پایان نامه کامپیوتر بررسی منابع تغذیه سوئیچینگ در 76 صفحه ورد قابل ویرایش با فرمت doc
چکیده :
کلیه مدارات الکترونیکی نیاز به منبع تغذیه دارند. برای مدارات با کاربرد کم قدرت از باطری یا سلولهای خورشیدی استفاده می شود. منبع تغذیه به عنوان منبع انرژی دهنده به مدار مورد استفاده قرار می‌گیرد. حدود 20 سال است که سیستمهایی پر قدرت جای خود راحتی در مصارف خانگی هم باز کرده اند و این به دلیل معرفی سیستمهای جدید برای تغذیه مدارات قدرت است.
این منابع تغذیه کاملاً خطی عمل می نمایند. این نوع منابع را منابع تغذیه سوئیچینگ می نامند. این اسم از نوع عملکرد این سیستمها گرفته شده است. به این منابع تغذیه اختصاراً SMPS نیز می گویند. این حروف برگرفته از نام لاتین Switched Mode Power Supplies است.
راندمان SMPS بصورت نوعی بین 80% الی 90% است که 30% تا 40% آنها در نواحی خطی کار می کنند. خنک کننده های بزرگ که منابع تغذیه گلوله قدیمی از آنها استفاده می کردند، در SMPS ها دیگر به چشم نمی خورند و این باعث شده که از این منابع تغذیه بتوان در توانهای خیلی بالا نیز استفاده کرد.
در فرکانسهای بالای کلیدزنی از یک ترانزیستور جهت کنترل سطح ولتاژ DC استفاده می شود. با بالا رفتن فرکانس ترانزیستور، دیگر خطی عمل نمی کند و نویز مخابراتی شدیدی را با توان بالا تولید می‌نماید. به همین سبب در فرکانس کلیدزنی بالا از المان کم مصرف Power MOSFET استفاده می شود. اما با بالا رفتن قدرت، تلفات آن نیز زیاد می شود. المان جدیدی به بازار آمده که تمامی مزایای دو قطعه فوق را در خود جمع آوری نموده است و دیگر معایب BJT و Power MOSFET را ندارد. این قطعه جدید IGBT نام دارد. در طی سالهای اخیر به دلیل ارزانی و مزایای این قطعه از IGBT استفاده زیادی شده است.
امروزه مداراتی که طراحی می شوند، در رنج فرکانسی MHZ و قدرتهای در حد MVA و با قیمت خیلی کمتر از انواع قدیمی خود می‌باشند.
فروشنده های اروپائی در سال 1990 میلادی تا حد 2 میلیارد دلار از فروش این SMPS ها درآمد خالص کسب نمودند. 80% از SMPS های فروخته شده در اروپا طراحی شدند و توسط کارخانه های اروپائی ساخت آنها صورت پذیرفت. درآمد فوق العاده بالای فروش این SMPS ها در سال 1990 باعث گردید که شاخه جدیدی در مهندسی برق ایجاد شود.
این رشته مهندسی طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ نام گرفت.
یک مهندس طراح منابع تغذیه سوئیچینگ بایستی که در کلیه شاخه‌های زیر تجربه و مهارت کافی کسب کند و همیشه اطلاعات بروز شده در موارد زیر داشته باشند:
1- طراحی مدارات سوئیچینگ الکترونیک قدرت.
2- طراحی قطعات مختلف الکترونیک قدرت.
3- فهم عمیقی از نظریه های کنترلی و کاربرد آنها در SMPS ها داشته باشد.
4- اصول طراحی را با در نظر گرفتن سازگاری میدانهای الکترومغناطیسی منابع تغذیه سوئیچینگ با محیط انجام دهد.
5- درک صحیح از دفع حرارت درونی (انتقال حرارت به محیط) و طراحی مدارات خنک کننده موثر با راندمان زیاد.
