منبع تغذیه سوئیچینگ (Switched Mode Power Supply یا SMPS) چیست ؟

انواع منبع تغذیه DC :

در حالت کلی منبع تغذیه DC را از دیدگاه ساختمان داخلی به دو دسته منابع تغذیه خطی و منابع تغذیه سوئیچینگ تقسیم می کنند :

محبوب ‌ترین انواع رگولاتورهای ولتاژ ثابت و خطی در دو نوع با ولتاژ خروجی مثبت و ولتاژ خروجی منفی موجود هستند. ولتاژ خروجی این دو نوعِ مکمل، دقیق و پایدار بوده و در محدوده ۵ تا ۲۴ ولت است که در بسیاری از مدارهای الکترونیکی به کار می‌رود.

استفاده از تنظیم کننده‌ها یا رگولاتورهای خطی ولتاژ نسبت به استفاده از مدارهای تنظیم کننده ولتاژی که از قطعات گسسته مانند دیود زنر و مقاومت یا ترانزیستور و حتی آپ امپ ساخته شده‌اند عموماً کارامدتر و ساده‌تر است.

طیف گسترده‌ای از این رگولاتورهای ولتاژِ سه ترمیناله وجود دارند که درون آن‌ها مدارهای تنظیم ولتاژ و محدود کننده جریان تعبیه شده است. رگولاتورهای خطی متغیری نیز در دسترس هستند که ولتاژ خروجی آن‌ها از صفر تا یک مقدار ماکزیمم مشخص قابل تغییر است.

اغلب منابع تغذیه جریان مستقیم، از یک ترانسفورماتور بزرگ و سنگین کاهنده، یکسوساز دیودی نیم موج یا تمام موج، یک فیلتر برای حذف هرگونه ریپل سیگنال ولتاژ خروجی و تعدادی تنظیم کننده یا پایدارساز خطی یا سوئیچینگ برای تضمین تنظیم صحیح ولتاژ خروجی در شرایط تغییر بار تشکیل می‌شوند. شمای کلی یک منبع تغذیه DC، مطابق شکل زیر است.

در ورودی این منبع تغذیه یک ترانسفورماتور بزرگ بعد از برق ac ورودی وجود دارد. این ترانسفورماتور سبب ایزولاسیون بین ورودی و خروجی می ‌شود.

منبع تغذیه سوئیچینگ (Switched Mode Power Supply یا SMPS) :

منبع تغذیه سوئیچینگ چیست ؟

منابع تغذیه سوئیچینگ، منابع تغذیه الکترونیکی هستند که به منظور تبدیل توان الکتریکی به سطح ولتاژ دیگر با راندمان بالا، دارای کنترلر سوئیچینگ می‌باشند. منابع تغذیه سوئیچینگ مانند دیگر منابع تغذیه، می‌توانند به یک منبع بزرگتر متصل شوند و باری را با جریان و ولتاژ متفاوت تغذیه نمایند. برخلاف یک منبع تغذیه خطی، ترانزیستور‌های قدرت یک منبع تغذیه سوییچینگ، مدام در حال خاموش و روشن شدن هستند که همین عامل باعث مینیمم اتلاف توان در این تجهیزات است. ولتاژ خروجی در منابع تغذیه سوییچینگ با تنطیم زمان خاموش یا روشن بودن ترانزیستور‌ها انجام می‌گیرد. از بزرگترین مزیت‌های منابع تغذیه سوئیچینگ، راندمان بالا و حداقل تلفات توان می‌باشد.

منابع تغذیه سوئیچینگ یا SMPS ها به جای منابع تغذیه AC به DC خطی سنتی به کار می‌روند و مصرف توان، تولید گرما و اندازه و وزن مدار را کاهش می ‌دهند. امروزه منابع تغذیه سوئیچینگ در کامپیوترها، تقویت کننده‌های توان، تلویزیون‌ها، درایو موتورهای dc و… مورد استفاده قرار می‌گیرند.

طبق تعریف، یک منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) نوعی منبع تغذیه است که از روش‌های سوئیچینگ مبتنی بر نیمه‌هادی برای رسیدن به ولتاژ خروجی مطلوب استفاده می‌کند. یک مبدل سوئیچینگ پایه از یک بخش سوئیچینگ توان و یک مدار کنترل تشکیل شده است. بخش سوئیچینگ توان، تبدیل توان را از ولتاژ ورودی V in مدار به ولتاژ خروجی V out انجام می‌دهد که فیلتر خروجی نیز دارد.

