अधिकांश इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों को आपूर्ति वोल्टेज और आपूर्ति किए जाने वाले सर्किट वोल्टेज के बीच किसी प्रकार के रूपांतरण की आवश्यकता होती है। जब बैटरी अपना चार्ज खो देती है, तो वोल्टेज कम हो जाएगा। कुछ डीसी-डीसी रूपांतरण यह सुनिश्चित कर सकते हैं कि बैटरी में संग्रहीत अधिक ऊर्जा का उपयोग सर्किट को बिजली देने के लिए किया जाता है। इसके अलावा, यदि हम 110 वी एसी लाइनों का उपयोग करते हैं, तो हम सीधे माइक्रोकंट्रोलर जैसे अर्धचालकों को बिजली की आपूर्ति नहीं कर सकते हैं। चूंकि लगभग हर इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम वोल्टेज कन्वर्टर्स (जिन्हें बिजली आपूर्ति के रूप में भी जाना जाता है) का उपयोग करता है, उन्हें वर्षों से विभिन्न उपयोगों के लिए अनुकूलित किया गया है। बेशक, अनुकूलन लक्ष्य आमतौर पर समाधान का आकार, रूपांतरण दक्षता, ईएमआई और लागत होते हैं।

सरल विद्युत आपूर्ति: LDO

   

विद्युत आपूर्ति के सरल रूपों में से एक है लो ड्रॉपआउट (एलडीओ) नियामक। एलडीओ एक रैखिक नियामक है जो स्विचिंग नियामक के विपरीत है। रैखिक नियामक इनपुट वोल्टेज और आउटपुट वोल्टेज के बीच एक समायोज्य अवरोधक रखता है, जिसका अर्थ है कि इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि इनपुट वोल्टेज कैसे बदलता है, कौन सा लोड करंट उपकरण से गुजर रहा है, आउटपुट वोल्टेज तय है। चित्र 1 इस सरल वोल्टेज कनवर्टर के मूल सिद्धांत को दर्शाता है।

चित्र 1. रैखिक वोल्टेज नियामक एक वोल्टेज को दूसरे वोल्टेज में परिवर्तित करता है।

कई वर्षों से, विशिष्ट पावर कनवर्टर 50 हर्ट्ज या 60 हर्ट्ज ट्रांसफार्मर से बना होता है, जो पावर ग्रिड से जुड़ा होता है और एक निश्चित घुमावदार अनुपात के साथ एक अस्थिर आउटपुट वोल्टेज उत्पन्न करता है, जो आवश्यक बिजली आपूर्ति वोल्टेज से कई वोल्ट अधिक होता है। प्रणाली। फिर, इस वोल्टेज को इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों के लिए आवश्यक स्थिर विनियमित वोल्टेज में परिवर्तित करने के लिए एक रैखिक नियामक का उपयोग किया जाता है। चित्र 2 इस अवधारणा का ब्लॉक आरेख दिखाता है।

2. लाइन ट्रांसफार्मर के बाद रैखिक वोल्टेज नियामक।

चित्र 2 में मूल सेटअप के साथ समस्या यह है कि 50 हर्ट्ज/60 हर्ट्ज ट्रांसफार्मर अपेक्षाकृत भारी और महंगा है। इसके अलावा, रैखिक नियामक भी बहुत अधिक गर्मी उत्सर्जित करता है, इसलिए सिस्टम की समग्र दक्षता कम है, और सिस्टम की उच्च शक्ति के कारण उत्पन्न गर्मी को खत्म करना मुश्किल है।

स्विचिंग मोड बिजली आपूर्ति मदद करती है
   

चित्र में दिखाए गए बिजली आपूर्ति के नुकसान से बचने के लिए। 2, स्विचिंग मोड बिजली आपूर्ति का आविष्कार किया गया था। वे 50 हर्ट्ज या 60 हर्ट्ज एसी वोल्टेज पर निर्भर नहीं होते हैं, लेकिन डीसी वोल्टेज का उपयोग करते हैं, कभी-कभी एसी वोल्टेज को सुधारते हैं, छोटे ट्रांसफार्मर का उपयोग करने के लिए उच्च आवृत्ति एसी वोल्टेज उत्पन्न करते हैं, या गैर-पृथक प्रणाली में डीसी आउटपुट वोल्टेज उत्पन्न करने के लिए वोल्टेज को ठीक करने के लिए एलसी फिल्टर का उपयोग करते हैं। . लाभ यह है कि समाधान आकार में छोटा और लागत में अपेक्षाकृत कम है। उत्पन्न एसी वोल्टेज को साइनसॉइडल वोल्टेज तरंगरूप होने की आवश्यकता नहीं है। का सरल PWM सिग्नल तरंगरूप अच्छी तरह से काम कर सकता है, और इसे PWM जनरेटर और स्विच का उपयोग करके आसानी से उत्पन्न किया जा सकता है।

