پاور کامپیوتر زیر ذره‌بین: بررسی ساختار، اجزا و نحوه عملکرد

اجزای اصلی SMPS

هر منبع تغذیه‌ای که امروزه کامپیوتر را تأمین می‌کند، از فناوری تبدیل توان سوئیچینگ (Switching Power Conversion یا SPC) استفاده می‌کند. اصل کار این فناوری بسیار ساده است، اما برای کسانی که هنوز درک آن دشوار است، باید گفت که انرژی از شبکه برق گرفته شده و سپس با استفاده از سوئیچ‌های سریع مانند FETها، با فرکانس بالا به بسته‌های کوچک‌تر انرژی تقسیم می‌شود و در نهایت این انرژی با کمک قطعاتی مانند خازن‌ها و سلف‌ها منتقل می‌شود. در پایان، همه بسته‌های انرژی ترکیب شده و پس از روندهای یکسوسازی، انرژی به صورت نرم و یکنواخت از خروجی جریان می‌یابد.

بنابراین، منابع تغذیه در کامپیوترهای امروزی از ورودی جریان متناوب 100 تا 230 ولت AC (که بسته به کشور یا منطقه متفاوت است) استفاده می‌کنند و چندین خروجی جریان مستقیم (DC) تنظیم‌شده ارائه می‌دهند (که این خروجی‌ها فارغ از کشور یا منطقه همیشه یکسان هستند).

با افزایش فرکانس سوئیچینگ، اندازه بسته‌های انرژی کوچک‌تر می‌شود و در نتیجه اندازه قطعات ذخیره و انتقال‌دهنده انرژی مانند سلف‌ها و خازن‌ها کاهش می‌یابد. هر منبع تغذیه‌ای که از فناوری SPC استفاده کند، منبع تغذیه با مد سوئیچینگ (Switching Mode Power Supply یا SMPS) نامیده می‌شود؛ هنگامی که در کامپیوترها از واژه پاور استفاده می‌کنیم، معمولاً فرض می‌شود که پاور همان SMPS است.

شکل بالا نمودار بلوکی یک SMPS مورد استفاده در سیستم‌های امروزی را نشان می‌دهد. اولین مرحله، فیلتر EMI/گذرا است، سپس مبدل تصحیح ضریب قدرت فعال (Active Power Factor Correction یا APFC)، پس از آن سوئیچ‌های اصلی و ترانسفورماتور قدرت و در نهایت مرحله یکسوسازی و فیلتر خروجی قرار دارد.

بین خروجی‌های DC و سوئیچ‌های اصلی، حلقه فیدبک ولتاژ وجود دارد که به طور مداوم ولتاژهای خروجی (خطوط تغذیه) را پایش می‌کند و با کنترل چرخه وظیفه (Duty Cycle) سوئیچ‌های اصلی، اصلاحات لازم را اعمال می‌کند. کنترل مدولاسیون عرض پالس (Pulse-Width Modulation یا PWM) توسط یک مدار مجتمع (IC) انجام می‌شود که در برخی موارد (معمولاً در پاورهای رده پایین) همچنین سوئیچ‌های APFC را نیز کنترل می‌کند.

با این حال، در برخی توپولوژی‌های رزونانسی، PWM تنها در بارهای سبک استفاده می‌شود و برای بارهای بالا از مدولاسیون فوروارد (Forward Modulation یا FM) بهره‌ می‌گیرند. در نتیجه، برای سوئیچ‌های APFC باید کنترلر PWM مستقل به کار رود.

بخش SMPS قبل از ترانسفورماتور قدرت، بخش اولیه (Primary Side) و بخش بعد از آن، بخش ثانویه (Secondary Side) نامیده می‌شود. این دو بخش باید از هم ایزوله باشند، اما باید نوعی ارتباط بین آنها وجود داشته باشد تا سیگنال‌های فیدبک منتقل شوند. معمولاً برای این منظور از اپتوایزولاتورها (Optoisolators یا Optocouplers) استفاده می‌گردد.

دو مزیت اصلی SMPS نسبت به منبع تغذیه خطی (یا رگولاتور خطی) عبارت‌اند از این که طراحی آن بسیار کوچکتر و سبک‌تر است و همچنین راندمان به مراتب بالاتری دارد. بهترین طراحی‌های SMPS به راحتی می‌توانند راندمانی بالای 90 درصد داشته باشند و در برخی موارد با ورودی 230 ولت AC به راندمان حدود 95 درصد دست یابند.

از سوی دیگر، مهم‌ترین معایب SMPS پیچیدگی آن و تولید تداخل الکترومغناطیسی (EMI) یا تداخل فرکانس رادیویی (RFI) است که نیاز به فیلتر EMI (که به عنوان مرحله فیلتر گذرا نیز شناخته می‌شود زیرا نقش دوگانه دارد) و همچنین شیلدینگ RFI دارد.