بررسی اجزاء فنی منبع تغذیه

سوئيچ‌هاي اصلي- مبدل
سوئيچ‌هاي اصلي فقط در دو وضعيت عمل مي‌كنند: روشن (وضعيت انتقال جريان) و خاموش (وضعيت جلوگيري از عبور جريان). اين سوئيچ‌ها سيگنال DC را كه از خازن هموارساز مي‌آيد به پالس‌هايي كه دامنه آن‌ها برابر با ولتاژ ورودي و چرخه كارشان (Duty Cycle) به وسيله PWM كنترل مي‌شود، خرد مي‌كنند. در نتيجه، سيگنال DC به شكل موج AC مستطيلي تبديل و به مبدل منتقل مي‌شود. مبدل در حقيقت نقش يك جداكننده بين سمت اوليه و سمت ثانويه را بازي مي‌كند. در مرحله آخر نيز اين ولتاژ كه يك‌سوكننده‌هاي خروجي را تغذيه مي‌كند (كه همه خروجي‌هاي DC  مانند12V, 5V, 3.3V, 5VSB, -12V+ را توليد مي‌كند)، كاهش مي‌يابد.

هنگامي كه سوئيچ‌ها روشن هستند، ولتاژ آن‌ها صفر است و هنگامي كه خاموش هستند، جرياني كه از آن‌ها عبور مي‌كند، صفر است. بنابراين هميشه حاصل V * I صفر است. اين موضوع به اين معني است كه در سوئيچ‌ها هيچ تواني اتلاف نمي‌شود. به هر حال، اين موضوع خيلي ايده‌آل است زيرا در دنياي واقعي اين سوئيچ‌ها اندكي توان اتلاف مي‌كنند (از آنجا كه يك دوره زماني كوتاه بين وضعيت روشن و خاموش يك ترانزيستور فاصله است و در اين زمان حاصل V * I صفر نيست، اندكي اتلاف توان خواهيم‌داشت).

يكسوكننده‌هاي خروجي و فيلترها
همانطور كه از اسم‌شان پيداست وظيفه يكسو‌كننده‌هاي خروجي و فيلترها، يكسوسازي و فيلتر شكل موج فركانس ‌بالاست كه بوسيله سوئيچ‌هاي اصلي ايجاد مي‌شود و دومين مبدل (ترانسفورماتور) اصلي را تغذيه مي‌كنند. بطور كلي در اين قسمت دو نوع طراحي يكسوكننده وجود دارد : سينكرون (Synchronous) و انفعالي (Passive). تفاوت اين دو طراحي در اين است كه در طراحي انفعالي از SBRها استفاده مي‌شود و در طراحي سينكرون از MOSFET‌ها استفاده مي‌شود. از آنجاييكه در يكسوسازي سينكرون از MOSFET‌ها استفاده مي‌شود و MOSFET‌ها نيز بر خلاف SBRها داراي افت ولتاژ بسيار پاييني هستند، راندمان افزايش مي‌يابد. اجازه دهيد با ذكر مثالي موضوع را واضح‌تر توضيح دهيم. يك SBR معمولاً داراي 0/5 افت ولتاژ است بنابراين در صورت عبور 40 آمپر جريان از آن 20 وات توان اتلاف مي‌شود (20 = 0/5 × 40). در صورتيكه اگر در عوض اين SBR از يك MOSFET‌RDS(on)  3 ميلي اهمي استفاده شود تنها 4/8 وات توان اتلاف مي‌شود (4/8 = 0/003 × 40 × 40). نتيجه 15/2 وات اتلاف توان كمتر و 24 درصد افزايش راندمان است.

علاوه بر دو طراحي بالا برخي مواقع از طراحي بنام نيمه سينكرون Semi-Synchronous نيز ممكن است استفاده ‌شود. در طراحي نيمه سينكرون از هر دو SBRها و MOSFET استفاده مي‌شود. با اين كار راندمان افزايش و هزينه نيز كاهش پيدا مي‌كند.
از آنجاييكه در سيستم‌هاي امروزي از ولتاژ 12- استفاده زيادي نمي‌شود (اكثريت مواقع جريان اين خط كمتر از 1 آمپر است)، اين ولتاژ تنها توسط يك ديود توليد مي‌شود (يا به عبارت ديگر يكسو مي‌شود). درحاليكه ولتاژ 5VSB بطور دائم در حال استفاده است حتي در زمانيكه منبع‌تغذيه خاموش است (در وضعيت Standby) بنابراين اين ولتاژ داراي يك مدار بطور كاملاً مستقل با يك مبدل (ترانسفورماتور) منحصربفرد است. براي توليد و فيلتر خروجي‌هاي اصلي ديگر نظير +12V ، 5V و 3.3V نيز از سه روش استفاده مي‌شود. روش تنظيم‌كننده گروهي، روش تنظيم‌كننده مستقل و مبدل DC-DC. در ادامه به بررسي هر يك از اين روش‌ها خواهيم پرداخت.