2000 तक, द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर आमतौर पर स्विच का उपयोग किया जाता था। उनका प्रदर्शन अच्छा है, लेकिन स्विचिंग गति अपेक्षाकृत कम है। दक्षता अधिक नहीं है, और स्विचिंग आवृत्ति 50 kHz या 100 kHz तक सीमित है। आजकल, हम द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर के बजाय स्विचिंग MOSFET का उपयोग करते हैं, और स्विचिंग गति बहुत तेज है। दूसरी ओर, स्विचिंग हानि कम है, और स्विचिंग आवृत्ति 5 मेगाहर्ट्ज जितनी अधिक है। इतनी उच्च स्विचिंग आवृत्ति पावर स्टेज को बहुत छोटे इंडक्शन और कैपेसिटेंस का उपयोग करने में सक्षम बनाती है।

स्विचिंग रेगुलेटर कई फायदे लाते हैं। वे आम तौर पर उच्च दक्षता वाले वोल्टेज रूपांतरण प्रदान करते हैं, स्टेप-अप और स्टेप-डाउन की अनुमति देते हैं, और अपेक्षाकृत कॉम्पैक्ट और कम लागत वाला डिज़ाइन प्रदान करते हैं। नुकसान यह है कि डिज़ाइन और अनुकूलन प्रक्रिया जटिल है, और स्विचिंग रूपांतरण और स्विचिंग आवृत्ति भी ईएमआई उत्पन्न करेगी। स्विचिंग मोड बिजली आपूर्ति नियामक और LTpowerCAD® और एलटीस्पाइस® बिजली आपूर्ति डिज़ाइन टूल की उपलब्धता ने इस कठिन डिज़ाइन प्रक्रिया को बहुत सरल बना दिया है। इन उपकरणों के साथ, स्विचिंग मोड बिजली आपूर्ति की सर्किट डिजाइन प्रक्रिया अर्ध-स्वचालित हो सकती है।

बिजली आपूर्ति में अलगाव

   

बिजली आपूर्ति को डिज़ाइन करते समय, पहला प्रश्न जिसका उत्तर दिया जाना चाहिए वह यह है कि क्या विद्युत अलगाव की आवश्यकता है। विद्युत अलगाव का उपयोग कई कारणों से किया जाता है। यह सर्किट की सुरक्षा में सुधार कर सकता है, फ्लोटिंग सिस्टम को संचालित करने की अनुमति दे सकता है, और सर्किट में विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के माध्यम से शोर वाले ग्राउंडिंग करंट को फैलने से रोक सकता है। दो सामान्य आइसोलेशन टोपोलॉजी फ्लाईबैक कनवर्टर और फॉरवर्ड कनवर्टर हैं। हालाँकि, उच्च शक्ति के लिए, अन्य आइसोलेशन टोपोलॉजी जैसे पुश-पुल, हाफ-ब्रिज और फुल-ब्रिज का उपयोग किया जाता है।

यदि विद्युत अलगाव की आवश्यकता नहीं है, तो ज्यादातर मामलों में एक गैर-पृथक टोपोलॉजी का उपयोग किया जाएगा। टोपोलॉजी को हमेशा एक ट्रांसफार्मर की आवश्यकता होती है, और इस प्रकार के उपकरण अक्सर महंगे और भारी होते हैं, और अनुकूलित बिजली आपूर्ति की सटीक आवश्यकताओं को पूरा करने वाले ऑफ-द-शेल्फ उपकरण आमतौर पर प्राप्त करना कठिन होता है।

सबसे आम टोपोलॉजी जब अलगाव की आवश्यकता नहीं होती है

   

सामान्य गैर-पृथक स्विचिंग मोड बिजली आपूर्ति टोपोलॉजी हिरन कनवर्टर है, जिसे हिरन कनवर्टर भी कहा जाता है, जो एक सकारात्मक इनपुट वोल्टेज प्राप्त करता है और इनपुट वोल्टेज से कम आउटपुट वोल्टेज उत्पन्न करता है। यह तीन बुनियादी स्विचिंग मोड बिजली आपूर्ति टोपोलॉजी में से एक है, और इसमें केवल दो स्विच, एक प्रारंभ करनेवाला और दो कैपेसिटर की आवश्यकता होती है। चित्र 3 इस टोपोलॉजी के मूल सिद्धांत को दर्शाता है। हाई-एंड स्विच इनपुट टर्मिनल से पल्स करंट भेजता है, और एक स्विचिंग मोड वोल्टेज उत्पन्न करता है, जो इनपुट वोल्टेज और ग्राउंड वोल्टेज के बीच वैकल्पिक होता है। एलसी फिल्टर स्विच नोड पर पल्स वोल्टेज प्राप्त करता है और एक डीसी आउटपुट वोल्टेज उत्पन्न करता है। हाई-एंड स्विच के पीडब्लूएम सिग्नल के कर्तव्य अनुपात के अनुसार, डीसी आउटपुट वोल्टेज के विभिन्न स्तर उत्पन्न होते हैं। इस डीसी-डीसी हिरन कनवर्टर में उच्च दक्षता है, इसे बनाना अपेक्षाकृत आसान है और इसके लिए कुछ घटकों की आवश्यकता होती है।

चित्र 3. सरल हिरन कनवर्टर की अवधारणा।

हिरन कनवर्टर इनपुट पर पल्स करंट उत्सर्जित करता है, जबकि आउटपुट में प्रारंभ करनेवाला से निरंतर करंट होता है। यही कारण है कि हिरन कनवर्टर का शोर इनपुट पर बहुत तेज़ है, लेकिन आउटपुट पर इतना तेज़ नहीं है। कम शोर प्रणाली डिज़ाइन करते समय यह जानना महत्वपूर्ण है।

