طوبولوجيا الدائرة هي الطريقة التي يتم بها توصيل أجهزة الطاقة والمكونات الكهرومغناطيسية في الدائرة، ويعتمد تصميم المكونات المغناطيسية وتصميم دائرة تعويض الحلقة المغلقة وجميع تصميمات مكونات الدائرة الأخرى على الطوبولوجيا. وأهم الطوبولوجيا الأساسية هي باك (باك)، وبوك (باك)، وبوك/بوست (باك/بوست)، وباك/بوست (باك/بوست)، وباك/بوست (باك/بوست)، وباك/بوست أحادي الطرف (باك/بوكس)، وباك/بوست (باك/بوكس)، وباك/بوست (باك/بوكس)، وباك/بوست (باك/بوكس) أحادي الطرف (باك/بوكس). المغير. هناك حوالي 14 طوبولوجيا شائعة لتبديل إمدادات الطاقة، ولكل منها خصائصه الخاصة وحالاته القابلة للتطبيق. ويعتمد مبدأ الاختيار على ما إذا كانت عالية الطاقة أو منخفضة الطاقة، أو خرج الجهد العالي أو خرج الجهد المنخفض، وما إذا كانت تتطلب أقل عدد ممكن من المكونات. لاختيار الطوبولوجيا بشكل مناسب، من المهم أن تكون على دراية بمزايا وعيوب وقابلية تطبيق الطوبولوجيا المختلفة. فالاختيار الخاطئ يمكن أن يحكم على تصميم مزود الطاقة بالفشل منذ البداية.
في هذه المقالة، سنقدم نظرة متعمقة على الجوانب المختلفة لطوبولوجيا التحويل إلى طاقة التحويل إلى طاقة. وملخصًا لـ 20 طوبولوجيا أساسية لإمدادات الطاقة التحويلية.
جدول المحتويات
محول باك
الشكل 1 هو رسم تخطيطي لمحول باك غير متزامن. يقلل محول باك من جهد الدخل إلى جهد خرج أقل. عند تشغيل المفتاح Q1، يتم نقل الطاقة إلى الخرج.
الشكل 1: تخطيطي محول الدلو غير المتزامن
تحسب المعادلة 1 دورة التشغيل:
وتحسب المعادلة 2 الحد الأقصى لإجهاد ترانزستور التأثير الميداني لأشباه الموصلات من أكسيد الفلزات (MOSFET):
تعطي المعادلة 3 الحد الأقصى لإجهاد الصمام الثنائي:
حيث Vin هو جهد الدخل، وVout هو جهد الخرج، وVf هو جهد الصمام الثنائي الأمامي.
وكلما زاد الفرق بين جهد الدخل وجهد الخرج، زادت كفاءة محول الدافع مقارنةً بالمنظم الخطي أو منظم التسرب المنخفض (LDO).
على الرغم من أن محول باك يحتوي على تيار نابض عند الدخل، إلا أن تيار الخرج مستمر بسبب مرشح الحث والمكثف (LC) الموجود عند خرج المحول. ونتيجة لذلك، سيكون تموج الجهد المنعكس على الدخل أكبر مقارنةً بالتموج عند الخرج.
بالنسبة لمحوّلات باك ذات دورات تشغيل صغيرة وتيارات خرج أكبر من 3 أمبير، يوصى باستخدام مقومات متزامنة. إذا كان مزود الطاقة الخاص بك يتطلب تيار خرج أكبر من 30 أمبير، فمن المستحسن استخدام مراحل طاقة متعددة الأطوار أو مراحل طاقة متداخلة لأن هذا يقلل من إجهاد المكونات، ويوزع الحرارة المتولدة بين مراحل طاقة متعددة، ويقلل من الانعكاسات عند تموج مدخلات المحول.
تكون دورة التشغيل محدودة عند استخدام N-FETs لأن مكثف التمهيد يحتاج إلى إعادة شحنه في كل دورة تبديل. في هذه الحالة، تكون دورة التشغيل القصوى في نطاق 95-99%.
عادةً ما تتمتع محولات باك عادةً بديناميكيات جيدة بسبب طوبولوجياها الأمامية. يعتمد عرض النطاق الترددي الذي يمكن تحقيقه على جودة مضخم الخطأ وتردد التحويل المختار.
