Power
Management
مدیریت منابع تغذیه (Power Management) به فرآیند مانیتورینگ، کنترل و بهینه سازی استفاده از توان الکتریکی در قطعات یا سیستم‌های الکترونیکی اشاره دارد. هدف اصلی آن به حداقل رساندن مصرف انرژی با حفظ عملکرد و کارایی سیستم است. این امر به ویژه برای دستگاه‌هایی که با باتری کار می‌کنند مانند لپ‌تاپ، تلفن‌های هوشمند و تبلت‌ها که بهره‌وری انرژی برای افزایش عمر باتری و کاهش هزینه‌های انرژی بسیاراثرگذار است، مهم است.
چندین تکنیک در مدیریت منابع تغذیه استفاده می‌شود:
- مقیاس ولتاژ و فرکانس دینامیک (DVFS): این تکنیک شامل تنظیم ولتاژ و فرکانس اجزای یک سیستم برای مطابقت با حجم کاری فعلی است که در نتیجه موجب بهینه سازی مصرف انرژی خواهد شد.
- کلاک گیتینگ (Clock Gating): این تکنیک با غیرفعال کردن سیگنال کلاک به اجزا یا زیرسیستم‌های غیرفعال، مصرف انرژی را کاهش می‌دهد و از مصرف انرژی برای قطعات؛ در زمانی که استفاده نمی‌شوند، جلوگیری میکند.
- پاور گیتینگ: گیتینگ برق شامل خاموش کردن منبع تغذیه قطعات بیکار است که در نتیجه صرفه جویی قابل توجهی در مصرف برق می‌شود.
- اسلیپ مد (Sleep Modes): بسیاری از دستگاه‌ها مدهای اسلیپ یا آماده به کار مختلفی دارند که وقتی دستگاه در حال استفاده فعال نیست، مصرف انرژی را کاهش می‌دهد.
اجرای استراتژی‌های مدیریت توان موثر می‌تواند مصرف انرژی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد، عمر باتری را افزایش و هزینه های انرژی را کاهش دهد. علاوه بر این، با به حداقل رساندن انتشار گازهای گلخانه‌ای مرتبط با تولید انرژی، به کاهش اثرات زیست محیطی دستگاه های الکترونیکی نیز کمک میکند.
به نوآوری در طراحی و تولید ماژول‌های مدیریت منابع تغذیه خود ادامه خواهیم داد
مدیریت منابع تغذیه
فوق فزاینده
مبدل DC به DC -افزاینده یا کاهنده ولتاژ ورودی
پوش-پول
مبدل DC به DC - کاربردهای توان پایین تا متوسط
سپیک
مبدل DC به DC - ولتاژ خروجی رگوله شده
زتا
مبدل DC به DC - ولتاژ خروجی رگوله شده
کاهنده (باک)
مبدل DC به DC کاهنده ولتاژ
افزاینده (بوست)
مبدل DC به DC افزاینده ولتاژ
کاهنده و افزاینده (باک بوست)
مبدل DC به DC با مقدار ولتاژ خروجی
فلای بک
مبدل DC-DC ایزوله-افزایش یا کاهش ورودی
نیم پل
مبدل DC به DC - کاربردهای توان بالا
چوک
مبدل DC-DC - افزایش یا کاهش ولتاژ ورودد
رگولاتور خطی
رگولاتور خطی برای حفظ یک ولتاژ ثابت
فوروارد
مبدل ایزوله DC به DC- توان کم تا متوسط
تمام پل
مبدل DC به DC - کاربردهای توان بالا
رزونانسی LLC
کاهش تلفات سوئیچینگ و بهبود کارایی
سوالات متداول
توپولوژی های مختلف تبدیل الکتریکی چیست؟
در اینجا لیستی از توپولوژی‌های مختلف مبدل به همراه محدوده کارایی معمول آنها آمده است:
مبدل باک (کاهنده ولتاژ) – 85-95٪
مبدل بوست (افزاینده ولتاژ) – 85-95٪
مبدل باک بوست – 75-95٪
مبدل چوک یا کاک (Cuk)– 80-95٪
مبدل فلای بک (Flyback) – 70-90٪
مبدل فوروارد (Forward) – 75-90٪
مبدل پوش پول (Push-Pull) – 80-95٪
مبدل نیم پل – 85-98٪
مبدل تمام پل – 85-98٪
مبدل سپیک (Sepic) – 75-90%
مبدل زتا – 75-90٪
مبدل رزونانسی سری LLC رنج کاری – 90-98٪
مبدل فوق فزاینده – 85-95٪
لطفاً توجه داشته باشید که این مقادیر کارایی محدوده‌های تیپیکال و نوعی هستند و بسته به طراحی خاص، اجزای مورد استفاده و شرایط عملیاتی می‌توانند متفاوت باشند.
توضیحات بیشتر موارد بالا را در بخش زیر مشاهده کنید:
توپولوژی مبدل‌ها در الکترونیک قدرت چیست؟
- مبدل باک (کاهنده): یک مبدل باک ولتاژ ورودی را به ولتاژ خروجی کمتر کاهش می دهد در حالی که راندمان بالایی را حفظ می کند (معمولاً بین 85-95٪). با تغییر ولتاژ ورودی در یک سلف، ذخیره انرژی در میدان مغناطیسی آن و آزاد کردن آن به خروجی عمل میکند. ولتاژ خروجی را می توان با کنترل چرخه وظیفه سیگنال سوئیچینگ تنظیم کرد. مبدل باک برای کاربردهایی که نیاز به کاهش ولتاژ دارند مناسب است و سادگی، موج خروجی کم و پاسخ گذرا خوب را ارائه می دهد.