हिरन टोपोलॉजी के अलावा, दूसरी बुनियादी टोपोलॉजी बूस्ट टोपोलॉजी है। बूस्ट टोपोलॉजी हिरन टोपोलॉजी के समान पांच बुनियादी पावर तत्वों का उपयोग करती है, लेकिन पुनर्व्यवस्था के बाद, प्रारंभ करनेवाला को इनपुट पर रखा जाता है और हाई-साइड स्विच को आउटपुट पर रखा जाता है। बूस्ट टोपोलॉजी का उपयोग इनपुट वोल्टेज को इनपुट वोल्टेज से अधिक आउटपुट वोल्टेज तक बढ़ाने के लिए किया जाता है।

चित्र 4. सरल बूस्ट कनवर्टर की अवधारणा।

बूस्ट कनवर्टर चुनते समय, यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि अधिकतम रेटेड स्विचिंग करंट हमेशा अधिकतम आउटपुट करंट के बजाय, बूस्ट कनवर्टर की डेटा शीट में निर्दिष्ट किया जाता है। हिरन कनवर्टर में, अधिकतम स्विचिंग करंट सीधे अधिकतम प्राप्त आउटपुट करंट से संबंधित होता है, और इसका इनपुट वोल्टेज और आउटपुट वोल्टेज के बीच वोल्टेज अनुपात से कोई लेना-देना नहीं होता है। बूस्ट रेगुलेटर में, वोल्टेज अनुपात निश्चित अधिकतम स्विचिंग करंट के आधार पर संभावित अधिकतम आउटपुट करंट को सीधे प्रभावित करता है। उपयुक्त बूस्ट रेगुलेटर आईसी का चयन करते समय, आपको न केवल आवश्यक आउटपुट करंट का पता होना चाहिए, बल्कि विकास में डिज़ाइन किए गए इनपुट और आउटपुट वोल्टेज का भी पता होना चाहिए।

इनपुट पर बूस्ट कनवर्टर का शोर बहुत कम है, क्योंकि इनपुट कनेक्शन के अनुरूप इंडक्शन करंट को तेजी से बदलने से रोक सकता है। हालाँकि, आउटपुट अंत में, इस टोपोलॉजी का शोर बहुत बड़ा है। हम केवल बाहरी स्विच के माध्यम से प्रवाहित पल्स करंट को देखते हैं, इसलिए हम हिरन टोपोलॉजी की तुलना में आउटपुट रिपल पर अधिक ध्यान देते हैं।

तीसरी बुनियादी टोपोलॉजी इनवर्टिंग हिरन-बूस्ट कनवर्टर है, जिसमें केवल पांच बुनियादी घटक होते हैं। यह कनवर्टर एक सकारात्मक इनपुट वोल्टेज लेता है और इसे नकारात्मक आउटपुट वोल्टेज में परिवर्तित करता है, इसलिए इसका नाम है। इसके अलावा, इनपुट वोल्टेज उल्टे आउटपुट वोल्टेज के निरपेक्ष मान से अधिक या कम हो सकता है। उदाहरण के लिए, इनपुट पर 12 V या 5 V से 24 V आउटपुट वोल्टेज उत्पन्न किया जा सकता है। यह बिना किसी विशेष सर्किट संशोधन के हो सकता है। चित्र 5 इनवर्टिंग हिरन-बूस्ट कनवर्टर की सर्किट अवधारणा को दर्शाता है।

चित्र 5. सरल इनवर्टिंग हिरन-बूस्ट कनवर्टर की अवधारणा।

उल्टे हिरन-बूस्ट टोपोलॉजी में, प्रारंभ करनेवाला को स्विचिंग नोड से ग्राउंड किया जाता है। कनवर्टर के इनपुट और आउटपुट पर पल्स धाराएं होती हैं, इसलिए इस टोपोलॉजी के इनपुट और आउटपुट पर शोर अधिक होता है। कम शोर वाले अनुप्रयोगों में, अतिरिक्त इनपुट और आउटपुट फ़िल्टरिंग जोड़कर इस विशेषता की भरपाई की जाती है।

इनवर्टेड हिरन-बूस्ट टोपोलॉजी का एक लाभप्रद पहलू यह है कि इस कनवर्टर में किसी भी हिरन स्विचिंग रेगुलेटर आईसी का उपयोग किया जा सकता है। जब तक बक सर्किट का आउटपुट वोल्टेज सिस्टम ग्राउंड से जुड़ा रहता है। आईसी स्टेप-डाउन सर्किट की ग्राउंडिंग समायोजित नकारात्मक वोल्टेज बन जाएगी। यह सुविधा बाजार में स्विचिंग रेगुलेटर आईसी के विकल्प को व्यापक बनाती है।

विशेष टोपोलॉजी

 

