منبع تغذیه سوئیچینگ | منبع تغذیه سوئیچینگ چگونه کار میکند؟
منبع تغذیه سوئیچینگ در بسیاری از دستگاه‌هایی که روزانه با آنها سروکار دارید کاربرد دارد. از تلویزیون گرفته تا لپ‌تاپ، کامپیوتر، گوشی و بسیاری از دستگاه‌های مدرن امروزی به منبع تغذیه سوئیچینگ نیاز دارند. در این مطلب نحوه کارکرد این وسیله پرکاربرد را توضیح خواهیم داد.
منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) دستگاهی است که به عنوان منبع توان الکتریکی شناخته می‌شود. در واقع این دستگاه تامین‌کننده‌ی توان الکتریکی مصرف‌کننده‌ها بوده و می‌تواند یک دستگاه مجزا یا بخشی از دستگاه‌های الکتریکی باشد.
منبع تغذیه انرژی را از یک منبع به مدار دیگری منتقل میکند و ولتاژ مورد نیاز دستگاه‌های مختلف را تامین میکند. در این نوع دستگاه‌ها از ترانزیستورهای قدرت برای روشن و خاموش شدن سریع استفاده می‌شود و اینگونه راندمان را افزایش می‌دهند. در زبان ساده منبع تغذیه از یک منبع برقی، مکانیکی، شیمیایی یا خورشیدی انرژی الکتریکی را دریافت کرده و آن را به ولتاژ، جریان و فرکانس مناسب دستگاه‌های مختلف تبدیل میکند.
برای تحلیل و بررسی عملکرد منبع تغذیه، مشاهده‌ی شکل موج‌ها اهمیت زیادی دارد. به همین دلیل در آزمایشگاه‌ها و کارگاه‌های الکترونیک از اسیلوسکوپ استفاده می‌شود تا نحوه تغییرات ولتاژ و جریان در بخش‌های مختلف منبع تغذیه به دقت بررسی شود. به کمک اسیلوسکوپ می‌توان ریپل خروجی، نویز و پایداری ولتاژ را ارزیابی کرد و اطمینان یافت که منبع تغذیه سوئیچینگ به‌درستی کار میکند.
طبقه‌بندی منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) بر اساس ولتاژ ورودی و خروجی، آنها را به چهار دسته تقسیم میکند که عبارتند از:
- AC به DC – منبع تغذیه DC آفلاین
- DC به DC – مبدل
- DC به AC – اینورتر
- AC به AC – چرخه مبدل تغییر فرکانس
مقایسه منبع تغذیه سوئیچینگ با منبع تغذیه خطی
منبع تغذیه خطی با ساختار ساده، خروجی پایدار و نویز کم شناخته می‌شود اما راندمان آن پایین است و به دلیل اتلاف انرژی، معمولاً ابعاد و وزن بالاتری دارد. در مقابل، منبع تغذیه سوئیچینگ با استفاده از کلیدزنی الکترونیکی راندمان بسیار بالاتری ارائه می‌دهد، سبک‌تر است و توان خروجی بیشتری را در ابعاد کوچکتر تأمین میکند؛ هرچند ممکن است نویز و پیچیدگی طراحی بیشتری داشته باشد.
به همین دلیل هنگام خرید منبع تغذیه باید به نوع کاربرد خود دقت کنید؛ اگر به خروجی کاملاً تمیز و بدون نویز نیاز دارید (مثل تجهیزات صوتی یا پزشکی حساس) منابع خطی انتخاب بهتری هستند. اما اگر راندمان بالا، توان بیشتر و قیمت مناسب‌تر اهمیت داشته باشد (مانند صنایع، کامپیوترها یا تجهیزات مخابراتی)، منبع تغذیه سوئیچینگ بهترین گزینه خواهد بود.
مدار منبع تغذیه سوئیچینگ ساده از چند بلوک تشکیل می‌شود. نقش حذف نویز و یکسوسازی در ورودی انواع منبع تغذیه سوئیچینگ برعهده‌ی یکسوساز و فیلتر است. پس از آن فرکانس سیگنال نیم موج یا تمام موج به وجود می‌آید که مدار مبدل آن را افزایش داده و به ترانس قدرت برای تقویت بیشتر تحویل می‌دهد. در نهایت می‌توان ولتاژهای DC مختلف را از مدار خروجی ترانس قدرت ساخت.
برای درک و آشنایی بیشتر با منبع تغذیه سوئیچینگ نام اجزای اصلی آن را در لیست زیر مشاهده می‌کنید:
- یک‌سو کننده ورودی و فیلتر
- اینورتر متشکل از یک سیگنال فرکانس بالا و دستگاه‌های سوئیچینگ
- ترانسفورمر قدرت
- یک‌سو کننده خروجی
- سیستم فیدبک و مدار کنترل
مزایای منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟
SMPS در ابعاد کوچک و فشرده‌تر ساخته می‌شود و از ترانسفورماتورهای کوچکتر استفاده میکند. اکثر وسایل الکترونیکی به قابلیت کوچک کردن منابع نیاز دارند که یکی از مزایای منبع تغذیه سوئیچینگ محسوب می‌شود. البته این دستگاه مزایای دیگری هم دارد که عبارتست از:
- راندمان بالا 68% تا 90%
- تکنولوژی انعطاف‌پذیر
- دارای خروجی‌های پایدار و مستقل از ولتاژ تغذیه ورودی
- چگالی توان بالا (High power density)
معایب منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟
منبع تغذیه سوئیچینگ با توجه به اینکه از قطعات پیچیده‌تری استفاده میکند معایبی هم دارد. از هزینه‌های بالای تعمیر گرفته تا ظرفیت پایین به علت فرکانس کاری بالای قطعات! در لیست زیر مهمترین معایب این دستگاه را مشاهده می‌کنید:
- نیاز به فضای بیشتر با توجه به اجزای خارجی اضافی
- دارای تداخل الکترومغناطیسی و نویز الکتریکی
- طراحی پیچیده
کاربرد منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟
منابع تغذیه سوئیچینگ به دلیل طراحی پیشرفته و راندمان بالا، در حوزه‌های مختلف صنعتی و الکترونیکی کاربرد گسترده‌ای دارند. در صنایع مختلف برای بررسی و آزمایش کارکرد منابع تغذیه از دستگاه‌های مختلفی مانند فانکشن ژنراتور یا اسیلوسکوپ استفاده می‌شود. البته از فانکشن ژنراتور بیشتر در شبیه‌سازی بار یا سیگنال ورودی کمک گرفته می‌شود.