- مبدل تقویت کننده (مبدل مرحله به بالا): یک مبدل تقویت کننده ولتاژ ورودی را به ولتاژ خروجی بالاتر افزایش می دهد و در عین حال راندمان بالایی را حفظ می کند (معمولاً در حدود 85-95٪). انرژی را در یک سلف در زمان “روشن” سوئیچ ذخیره می کند و در زمان “خاموش” آن را به خروجی رها می کند. ولتاژ خروجی را می توان با کنترل چرخه وظیفه سیگنال سوئیچینگ تنظیم کرد. مبدل های تقویت کننده برای کاربردهایی که نیاز به افزایش ولتاژ دارند و اندازه فشرده، انعطاف پذیری و جریان ورودی کم را ارائه می دهند؛ ایده‌آل هستند.
- مبدل Buck-Boost: یک مبدل باک بوست بسته به چرخه کاری سیگنال سوئیچینگ می تواند ولتاژ ورودی را افزایش یا کاهش دهد. بازده آن از 75 تا 95 درصد متغیر است. این ولتاژ خروجی را فراهم می کند که می تواند بالاتر یا کمتر از ولتاژ ورودی باشد، و آن را برای کاربردهایی با سطوح ولتاژ ورودی متفاوت یا محدوده ولتاژ خروجی وسیع مورد نیاز می کند. انعطاف پذیری و ریپل خروجی کم را ارائه می دهد، اما ممکن است مدارهای کنترلی پیچیده تری در مقایسه با مبدل های باک یا بوست داشته باشد.
- مبدل چوک یا کاک( Ćuk): مبدل Ćuk یک مبدل DC-DC است که می تواند ولتاژ ورودی را افزایش یا کاهش دهد. راندمان آن معمولاً حدود 80-95٪ است. دارای جریان و ولتاژ ریپل خروجی کم است که آن را برای کاربردهایی که به نویز کم و راندمان بالا نیاز دارند مناسب می کند. مبدل چوک پاسخ گذرا، جریان های ورودی و خروجی پیوسته را ارائه می دهد، اما ممکن است تعداد اجزا و پیچیدگی بیشتری در مقایسه با توپولوژی‌های دیگر داشته باشد.
- مبدل فلای بک: مبدل فلای بک یک مبدل DC-DC ایزوله است که می تواند ولتاژ ورودی را افزایش یا کاهش دهد در حالی که ایزوله الکتریکی بین ورودی و خروجی ایجاد می کند. راندمان آن معمولاً در محدوده 70-90٪ است. معمولاً در منابع تغذیه AC-DC، شارژرهای باتری و درایورهای LED استفاده می‌شود، جایی که به جداسازی و ولتاژهای خروجی متعدد نیاز است. مبدل فلای بک طراحی ساده و کم هزینه را ارائه می دهد، اما ممکن است ریپل خروجی بالاتر و بازده کمتری در مقایسه با سایر توپولوژی های ایزوله داشته باشد.
- مبدل فوروارد: مبدل فوروارد یکی دیگر از مبدل های DC-DC ایزوله است که می تواند ولتاژ ورودی را افزایش یا کاهش دهد. کارایی آن به طور معمول بین 75-90٪ است. راندمان بالاتر و ریپل خروجی کمتر در مقایسه با مبدل های فلای بک ارائه می دهد، اما ممکن است به مدارهای کنترل پیچیده تری نیاز داشته باشد. مبدل فوروارد برای کاربردهایی که نیاز به انزوا و قابلیت مدیریت توان بالا دارند، مانند منابع تغذیه مخابراتی و تجهیزات صنعتی مناسب است.
- مبدل پوش پول: مبدل پوش پول یک مبدل DC-DC ایزوله است که از دو سوئیچ و یک ترانسفورماتور با ضربه مرکزی برای افزایش یا کاهش ولتاژ ورودی استفاده می کند. بازده آن بین 80-95 درصد است. در مقایسه با مبدل‌های فلای‌بک و فوروارد، توانایی و کارایی بالاتری را ارائه می‌دهد، اما ممکن است به مدارهای کنترل پیچیده‌تری نیاز داشته باشد. مبدل Push Pull برای کاربردهای پرقدرت مانند منبع تغذیه سرور و شارژرهای خودروی الکتریکی مناسب است.
- مبدل های نیم پل و تمام پل: این توپولوژی های مبدل DC-DC ایزوله از دو سوئیچ (نیمه پل) یا چهار (پل کامل) و یک ترانسفورماتور برای افزایش یا کاهش ولتاژ ورودی استفاده می کنند. راندمان آنها معمولاً بین 85-98٪ متغیر است. آنها نسبت به سایر توپولوژی های مبدل ایزوله کارایی و قابلیت مدیریت توان بالاتری را ارائه می دهند، اما ممکن است به مدارهای کنترل پیچیده تری نیاز داشته باشند. مبدل های نیم پل و تمام پل برای کاربردهای پرقدرت مناسب هستند
و چند مورد خاص دیگر:
- مبدل سپیک (Sepic) : مبدل سپیک یک مبدل DC-DC است که می تواند ولتاژ ورودی را افزایش یا کاهش دهد، مشابه مبدل های باک بوست و Ćuk. کارایی آن به طور معمول بین 75-90٪ است. جریان ورودی پیوسته را ارائه می دهد و برای برنامه های حساس به موج جریان ورودی مناسب است. مبدل‌های سپیک معمولاً در سیستم‌های باتری‌دار، برنامه‌های کاربردی خودرو و منابع تغذیه با محدوده ولتاژ ورودی وسیع استفاده می‌شوند.
- مبدل زتا (Zeta): مبدل زتا یکی دیگر از مبدل های DC-DC است که می تواند ولتاژ ورودی را افزایش یا کاهش دهد. راندمان آن به طور کلی بین 75-90٪ است. دارای جریان خروجی پیوسته است که آن را برای برنامه های حساس به موج جریان خروجی مناسب می کند. مبدل زتا شباهت‌هایی با مبدل سپیک دارد و در برنامه‌هایی مانند سیستم‌های باتری‌دار، الکترونیک خودرو و منابع تغذیه با محدوده ولتاژ ورودی وسیع استفاده می‌شود.
