منبع تغذیه سوئیچینگ

یک منبع تغذیه سوئیچینگ (به انگلیسی: Switched-mode power supply (به اختصار SMPS)) یا به بیانی ساده، یک Switcher، یک منبع تغذیه الکترونیکی است که شامل یک تنظیم‌کننده جریان برای داشتن کارآیی خیلی بالا در هنگام تغییر توان الکتریکی است. مانند سایر منابع تغذیه یک SMPS، توان را از یک منبع به یک مقصد (مصرف‌کننده) هم‌زمان با تغییر مشخصه‌های ولتاژ و جریان تبدیل می‌کند. یک SMPS معمولا برای تامین کارای، ولتاژی منظم به کار گرفته می‌شود.
برخلاف منابع تغذیه خطی، در این منابع ترانزیستوری که نقش کلید را به عهده دارد با فرکانسی حدود 50 کیلو هرتز یا بیشتر بین وضعیت قطع و اشباع در نوسان است که این خود سبب کاهش تلفات ترانزیستور می‌گردد .نسبت ولتاژ خروجی به ورودی را می‌توان با تغییر نسبت زمان روشن بودن به زمان خاموش بودن ترانزیستور تعیین کرد . در نقطه مقابل، در یک منبع تغذیه خطی برای دستیابی به ولتاژ دلخواه باید قسمتی از ولتاژ ورودی روی ترانزیستور افت کرده و تلف شود .بازده بالا مزیت اصلی یک منبع تغذیه سوئیچینگ است .
هنگامی که بازده بالاتر، ابعاد کوچک‌تر و وزن کم‌تر مد نظر باشد منابع تغذیه سوئیچینگ جایگزین منابع تغذیه خطی می‌شوند . منابع تغذیه سوئیچینگ پیچیده‌تر هستند و اگر جریان ورودی به آن‌ها به خوبی فیلتر نشود می‌تواند نویز ایجاد کند.
توضیحات
یک رگولاتور خطی با تلف کردن توان اضافی به شکل حرارت قادر است ولتاژ یا جریان خروجی را تنظیم کند بنابراین حداکثر بازده توان آن برابر است با نسبت ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی . در یک منبع تغذیه سوییچینگ ولتاژ یا جریان از طریق سویچ کردن یک المان ذخیره‌کننده انرژی مثل سلف یا خازن تنظیم می‌شود . المان‌های سوییچینگ آرمانی (ایده‌آل) (مثل ترانزیستوری که در خارج از ناحیه فعال کار می‌کند) در حالت بسته مقاومتی نداشته و در حالت باز هم جریانی از آن‌ها عبور نمی‌کند بنابراین این دسته از منابع تغذیه به لحاظ نظری می‌توانند بازده ۱۰۰ درصد داشته باشند .
(این یعنی اینکه تمامی توان ورودی به بار منتقل می‌شود و هیچ کسری از آن از طریق گرما هدر نمی‌رود ).
مزایا و معایب
مهمترین مزیت یک منبع تغذیه سوییچینگ بازده بالای آن است . از آنجایی که ترانزیستور سوییچینگ فقط در ناحیه قطع و اشباع کار می‌کند ( در حالت قطع جریان عبوری از آن ناچیز بوده و در حالت اشباع هم افت ولتاژ روی آن کم است ) بنابراین توان مصرفی آن ناچیز است که این سبب بالا رفتن بازده منبع تغذیه می‌گردد . سایر مزایای آن عبارتند از حجم و وزن کمتر ( به دلیل حذف ترانسفورماتور فرکانس پایین که وزن بالایی دارد ) و گرمای ایجاد شده کمتر (به دلیل بازده بالاتر ). معایب آن عبارتند از پیچیدگی زیاد و امکان تداخل الکترومغناطیسی و همچنین ایجاد موجک (ریپل) در فرکانس سوییچینگ و هارمونیک‌های آن
نوع ارزان قیمت این گونه منابع می‌تواند نویز الکتریکی حاصل از سوییچینگ وارد شبکه برق شهری نماید که این سبب بروز تداخل با سایر دستگاه‌های صوتی و تصویری که به همان فاز وصل شده‌اند، میگردد . منابع تغذیه سوییچینگ فاقد تصحیح ضریب توان نیز ممکن است اعوجاج هارمونیک ایجاد نمایند .