पहले चर्चा की गई तीन बुनियादी गैर-पृथक स्विचिंग मोड बिजली आपूर्ति टोपोलॉजी के अलावा, कई टोपोलॉजी उपलब्ध हैं। हालाँकि, उन सभी को अतिरिक्त बिजली घटकों की आवश्यकता होती है। इससे आमतौर पर लागत बढ़ जाती है और बिजली रूपांतरण दक्षता कम हो जाती है। हालाँकि कुछ अपवाद हैं, बिजली आपूर्ति पथ में अतिरिक्त घटकों को जोड़ने से आमतौर पर नुकसान बढ़ जाता है। कुछ सामान्य टोपोलॉजी में SEPIC, Zeta, UK और 4-स्विच हिरन-बूस्ट शामिल हैं। उन सभी में ऐसे कार्य हैं जो तीन बुनियादी टोपोलॉजी में नहीं हैं। प्रत्येक टोपोलॉजी की महत्वपूर्ण विशेषताओं की सूची निम्नलिखित है:

   

01

SEPIC: SEPIC आउटपुट वोल्टेज से अधिक या कम सकारात्मक इनपुट वोल्टेज से सकारात्मक आउटपुट वोल्टेज उत्पन्न कर सकता है। बूस्ट रेगुलेटर IC का उपयोग SEPIC बिजली आपूर्ति को डिजाइन करने के लिए किया जा सकता है। इस टोपोलॉजी का नुकसान यह है कि इसके लिए एक दूसरे प्रारंभकर्ता या एक युग्मन प्रारंभ करनेवाला और एक SEPIC संधारित्र की आवश्यकता होती है।

   

02

ज़ेटा: यह ज़ेटा कनवर्टर SEPIC के समान है, लेकिन सकारात्मक या नकारात्मक आउटपुट वोल्टेज उत्पन्न कर सकता है। इसके अलावा, इसमें कोई दायां आधा समतल शून्य बिंदु (आरएचपीजेड) नहीं है, इस प्रकार विनियमन लूप सरल हो जाता है। इस टोपोलॉजी में हिरन कनवर्टर आईसी का उपयोग किया जा सकता है।

   

03

यूके: यूके कनवर्टर सकारात्मक इनपुट वोल्टेज को नकारात्मक आउटपुट वोल्टेज में परिवर्तित कर सकता है। यह दो इंडक्टर्स का उपयोग करता है, एक इनपुट पर और एक आउटपुट पर, इसलिए इनपुट और आउटपुट पर शोर बहुत कम होता है। नुकसान यह है कि इस टोपोलॉजी का समर्थन करने वाले कई स्विचिंग मोड पावर रूपांतरण आईसी नहीं हैं, क्योंकि विनियमन लूप को नकारात्मक वोल्टेज फीडबैक पिन की आवश्यकता होती है।

   

04

 4स्विचिंग हिरन-बूस्ट: इस प्रकार का कनवर्टर हाल के वर्षों में बहुत लोकप्रिय हो गया है। यह सकारात्मक इनपुट वोल्टेज से सकारात्मक आउटपुट वोल्टेज प्रदान करता है। इनपुट वोल्टेज विनियमित आउटपुट वोल्टेज से अधिक या कम हो सकता है। इस कनवर्टर में उच्च ऊर्जा रूपांतरण दक्षता है और केवल एक प्रारंभ करनेवाला की आवश्यकता है, इसलिए यह कई SEPIC डिज़ाइनों को प्रतिस्थापित करता है।सामान्य पृथक्करण टोपोलॉजी

   

गैर-पृथक टोपोलॉजी के अलावा, कुछ अनुप्रयोगों के लिए विद्युत रूप से पृथक पावर कन्वर्टर्स की आवश्यकता होती है। इसका कारण यह हो सकता है कि सुरक्षा कारणों से, एक-दूसरे से जुड़े विभिन्न सर्किट वाले बड़े सिस्टम में फ्लोटिंग ग्राउंडिंग की आवश्यकता होती है, या शोर-संवेदनशील अनुप्रयोगों में ग्राउंडिंग करंट लूप को रोकने के लिए आवश्यक है। सामान्य पृथक कनवर्टर टोपोलॉजी फ्लाईबैक कनवर्टर और फॉरवर्ड कनवर्टर हैं।

फ्लाईबैक कन्वर्टर्स का उपयोग आमतौर पर 60 वॉट तक के पावर लेवल के लिए किया जाता है। सर्किट के कार्य करने का तरीका यह है कि संचालन समय के दौरान विद्युत ऊर्जा ट्रांसफार्मर में संग्रहीत होती है। डिस्कनेक्ट होने पर, आउटपुट के लिए बिजली की आपूर्ति करने के लिए विद्युत ऊर्जा कनवर्टर के द्वितीयक पक्ष में जारी की जाती है। इस कनवर्टर को बनाना आसान है, लेकिन सामान्य संचालन के लिए आवश्यक सभी विद्युत ऊर्जा को संग्रहीत करने के लिए अपेक्षाकृत बड़े ट्रांसफार्मर की आवश्यकता होती है। एक ओर, यह टोपोलॉजी निम्न पावर स्तर तक सीमित है। चित्र 6 शीर्ष पर फ्लाईबैक कनवर्टर और नीचे फॉरवर्ड कनवर्टर दिखाता है।