- مبدل تشدید LLC: مبدل تشدید یا رزونانس LLC نوعی مبدل DC-DC با سوئیچ نرم است که از مدار مخزن رزونانسی برای کاهش تلفات سوئیچینگ و بهبود بازده استفاده می کند که معمولاً بین 90-98٪ متغیر است. تنظیم ولتاژ عالی و ریپل خروجی کم را فراهم می کند. مبدل رزونانس LLC برای کاربردهای پرقدرت و با راندمان بالا مانند منبع تغذیه سرور، منابع تغذیه با چگالی بالا و شارژرهای خودروی الکتریکی مناسب است.
- مبدل فوق فزاینده: مبدل تقویت کننده درجه دوم تغییری از مبدل تقویت کننده است که با استفاده از رابطه درجه دوم بین ولتاژ ورودی و خروجی، بهره ولتاژ بالاتری را ارائه می دهد. راندمان آن بین 85-95٪ است. در کاربردهایی که به نسبت افزایش ولتاژ نیاز دارند، مانند سیستم های انرژی خورشیدی، سیستم های سلول سوختی و منابع تغذیه با ولتاژ بالا مفید است.
اینها توپولوژی های مبدل اضافی در الکترونیک قدرت هستند که هر کدام ویژگی ها و حوزه های کاربردی منحصر به فرد خود را دارند. انتخاب توپولوژی مبدل به عواملی مانند الزامات ولتاژ ورودی/خروجی، راندمان، قابلیت مدیریت توان و پیچیدگی بستگی دارد.
مبدل چوک (Ćuk) چگونه کار می کند؟
مبدل چوک یا کاک (Ćuk) نوعی مبدل DC-DC است که می‌تواند ولتاژ ورودی را افزایش یا کاهش دهد. این مبدل توسط Slobodan Ćuk اختراع شد و “chook” تلفظ می‌شود. در اینجا یک مرور مختصر از نحوه عملکرد مبدل Ćuk آورده شده است:
1. اجزای کلیدی: مبدل Ćuk از دو سلف، دو خازن، یک کلید (معمولا ماسفت) و یک دیود تشکیل شده است. سلف ها و خازن ها در آرایش خاصی به هم متصل شده اند که به مبدل اجازه می‌دهد جریان ورودی و خروجی پیوسته را ارائه دهد.
2. عملکرد پایه: مبدل کاک در دو مرحله اصلی کار میکند که با باز و بسته شدن کلید کنترل می شود.
سوئیچ روشن: هنگامی که کلید بسته است (روشن)، ولتاژ ورودی به اولین سلف (L1) متصل می شود و باعث می شود جریان عبوری از آن به صورت خطی افزایش یابد. انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی L1 افزایش می یابد. به طور همزمان، سلف دوم (L2) انرژی ذخیره شده خود را به خازن خروجی (C2) و بار آزاد می کند. دیود در این مرحله بایاس معکوس می‌شود و از عبور جریان از آن جلوگیری میکند.
سوییچ خاموش: هنگامی که کلید باز است (OFF)، ولتاژ ورودی از مدار قطع می‌شود. انرژی ذخیره شده در L1 از طریق دیود به خازن دوم (C1) منتقل می‌شود که اکنون بایاس رو به جلو است. انرژی ذخیره شده در C1 سپس به L2 منتقل می‌شود که به نوبه خود آن را به خازن خروجی (C2) و بار می‌رساند.
3. رگولاسیون ولتاژ: ولتاژ خروجی مبدل چوک Ćuk را می‌توان با تنظیم دیوتی سایکل سیگنال PWM کنترل کننده سوئیچ تنظیم کرد. دیوتی سایکل نسبت زمان روشن به کل دوره شکل موج را تعیین می کند و به طور موثر میزان انرژی منتقل شده بین سلف ها و خازن ها را در طول هر سیکل سوئیچینگ کنترل میکند.
مبدل چوک یا کاک مزایایی نسبت به توپولوژی‌های دیگر مبدل دارد، مانند ریپل ولتاژ خروجی کم، جریان های ورودی و خروجی پیوسته، و توانایی افزایش یا کاهش ولتاژ ورودی. با این حال، به طور کلی طراحی مدار پیچیده‌تری دارد و تعداد اجزای آن در مقایسه با مبدل‌های دیگر، مانند مبدل‌های باک یا بوست، بیشتر است.
مبدل فلای بک چگونه کار می کند؟
مبدل فلای بک (flyback) نوعی مبدل DC-DC ایزوله است که می‌تواند ولتاژ ورودی را افزایش یا پایین بیاورد در حالی که ایزوله الکتریکی بین ورودی و خروجی ایجاد میکند. معمولاً در منابع تغذیه AC-DC، شارژرهای باتری و درایورهای LED استفاده می‌شود. در اینجا یک نمای کلی از نحوه عملکرد مبدل فلای بک آورده شده است:
1. اجزای کلیدی: مبدل فلای بک از یک کلید (معمولا ماسفت)، یک دیود، یک ترانسفورماتور با سیم پیچ اولیه و ثانویه و یک خازن خروجی تشکیل شده است. ترانسفورماتور هم ذخیره انرژی و هم جداسازی الکتریکی بین ورودی و خروجی را فراهم میکند.
2. عملکرد اصلی: مبدل فلای بک در دو مرحله اصلی کار میکند که با باز و بسته شدن سوئیچ کنترل می‌شود.
کلید روشن: هنگامی که کلید بسته است (روشن)، ولتاژ ورودی به سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور اعمال شده و باعث می‌شود جریان عبوری از آن به صورت خطی افزایش یابد. انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی ترانسفورماتور افزایش می‌یابد. در طی این مرحله، دیود بایاس معکوس می‌شود و ازعبور جریان در سیم پیچ ثانویه جلوگیری میکند.
