اشرح بنية مصدر الطاقة ذي الوضع التبديل في مقال واحد

تشير بنية الدائرة إلى الربط بين أجهزة الطاقة والمكونات الكهرومغناطيسية في الدائرة، بينما يعتمد تصميم المكونات المغناطيسية ودوائر التعويض ذات الحلقة المغلقة وجميع مكونات الدائرة الأخرى على هذه البنية. من أبسط البنى: محولات باك، ومحولات بوست، ومحولات باك/بوست، ومحولات فلايباك أحادية الطرف (معزولة)، ومحولات فورورد، ومحولات الدفع والسحب، ومحولات نصف الجسر، ومحولات الجسر الكامل. يوجد ما يقارب 14 بنية شائعة لمزودات الطاقة ذات وضع التبديل، لكل منها خصائصها وسيناريوهات استخدامها. يعتمد مبدأ الاختيار على ما إذا كانت الطاقة عالية أو منخفضة، وجهد الخرج عالي أو منخفض، وما إذا كانت تتطلب أقل عدد ممكن من المكونات. من المهم جدًا اختيار البنية المناسبة والإلمام بمزايا وعيوب ومدى ملاءمة مختلف البنى. فالاختيارات الخاطئة ستؤدي حتمًا إلى فشل تصميم مزود الطاقة منذ البداية.

في هذه المقالة، سنتعمق في طوبولوجيات التخفيض التدريجي، والترقية التدريجية، والتخفيض التدريجي مع الترقية التدريجية من وجهات نظر مختلفة.

محول باك

الشكل 1 هو رسم تخطيطي لمحول خافض للجهد غير متزامن. يقوم هذا المحول بخفض جهد دخله إلى جهد خرج أقل. عند تشغيل المفتاح Q1، تنتقل الطاقة إلى طرف الخرج.

الشكل 1: رسم تخطيطي لمحول باك غير متزامن

تحسب الصيغة 1 دورة التشغيل:

تحسب الصيغة 2 أقصى إجهاد لترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة (MOSFET):

توفر الصيغة 3 أقصى إجهاد للثنائي:

Vin هو جهد الإدخال، وVout هو جهد الإخراج، وVf هو الجهد الأمامي للثنائي.

بالمقارنة مع منظمات الجهد الخطي أو منظمات الجهد المنخفض (LDOs)، كلما زاد الفرق بين جهد الإدخال وجهد الإخراج، زادت كفاءة محول الجهد الخافض.

على الرغم من أن محول الجهد الخافض يُنتج تيارًا نبضيًا عند المدخل، إلا أن تيار الخرج يكون مستمرًا نظرًا لوجود مرشح حثي مكثف (LC) عند مخرج المحول. ونتيجة لذلك، يكون تموج الجهد المنعكس إلى طرف المدخل أكبر مقارنةً بالتموج عند طرف الخرج.

بالنسبة لمحولات الجهد الخافض ذات دورات التشغيل الصغيرة وتيارات الخرج التي تزيد عن 3 أمبير، يُنصح باستخدام مقومات متزامنة. أما إذا كان مصدر الطاقة يتطلب تيار خرج يزيد عن 30 أمبير، فيُنصح باستخدام مراحل طاقة متعددة الأطوار أو متداخلة، حيث يُقلل ذلك من إجهاد المكونات، ويوزع الحرارة المتولدة بين مراحل الطاقة المتعددة، ويُقلل من تموج الانعكاس عند مدخل المحول.

عند استخدام ترانزستور N-FET، تكون دورة التشغيل محدودة لأن مكثف التمهيد يحتاج إلى إعادة شحن في كل دورة تبديل. في هذه الحالة، تتراوح دورة التشغيل القصوى بين 95% و99%.

تتميز محولات باك عادةً بخصائص ديناميكية جيدة نظرًا لبنيتها الطوبولوجية الأمامية. ويعتمد عرض النطاق الترددي المتاح على جودة مضخم الخطأ وتردد التبديل المُختار.

تُظهر الأشكال من 2 إلى 7 أشكال موجات الجهد والتيار لـ FET والديود والمحث في وضع التوصيل المستمر (CCM) في محولات باك غير المتزامنة.