6. फ्लाईबैक कनवर्टर (ऊपर) और फॉरवर्ड कनवर्टर (नीचे)।

फ्लाईबैक कन्वर्टर के अलावा फॉरवर्ड कन्वर्टर भी बहुत लोकप्रिय है। यह फ्लाईबैक कनवर्टर की तुलना में एक अलग तरीके से ट्रांसफार्मर का उपयोग करता है। संचालन समय के दौरान, यद्यपि धारा प्राथमिक वाइंडिंग से प्रवाहित होती है, धारा द्वितीयक वाइंडिंग से भी प्रवाहित होती है। विद्युत ऊर्जा को ट्रांसफार्मर की कुंडली में संग्रहित नहीं करना चाहिए। प्रत्येक स्विचिंग चक्र के बाद, हमें यह सुनिश्चित करना चाहिए कि कॉइल के सभी चुंबकीयकरण को शून्य पर छोड़ दिया जाए, ताकि कई स्विचिंग चक्रों के बाद ट्रांसफार्मर संतृप्त न हो। कॉइल से विद्युत ऊर्जा जारी करने के लिए कई अलग-अलग तकनीकों का उपयोग किया जा सकता है। एक सामान्य तरीका छोटे अतिरिक्त स्विच और कैपेसिटर के साथ एक सक्रिय क्लैंप का उपयोग करना है।

चित्र 7 ADP1074 का उपयोग करके सक्रिय क्लैंप फॉरवर्ड डिज़ाइन के साथ एलटीस्पाइस सिमुलेशन वातावरण का योजनाबद्ध आरेख दिखाता है। फॉरवर्ड कनवर्टर में, आउटपुट पथ में एक अतिरिक्त इंडक्शन होता है जो फ्लाईबैक कनवर्टर में नहीं पाया जाता है, जैसा कि चित्र 6 में दिखाया गया है। यद्यपि इस अतिरिक्त घटक में संबंधित स्थान और लागत प्रभाव होता है, यह फ्लाईबैक कनवर्टर की तुलना में कम शोर आउटपुट वोल्टेज उत्पन्न करने में मदद करता है। इसके अलावा, फ्लाईबैक कनवर्टर के समान पावर स्तर पर, फॉरवर्ड कनवर्टर के लिए आवश्यक ट्रांसफार्मर का आकार बहुत छोटा हो सकता है।

चित्र 7. पृथक आउटपुट वोल्टेज उत्पन्न करने के लिए ADP1074 का उपयोग करके सक्रिय क्लैंप फॉरवर्ड सर्किट, जैसा कि एलटीस्पाइस में सिमुलेशन में दिखाया गया है।

उन्नत अलगाव टोपोलॉजी

   

फ्लाईबैक और फॉरवर्ड टोपोलॉजी के अलावा, विभिन्न ट्रांसफार्मर के आधार पर विद्युत अलगाव कनवर्टर की कई अवधारणाएं हैं। निम्नलिखित सूची सामान्य कन्वर्टर्स के कुछ बुनियादी स्पष्टीकरण देती है:

• पुश-पुल: पुश-पुल टोपोलॉजी फॉरवर्ड कनवर्टर टोपोलॉजी के समान है। हालाँकि, इस टोपोलॉजी को एक लो-साइड स्विच के बजाय दो सक्रिय लो-साइड स्विच की आवश्यकता होती है। एक केंद्र नल के साथ एक प्राथमिक ट्रांसफार्मर की भी आवश्यकता है। फॉरवर्ड कनवर्टर की तुलना में, पुश-पुल कनवर्टर में कम शोर और छोटे ट्रांसफार्मर के फायदे हैं। ट्रांसफार्मर के BH वक्र के हिस्टैरिसीस का उपयोग एक के बजाय दो चतुर्थांशों में किया जाता है।
  

• आधा-पुल/पूर्ण-पुल: इन दो टोपोलॉजी का उपयोग आमतौर पर उच्च शक्ति डिजाइनों के लिए किया जाता है, जो कई सौ वाट से शुरू होकर कई किलोवाट तक जाती है। लो-साइड स्विच के अलावा, उन्हें हाई-साइड स्विच की भी आवश्यकता होती है, लेकिन वे अपेक्षाकृत छोटे ट्रांसफार्मर के माध्यम से उच्च पावर ट्रांसमिशन प्राप्त कर सकते हैं।
  

• ZVS: इस शब्द का उल्लेख आमतौर पर उच्च-शक्ति पृथक कन्वर्टर्स पर चर्चा करते समय किया जाता है। इसका मतलब जीरो वोल्टेज स्विचिंग है। इस प्रकार के कनवर्टर के लिए एक अन्य शब्द एलएलसी (इंडक्शन-इंडक्शन-कैपेसिटेंस) कनवर्टर है। इन आर्किटेक्चर का उद्देश्य कुशल रूपांतरण प्राप्त करना है। वे अनुनाद सर्किट का उत्पादन करेंगे और जब स्विच पर वोल्टेज या करंट शून्य के करीब पहुंच जाएगा तो पावर स्विच को स्विच कर देंगे। इस तरह, स्विचिंग हानि कम से कम हो जाती है। हालाँकि, इस तरह के डिज़ाइन को साकार करना मुश्किल है, और स्विचिंग आवृत्ति निश्चित नहीं है, जिससे कभी-कभी ईएमआई समस्याएं पैदा होती हैं।