توضح الأشكال من 2 إلى 7 الأشكال من 2 إلى 7 الأشكال الموجية للجهد والتيار لمولدات FET والصمامات الثنائية والمحثات في محول باك غير متزامن في وضع التوصيل المستمر (CCM).
محول التعزيز
يقوم المحول المعزز بزيادة جهد الدخل إلى جهد خرج أكبر. عندما لا يعمل المحول Q1، تنتقل الطاقة إلى الخرج. الشكل 8 هو رسم تخطيطي لمحول معزز غير متزامن.
الشكل 8: مخطط المحول المعزز غير المتزامن
تحسب المعادلة 4 دورة التشغيل:
تحسب المعادلة 5 الحد الأقصى لإجهاد MOSFET:
تعطي المعادلة 6 الحد الأقصى لإجهاد الصمام الثنائي:
حيث Vin هو جهد الدخل، وVout هو جهد الخرج، وVf هو جهد الصمام الثنائي الأمامي.
مع محول التعزيز، يمكنك رؤية تيار الخرج النبضي لأن مرشح LC عند الدخل. لذلك، يكون تيار الدخل مستمرًا ويكون تموج جهد الخرج أكبر من تموج جهد الدخل.
عند تصميم المحول المعزز، من المهم معرفة أنه حتى في حالة عدم تبديل المحول، هناك اتصال دائم من المدخلات إلى المخرجات. يجب اتخاذ الاحتياطات اللازمة للحماية من أحداث الدائرة القصيرة المحتملة عند الخرج.
بالنسبة لتيارات الخرج الأكبر من 4 أمبير، يجب استخدام مقوم متزامن لاستبدال الصمام الثنائي. إذا احتاج مزود الطاقة إلى توفير تيار خرج أكبر من 10 أمبير، يوصى بشدة باستخدام مراحل طاقة متعددة الأطوار أو متداخلة.
عند التشغيل في وضع CCM، تكون ديناميكيات محول التعزيز محدودة بسبب الصفر نصف المستوي الأيمن (RHPZ) لدالة النقل الخاصة به. ونظرًا لعدم إمكانية تعويض الصفر النصفي الأيمن (RHPZ)، فإن عرض النطاق الترددي القابل للتحقيق عادةً ما يكون أقل من خُمس إلى عُشر تردد الصفر النصفي الأيمن (RHPZ). انظر المعادلة 7:
حيث Vout هو جهد الخرج، وD هو دورة التشغيل، وIout هو تيار الخرج، وL1 هو ملف الحث لمحول التعزيز.
توضح الأشكال من 9 إلى 14 الأشكال من 9 إلى 14 الأشكال الموجية للجهد والتيار لمولدات FET والثنائيات والمحاثات في محول التعزيز غير المتزامن في وضع CCM.
محول باك-بوست
محول التعزيز المزدوج عبارة عن مزيج من مرحلتي التعزيز والرفع للطاقة اللتين تشتركان في نفس المحرِّض. انظر الشكل 15.
الشكل 15: الشكل 15: مخطط محول التعزيز بالتبديل المزدوج
تعتبر طوبولوجيا التعزيز بالدفع عملية لأن جهد الدخل يمكن أن يكون أصغر أو أكبر أو نفس جهد الخرج، مما يتطلب طاقة خرج أكبر من 50 وات.
بالنسبة لقوى الخرج الأقل من 50 وات، يعد محول الحث الأولي الأحادي الطرف (SEPIC) خيارًا أكثر فعالية من حيث التكلفة لأنه يستخدم مكونات أقل.
عندما يكون جهد الدخل أكبر من جهد الخرج، يعمل محول باك-دفع في وضع الدافع، وعندما يكون جهد الدخل أقل من جهد الخرج، يعمل في وضع التعزيز. عندما يعمل المحول في منطقة الإرسال حيث يكون جهد الدخل ضمن نطاق جهد الخرج، هناك مفهومان للتعامل مع هذه الحالات: إما أن تكون مرحلتا الدافع والمعزز نشطتين في وقت واحد، أو أن تكون دورات التبديل بين مرحلتي الدافع والمعزز متناوبة، حيث يعمل كل منهما عادةً بنصف تردد التبديل العادي. يمكن أن يؤدي المفهوم الثاني إلى حدوث ضوضاء دون التوافقي عند الخرج، وفي حين أن دقة جهد الخرج قد لا تكون دقيقة مقارنةً بالتشغيل العادي لمرحلتي التحويل الدافق أو المعزز، فإن المحول سيكون أكثر كفاءة مقارنةً بالمفهوم الأول.
