دانلود تحقیق بررسی انواع منابع تغذیه سوئیچینگ و شبیه سازی مبدل DC-DC باک

اختصاصی از فی دوو دانلود تحقیق بررسی انواع منابع تغذیه سوئیچینگ و شبیه سازی مبدل DC-DC باک دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

چکیده پروژه:
این پروژه در مورد منابع تغذیه سوئیچینگ با کنترل جریان می باشد. این نوع کنترل در نسل جدید منابع تغذیه سوئیچینگ کاملأ رواج یافته است. این پایان نامه در مورد انواع منابع تغذیه سوئیچینگ ، مزایا و معایب هر یک از آنها و تفاوتهای بین انواع مختلف کنترل با حلقه های فیدبک پرداخته است.در انتها یک مبدل DC-DC از نوع باک ،بااستفاده از سیمولینک مطلب شبیه سازی شده و نتایج آن آورده شده است.


مقدمه:

ایده منابع تغذیه سوئیچینگ در سال 1970 توسط مهندسان الکترونیک مطرح گردید که در ابتدای امر از بازدهی پایینی برخوردار بود ولی در مقایسه با باتریها و منابع تغذیه آنالوگ وزن و حجم کوچکتر ولی در عین حال توان بالایی داشتند.
در طرحهای نخستین منابع تغذیه از عناصر ابتدایی نظیرBJT  استفاده می شد که این خود باعث کاهش راندمان چیزی درحدود 68%می شد. امروزه منابع تغذیه سوئیچینگ جایگاه خاصی در صنعت برق و الکترونیک و مخابرات یافته اند و بدلیل برتریها و مزایای زیادی که نسبت به دیگر منابع تغذیه دارامی باشند توجه صنعتگران ومهندسان برق را به خود معطوف کرده اند تا جایی که گروهی از مهندسان الکترونیک در بهبود و کاراییها و کیفیت آنها تحقیقات گسترده ای انجام داده اند البته نتیجه این تلاشها پیشرفت روزافزونی است که در ساخت این سیستمها  پدید آمده است. البته پیشرفت درتکنولوژی ساخت قطعات نیز تاثیربسزایی درمنابع تغذیه سوئیچینگ داشته است.
با پیداش ماسفتهای سریع و پرقدرت تلفات ترانزیستوری بطور چشمگیری کاهش پیدا کردوعمده تلفات در ترانسها خلاصه شد که برای غلبه بر این مشکل فرکانس کاری مدار را تا حد MHZ1 افزایش دادند.   بنابراین در اصل سعی شده تا درانجام تحقیق از آخرین فن آوریهای روز استفاده شود. امید آنکه مورد قبول محققان و مهندسان این رشته واقع شود.



بخش اول:
مروری بر منابع تغذیه سوئیچینگ
مقایسه منابع تغذیه سوئیچینگ با منابع تغذیه خطی:
بنا برکاربرد منابع تغذیه انتخاب بین منابع تغذیه خطی یا سوئیچینگ صورت می گیرد که هر یک دارای مزایا و معایب نسبت به یکدیگر می باشند که در ذیل به آنها اشاره می شود.
مزایای منابع تغذیه خطی:
1- طراحی مدارات بسیار ساده صورت می گیرد.
2- قابلیت تحمل بار زیاد
3- تولید نویز ناچیز و نویزپذیری بسیار اندک
4- در کاربردهای توان پایین ارزانتر می باشند.
5- زمان پاسخ دهی بالایی را دارند.
مزایای منابع تغذیه سوئیچینگ:
1- وزن و حجم کمتری را نسبت به منابع تغذیه خطی دارند.
2- بالا بودن راندمان از68% تا 90%
3- داشتن مقدار بیشتری سطح ولتاژ در خروجی
4- بدلیل افزایش فرکانس کاری اجزای ذخیره کننده انرژی می توانند کوچکتر و درعین حال با کارایی بیشتری عمل کنند.
5- در توانهای بالا استفاده می شوند.
6- کنترل آسان خروجی با استفاده از قابلیتهای مدارات مجتمع
معایب منابع تغذیه خطی:
تمام مزایایی که درمنابع تغذیه سوئیچینگ گفته شد عیبهای بود که درمنابع تغذیه خطی وجود
 داشت و علاوه بر آن:
1- بدلیل کم بودن بهره توان تلفاتی در ترانزیستورهای خروجی زیاد می باشد که درنتیجه نیاز به خنک کننده سیستم سرمایش تحت فشار می باشد.




