مدیریت منابع تغذیه

مبدل کاهنده

مبدل DC به DC کاهنده ولتاژ

مبدل باک (Buck) یا کاهنده نوعی مبدل مدیریتمنابع تعذیه DC به DC است که ولتاژ ورودی به خروجی را کاهش می دهد و در عین حال راندمان را بالا نگه می‌دارد. مبدل‌های باک به طور گسترده در کاربردهایی که نیاز به ولتاژ پایین‌تر رگوله شده دارند، مانند وسایل الکترونیکی قابل حمل و سیستم‌های امبدد یا تعبیه شده استفاده می‌شوند.

اجزای اصلی یک مبدل باک عبارتند از:

منبع ولتاژ ورودی (Vin): این منبع تغذیه مبدل است.

سوئیچ (معمولا ماسفت): این سوئیچ با روشن و خاموش شدن در فرکانس مشخص، جریان جریان از سلف را کنترل می‌کند.

سلف (L): این قطعه انرژی را ذخیره می‌کند و آن را به صورت کنترل شده به خروجی اختصاص می‌دهد.

دیود (D): مسیری را برای عبور جریان در هنگام خاموش بودن کلید فراهم می‌کند.

خازن خروجی (Cout): این قطعه ولتاژ خروجی را فیلتر می‌کند و خروجی ثابت و هموار (smooth) را ارائه می‌دهد.

بار (R): دستگاه یا قطعه ای که توان خروجی را مصرف می‌کند.

مدار کنترل: این قطعه عملیات سوئیچینگ را برای حفظ ولتاژ خروجی پایدار مدیریت می‌کند.

عملکرد یک مبدل باک را می توان به دو فاز اصلی تقسیم کرد:

زمان روشن (On-time): وقتی کلید روشن است، جریان از سلف (L) عبور می‌کند و به صورت خطی افزایش می‌یابد. دیود بایاس معکوس است و سلف انرژی را در میدان مغناطیسی خود ذخیره می‌کند.
زمان خاموش (Off-time): هنگامی که کلید خاموش می‌شود، میدان مغناطیسی سلف فرو می ریزد و باعث می‌شود جریان از طریق دیود به خازن خروجی و بار عبور کند. ولتاژ خروجی (Vout) در این مرحله حفظ می‌شود.

نسبت ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی در مبدل باک را می توان با تنظیم د.یوتی سایکل کلید، که درصدی از زمان روشن بودن کلید است، کنترل کرد. راندمان مبدل به فرکانس سوئیچینگ، کیفیت قطعات و طراحی بستگی دارد، با راندمان معمولی از 75٪ تا 95٪.

سوالات متداول

مدولاسیون عرض پالس (PWM) و مبدل های باک هر دو تکنیک هایی هستند که در الکترونیک قدرت برای کنترل و تبدیل سیگنال‌های الکتریکی استفاده می‌شوند. با این حال، آنها اهداف مختلفی را دنبال می‌کنند و اصول عملیاتی متمایز دارند:

مدولاسیون عرض پالس (PWM): PWM یک تکنیک مدولاسیون است که برای کنترل عرض پالس ها در سیگنال استفاده می‌شود. یک سیگنال آنالوگ پیوسته را با تنظیم دیوتی سایکل، که نسبت زمان روشن بودن به کل دوره تناوب شکل موج است، به یک سیگنال دیجیتال رمزگذاری می‌کند. این تکنیک به طور گسترده در کاربردهای مختلف از جمله کنترل سرعت موتور، کنترل روشنایی LED و منابع تغذیه سوئیچینگ استفاده می‌شود. مزیت اصلی PWM توانایی آن در کنترل توان تحویلی به یک بار بدون اتلاف انرژی قابل توجه به شکل گرما است.

