اتصال منابع تغذیه موازی یا سری جهت افزایش توان خروجی

مزایای اتصالات موازی و سری هنگام اتصال چند منبع تغذیه را بشناسید.

در برخی موارد استفاده از یک منبع تغذیه برای تأمین توان مورد نیاز بار الکتریکی کافی نیست. دلیل استفاده از چندین منبع تغذیه، افزونگی (Redundancy) در سیستم، افزایش ضریب اطمینان یا افزایش توان خروجی است. هنگام استفاده از توان ترکیبی باید مراقب باشید که برق به‌صورت متعادل توسط همه منابع تأمین شود.

دپارتمان برق و الکترونیک

اتصال منابع تغذیه در جهت افزونگی در سیستم

افزونگی در منابع تغذیه نوعی روش قرار دادن (توپولوژی) منابع است به‌طوری که خروجی چندین منبع تغذیه به هم متصل می‌شوند تا قابلیت اطمینان سیستم را افزایش دهند، اما هدف از این کار افزایش توان خروجی نیست. پیکربندی افزونگی معمولاً به‌گونه‌ای طراحی می‌شود که جریان خروجی تنها از منابع تغذیه اصلی تأمین شود و از جریان منابع تغذیه پشتیبان زمانی استفاده می‌شود که در یکی از منابع تغذیه اصلی مشکلی به وجود بیاید. از آنجایی که جریان بار الکتریکی بر اجزای منبع تغذیه فشار وارد می‌کند، یک سیستم وقتی از اطمینان بالا برخوردار است که هیچ جریانی از منابع تغذیه اضافی و پشتیبان گرفته نشود، مگر اینکه یکی از منابع تغذیه اصلی دچار مشکل شود.

جریان برق در تصویر فوق نشان می‌دهد که:

·منابع تغذیه A و B مشابه هم هستند و Vout و حداکثر Iout یکسان دارند.

·ولتاژ بار برابر با ولتاژ منبع تغذیه است.

·حداکثر جریان بار برابر با حداکثر جریان خروجی از یک منبع است.

·کلید الکترونیکی یکی از خروجی‌های منبع تغذیه را به بار متصل می‌کند.

منابع تغذیه با خروجی‌هایی که به‌طور موازی متصل شده‌اند

یک توپولوژی رایج که برای افزایش توان خروجی مورد استفاده قرار می‌گیرد، اتصال خروجی دو یا چند منبع به‌صورت موازی است. در این پیکربندی، هر منبع تغذیه ولتاژ بار مورد نیاز را ارائه می‌دهد و همزمان اتصال منابع به‌صورت موازی، جریان بار موجود و در نتیجه توان بار موجود را افزایش می‌دهد.

دپارتمان برق و الکترونیک

این توپولوژی را می‌توان با موفقیت اجرا کرد اما در این میان ملاحظات بسیاری وجود دارد که برای اطمینان از کارایی پیکربندی باید به آنها توجه کنید. در پیکربندی موازی، منابع تغذیه که مدارهای داخلی دارند بهتر هستند، زیرا مدارهای داخلی بازده منابع تغذیه موازی را بهبود می‌بخشند. اگر منابع تغذیه که به‌صورت موازی به هم وصل می‌شوند و جریانی اشتراکی (current sharing) را به وجود می‌آورند، مدارهای داخلی نداشته باشند، باید از مدارهای خارجی استفاده کرد که کارایی کمتری دارند.

نگرانی اصلی این است که جریان بار الکتریکی به‌طور یکنواخت بین منابع تغذیه تقسیم می‌شود یا خیر. توزیع جریان بار به طراحی منابع تغذیه و همچنین طراحی مدارهای خارجی و هادی‌های استفاده‌شده جهت اتصال موازی خروجی‌های منابع بستگی دارد. تقریباً همیشه به دلیل چالش‌هایی که برای پیکربندی مؤثر منابع تغذیه پیش می‌آید، هنگام اتصال موازی آنها از منابع یکسان استفاده می‌شود. اما ممکن است منابع موازی را طوری قرار دهند که ولتاژهای خروجی یکسان داشته باشند اما حداکثر جریان خروجی یکسان نداشته باشند.

جریانی که در بالا تصویر شده است نشان می‌دهد که:

·منابع تغذیه A و B باید Vout یکسان داشته باشند اما حداکثر Iout می‌تواند یکسان نباشد.

·ولتاژ بار برابر با ولتاژ منبع تغذیه است.

·حداکثر جریان بار برابر است با مجموع حداکثر جریان خروجی هر دو منبع.

·مدارهای مانیتور جریان، جریان بار الکتریکی بین منابع را متعادل می‌کنند.

دپارتمان برق و الکترونیک

منابع تغذیه با خروجی‌هایی که به‌طور سری متصل شده‌اند

روش دیگر برای رسیدن به توان خروجی بیشتر در بار الکتریکی، اتصال خروجی‌های چندین منبع تغذیه به‌صورت سری است. برخی از مزایای استفاده از توپولوژی سری عبارت‌اند از جریان تقریباً بی‌نقص برق بین منابع، عدم نیاز به پیکربندی یا استفاده از مدارهای اشتراکی و تحمل بالا نسبت به انواع طراحی‌های سیستم.

