Rehber Güç Kaynağı Topolojileri 1. Bölüm

Aşırı sıkıldım, öyle böyle değil. Açıkçası inceleme yapacak pek bir ürün bulamadım. Yani var da çoğu inceleme yapmaya değecek ürünler değiller, olanlar da ülkemizde bulunmuyorlar. Belki bir ara MSI A-G, A-GF ve A-GL arasındaki farklar ile alakalı bir rehber konusu da açabilirim belli olmaz ama incelemeye değecek, ortalıkta olmayan pek bir ürün yok. Onun zirvesini Power Boost Warrior 1000W incelemesi ile şimdilik yaptık gibi. O yüzden bu sefer biraz güç kaynaklarının derinlerine inelim istedim. Ek olarak topolojiler etrafında gezerken, konu ile bağlantılı olacak ek güzel bilgiler de vereceğim ki iyice şenlenelim, yangın yerine dönsün ortalık.

2-3 gün önce @brkdnmz bana "Bazı güç kaynaklarında neden 12V kanalında watt kaybı oluyor da bazılarında olmuyor?" türevinde güzel bir soru sormuştu. Onun daha da detayına gireceğiz şimdi. İlk bölümde Input tarafından bahsedeceğiz. 2. bölümü artık kaç yıl sonra yazarsam o zaman da output tarafına bakacağız. Eh hadi başlayalım madem durduğumuz kabahat.

Diyelim bir güç kaynağı almak istediniz, ürünün sayfasına bakıyorsunuz ve özellikler kısmında şöyle bir şey dikkatinizi çekti:




Hatırlarsanız, size Active PFC (APFC) kısmını anlatmıştım. Şurada:


Şimdi şu "Full Bridge" ve belki vaktimiz kalırsa "DC to DC" kısmına biraz el atalım istiyorum. DC-DC her ne kadar bu yazının konusu olmasa da...

En güzel soru ile başlayalım: Topoloji Nedir?

Topoloji, güç kaynaklarındaki devre elemanlarının belirli bir çerçevede PCB üzerinde düzenlenmesidir. Bu düzenlemelerin/sıralamaların tamamının bir girdi ve çıktısı vardır. Yani bir güç kaynağı devresi tasarladığınızda, devre elemanlarının düzenlenme ölçütleri bize o güç kaynağının girdi/çıktı (I/O) miktarını, verimliliğini, kaç watt olduğunu, kalitesini ve ömrünü, kısacağı aşağı yukarı pek çok şeyi anlamamızı sağlar. Topoloji bir güç kaynağında her şeydir.

Her şeyden önce topoloji seçimi, güç kaynağını üreten firma için en önemli kararlardan birisidir. Çünkü her topoloji seçiminin bir fırsat maaliyeti vardır. Bir topolojiyi seçtiğinizde, bir diğer topolojiyi seçmediğiniz için feda ettiğiniz diğer ölçütler burada fırsat maaliyetinizdir.
Buradan da farklı farklı topolojilere ve onların avantajlarına ve dezavantajlarına geçmemiz gerektiğini görüyoruz.

Bu tablolar benim datasheet çöplüğümden geliyorlar. Full-bridge'i yukarıda DeepCool bize göstermişti, bir de Half-bridge var. Biz sık gördüklerimize değineceğiz elbette. Hepsine girmeye kalkarsak...

Listede gördüğünüz topolojiler arasında seçim yapılırken, maaliyet/kalite dengesini tutturabilmek için göz önünde bulundurulması gereken bazı kriterler vardır:

• Transformer'ın AC ve DC tarafı arasında izolasyon görmesi gerekiyor mu?
• Total'de kaç Watt'lık bir güç çıkışı isteniyor?
• Transformer'a ne kadar voltaj girişi olacak?

Şeklindeki sorular bize seçim esnasındaki kriterleri gösterir. Mesela güç kaynaklarında üstteki tabloda "In/Out Isolation" kısmında görebileceğiniz üzere input ve output tarafı, yani AC ve DC tarafı birbirinden izole topolojiler kullanılıyor. Arada ise bir tane transformer mevcut, daha önceki incelemelerimi okuduysanız eğer transformer kelimesi size epey tanıdık gelecektir.