مبدل باک یا کاهنده : مبدل باک که به عنوان مبدل کاهنده نیز شناخته می‌شود، نوعی تنظیم کننده ولتاژ سوئیچینگ است که برای تبدیل ولتاژ ورودی بالاتر به ولتاژ خروجی کمتر و حفظ راندمان بالا استفاده می‌شود. مبدل باک با روشن و خاموش کردن سریع کلید کار می‌کند. هنگامی که سوئیچ روشن است، ولتاژ ورودی بر روی یک سلف اعمال می‌شود که انرژی را در میدان مغناطیسی خود ذخیره می‌کند. هنگامی که کلید خاموش است، انرژی ذخیره شده در سلف آزاد می‌شود و ولتاژ خروجی کمتر مورد نظر را فراهم می‌کند. ولتاژ خروجی را می‌توان با تنظیم دیوتی سایکل سیگنال PWM که سوئیچ را کنترل می‌کند، تنظیم کرد.

به طور خلاصه، PWM تکنیکی است که برای کنترل دیوتی سایکل یک سیگنال استفاده می‌شود، در حالی که مبدل باک نوع خاصی از تنظیم‌کننده ولتاژ است که از PWM برای تبدیل ولتاژ ورودی بالاتر به ولتاژ خروجی پایین‌تر استفاده می‌کند. آنها به این معنا مرتبط هستند که PWM اغلب برای کنترل عملکرد سوئیچینگ در مبدل باک استفاده می‌شود، اما آنها اهداف متفاوتی را انجام می دهند و عملکردهای متمایزی در الکترونیک قدرت دارند.

انتخاب بین ماسفت، IGBT یا ترانزیستور دوقطبی (BJT) برای مبدل باک به نیازها و کاربردهای خاص مانند ولتاژ ورودی، جریان خروجی، فرکانس سوئیچینگ و بازده بستگی دارد.

  1. ماسفت (ترانزیستور اثر میدانی فلز-اکسید-نیمه هادی): ماسفت ها به دلیل سرعت سوئیچینگ بالا، RDS(on) پایین و الزامات کم درایو گیت، به طور گسترده در مبدل های باک استفاده می‌شوند. آنها برای کاربردهایی با سطوح ولتاژ پایین‌تر (معمولا زیر 200 ولت) و فرکانس‌های سوئیچینگ بالاتر (معمولا بالای 100 کیلوهرتز) ایده آل هستند. ماسفت‌ها راندمان بالا، تلفات رسانایی کم و عملکرد حرارتی عالی را ارائه می‌دهند.
  2. IGBT (ترانزیستور دوقطبی با دروازه عایق): IGBT ها برای کاربردهای ولتاژ بالاتر (معمولا بالای 200 ولت) و فرکانس های سوئیچینگ متوسط (معمولاً بین 10 کیلوهرتز و 100 کیلوهرتز) مناسب هستند. آنها مزایای هر دو BJT و MOSFET را با هم ترکیب می‌کنند و قابلیت کنترل ولتاژ و جریان بالا، سرعت سوئیچینگ متوسط و افت ولتاژ در حالت نسبتاً کم (VCE(sat)) را ارائه می‌دهند. با این حال، IGBT ها در مقایسه با ماسفت‌ها تلفات سوئیچینگ بالاتری دارند، که باعث می‌شود در فرکانس‌های سوئیچینگ بسیار بالا کارایی کمتری داشته باشند.
  3. BJT (ترانزیستور اتصال دوقطبی): BJT ها معمولاً قبل از رواج گسترده MOSFET و IGBT در مبدل های کاهنده استفاده می‌شدند. BJT ها نسبت به ماسفت ها دارای ولتاژ و جریان بالاتری هستند، اما به دلیل افت ولتاژ در حالت (VCE(sat)) و سرعت سوئیچ پایین‌تر، از تلفات هدایت بالاتری رنج می ‌رند. آنها همچنین نیاز به یک جریان پایه پیوسته برای باقی ماندن در حالت روشن دارند که توان مصرفی را افزایش می‌دهد. در حالی که BJT ها در مبدل های باک مدرن محبوبیت کمتری دارند، ممکن است همچنان برای کاربردهای فرکانس پایین و ولتاژ بالا مناسب باشند.

