منبع تغذیه سوئیچینگ

منابع تغذیه گوناگونی وجود دارند اما سازوکار تقریباً یکسانی دارند.

• برد مدار چاپی (PCB): برد اصلی که قطعات بر روی آن لحیم می‌شوند و به یکدیگر متصل می‌شوند.
• فیلتر خطی (Line filter): این قطعه از ورود و خروج فرکانس‌های اضافی جلوگیری می‌کند. این جریانات ناخواسته در زمان سوئیچینگ‌ها یا چرخش موتورهای الکتریکی به وجود می‌آیند.
• خازن ورودی (Input Capacitor): این قسمت از دو خازن الکترولیت با ظرفیت متناسب توان منبع تغذیه تشکیل شده‌است که وظیفه تنظیم و کنترل سطح ولتاژ ورودی و خروجی و همچنین ذخیره انرژی مورد نیاز مدارسوئیچینگ به هنگام وقفه‌های کوتاه انرژی را بر عهده دارد.
• پاور سوئیچینگ (Power switching): این قسمت از دو ماسفت تشکیل شده‌است که وظیفه کنترل ولتاژ خروجی هنگامی که سیستم شروع به کار می‌کند یا خاموش می‌شود را بر عهده دارد.
• ترنسفورمر (Transformer): خروجی‌های مختلفی برای کار بخش‌های رایانه مورد نیاز است. تغییر سطح ولتاژ توسط این قطعه انجام می‌گیرد.
• دیودهای خروجی (Output Diodes): دیودهای زنر و شاتکی هستند که وظیفه یکسو سازی ولتاژ خروجی در حالت عادی و قطع کامل جریان خروجی در حالت خاص را بر عهده دارند.
• فیلتر خروجی (Output Filter): این قطعه در زمان روشن بودن سیستم به ذخیره انرژی می‌پردازد و زمانی که سیستم خاموش می‌شود، آن را به ترانزیستورها انتقال می‌دهد.
• گرماگیر (Heat sink): زمان روشن بودن منبع تغذیه انرژی زیادی تبدیل به گرما می‌شود. دفع این گرما به وسیله فن و سینک‌های گرمایی صورت می‌گیرد. گرماگیر از آلیاژهای مختلف آلومینیوم و مس ساخته می‌شود و به واسطه تعبیه شیارهایی برروی آن جهت عبور جریان هوا، وظیفه انتقال دما از ترانزیستورهای سوئیچینگ، دیودهای زنر، شاتکی و فست به محیط اطراف را بر عهده دارد.
• فن: در منابع تغذیه وظیفه خنک کردن فضای داخل منابع تغذیه حاصل از گرمای خازن‌ها و دیودها را بر عهده دارد.

وات (Wat) اصلی‌ترین واحد سنجش کارکرد یک منبع تغذیه است. هر کدام از قطعات دیگر رایانه مقدار مشخصی از انرژی را مصرف می‌کنند و منبع تغذیه با استفاده از ترنسفورماتور، ولتاژهای مختلفی را برای اجزای مختلف تولید می‌کند. منابع تغذیه سوئچینگ از ۲۰۰ تا ۱۰۰۰ ولت بنا به کاربردشان وجود دارند.

• مادربورد: بین ۵۰ تا ۱۵۰ وات (و در سرورها بیشتر)؛
• پردازنده: ۱۰۰ وات؛
• حافظه دسترسی تصادفی: بین ۱۰ تا ۱۵ وات؛
• هارد دیسک: ۱۵ تا ۳۰ وات؛
• کارت‌های توسعه: ۵ تا ۱۵۰ وات (البته بسته به نوع سخت‌افزار نصب شده در این اسلات‌ها دارد)؛
• درایو نوری: ۲۰ تا ۳۰ وات؛
• فن: ۱۰ وات.

فرم فاکتور جنبه‌ای از طراحی سخت‌افزار است که اندازه، شکل و دیگر مشخصات فیزیکی قطعات به خصوص در لوازم الکترونیکی مصرفی و بسته‌بندی الکترونیکی را تعریف و تشریح می‌کند. منابع تغذیه در دو فرم فاکتور AT و ATX موجود هستند.