محول رفع الجهد

يقوم محول الرفع برفع جهد دخله إلى جهد خرج أعلى. عندما يكون المفتاح Q1 غير موصل، تنتقل الطاقة إلى طرف الخرج. الشكل 8 هو مخطط تخطيطي لمحول رفع غير متزامن.

الشكل 8: رسم تخطيطي لمحول رفع الجهد غير المتزامن

تحسب الصيغة رقم 4 دورة التشغيل:

تحسب الصيغة 5 أقصى إجهاد لترانزستور MOSFET:

توفر الصيغة 6 أقصى إجهاد للثنائي:

Vin هو جهد الإدخال، وVout هو جهد الإخراج، وVf هو الجهد الأمامي للثنائي.

باستخدام محول رفع الجهد، يمكن ملاحظة تيار الخرج النبضي، حيث يقع مرشح LC عند طرف الإدخال. لذلك، يكون تيار الإدخال مستمرًا، ويكون تموج جهد الخرج أكبر من تموج جهد الإدخال.

عند تصميم محول رفع الجهد، من المهم معرفة وجود اتصال دائم بين المدخل والمخرج حتى في حال عدم قيام المحول بالتبديل. لذا، يجب اتخاذ تدابير وقائية لمنع حدوث أي ماس كهربائي محتمل عند طرف المخرج.

بالنسبة لتيارات الخرج التي تزيد عن 4 أمبير، يُنصح باستخدام مقومات متزامنة بدلاً من الثنائيات. وإذا كان مصدر الطاقة يحتاج إلى توفير تيار خرج يزيد عن 10 أمبير، يُوصى بشدة باستخدام طرق مراحل الطاقة متعددة الأطوار أو المتداخلة.

عند التشغيل في وضع CCM، تكون الخصائص الديناميكية لمحول الرفع محدودة بسبب نقطة الصفر في النصف الأيمن من المستوى المركب (RHPZ) لدالة النقل الخاصة به. ونظرًا لعدم قدرة RHPZ على التعويض، فإن عرض النطاق الترددي المتاح عادةً ما يكون أقل من خُمس إلى عُشر تردد RHPZ.

يرجى الرجوع إلى الصيغة رقم 7:

ومن بينها، Vout هو جهد الخرج، وD هو دورة التشغيل، وIout هو تيار الخرج، وL1 هو محاثة محول الرفع.

تُظهر الأشكال من 9 إلى 14 أشكال موجات الجهد والتيار لـ FET والديود والمحث في وضع CCM في محولات الرفع غير المتزامنة.

محول باك بوست

محول باك بوست هو مزيج من مراحل الطاقة باك وبوست التي تشترك في نفس المحث.

انظر إلى الشكل 15.

الشكل 15: رسم تخطيطي لمحول باك بوست ثنائي المفتاح

تعتبر تقنية رفع وخفض الجهد عملية للغاية لأن جهد الإدخال يمكن أن يكون أصغر أو أكبر أو مساوياً لجهد الإخراج، وتتطلب طاقة إخراج أكبر من 50 واط.

بالنسبة لطاقة الخرج الأقل من 50 واط، فإن محول المحث الأساسي أحادي الطرف (SEPIC) هو خيار أكثر فعالية من حيث التكلفة لأنه يستخدم مكونات أقل.

عندما يكون جهد الدخل أعلى من جهد الخرج، يعمل محول الجهد الخافض/الرافع في وضع الخافض؛ وعندما يكون جهد الدخل أقل من جهد الخرج، يعمل في وضع الرافع. عند تشغيل المحول في نطاق جهد النقل حيث يقع جهد الدخل ضمن نطاق جهد الخرج، توجد طريقتان للتعامل مع هذه الحالات: إما أن تكون مرحلتا الخافض والرافع نشطتين في آنٍ واحد، أو أن تتناوب دورة التبديل بينهما، حيث تعمل كل منهما عادةً بنصف تردد التبديل العادي. قد تتسبب الطريقة الثانية في ظهور ضوضاء توافقية فرعية عند الخرج، وبالمقارنة مع عمليات الخافض أو الرافع التقليدية، قد لا تكون دقة جهد الخرج بنفس مستوى الدقة، ولكن بالمقارنة مع الطريقة الأولى، سيكون المحول أكثر كفاءة.