به طور خلاصه، برای اکثر کاربردهای مبدل باک، ماسفت‌ها به دلیل سرعت سوئیچینگ سریع، مقاومت کم و کارایی بالا، به ویژه در کاربردهای با ولتاژ پایین تا متوسط و فرکانس بالا، انتخاب ارجح هستند. IGBT ها برای کاربردهای ولتاژ بالا با فرکانس های سوئیچینگ متوسط مناسب‌تر هستند، در حالی که BJT ها در مبدل های باک مدرن کمتر مورد استفاده قرار می گیرند، اما ممکن است هنوز کاربردهای خاص داشته باشند.

برای طراحی مبدل باک به اجزای زیر نیاز دارید:

  1. منبع ولتاژ ورودی (Vin): این منبع تغذیه مبدل است و ولتاژی را که می‌خواهید پایین بیاورید را فراهم می‌کند.
  2. ترانزیستور سوئیچینگ: ترانزیستوری که عبور جریان را از طریق سلف کنترل می‌کند. بسته به نیازهای کاربرد شما مانند ولتاژ، جریان و فرکانس سوئیچینگ، می تواند ماسفت، IGBT یا BJT باشد.
  3. سلف (L): این قطعه پسیو؛ انرژی را در میدان مغناطیسی خود در زمان روشن بودن ترانزیستور سوئیچینگ ذخیره می‌کند و در زمان خاموشی آن را به خروجی می‌دهد. مقدار سلف بر عملکرد مبدل، راندمان و ریپل ولتاژ خروجی تأثیر می‌گذارد.
  4. دیود (D): دیود مسیری را برای عبور جریان سلف در زمانی که ترانزیستور سوئیچینگ خاموش است فراهم می کند. بسته به نیاز برنامه، می تواند یک دیود شاتکی یا یک دیود فست ریکاوری باشد.
  5. خازن خروجی (Cout): این المان پسیو  ولتاژ خروجی را فیلتر و صاف می‌کند و خروجی پایداری را ارائه می‌دهد. مقدار و نوع خازن بر ریپل ولتاژ خروجی و پاسخ گذرای مبدل کاهنده اثر می گذارد.
  6. مدارهای فیدبک و کنترل: این می تواند شامل یک مرجع ولتاژ، تقویت کننده خطا، و کنترل کننده PWM (مانند یک آی سی اختصاصی یا یک میکروکنترلر) برای تنظیم ولتاژ خروجی باشد. مدار کنترل ولتاژ خروجی را نظارت می کند، آن را با ولتاژ مرجع مقایسه می کند و دیوتی سایکل ترانزیستور سوئیچینگ را برای حفظ ولتاژ خروجی پایدار تنظیم می کند.
  7. مقاومت و خازن های حلقه کنترل: این اجزا عملکرد، پایداری و پاسخ گذرای لوپ کنترل را تنظیم می‌کنند.
  8. اجزای اختیاری: بسته به نیازهای خاص کاربرد شما، ممکن است به اجزای اضافی مانند خازن های فیلتر ورودی/خروجی، مدارهای snubber، مدار soft-start یا ویژگی‌های حفاظتی (مانند اضافه ولتاژ، جریان اضافه یا حفاظت حرارتی) نیاز داشته باشید.

هنگامی که تمام اجزای لازم را جمع آوری کردید، باید مدار مبدل باک را با در نظر گرفتن ولتاژ خروجی مورد نظر، جریان بار، بازده و پاسخ گذرا طراحی کنید. انتخاب قطعات و چیدمان مناسب برای اطمینان از عملکرد بهینه و به حداقل رساندن مسائلی مانند نویز، ریپل ولتاژ و مدیریت حرارتی ضروری است.