معایب منابع تغذیه سوئیچینگ:
تمام مواردی که به عنوان مزیت در درمنابع تغذیه خطی ذکر شد به عنوان عیوب منابع تغذیه سوئیچینگ به شمارمی رود علاوه بر آن به موارد زیراشاره می شود:
1- نیاز به فیلتر کردن خروجی و حذف نویزهای تولیدی
2- ناپایداری ولتاژ
3- حساسیت زیاد به امواج محیط بگونه ائیکه بعضا در برابر دیشهای مخابراتی اصلا عمل نمی کنند.






بخش دوم:
اصول منابع تغذیه سوئیچینگ
1-2: انواع رگولاتورهای ولتاژ:
مدارات رگولاتور ولتاژ به سه دسته تقسیم می شوند. در رگولاتور نوع سری  یک المان کنترل خطی          ( ترانزیستور ) بصورت سری و ولتاژ DC رگوله نشده برای ثابت نگهداشتن ولتاژ خروجی و فیدبک استفاده می شود. ولتاژ خروجی کمتراز ولتاژ ورودی رگوله نشده است و مقداری قدرت در المان کنترل تلف         می شود.یک نوع دیگر از این رگولاتورها رگولاتور موازی است که در آن المان کنترل بجای سری شدن با بار از خروجی به زمین بسته می شود و موازی با بار قرار می گیرد. یک مثال ساده مقاومت  به اضافه دیود زنر است. روش دیگری برای تولید یک ولتاژ DC رگوله شده که اساسأ از آنچه تاکنون دیده ایم متفاوت است وجود دارد و آن رگولاتور سوئیچینگ است. شکل ( 1-2 )  یک رگولاتور سوئیچینگ را نشان می دهد.
 
شکل (1-2 )  رگولاتور سوئیچینگ ساده
2-2: چاپرهای DC:
دربسیاری ازکاربردهای صنعتی نیازبه تبدیل یک منبعDCولتاژثابت به یک منبع ولتاژ متغیرمیباشد. چاپرDCوسیله ای است که مستقیمأDCرابهDCتبدیل میکند. چاپرمیتواند به جهت افزایش یاکاهش پلهای ولتاژ منبعDCبکارگرفته شود. ازاینرو میتوان چاپرها را به دودسته سوئیچر کاهنده وسوئیچر افزاینده تقسیم کرد.

 
شکل ( 2-2 ) چاپر کاهنده

 
شکل ( 3-2 ) چاپر افزاینده


شکل ( 2-2 ) یک چاپر کاهنده ( کاهش پله ای ) را نشان می دهد. با باز و بسته شدن سوئیچ ولتاژ دو سر بار صفر یا Vin می شود. در اینجا کلید می تواند یک MOSFET قدرت یا BJT قدرت یا تریستور قدرت با کموتاسیون اجباری باشد.
از چاپر می توان جهت بالا بردن ولتاژ DC استفاده کرد که در شکل ( 3-2 ) با نام چاپر افزاینده ( افزایش پله ای)  نشان داده شده است. هنگامی که سوئیچ بسته است انرژی در  سلف ذخیره می شود و زمانیکه سوئیچ باز میشود انرژی ذخیره شده در سلف به بار منتقل می شود و جریان سلف کاهش می یابد.
اگر یک خازن بزرگ همانطوری که با خط چین در شکل نشان داده شده است متصل شود ولتاژ خروجی پیوسته خواهد بود.
چاپرها دو نوع عملکرد متفاوت دارند :
1- عملکرد فرکانس ثابت:در این روش فرکانس چاپر ثابت نگه داشته می شود و زمان بودن کلید تغییر داده می شود. پهنای پالس در این روش تغییر می کند و این نوع کنترل مدولاسیون پهنای پالس ( PWM ) نام دارد.
 2- عملکرد فرکانس متغییر: در این حالت فرکانس چاپر تغییر می کند و زمان روشن ، خاموش بودن ثابت نگه داشته می شود. این روش مدولاسیون فرکانس نام دارد. در این روش فرکانس باید در محدوده وسیعی تغییر یابد تا رنج کاملی از ولتاژخروجی را داشته باشیم که بدلیل هارمونیکها یی با فرکانسهای غیر قابل پیش بینی طراحی فیلتر آن دشوار می شود.
3-2: اصول رگولاتورهای سوئیچینگ:
چاپرهای DC را می توان در رگولاتورهای تغییر دهنده حالت جهت تبدیل یک ولتاژ DC معمولأ تثبیت نشده به یک ولتاژ خروجی DC تثبیت شده بکار گرفت. تثبیت کردن معمولأ   از طریق روش مدولاسیون پهنای پالس در یک فرکانس ثابت انجام می گیرد و عنصر کلیدزنی معمولأ BJT یا MOSFET یا IGBT قدرت می باشد. اجزا رگولاتورهای تغییر دهنده حالت در شکل ( 4-2 ) نشان داده شده اند.

