه می‌کند. به جای استفاده از ولتاژ Ramp اسیلاتور، یک جریان Ramp از المان مغناطیسی برای تولید ولتاژ خطا و تبدیل آن به PWM استفاده می‌شود. بلوک دیاگرام داخلی یک آی سی کنترل مد-جریان در شکل 11-5 نشان داده شده است.

با اینکه پنج نوع روش اساسی مد کنترل-جریان وجود دارد، اما در آی سی های کنترل مدرن و مشهور از روش “روشن شدن با پالس ساعت” (turn-on with clock) استفاده می‌شود. به بیان ساده، در این روش، اسیلاتور سوئیچ قدرت را روشن می‌کند و زمان خاموش شدن سوئیچ قدرت را حلقه کنترلی تعیین می‌کند. همانطور که از شکل 11-5 دیده می‌شود، ولتاژ خطا، ماکزیمم جریان پیکی که می‌تواند وارد ترانسفورمر و یا فیلتر خروجی L-C شود، را کنترل می‌کند. اگر ولتاژ شبکه ورودی تغییر کند، این تغییرات باعث تغییر جریان المان مغناطیسی شده و به صورت آنی توسط فیدبک جریان حس می‌شود. اگر بار خروجی تغییر کند، از آنجایی که زمان حس کردن این تغییرات توسط فیدبک ولتاژ کند است، در نتیجه این تغییرات توسط فیدبک ولتاژ به صورت آنی حس نشده و باعث می‌شود که جریان اضافی وارد بار شود. از آنجایی که این جریان اضافی بار توسط فیلتر L-C تامین می‌شود در نتیجه یک جریان پیک اضافی وارد این فیلتر شده و فیدبک جریان می‌تواند به صورت آنی این افزایش جریان پیک را حس کرده و جبران کند. همچنین در این فرآیند، ولتاژ دره (I_min) هم تغییر می‌کند.

یکی از مشکلات بزرگی که در مد کنترل-جریان با روش روشن شدن با پالس ساعت وجود دارد، این است که سیستم برای زمان وظیفه‌های بزرگتر از 50 درصد ناپایدار می‌شود. این مشکل با روشی به نام جبران شیب (slope-compensation) حل می‌شود. این روش با جمع کردن دو سیگنال دیگر با سیگنال Ramp جریان این مشکل را حل می‌کند. مدارات مورد نیاز برای این کار در داخل آی سی های کنترل تعبیه نشده است و طراح باید به صورت خارجی این مدارات را به منبع اضافه کند. بیشتر این مشکلات در مبدل‌های فلای‌بکی که در مد پیوسته کار می‌کنند، به وجود می‌آید. زیرا در مد پیوسته یک صفر در

سمت راست صفحه به وجود می‌آید که باعث ناپایداری مدار می‌گردد. برای همین اغلب طرحان سعی می‌کنند که از زمان وظیفه‌های زیر 50 درصد در مبدل‌های فلای‌بک استفاده کنند.

بعضی از آی سی های مشهور مد کنترل-جریان در زیر لیست شده‌اند.

کنترل مد-شبه تشدید (Quasi-Resonant-Mode Control)

منابع تغذیه سوئیچینگ شبه-رزونانسی یک تکنولوژی نو ظهور می‌باشد که در آن شکل موج هدایتی سوئیچ‌های قدرت به صورت سینوسی می‌باشند. این باعث می‌شود حاصلضرب ولتاژ و جریان در هر لحظه در سوئیچ‌های قدرت صفر باشد. به عبارتی توان تلفاتی سئیچینگ در داخل نیمه هادی ها صفر می‌باشد. این مبدل‌ها از یکی از روش‌های زیر برای کنترل استفاده می‌کنند.