امروزه در اکثر وسایل الکترونیکی از جمله وسایل صوتی و تصویری، پاور کامپیوتر، انواع شارژرها، اینورترها و… ازکلیدزنی و مدارات سوییچینگ برای تبدیل ولتاژ و جریان استفاده می شود. زیرا نسبت به منبع های تغذیه خطی که با ترانسفورمرهای بزرگ عمل تبدیل ولتاژ و جریان را انجام می دهند وزن کمتری دارند، حجم کمتری را اشغال می کنند، نسبتا ارزان قیمت تر هستند و مهم تر از همه این که بازده بالاتری دارند. همچنین می توان رنج ولتاژ ورودی گسترده تری را به آن ها اعمال نمود و با این وجود خروجی آن ها بدون استفاده از رگولاتورهایی با اتلاف انرژی زیاد کاملا تثبیت شده است. یک منبع خطی با تلف کردن توان، خروجی را رگوله یا یکسو میکند ولی در روش سوئیچینگ با تغییر میزان دوره سیکل سوئیچ، ولتاژ و جریان خروجی کنترل میشود. با یک طراحی خوب در روش سوئیچینگ میتوان به حدود ۹۰درصد بازدهی دست یافت . شارژرهای موبایل مثال خوبی برای منابع تغذیه سوییچینگ هستند. شارژرهای استاندارد را معمولا می توانید با ولتاژی در حدود ۱۰۰ تا ۲۵۰ ولت راه اندازی کنید و در هر حال خروجی آن ها بدون استفاده از رگولاتور و با تلفات بسیار ناچیز و تحت هر شرایطی ۴.۹ ولت ثابت است . همین ویژگی ها باعث شده که منابع تغذیه سوییچینگ جایگزین های بسیار مناسب تری برای منابع تغذیه خطی و ترانسفورمرهای حجیم باشند. البته باید گفت که در منبع های تغذیه سوییچینگ نیز از ترانسفورمر یا چوک استفاده می شود اما بسیار کوچکتر هستند و جنس هسته آن ها از آهن فشرده (فریت) است.

در تصاویر زیر ، نمونه هایی از ترانسفورمرها و چوک های مورداستفاده درمدارهای سوییچینگ را مشاهده می کنید:

ترانسفورمرهای بزرگ معمولی تنها در فرکانس های پایین مثل فرکانس برق شهری (حدود ۵۰ تا ۶۰ هرتز) عمل می کنند ، اما نمونه های کوچکی که دارای هسته فریت هستند و در مدارات سوییچینگ مورد استفاده قرار می گیرند، برای کار در فرکانس های بالا مناسب اند. در طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ اگر ورودی اصلی جریان متناوب باشد، ابتدا جریان را از یک طبقه یکسوکننده (با استفاده از دیودهای مناسب) عبور داده و یک ولتاژ مستقیم رگوله نشده ایجاد می کنیم و این ولتاژ مستقیم به خازن های فیلترینگ بزرگ متصل می گردد. البته در یک منبع تغذیه با ورودی جریان مستقیم، به مرحله یکسو کننده احتیاجی نیست. سپس در مرحله ی بعد مقدار ولتاژ مستقیم تولید شده در مرحله قبل ، دوباره به ولتاژ متناوب با فرکانس بیش از ۲۰ کیلوهرتز (خارج از محدوده شنوایی) تبدیل میشود. در این جا معمولا برای ایجاد این فرکانس ، از کلیدزنی ترانزیستوری استفاده می شود که بین وضعیت قطع و اشباع در نوسان است که این خود سبب کاهش تلفات ترانزیستور می گردد. ماسفت ها این کار را بهتر انجام می دهند و در نتیجه استفاده از آن ها برای قسمت کلیدزنی بسیار مناسب تر است. در مرحله بعد ترانس با تعداد دورهای پیچشی کم قرار دارد که جریان متناوب ایجاد شده توسط مدار کلیدزنی وارد آن می شود. به دلیل فرکانس بالا، دور سیم پیچ ترانس کم میشود و بسته به نیاز ترانس افزایش یا کاهش می یابد. در مرحله نهایی هم یک طبقه یکسوکننده و فیلتر وجود دارد که وظیفه ی آن ساختن خروجی ولتاژ مستقیم در محدوده معین و مشخصات مناسب است. در این مرحله، باید از دیودهای پرسرعت برای یکسوسازی جریان خروجی استفاده کرد و در ولتاژهای پایین می توان دیود شاتکی را جایگزین آن کرد. سپس جریان یکسو شده، توسط یک خازن و سیم پیچ مناسب دکوپلاژ و فیلتر می شود. بنابراین اگر بخواهیم یک منبع تغذیه سوییچینگ برای تبدیل برق شهری به ولتاژهای پایین تر طراحی کنیم ، باید طبق الگوی زیر عمل نماییم :

