Güç kaynakları, gerekli voltajda yeterli akımı sağlamak için hemen hemen her elektrik/elektronik uygulamasında kullanılır. İki ana güç kaynağı türü vardır: doğrusal ve anahtarlamalı mod. Her ikisi de birbirinin yerine kullanılabilir ancak anahtarlamalı güç kaynakları giderek daha popüler hale geliyor.
Bu yazıda, anahtarlamalı güç kaynaklarının ne olduğuna, nasıl çalıştıklarına ve geleneksel bir doğrusal güç kaynağına kıyasla avantaj ve dezavantajlarına bir göz atalım.
Anahtarlamalı Güç Kaynağı (SMPS) nedir?
Anahtarlamalı bir güç kaynağı (olarak da bilinir) anahtarlama güç kaynağı, SMPS, anahtarlayıcı) elektrik gücünü bir voltajdan diğerine verimli bir şekilde dönüştüren elektronik bir güç kaynağı cihazıdır.
Tipik olarak, SMPS, bir DC/AC kaynağından bir DC yüküne (yani bir bilgisayar, cep telefonu, vb.) gücü aktarmak için kullanılır. Anahtarlamalı güç kaynaklarının çoğu, daha yüksek bir voltajı (110V veya 220V AC) 24V, 12V veya 5V gibi çok daha düşük DC voltajına dönüştürür.
Bu tür güç kaynaklarını hemen hemen her elektrikli cihazda, özellikle de kompakt olanlarda bulabiliriz. Örneğin cep telefonu şarj adaptörleri, bilgisayarlar, laptop şarj adaptörleri alınabilir.
Anahtarlamalı Mod Güç Kaynaklarının Tarihçesi
Anahtarlamalı güç kaynaklarının tarihi 1836'ya kadar uzanır. Deneyler için yüksek voltaj yükselmeleri oluşturmak için endüktif bobinlerin kullanıldığına dair kanıtlar vardır. 1959'da Bell Laboratuarlarında Mohamed M. Atalla ve Dawon Kahng güç MOSFET'i icat etti. Güç MOSFET'leri, bugüne kadar bile anahtarlamalı güç kaynaklarında en yaygın kullanılan anahtarlama cihazıdır.
1958'de IBM tarafından dosyalanan ve transistör salınımına dayalı bir SMPS tasarımını gösteren patent kayıtları vardır. Aynı yıl, General Motors Corporation (GM) da SMPS tasarımları için benzer patentler aldı.
Anahtarlamalı güç kaynağına sahip ilk ticari ve yaygın olarak bilinen ürün, Hewlett Packard'ın HP-35 cep hesap makinesiydi. Minyatür SMPS, LED'lere, ROM'a ve saat ve kayıtlar gibi diğer birincil öğelere güç sağlamak için kullanıldı. Tasarımlar birçok büyük satıcıdan ortaya çıkmış olsa da, 'Anahtarlamalı Mod Güç Kaynağı (SMPS)' teriminin kullanılması için patent 1976'da Microchip Technology tarafından dosyalandı. Anahtarlamalı güç kaynakları için ilk entegre denetleyiciyi piyasaya sürdüler.
'Anahtarlama Modu' Ne Demektir?
'Anahtarlamalı mod' veya 'anahtarlama modu' terimi, SMPS'nin çalışmasından gelir. Bir SMPS, çok yüksek bir frekansta (20kHz ila 10MHz) çalışan karmaşık bir devreden oluşur. Bu yüksek hızlı anahtarlama, anahtarlamalı güç kaynağının elektrik gücünü geleneksel doğrusal güç kaynaklarından daha verimli bir şekilde dönüştürmesini sağlar.
Anahtarlamalı Güç Kaynağı Çalışma Prensibi
Anahtarlamalı bir güç kaynağı, gücü bir voltajdan diğerine verimli bir şekilde dönüştürmek için bir dizi güç elektroniği alt devresini içeren karmaşık bir devreden oluşur.
