يعلمك 6 مهارات تصميم امدادات الطاقة
01 مضخم مغناطيسي من الفريت في مزود الطاقة Flyback
بالنسبة لمزود flyback مزدوج الإخراج مع طاقة حقيقية على كلا المخرجين (5V 2A و 12V 3A ، وكلاهما ينظم بنسبة ± 5 بالمائة) ، عندما يصل الجهد إلى 12V فإنه ينتقل إلى حالة تحميل صفري ولا يمكن ضبطه ضمن حد 5 بالمائة. يعتبر المنظم الخطي حلاً قابلاً للتطبيق ، ولكنه لا يزال غير مثالي بسبب تكلفته العالية وفقدان الكفاءة.
الحل الذي اقترحناه هو استخدام مضخم مغناطيسي على خرج 12 فولت ، حتى يمكن استخدام طوبولوجيا flyback. لتقليل التكلفة ، يوصى باستخدام مكبر مغناطيسي من الفريت. ومع ذلك ، تختلف دائرة التحكم في المضخم المغناطيسي الفريت عن تلك الموجودة في مادة حلقة التباطؤ المستطيلة التقليدية (مادة نفاذية مغناطيسية عالية). تقوم دائرة التحكم في الفريت (D1 و Q1) بإغلاق التيار للحفاظ على الطاقة عند الخرج. تم اختبار هذه الدائرة بدقة. تم تصميم لفات المحولات لإخراج 5V و 13V. يمكن أن تحقق الدائرة أيضًا طاقة إدخال فرعية -1 W (5V 300mW وحمل صفري 12 فولت) مع تحقيق تنظيم ± 5 بالمائة لمخرج 12V.
02 استخدم دائرة القوس الكهربائي الحالية لتوفير حماية ضد التيار الزائد
ضع في اعتبارك تجهيزات flyback 5V 2A و 12V 3A. أحد المواصفات الرئيسية لمزود الطاقة هذا هو حماية الطاقة الزائدة (OPP) على خرج 5 فولت عندما لا يصل مخرج 12V إلى أي حمل أو حمولة خفيفة للغاية. كلا المخرجات تقدم ± 5 بالمائة من متطلبات تنظيم الجهد.
بالنسبة للحلول الشائعة ، فإن استخدام المقاومات الحسية يقلل من أداء التنظيم المتقاطع ، وتكون الصمامات باهظة الثمن. ومع ذلك ، فإن دارات المخل للحماية من الجهد الزائد (OVP) متوفرة الآن. هذه الدائرة قادرة على تلبية كل من OPP ومتطلبات تنظيم الجهد ، والتي يمكن تحقيقها باستخدام دائرة قوس جزئية.
يشكل R1 و VR1 تحميلًا مسبقًا نشطًا على خرج 12 فولت ، مما يسمح بتنظيم 12 فولت عندما يتم تحميل خرج 12 فولت بشكل خفيف. عندما يكون خرج 5V في حالة حمل زائد ، سينخفض الجهد على خرج 5V. ترسم الأحمال الوهمية الكثير من التيار. يمكن استخدام انخفاض الجهد عبر R1 لاستشعار هذا التيار الكبير. يتم تشغيل Q1 وتشغيل دائرة OPP.
03 منظم التحويل النشط والتحميل المسبق
تعد Flyback حاليًا أكثر الطوبولوجيا شيوعًا في مجال تحويل منتجات إمداد الطاقة من التيار المتردد لجهد الخط إلى التيار المستمر ذي الجهد المنخفض. أحد الأسباب الرئيسية لذلك هو الفعالية الفريدة من حيث التكلفة لتوفير جهد إخراج متعدد عن طريق إضافة ملفات إضافية إلى المحول الثانوي.
عادةً ما تأتي الملاحظات من الإخراج بأشد متطلبات تحمل الإخراج. ثم يحدد هذا الناتج المنعطفات لكل فولت لجميع اللفات الثانوية الأخرى. نظرًا لتأثيرات محاثة التسرب ، لا يمكن للمخرجات دائمًا تحقيق التنظيم المتقاطع لجهد الخرج المطلوب ، خاصةً إذا كان من الممكن تفريغ ناتج معين أو تحميله بشكل خفيف للغاية لأن المخرجات الأخرى محملة بالكامل.