همان‌طور که پیشتر اشاره کردیم، وقتی خروجی‌های منابع را به‌صورت موازی به هم متصل می‌کنیم، هر منبع ولتاژ مورد نیاز را فراهم می‌کند و جریان بار الکتریکی بین منابع تقسیم می‌شود. در مقابل وقتی خروجی‌های منابع تغذیه را به‌صورت سری به هم متصل می‌کنیم، هر منبع جریان بار الکتریکی مورد نیاز را تأمین می‌کند و ولتاژ خروجی بار نیز حاصل ترکیب منابعی است که به‌صورت سری متصل شده‌اند.

لازم به ذکر است که وقتی منابع تغذیه با اتصال سری خروجی‌ها پیکربندی شوند، لازم نیست که خروجی‌های منابع تغذیه مشخصات یکسانی داشته باشند. در این حالت جریان بار الکتریکی محدود خواهد شد به کمترین جریان باری که منابع تغذیه در یک پیکربندی خاص از عهده تأمین آن بر می‌آیند. ولتاژ بار نیز برابر خواهد بود با مجموع ولتاژهای خروجی تمام منابع متصل.

 هنگامی که منابع تغذیه را به‌صورت سری متصل می‌کنید، محدودیت‌هایی نیز بر این منابع اعمال خواهد شد. یکی از این محدودیت‌ها این است که خروجی منابع تغذیه باید به‌گونه‌ای طراحی شده باشد که در یک پیکربندی سری، ولتاژ جبران‌کننده (offset voltage) را تحمل کند. این ولتاژ جبران‌کننده معمولاً‌ مشکلی ایجاد نمی‌کند، اما ولتاژهای خروجی منابع تغذیه با مبدأ زمین را نمی‌توان روی خروجی‌های منابع دیگر قرار داد.

 محدودیت دوم این است که خروجی منبع تغذیه ممکن است تحت ولتاژ معکوس قرار بگیرد و آن هنگامی است که سایر خروجی‌ها در سری فعال هستند و این خروجی خاص فعال نیست. مشکل ولتاژ معکوس را می‌توان به‌راحتی با قرار دادن یک دیود بایاس معکوس در خروجی هر منبع برطرف کرد. میزان ولتاژ شکست این دیود باید بیشتر از ولتاژ خروجی هر منبع تغذیه و جریان دیود باید بیشتر از بیشترین جریان خروجی هر منبع تغذیه در رشته منابع سری باشد.

جریان باری که در بالا می‌بینید نشان می‌دهد که:

·منابع تغذیه A و B می‌توانند Vout و حداکثر Iout متفاوت داشته باشند.

·ولتاژ بار برابر است با مجموع ولتاژهای خروجی منابع تغذیه.

·حداکثر جریان بار برابر است با کمترین جریان خروجی هر منبع در حالت حداکثر.

·دیودهای بایاس معکوس از خروجی‌های منابع تغذیه محافظت می‌کنند.

با توجه به تنظیمات منبع تغذیه که در بالا ذکر کردیم، می‌توان اصول زیر در مورد اتصال موازی منابع تغذیه در برابر اتصال سری آنها نتیجه گرفت.

خصوصیات منابع تغذیه که به‌صورت موازی متصل شده‌اند

·کاربری ضعیف به دلیل تحمل جریان اشتراکی بین منابع تغذیه

·نیاز به یک مدار خاص برای کنترل جریان اشتراکی بین منابع تغذیه

·حساس نسبت به طراحی و ساختار رساناهای مورد استفاده در اتصال منابع به‌صورت موازی

·طراحی بسیار راحت با استفاده از منابع تغذیه یکسان

خصوصیات منابع تغذیه که به‌صورت سری متصل شده‌اند

·استفاده بهینه از توان که فقط با ولتاژ خروجی هر منبع محدود می‌شود.

·عدم نیاز به مدار برای کنترل ولتاژ یا اشتراک جریان بین منابع تغذیه

·عدم حساسیت به طراحی یا ساختار رساناهایی که منابع را به‌صورت سری به هم متصل کرده‌اند

·طراحی آسان با هر ترکیبی از منابع تغذیه

اگرچه روش متداول برای افزایش توان بار به دست آمده از منابع تغذیه این است که خروجی‌ها را به‌صورت موازی به هم متصل می‌کنند، راه حل دیگر اتصال خروجی چندین منبع تغذیه به‌صورت سری به یکدیگر است. شرکت‌های تولیدکننده منابع تغذیه مانند CUI کادر فنی مجربی دارند که می‌توانند برای پیکربندی یک سیستم کارا و رفع این چالش یا چالش‌های دیگر در مورد منابع تغذیه به شما کنند.

نویسنده: بروس رز، مهندس مدیریت پروژه، مهندس ارشد شرکت CUI

ترجمه: بهناز دهکردی