تتميز بنية باك بوست بتيارات نبضية عند طرفي الإدخال والإخراج لأنه لا يوجد مرشح LC في أي من الاتجاهين.

بالنسبة لمحولات رفع وخفض الجهد، يمكن استخدام مراحل رفع وخفض الطاقة بشكل منفصل للحساب.

يُعدّ محوّل الجهد الخافض/الرافع ذو المفتاحين مناسبًا لنطاق طاقة يتراوح بين 50 و100 واط (مثل LM5118)، ويمكن أن تصل قدرة التقويم المتزامن إلى 400 واط (كما في LM5175). يُنصح باستخدام مقوّم متزامن بنفس حدّ التيار المستخدم في مراحل الجهد الخافض/الرافع غير المترافقة.

أنت بحاجة إلى تصميم شبكة تعويض لمحول باك بوست لمرحلة التعزيز، حيث أن RHPZ سيحد من عرض نطاق المنظم.

البنى الطوبولوجية الأساسية المشتركة

■ خفض جهد باك

■ تعزيز التعزيز

■تعزيز الجهد الكهربائي (خفض الجهد)

■ فلايباك فلايباك

■ إلى الأمام إلى الأمام

■ محولان أماميان، ترانزستور مزدوج أمامي

■ ادفع واسحب

■ نصف الجسر نصف الجسر

■ جسر كامل

■ سيبك

■ المملكة المتحدة

1- شكل موجة تعديل عرض النبضة الأساسي

ترتبط جميع هذه البنى الطوبولوجية بدوائر وضع التبديل، ويتم تعريف شكل موجة تعديل عرض النبضة الأساسي على النحو التالي:

2- باك

الخاصية:

■ خفض جهد الإدخال إلى جهد أقل.

■ قد تكون هذه أبسط دائرة كهربائية.

■ يقوم مرشح المحث/المكثف بتسطيح الموجة المربعة بعد التبديل.

■ يكون الناتج دائمًا أقل من أو يساوي المدخلات.

■ تيار الإدخال غير متصل (متقطع).

تيار خرج سلس.

3- تعزيز

الخاصية:

■ ارفع جهد الإدخال إلى جهد أعلى.

■مشابه لخفض الجهد، ولكن مع إعادة ترتيب المحاثات والمفاتيح والثنائيات.

■ يكون الناتج دائمًا أكبر من أو يساوي المدخل (مع تجاهل انخفاض الجهد الأمامي للثنائي).

■ تيار دخل سلس.

■ تيار خرج غير متصل (تقطيع).

4- باك بوست

الخاصية:

■ طريقة ترتيب أخرى للمحاثات والمفاتيح والثنائيات.

■الجمع بين عيوب كل من دوائر خفض الجهد ودوائر رفع الجهد.

■ تيار الإدخال غير متصل (متقطع).

■ يكون تيار الخرج متقطعًا أيضًا (متقطعًا).

■ يكون الناتج دائمًا معاكسًا للمدخل (لاحظ قطبية المكثف)، ولكن يمكن أن تكون السعة أصغر أو أكبر من المدخل.

■محول "الارتداد" هو في الواقع على شكل دائرة عزل خافضة للجهد ورافعة للجهد (اقتران المحول).

5- فلايباك

الخاصية:

■يعمل مثل دائرة رفع وخفض الجهد، ولكن المحث يحتوي على ملفين يعملان كمحول ومحث في آن واحد.

■ يمكن أن يكون الناتج موجبًا أو سالبًا، ويتم تحديده بواسطة قطبية الملف والديود.

■ يمكن أن يكون جهد الخرج أكبر أو أقل من جهد الدخل، ويتم تحديده من خلال نسبة لفات المحول.

■ هذا هو أبسط هيكل طوبولوجي معزول.

■ يمكن أن تؤدي إضافة اللفات والدوائر الثانوية إلى مخرجات متعددة.

6- للأمام

الخاصية:

■ شكل اقتران المحول لدائرة خفض الجهد.

■ تيار دخل غير متصل، تيار خرج سلس.

■بسبب استخدام المحولات، يمكن أن يكون الناتج أكبر أو أقل من المدخلات، ويمكن أن يكون من أي قطبية.