Tipik bir SMPS, bu temel alt bölümlerle birlikte aşağıdaki blok şemaya sahiptir:
- giriş aşaması
- Anahtarlama aşaması
- çıkış aşaması
- Kontrol devresi
Giriş Aşaması
Güç girişi aşaması genellikle bir tam veya yarım köprü doğrultucu AC gücünü giriş olarak alan ve aynı voltajın filtrelenmiş bir DC çıkışını veren devre. Örneğin, bu aşama 110V AC'yi 110V DC'ye dönüştürebilir. Bu aşama ayrıca giriş gücündeki dalgalanmaları daha da ortadan kaldırmak için ek LC filtreleri (indüktör ve kapasitör) içerir.
Yüksek Frekans Anahtarı
Bu, güç kaynağının en kritik aşamasıdır. Tipik olarak, bir SMPS, ana anahtarlama cihazı olarak bir güç MOSFET'ine (bir veya daha fazla) sahiptir. Bir PWM sinyali, bir anahtar olarak hareket etmek için MOSFET'i hızla açar ve kapatır. Bu, düzleştirilmiş DC voltajını giriş aşamasından yüksek frekanslı kare dalgaya dönüştürür. Anahtarlama cihazı çalışır sürekli iletim modu Çoğu sarf malzemesinde daha iyi dönüşüm verimliliği elde etmek için.
Bu salınımlı besleme, voltajı birincil ve ikincil sargı oranına göre azaltan veya artıran bir güç transformatörüne beslenir. Bazı güç kaynakları, geri besleme amacıyla ve birden fazla çıkış voltajı elde etmek için birden fazla sargıya sahiptir.
Çıkış aşaması
Güç transformatöründen gelen çıkış aynı zamanda çıkış aşaması tarafından daha fazla filtrelenen salınımlı bir dalga biçimidir. Bu aşama ayrıca giriş aşamasına benzer filtreler içerir, ancak daha düşük voltajlarda daha fazla akımı işleyebilir. Bu, devrenin son aşamasıdır ve gücü bağlı yüke verir.
Kontrol Devresi
Anahtarlama cihazının (transistör veya MOSFET), bir PWM sinyali kullanarak güç transformatörünü beslemek için gereken kare dalgayı oluşturmak için hızla açılıp kapanması gerekir. Bu PWM sinyalinin hem frekansı hem de görev döngüsü vardır. Görev döngüsü, açık kalma süresi ile döngü başına toplam süre arasındaki orandır. SMPS'nin çıkış voltajı, transistöre beslenen PWM sinyalinin görev döngüsünü artırarak veya azaltarak kontrol edilebilir.
Bir yük bağlandığında akım çekmeye başlar ve SMPS'nin çıkış voltajı düşer. Bu anda, çıkış voltajını izlemek için ayrı bir devrenin tetikte olması ve düştükçe PWM sinyal görev döngüsünü arttırması gerekir. Benzer şekilde, bir yükün bağlantısı kesildiğinde, geri besleme devresi, istenen çıkış voltajını korumak için görev döngüsünü azaltır.
SMPS Topolojileri Nelerdir?
Ticari anahtarlamalı güç kaynaklarında kullanılan birçok topoloji vardır:
- Dolar
- Buck topolojisi, izole edilmemiş bir DC-DC voltaj düşürme topolojisidir. (yani 24VDC ila 12VDC)
- Bunlar girişten daha az ortalama akım çeker ve çıkışa daha yüksek bir akım sağlar.
- Para dönüştürücüye bir örnek, ana 12V güç kaynağının 5V USB ve 1.8V DRAM denetleyicilerine güç sağlamak için düşürüldüğü bilgisayar güç kaynaklarıdır.
- Artırmak
- Bu, izole edilmemiş bir DC-DC voltaj yükseltme topolojisidir. (3.7VDC ila 5VDC)
- Boost dönüştürücüler, girişten daha fazla akım çeker ve yüke daha yüksek bir voltajda daha az akım verir.