ایجاد تماس بین دو رسانا معمولاً با یک وسیلهٔ الکترو-مکانیکی است که برای اتصال پایانه‌های برقی و ایجاد یک مدار الکتریکی بین دستگاه‌ها از آن‌ها استفاده می‌شود. ابزار اتصال الکتریکی متشکل از جک یا فیش‌های سر نر و سر ماده است. منابع تغذیه سوئیچینگ برای سخت‌افزارهای مختلف درون کیس، اتصال‌دهنده (connector)های مختلفی دارد.

• کابل P1: کابل متصل شونده به مادربرد. ۲۰ یا ۲۴ پین. پاورهای ویرایش ۱٫۳ از شاخه+12 V ضعیف تری برخوردار و کانکتور خروجی در این مدل‌ها دارای ۲۰ پین می‌باشد؛ ولی پاورهای ویرایش ۲٫۰ که از +12 V پرقدرت تری برخوردار می‌باشند دارای کانکتور ۲۴ پین می‌باشند. قابلیتی در کابل‌های P1 وجود دارد که می‌توانند از ۲۰ پین به ۲۴ یا عکس، تغییر کنند.
• کابل P4: کابل CPU
• کابل سِیتا (SATA): درایوهای نوری و هارد دیسک‌های جدید
• کابل ۶ یا ۸ پین: کارت گرافیک
• کابل مولِکس (MOLEX): درایوهای نوری و هارد دیسک‌های قدیمی
• کابل برگ (Berg): فلاپی دیسک

منابع تغذیه در مدیریت کابل (Cable management) به سه دسته تقسیم می‌شوند:

1. غیر ماژولار: تمامی کابل‌های منبع تغذیه به آن متصل است.
2. نیمه ماژولار: نیمی از کابل‌های منبع تغذیه به آن متصل است.
3. ماژولار: هیچ‌کدام از کابل‌ها به منبع تغذیه سیم کشی نشده‌اند بلکه بر روی منبع تغذیه درگاه‌های کابل‌ها قرار گرفته‌است تا کاربر بنا به نیاز خود از کابل مورد استفاده کند.

محافظت جریان زیاد (Overcurrent protection (OCP)) قابلیتی در منابع تغذیه نوین است که با بیشتر شدن جریان الکتریکی که ممکن است از طریق منبع تغذیه تمامی دستگاه‌های متصل به مادربرد آسیب ببینند، جلوگیری می‌کند. در صورتی که خروجی توان بالای غیرطبیعی شناسایی شود، منبع تغذیه سوئیچینگ آن را به عنوان یک اتصال کوتاه فرض می‌کند و قبل از آسیب دیدن خود را خاموش می‌کند.

سوئیچ ولتاژ دکمه‌ای معمولاً قرمز است که وظیفه تعیین ولتاژ ورودی را بر عهده دارد. این سوئیچ برای کشورهای قاره آمریکا بر روی ۱۱۰ ولت و برای کشورهای دیگر بر روی ۲۲۰ قرار می‌گیرد. تنظیم نامناسب این سوئیچ با ولتاژ ورودی باعث بروز مشکلات جدی در منبع تغذیه و سایر سخت‌افزارهای رایانه می‌شود.

ریل عبارتی است که برای ولتاژ تولیدی توسط منبع تعذیه به‌کار می‌رود. منبع تغذیهٔ مجهز به چند ریل، احتمالاً دو یا چند سیستم برای ارائهٔ خروجی ۱۲ ولت دارد.

انواع ریل‌ها:

• ریل تکی (Single rail)
• ریل چندتایی (Multi-rail)

مهمترین مزیت یک منبع تغذیه سوییچینگ بازده بالای آن است. از آنجایی که ترانزیستور سوییچینگ فقط در ناحیه قطع و اشباع کار می‌کند (در حالت قطع جریان عبوری از آن ناچیز بوده و در حالت اشباع هم افت ولتاژ روی آن کم است) بنابراین توان مصرفی آن ناچیز است که این سبب بالا رفتن بازده منبع تغذیه می‌گردد. سایر مزایای آن عبارتند از حجم و وزن کمتر (به دلیل حذف ترانسفورماتور فرکانس پایین که وزن بالایی دارد) و گرمای ایجاد شده کمتر (به دلیل بازده بالاتر). معایب آن عبارتند از پیچیدگی زیاد و امکان تداخل الکترومغناطیسی و همچنین ایجاد موجک (ریپل) در فرکانس سوییچینگ و هارمونیک‌های آن.