تحتوي طوبولوجيا التعزيز بالدفع على تيارات نابضة في كل من المدخلات والمخرجات لعدم وجود مرشحات LC في أي من الاتجاهين.
بالنسبة لمحول التعزيز بالدفع، يمكن استخدام حسابات مرحلة التعزيز والدفع بشكل منفصل.
تناسب محولات التعزيز المزدوجة المزودة بمفتاحين نطاقات طاقة تتراوح بين 50 وات و100 وات (مثل LM5118)، مع تقويم متزامن حتى 400 وات (مثل LM5175). يوصى باستخدام مقوم متزامن بنفس الحد الحالي لمرحلة الطاقة غير المدمجة والمعززة.
تحتاج إلى تصميم شبكة تعويض محول التعزيز لمرحلة التعزيز لأن RHPZ يحد من عرض النطاق الترددي للمنظم.
المصدر: تكساس إنسترومنتس
ملحق: مقارنة بين 20 طبولوجيا لإمداد الطاقة بالتبديل
1. الطوبولوجيات الأساسية الشائعة:
■ باك
■ التعزيز
■ باك-بوست باك-بوست باك-بوست
■ الارتداد الطائر
■ إلى الأمام
■ ثنائي الترانزستور الأمامي
■ دفع-دفع-سحب-دفع-سحب
■ نصف الجسر نصف الجسر نصف الجسر
■ جسر كامل الجسر الكامل الجسر الكامل
■ سيبيك
■جيم
2. الشكل الموجي الأساسي لتعديل عرض النبضة الأساسي
ترتبط هذه الطوبولوجيا بدوائر التحويل. يُعرَّف الشكل الموجي الأساسي لتعديل عرض النبضة على النحو التالي:
3. يقلل باك من ضغط الدم
الميزات:
■ خفض الدخل إلى جهد كهربائي أقل
■ ربما أبسط دائرة كهربائية
■ يعمل مرشح الحث/المكثف على تسطيح الموجة المربعة بعد التبديل
■ المخرجات دائمًا أقل من أو تساوي المدخلات
■ تيار الإدخال متقطع (متقطع)
■ تنعيم تيار الخرج
4. التعزيز
الميزات:
■ زيادة المدخلات إلى جهد أعلى
■ نفس الشيء مثل الباك، ولكن مع إعادة ترتيب المحرِّض والمفتاح والصمام الثنائي
■ يكون الخرج دائمًا أكبر من أو يساوي الدخل (مع تجاهل انخفاض الجهد الأمامي للديود)
■ تنعيم تيار الإدخال
■ تيار الخرج متقطع (متقطع)
5. باك-بوست
الميزات:
■ ترتيب آخر من المحاثات والمفاتيح والصمامات الثنائية
■ يجمع بين عيوب دائرتي التعشيق والتعزيز
■ تيار الإدخال متقطع (متقطع)
■ تيار الخرج غير مستمر أيضًا (متقطع)
■ يكون الخرج دائمًا معاكسًا للدخل (لاحظ قطبية المكثف)، ولكن يمكن أن تكون السعة أصغر أو أكبر من الدخل
■ المحول "المرتد الطائر" هو في الواقع شكل معزول (مقترن بمحول) لدائرة تعزيز الدافع.
6. الارتداد الطائر
الميزات:
■ يعمل مثل دائرة تعزيز الدافعية ولكن الحث يحتوي على ملفين، حيث يعمل كمحول ومحث في نفس الوقت
■ يمكن أن يكون الخرج موجبًا أو سالبًا، ويتم تحديده حسب قطبية الملف والصمام الثنائي.
■ يمكن أن يكون جهد الخرج أكبر أو أقل من جهد الدخل، ويتم تحديد ذلك من خلال نسبة دوران المحول.
■ هذه هي أبسط طوبولوجيات العزل
■ يمكن الحصول على مخرجات متعددة عن طريق إضافة اللفات والدوائر الثانوية
7. إلى الأمام
الميزات:
■ شكل اقتران المحول لدائرة التنحي.