مزیت اصلی منبع تغذیه سوئیچینگ بازده بالاتر آن در مقایسه با رگولاتورهای خطی استاندارد است. عنصر اصلی در رسیدن به این بازده یک ترانزیستور (یا ماسفت) است که بین دو وضعیت اشباع  (ON) و قطع (OFF) سوئیچ می‌کند و موجب اتلاف توان کمتری می‌شود. وقتی ترانزیستور سوئیچینگ کاملاً ON باشد و جریان را هدایت کند، افت ولتاژ آن حداقل خواهد بود و هنگامی که کاملاً OFF شود جریانی از آن عبور نخواهد کرد. بنابراین، ترانزیستور شبیه یک سوئیچ یا کلید ایده‌آل عمل می‌کند.

منابع تغذیه سوییچینگ امروزه تقریبا پرکاربردترین منابع تغذیه الکتریکی هستند. اساس کار آنها بر پایه ایجاد یک ولتاژ فرکانس بالا و اعمال آن بک ترانس (یا سلف) و سپس DC کردن دوباره آن ولتاژ است. با توجه به بلوک دیاگرام آورده شده در شکل زیر مشاهده میشود که ساختار داخلی منابع تغذیه سوییچینگ بسیار پیچیده تر از منابع تغذیه خطی است. نحوه عملکرد به این صورت است که ولتاژ AC ورودی (برق شهر) در همان ابتدا توسط پل دیود DC میشود. سپس این ولتاژ DC توسط سوییچ های الکترونیک قدرت به یک ولتاژ فرکانس بالا (حدود ۲۰ تا ۵۰۰ کیلوهرتز) تبدیل خواهد شد. توسط یک ترانس (یا سلف) فرکانس بالا این ولتاژ به سطح ولتاژ مطلوب کاهش یا افزایش داده میشود و سپس دوباره توسط دیود به شکل DC تبدیل میشود.

منابع تغذیه سوئیچینگ مدارهای الکترونیکی ‌ای هستند که برق را برای استفاده در دستگاه‌های سوئیچینگ که در فرکانس‌های بالا، روشن و خاموش می شوند، تبدیل می‌کند و همچنین نیروی کار اجزای ذخیره سازی مانند سلف‌ها یا خازن‌ها را  زمانی که برق دستگاه سوئیچینگ قطع شده است، تامین می‌کند.

انواع منابع تغذیه سوئیچینگ :

انواع منابع تغذیه سوئیچینگ را می‌توان در 4 دسته تقسیم بندی کرد :

AC به DC

DC به DC

DC به AC

AC به AC

مزایای منابع تغذیه سوئیچینگ :

منبع تغذیه سوئیچینگ (Switched-mode power supply) همه معایب ذکر شده منبع تغذیه خطی را دور زده و مقرون بصرفه ‌تر میباشد.

اول از همه بازده منبع تغذیه سوئیچینگ بین ۶۸ الی ۹۰ درصد بوده و این مزیت مستقل از ولتاژ ورودی منبع تغذیه میباشد. این امر باعث کاهش سایز و حجم قطعات و همچنین کاهش گرماگیر‌ها شده ، و در نتیجه باعث کاهش هزینه‌ها میشود.

عملکرد ترانزیستور‌های قدرت فقط در ناحیه اشباع و قطع بوده و در نتیحه از نظر تئوری هیچ توانی روی این ترانزیستور‌ها تلف نمیشود، و این یعنی ترانزیستور‌ها عمده توان را به بار تحویل داده و نیازی برای بسته بندی کردن گران قیمت این ترانزیستور‌ها نیست؛ و از آنجایی که ولتاژ ورودی در منابع تغدیه سوئیچینگ به ولتاژ AC تبدیل میشود و سپس در یک المان مغناطیسی (بعدا توضیح داده خواهد شد) قرار میگیرد. با اضافه کردن سیم‌پیچ‌های متعدد به المان مغناطیسی میتوان خروجی‌های متعددی داشته باشیم. به این معنا که به ازای هر خروجی فقط کافیست چند دور سیم‌پیچ به ترانس المان مغناطیسی اضافه کنیم، در نتیجه این عمل باعث کاهش هزینه‌ها خواهد شد.

ولتاژ ورودی در منبع سوئیچینگ میتواند بیشتر و یا حتی کمتر از ولتاژ خروجی باشد؛ و آخرین مزیت منبع تغذیه‌های سوئیچینگ نسبت به منبع تغذیه‌های خطی در اندازه و حجم کوچکتر و کمتر بودن هزینه در توان‌های بالاتر میباشد. چون که فرمانس کاری منبع تغذیه سوئیچینگ خیلی بیشتر از ۵۰-۶۰ هرتز بوده و در نتیجه المان‌های مغناطیسی و ظرفیت‌ها که برای ذخیره انرژی مورد استفاده قرار میگیرند، خیلی کوچکتر خواهد بود و این مزیت نیز به نوبت خود در توان‌های بالاتر هم از لحاظ قیمت تمام شده و هم از لحاظ حجم دارای اهمیت بالایی میباشد.