Bu izolasyon, 30V-40V civarı Input'u olan tüm güç kaynakları için elzem. 110V ve 230V kullandığımızı düşündüğümüzde AC ve DC tarafı arasında izolasyon şart. Mesela en başta gördüğünüz "Buck" topolojisi için bir izolasyon söz konusu değil, zira voltaj aralığı 5V ile 40V arasında. Bu topoloji ise daha basit cihazlarda kullanılır. Düşük maaliyetlidir. Şarj aletlerimizde görebileceğimiz bu topoloji, güç kaynaklarının içinde de vardır. Mesela DC-DC kartları. Tanıdık geldi mi?



MSI A550BN, çok sevdiğimiz PSU'nun DC-DC kartına bakıyorsunuz. PQ650M'in özelliklerinde yazan sadece genel topoloji, güç kaynaklarının içinde onlar dışında topolojiler de mevcut. Yeri gelmişken ek bilgilendirme yapayım: DC-DC kartlarının hepsinde istisnasız iki tane polymer kapasitör kullanılıyor. Peki neden?

DC-DC kartlarındaki ripple değerlerinin aşırılığı, düşük ESR değerli, yüksek ripple toleranslı kapasitörlerin seçilmesini zorunlu kılıyor neredeyse. Bunu en iyi yapan da polimer kapasitörler. Bazı DC-DC kartları iki ayrı parça şeklinde dizayn edilip PCB'ye yerleştirilir ve bu sefer de ikisinin üzerinde birer tane polimer bulunur. Bunların korkunç derecede detayları artık ikinci bölümde.



A550BN'nın grup düzenlemeli olmadığını da buradan anlayabiliyoruz. İşaretlediğim yerler. Bu arada her zaman "Buck" kullanılacak diye bir şey yok. DC-DC kartları için yine listede gördüğünüz "Flyback" tercihi de yapılabilir. Bunlara sonra gelelim. Çünkü DC-DC kartları aslında DC tarafında kullanılan topolojiye bir örnek.
Güç kaynaklarında daha önceden incelemelerimde bahsettiğim Main Switcher'lar, Boost Diode gibi devre elemanları için ortalamada maksimum 20A civarında akım değeri önerilir. Zira bu limit aşılırsa, meydana gelecek instabilite sonucu MOSFET'e veda etmemiz olasıdır. Power spike ise maalesef devre içerisinde çok yaygın olduğu için, uygulamanıza göre bu değeri aşmamak için riske atmayıp, "Buck" yerine farklı tercihler yapabilirsiniz. O yüzden "Buck"'ın limitleri dahilinde yeterli olmadığı durumlarda, daha yüksek güç gereksinimi olan uygulamalarda "Buck" yerine bir üstte bahsini geçirdiğim "Flyback" topolojisi kullanılabilir. Tabloda belirtildiği üzere çok daha yüksek voltaj aralığına sahip.

Sebebi ise basit, düşük maaliyet ve verimliliği en yüksek topoloji olması. 80+ sertifikası almış baksanıza(!) İhtiyaca göre artışlarda tablodaki verilere göre, Half-Bridge, Full-Bridge şeklinde ilerlenmeye devam edilir ve en maaliyetli olan topoloji de Full-Bridge'dir. Şimdi bir güç kaynağı tasarlamak istedik diyelim, en düşük maaliyet ile en kaliteli nokta atışını yapmak istiyoruz. Bunun için ne yapmamız gerek?



Bu tablo fazlası ile faydalı. PSU'larda çok sık, hatta belki de en sık kullanılan topoloji olduğu için Half Bridge'in kullanım aralığını gösterdim tabloda. Tabloya göre gidecek olursak, Half-Bridge bizi kesmedi diyelim ve Full-Bridge'e yönelmek istediğimizi farz edelim. Farkındaysanız sağ üstte herhangi bir limiti yok. Yatay şekilde iki tane çizginin içinden sonsuzluğa doğru gidiyormuş gibi görünüyor ki öyle. Voltaj limitinde dursa bile, 2000W+ güç kaynaklarında bile kullanabileceğimizi görüyoruz. Bu arada bu bahsettiğimiz gücün tamamı DC tarafı için o kısmı unutmayalım. Full-Bridge kullanan Corsair AX1600I'yi bir kez daha saygı ile anıyorum.