يمكن استخدام منظم لاحق أو حمولة وهمية لمنع الجهد عند الخرج من الارتفاع في ظل هذه الظروف. ومع ذلك ، نظرًا لزيادة التكلفة وانخفاض كفاءة المنظمين اللاحقين أو الأحمال الوهمية ، لم تكن جذابة بما فيه الكفاية ، خاصة في السنوات الأخيرة لعدم تحميل و / أو استهلاك طاقة الإدخال الاحتياطية في العديد من تطبيقات المستهلك. في ظل ظروف المتطلبات التنظيمية الصارمة بشكل متزايد ، بدأ هذا التصميم في الإهمال. لا يحل منظم التحويل النشط الموضح في الشكل 3 مشكلة تنظيم الجهد فحسب ، بل يقلل أيضًا من تأثير التكلفة والكفاءة.
تعمل الدائرة على النحو التالي: عندما يكون كلا المخرجات قيد التنظيم ، فإن مقسم المقاوم R14 و R13 الترانزستور المتحيز Q5 ، والذي يحافظ على إيقاف Q4 و Q1. في ظل ظروف التشغيل هذه ، يعمل التيار عبر Q5 كحمل مسبق صغير على خرج 5V.
الفرق القياسي بين المخرج 5V والمخرج 3.3V هو 1.7V. عندما يتطلب الحمل تيارًا إضافيًا من خرج 3.3 فولت دون زيادة متساوية في تيار الحمل من خرج 5 فولت ، سيزداد جهد الخرج مقارنةً بإخراج 3.3 فولت. مع اختلاف الجهد الذي يزيد عن 100 مللي فولت تقريبًا ، سيتم إيقاف تشغيل Q5 ، وتشغيل Q4 و Q1 والسماح للتيار بالتدفق من خرج 5 فولت إلى خرج 3.3 فولت. سيؤدي هذا التيار إلى خفض الجهد عند خرج 5 فولت ، مما يقلل فرق الجهد بين المخرجين.
يتم تحديد مقدار التيار في Q1 باختلاف الجهد عند المخرجات. لذلك ، يمكن للدائرة أن تحافظ على كلا المخرجين منظمين بغض النظر عن تحميلهما ، حتى في أسوأ الحالات حيث يتم تحميل خرج 3.3 فولت بالكامل وتفريغ خرج 5 فولت. يوفر Q5 و Q4 في التصميم تعويضًا لدرجة الحرارة نظرًا لأن تغيرات درجة حرارة VBE في كل ترانزستور تلغي بعضها البعض. الثنائيات D8 و D9 ليست مطلوبة ولكن يمكن استخدامها لتقليل تبديد الطاقة في Q1 ، مما يلغي الحاجة إلى إضافة المشتت الحراري إلى التصميم.
تستجيب الدائرة فقط للاختلاف النسبي بين الفولتية وهي غير نشطة إلى حد كبير في ظروف الحمل الكامل والخفيف. نظرًا لأن منظم التحويل متصل من خرج 5 فولت إلى خرج 3.3 فولت ، يمكن للدائرة أن تقلل التبديد النشط بنسبة 66 بالمائة مقارنة بمنظم التحويل المؤرض. والنتيجة هي كفاءة عالية عند التحميل الكامل واستهلاك منخفض للطاقة من الحمل الخفيف إلى عدم التحميل.
04 مدخلات عالية الجهد تحويل التيار الكهربائي باستخدام StackFET
غالبًا ما تتطلب المعدات الصناعية التي تعمل على تيار متردد ثلاثي الأطوار مرحلة طاقة مساعدة يمكنها توفير تيار مستمر منخفض الجهد منظم للدوائر التناظرية والرقمية. ومن الأمثلة على هذه التطبيقات محركات الأقراص الصناعية وأنظمة UPS وعدادات الطاقة.
