چگونه اندوکتور مناسب برای منابع تغذیه با جریان پلسرفین را انتخاب کنید

اندکتور یک مولفهٔ فعال سازگار معمول در مدارهاست که نقش‌هایی مانند فیلترینگ، افزایش و کاهش را در طراحی تأمین‌کننده‌های قدرت شوئینگ ایفا می‌کند. در مرحلهٔ اولیه طراحی طرح، مهندسان علاوه بر انتخاب مقادیر مناسب اندکتور، باید جریان قابل تحمل توسط اندکتور، DCR ضربه، ابعاد مکانیکی، زیان‌ها و غیره را نیز در نظر بگیرند. اگر آنها به اندازهٔ کافی با عملکرد اندکتورها آشنایی نداشته باشند، اغلب در طراحی در موقعیت فعّال قرار نمی‌گیرند و زمان زیادی را صرف می‌کنند.

درک عملکردهای اندکتور

اندکتور L در مدار فیلتر LC در خروجی تأمین‌کنندهٔ قدرت شوئینگ است. در تبدیل buck، یک سر اندکتور به ولتاژ خروجی DC متصل است، در حالی که سر دیگر آن بین ولتاژ ورودی و GND به حالت تبادلی می‌پردازد که به فرکانس شوئینگ بستگی دارد.

در حالت ۱، اندکتور از طریق MOSFET به ولتاژ ورودی متصل می‌شود. در حالت ۲، اندکتور به GND متصل می‌شود.
به دلیل استفاده از این نوع کنترلر، دو روش برای زمین‌کردن اندازه‌گیر وجود دارد: زمین‌کردن از طریق دیود یا از طریق ماسفت. اگر روش نخست انتخاب شود، تبدیل‌کننده به حالت غیرهمگام خوانده می‌شود. در حالت دوم، تبدیل‌کننده به حالت همگام اطلاق می‌شود.

در حالت ۱، یک سر اندازه‌گیر به ولتاژ ورودی متصل است و سر دیگر آن به ولتاژ خروجی متصل می‌شود. برای تبدیل‌کننده پاد، ولتاژ ورودی باید بالاتر از ولتاژ خروجی باشد، بنابراین یک جتول ولتاژ مثبت روی اندازه‌گیر ایجاد می‌شود.
در حالت ۲، سر اندازه‌گیر که قبلاً به ولتاژ ورودی متصل بود، به زمین متصل می‌شود. برای تبدیل‌کننده پاد، ولتاژ خروجی حتماً قطب مثبت است، بنابراین یک جتول ولتاژ منفی روی اندازه‌گیر ایجاد می‌شود.

فرمول محاسبه ولتاژ اندازه‌گیر

V=L(dI/dt). از آنجایی که جریان از طریق خازن زمانی که ولتاژ خازن مثبت است (حالت 1) افزایش می‌یابد و زمانی که ولتاژ منفی است (حالت 2) کاهش می‌یابد، نمودار جریان خازن در شکل 2 نشان داده شده است:

از شکل فوق می‌توان دید که بیشترین جریان عبوری از خازن، جریان DC به علاوه نیمه‌ای از جریان پیک-به-پیک سوئیچینگ است. شکل فوق همچنین جریان ریپل را نشان می‌دهد. بر اساس فرمول ذکر شده، جریان پیک به صورت زیر محاسبه می‌شود: که در آن ton زمان حالت 1، T دوره سوئیچینگ و DC دوبل-سیکل حالت 1 است.

مدار تبدیل هماهنگ

مدار تبدیل ناهماهنگ

Rs: مقاومت ترکیبی مقاومت حسگر جریان و مقاومت لوله خازن. Vf: فشار مثبت دیود شات کی. R: کل مقاومت در مسیر هدایت، که به صورت R=Rs+Rm محاسبه می‌شود، جایی که Rm مقاومت حالت روشن MOSFET است.