روش گروهي معمولاً در منبع‌تغذيه‌ها ارزان قيمت و وات پايين استفاده مي‌شود. يك راه سريع براي تشخيص استفاده از روش گروهي  شمردن تعداد سيم‌پيچ‌ها در طرف ثانويه است. اگر تنها 2 عدد سيم‌پيچ در اين قسمت موجود باشد يعني سازنده منبع‌تغذيه از روش گروهي استفاده كرده است. سيم پيچ بزرگ‌تر براي 12 و 5 ولت و سيم پيچ كوچكتر براي 3/3 ولت استفاده مي‌شود. در اين روش 12+ ولت و 5 ولت با همديگر توليد مي‌شوند و هر دو آنها خطاي ولتاژ خروجي‌شان را به يك كنترلر تنظيم‌كننده مي‌دهند. اين موضوع بدين معني است كه اگر بار بين خطوط (خط 12+ ولت و 5 ولت) نامتعادل باشد كنترلر تنظيم‌كننده كار سختي را براي تنظيم صحيح در پيش خواهد داشت. به عنوان مثال اگر بار در خط 12+ ولت بالا و در 5 ولت پايين باشد ولتاژ روي خط 12 ولت بايد افزايش پيدا كند ولي از آنجاييكه هر دو خط داراي يك كنترلر هستند ولتاژ روي هر دو خط بطور همزمان افزايش پيدا مي‌كند. در روش تنظيم‌كننده گروهي خط 3/3 ولت معمولاً بوسيله يك تنظيم‌كننده Mag-Amp از 12 يا 5 ولت تنظيم مي‌شود.

تنظيم‌كننده مستقل معمولاً در منبع‌تغذيه‌هايي كه داراي توان بالاتري هستند استفاده مي‌شود هزينه اين منبع‌تغذيه‌ها بيشتر از منبع‌تغذيه‌ها با تنظيم‌كننده گروهي است. در اين نوع از تنظيم‌كننده همه خروجي‌ها DC اصلي مدار تنظيم‌كننده مستقل خودشان دارند و بارهاي نامتعادل موجب هيچ‌كونه مشكلي روي خطوط ولتاژ نمي‌شود. خط 12+ ولت بوسيله كنترلر تنظيم‌كننده اصلي و 5 و 3/3 ولت نيز بوسيله تنظيم‌كننده mag-amp تنظيم مي‌شود. تشخيص منبع‌تغذيه‌با تنظيم كننده مستقل بسيار ساده است. تنها لازم است كه تعداد سيم‌پيچ‌هاي طرف ثانويه را بشماريد. در صورتيكه تعداد آنها 3 عدد باشد (هر سيم پيچ براي يك خط ولتاژ) منبع‌تغذيه داراي تنظيم‌كننده ولتاژ مستقل است.

در بسياري از منبع‌تغذيه‌هاي امروزي ولتاژ خط‌هاي پايين‌تر بوسيله مبدل‌ها توليد مي‌شوند (مبدل DC-DC يا VRMs -Voltage Regulation Modules). در اين گونه از منبع‌تغذيه‌ها ولتاژ‌هاي 5 ولت و 3/3 ولت مستقيماً از ولتاژ 12+ ولت توليد مي‌شوند. اين روش تأثير مثبتي روي راندمان دارد. البته اشاره به اين موضوع حائز اهميت است كه در منبع‌تغذيه‌ها‌يي كه از مبدل DC-DC استفاده مي‌كنند هر خط داراي تنظيم‌كننده مستقل است.

قبل از آنكه به بررسي كنترلر PWM بپردازيم بايد به اين نكته اشاره كنيم كه سلف‌هاي واقع شده بعد از يكسوكننده تنها وظيفه يكسوسازي ولتاژ  را برعهده ندارند بلكه در فرآيند فيلترينگ نيز كاربرد دارند، از اين رو آنها براي هموارسازي ولتاژ و جريان و كاهش خروجي‌هاي DC نيز استفاده مي‌شوند. به هرحال در منبع‌تغذيه‌اي كه از توپولوژي LLC استفاده مي‌كنند معمولاً در بخش ثانويه (براي توليد 12 ولت) سلفي وجود ندارد و اگر سلفي هم وجود داشته باشد تنها براي فيلترينگ استفاده مي‌شود.

كنترلر PWM – Isolator
هدف اصلي كنترلر PWM پايدار نگه‌داشتن ولتاژ خروجي تنظيم شده و كنترل مقدار انرژي تحويل داده شده به بار است. كنترلر PWM اين عمل بوسيله تنظيم Duty Cycle سوئيچ‌هاي اصلي انجام مي‌دهد. Duty Cycle مي‌تواند از صفر تا 100 درصد تنظيم شود اما اين مقدار معمولاً كمتر است. به عبارتي مي‌توان گفت ولتاژ خروجي شباهت زيادي به حاصل ضرب ولتاژ ورودي در Duty Cycle دارد (Duty Cycle × Vin = Vout).

كنترلر PWM از يك ولتاژ مرجع به عنوان مرجع ايده‌آل منبع‌تغذيه استفاده مي‌كند و ولتاژ خروجي دائماً با آن مقايسه مي‌كند. در PWM همچنين يك تقويت‌كننده خطا ولتاژ (Voltage Error Amplifier) وجود دارد كه ولتاژ مفيد بالا با ولتاژ خروجي و ولتاژ مرجع اشاره شده در بالا را  مقايسه مي‌كند. با توجه به اين مقايسه، يك مبدل ولتاژ خطا به عرض پالس بوسيله تقويت‌كننده خطا ولتاژ ، Duty Cycle را در پاسخ به سطح ولتاژ خطا تنظيم مي‌كند. كنترلر PWM علاوه بر تعيين Duty Cycle سوئيچ‌هاي اصلي عملكردهاي ديگري را نيز كنترل مي‌كند.

به منظور اينكه نتايج خروجي‌هاي DC به تقويت‌كننده خطا در PWM برسد يك ايزوله‌كننده مورد نياز است. بطوركلي دو روش ايزوليشن الكتريكي وجود دارد اپتيكال (Optoisolator) و مغناطيسي (transformer). در منبع‌تغذيه‌هاي امروزي عموماً از Optoisolatorها استفاده مي‌شود. تقويت‌كننده ولتاژ خطا در طرف ثانويه Optoisolator قرار مي‌گيرد.