تعتبر مواصفات هذا النوع من مزود الطاقة أكثر إحكامًا من تلك المطلوبة للمفاتيح القياسية الجاهزة. لا يقتصر الأمر على أن الفولتية المدخلة أعلى في هذه التطبيقات ، ولكن المعدات المصممة لتطبيقات ثلاثية الطور في البيئات الصناعية يجب أن تتحمل أيضًا تقلبات واسعة جدًا - بما في ذلك أوقات الغمس الممتدة ، والارتفاعات الحادة في الطاقة ، والفقدان العرضي لمرحلة واحدة أو أكثر. أيضًا ، يمكن أن يصل نطاق جهد الإدخال المحدد لهذه المستلزمات المساعدة إلى 57 VAC إلى 580 VAC.
يمكن أن يمثل تصميم مصدر طاقة التبديل واسع النطاق هذا تحديًا ، ويرجع ذلك أساسًا إلى التكلفة العالية لوحدات MOSFET عالية الجهد ومحدودية النطاق الديناميكي لحلقات التحكم PWM التقليدية. تسمح تقنية StackFET بدمج وحدات MOSFET منخفضة الجهد ذات التصنيف المنخفض 600 فولت ووحدات التحكم في إمداد الطاقة المتكاملة من تكامل الطاقة ، مما يسمح بتصميم بسيط وغير مكلف لإمدادات الطاقة التحويلية القادرة على العمل على نطاق واسع من جهد الدخل.
تعمل الدائرة على النحو التالي: يمكن أن يأتي التيار عند مدخل الدائرة من نظام ثلاثي الأطوار ثلاثي الأسلاك أو رباعي الأسلاك ، أو حتى من نظام أحادي الطور. يتكون المعدل ثلاثي الطور من الثنائيات D 1- D8. توفر المقاومات R 1- R4 حد تيار التدفق. في حالة استخدام المقاومات القابلة للانصهار ، يمكن فصل هذه المقاومات بأمان أثناء حدوث عطل دون الحاجة إلى فتيل منفصل. يتكون مرشح pi من C5 و C6 و C7 و C8 و L1 لتصفية جهد التيار المستمر المعدل.
تستخدم المقاومات R13 و R15 لموازنة الجهد بين مكثفات مرشح الإدخال. عندما يتم تشغيل MOSFET داخل المفتاح المدمج (U1) ، سيتم سحب مصدر Q1 منخفضًا ، وستوفر R6 و R7 و R8 تيار البوابة ، وسعة الوصلة من VR1 إلى VR3 سيتم تشغيلها Q1. يستخدم Zener diode VR4 للحد من جهد مصدر البوابة المطبق على Q1. عند إيقاف تشغيل MOSFET في U1 ، يتم تثبيت أقصى جهد استنزاف لـ U1 بواسطة شبكة لقط 450 فولت تتكون من VR1 و VR2 و VR3. هذا يحد من جهد الصرف لـ U1 إلى حوالي 450 فولت.
سيتم تطبيق أي جهد إضافي في نهاية الملف المتصل بـ Q1 على Q1. يوزع هذا التصميم بكفاءة إجمالي جهد الدخل DC المعدل والجهد العكسي بين Q1 و U1. يتم استخدام المقاوم R9 للحد من التذبذبات عالية التردد أثناء التبديل ، ويتم استخدام شبكة المشبك VR5 و D9 و R10 للحد من ذروة الجهد في المرحلة الأولية بسبب محاثة التسرب أثناء فترة الارتداد.
يتم توفير تصحيح الإخراج بواسطة D1. C2 هو مرشح الإخراج. يشكل L2 و C3 مرشحًا ثانويًا لتقليل تموج التبديل عند الإخراج.
يتم تشغيل VR6 عندما يتجاوز جهد الخرج انخفاض الجهد الكلي عبر الصمام الثنائي optocoupler و VR6. يؤدي التغيير في جهد الخرج إلى حدوث تغيير في تدفق التيار من خلال الصمام الثنائي optocoupler في U2 ، والذي بدوره يغير تدفق التيار عبر الترانزستور في U2B. عندما يتجاوز هذا التيار عتبة طرف FB الحالية لـ U1 ، يتم منع الدورة التالية. يمكن تحقيق تنظيم الإخراج من خلال التحكم في عدد دورات التمكين والتعطيل. بمجرد تشغيل دورة التبديل ، تنتهي الدورة عندما يرتفع التيار إلى حد التيار الداخلي لـ U1. يستخدم R11 للحد من التيار من خلال optocoupler أثناء الأحمال العابرة ولضبط كسب حلقة التغذية المرتدة. يستخدم المقاوم R12 لتحيز Zener diode VR6.