در ادامه به صورت مختصر و با زبان ساده، اجزاء داخلی منبع تغذیه سوئیچینگ شرح داده شده است. بدیهی است که این ساختار عمومی نیست، اما در بیشتر منابع تغذیه استاندارد کنونی استفاده می شود:
EMI Filter
این بخش از عناصر سلف و خازن تشکیل شده و وظیفه ی آن ممانعت از خروج فرکانس های اضافی (درمحدوده کاری نویز حاصل از مدار سوئیچینگ) منبع تغذیه به بیرون است و همچنین از ورود فرکانس های اضافی که ممکن است حاصل از دوران موتور های الکتریکی و سیستمهای مولد حرارت و غیره باشند نیز به داخل منبع تغذیه جلوگیری می کند.
Input Capacitor
این قسمت از دو خازن الکترولیت با ظرفیت متناسب توان منبع تغذیه تشکیل شده و وظیفه آن کنترل سطح ولتاژ ورودی در هنگام کارکرد و همچنین ذخیره انرژی مورد نیاز مدار سوئیچینگ به هنگام وقفه های کوتاه انرژی میباشد.
Power Switching
این بخش معمولاً از دو ترانزیستور قدرت (ماسفت) تشکیل شده و وظیفه ی آن کنترل سطح ولتاژ خروجی از طریق زمان روشن و خاموش شدن (سوئیچ) است.
Transformer
این بخش بنا به نوع طراحی، از دو تا سه ترانس (سوئیچینگ تی.آر، درایو تی.آر و غیره) تشکیل شده که علاوه بر ایزولاسیون ولتاژ مستقیم، وظیفه تغییر سطح ولتاژ را بر عهده دارند. طراحی این قسمت بسیار حساس است، زیرا اگر تعداد دور های اولیه و ثانویه متناسب با طراحی مدار Pulse Width Modular نباشد، پایداری مدار و ضریب اطمینان نیمه هادی و در نهایت کارکرد منبع تغذیه با مشکل اساسی مواجه خواهد شد.
  Output Diodes
این قسمت از دیودهای شاتکی یا دیودهای پرسرعت و دیودهای زنر تشکیل شده و وظیفه آن یکسو سازی ولتاژ خروجی در حالات عادی و قطع کامل جریان خروجی در حالات خاص میباشد.
Heat Sink
این قسمت از آلیاژهای مختلف آلومینیوم و مس ساخته می شود و به واسطه تعبیه شیارهایی برروی آن جهت عبور جریان هوا، وظیفه انتقال دما از ترانزیستورهای سوئیچینگ و همچنین دیودهای شاتکی و پرسرعت (اگر از نوع پرقدرت باشند) به محیط اطراف را بر عهده دارد.

Output Filter
این قسمت از چند خازن الکترولیت و سلف های چند لایه تشکیل شده است که وظیفه ذخیره انرژی در زمان روشن و ارائه آن در زمان خاموشی ترانزیستور را بر عهده دارد.
FAN
انتقال حرارت در منابع تغذیه بسیار مهم و حیاتی بوده و رابطه مستقیمی با راندمان و طول عمر ان دارد. تهویه بهتر هوای گرم ازمحیط داخلی منبع تغذیه به فضای بیرون، کارکرد بهتر و عملکرد درازمدت تر منبع تغذیه را در پی دارد . تعبیه یک Fan مناسب بر روی محفظه منبع تغذیه و مقابل هیت سینک ها(مثل پاور کامپیوتر) می تواند این هدف را به خوبی برآورده سازد.
PCB
برد اصلی منبع تغذیه می باشد که کلیه قطعات بر روی آن نصب میشوند. رعایت استانداردهای مختلف درساخت برد، از جمله تحمل حرارت بالا و چینش قطعات در جای مناسب و عدم استفاده از مواد خطرناک برای محیط زیست، باعث افزایش ضریب ایمنی کاربر میگردد.
IC Controller
این قسمت پیچیده ترین بخش مدار Pulse Width Modular می باشد و درسال های اخیر تغییرات چشمگیری در طراحی آن به وجود آمده است. آی سی های جدید چند نوع وظیفه مختلف بر عهده دارند و کارکرد منابع تغذیه جدید را بهتر کرده اند. در زیر بطور خلاصه به وظایف آی سی هایی که در بعضی از پاورهای جدید به کار رفته اشاره می کنیم :
کنترل خروجی، که با تولیدپالس های ویدث ماجولار، فرآیند تغییر پهنای یک رشته پالس بر اساس تغییرات سیگنال های دیگر و اعمال بازخورد ولتاژ و جریان و راه اندازی نرم در کلیه خروجی ها را بر عهده دارد.
مونیتورینگ، که ازطریق یک شبکه تقسیم مقاومتی، کسری از ولتاژ خروجی به آی سی جهت مقایسه با یک ولتاژ مبنا، منتقل میشود و در صورت بروز هرگونه تغییر در خروجی ، دستور وقفه از طریق آی سی صادر میشود.
نوسان ساز، که در فرکانس پایه کار میکند و موج مثلثی جهت استفاده در پالس ویدث ماجولار را تولید میکند .
راه اندازخروجی، که توان کافی را جهت بکارگیری در بارهای کم ومیانه،تولیدمیکند .
ولتاژ مبنا، که ولتاژ پایه را جهت مقایسه خروجیها و همچنین یک ولتاژ پایدار برای سایر بخشها تولید میکند .
مبدل خطا، که عرض پالس ولتاژ خروجی را متناسب با سطح ولتاژ، تنظیم مینماید .
پاور فکتور کورکشن، که وظیفه آن تصحیح هارمونیک های فرکانس خروجی و هدایت و کنترل آنها به مدار پالس ویدث ماجولار است .