سوییچ خاموش: هنگامی که کلید باز است (OFF)، ولتاژ ورودی از سیم پیچ اولیه جدا می‌شود و باعث فروپاشی میدان مغناطیسی می‌شود. این باعث ایجاد ولتاژ در سیم پیچ ثانویه با قطبیتی می‌شود که دیود را بایاس مستقیم میکند و اجازه می‌دهد انرژی ذخیره شده در ترانسفورماتور به خازن خروجی و بار منتقل شود.
3. رگولاسیون ولتاژ: ولتاژ خروجی مبدل فلای بک را می‌توان با تنظیم دیوتی سایکل سیگنال PWM کنترل کننده سوئیچ تنظیم کرد. دیوتی سایکل؛ نسبت زمان روشن به کل دوره شکل موج را تعیین میکند و به طور موثر مقدار انرژی منتقل شده از سیم پیچ اولیه به سیم پیچ ثانویه را در طول هر چرخه سوئیچینگ کنترل میکند.
مبدل فلای بک مزایایی مانند ایزولاسیون الکتریکی بین ورودی و خروجی، توانایی تولید ولتاژهای خروجی متعدد و طراحی نسبتاً ساده را ارائه می دهد. با این حال، می‌تواند در مقایسه با سایر توپولوژی های مبدل ایزوله، مانند مبدل های فوروارد یا پوش پول، ریپل خروجی بالاتر و بازده کمتری داشته باشد. علاوه بر این، طراحی و انتخاب ترانسفورماتور برای اطمینان از عملکرد و کارایی مناسب بسیار مهم است.
طرز کار مبدل فوروارد
مبدل فوروارد (forward) نوعی مبدل DC به DC ایزوله است که به طور گسترده در کاربردهای توان پایین تا متوسط استفاده می‌شود. با انتقال انرژی از ورودی به خروجی از طریق ترانسفورماتور در زمان روشن بودن ترانزیستور سوئیچینگ عمل میکند. ترانسفورماتور عایق گالوانیکی را بین مدارهای ورودی و خروجی فراهم میکند و ایمنی را بهبود می بخشد و کوپلینگ نویز را کاهش می دهد.
در اینجا یک توضیح گام به گام درباره نحوه عملکرد مبدل فوروارد آورده شده است:
زمان روشن (سوئیچ بسته): هنگامی که کلید (معمولا یک ماسفت یا BJT) بسته یا روشن می شود، ولتاژ ورودی (Vin) به سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور اعمال می‌شود. جریان از طریق سیم پیچ اولیه شروع به افزایش خطی میکند و هسته ترانسفورماتور انرژی را در میدان مغناطیسی خود ذخیره میکند. در طول این مدت، ولتاژ در سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور ولتاژی را در خروجی القا میکند. دیود یکسو کننده خروجی (D) بایاس مستقیم است و به جریان اجازه می دهد تا به خازن خروجی (Cout) و بار جریان یابد.
زمان خاموش (سوئیچ باز): هنگامی که کلید باز یا خاموش می شود، جریان جریان از سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور مختل می‌شود و میدان مغناطیسی در هسته فرو می‌ریزد. ولتاژ در سیم پیچ ثانویه قطبیت را معکوس میکند، دیود یکسو کننده خروجی را معکوس میکند، که عبور جریان به خروجی را مسدود میکند. در طول این مدت، خازن خروجی توان مصرفی بار را تامین می کند.
برای تنظیم مجدد میدان مغناطیسی هسته، ریست سیم پیچ یا اجزای اضافی (مانند مدار کلمپ) اغلب در مبدل های فوروارد استفاده می‌شود. این به جلوگیری از اشباع هسته کمک می کند و عملکرد کارآمد را تضمین میکند.
ولتاژ خروجی مبدل فووراد با نسبت دورهای ترانسفورماتور (Np:Ns)، ولتاژ ورودی ودیوتی سایکل (D) کلید تعیین می‌شود. ولتاژ خروجی را می‌توان با استفاده از فرمول زیر تقریب زد:
Vout ≈ (Ns / Np) * Vin * D
در جایی که Np تعداد دور سیم پیچ اولیه، Ns تعداد دور سیم پیچ ثانویه، Vin ولتاژ ورودی و D دیوتی سایکل است.
مدار کنترل، معمولاً از یک کنترلر اختصاصی PWM یا یک میکروکنترلر استفاده میکند، ولتاژ خروجی را نظارت میکند و دیوتی سایکل را برای حفظ ولتاژ خروجی پایدار تنظیم میکند. حلقه کنترل معمولاً از یک مرجع ولتاژ، یک تقویت کننده خطا و یک ژنراتور PWM تشکیل شده است. با مقایسه ولتاژ خروجی با ولتاژ مرجع و تنظیم دویتی سایکل بر این اساس، مدار کنترل تضمین میکند که ولتاژ خروجی حتی با تغییرات در ولتاژ ورودی یا شرایط بار، ثابت می ماند.
کارایی یک مبدل فوروارد به فرکانس سوئیچینگ، کیفیت قطعات و طراحی بستگی دارد. برای دستیابی به راندمان مطلوب، ریپل ولتاژ خروجی و پاسخ گذرا، انتخاب درست و بهینه اجزا، مانند طراحی ترانسفورماتور، ترانزیستور سوئیچینگ، یکسو کننده خروجی و خازن خروجی ضروری است. بازده معمول برای مبدل های فوروارد از 80٪ تا 95٪ است.
مبدل پوش پول چطور کار میکند؟
مبدل پوش پول (Push-Pull Converter) نوعی مبدل DC به DC است که معمولاً در کاربردهای توان پایین تا متوسط استفاده می‌شود. این مبدل با انتقال انرژی از ورودی به خروجی از طریق یک ترانسفورماتور سر وسط (center-tapped) طی زمان روشن بودن دو ترانزیستور سوئیچینگ مکمل عمل میکند. ترانسفورماتور عایق گالوانیکی را بین مدارهای ورودی و خروجی فراهم می کند و ایمنی را بهبود می بخشد، همچنین کوپلینگ نویز را کاهش می‌دهد.