- Taşınabilir aydınlatma sistemlerinden elektrikli araçlara kadar pille çalışan sistemler, cihazları çalıştırmak için daha düşük bir voltajı daha yüksek bir voltaja dönüştürmek için yüksek verimli güçlendirici dönüştürücüler kullanır.
- Buck / Boost
- Buck ve Boost topolojilerinin kombinasyonu. Bu devreler, istenen çıkışa göre bir girişi yükseltebilir veya azaltabilir.
- Giriş voltajının istenen çıkış voltajından daha yüksek veya daha düşük olabileceği durumlarda Buck/boost dönüştürücüler kullanılır. Böyle bir dönüştürücü kullanarak, giriş voltajından bağımsız olarak istenen çıkış voltajını sağlayacağını her zaman garanti edebiliriz. Ancak bu genellikle giriş voltajı aralığı (minimum ve maksimum giriş voltajları) gibi sınırlamalarla birlikte gelir.
Yukarıda bahsedilen topolojiler en basit topolojilerdir. Ancak transformatörler gibi galvanik izolasyon sağlamazlar. Bu nedenle, aynı işlevselliği sağlarken gerekli güvenlik özelliklerini sağlamak için daha karmaşık transformatörler kullanan daha gelişmiş topolojiler vardır.
- Geri dönüş
- Buck dönüştürücünün geliştirilmiş bir versiyonu, elektriksel izolasyon ile aynı işlevselliği sağlar.
- İleri Dönüştürücü
- Yalıtılmış bir SMPS topolojisi, geri dönüş topolojisinden daha verimlidir.
Anahtarlamalı Mod Güç Kaynağı Devresi
Bir SMPS'nin kontrolü karmaşık ve ele alınması zor gibi görünse de, yerleşik PWM jeneratörüne ve geri besleme kontrolü ve kısa devre/aşırı voltaj koruması gibi birçok diğer gelişmiş işlevselliğe sahip TNY267, TEA173X ve VIPER22A gibi özel SMPS denetleyici IC'leri vardır.
Aşağıda, 267V AC kaynağı kullanarak 12V 1A DC çıkış verebilen basit bir çevrimdışı mod SMPS denetleyicisi olan Power Integrations tarafından TNY230'nin tipik uygulaması gösterilmektedir.
Vin girişi 100-300V AC girişidir (DC de olabilir) ve giriş, devreyi aşırı gerilim yükselmelerinden korumak için bir sigorta ve bir MOV (Metal Oksit Varistör) ile korunur. D3 köprü doğrultucu ve C2 kapasitör birlikte giriş AC sinyalini 100-300V DC'ye doğrular. Bu kademenin çıkış voltajı, RMS değerlerinden dolayı [giriş voltajı * 1.4] civarındadır.
D2 ve D4, birlikte TNY267'yi korumak için geçici bir bastırma devresi oluşturur. geri EMF sivri uçlar. D1 ve C1, istenen çıkış voltajı olan T1 transformatörünün sekonder çıkışını doğrular.
R1, D5 ve R2, değişen yük koşullarına göre çıkış voltajını düzenlemek için geri besleme devresini oluşturur. Bu, TNY267'nin çıkış voltajını 12V'da sabit tutmasına yardımcı olur.