نوع ارزان قیمت این گونه منابع می‌تواند نویز الکتریکی حاصل از سوییچینگ را وارد شبکه برق شهری نماید که این سبب بروز تداخل با سایر دستگاه‌های صوتی و تصویری که به همان فاز وصل شده‌اند، می‌گردد. منابع تغذیه سوییچینگ فاقد تصحیح ضریب توان نیز ممکن است اعوجاج هارمونیک ایجاد نمایند.

مزایای منابع تغذیه سوئیچینگ

به‌طور کلی می‌توان برخی از مزایای منابع تغذیه سوئیچینگ را به صورت زیر تشریح کرد.

1. بازدهی بالاتر : بدون شک در دنیای امروزی نیاز ما به انرژی زیاد شده‌است و در نتیجه باید مدیریت بهتری روی مصرف انرژی الکتریکی داشته باشیم، پس اگر بخواهیم در طراحی مدار میزان مصرف انرژی را مد نظر قرار دهیم، باید در مدارمان جایی برای منبع تغذیه سوئیچینگ در نظر داشته باشیم. این منابع تغذیه اغلب دارای راندمان بالای ۸۵ درصد هستند و توانسته‌اند اتلاف انرژی که یکی از مشکلات اصلی زندگی بشر در عصر حاضر است را تا حد زیادی کاهش دهند.
2. اندازه کوچکتر و وزن کمتر : برای تبدیل ولتاژ ۱۲ ولت DC به ۵ ولت DC با جریان حداکثر ۱ آمپر می‌توان از یک رگولاتور خطی استفاده کنیم که البته از اتلاف بسیار بیشتری نسبت به رگولاتورهای سوئیچینگ برخوردار است. اما برای مثال اگر بخواهیم برق شهر که دارای ولتاژ ۲۲۰ ولت AC هست را به ۵ ولت DC تبدیل کنیم ابتدا به یک ترانس با وزن و حجم نسبتاً زیاد و سپس یک یکسو ساز و خازن ظرفیت بالا نیاز داریم. روی هم رفته این مدار فضای زیادی را اشغال می‌کند ولی با طراحی یک منبع تغذیه سوئیچینگ با همین مشخصات در یک فضای حداکثر ۲ در ۳ سانتیمتر با وزن بسیار کمتر قابل پیاده‌سازی است. مانند اکثر شارژرهای گوشی‌های موبایل که از منابع تغذیه سوییچینگ بهره می‌برند.
3. قیمت ارزان‌تر: اگر بخواهیم از یک ترانس برای تبدیل AC به DC استفاده کنیم در شرایطی که جریان خروجی ترانس بیش از ۲ آمپر باشد ترانسفورماتور به تنهایی و بدون در نظر گرفتن مدار یکسوساز و تثبیت‌کننده علاوه بر وزن بسیار سنگین در بسیاری از موارد قیمت دو تا چند برابری نسبت به مدارات سوئیچینگ در برخواهد داشت.

در مقابل مزیت‌های بسیار منابع تغذیه سوئیچینگ، این نوع منابع تغذیه بر خلاف منابع تغذیه خطی، به دلیل فرکانس سوئیچینگ می‌توانند هارمونیک‌های زیادی را به وجود آورند و باعث تداخل فرکانسی شوند. اگر یک مدار حساس به تداخل فرکانسی دارید بهتر است از یک منبع تغذیه خطی استفاده کنید. اما اگر این منابع تغذیه نیاز مداری شما را برطرف نکند بهتر است برای مدار منبع تغذیه سوئیچینگ خود فیلترهای مناسب را در نظر بگیرید و باید ملاحظات High Speed PCB Design را در نظر گرفت تا سطح نویز و هارمونیک‌های مدار کاهش یاید. با استفاده از فیلترهای مناسب در مدارات تغذیه سوئیچینگ می‌توانید نویز ناشی از این منابع را تقریباً به صورت کامل حذف کنید.

