SMPS Devresi Tasarlama |
1.Bölüm

Anahtarlamalı Güç Kaynağı (SMPS) devresi tasarlama serisi ile karşınızdayız. Serimizin ilk bölümünde SMPS hakkında temel bilgileri vereceğiz. Detaylar yazımızın devamında.

A- A+

24.10.2021 tarihli yazı 15512 kez okunmuştur.

Anahtarlamalı Güç Kaynağı (Switch Mode Power Supply -SMPS) devresi tasarlayacağımız yeni yazı serimize hoş geldiniz. Serimizde bölümlere ayrılarak adım adım bir SMPS devresi nasıl tasarlanır onu öğreneceğiz. İlk yazımızda SMPS hakkında genel bilgiler verip, devre hakkında bilgi sahibi olacağız. Akabinde devrenin oluşturulması, devrenin çizimi ve çıktı alınması şeklinde bir yol izleyeceğiz. Gelin SMPS devremize bir giriş yapalım.

►İlginizi Çekebilir: SMPS (Anahtarlamalı Güç Kaynağı) Nedir?

Şekil 1: Örnek SMPS Devresi

SMPS, Switch Mode Power Supply olarak geçen, istenen çıkış voltajını tam kontrollü bir anahtarlama sayesinde elde eden bir sistemdir. Anahtarlamalı Güç Kaynağı denmesinin sebebi istenilen çıkış voltajı değerinin bir anahtar sayesinde elde edilmesidir. Bu devrelerde genellikle tam kontrollü bir anahtarlama çeşidi olan MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) kullanılır. Tam anahtarlama kullanılmasının sebebi, hem iletimde hem de kesimde kontrollü olarak ele almamızdan dolayıdır.

►İlginizi Çekebilir: FET ve MOSFET Nedir?

Şekil 2: Örnek Bir MOSFET

SMPS devresi kullanmamızın amacı kaynaktan gelen voltaj değerini belirli bir voltaj çıktısına dönüştürmek içindir. Örneğin kaynaktan gelen 85 ~ 265 VAC (AC gerilim) arasındaki gerilim seviyesini gerekli duyulan 12 V DC sabit gerilimine çevirebiliriz. SMPS devremizi bu yüzden oluşturuyoruz. Bunu yapabilmek için uygun SMPS devresini tasarlamak gerekir. SMPS devresini tasarlarken bazı adımları takip edeceğiz.

SMPS Devresi Proje Adımları

SMPS devresi projesini tasarlarken bir SMPS devresinin yapısını bilmek gerekir. Bundan dolayı projede ilerlerken bazı adımları takip edeceğiz. Örnek bir SMPS devresinin blok diyagramı aşağıda verilmiştir:

Şekil 3: SMPS Devresi Blok Diyagramı

► Kaynağımızdan gelen 85 – 265 VAC giriş gerilimi yukarıda görüldüğü gibi bazı devrelerden geçecektir. Biz de bu adımları izleyeceğiz. Devrenin her bölümü anlatılacaktır.

► Marty Brown’a göre uygun bir SMPS devresinin tasarım aşamaları aşağıda gösterilmiştir. Buna uygun bir SMPS devresi tasarlanabilir. Biz bu projede bazı adımları es geçeceğiz.

Şekil 4: Marty Brown'a Göre SMPS Devre Tasarım Aşamaları

► İlk başta topoloji belirlenerek devremize uygun topolojiyi seçeceğiz.

► Topoloji seçildikten sonra istediğimiz çıkışa göre bir devre tasarlayacağız. Devrede kullanılacak olan filtre, snubber devreleri vs. gibi devrelerden söz edeceğiz.

► Devre tasarlandıktan sonra Altium Programı üzerinden PCB kartını çizeceğiz.

Topoloji Seçimi

Temel olarak 3 tip SMPS çevirici bulunmaktadır. Çevirici denme sebebi belirli bir gerilim seviyesinden başka bir gerilim seviyesine dönüştürüyor olmasındandır.

►Alçaltıcı (Buck) Çevirici
►Yükseltici (Boost) Çevirici
►Alçaltıcı-Yükseltici (Buck-Boost) Çevirici

Bu 3 tip çevirici ile farklı devreler üretilerek kullanım alanları oluşturulmuştur. Bu devreler farklı topolojiler ile tasarlanabilirler. İzole olan ve İzole olmayan topolojiler aşağıda tablo ile gösterilmiştir. Bu topolojilerin birbirileri arasında bazı üstünlükleri veya eksiklikleri bulunmaktadır.