مقایسه منابع تغذیه سوییچینگ و خطی
منابع تغذیه خطی
منابع تغذیه سوییچینگ
ملاحظات
وزن و ابعاد
در منابع با توان بالا هیت‌سینک مورد نیاز است که ابعاد منبع را افزایش می‌دهد . استفاده از ترانسفورمرهای فرکانس پایین، به حجم و سنگینی دستگاه می‌افزاید .
در بعضی منابع ممکن است از ترانسفورمر (یا سلف )استفاده شود که البته به دلیل فرکانس کاری بالا، سنگینی و ابعاد ترانسفورمر زیاد نیست .
برای یک ابعاد و وزن مشخص، توان یک ترانسفورمر با فرکانس نسبت مستقیم دارد البته به شرط اینکه بتوان تلفات هیسترزیس را پایین نگه داشت .به عبارت دیگر فرکانس کاری بالاتر به معنای ابعاد کوچک‌تر است .
ولتاژ خروجی
در صورت استفاده از ترانسفورمر، می‌توان در خروجی به هر ولتاژ دلخواهی دست یافت . در منابع خطی بدون ترانسفورمر ولتاژ خروجی از ورودی بیشتر نخواهد شد
در صورت عدم استفاده از رگولاتور، ولتاژ خروجی با بار تغییر می‌کند .
هیچ گونه محدودیتی در ولتاژ خروجی نداریم . در بیشتر مدارات فقط ولتاژ شکست ترانزیستور می‌تواند محدودکننده باشد . ولتاژ خروجی با بار تغییری نمی‌کند .
یک منبع تغذیه سوییچینگ می‌تواند برای دامنه گسترده‌تری از ولتاژهای ورودی و خروجی جوابگو باشد.
کارایی، توان و گرمای تلفاتی
در منابع تغذیه دارای رگولاتور، بازده عمدتا بسته به اختلاف بین ولتاژ ورودی و خروجی است .ولتاژ خروجی از طریق تلف کردن توان اضافی به شکل حرارت، تنظیم می‌گردد که این سبب می‌شود بازده منبع تغذیه به حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد محدود شود . در منابع تغذیه فاقد رگولاتور، تلفات مسی و آهنی ترانسفورمر تنها عامل موثر بر کارایی منبع تغذیه است .
ولتاژ خروجی از طریق کنترل سیکل وظیفه (دیوتی سایکل) تنظیم می‌گردد . ترانزیستورها یا کاملا روشن (حالت اشباع)هستند یا کاملا خاموش (حالت قطع) بنابراین تلفات اهمی بین ورودی و بار وجود ندارد . حرارت ایجاد شده ناشی از ویژگی‌های غیر آرمانی اجزای مدار و همچنین جریان حالت دایم مدار کنترل‌کننده می‌باشد .
تلفات سوییچینگ در ترانزیستورها ( به خصوص در بازه زمانی کوتاهی از هر دوره تناوب که ترانزیستور در حال‌گذار است )، مقاومت حالت روشن ترانزیستور‌ها، مقاومت معادل سری در سلف‌ها و خازن‌ها، تلفات هسته در سلف‌ها و افت ولتاژ روی دیودها همه و همه سبب می‌گردند که کارایی یک منبع تغذیه سوییچینگ نوعا بین ۶۰ تا ۷۰ درصد باشد . با وجود این با یک طراحی بهینه مثلا استفاده از فرکانس سوییچینگ بهینه، اجتناب از اشباع سلف‌ها و یکسوسازی فعال، می‌توان به بازده ۹۵ درصد هم رسید .
پیچیدگی
یک منبع تغذیه خطی تنظیم نشده می‌تواند صرفا از یک دیود و یک خازن تشکیل شود . در منابع تنظیم شده یک مدار گسسته یا مجتمع برای تنظیم کردن ولتاژ خروجی وجود دارد . این مدار ( و همچنین معیار پایداری حلقه بازخورد آن ) نسبت به منابع تغذیه سوییچینگ، پیچیدگی کمتری دارد .
در این دسته از منابع یک مدار مجتمع کنترل‌کننده، یک یا چند ترانزیستور و دیود قدرت، یک ترانسفورمر قدرت و چندین سلف و خازن پالاینده (فیلتر) وجود دارند .طراحی این دسته از منابع دارای پیچیدگی‌هایی است که در منابع تغذیه خطی نظیر آن را نمی‌توان یافت .