منابع تغذیه سوئیچینگ (صنعتی) به‌طور کلی به دو دسته تقسیم می‌شوند:

• منابع تغذیه سوئیچینگ ریلی
• منابع تغذیه سوئیچینگ کف خواب

تفاوت‌های عمده این دو تغذیه در رنج متفاوت ولتاژ ورودی، حفاظت اتصال کوتاه به کار رفته در آن، چینش و نوع پایه‌های مورد استفاده و ساختار ظاهری آنها با هم است.

در منبع تغذیه‌های ریلی معمولاً محدوده قابل قبول ولتاژ ورودی بسیار وسیع تر از منابع تغذیه کتابی است. به‌طور معمول در منابع تغذیه ریلی ولتاژ ورودی از ۱۰۰ ولت تا ۲۴۰ ولت بدون ایجاد مشکل در کارایی منبع می‌تواند تغییر کند اما محدوده ولتاژ ورودی منابع تغذیه کتابی برای حالت ۲۲۰ ولت تنها به اندازه ۳۳ ولت بالا و پایین‌تر از مقدار ۲۲۰ ولت می‌باشد.

با اتصال کوتاه شدن خروجی یا ایجاد اضافه جریان در خروجی منابع تغذیه کتابی به کلی قطع شده و برای شروع مجدد نیاز به قطع برق از ورودی و اتصال مجدد آن به تغذیه است در حالی که در منابع ریلی پس از برطرف شدن اتصال کوتاه به‌طور اتومات به کار خود بازمی‌گردد. درون منابع کتابی یک سوئیچ یا کلید وجود دارد که در صورتی که با ولتاژ برق ورودی متناسب تنظیم نشده باشد می‌تواند باعث سوختن دستگاه شود یا خروجی نامناسبی داشته باشد.

نکته حائز اهمیتی که باید به آن توجه داشت نحوه برگشتن از حالت‌های اضطرای به حالت عادی است. در منابع تغذیه کفی در صورت وجود حفاظت مورد نظر، پس از رفع شدن آن حالت اضطراری برای بازگشت به حالت عادی و نرمال باید برق ورودی دستگاه قطع شده و پس از چند ثانیه مجدداً برق ورودی وصل شود. به عنوان مثال وقتی که خروجی دستگاه اتصال کوتاه شود منابع تغذیه کف خواب (در صورت داشتن حفاظت اتصال کوتاه) خاموش می‌شود. پس از بر طرف شدن مشکل اتصال کوتاه برای بازگشت به حالت عادی باید ورودی منبع تغذیه قطع شده و مجدداً پس از چند ثانیه وصل گردد تا دستگاه روشن شود.

اما در منابع تغذیه ریلی این فرایند به‌طور خودکار انجام می‌شود و پس از رفع شدن مشکل، دستگاه به صورت اتومات به مدار بازمی‌گردد.

از آنجا که در منابع کتابی (کف خواب) ترمینال‌های ورودی برق شهر و خروجی کنار هم چیده شده‌است خطر اتصالی کوتاه ورودی و خروجی یا اشتباه در نصب و راه اندازی بیشتر است. اصولاً پیشنهاد می‌شود به منظور زیبایی و سادگی نصب و ایمنی بیشتر از منابع تغذیه‌ای استفاده کنید که ترمینال‌های ورودی از هم با فاصلهٔ مطمئنی قرار گرفته باشند. از نقطه نظر هزینه، قیمت منابع تغذیه ریلی بیشتر از منابع تغذیه کتابی است که این امر به نوبهٔ خود می‌تواند یک فاکتور مؤثر در انتخاب منبع تغذیه به حساب آید.

در پایان اگر از تابلو برق برای راه انداز اتوماسیون برق صنعتی استفاده می‌کنید نصب منبع تغذیه روی ریل‌های تابلو می‌تواند حس زیباتری نسبت به منابع تغذیه کتابی به شما دهد.

برای مقایسه بهتر این دو نوع منبع تغذیه، جدول زیر آورده شده‌است. توجه داشته باشید که مقایسه‌ها بین منابع تغذیه ریلی و کف خواب معتبر موجود در بازار صورت گرفته‌است.

PFC فعال موجب می شود تا توان واقعی ایجاد شود. برای مثال ممکن است منبع تغذیه سوئیچینگی که 500 وات است 450 وات استفاده کند اما با PFC فعال، دقیقا همان مقدار ذکر شده مصرف می شود.

• اسیلوسکوپ