در اینجا توضیحی گام به گام در مورد نحوه عملکرد مبدل پوش پول آورده شده است:
زمان روشن (سوئیچ بسته): هنگامی که یکی از ترانزیستورهای سوئیچینگ (Q1 یا Q2) بسته یا روشن می شود، ولتاژ ورودی (Vin) به نیمی از سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور سر وسط و دیگری اعمال می‌شود و نیم دیگر زمین می‌شود جریان از طریق سیم پیچ اولیه شروع به افزایش خطی می کند و هسته ترانسفورماتور انرژی را در میدان مغناطیسی خود ذخیره می کند. در طول این مدت، ولتاژ در سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور ولتاژی را در خروجی القا میکند. دیودهای یکسو کننده خروجی (D1 و D2) بایاس مستقیم هستند و به جریان اجازه می دهند تا به خازن خروجی (Cout) و بار جریان یابد.
زمان خاموش (سوئیچ باز): هنگامی که ترانزیستور کلید باز یا خاموش می شود، جریان جریان از سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور مختل می‌شود و میدان مغناطیسی در هسته فرو می‌ریزد. ولتاژ در سیم پیچ ثانویه قطبیت را معکوس میکند، دیودهای یکسو کننده خروجی را بایاس معکوس میکند، که جریان جریان به خروجی را مسدود میکند. در طول این مدت، خازن خروجی توان بار را تامین میکند.
سپس ترانزیستور سوئیچینگ دیگر بسته می‌شود و همان فرآیند تکرار می‌شود، اما با نیمه مخالف سیم پیچ اولیه و سیم پیچ ثانویه. به همین دلیل است که مبدل پوش پول (Push-pull) را با این عنوان می نامند زیرا به طور متناوب انرژی را از ترانسفورماتور پوش و پول میکند.
برای تنظیم مجدد میدان مغناطیسی هسته، اغلب در مبدل های پوش پول از یک سیم پیچ تنظیم مجدد یا اجزای اضافی (مانند مدار کلمپ) استفاده می شود. این به جلوگیری از اشباع هسته کمک می کند و عملکرد کارآمد را تضمین می کند.
ولتاژ خروجی مبدل پوش پول با نسبت چرخش ترانسفورماتور (Np:Ns)، ولتاژ ورودی و دیوتی سایکل (D) ترانزیستورهای سوئیچینگ تعیین می‌شود. ولتاژ خروجی را می‌توان با استفاده از فرمول زیر تقریب زد:
Vout ≈ (Ns / Np) * Vin * D
در جایی که Np تعداد دورهای یک نیمه سیم پیچ اولیه، Ns تعداد دور سیم پیچ ثانویه، Vin ولتاژ ورودی و D دیوتی سایکل است.
مدار کنترل، معمولاً از یک کنترلر اختصاصی PWM یا یک میکروکنترلر استفاده میکند، ولتاژ خروجی را نظارت و دیوتی سایکل را برای حفظ ولتاژ خروجی پایدار تنظیم میکند. حلقه کنترل معمولاً از یک مرجع ولتاژ، یک تقویت کننده خطا و یک ژنراتور PWM تشکیل شده است. با مقایسه ولتاژ خروجی با ولتاژ مرجع و تنظیم دیوتی سایکل بر این اساس، مدار کنترل تضمین میکند که ولتاژ خروجی حتی با تغییرات در ولتاژ ورودی یا شرایط بار، ثابت می‌ماند.
کارایی مبدل پوش پول به فرکانس سوئیچینگ، کیفیت قطعات و طراحی بستگی دارد. برای دستیابی به راندمان مطلوب، ریپل ولتاژ خروجی و پاسخ گذرا، انتخاب بهینه اجزاء، مانند طراحی ترانسفورماتور، ترانزیستورهای سوئیچینگ، یکسو کننده های خروجی و خازن های خروجی ضروری است. راندمان معمول برای مبدل های پوش پول از 80٪ تا 95٪ است.
طرز کار مبدل نیم پل
مبدل نیم پل (Half-Bridge) نوعی مبدل DC به DC است که معمولاً در کاربردهای پرمصرف استفاده می‌شود. این با انتقال انرژی از ورودی به خروجی از طریق یک ترانسفورماتور در زمان روشن بودن دو ترانزیستور سوئیچینگ مکمل عمل میکند. ترانسفورماتور عایق گالوانیکی را بین مدارهای ورودی و خروجی فراهم می کند و ایمنی را بهبود و کوپلینگ نویز را کاهش می‌دهد.
توضیح گام به گام در مورد نحوه عملکرد مبدل نیم پل:
زمان روشن (سوئیچ بسته): هنگامی که یکی از ترانزیستورهای سوئیچینگ (Q1 یا Q2) بسته یا روشن می شود، ولتاژ ورودی (Vin) به نیمی از سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور اعمال می شود و نیمه دیگر به زمین متصل می شود. . جریان از طریق سیم پیچ اولیه شروع به افزایش خطی می کند و هسته ترانسفورماتور انرژی را در میدان مغناطیسی خود ذخیره می کند. در طول این مدت، ولتاژ در سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور ولتاژی را در خروجی القا می کند. دیود یکسو کننده خروجی (D) بایاس مستقیم است و به جریان اجازه می‌دهد تا به خازن خروجی (Cout) و بار جریان یابد.
زمان خاموش (سوئیچ باز): هنگامی که ترانزیستور کلید باز یا خاموش می شود، جریان از سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور عبور نمی‌کند و میدان مغناطیسی در هسته فرو می ریزد. ولتاژ در سیم پیچ ثانویه قطبیت را معکوس می کند، دیود یکسو کننده خروجی را معکوس می کند، که عبور جریان به خروجی را مسدود میکند. در طول این مدت، خازن خروجی توان بار را تامین میکند.