فهرست مطالب
فصل اول- انواع منابع تغذیه
1-1منبع تغذیه خطی
1-1-1 مزایای منابع تغذیه خطی
1-1-2 معایب منبع تغذیه خطی
1-1-2-1 بزرگ بودن ترانس کاهنده ورودی
1-2 منبع تغذیه غیر خطی (سوئیچینگ)
1-2-1 مزایای منبع تغذیه سوئیچینگ
1-2-2 معایب منابع تغذیه سوئیچینگ
فصل دوم – یکسوساز و فیلتر ورودی
2-1 یکسوساز ورودی
2-2 مشکلات واحد یکسوساز ورودی و روش های رفع آنها
2-2-1 استفاده از NTC
2-2-2 استفاده از مقاومت و رله
2-3-2 استفاده از مقاومت و تریاک
2-3-1 روش تریستور نوری
فصل سوم – مبدل های قدرت سوئیچنیگ
3-1 مبدل فلای بک غیر ایزوله
3-2 مبدل فوروارد غیر ایزوله
فصل چهارم – ادوات قدرت سوئیچینگ
4-1 دیودهای قدرت
4-1-1 ساختمان دیودهای قدرت
4-1-2 انواع دیود قدرت
4-1-2-1 دیودهای با بازیابی استاندارد یا همه منظوره
4-1-2-2 دیودهای بازیابی سریع و فوق سریع
4-1-2-3 دیودهای شاتکی
4-2 ترانزیستور دوقطبی قدرت سوئیچینگ
4-3 ترانزیستور ماس‌فت قدرت سوئیچینگ
فصل پنجم – مدارهای راه انداز
5-1 مدارهای راه‌انداز بیس
5-1-1 راه انداز شامل دیود و خازن
5-1-2 مدار راه انداز بهینه
5-1-3 راه اندازهای بیس تناسبی
5-2 تکنولوژی ساخت ترانزیستورهای ماس‌فت
فصل ششم – واحد کنترل PWM
6-1 نحوه کنترل PWM
6-2 معرفی تعدادی از مدارهای مجتمع کنترل کننده PWM
6-2-1 مدار مجتمع مد جریانی خانواده 5/4/3/842 (3)
6-2-2 مدار مجتمع کنترل کننده مُد جریانی از نوع سی‌ماس
6-2-3 مدر مجتمع مد ولتاژی P/FP 16666 HA
6-2-4 مدار مجتمع مد ولتاژی
6-2-5 مدار مجتمع مد جریانی
6-2-6 مدار مجتمع مد جریانی
فصل هفتم – سوئیچینگ ولتاژ صفر و جریان صفر
7-1 سوئیچینگ ولتاژ صفر و جریان صفر
7-2 مبدل فلای‌بک ولتاژ صفر ساده
7-3 مبدل های سوئیچینگ نرم ولتاژ صفر
7-3-1 مبدل تشدیدی موازی
7-3-2 مبدل تشدیدی سری
7-3-3 مبدل تشدیدی سری –موازی
7-3-4 پل تشدیدی با فاز انتقال یافته
7-4 سوئیچینگ نرم جریان صفر
فصل هشتم – تجزیه و تحلیل چند منبع تغذیه سوئیچینگ
8-1 مدار مجتمع
8-2 مدار مجتمع
8-3 مدار مجتمع P/FP 16666HA
8-4 مدار مجتمع
8-5 مدار مجتمع
8-6 مدار مجتمع TOPxxx
فصل نهم – برخی ملاحظات جانمایی
مقدمه
9-1 سلف
9-2 فیدبک
9-3 خازن های فیلتر
9-4 مسیر زمین
9-5 چند نمونه طرح جانمایی
9-6 خلاصه
9-7 فهرست قوانین طرح جانمایی
مقدمه :
منابع تغذیه سوئیچینگ امروزه و بخصوص از سال 1990 به این طرف جای خود را در تمامی دستگاه های الکتریکی و در صنایع الکترونیک، مخابرات، کنترل، قدرت، ماهواره ها، کشتی ها، کامپیوترها، موبایل، تلفن و ... به دلیل ارزانی قیمت و کم حجم بودن و راندمان بالا باز کرده اند. به همین دلیل اکنون همه کشورهای جهان حتی در جهان سوم به طراحی و ساخت این نوع از منابع تغذیه پرکاربرد می پردازند. اما با این وجود متأسفانه هنوز این منبع تغذیه در ایران ناشناخته مانده و همه روزه مقدار زیادی از بیت‌المال المسلمین در راه ساخت منابع تغذیه غیر ایده‌آل و یا خرید این گونه منابع تغذیه سوئیچینگ از کشور خارج می شود.