■ تيار دخل متقطع، تيار خرج سلس.
■ بسبب المحول، يمكن أن يكون الخرج أكبر أو أصغر من الدخل، ويمكن أن يكون بأي قطبية.
■ يمكن الحصول على مخرجات متعددة عن طريق إضافة اللفات والدوائر الثانوية.
■ يجب إزالة مغنطة قلب المحول أثناء كل دورة تبديل. من الممارسات الشائعة إضافة ملف بنفس عدد اللفات مثل الملف الأساسي.
■ يتم تحرير الطاقة المخزنة في الحث الأساسي أثناء مرحلة التشغيل من خلال اللف الإضافي والصمام الثنائي أثناء مرحلة إيقاف التشغيل.
8. ترانزستور ثنائي الترانزستور إلى الأمام
الميزات:
■ يعمل كلا المفتاحين في وقت واحد.
■ عندما ينفتح المفتاح، تعكس الطاقة المخزنة في المحول قطبية المحول الأولي، مما يؤدي إلى توصيل الصمام الثنائي.
الميزة الرئيسية:
■ الجهد عبر كل مفتاح لا يتجاوز أبدًا جهد الدخل.
■ لا حاجة لإعادة ضبط مسار اللف.
9. دفع-سحب-دفع-سحب
الميزات:
■ يتم تشغيل المفتاح (FET) خارج الطور ويتم إجراء تعديل عرض النبضة (PWM) لتنظيم جهد الخرج.
■ استخدام جيد لقلب المحول - يتم نقل الطاقة في كلتا الدورتين النصفيتين.
■ طوبولوجيا الموجة الكاملة، بحيث يكون تردد تموج الخرج ضعف تردد المحول.
■ الجهد المطبق على FET هو ضعف جهد الدخل.
10. نصف الجسر
الميزات:
■ طوبولوجيا شائعة جدًا لمحولات الطاقة الأعلى.
■ يتم تشغيل المفتاح (FET) خارج الطور ويتم إجراء تعديل عرض النبضة (PWM) لتنظيم جهد الخرج.
■ استخدام جيد لقلب المحول - يتم نقل الطاقة في كلتا الدورتين النصفية. علاوة على ذلك، فإن معدل استخدام اللف الأساسي أفضل من معدل استخدام دائرة الدفع والسحب.
■ طوبولوجيا الموجة الكاملة، بحيث يكون تردد تموج الخرج ضعف تردد المحول.
■ الجهد المطبق على FET يساوي جهد الدخل.
11. جسر كامل
الميزات:
■ الطوبولوجيا الأكثر شيوعًا لمحولات الطاقة الأعلى.
■ يتم تشغيل مفاتيح التبديل (FETs) في أزواج قطرية وتعديل عرض النبضة (PWM) لتنظيم جهد الخرج.
■ استخدام جيد لقلب المحول - يتم نقل الطاقة في كلتا الدورتين النصفيتين.
■ طوبولوجيا الموجة الكاملة، بحيث يكون تردد تموج الخرج ضعف تردد المحول.
■ الجهد المطبق على FETs يساوي جهد الدخل.
■ عند قدرة معينة، يكون التيار الأساسي نصف تيار الجسر النصفي.
12. محول الحث الأولي الأحادي الطرف الأحادي الطرف SEPIC
الميزات:
■ يمكن أن يكون جهد الخرج أكبر أو أقل من جهد الدخل.
■ مثل دائرة التعزيز، يكون تيار الدخل سلسًا، ولكن تيار الخرج غير متقطع.
■ تنتقل الطاقة من الدخل إلى الخرج من خلال السعة.
■ يلزم وجود محثين.
13. سيوك (براءة اختراع سلوبودان سيوك)
الميزات:
■ انعكاس الإخراج
■ يمكن أن تكون سعة جهد الخرج أكبر أو أقل من الدخل.
■ كل من تيارات الإدخال والإخراج سلسة.
■ تنتقل الطاقة من الدخل إلى الخرج من خلال السعة.
■ يلزم وجود محثين.
■ يمكن توصيل المحاثات للحصول على تيار محث صفري التموج.