با توجه به نیاز روزافزون به منبع های تغذیه سوییچینگ ، شرکتهای مختلف به تولید آی سی هایی روی آورده اند که کارهای مختلف یک مدار سوئیچینگ را (از جمله ماسفت قدرت، محدود کننده جریان، فیدبک ولتاژ خروجی و…) به صورت مجتمع و یکجا انجام داده و بدین صورت از تعداد قطعات مدار کاسته شده و طراحی آن نیز ساده تر گردد. یکی از این شرکت ها کمپانی امریکایی Power Integrations می باشد که تنوع محصولات آن زیاد بوده و البته خوشبختانه تعدادی از آنها در بازار ایران هم پیدا می شوند. آی سی های این شرکت به خانواده های مختلفی تقسیم می شوند که هر خانواده برای استفاده در یک توپولوژی خاص طراحی شده است. برخی از این خانواده ها عبارتند از:
LinkZero – LinkSwitch – TinySwitch – TOPSwitch – PeakSwitch – DPA-Switch
خود این خانواده ها بسته به توان خروجی مدار ممکن است دارای یک یا چند زیر گروه باشند . به عنوان مثال به معرفی کاربرد چند سری از این آی سی ها می پردازیم:
• اگر توان خروجی ۳.۵ تا ۱۵ وات بوده (با ورودی یونیورسال) و یا ۵ تا ۲۳ وات (با ورودی ۲۳۰ ولت) باشد، می توان از هر یک از خانواده های LinkSwitch-CV یاTinySwitch-II استفاده نمود.
• اگر توان خروجی ۱۸ تا ۲۴ وات باشد(با ورودی یونیورسال یا جهانی) و یا ۲۸ تا ۳۳ وات باشد (با ورودی ۲۳۰ ولت متناوب)، می توان از هر یک از خانواده هایTinySwitch-III یاTOPSwitch-HX استفاده نمود .
• اگر توان خروجی شما در بازه بین ۵۰ وات تا ۲۵۰ وات است، می توانید از هر یک از خانواده هایTOPSwitch-HX یاHiperPLCاستفاده کنید.
• از خانوادهHiperPLC فقط می توان در توپولوژی رزونانس LLC استفاده کرده و طراحی مدارات آن فقط از طریق نرم افزار PI Xls Designer امکان پذیر است.

باید گفت که مدارهای سوییچینگ برای مصارف مختلفی طراحی می شوند و به همین دلیل در توپولوژی های مختلفی کار می کنند که برخی از آن ها عبارتند از :
Flyback , Ringing choke converter (RCC) , Half-forward , Forward , Resonant forward , Push-pull , Half-bridge , Full-bridge , Resonant , zero voltage switched
هر یک از این توپولوژی ها برای کاربرد و توان مصرفی خاصی مناسب تر خواهند بود. مثلا:
در جریان های خروجی کمتر از ۴ آمپر، توپولوژی فلای بک ترجیح داده می شود. اگر جریان خروجی بیش از ۶ آمپر باشد، معمولا از توپولوژی فوروارد استفاده می شود. و برای جریان های بین ۴ تا ۶ آمپر، از هر یک از توپولوژی های فلای بک یا فوروارد می توان استفاده نمود.
از مزایای توپولوژی فلای بک می توان گفت که مدار فقط دارای یک المان مغناطیسی است که هم کار ایزولاسیون را انجام می دهد و هم محل ذخیره انرژی است. برای جریان های کمتر از حدود ۴ آمپر، فلای بک ارزان ترین توپولوژی ممکن است. ولی برای جریان های بیشتر، برای مقابله با ریپل های جریانی، مجبور به استفاده از خازنی با ابعاد بزرگتر در خروجی هستیم.
همچنین از مزایای توپولوژی فوروارد می توان گفت که سیم پیچ خروجی چه در زمان روشن بودن و چه در زمان خاموشی سیم پیچ اولیه ، جریان خروجی را تامین می کند . این یعنی ریپل کمتر در جریان، جریان های RMS کمتر ، و ابعاد کوچکتر خازن خروجی .

تا اینجا مختصری در مورد قسمت های مختلف منبع های تغذیه سوییچینگ برای شما توضیح دادم و امیدوارم که برایتان مفید بوده باشد و اگر مطالب ارائه شده برایتان بسیار ساده و پیش پا افتاده بودند، ما را به بزرگواری خودتان می بخشید. چون هدف من در اینجا ایجاد یک آشنایی مقدماتی بود برای مبتدیان و علاقمندانی که تازه وارد این عرصه شده اند. ان شاالله در پست های آینده مطالبی حرفه ای تر و مدارهایی از منابع تغذیه سوییچینگ با توپولوژی ها و توان های مختلف را در اختیارتان قرار خواهم داد.