Topoloji kavramı, anahtarlamalı güç kaynaklarında güç elemanlarının dizilimi hakkında bilgi verir. Devre tasarımı yapılmadan önce topolojinin seçilmesi kilit bir rol oynar. Topoloji seçiminde devrenin hangi şartlar altında kullanılması, ne kadar güç taşıması gerektiği esas alınır. Bazı uygulamalarda birden fazla topoloji aynı anda çalıştırılabilir fakat maliyet açısından bakıldığında istenilen performansı tek bir topolojide uygulamak yararlı olacaktır. Uygun topoloji, devrenin gereksinimlerini karşılamak zorundadır. Biz devremizde 85 ~ 265 VAC arası değişen bir kaynak kullanacağız ve çıkışta 12V, 1A, 12W DC bir sabit voltaj değeri elde edeceğiz. Aşağıda farklı topolojilerin karşılaştırıldığı farklı bir tablo daha gösterilmiştir.

► Devrede kullanılacak olan transformatörün giriş ve çıkış gerilimi için bir izolasyon gerekebilir. Buna uygun topoloji seçilmesi gerekmektedir. SMPS devremizin giriş gerilimi 85 ~ 265 arası bir gerilim için izolasyon gereklidir. Çünkü 40 V üzeri tüm anahtarlamalı güç kaynakları için transformatör izolasyonu zorunludur.

► Transformatörün belirli voltaj değerlerinde primer sargısındaki peak to peak gerilim, örneğin 85 V için 170 V (85+85) olacaktır. 265 değerinde ise 530 V olacaktır.

► Güç transistörlerinin maksimum çalışma gerilimleri 265 V olacaktır.

► Sabit bir çıkış gücü elde edeceğimizi biliyoruz. Giriş gerilim değerlerinin düşük olduğu durumlarda transistörler üzerinden yüksek akım akacak ve tepe akım değerleri yüksek olacaktır. Anahtarlama elemanını bu yüksek akımlardan korumak için uygun topoloji seçilmesi yüksek akım değerlerini düşürülmesine yardımcı olabilir.

Şekil 5: Topolojilerin Kullanım Aralıkları

► Yukarıda görüldüğü üzere topolojilerin kullanım aralıkları verilmiştir. 12V, 1A, 12W bir çıkış istediğimizden dolayı ve giriş gerilimlerimiz 85 ~ 265 arasında değişeceğinden izoleli bir topoloji seçmek uygun olacaktır. Bu nedenden geçerli aralıklara baktığımızda Flyback topolojisini bizim devremiz için uygun görünüyor. Devrede kullanılacak olan topoloji Flyback Topolojisidir.

Flyback Topolojisi

Flyback, düşük güç gerektiren uygulamalarda en çok kullanılan izolasyon yapılı bir SMPS topolojisidir. Yüksek verime, düşük maliyete, primer ve sekonder izolasyonuna sahiptirler. Tasarlanması kolay olduğundan ve düşük maliyetle tasarlandığından günlük kullanılan eşyalarımızın tasarımında bu topolojiye çok rastlarız. Flyback devrelerinde MOSFET ve Flyback bir dönüştürücü (converter) ‘ye rastlarız. Flyback dönüştürücüler, basitçe enerjinin transformatör ve çıkış kondansatörü üzerinde depolanarak sırasıyla yüke aktarılması prensibiyle çalışırlar.

Şekil 6: Yalıtımlı Flyback Dönüştürücü Devresi

Yukarıda, basitleştirilmiş bir yalıtımlı flyback dönüştürücü devre şekli verilmiştir. Devreden bahsetmek gerekirse, Q anahtarı iletime girdiğinde Vda gerilimi primer sargısına uygulanır. Sargılar ters kutuplandığından dolayı D diyotu da ters kutuplanarak sekonderden akım akmaz. Devredeki yük akımı C kondansatörü ile sağlanır. Q anahtarı kesime girdiğinde depolanan enerji Ls bobini üzerinden yüke iletilir. Anahtar iletim durumu ve anahtar kesim durumu aşağıda gösterilmiştir.

(a): anahtar iletimde (b): anahtar kesimde

Topoloji seçimi tamamlandıktan sonra, giriş geriliminin çeşitli işlemlerle 12V ‘a dönüştürüleceğini göreceğiz. Bu işlemler serimizin 2. bölümünde anlatılacaktır.

Kaynak:

► EMO, Elektrik Mühendisleri Odası, emo.org.tr

► Marty Brown - Power Supply Cookbook