-6 خلاصه
1- عنصر سوئیچینگ و پایه های اولیة ترانس باید خیلی نزدیک به هم باشند تا طول مسیر مسی و سطح حلقة ناشی از آن حداقل ممکن باشد. چرا که مسیر مسی که این ادوات را به یکدیگر متصل می کنند معمولاً شامل سوئیچینگ سریع جریان هستند که موجب انتشار EMI (مد مشترک) می شود.
2- پدیدة فوق برای عناصر اسنابر متصله در طرف اولیه نیز صادق است.
3- پایة اصلی عنصر سوئیچینگ (درین یا کلکتور) باید با کوتاه‌ترین مسیر ممکن به ترانس متصل شود. دقت شود که این پایه علاوه بر جریان سوئیچینگ فرکانس زیاد شامل ولتاژ سوئیچینگ با دامنة زیاد است که خود می تواند انتشار EMI (مد مشترک) جدیدی را اضافه کند.
4- خازن باید با کوتاه ترین مسیر مسی (اما ضخیم و یا پهن) به اولیه و ثانویه ترانس مرتبط شود.
5- تغذیه کمکی که معمولاً توسط یکی از سیم پیچ های ثانویه ترانس تأمین می شود، باید با کوتاه ترین مسیر ممکن به آند دیود یکسوساز خود مربوط گردد. چرا که این امر طول مسیر آند را که شامل ولتاژ سویئچینگ نسبتاً زیاد است کوتاه می کند و طول مسیر کاتد را که نسبتاً مسکوت (بدون اغتشاش یا نویز) است زیاد می سازد.
6- کاتد دیود تغذیه کمکی باید مستقیماً به خازن خود متصل گردد. در این قسمت از اتصال هیچ عنصر دیگری نباید متصل شود. چرا که جریان یکسوسازی می تواند موجب افت ولتاژهای ناخواسته (نویز) گردد. اما اتصال عناصر دیگر بعد از خازن مربوطه مانعی ندارد.
7- دیود و خازن یکسوساز خروجی که در طرف ثانویة ترانس سوئیچینگ قرار می گیرند باید باحداقل مسیر مسی به یکدیگر متصل شوند. به گونه‌ای که سطح حلقة بوجود آمده حداقل ممکن شود. این سطح نیز می تواند تولید نویز EMI (مد مشترک) کند. توجه شود که در این حالت باید مسیرهای مسی کاملاً پهن باشد زیرا اوج جریان عبوری بسیار زیادتر از مقدار متوسط جریان از آن است.
8- برای حداقل کردن جهش های سوئیچینگ در پایه های خروجی دستگاه باید درست قبل از پایه ها و نزدیک به آن از خازن با ظرفیت مناسب و کیفیت خوب استفاده کرد.
9- هیت سینک هم می تواند با عناصر سوئیچینگ اتصال کامل داشته و باید به زمین مدار متصل باشد و یا اینکه از زمین مدار و عنصر سوئیچینگ کاملاً ایزوله گردد.
9-7 فهرست قوانین طرح جانمایی
با توجه به خلاصة مطالب ذکر شده می توان قوانین سادة زیر را جهت طرح جانمایی مدارهای سوئیچینگ بیان کرد:
1- حداقل کردن هر مسیر مسی و سطح حلقه تا جای ممکن.
2- پهن بودن مسیر مسی در مواردی که جریان های سوئیچینگ سریع از آن عبور می کند.
3- استفاده از اتصال کلوین (اتصال ستاره) به ویژه برای پایة زمین مدار مجتمع کنترل.
4- حداقل کردن مسیر مسی از آند (کاتد) دیود سوئیچینگ یکسوساز تا سیم‌پیچی مربوطه از ترانس سوئیچینگ برای خروجی مثبت (منفی).
5- اتصال مستقیم خازن یکسوساز به کاتد (آند) دیود یکسوساز بدون گرفتن انشعاب از میان این مسیر برای خروجی مثبت (منفی).
6- عدم استفاده از انشعاب فرعی در مسیر عناصر جبران سازی.
7- نزدیک بودن تا حد امکان خازن فیلتر خروجی به پایه های خروجی.
8- ایزوله بودن کامل هیت سینک از عنصر سوئیچینگ و مدار.