■ يمكن الحصول على مخرجات متعددة عن طريق إضافة ملفات ودوائر ثانوية.

■ يجب إزالة مغناطيسية قلب المحول خلال كل دورة تبديل. وتتمثل الممارسة الشائعة في إضافة ملف بنفس عدد لفات الملف الابتدائي.

■ يتم إطلاق الطاقة المخزنة في المحث الأساسي أثناء مرحلة التشغيل من خلال اللفات الإضافية والثنائيات أثناء مرحلة الإيقاف.

7- ثنائي الترانزستور الأمامي

الخاصية:

■ يعمل مفتاحان في وقت واحد.

■عند فصل المفتاح، تعكس الطاقة المخزنة في المحول قطبية الملف الابتدائي، مما يتسبب في توصيل الصمام الثنائي.

المزايا الرئيسية:

■ لن يتجاوز الجهد الكهربائي على كل مفتاح جهد الإدخال.

■لا حاجة لإعادة ضبط مسار اللف.

8- الدفع والسحب

الخاصية:

■ يقوم المفتاح (FET) بتشغيل مراحل مختلفة وينفذ تعديل عرض النبضة (PWM) لتنظيم جهد الخرج.

■ معدل استخدام جيد للنوى المغناطيسية للمحول - نقل الطاقة في نصفي الدورة.

■ بنية طوبولوجية للموجة الكاملة، لذا فإن تردد تموج الإخراج هو ضعف تردد المحول.

■ الجهد المطبق على الترانزستور ذي التأثير الحقلي يساوي ضعف جهد الإدخال.

9- نصف الجسر

الخاصية:

■ بنية طوبولوجية شائعة الاستخدام في محولات الطاقة العالية.

■ يقوم المفتاح (FET) بتشغيل مراحل مختلفة وينفذ تعديل عرض النبضة (PWM) لتنظيم جهد الخرج.

■ معدل استخدام جيد للنوى المغناطيسية للمحول - نقل الطاقة في نصفي الدورة. ■ علاوة على ذلك، فإن معدل استخدام الملف الابتدائي أفضل من معدل استخدام دائرة الدفع والسحب.

■ بنية طوبولوجية للموجة الكاملة، لذا فإن تردد تموج الإخراج هو ضعف تردد المحول.

■ الجهد المطبق على الترانزستور ذي التأثير الحقلي يساوي جهد الإدخال.

10- الجسر الكامل

الخاصية:

■ بنية الطوبولوجيا الأكثر استخدامًا لمحولات الطاقة العالية.

■ يتم تشغيل المفاتيح (FETs) في أزواج قطرية ويتم إجراء تعديل عرض النبضة (PWM) لتنظيم جهد الخرج.

■ معدل استخدام جيد للنوى المغناطيسية للمحول - نقل الطاقة في نصفي الدورة.

■ بنية طوبولوجية للموجة الكاملة، لذا فإن تردد تموج الإخراج هو ضعف تردد المحول.

■ الجهد المطبق على الترانزستورات ذات التأثير الحقلي يساوي جهد الإدخال.

■عند قدرة معينة، يكون التيار الأساسي نصف تيار نصف الجسر.

11- محول المحث الابتدائي أحادي الطرف (SEPIC)

الخاصية:

■ يمكن أن يكون جهد الخرج أكبر أو أقل من جهد الدخل.

■مثل دائرة الرفع، يكون تيار الإدخال سلسًا، لكن تيار الإخراج غير متصل.

■ يتم نقل الطاقة من المدخل إلى المخرج عبر المكثفات.

■ يلزم وجود ملفين حثيين.

12- C'uk (براءة اختراع Slobodan C'uk)

الخاصية:

■الخرج في طور معكوس.

■ يمكن أن تكون سعة جهد الخرج أكبر أو أقل من جهد الدخل.

■ يكون كل من تيار الإدخال وتيار الإخراج سلسين.

■ يتم نقل الطاقة من المدخل إلى المخرج عبر المكثفات.

■ يلزم وجود ملفين حثيين.

■ يمكن للحث أن يقترن للحصول على تيار محث صفري التموج.