  
  

स्विचित संधारित्र कनवर्टर

   

रैखिक नियामकों और स्विच्ड मोड बिजली आपूर्ति के अलावा, पावर कन्वर्टर्स का एक तीसरा समूह है: स्विच्ड कैपेसिटर कन्वर्टर्स। इसे चार्ज पंप के नाम से भी जाना जाता है। वे वोल्टेज को बढ़ाने या पलटने के लिए स्विच और कैपेसिटर का उपयोग करते हैं। एक बड़ा लाभ यह है कि इसे किसी प्रेरण की आवश्यकता नहीं है। इस प्रकार के कनवर्टर का उपयोग आमतौर पर 5 W से कम बिजली स्तर के लिए किया जाता है। हालाँकि, हाल की महत्वपूर्ण प्रगति अधिक शक्तिशाली स्विच्ड कैपेसिटर कन्वर्टर्स की अनुमति देती है। चित्र 8 LTC7820 को 98.5% दक्षता और 120 W डिज़ाइन के साथ दिखाता है, जो 48 V को 24 V में परिवर्तित करता है।

चित्र 8. LTC7820 निश्चित अनुपात हाई पावर चार्ज पंप DC-DC नियंत्रक।

डिजिटल बिजली की आपूर्ति

   

इस पेपर में चर्चा की गई सभी बिजली आपूर्ति को एनालॉग या डिजिटल बिजली आपूर्ति के रूप में लागू किया जा सकता है। डिजिटल बिजली आपूर्ति वास्तव में क्या है? बिजली की आपूर्ति को हमेशा स्विच, इंडक्टर्स, ट्रांसफार्मर और कैपेसिटर के एनालॉग पावर स्तर से गुजरना चाहिए। डिजिटल पहलुओं को दो डिजिटल बिल्डिंग ब्लॉक्स द्वारा पेश किया गया है:

• पहला डिजिटल इंटरफ़ेस है, जिसके माध्यम से इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम बिजली आपूर्ति के साथ संचार कर सकता है। विभिन्न कामकाजी परिस्थितियों के लिए बिजली आपूर्ति को अनुकूलित करने के लिए अलग-अलग पैरामीटर तुरंत सेट किए जा सकते हैं। इसके अलावा, बिजली की आपूर्ति मुख्य प्रोसेसर के साथ भी संचार कर सकती है और चेतावनी या गलती का संकेत दे सकती है। उदाहरण के लिए, सिस्टम आसानी से लोड करंट की निगरानी कर सकता है, पूर्व निर्धारित सीमा से अधिक है या बैटरी का तापमान बहुत अधिक है।
  

• दूसरा डिजिटल बिल्डिंग मॉड्यूल एनालॉग रेगुलेटिंग लूप के बजाय डिजिटल लूप का उपयोग करता है। यह अच्छी तरह से काम करता है, लेकिन अधिकांश अनुप्रयोगों के लिए, एक मानक एनालॉग फीडबैक लूप को अपनाना सबसे अच्छा है जिसका कुछ मापदंडों पर एक निश्चित डिजिटल प्रभाव होता है, जैसे कि त्रुटि एम्पलीफायर के लाभ को तुरंत समायोजित करना या स्थिर लेकिन तेज़ एहसास के लिए लूप मुआवजा मापदंडों को गतिशील रूप से सेट करना प्रतिक्रिया पाश।

विशुद्ध रूप से डिजिटल नियंत्रण लूप वाले डिवाइस का एक उदाहरण ADI का ADP1046A है। डिजिटल प्रभाव द्वारा अनुकूलित और एनालॉग कंट्रोल लूप के साथ डिजिटल इंटरफ़ेस हिरन रेगुलेटर का एक उदाहरण LTC3883 है।

ईएमआई विचार

   

विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप (ईएमआई) हमेशा एक समस्या रही है जिस पर स्विचिंग मोड बिजली आपूर्ति को डिजाइन करते समय ध्यान दिया जाना चाहिए। इसका कारण यह है कि स्विचिंग मोड बिजली की आपूर्ति कम समय में उच्च धारा को स्विच कर देगी। स्विचिंग गति जितनी तेज़ होगी, सिस्टम की समग्र दक्षता उतनी ही बेहतर होगी। तेज़ स्विचिंग गति स्विच को आंशिक रूप से चालू करने के समय को कम कर सकती है। ऑन टाइम के इस भाग के दौरान, अधिकांश स्विचिंग हानियाँ होंगी। चित्र 9 स्विचिंग नोड पर स्विचिंग मोड बिजली आपूर्ति के तरंगरूप को दर्शाता है। उदाहरण के तौर पर हिरन रेगुलेटर को लें। उच्च वोल्टेज को हाई-साइड स्विच के माध्यम से करंट द्वारा परिभाषित किया जाता है, जबकि कम वोल्टेज को हाई-साइड स्विच के माध्यम से प्रवाहित न होने से परिभाषित किया जाता है।