اشباع هسته اندوکتور

از جریان پیک اندوکتور محاسبه شده، می‌دانیم که هنگامی که جریان عبوری از اندوکتور افزایش می‌یابد، ظرفیت آن کاهش می‌یابد. این موضوع توسط ویژگی‌های فیزیکی ماده هسته تعیین می‌شود. درجه کاهش ظرفیت اهمیت دارد: اگر این کاهش بسیار شدید باشد، تبدیل‌کننده به طور نرمال عمل نخواهد کرد. جریانی که در آن اندوکتور به دلیل جریان زیاد خراب می‌شود، جریان اشباع نام دارد که یک پارامتر بنیادی اندوکتور است.
منحنی اشباع اندوکتورهای قدرت در مدارهای تبدیل‌کننده حائز اهمیت است و بررسی شدنی است. برای درک این مفهوم، می‌توانید منحنی اندازه‌گیری‌شده L نسبت به جریان DC را مشاهده کنید.

هنگامی که جریان فراتر از یک حد آستانه افزایش می‌یابد، ظرفیت به طور چشمگیری کاهش می‌یابد — یک پدیده که به آن اشباع می‌گویند. افزایشات بیشتر جریان می‌تواند باعث شکست کامل اندوکتور شود.
با این ویژگی饱满، می‌توانیم بفهمیم چرا تمام تبدیل‌کننده‌ها تحت جریان خروجی مستقیم (DC)، دامنه تغییرات مقدار الکترودویی (△L ≤ 20% یا 30%) را مشخص می‌کنند و چرا در مشخصات کاتوش، پارامتر Isat وجود دارد. چون تغییر در جریان نپور معمولاً به طور قابل توجهی بر روی الکترودویی تأثیر ندارد، در تمام کاربردها سعی می‌شود جریان نپور به اندازهٔ ممکن کاهش یابد، زیرا این جریان بر روی نپور ولتاژ خروجی تأثیر می‌گذارد. این است که همیشه نگرانی زیادی دربارهٔ میزان کاهش الکترودویی تحت جریان خروجی مستقیم وجود دارد، در حالی که الکترودویی تحت جریان نپور اغلب در مشخصات فراموش می‌شود.

انتخاب کاتوش‌های مناسب برای تأمین‌کننده‌های قدرت با جابه‌جایی

اندوکتورها اجزای معمول در تأمین‌های قدرت جابجایی هستند. به دلیل تفاوت فاز بین جریان و ولتاژ آنها، نظریاً از دیدگاه کاهش، صفر هستند. اندوکتورها اغلب به عنوان عناصر ذخیره‌ساز انرژی عمل می‌کنند و ویژگی "موارد مخالف ورود و حفظ خروج" را دارا هستند و معمولاً با خازن‌ها در مدارهای فیلتر ورودی و خروجی برای هموار کردن جریان استفاده می‌شوند.
به عنوان مولفه‌های مغناطیسی، خازن‌ها به طور ذاتی با مشکل اشباع مغناطیسی روبرو هستند. برخی کاربردها اشباع خازن را قابل قبول دانسته، برخی از آن جا به جای شروع از یک مقدار جریان خاص اجازه می‌دهند، در حالی که دیگران به شدت از آن محروم می‌کنند و نیاز به تفکیک در مدارهای خاص دارند. در بیشتر موارد، خازن‌ها در منطقه «خطی» عمل می‌کنند، که در آن مقدار خازن ثابت می‌ماند و با ولتاژ یا جریان انتهایی تغییر نمی‌کند. با این حال، تامین‌کننده‌های قدرت سوئیچینگ مشکل قابل توجهی دارند: خازن‌های پیچیده دو پارامتر توزیع‌شده (یا پارازیت) را معرفی می‌کنند. یکی مقاومت پیچیده اجتناب‌ناپذیر است و دیگری ظرفیت پراکنده مربوط به فرآیند پیچیده‌سازی و مواد است. ظرفیت پراکنده در فرکانس‌های پایین تأثیر کمی دارد، اما هنگامی که فرکانس افزایش می‌یابد، تأثیر آن به طور چشمگیری روشن می‌شود. وقتی فرکانس فراتر از یک مقدار خاص رشد می‌کند، خازن ممکن است ویژگی‌های ظرفیتی نشان دهد. اگر ظرفیت پراکنده به صورت یک گنجاندن واحد در نظر گرفته شود، مدار معادل خازن رفتار ظرفیتی آن را فراتر از یک فرکانس خاص نشان می‌دهد.