Black Box Approach

İlginç bir isimlendirme olması ile beraber bu yaklaşım elektronik devrelerde kullanılır. Amacımız bu konu özelinde hangi topolojiyi kullanacağımıza karar vermeyi kolaylaştırmak. Elinizdeki güç kaynağına adeta bir kara kutu gibi davranıp sadece iki tane parametreye bakıyorsunuz: Input ve Output.

Şimdi bu ikili için soracağımız soru şunlar:

1) Ne kadar güç girişi (Input) olacak?

2) Ne kadar güç çıkışı (Output) olacak?

Cevaplarını ise formüller ile veriyoruz. Şurada şöyle derledim:

Bu ikili formül, ihtiyacımız olan I/O miktarını bize verdikten sonra uygun topolojiyi seçmemiz konusunda yardımcı olur. Bitti mi? Elbette bitmedi. İşin daha akım kısmı var:



Üstteki formül bize average (ortalama) akımı verir. Peki bu ne işe yarar biliyor musunuz? Çok yakından tanıdığınız bir şeyin hesaplanmasında işe yarar:



Coil'in sarılması için gerekli olan bakır telin uzunluğunun hesaplanmasına yarar. Bunlar düzgün sarılamazsa da coil whine diye çıldırdığımız o şey oluşur. Son bir formülümüz kaldı akım ile ilgili, biraz karışık ama anlaşılır olmasını sağlayacağım. Ortalama akımı bulduk, şimdi sırada peak akımı bulmak var. Burada işler biraz daha karışıyor:



Buradaki "k" katsayısı, topoloji seçimine göre kullanılması gereken değer. Kullanacağımız topoloji türüne göre k katsayısı:

K = 1.4: Full-Bridge, Half-Bridge, Buck.
K = 2.8: Half-Bridge (1.4 bu değerin yarısı, half).
K = 5.5: Boost, Buck-Boost, Flyback.

Olmalı. Özellikle "Flyback" kullanılacak bir senaryoda bu değer, transformer ve indüktör tasarımı konusunda epey işe yarıyor.

Dizayn konusunda enerji kaybı gibi etkenlerin hesaplanması da var ancak yeterince kafanız bulandığı için artık ona girmeyeceğim. Şimdi şu Full-Bridge'in nasıl çalıştığını anlatıp yazıyı sonlandıralım. Detaylı anlatım için bir tane seçmek istedim, daha fazlası cidden kafanızı bulandıracak sanki bu kadarı yeterince bulandırmıyormuş gibi...

Full-BRIDGE



Full-Bridge için gereksinimlere bir göz atalım, fotoğrafta anlaşılması daha kolay olur diye renklendirerek çizdim. Rengine göre:

Kırmızı: MOSFET'ler.
Turuncu: Transformer. İzolasyonu da sağlayan devre elemanı kendisi.
Mor: Schottky Diode'ları.
Yeşil: İndüktör.
Mavi: Kapasitör.
Şimdi çalışma mantığına geçelim. Parça parça anlatacağım:

İçi dolu kırmızı olanlar Q1 ve Q3 açık, boş olan kırmızılar Q2 ve Q4 ise kapalı MOSFET'ler. İlk olarak akım, kapalı olan Q1 üzerinden transformer'ın primary tarafına ulaşır ve yoluna devam ederek kapalı olan Q3'ün içinden devam eder. Fark ettiyseniz, transformer'ın birincil tarafı Input'a doğrudan bağlı. Yani girdi voltajı ile transformer'ın voltajı o an eşit anlamına geliyor bu. Akım belirli bir limite kadar artmayı sürdürür, devamında ise transformer'ın secondary tarafına geçerek şu şekilde bir yol almaya devam eder:

Bu arada D2 kapalı olacak onu çizmeyi unutmuşum, o yüzden oradan akım geçemiyor şu an. İkinci tarafta akım ilerlerken, mavi renkle çizdiğim kapasitörün orada çok önemli bir rolü vardır. Ripple filtrelemesi yapmak ve bu sayede gücü Load'a düzgün bir şekilde ulaştırabilmek. Şimdi bu aşamadan sonra ilk döngüyü bitiriyoruz. Her döngünün sonunda transformer'ın üzerinden geçen enerjiyi bir şekilde boşaltması gerekir. Eğer bunu yapmazsa güç kaynağınıza veda edebilirsiniz. Bunu yapabilmesi için Q1, Q2, Q3 ve Q4 MOSFET'lerin tamamını belirli periyotlar ile tamamen kapatır. Kapatma işleminden sonra transformer resetlenir ve o taraftaki voltaj anlık olarak sıfıra iner. Ancak dörtlü MOSFET için bir şey değişmez, zira o taraftaki voltajın bir şekilde regüle edilmesi lazım. Bunun yapılabilmesi için 4 tane MOSFET de voltajı yarı yarıya bölerek paylaşırlar. Secondary tarafta olanlar ise biraz daha karışık olmak ile beraber şu şekildedir:


Anlık olarak güç kesildiği için indüktör neye uğradığını şaşırır ve "flyback voltage" dediğimiz bir olay oluşur. Flyback voltage, indüktörün ani güç kesilmesi halinde oluşturduğu anlık peak voltajıdır. Bunun oluşturulmasından hemen sonra, D2 üzerinden de voltaj geçmeye başlar ve bu şekilde transformer üzerinde oluşan elektromanyetik bozulmanın önüne geçilmiş olur. Hatırlarsanız, size daha önceden transformerların elektrik enerjisini manyetik bir alanda tuttuğunu söylemiştim. İşte bu yüzden. Ek olarak size bir ara Boost Diode'un MOSFET'ler üzerindeki stresi azaltıcı bir rolü olduğundan bahsetmiştim. İşte o stres bu stres. "Reverse Voltage" dediğimiz olay. "Flyback voltage".
Anlattığım hususu resimde gösterecek olursak:

İlk döngünün sonuna böylece gelmiş olduk. Bu işlemler esnasında yapılanlar sayesinde stabil bir güç çıkışı elde ederiz ve bilgisayar bileşenleriniz düzgün güç alarak stabil çalışmayı sürdürürler. İkinci döngüde ise olanlar aynı ama bu sefer Q1 ve Q3 kapalı, Q2 ve Q4 açık. Secondary tarafta da D2 açık, D1 kapalı. Aynı işlem ama farklı yönde yapılıyor sadece.
Evet geldik sonuç kısmına. Full-Bridge topolojinin avantajlarını ve kullanım alanlarını saymak gerekirse:

• Yüksek güç gerektiren uygulamalarda bir numaralı tercihtirler, ancak gördüğünüz üzere devre dizaynı epey karmaşık olduğundan en masraflı topoloji türüdür.
• Güç kaynaklarımız dışında şarj istasyonlarında ve tirbünlerde kullanılabilirler. Epey yüksek güç gerektiren senaryolar oldukları için o ek masrafa katlanılmak zorundadır.
• MOSFET'ler üzerindeki stres daha azdır. Çünkü MOSFET'ler üzerindeki enerji, az önce anlattığım enerji kesintisi durumunda yaşanan voltaj ile eşittir. Yani input voltage ile. Sayılarının fazlalığı da voltajı dört eş parçaya bölerek paylaşmalarını, haliyle diğer topolojilere göre daha az stres biriktirmelerini sağlar.

Konu bitti ama ben de bittim. İkinci bölümü ne zaman yazarım bilmiyorum ama birisi benim yerime yazarsa sonsuz teşekkürlerimi sunacağım. Çünkü epeyce bir süredir şu yazı için uğraşıyorum ve ölüm gibi artık. Kaynak konusunda birkaç yer bırakayım, hoşlar.

Full-Wave Rectifier - Rectifiers - Basics Electronics

Full-Wave Rectifier

ecstudiosystems.com

Okuduğunuz için teşekkürler ve her zaman dediğim gibi, hatalı bir yer görürseniz lütfen belirtin. Saat 4 oldu ve beynim eridi artık...

@Andar Han bu konu sana gelsin, gelişinin şerefine...