از شکل ( 4-2 ) می توان دریافت که خروجی یک چاپر DC با بار مقاومتی و ناپیوسته و شامل هارمونیکهایی می باشد.




شکل ( 4-2 ) عناصر رگولاتورهای سوئیچینگ
مقدار ریپل ولتاژ خروجی معمولأ با استفاده از یک فیلتر LC کاسته می شود. رگولاتورهای سوئیچینگ به صورت مدارهای مجتمع یافت می شوند. طراح می تواند فرکانس کلیدزنی را با انتخاب مقادیر R و C نوسان کننده فرکانسی انتخاب کند. به عنوان یک قانون سر انگشتی برای حداکثر کردن بازده حداقل دوره تناوب نوسان گر باید حدود 100 مرتبه بیشتر از زمان کلیدزنی ترانزیستور باشد.
 برای مثال اگر ترانزیستوری زمان کلیدزنی برابر 0.5 میکرو ثانیه داشته باشد دوره تناوب نوسان گر 50 میکرو ثانیه خواهد بود که در نتیجه حداکثر فرکانس نوسان گر kHz 20 خواهد بود.
این محدودیت ناشی از تلفات کلیدزنی ترانزیستور می باشد. تلفات کلیدزنی ترانزیستور با فرکانس کلیدزنی افزایش و در نتیجه بازده کاهش می یابد. بعلاوه تلفات هسته سلفها کارکرد با فرکانس بالا را محدود می سازد.
ولتاژ کنترلی Vc با مقایسه ولتاژ خروجی با مقدار مطلوب آن بدست می آید. Vc را می توان با یک ولتاژ دندان اره ای Vr مقایسه کرد تا سیگنال کنترلی PWM برای چاپر DC تولید شود. این عمل در شکل ( 4-2 ) نشان داده شده است.

فهرست مطالب
مقدمه:  ------------------------------------------------------------------------------ 1
بخش اول: مروری بر منابع تغذیه سوئیچینگ
مقایسه منابع تغذیه سوئیچینگ با منابع تغذیه خطی  ----------------------------------------2
بخش دوم: اصول منابع تغذیه سوئیچینگ
1-2: انواع رگولاتورهای ولتاژ  ------------------------------------------------------------ 4
2-2:چاپرهای DC  -------------------------------------------------------------------- 4
3-2: اصول رگولاتورهای سوئیچینگ  ------------------------------------------------------ 6
بخش سوم: رگولاتورهای سوئیچینگ فاقد ترانسفورماتور ایزوله کننده
1-3:رگولاتور باک ( Buck )  ------------------------------------------------------------ 9
2-3: رگولاتور بوست ( Boost ---------------------------------------------------------- 11
3-3: رگولاتور باک – بوست ( Buck – Boost )  ----------------------------------------- 14
بخش چهارم: رگولاتورهای سوئیچینگ با ترانسفورماتور ایزوله کننده
1-4: رگولاتور فلای بک ( Fly Back )  -------------------------------------------------- 17
2-4: رگولاتور پوش پول ( Push Pull )  ------------------------------------------------- 19
3-4: رگولاتور نیم پل ( Half Bridge )  ------------------------------------------------ 21
4-4: رگولاتور تمام پل ( Full Bridge )  ------------------------------------------------ 23
بخش پنجم: شبیه سازی مبدل باک---------------------------------------------------- 26
بخش ششم: مدارات مجتمع ( IC های ) کنترل کننده منابع تغذیه ---------------------------34
منابع -------------------------------------------------------------------------------- 67