هنگام تحلیل وضعیت عملیاتی یک سلف در یک مدار، باید ویژگی‌های زیر را در نظر گرفت:
1. وقتی جریان I از طریق یک سلف L عبور می‌کند، انرژی ذخیره شده در سلف برابر است با: E=0.5 × L× I2(1)
2. در یک چرخه دوپل، رابطه بین تغییرات جریان سلف (مقدار پیک به پیک جریان نوسانی) و ولتاژ روی سلف به صورت زیر است:
V=(L × di)/dt(2)، این نشان می‌دهد که مقدار جریان نوسانی به مقدار خودساز بستگی دارد.
3. سلف‌ها نیز فرآیندهای شارژ و دیشارژ را انجام می‌دهند. جریان عبوری از سلف متناسب با انتگرال ولتاژ (ولت-ثانیه) روی آن است. به طوری که هرگاه ولتاژ سلف تغییر کند، نرخ تغییر جریان di/dt نیز تغییر خواهد کرد: ولتاژ جلوگرد منجر به افزایش خطی جریان و ولتاژ معکوس منجر به کاهش خطی جریان می‌شود.

انتخاب سلف‌های برای منابع توان جریان پلکانی نوع باک

هنگام انتخاب یک سلف برای منبع توان جریان پلکانی نوع باک، لازم است وولتاژ ورودی حداکثر، ولتاژ خروجی، فرکانس کاری توان، جریان نوسانی حداکثر و دوئی سیکل تعیین شوند. در ادامه، توضیحاتی درباره محاسبه مقدار سلف برای منبع توان جریان پلکانی نوع باک آورده شده است. ابتدا فرض کنید که فرکانس سوئیچینگ 300 کیلوهرتز، برد ولتاژ ورودی 12 ولت ± 10٪، جریان خروجی 1 آمپر و جریان نوسانی حداکثر 300 میلی آمپر است.

نمودار مدار منبع توان جریان پلکانی نوع باک

بیشترین ولتاژ ورودی 13.2V است و دایره کارکرد متناظر به صورت زیر است: D＝Vo/Vi＝5/13.2＝0.379(3)، جایی که Vo ولتاژ خروجی و Vi ولتاژ ورودی است. هنگامی که ترانزیستور سوئیچ فعال است، ولتاژ روی سلف به این شکل است: V = Vi - Vo = 8.2 V(4). و هنگامی که ترانزیستور سوئیچ خاموش است، ولتاژ روی سلف به این شکل است: V＝-Vo－Vd＝-5.3V(5). dt＝D/F(6). جایگذاری معادلات (2)، (3) و (6) در معادله (2):

انتخاب سلف‌ها برای منابع قدرت سوئیچینگ نوع بوست

محاسبه مقدار خازن برای منبع تغذیه قدرت با جریان بالا، به جز اینکه رابطه فرمول بین دوره کار و ولتاژ خازن تغییر کرده است، سایر فرآیندها همانند روش محاسبه منبع تغذیه قدرت با جریان پایین است. فرض کنید فرکانس جابجایی 300 kHz، دامنه ولتاژ ورودی 5 V ± 10٪، جریان خروجی 500 mA، و کارایی 80٪ است، بیشینه جریان نوسانی 450 mA است و دوره کار متناظر:D=1-Vi/Vo=1-5.5/12=0.542(7).

نمودار مدار منبع تغذیه قدرت با جریان بالا

هنگامی که سوئیچ روشن است، ولتاژ خازن برابر است با: V = Vi = 5.5 V (8)، هنگامی که سوئیچ خاموش است، ولتاژ خازن برابر است با: V = Vo + Vd - Vi = 6.8 V (9)، جایگذاری فرمول‌های 6/7/8 در فرمول 2 نتیجه می‌دهد:

لطفاً توجه داشته باشید که، مغایرت با تبدیل‌کننده‌های بک، تبدیل‌کننده‌های بوست به طور مداوم جریان بارگیر را از اندرزنه فراهم نمی‌کنند. زمانی که ترانزیستور سوئیچ فعال است، جریان اندرزنه از طریق سوئیچ به زمین جریان یافته و در حالی که جریان بارگیر توسط خازن خروجی تأمین می‌شود. بنابراین، خازن خروجی باید انرژی کافی را ذخیره کند تا بارگیر را در این دوره تأمین کند. اما هنگامی که سوئیچ خاموش است، جریان اندرزنه نه تنها بارگیر را تأمین می‌کند بلکه خازن خروجی را نیز شارژ می‌کند.
معمولاً، افزایش مقدار اندرزنش بعضاً می‌تواند نپش خروجی را کاهش دهد اما پاسخ دینامیک منبع توان را بدتر می‌کند. بنابراین، اندرزنش بهینه باید بر اساس نیازهای خاص برنامه انتخاب شود. فرکانس‌های سوئیچینگ بالاتر مجاز به استفاده از مقادیر اندرزنش کوچکتر است که اندازه اندرزنه را کاهش می‌دهد و فضا روی PCB را صرفه‌جویی می‌کند. در نتیجه، منابع توان سوئیچینگ مدرن به سمت فرکانس‌های بالاتر حرکت می‌کنند تا نیاز به محصولات الکترونیکی کوچکتر را برآورده کنند.

تحلیل و کاربرد منابع تغذیه قدرت با جریان پیچیده

در مورد قانون لنتس: در یک مدار توان دی سی، به علت خودمغناطیس فنر، نیروی الکتریکی (EMF) ایجاد می‌شود که افزایش جریان را مخالفت می‌کند. بنابراین، در لحظه روشن شدن، جریان مدار به طور مؤثر صفر است و کل اختلاف ولتاژ بر روی فنر رخ می‌دهد. سپس جریان به طور تدریجی افزایش می‌یابد همانطور که ولتاژ فنر کاهش می‌یابد تا به صفر برسد، که نشانه پایان حالت موقت است. در عملکرد تبدیل‌دهنده جریان پیچیده، فنر نباید به حالت饱满 برسد تا ذخیره‌سازی و انتقال انرژی به صورت کارآمد انجام شود. یک فنر در حالت饱满 شبیه به یک مسیر مستقیم دی سی رفتار می‌کند و توانایی ذخیره‌سازی انرژی خود را از دست می‌دهد، که این موضوع عملکرد تبدیل‌دهنده را تحت تأثیر قرار می‌دهد. هنگامی که فرکانس جریان پیچیده ثابت است، مقدار خودمغناطیس باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا جلوی حالت饱满 را تحت جریان‌های اوج برود.

تعیین مقدار خازن در منابع تغذیه با جریان پلسر: در فرکانس‌های پلسر کمتر، چون مدت زمان روشن/خاموش بیشتر است، نیاز به مقدار بزرگ‌تری از خازن برای حفظ خروجی مداوم وجود دارد. این اجازه می‌دهد تا خازن انرژی بیشتری از میدان مغناطیسی ذخیره کند. علاوه بر این، دوره‌های پلسر بلندتر منجر به تجدید انرژی کمتر می‌شود، که باعث می‌شود نوسان جریان نسبتاً کوچک‌تر باشد. این اصل می‌تواند با فرمول زیر توضیح داده شود: L = (dt/di) * uL که در آن D = Vo/Vi (دوره کاری)، dt = D/F (مدت زمان روشن)، F = فرکانس پلسر و di = نوسان جریان. برای تبدیل‌کننده‌های buck، D = 1 - Vi/Vo؛ برای تبدیل‌کننده‌های boost، D = Vo/Vi. با مرتب‌سازی مجدد، داریم: L = D * uL / (F * di). هنگامی که F کاهش می‌یابد، L باید متناسب با آن افزایش یابد. بالعکس، افزایش L در حالی که سایر پارامترها ثابت باشند، منجر به کاهش di (نوسان جریان) می‌شود. در فرکانس‌های بالاتر، افزایش خازن موانع را افزایش می‌دهد، که منجر به افزایش ضیاع قدرت و کاهش کارایی می‌شود. به طور کلی، با فرکانس ثابت، خازن بزرگ‌تر نوسان خروجی را کاهش می‌دهد اما پاسخ پویا را بدتر می‌کند (پاسخ کندتری به تغییرات بار). بنابراین، خازن بهینه باید بر اساس نیازهای کاربردی انتخاب شود تا بین کاهش نوسان و عملکرد موقت تعادل برقرار کند.