سپس ترانزیستور سوئیچینگ دیگر بسته می‌شود و همان فرآیند تکرار می‌شود، اما با نیمه مخالف سیم پیچ اولیه و سیم پیچ ثانویه. به همین دلیل است که مبدل نیم پل را “نیم پل” می نامند زیرا به طور متناوب نیمی از ترانسفورماتور را در یک زمان به حرکت در می آورد.
برای تنظیم مجدد میدان مغناطیسی هسته، اغلب در مبدل های نیم پل از سیم پیچ تنظیم مجدد یا اجزای اضافی (مانند مدار گیره) استفاده می شود. این به جلوگیری از اشباع هسته کمک می کند و عملکرد کارآمد را تضمین می کند.
ولتاژ خروجی مبدل نیم پل با نسبت چرخش ترانسفورماتور (Np:Ns)، ولتاژ ورودی و چرخه کار (D) ترانزیستورهای سوئیچینگ تعیین می‌شود. ولتاژ خروجی را می‌توان با استفاده از فرمول زیر تقریب زد:
Vout ≈ (Ns / Np) * Vin * D
در جایی که Np تعداد دورهای یک نیمه سیم پیچ اولیه، Ns تعداد دور سیم پیچ ثانویه، Vin ولتاژ ورودی و D دیوتی سایکل است.
مدار کنترل، معمولاً از یک کنترلر اختصاصی PWM یا یک میکروکنترلر استفاده میکند، ولتاژ خروجی را نظارت می کند و چرخه وظیفه را برای حفظ ولتاژ خروجی پایدار تنظیم می کند. حلقه کنترل معمولاً از یک مرجع ولتاژ، یک تقویت کننده خطا و یک ژنراتور PWM تشکیل شده است. با مقایسه ولتاژ خروجی با ولتاژ مرجع و تنظیم چرخه کار بر این اساس، مدار کنترل تضمین می کند که ولتاژ خروجی حتی با تغییرات در ولتاژ ورودی یا شرایط بار، ثابت می ماند.
کارایی مبدل نیم پل به فرکانس سوئیچینگ، کیفیت قطعات و طراحی بستگی دارد. برای دستیابی به راندمان مطلوب، ریپل ولتاژ خروجی و پاسخ گذرا، انتخاب بهینه اجزا، مانند طراحی ترانسفورماتور، ترانزیستورهای سوئیچینگ، یکسو کننده های خروجی و خازن های خروجی ضروری است. راندمان معمول برای مبدل های نیم پل بین 90 تا 95 درصد است.
مبدل تمام پل چطور کار میکند؟
مبدل تمام پل (full-bridge) نوعی مبدل DC به DC است که معمولاً در کاربردهای پرمصرف استفاده می‌شود. این با انتقال انرژی از ورودی به خروجی از طریق یک ترانسفورماتور در زمان روشن بودن چهار ترانزیستور سوئیچینگ مکمل عمل میکند. ترانسفورماتور عایق گالوانیکی را بین مدارهای ورودی و خروجی فراهم می کند، ایمنی را بهبود داده و کوپلینگ نویز را کاهش می‌دهد.
در اینجا یک توضیح گام به گام در مورد نحوه عملکرد یک مبدل تمام پل یا فول بریج آورده شده است:
زمان روشن (سوئیچ بسته): هنگامی که دو ترانزیستور سوئیچینگ (Q1 و Q4 یا Q2 و Q3) بسته یا روشن می‌شوند، ولتاژ ورودی (Vin) به سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور اعمال می‌شود. جریان از طریق سیم پیچ اولیه شروع به افزایش خطی میکند و هسته ترانسفورماتور انرژی را در میدان مغناطیسی خود ذخیره میکند. در طول این مدت، ولتاژ در سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور ولتاژی را در خروجی القا میکند. دیودهای یکسو کننده خروجی (D1 و D2) بایاس مستقیم هستند و به جریان اجازه می‌دهند تا به خازن خروجی (Cout) و بار جریان یابد.
زمان خاموش (سوئیچ باز): هنگامی که ترانزیستورهای سوئیچینگ باز یا خاموش می‌شوند، جریان جریان از سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور مختل می شود و میدان مغناطیسی در هسته فرو می ریزد. ولتاژ در سیم پیچ ثانویه قطبیت را معکوس میکند، دیودهای یکسو کننده خروجی را بایاس معکوس می کند، که جریان جریان به خروجی را مسدود می کند. در طول این مدت، خازن خروجی توان مصرفی بار را تامین می کند.
سپس دو ترانزیستور سوئیچینگ دیگر بسته می‌شوند و همان فرآیند تکرار می‌شود، اما با قطبیت مخالف سیم پیچ ثانویه. به همین دلیل است که مبدل تمام پل “پل کامل” نامیده می‌شود زیرا از هر چهار ترانزیستور برای حرکت ترانسفورماتور استفاده میکند.
برای تنظیم مجدد میدان مغناطیسی هسته، ریست سیم پیچ یا اجزای اضافی (مانند مدار کلمپ) اغلب در مبدل های پل کامل استفاده می‌شود. این به جلوگیری از اشباع هسته کمک می کند و عملکرد بهینه را تضمین میکند.
ولتاژ خروجی یک مبدل تمام پل با نسبت چرخش ترانسفورماتور (Np:Ns)، ولتاژ ورودی و دیوتی سایکل (D) ترانزیستورهای سوئیچینگ تعیین می‌شود. ولتاژ خروجی را می‌توان با استفاده از فرمول زیر تقریب زد:
Vout ≈ (Ns / Np) * Vin * D
در جایی که Np تعداد دور سیم پیچ اولیه، Ns تعداد دور سیم پیچ ثانویه، Vin ولتاژ ورودی و D چرخه وظیفه است.