चित्र 9. स्विचिंग मोड बिजली आपूर्ति की स्विचिंग गति और स्विचिंग आवृत्ति।

जैसे कि चित्र में देखा जा सकता है। 9, स्विचिंग मोड बिजली आपूर्ति द्वारा उत्पन्न शोर न केवल समायोजित स्विचिंग आवृत्ति से आता है, बल्कि स्विचिंग गति से भी आता है जो आवृत्ति से बहुत अधिक है। हालाँकि स्विचिंग आवृत्ति आमतौर पर 500 kHz और 3 MHz के बीच चलती है, स्विचिंग समय कई नैनोसेकंड लंबा हो सकता है। 1 एनएस स्विचिंग समय में, स्पेक्ट्रम में संबंधित आवृत्ति 1 गीगाहर्ट्ज़ होगी। कम से कम इन दो आवृत्तियों को विद्युत चुम्बकीय विकिरण गड़बड़ी और संचालित विकिरण माना जाएगा। रेगुलेटिंग लूप का दोलन या बिजली आपूर्ति और फिल्टर के बीच परस्पर क्रिया अन्य आवृत्तियाँ भी ला सकती है।

ईएमआई कम करने के दो कारण हैं. पहला कारण एक विशिष्ट बिजली आपूर्ति द्वारा संचालित इलेक्ट्रॉनिक प्रणाली के कार्य की सुरक्षा करना है। उदाहरण के लिए, सिस्टम सिग्नल पथ में उपयोग किए जाने वाले 16-बिट एडीसी को बिजली आपूर्ति से स्विचिंग शोर नहीं उठाना चाहिए; दूसरा कारण एक ही समय में विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों के विश्वसनीय कार्यों की सुरक्षा के लिए दुनिया भर की सरकारों द्वारा बनाए गए कुछ ईएमआई नियमों को पूरा करना है।

ईएमआई के दो रूप होते हैं, रेडियेटेड ईएमआई और कंडक्टेड ईएमआई। विकिरणित ईएमआई को कम करने का प्रभावी तरीका पीसीबी के लेआउट को अनुकूलित करना और एडीआई के साइलेंट स्विचर® जैसी तकनीकों को अपनाना है। ऐसी तकनीक. बेशक, सर्किट को एक संरक्षित धातु बॉक्स में रखना भी प्रभावी है। हालाँकि, यह व्यावहारिक नहीं हो सकता है, और ज्यादातर मामलों में यह महंगा है।

संचालित ईएमआई आमतौर पर अतिरिक्त फ़िल्टरिंग द्वारा क्षीण हो जाती है। इसके बाद, संचालित विकिरण को कम करने के लिए अतिरिक्त फ़िल्टरिंग पर चर्चा की जाएगी।

तरंगों को फ़िल्टर करें

   

आरसी फ़िल्टर एक बुनियादी निम्न-पास फ़िल्टर है। हालाँकि, बिजली आपूर्ति डिज़ाइन में, प्रत्येक फ़िल्टर एक LC फ़िल्टर है। आम तौर पर, यह श्रृंखला में कुछ इंडक्टर्स को जोड़ने के लिए पर्याप्त है, क्योंकि यह स्विचिंग मोड बिजली आपूर्ति के इनपुट या आउटपुट कैपेसिटेंस के साथ मिलकर एक एलसी या सीएलसी फ़िल्टर बनाएगा। कभी-कभी केवल कैपेसिटर को फिल्टर के रूप में उपयोग किया जाता है, लेकिन बिजली लाइनों या निशानों के परजीवी अधिष्ठापन को ध्यान में रखते हुए, हम एलसी फिल्टर बनाने के लिए कैपेसिटर को जोड़ते हैं। प्रारंभ करनेवाला एल एक कुंडल या फेराइट मनका के साथ एक प्रारंभ करनेवाला हो सकता है। एलसी फिल्टर का उद्देश्य वास्तव में एक कम-पास प्रभाव है, जो डीसी पावर को गुजरने की अनुमति देता है और उच्च आवृत्ति हस्तक्षेप को काफी हद तक कम करता है। एलसी फिल्टर में एक डबल पोल है, इसलिए यह 40 डीबी/ऑक्टेव की उच्च आवृत्ति क्षीणन प्राप्त कर सकता है। फ़िल्टर अपेक्षाकृत तेज़ आवृत्ति ड्रॉप प्राप्त कर सकता है। फ़िल्टर डिज़ाइन करना आसान नहीं है; हालाँकि, क्योंकि सर्किट के परजीवी घटक (जैसे ट्रेस इंडक्शन) प्रभाव उत्पन्न करेंगे, फ़िल्टर को मॉडलिंग करने के लिए मुख्य परजीवी प्रभावों को भी मॉडल करने की आवश्यकता होती है। यह एनालॉग फ़िल्टर को काफी समय लेने वाला बनाता है। फ़िल्टर डिज़ाइन में अनुभव रखने वाले कई डिज़ाइनर जानते हैं कि कौन से फ़िल्टर अच्छी तरह से काम करते हैं, और एक नया डिज़ाइन प्राप्त करने के लिए फ़िल्टर को पुनरावृत्त रूप से अनुकूलित कर सकते हैं।