يحتوي IC U1 (LNK 304) على وظائف مدمجة بحيث تكون الدائرة محمية ضد فقدان إشارة التغذية الراجعة ، وقصر الدائرة عند الخرج والحمل الزائد. نظرًا لأن U1 يتم تشغيله مباشرة من دبوس DRAIN الخاص به ، فلا يلزم وجود ملف تحيز إضافي على المحول. يستخدم C4 لتوفير فصل التوريد الداخلي.
05 يمكن أن يؤدي الاختيار الجيد لثنائيات المعدل إلى تبسيط وتقليل تكلفة دوائر مرشح EMI في محولات التيار المتردد / التيار المستمر
يمكن لهذه الدائرة تبسيط وتقليل تكلفة دوائر مرشح EMI في محولات التيار المتردد / التيار المستمر. لجعل مصدر طاقة AC / DC متوافقًا مع EMI ، يتطلب استخدام عدد كبير من مكونات مرشح EMI مثل المكثفات X و Y. تشتمل دوائر الإدخال القياسية لمصادر طاقة التيار المتردد / التيار المستمر على مقوم جسر لتصحيح جهد الدخل (عادةً 50-60 هرتز). نظرًا لأن هذا جهد إدخال تيار متردد منخفض التردد ، يمكن استخدام الثنائيات القياسية مثل سلسلة 1N400X من الثنائيات ، أيضًا لأن هذه هي الأقل تكلفة.
تُستخدم أجهزة التصفية هذه لتقليل EMI المتولد عن مصدر الطاقة لتتوافق مع حدود EMI المنشورة. ومع ذلك ، نظرًا لأن القياسات المستخدمة لتسجيل EMI تبدأ فقط عند 150 كيلو هرتز ، وتردد جهد خط التيار المتردد هو 50 أو 60 هرتز فقط ، فإن وقت الاسترداد العكسي للثنائيات القياسية (انظر الشكل {3}}) المستخدم في مقومات الجسر هو بطيء نسبيًا. طويلة وعادة لا ترتبط مباشرة بجيل EMI.
ومع ذلك ، كانت دوائر مرشح الإدخال في الماضي تتضمن أحيانًا مكثفات بالتوازي مع مقوم الجسر لقمع أي أشكال موجية عالية التردد ناتجة عن تصحيح جهد الدخل المنخفض التردد.
هذه المكثفات ليست ضرورية إذا تم استخدام ثنائيات الاسترداد السريع في مقوم الجسر. عندما يبدأ الجهد عبر هذه الثنائيات في الانعكاس ، فإنها تتعافى بسرعة كبيرة (انظر الشكل 5-2). هذا يقلل من الإثارة الاستقرائية للخطوط الشاردة في خط إدخال التيار المتردد عن طريق تقليل اللقطات اللاحقة ذات التردد العالي و EMI. نظرًا لأن 2 من الثنائيات يمكنها إجراء كل نصف دورة ، يجب أن يكون اثنان فقط من الثنائيات الأربعة من أنواع الاسترداد السريع. وبالمثل ، يحتاج واحد فقط من الثنائيين اللذين يجران كل نصف دورة إلى خاصية الاسترداد السريع.
يُظهر جهد الإدخال وأشكال الموجة الحالية انجذاب الصمام الثنائي في نهاية الاسترداد العكسي.
06 استخدم Soft-Start لتعطيل النواتج منخفضة التكلفة لاحتواء الارتفاعات الحالية
للوفاء بمواصفات الطاقة الاحتياطية الصارمة ، تم تصميم بعض مصادر طاقة الإخراج المتعددة لفصل الإخراج عندما تكون إشارة الاستعداد نشطة.
عادة ، يتم تحقيق ذلك عن طريق إيقاف تشغيل الترانزستور ثنائي القطب المتسلسل (BJT) أو MOSFET. بالنسبة لمخرجات التيار المنخفض ، يمكن أن تكون BJTs بديلاً مناسبًا وأقل تكلفة لوحدات MOSFET إذا تم تصميم محول الطاقة مع وضع انخفاض الجهد الإضافي عبر الترانزستورات في الاعتبار.