مدار کنترل، معمولاً از یک کنترلر اختصاصی PWM یا یک میکروکنترلر استفاده میکند، ولتاژ خروجی را نظارت میکند و دیوتی سایکل را برای حفظ ولتاژ خروجی پایدار تنظیم میکند. حلقه کنترل معمولاً از یک مرجع ولتاژ، یک تقویت کننده خطا و یک ژنراتور PWM تشکیل شده است. با مقایسه ولتاژ خروجی با ولتاژ مرجع و تنظیم دیوتی سایکل بر این اساس، مدار کنترل تضمین میکند که ولتاژ خروجی حتی با تغییرات در ولتاژ ورودی یا شرایط بار، ثابت می ماند.
کارایی یک مبدل تمام پل به فرکانس سوئیچینگ، کیفیت قطعات و طراحی بستگی دارد. برای دستیابی به راندمان مطلوب، ریپل ولتاژ خروجی و پاسخ گذرا، بهینه سازی انتخاب اجزاء، مانند طراحی ترانسفورماتور، ترانزیستورهای سوئیچینگ، یکسو کننده های خروجی و خازن های خروجی ضروری است. بازده معمول برای مبدل های تمام پل بین 90٪ تا 95٪ است.
مبدل سپیک (SEPIC) چطور کار میکند؟
مبدل SEPIC که به عنوان مبدل سلف اولیه تک سر نیز شناخته می‌شود، نوعی مبدل DC به DC است که معمولاً برای ارائه یک ولتاژ خروجی رگوله شده از طیف گسترده ای از ولتاژهای ورودی استفاده می‌شود.این مبدل ویژگی‌های مبدل باک و بوست را با اجازه دادن ولتاژ خروجی بالاتر یا پایین‌تر از ولتاژ ورودی ترکیب میکند.
در اینجا توضیح گام به گام نحوه عملکرد مبدل SEPIC (Single-ended primary-inductor converter) آورده شده است:
زمان روشن (سوئیچ بسته): هنگامی که کلید (معمولا یک ماسفت یا BJT) بسته یا روشن می شود، ولتاژ ورودی (Vin) به سیم پیچ اولیه یک سلف (L1) اعمال می‌شود که انرژی را در میدان مغناطیسی خود ذخیره می کند. . ولتاژ دو سر خازن (C1) برابر با Vin است و دیود (D1) بایاس معکوس است و جریان جریان را مسدود می کند.
زمان خاموشی (سوئیچ باز): هنگامی که کلید باز یا خاموش می شود، ولتاژ دو سر سلف قطبیت را معکوس می کند و جریان را از طریق دیود (D1) و خازن خروجی (C2) به بار هدایت می کند. سلف اکنون به عنوان منبع جریان عمل می کند و جریان مداومی را برای بار فراهم می کند. در این مدت انرژی ذخیره شده در سلف به خازن خروجی منتقل می شود و ولتاژ خروجی افزایش می یابد.در این مدت، ولتاژ خروجی بیشتر از ولتاژ ورودی است و با کاهش جریان، ولتاژ دو سوی سلف کاهش می‌یابد. ولتاژ خازن (C1) اکنون کمتر از Vin است و دیود (D2) بایاس مستقیم است و به جریان اجازه می دهد از طریق دیود عبور و خازن آن را شارژ کند.
سپس سوئیچ دوباره بسته می‌شود و چرخه تکرار می شود. این بار ولتاژ ورودی به خازن (C1) اعمال می شود و ولتاژ خروجی با تنظیم دیوتی سایکل کلید تنظیم می شود.
ولتاژ خروجی مبدل SEPIC با نسبت چرخش ترانسفورماتور، ولتاژ ورودی و دیوتی سایکل (D) کلید تعیین می شود. ولتاژ خروجی را می توان با استفاده از فرمول زیر تقریب زد:
Vout = Vin * (1 + D) * N2/N1
در جایی که N1 تعداد دورهای سلف، N2 تعداد دورهای ترانسفورماتور، Vin ولتاژ ورودی و D چرخه وظیفه است.
مدار کنترل، معمولاً از یک کنترلر اختصاصی PWM یا یک میکروکنترلر استفاده میکند، ولتاژ خروجی را نظارت می کند و چرخه وظیفه را برای حفظ ولتاژ خروجی پایدار تنظیم می کند. حلقه کنترل معمولاً از یک مرجع ولتاژ، یک تقویت کننده خطا و یک ژنراتور PWM تشکیل شده است. با مقایسه ولتاژ خروجی با ولتاژ مرجع و تنظیم دیوتی سایکل بر این اساس، مدار کنترل تضمین میکند که ولتاژ خروجی حتی با تغییرات در ولتاژ ورودی یا شرایط بار، ثابت می‌ماند.
کارایی یک مبدل SEPIC به فرکانس سوئیچینگ، کیفیت قطعات و طراحی بستگی دارد. برای دستیابی به راندمان مورد نظر، ریپل ولتاژ خروجی و پاسخ گذرا، بهینه سازی انتخاب اجزا مانند سلف، خازن ها و دیودها ضروری است. راندمان معمول برای مبدل های SEPIC از 80٪ تا 95٪ متغیر است.
نحوه عملکرد مبدل زتا
مبدل زتا (Zeta) نوعی مبدل DC به DC است که شبیه مبدل SEPIC است، با این تفاوت که سلف بین ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی است. معمولاً برای ارائه یک ولتاژ خروجی رگوله شده از طیف گسترده ای از ولتاژهای ورودی استفاده می شود و همچنین به عنوان مبدل Buck-Boost با یک سلف در ورودی نیز شناخته می شود.
در اینجا یک توضیح گام به گام در مورد نحوه عملکرد مبدل زتا آورده شده است:
زمان روشن (سوئیچ بسته): هنگامی که کلید (معمولا یک ماسفت یا BJT) بسته یا روشن می‌شود، ولتاژ ورودی (Vin) به سلف (L1) اعمال می شود که انرژی را در میدان مغناطیسی خود ذخیره میکند. ولتاژ دو سر خازن (C1) برابر با Vin است و دیود (D1) بایاس معکوس است و جریان جریان را مسدود می کند.