14. تفاصيل تشغيل الدائرة
فيما يلي شرح لتفاصيل عمل العديد من الطوبولوجيات:
■ منظم باك: التوصيل المستمر، والتوصيل الحرج، والتوصيل المتقطع
■ منظم التعزيز (توصيل مستمر)
■ تشغيل المحول ■ تشغيل المحولات
■ محول الارتداد الطائر
■ المحول الأمامي
15. منظم توصيل متواصل بالتوصيل المستمر من خلال التوصيل المتقطع
الميزات:
■ تيار المحرِّض مستمر.
■ Vout هو متوسط قيمة جهد الدخل (V1).
■ جهد الخرج هو جهد الدخل مضروبًا في نسبة تشغيل المفتاح (D).
■ عند تشغيله، يتدفق تيار الحث من البطارية.
■ يتدفق التيار عبر الصمام الثنائي عندما يكون المفتاح مفتوحًا.
■ بإهمال الفاقد في المفتاح وملف الحث، فإن D مستقل عن تيار الحمل.
■ خصائص منظمات الدوامة والدوائر المشتقة منها هي
يكون تيار الدخل غير متقطع (التقطيع)، ويكون تيار الخرج مستمرًا (التلطيف).
16. منظم تنزيل-تنحي-التوصيل الحرج
■ يظل تيار الحث مستمرًا ولكنه "يصل" إلى الصفر عند تشغيل المفتاح مرة أخرى. وهذا ما يسمى "التوصيل الحرج". لا يزال جهد الخرج يساوي جهد الدخل مضروبًا في D.
17. منظم توصيل متقطع - توصيل متقطع - توصيل متواصل
■ في هذه الحالة، يكون التيار في ملف الحث صفرًا لجزء من كل دورة.
■ لا يزال جهد الخرج هو (دائمًا) متوسط قيمة v1.
■ جهد الخرج ليس جهد الخرج هو جهد الدخل مضروبًا في نسبة تشغيل المفتاح (D).
■ عندما يكون تيار الحمل أقل من القيمة الحرجة، يتغير D مع تيار الحمل (بينما يظل Vout ثابتًا).
18. منظم تعزيز التعزيز
■ يكون جهد الخرج دائمًا أكبر من (أو يساوي) جهد الدخل.
■ تيار الإدخال مستمر، أما تيار الخرج فهو متقطع (على عكس منظم الدافع).
■ العلاقة بين جهد الخرج ونسبة العمل (D) ليست بسيطة كما هو الحال في منظم الدافع. في حالة التوصيل المستمر:
في هذا المثال، Vin = 5، Vout = 15، وD = 2/3. Vout = 15، D = 2/3.
19. تشغيل المحولات (بما في ذلك دور الحث الأولي)
■ يعتبر المحول محولًا مثاليًا مع توصيل الحث الابتدائي (المغنطة) على التوازي مع الابتدائي.
20. المحول المرتد الطائر
■ هنا يكون الحث الابتدائي منخفضًا ويستخدم لتحديد ذروة التيار والطاقة المخزنة. عندما ينفتح المفتاح الابتدائي، تنتقل الطاقة إلى المفتاح الثانوي.
21. محول تحويل أمامي
■ الحث الأساسي مرتفع لأنه لا توجد حاجة لتخزين الطاقة.
■ يتدفق تيار المغنطة (i1) إلى "محث المغنطة"، مما يتسبب في إزالة مغنطة القلب (اتجاه الجهد العكسي) بعد فتح المفتاح الأساسي.
22. ملخص
■ تتم هنا مراجعة طوبولوجيا الدوائر الأكثر شيوعًا المستخدمة حاليًا في تحويل إمداد الطاقة بالتبديل.
■ هناك العديد من الطوبولوجيات الأخرى، ولكنها في الغالب مجموعات أو تنويعات من الطوبولوجيات الموصوفة هنا.
■ تنطوي كل طوبولوجيا على مقايضات تصميم فريدة من نوعها:
1) الجهد المطبق على المفتاح
2) تقطيع وتنعيم تيار الإدخال والإخراج
3) استخدام اللف
■ اختيار أفضل طوبولوجيا يتطلب البحث عن:
1) نطاق جهد الإدخال والإخراج
2) النطاق الحالي
3) نسبة التكلفة إلى الأداء والحجم إلى الوزن