در منابع تغذیه سوییچینگ با یک ترانسفورمر می‌توان در خروجی چندین ولتاژ بدست آورد . یکی از این ولتاژهای خروجی باید برای رگولاسیون ولتاژ حلقه بازخورد استفاده شود .
تداخل فرکانس رادیویی
در بار زیاد، دیودهای یکسوساز ممکن است تداخل فرکانس بالای ناچیزی ایجاد کنند . در کابل‌های فاقد حفاظ (شیلد) هوم القا می‌کنند که می‌تواند در فرکانس صوتی مشکل ساز باشد .
به این دلیل که جریان بطور ناگهانی قطع و وصل می‌شود، این دسته از منابع مستعد ایجاد تداخل فرکانس رادیویی و الکترومغناطیسی می‌باشند . لذا برای کاهش تداخل باید از پالایه (فیلتر)های تداخل الکترومغناطیسی و همچنین حفاظ‌های فرکانس رادیویی بهره جست .
در منابع تغذیه سوییچینگ وجود سیمهای ارتباطی بلند بین اجزای مدار می‌تواند کارایی پالایه (فیلتر)‌های فرکانس بالا را کاهش دهد .
نویز الکترونیکی در ترمینال‌های خروجی
در منابع تغذیه تنظیم نشده یک موجک (ریپل) با فرکانس دو برابر برق شهری (۱۰۰ یا ۱۲۰هرتز) روی مولفه جریان مستقیم سوار خواهد شد .این موجک می‌تواند در دستگاه‌های صوتی ایجاد هوم نموده و در دوربین‌های امنیتی سبب نوسان در شدت روشنایی تصویر یا اعوجاج شود.
فرکانس سوییچینگ سبب می‌شود که این گونه منابع نویز بیشتری ایجاد کنند . در صورتی که خروجی فیلتر نشود می‌تواند در مدارات صوتی ایجاد نویز نموده و در مدارات دیجیتال نیز نوسانات ناخواسته ایجاد نماید .
به کمک خازن‌ها و سایر مدارات پالاینده (فیلترینگ) می‌توان نویز را حذف نمود . در منابع تغذیه سوییچینگ می‌توان با انتخاب فرکانس سوییچینگ، نویز را از محدوده فرکانس کاری دستگاه دور نگه داشت مثلا در دستگاه‌های صوتی می‌توان فرکانس سوییچینگ را بالاتر از محدوده شنوایی انتخاب نمود .
نویز الکترونیکی در ترمینال‌های ورودی
می‌تواند اعوجاج هارمونیک ایجاد نماید ولی نویز فرکانس بالای آن ناچیز است .
منابع تغذیه سوییچینگ ارزان قیمت می‌تواند نویز الکتریکی حاصل از سوییچینگ وارد شبکه برق شهری نماید که این سبب بروز تداخل با سایر دستگاه‌های صوتی و تصویری که به همان فاز وصل شده‌اند، میگردد . منابع تغذیه سوییچینگ فاقد تصحیح ضریب توان نیز ممکن است اعوجاج هارمونیک ایجاد نمایند .
در صورت استفاده از یک فیلتر تداخل الکترومغناطیسی بین پل دیودی و ترمینال‌های ورودی، می‌توان از ایجاد نویز پیشگیری کرد .
نویز آکوستیک
هوم بسیار ضعیفی ایجاد می‌کنند که عامل آن لرزش لایه‌های سیم پیچ ترانسفورمر می‌باشد .
معمولا برای انسان قابل شنیدن نیست مگر اینکه منبع تغذیه دارای فن باشد، درست کار نکند یا اینکه فرکانس سوییچینگ در محدوده قابل شنیدن باشد یا لایه‌های سیم پیچ‌ها در یکی از زیر هارمونیک‌های فرکانس کاری شروع به لرزش کند .
در بعضی از منابع تغذیه سوییچینگ در حالت بدون بار فرکانس کاری ممکن است در محدوده شنوایی انسان قرار گیرد و در نتیجه برای کسانی که مشکل هایپراکوسیس دارند قابل شنیدن باشد .