زمان خاموشی (سوئیچ باز): هنگامی که کلید باز یا خاموش می شود، ولتاژ دو سوی سلف قطبیت را معکوس میکند و جریان را از طریق دیود خروجی (D2) و خازن خروجی (C2) به بار هدایت میکند. سلف اکنون به عنوان منبع جریان عمل می کند و جریان مداومی را برای بار فراهم می کند. در این مدت انرژی ذخیره شده در سلف به خازن خروجی منتقل می شود و ولتاژ خروجی افزایش می یابد.
در این مدت، ولتاژ خروجی بیشتر از ولتاژ ورودی است و با کاهش جریان، ولتاژ دو سوی سلف کاهش م یابد. ولتاژ خازن (C1) اکنون کمتر از Vin است و دیود (D1) بایاس مستقیم است و به جریان اجازه می دهد از طریق دیود عبور کند و خازن آن را شارژ کند.
سپس سوئیچ دوباره بسته می‌شود و چرخه تکرار می شود. این بار ولتاژ ورودی به سلف اعمال می شود و ولتاژ خروجی با تنظیم چرخه وظیفه کلید تنظیم می شود.
ولتاژ خروجی مبدل زتا با نسبت چرخش ترانسفورماتور، ولتاژ ورودی و دیوتی سایکل (D) کلید تعیین می شود. ولتاژ خروجی را می توان با استفاده از فرمول زیر تقریب زد:
Vout = Vin * (1 – D) * N2/N1
در جایی که N1 تعداد دورهای سلف، N2 تعداد دورهای ترانسفورماتور، Vin ولتاژ ورودی و D چرخه وظیفه است.
مدار کنترل، معمولاً از یک کنترلر اختصاصی PWM یا یک میکروکنترلر استفاده میکند، ولتاژ خروجی را نظارت می کند و چرخه وظیفه را برای حفظ ولتاژ خروجی پایدار تنظیم می کند. حلقه کنترل معمولاً از یک مرجع ولتاژ، یک تقویت کننده خطا و یک ژنراتور PWM تشکیل شده است. با مقایسه ولتاژ خروجی با ولتاژ مرجع و تنظیم دیوتی سایکل بر این اساس، مدار کنترل تضمین میکند که ولتاژ خروجی حتی با تغییرات در ولتاژ ورودی یا شرایط بار، ثابت می ماند.
بازدهی مبدل زتا به فرکانس سوئیچینگ، کیفیت قطعات و طراحی بستگی دارد. برای دستیابی به راندمان مورد نظر، ریپل ولتاژ خروجی و پاسخ گذرا، بانتخاب بهینه اجزا مانند سلف، خازن ها و دیودها ضروری است. راندمان معمول برای مبدل های zeta از 80٪ تا 95٪ متغیر است.
مبدل رزونانسی LLC چطور کار می کند؟
مبدل تشدید یا رزونانسی LLC نوعی مبدل DC-DC نوع soft-switching است که از مدار مخزن رزونانسی برای کاهش تلفات سوئیچینگ و بهبود راندمان استفاده میکند که معمولاً بین 90-98٪ متغیر است. در اینجا یک مرور مختصر از نحوه عملکرد مبدل تشدید LLC آورده شده است:
1. اجزای کلیدی: مبدل تشدید LLC از یک مدار مخزن تشدید تشکیل شده است که معمولاً شامل یک سلف سری (L1)، یک خازن تشدید (C1) و یک خازن تشدید موازی (C2)، به همراه یک ترانسفورماتور، یک کلید (معمولاً ماسفت) و یک دیود.
2. عملکرد اصلی: مبدل رزونانس LLC در سه مرحله اصلی عمل میکند:
کلید روشن: هنگامی که کلید بسته است (روشن)، ولتاژ ورودی به سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور اعمال می شود و باعث می شود جریان عبوری از آن به صورت خطی افزایش یابد. انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی ترانسفورماتور افزایش می‌یابد. در طول این مرحله، خازن تشدید (C1) و سلف سری (L1) یک مدار تشدید ایجاد میکند که یک ولتاژ سینوسی در سراسر کلید ایجاد میکند.
سوئیچ OFF: هنگامی که کلید باز می شود (OFF)، انرژی ذخیره شده در ترانسفورماتور از طریق ترانسفورماتور به خازن رزونانس (C1) و خازن خروجی (C3) منتقل می‌شود. خازن تشدید (C2) و اندوکتانس مغناطیسی ترانسفورماتور (Lm) یک مدار تشدید دوم را تشکیل می دهند که انرژی ذخیره شده در سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور را جذب می کند. این منجر به سوئیچینگ ولتاژ صفر (ZVS) سوئیچ می شود که تلفات سوئیچینگ را کاهش می دهد و راندمان را بهبود می بخشد.
هدایت دیود: هنگامی که دیود بایاس مستقیم باشد، جریان را از ترانسفورماتور به خازن خروجی (C3) و بار هدایت میکند.
3. رگولاسیون ولتاژ: ولتاژ خروجی مبدل تشدید LLC را می توان با تنظیم فرکانس رزونانس مدار مخزن رزونانس یا با تنظیم دیوتی سایکل سیگنال PWM کنترل کننده سوئیچ تنظیم کرد.
مبدل تشدید LLC مزایایی مانند راندمان بالا، تداخل الکترومغناطیسی کم (EMI) و کاهش تعداد اجزا را در مقایسه با توپولوژی های دیگر مبدل تشدید ارائه می دهد. با این حال، طراحی مدار مخزن رزونانس می تواند پیچیده تر باشد و برای اطمینان از عملکرد و کارایی مناسب، نیاز به تنظیم دقیق فرکانس تشدید دارد. علاوه بر این، طراحی و انتخاب ترانسفورماتور برای اطمینان از ZVS سوئیچ و راندمان بالا حیاتی است.