  1. تعیین مشخصات فنی: محدوده ولتاژ ورودی (Vin)، ولتاژ خروجی مورد نظر (Vout) و حداکثر جریان خروجی (Iout) را بر اساس کاربرد خود تعیین کنید. همچنین بازده و ریپل ولتاژ خروجی قابل قبول.
  2. تعیین فرکانس سوئیچینگ (fsw): انتخاب یک فرکانس سوئیچینگ مناسب، درواقع مبادله بین بازده، اندازه قطعه و هزینه است. فرکانس‌های بالاتر، بکارگیری سلف‌ها و خازن‌های کوچک‌تر را ممکن می‌سازد، اما ممکن است تلفات سوئیچینگ بیشتری ایجاد کند. رنج نرمال آن نیز از 100 کیلوهرتز تا 2 مگاهرتز متغیر است.
  3. انتخاب ترانزیستور سوئیچینگ: یک ترانزیستور مناسب (MOSFET، IGBT یا BJT) بر اساس ولتاژ ورودی، جریان خروجی و فرکانس سوئیچینگ انتخاب کنید. اطمینان حاصل کنید که درجه بندی ولتاژ و جریان ترانزیستور از حداکثر ولتاژ ورودی و جریان خروجی مورد نیاز بیشتر است. همچنین، مقاومت RDS (روشن) ترانزیستور  یا افت ولتاژ در حالت (VCE(sat)) را برای کاربرد هدف در نظر بگیرید.
  4. محاسبه دیوتی سایکل (D): دیوتی سایکل مورد نیاز برای دستیابی به ولتاژ خروجی مورد نظر را با استفاده از فرمول زیر تعیین کنید:

D = Vout / Vin (برای حالت هدایت پیوسته)

4. طراحی مدار کنترل: یک متد کنترل مناسب (حالت ولتاژ یا جریان) را انتخاب کنید و حلقه کنترل را با استفاده از یک آی سی کنترلر PWM اختصاصی یا یک میکروکنترلر پیاده سازی کنید. حلقه کنترل معمولاً از یک  ولتاژ رفرنس، تقویت کننده خطا و ژنراتور PWM تشکیل شده است.
5. انتخاب سلف (L): مقدار سلف مناسب را بر اساس جریان خروجی مورد نظر، فرکانس سوئیچینگ و ریپل ولتاژ خروجی انتخاب کنید. یک دستورالعمل متداول این است که یک سلف با مقداری انتخاب کنید که منجر به موج دار شدن جریان سلف پیک به پیک بین 20 تا 40 درصد حداکثر جریان خروجی شود.
6. انتخاب دیود (D): دیودی را با نرخ ولتاژ و زمان فست ریکاوری مناسب برای کاربرد مدنظرتان  انتخاب کنید. دیودهای شاتکی به دلیل افت ولتاژ فوروارد کم و ویژگی های سوئیچینگ سریع اغلب ترجیح داده می‌شوند.
7. انتخاب خازن خروجی (Cout): خازن خروجی ای را انتخاب کنید که موج ولتاژ خروجی قابل قبول و پاسخ گذرا خوبی را ارائه دهد. مقدار خازن به فرکانس سوئیچینگ، جریان خروجی و ریپل ولتاژ مورد نظر بستگی دارد.
8. طراحی شبکه فیدبک: شبکه فیدبک را با استفاده از مقاومت ها و خازن ها برای تنظیم عملکرد، پایداری و پاسخ گذرا حلقه کنترل پیاده سازی کنید.
9. اجزای اختیاری: خازن های فیلتر ورودی/خروجی، مدارهای snubber، مدار  soft-star، یا ویژگی های حفاظتی (مانند ولتاژ اضافه، جریان اضافه یا حفاظت حرارتی) را در صورت نیاز برای کاربرد خاص خود اضافه کنید.
10 چیدمان PCB: لی اوت PCB را طراحی کنید، از قرار دادن قطعات و مسیریابی مناسب اطمینان حاصل کنید تا نویز، امواج ولتاژ و مسائل حرارتی را به حداقل برسانید.
11. تست و اعتبارسنجی: مبدل باک را مونتاژ کرده و عملکرد آن را در شرایط عملیاتی مختلف آزمایش کنید. تأیید کنید که مشخصات مورد نظر مطابقت دارد و هرگونه تنظیمات لازم را در طراحی انجام دهید.