خروجی های قابل تنظیم و قابل اعتماد بدون توجه به تغییرات در ولتاژ منبع ورودی ، اندازه کوچکتر و سبکتر ، فناوری انعطاف پذیر ، چگالی بالا

معایب منابع تغذیه سوئیچینگ :

همه مزیت‌های ذکر شده باعث میشوند که منبع تغدیه سوئیچینگ انتخاب بهتری با دارا بودن محدوده وسیعی در تنوع، کاربرد‌ها و… نسبت به منبع تغذیه خطی باشد. این در حالی است که منبع تغذیه سوئیچینگ دارای معایبی نیز میباشد، ولی در کل میتوان بر آن‌ها غلبه نمود. اولین عیب منبع تغذیه سوئیچینگ پیچیدگی آن نسبت به منبع تغذیه خطی میباشد که اگر برای یک کاربردی نتوان از بازار منبع تغذیه مناسبی را تهیه کرد، باید دست به طراحی یک منبع تغذیه سوئیچینگ زد که این کار معمولاً زمان بر و وقت گیر بوده ومخصوصاً برای کسانی که اولین بار میخواهند منبع تغذیه سوئیچینگ طراحی کنند این زمان دوچندان نیز خواهد شد.

دومین عیب منبع تغذیه سوئیچینگ نویز تولیدی آن می‌باشد که به محیط اطراف آن تشعشع میابد؛ که معمولاً برای جلوگیری از تشعشع این نویز به محیط از فیلتر‌های اضافی و شیلدینگ استفاده میکنند، که این کار باعث افزایش هزینه ساخت میشود.

لازم به ذکر است که این منبع تغذیه ها، چون منابع ولتاژ ورودی را به پالس‌های متناوب تبدیل میکنند، بنابراین پاسخ این منبع به تغییرات جریان بار کند‌تر از منبع تغذیه خطی میباشد (این زمان به زمان حالت گذرا معروف است). از این میتوان به عنوان سومین عیب منبع تغذیه سوئیچینگ یاد کرد. البته این عیب را میتوان با افزایش مقادیر خازن‌ها در خروجی جبران نمود؛ که در نتیجه باعث افزایش هزینه خواهد شد. همانطور که اشاره شد میتوان بر همه این معایب غلبه کرد در واقع این معایب تحت کنترل طراح بوده و طراح میتواند با تخصص و تجربیات خود منبع تغذیه‌ای کوچک و جمع‌ و‌جورتری طراحی نماید. به طور کلی، امروزه صنعت به سمتی پیش میرود که در آن هم از منابع تغذیه خطی و هم از منبع تغذیه سوئیچینگ استفاده می‌شود.

ایجاد تداخل الکترومغناطیسی ، طراحی مجتمع مدار ، گران قیمت ‌تر استفاده از آن در مقایسه با منابع تغذیه خطی

کاربرد‌های منابع تغذیه سوئیچینگ :

منابع تغذیه سوئیچینگ در جا‌هایی که نیاز به بازده بالایی باشد و همچنین بوجود آمدن و تولید گرما یک اثر مخرب محسوب میشود، مورد استفاده قرار میگیرند (مانند مدار شارژر باتری). همچنین در جا‌هایی که نیاز به توان بالاتری داشته باشیم استفاده از منابع تغذیه سوئیچینگ ضروری می‌باشد. در کل بخاطر انعطاف ‌پذیری، بازده، سایز و حجم و هزینه، منابع تغذیه سوئیچینگ بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند.

منابع تغذیه سوئیچینگ دارای کارایی بالایی هستند و به طور گسترده‌ای در انواع مختلفی از تجهیزات الکترونیکی، از جمله کامپیوترها و دیگر تجهیزات حساس که نیاز به منبع تغذیه پایدار و کارآمد دارند، استفاده می‌شود.

ایده منابع سوئیچینگ اختراع جدیدی نیست اما طی مدت زمانی این منابع دارای مزیت های فراوانی مانند افزایش راندمان و کاهش قیمت قطعات شده اند و در وسایل الکترونیکی مانند منابع تغذیه کامپیوتر ها ، مدار های تامین کننده ولتاژ DC تنظیم شده برای پردازنده ها در مادربردها ، موبایل ها ، سیستم های تبدیل ولتاژ پنل های خورشیدی به نام اینورتر ، شارژر ها و آداپتور های سوئیچینگ و … از این منابع استفاده شده است.

ورود به دسته بندی محصول منبع تغذیه | Power Supply