13- تفاصيل تشغيل الدائرة

■ فيما يلي شرح لتفاصيل عمل العديد من هياكل الطوبولوجيا:

■منظم الجهد: التوصيل المستمر، التوصيل الحرج، التوصيل المتقطع.

■ منظم التعزيز (التوصيل المستمر).

■تشغيل المحول.

■ محول الارتداد.

■ محول أمامي.

14- منظم جهد باك ذو التوصيل المستمر

الخاصية:

■ تيار المحث مستمر.

■Vout هو متوسط ​​جهد الإدخال الخاص به (V1).

■ جهد الخرج هو حاصل ضرب جهد الدخل ونسبة الحمل للمفتاح (D).

■عند التوصيل، يتدفق تيار المحث خارجًا من البطارية.

■عند إيقاف تشغيل المفتاح، يمر التيار عبر الصمام الثنائي.

■بإهمال الخسائر في المفاتيح والمحاثات، يكون D مستقلاً عن تيار الحمل.

■ خصائص منظم الجهد الكهربائي والدوائر المشتقة منه هي:

■ تيار الإدخال غير متصل (التقطيع)، تيار الإخراج متصل (التنعيم).

15- الموصلية الحرجة لمنظم الجهد الخافض

■ يظل تيار المحث مستمرًا، ولكنه يصل إلى الصفر عند إعادة تشغيل المفتاح، وهو ما يُسمى "التوصيل الحرج". ويظل جهد الخرج مساويًا لجهد الدخل مضروبًا في D.

16- التوصيل المتقطع لمنظم الجهد الخافض

■ في هذه الحالة، يكون التيار في المحث صفراً لفترة زمنية معينة في كل دورة.

■يبقى جهد الخرج (دائمًا) هو متوسط ​​قيمة v1.

■ لا يمثل جهد الخرج ناتج جهد الدخل ونسبة الحمل للمفتاح (D).

■عندما يكون تيار الحمل أقل من القيمة الحرجة، يتغير D مع تيار الحمل (بينما يظل Vout ثابتًا).

17- منظم ضغط معزز

■ يكون جهد الخرج دائمًا أكبر من (أو يساوي) جهد الدخل.

■ تيار دخل مستمر، تيار خرج متقطع (عكس منظم الجهد).

■ العلاقة بين جهد الخرج ونسبة الحمل (D) ليست بسيطة كما هي في منظم الجهد. في حالة التوصيل المستمر:

في هذا المثال، Vin = 5، Vout = 15، و D = 2/3. Vout = 15، D = 2/3.

18- تشغيل المحول (بما في ذلك دور الحث الابتدائي)

■ يعتبر المحول محولًا مثاليًا، حيث يتم توصيل محاثته الأولية (الممغنطة) بالتوازي مع الملف الابتدائي.

19. محول الارتداد

■ يكون الحث الابتدائي هنا منخفضًا جدًا، ويُستخدم لتحديد ذروة التيار والطاقة المخزنة. عند إيقاف تشغيل المفتاح الابتدائي، تنتقل الطاقة إلى الملف الثانوي.

20- محول أمامي

■ يكون الحث الأساسي عاليًا لأنه لا توجد حاجة لتخزين الطاقة.

يتدفق تيار التمغنط (i1) إلى "المحث المغناطيسي"، مما يتسبب في إزالة مغنطة القلب المغناطيسي (الجهد العكسي) بعد إيقاف تشغيل المفتاح الأساسي.

ملخص

■ تستعرض هذه المقالة أكثر أنواع الدوائر شيوعًا في تحويل الطاقة باستخدام وضع التبديل الحالي.

■ هناك العديد من الهياكل الطوبولوجية الأخرى، لكن معظمها عبارة عن تركيبات أو اختلافات في الطوبولوجيا الموصوفة هنا.

■ يحتوي كل هيكل طوبولوجي على مقايضات تصميمية فريدة:

1) الجهد المطبق على المفتاح

2) تقطيع وتنعيم تيارات الإدخال والإخراج

3) معدل استخدام اللفائف

■ يتطلب اختيار الطوبولوجيا المثلى إجراء بحث حول:

1) نطاق جهد الإدخال والإخراج

2) النطاق الحالي

3) نسبة التكلفة إلى الأداء، والحجم إلى الوزن