پیش از این هم گفتیم که از منبع سوئیچینگ در بسیاری از تجهیزات لوازم خانگی و زمینه‌های مختلف تکنولوژی استفاده می‌شود. اما اگر بخواهیم ریزبینانه و با دقت عمل بیشتری کاربردهای منبع تغذیه سوئیچینگ را بررسی کنیم به مواردی که در ادامه توضیح می‌دهیم می‌رسیم.
تامین ولتاژ مورد نیاز
یکی از مهمترین کاربردهای منبع تغذیه سوئیچینگ، تبدیل ولتاژ ورودی به سطح مناسب برای بارهای مختلف است. متأسفانه، ولتاژ منبع استاندارد همیشه با نیاز واقعی دستگاه‌ها سازگار نیست؛ به‌عنوان مثال، ریزپردازنده‌ها، موتورهای الکتریکی، LEDها یا دیگر بارهای الکترونیکی معمولاً به ولتاژی متفاوت از منبع اصلی نیاز دارند. این مسئله زمانی بیشتر اهمیت پیدا میکند که منبع ولتاژ تنظیم‌شده نباشد یا شرایط کاری تغییر کند.
نمونه بارز این موضوع در دستگاه‌های باتری‌دار دیده می‌شود. برای مثال، ولتاژ یک سلول استاندارد لیتیوم-یون (Li-ion) یا حتی پشته‌های NiMH اغلب یا بالاتر و یا پایین‌تر از سطح موردنیاز مدار است. در این شرایط، منبع تغذیه سوئیچینگ با توانایی تنظیم و تثبیت ولتاژ، خروجی دقیقی تولید میکند تا قطعات حساس مانند پردازنده‌ها یا LEDهای پرقدرت بدون آسیب و با کارایی مطلوب عمل کنند.
تطبیق‌پذیری بیشتر
منبع تغذیه سوئیچینگ با داشتن توپولوژی‌های متنوع می‌تواند مشکل تبدیل یک ولتاژ استاندارد به خروجی قابل استفاده را برطرف کند. منبع تغذیه با قابلیت تطبیق‌پذیری خود ولتاژ ورودی را افزایش یا کاهش می‌دهد و می‌تواند آن را معکوس کند یا حتی ترکیبی از این عملکردها را بر روی ولتاژ ورودی اعمال کند.
برخلاف رگولاتورهای خطی که تنها قادر به کاهش ولتاژ هستند، SMPS انعطاف‌پذیری بیشتری دارد و تقریباً برای هر نیاز خروجی می‌توان توپولوژی مناسب آن را انتخاب کرد. همین ویژگی باعث شده تا در کاربردهای گسترده‌ای از تجهیزات صنعتی تا دستگاه‌های قابل‌حمل به کار گرفته شوند.
بهره‌وری بهتر
یکی از چالش‌های رایج در طراحی مدارها، تبدیل مؤثر توان DC است. در حالی که منبع تغذیه‌های خطی ساده‌اند و تنها به چند خازن و مدیریت حرارتی نیاز دارند، کارایی آنها پایین است و بخش زیادی از انرژی به صورت گرما تلف می‌شود. به‌عنوان مثال، کاهش ولتاژ 3.6 ولت باتری به 1.8 ولت برای باری با جریان 100 میلی‌آمپر، تنها بازدهی حدود 50 درصد ایجاد میکند و عمر باتری را به نصف کاهش می‌دهد. در مقابل، منبع تغذیه سوئیچینگ با استفاده از کلیدزنی پرسرعت، اتلاف توان را به حداقل رسانده و راندمانی بسیار بالاتر ارائه می‌دهد که برای تجهیزات پرمصرف و باتری‌دار حیاتی است.
نتیجه گیری درباره منبع تغذیه سوئیچینگ
منبع تغذیه سوئیچینگ به دلیل راندمان بالا، انعطاف‌پذیری و توانایی تأمین ولتاژ دقیق، به یکی از اجزای جدانشدنی در تجهیزات الکترونیکی مدرن تبدیل شده است. از رایانه‌ها و سرورها گرفته تا دستگاه‌های پزشکی، خودروهای برقی و حتی صنایع فضایی، همه برای عملکرد پایدار و بهینه به SMPS وابسته‌اند. انتخاب درست این منبع می‌تواند عمر تجهیزات را افزایش داده و هزینه‌های انرژی را کاهش دهد. به بیان ساده، منبع تغذیه سوئیچینگ پلی میان انرژی خام و نیاز واقعی مدارهاست.