به یاد داشته باشید که اینها دستورالعمل های کلی هستند و ملاحظات طراحی خاص ممکن است بسته به برنامه شما متفاوت باشد. ضروری است که الزامات خود را به دقت تجزیه و تحلیل کنید و از دیتاشیت و اپلیکیشن نوت های مربوطه برای اجزای انتخابی خود استفاده کنید.

در اینجا لیستی از 10 آی سی محبوب برای مدار فیدبک و کنترل در مبدل های باک آورده شده است. این آی سی ها از تولید کنندگان مختلف در دسترس هستند و با ویژگی‌های مختلفی برای پاسخگویی به طیف گسترده ای از کاربردها ارائه می‌شوند:

  1. LM2675 (Texas Instruments): یک رگولاتور باک یکپارچه سوئیچر ساده با ولتاژ خروجی قابل تنظیم.

  2. LM2678 (Texas Instruments): یک رگولاتور باک یکپارچه سوئیچر ساده با ولتاژ خروجی قابل تنظیم و ویژگی‌های اضافی مانند enable pin و محافظت در برابر دما.

  3. LM22676 (Texas Instruments): یک محدوده ولتاژ ورودی گسترده، تنظیم کننده ولتاژ خروجی باک قابل تنظیم با قابلیت جریان خروجی 3A.

  4. LM2673 (Texas Instruments): یک رگولاتور باک یکپارچه سوئیچر ساده با درجه جریان خروجی 3A و ولتاژ خروجی قابل تنظیم.

  5. LM3150 (Texas Instruments): محدوده ولتاژ ورودی گسترده، تنظیم کننده ولتاژ خروجی قابل تنظیم با قابلیت جریان خروجی 12A و ویژگی های کنترل پیشرفته.

  6. LM2731 (Texas Instruments): یک رگولاتور باک ولتاژ خروجی با فرکانس بالا و قابل تنظیم با  نرخ جریان خروجی 1 آمپر.

  7. MP2307 (Analog Devices): یک ورودی 3A، 23 ولت، تنظیم کننده ولتاژ خروجی قابل تنظیم با MOSFET یکپارچه high-side

  8. LMZ22010 (Texas Instruments): یک رگولاتور ولتاژ ورودی گسترده 10 آمپری، تنظیم کننده باک ولتاژ خروجی قابل تنظیم با سلف و ماسفت یکپارچه.

  9. LM2677 (Texas Instruments): یک رگولاتور باک یکپارچه سوئیچر ساده با ولتاژ خروجی قابل تنظیم و جریان خروجی 5A.

  10. LT8610 (Analog Devices): یک رگولاتور باک ولتاژ خروجی با راندمان بالا، ورودی 3.5 آمپر، 42 ولت، با ولتاژ خروجی پایین و ماسفت یکپارچه high-side.

اینها تنها چند نمونه از تعداد زیادی آی سی مبدل باک یکپارچه موجود در بازار هستند. بسته به نیازهای خاص خود، می توانید یک آی سی با ویژگی هایی مانند ولتاژ خروجی قابل تنظیم، محدوده ولتاژ ورودی گسترده، نرخ جریان های مختلف، ویژگی های حفاظتی و گزینه های کنترل پیشرفته را انتخاب کنید. برای اطلاعات دقیق در مورد هر IC و اجرای صحیح آن، همیشه به دیتاشیت و اپلیکیشن نوت های ارائه شده توسط سازندگان مراجعه کنید.