सभी फ़िल्टर डिज़ाइन करते समय, न केवल छोटे सिग्नल व्यवहार, जैसे कि पोर्टर आरेख में फ़िल्टर का स्थानांतरण फ़ंक्शन, बल्कि बड़े सिग्नल प्रभाव पर भी विचार करना आवश्यक है। किसी भी एलसी फिल्टर में, बिजली की आपूर्ति प्रारंभ करनेवाला से होकर गुजरेगी। यदि आउटपुट पर बिजली की आपूर्ति की अब आवश्यकता नहीं है, तो अचानक लोड क्षणिक के कारण प्रारंभ करनेवाला में संग्रहीत विद्युत ऊर्जा को कहीं जारी करने की आवश्यकता होती है। यह फिल्टर के कैपेसिटर को चार्ज करेगा। यदि फ़िल्टर इस सबसे खराब स्थिति के लिए डिज़ाइन नहीं किया गया है, तो संग्रहीत विद्युत ऊर्जा वोल्टेज ओवरशूट का कारण बन सकती है, जो सर्किट को नुकसान पहुंचा सकती है।

अंत में, फ़िल्टर में एक निश्चित प्रतिबाधा होती है। यह प्रतिबाधा फ़िल्टर से जुड़े पावर कनवर्टर के प्रतिबाधा के साथ इंटरैक्ट करती है। इस अंतःक्रिया से अस्थिरता और दोलन हो सकता है। एनालॉग डिवाइस के सिमुलेशन टूल जैसे एलटीस्पाइस और एलटीपावरसीएडी इन सभी सवालों के जवाब देने और उत्कृष्ट फिल्टर डिजाइन करने में सहायक हैं। चित्र 10 LTpowerCAD डिज़ाइन परिवेश में फ़िल्टर डिज़ाइनरों के ग्राफ़िकल उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस को दर्शाता है। फ़िल्टर डिज़ाइन करने के लिए इस टूल का उपयोग करना बहुत सरल है।

चित्र 10. LTpowerCAD का उपयोग करके हिरन रेगुलेटर के इनपुट फ़िल्टर का डिज़ाइन।

मूक स्विचर

   

विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप को रोकना कठिन है। एक निश्चित धातु सामग्री से बनी एक विशेष ढाल की आवश्यकता होती है। ऐसा करने की लागत बहुत अधिक है. लंबे समय से, इंजीनियर स्विचिंग मोड बिजली आपूर्ति के कारण होने वाली विद्युत चुम्बकीय विकिरण गड़बड़ी को कम करने के तरीकों की तलाश कर रहे हैं। कुछ साल पहले, साइलेंट स्विचर तकनीक ने एक बड़ी सफलता हासिल की थी। स्विचिंग मोड बिजली आपूर्ति के थर्मल सर्किट में परजीवी अधिष्ठापन को कम करके, और थर्मल सर्किट को दो सर्किटों में विभाजित करके, जो अत्यधिक सममित तरीके से व्यवस्थित होते हैं, विद्युत चुम्बकीय विकिरण गड़बड़ी ज्यादातर एक दूसरे को रद्द कर देती है। आज, कई साइलेंट स्विचर डिवाइस पारंपरिक उत्पादों की तुलना में बहुत कम विद्युत चुम्बकीय विकिरण अशांति प्रदान करते हैं। विद्युत चुम्बकीय विकिरण गड़बड़ी को कम करने से गंभीर ईएमआई के बिना स्विचिंग गति में सुधार हो सकता है। स्विचिंग गति बढ़ाने से स्विचिंग हानि कम हो सकती है, जिससे स्विचिंग आवृत्ति बढ़ सकती है। इस नवाचार का एक उदाहरण LTC3310S है, जिसमें 5 मेगाहर्ट्ज की स्विचिंग आवृत्ति है और एक बहुत ही कॉम्पैक्ट डिजाइन प्राप्त करने के लिए कम लागत वाले बाहरी घटकों का उपयोग करता है।

शक्ति प्रबंधन आवश्यक है, लेकिन यह मज़ेदार भी हो सकता है।

  

इस पेपर में, हम बिजली आपूर्ति डिजाइन के कई पहलुओं पर चर्चा करते हैं, जिसमें विभिन्न बिजली आपूर्ति टोपोलॉजी और उनके फायदे और नुकसान शामिल हैं। यह जानकारी बिजली इंजीनियरों के लिए बहुत बुनियादी है, लेकिन विशेषज्ञों और गैर-पेशेवरों के लिए, डिज़ाइन प्रक्रिया में LTpowerCAD और LTspice जैसे सॉफ़्टवेयर टूल का उपयोग करना सहायक है। इन उपकरणों के साथ, पावर कनवर्टर को कम समय में डिज़ाइन और अनुकूलित किया जा सकता है।

अस्वीकरण: यह लेख "पावर आर एंड डी एलायंस" से पुन: प्रस्तुत किया गया है। यह लेख केवल लेखक के व्यक्तिगत विचारों का प्रतिनिधित्व करता है, और सैको माइक्रो और उद्योग के विचारों का प्रतिनिधित्व नहीं करता है। यह केवल बौद्धिक संपदा अधिकारों की सुरक्षा का समर्थन करने के लिए पुनर्मुद्रण और साझा करने के लिए है। कृपया पुनर्मुद्रण करते समय मूल स्रोत और लेखक का उल्लेख करें। यदि कोई उल्लंघन है, तो कृपया उसे हटाने के लिए हमसे संपर्क करें।

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