فهرست اشکال
شکل (1-2 )  رگولاتور سوئیچینگ ساده ..............................................................................................................................4
شکل ( 2-2 ) چاپر کاهنده........................................................................................................................................................5
شکل ( 3-2 ) چاپر افزاینده.......................................................................................................................................................5
شکل ( 4-2 ) عناصر رگولاتورهای سوئیچینگ.....................................................................................................................7
شکل (1-3 )  شکل موجهای ولتاژ و جریان.......................................................................................................................10
شکل ( 2-3 )  رگولاتور بوست...............................................................................................................................................12
شکل ( 3-3 )  رگولاتور باک –  بوست با جریان پیوسته سلف......................................................................................15
شکل ( 1-4 )  رگولاتور فلای بک........................................................................................................................................18
شکل ( 2-4 )  رگولاتور پوش پول........................................................................................................................................20
شکل ( 3-4 )  رگولاتور نیم پل.............................................................................................................................................22
شکل ( 4-4 )  رگولاتور تمام پل...........................................................................................................................................24
شکل ( 1-5 )..............................................................................................................................................................................26
 شکل ( 2-5 )............................................................................................................................................................................28
شکل ( 3-5 ).............................................................................................................................................................................29
شکل ( 4-5 ).............................................................................................................................................................................30
شکل ( 5-5 ).............................................................................................................................................................................31
شکل ( 6-5 )..............................................................................................................................................................................32
شکل ( 7-5 ).............................................................................................................................................................................33
شکل ( 1-6 ) دیاگرام ساده شده MC34066 به نقل از شرکت موتورولا...................................................................37
شکل ( 2-6 ) طرح پایه حالت کنترل ولتاژ.........................................................................................................................38
شکل ( 3-6 ) طرح پایه حالت کنترل جریان......................................................................................................................41
شکل ( 4-6 ) دیاگرام داخلی تراسه های UC3842/3/4/5............................................................................................44
شکل ( 5-6 ) جدول مقادیر UVLO و DUTY CYCLE................................................................................................44
شکل ( 6-6 ) نمودار هیسترزیس..........................................................................................................................................44
شکل ( 8-6 ) حالت کنترل جریان........................................................................................................................................46
شکل ( 9-6 ) جبرانسازی........................................................................................................................................................47
شکل ( 10-6 ) نحوه استفاده از نوسان ساز خارجی.........................................................................................................49
شکل ( 11-6 ) دیاگرام داخلی تراشه TC170...................................................................................................................51
شکل ( 12-6 ) دیاگرام نوسان ساز داخلی TC170..........................................................................................................52
شکل ( 13-6 ) نمودار فرکانس بر حسب Rt و Ct...........................................................................................................52
شکل ( 14-6 ) نحوه محدود کردن جریان..........................................................................................................................53
شکل ( 15-6 ) حالت کنترل جریان.....................................................................................................................................54
شکل ( 16-6 ) دیاگرام داخلی تراشه LM5020 – ½ ...................................................................................................57
شکل ( 17-6 ) دیاگرام داخلی  تراشه L5991/1A...........................................................................................................61
شکل ( 18-6 ) نحوه اتصال قطعات نوسان ساز..................................................................................................................63
شکل ( 19-6 ) نمودار زمانی عملکرد HICCUP...............................................................................................................64
شکل ( 20-65 ) شمای داخلی قسمت حس جریان.........................................................................................................65
شکل ( 21-6 ) دیاگرام حالت STANDBY در تراشه.......................................................................................................66

شامل 73 صفحه word