Anahtarlamalı Güç Kaynaklarının Avantajları ve Dezavantajları
Anahtarlamalı güç kaynaklarının birçok avantajı vardır:
- Daha küçük boyut bu nedenle kompakt cihazlara sığabilir
- Yarı iletken bazlı bileşenler nedeniyle SMPS daha hafiftir
- Doğrusal güç kaynaklarından çok verimli (tipik %70-95)
- Daha geniş giriş ve çıkış voltajı aralıklarını destekler
- Kısa devre, aşırı voltaj, aşırı akım ve aşırı sıcaklık kilitleme koruması gibi ayarlanabilir çıkışlar ve güvenlik işlevleri gibi ek işlevler sağlar
- Daha düşük ısı dağılımı, dolayısıyla minimum aktif soğutma gerektirir
Bununla birlikte, SMPS'nin bazen onları belirli uygulamalar için uygunsuz kılan dezavantajları da vardır. Örneğin, bir SMPS, geleneksel bir lineer devreden çok daha karmaşık bir devredir. Bu nedenle, arıza yapabilecek ve güç kaynağının performansını engelleyebilecek birçok bileşen vardır.
Ayrıca SMPS, yüksek frekanslarda çalıştıkları için daha yüksek EMI (Elektromanyetik Girişim) ve elektrik gürültüsü ile bilinir. Kötü tasarlanmış bir SMPS, aksaklıklara neden olabilir ve hatta bazen onlardan güç alan hassas elektroniklere kalıcı olarak zarar verebilir.
Güç alanında, anahtarlamalı güç kaynakları ayrıca güç şebekesinde harmonik bozulma yaratır ve bazen kaynağa entegre değillerse ek güç faktörü düzeltmesi gerektirebilir.
Doğrusal ve Anahtarlamalı Mod Güç Kaynağı
SMPS ve lineer sarf malzemeleri arasındaki temel fark, verimlilikleridir. Anahtarlamalı güç kaynakları, daha fazla enerjiyi ısı olarak dağıtma eğiliminde olan doğrusal güç kaynakları ile karşılaştırıldığında son derece verimlidir.
Doğrusal AC-DC güç kaynakları, giriş AC voltajını düşürmek için tipik olarak transformatörler kullanır ve ardından diyotlar ve kapasitörler kullanarak filtreler kullanarak onu düzeltir. Bu, çok düşük bir dalgalanma çıktısı sağlar, ancak verimliliğin azalması pahasına (yaklaşık %30-60). Ayrıca transformatörün boyutu ve ağırlığı nedeniyle çok hacimli olma eğilimindedirler. Doğrusal güç kaynakları, özel olarak tasarlanmadıkları takdirde değişen giriş voltajlarını kaldıramazlar.
Öte yandan, lineer DC-DC dönüştürücüler, düşen voltajı ısı olarak dağıtarak voltajı düşürür. Bu nedenle, yüksek akımlı lineer regülatörler, düzgün çalışması için daha karmaşık, aktif soğutma gerektirir. Bununla birlikte, doğrusal sarf malzemeleri basit eylemsizliktir ve uygulanması nispeten düşük maliyetlidir. Ayrıca, lineer (trafo tabanlı) sarf malzemelerinin çıkışları izole edilmiştir.
Bu durumda SMPS, minimum güç kaybıyla %80 ve üzeri arasında değişen verimlilik oranlarıyla öne çıkmaktadır. Ayrıca, form faktörü olarak küçüktürler ve devre ayarlanabilir çıkışlar ve hatta izole çıkışlar elde etmek için değiştirilebildiğinden esnek uygulamalara sahiptirler. Ancak tasarım açısından çok daha karmaşıktırlar (yüksek bileşen sayısı) ve çıktıda yüksek frekanslı gürültüye sahiptirler. Doğru adreslenmezlerse, yük devrelerinin hassas bölümlerinde sorunlara neden olabilirler.
Sonuç
Anahtarlamalı güç kaynakları, elektrik gücünü bir voltajdan diğerine dönüştürmede çok verimlidir. Yüksek verimlilik, yüksek güç uygulamaları için uygundurlar ve çoğu durumda lineer kaynaklardan daha uygundurlar. Ancak, bir SMPS veya lineer güç kaynağı seçimi, çıkışta kabul edilebilir bir dalgalanma, yük ve hat regülasyonu ve istenen uygulamadaki maliyet/karmaşıklık gibi birçok faktör göz önünde bulundurularak yapılmalıdır.