ضریب توان
در منابع تغذیه دارای رگولاتور ضریب توان پایین است زیرا جریان در قله (پیک) ولتاژ سینوسی از خط کشیده می‌شود .
از اعداد خیلی پایین تا متوسط در تغییر است زیرا در یک منبع تغذیه سوییچینگ فاقد تصحیح ضریب توان، جریان در قله ولتاژ سینوسی از خط کشیده می‌شود .
در منابع تغذیه سوییچینگ تصحیح ضریب توان فعال یا غیر فعال می‌تواند این مشکل را حل نموده و حتی در بعضی از کشورهای اروپایی این کار الزامی است . در یک منبع تغذیه خطی، مقاومت داخلی یک ترانسفورمر معمولا حداکثر جریان را در هر تناوب محدود نموده و به این ترتیب ضریب توان آن از یک منبع تغذیه سوییچینگ بهتر است .
جریان هجومی وارده به منبع
در یک منبع تغذیه خطی در لحظه اتصال به برق شهری تا هنگامی که شار مغناطیسی ترانسفورمر به یک حد پایدار برسد و خازن‌ها کاملا شارژ شوند جریان هجومی بالا است .
جریان هجومی فوق العاده بالاست و فقط توسط امپدانس ورودی منبع تغذیه و مقاومت‌های سری با خازن محدود می‌گردد .
خازن‌های پالاینده (فیلتر) خالی در ابتدای کار برای پر شدن جریان زیادی می‌کشند که بسیار بیشتر از جریان حالت عادی منبع می‌باشد این امر به اجزایی از مدار که در معرض این جریان هجومی قرار دارند فشار وارد نموده وانتخاب فیوز مناسب را مشکل می‌کند .
خطر برق گرفتگی
در منابع تغذیه دارای ترانسفورمر امکان زمین کردن بدنه و هسته ترانسفورمر وجود دارد . چنانچه عایق بین سیم پیچی اولیه و ثانویه از بین برود، خطر برق گرفتگی وجود دارد که البته با طراحی صحیح می‌توان جلو آن را گرفت . منابع تغذیه خطی بدون ترانسفورمر ذاتا خطرناک هستند . در منابع تغذیه خطی و سوییچینگ باید ولتاژ ورودی و گاهی خروجی را ایزوله نمود .
خط مرجع و بدنه دستگاه به ولتاژی برابر نصف ولتاژ برق شهر اما با امپدانس بالا متصل شده‌است مگر اینکه بدنه به زمین وصل شده باشد یا اینکه در ورودی منبع فیلتر تداخل الکترومغناطیسی موجود نباشد .
بنابر مقررات مربوط به تداخل الکترومغناطیسی و فرکانس رادیویی، بیشتر منابع تغذیه سوییچینگ در ورودی خود قبل از پل دیودی دارای مدار فیلتر تداخل الکترومغناطیسی بوده که از تعدادی خازن و سلف تشکیل شده‌است . دو خازن که یکی به فاز و دیگری به نول وصل است به هم سری شده‌اند سر وسط یرای اتصال به زمین در نظر گرفته شده‌است . این یک تقسیم ولتاژ خازنی ایجاد می‌کند که خط مرجع دستگاه را به ولتاژی برابر نصف برق شهر متصل می‌کند .امپدانس بالای این خط در کاربر یک حالت گزش خفیف ایجاد می‌کند و می‌توان از آن برای راه اندازی یک نمایشگر خطای زمین استفاده کرد .
خطر آسیب به تجهیزات
بسیار پایین است مگر اینکه بین سیم پیچی اولیه و ثانویه اتصال کوتاه پیش بیاید یا اینکه رگولاتور خراب شود .
ممکن است بعلت خرابی دستگاه، ولتاژ خروجی زیاد شود . فشار بر خازن‌ها می‌تواند سبب ترکیدن آن‌ها شود .در برخی موارد ولتاژ شناور می‌تواند به طبقه ورودی آمپلی‌فایرها آسیب برساند .
ولتاژ شناور توسط خازن‌هایی ایجاد می‌شود که اولیه و ثانویه منبع تغذیه سوییچینگ را به هم وصل می‌کنند . چنانچه ثانویه به زمین وصل شود یک جریان لحظه‌ای و بالقوه مخرب از این خازن عبور خواهد کرد .