Kısaca PSU nedir?

Öncelikle, oldukça teknik bir konu olduğu için terimler konusunda sıkıntı yaşadım. Türkçe bir kaynak çevirmek istediğim için çevirdim. Umarım bir fikir edinmenize yardımcı olur:)
kaynağı şuraya da koyayım: TechPowerUp
PSU'nun açılımı Power Supply unit'tir. Sistemin kalbi PSU'dur. PSU hasar görmüşse sistemdeki diğer parçaların da hasar görme ihtimali vardır. Bu, pek çok kullanıcının es geçtiği önemli bir konudur. Genellikle tüm parça alımlarından sonra kalan parayla PSU alınır. Bugün konumuz PSU'lar.
Bugün bilgisayarlara güç veren her PSU, SPC yani switching Power conversion bir başka deyişle anahtarlamalı güç dönüşümü kullanır. Spc'nin çalışma prensibi kolaydır: Şebekeden elektrik çekilir, yüksek frekanslı küçük enerji paketleri haline getirilir ve kapasitör ve bobinler gibi bileşenler yardımıyla dönüşüm sağlanır. Sonuç olarak tüm enerji paketleri birleştirilir ve rektifiye işlemi yani doğrultma işleminden sonra enerji çıkışta görülür. Yani PSU'lar 240V'u (ülkemiz için geçerli.) alırlar ve çeşitli voltajlara dönüştürürler. İlginç bir bilgi ise anahtarlama frekansı yani şebeke elektriğini dönüştürdüğü enerji paketi sayısı arttıkça enerji paketi boyutları küçülür. Bu da devrede kullanılan bileşenlerin boyutlarının düşürülebilmesini sağlar. SPC kullanılan PSU'ların bir diğer ismi smps yani switching mode Power Supply yani anahtarlamalı güç kaynağıdır.
Smps güç kaynakları ile lineer güç kaynakları arasındaki farklar şunlardır: Smps oldukça küçük alan kaplar ve hafiftir, bir diğeri ise smps güç kaynaklarının verimliliği oldukça yüksektir. Diğer yandan SMP güç kaynakları oldukça karmaşıktır ve Elektromanyetik/Radyo frekans Parazitleri(Electromagnetic/Radio Frequency Interference(EMI/RFI)) üretir. Bu da emı filtresi ve rfı kalkanı kullanılmasını zorunlu kılar.

Ek Açıklama 2020-04-11 210426.png


Yukarıdaki görsel smps güç kaynaklarının diyagramıdır?
1->emı filter: Gelen ve giden EMI/RFI parazitlerini ortadan kaldırır ve ani voltaj yükselmelerinden korur sistemi.
2->bridge rectifier: AC elektriği DC elektriğe çevirir.
3->apfc: PFC(Power factor correction-güç faktörü) kavramını öğrenmemiz gerekir öncelikle. Örneğin bir lambanın akım ve gerilim ilişkisini incelediğimizde ikisi birbirini takip eder yani senkronizedirler. İş bobin ve kondansatör içeren bir devreye geldiğinde değişir. Voltaj düşerken akım yükselebilir, voltaj artarken akım düşebilir. Bunun bize bir zararı veya yararı yok, şebekeye var. PFC olmayan cihazlar şebekedeki düzgün 50Hz'lik dalga formunu bozuyorlar. Bir tane PC değil tabii ki de ama binlercesi evet. Elektrik motoru vb makineler güç faktörü bakımından kötüdür. Yukarıda bahsettiğimiz sebeplerden ötürü de her ay "reaktif bedel" denilen bir ücret öderler. Apfc ise bu PFC'ni aktif olanıdır. Akım dalgası ile şebeke voltaj dalgasını kontrol eder.
4->main switches: Doğru akımı yüksek frekansla küçük enerji paketlerine böler.
5->transformer: Yüksek voltaj ile düşük voltajlı bölümler arasında izolasyon sağlar ve voltajı düşürür.
6->output rectifier & filter: Akımı çıkışlar için doğrultur, hazırlar ve filtreler.
7->protection circuits: Yanlış bir şey olursa PSU'yu kapatır.
8->pwm Controller: Main Switch'in doluluk-boşluk oranını yani paket büyüklüğünü ayarlar. Çıkış voltajını düzenli tutmak için yapar bunu. Feedback, geri dönüt yapar kısacası.
9->ısolator: Voltaj geri dönütü, feedback ile PWM kontrolcüyü izole eder.
Güç dönüştürücüsü yani transformatörden önce gelen kısım "primary side", diğer kısım ise "secondary side" adını almıştır. Sarım isimleri de buradan gelmiş sanırım. Şimdi de bu bölümleri teker teker inceleyelim.
A)emı filtresi: PSU'ların sorunu anahtarlama yapan transistör EMI/RFI üretiyor. Bu da evimizdeki diğer şebekeye bağlı cihazlara büyük zararlar veriyor. Ayrıca PSU'yu dışarıdan gelen gürültü ve ani voltajlara karşı korumalıyız. Bu katmanın önemi de her iki yönlü çalıştığı için iki katına çıkıyor.
Gürültü, iki türe ayrılabilir: Differential mode noise(dmn) ve common mode noise(cmn).
1. cmn, ortak bağlantı veya Gnd'den gelen bir parazittir. Ani yüksek frekanslı voltajlar oluşur. Hasarlı kablolar veya EMI/RFI'dan kaynaklıdır. Cmn'i bastırmak için y kapasitörleri ve bobinler kullanılır. Resimde y caps ve choke olarak gösterilen parçalardır.
2. dmn, CMN dışındaki iki hat arasındaki gürültüdür. Yok etmek için X kapasitörleri kullanılır.

Ek Açıklama 2020-04-11 221920.png


Part2Fig1.gif


Emı filtresi daima bridge Rectifier'dan önce yerleştirilmiştir. Bu şekilde yerleştirilince BR içerisindeki diyotlardan gelen gürültüyü de yok eder. Düzgün bir emı filtresi için ikişer Y, X kapasitörleri ve bobinleri gerekir. Bunların yanında mov(metal oxide varistor) da gerekir. Ek olarak bir sigorta yer alır. Mov, voltaja göre değişkenlik gösteren bir dirençtir. PSU'yu yüksek voltajlara karşı korur.
Düşük seviye PSU'larda üreticiler paradan kısmak için bazı malzemelerden çalarlar. İlk çıkartılan komponent de bu mov'dur. Eğer PSU'nuzda bir mov yoksa aşırı gerilim koruyucu veya bir UPS ile kullanmanız önem arz eder. Diğer türlü ani voltaj yükselmeleri sisteminize hasar verebilir.
Emı filtresinden sonra komponentleri ani yüksek akımlardan korumak için bir ntc(negative temperature coefficient-sıcaklık düştükçe direnci düşen) termistör kullanılır. Termistör, sıcaklığa göre direnci değişen bir komponentdir. Soğuk bir termistörün direnci genellikle 6-12OHM arasındadır. PSU çalışmaya başlayınca termistör ısınır ve direncini 0.5-1OHM civarına düşürür.

Ek Açıklama 2020-04-11 221934.png


Yüksek verimli PSU'lar termistörü sistem başladıktan sonra baypas etmek için bir röle kullanırlar. Ardından termistör soğur ve ve bir on/off'a daha hazır hale gelir. Termistörü baypas etmek ısınmasını da engellemek anlamına geldiği için verimlilik yükselir.
B)bridge rectifier-apfc: AC akım, emı filtresini geçtikten sonra birden fazla BR ile doğrultulur. Sonuç olarak AC akım DC akıma dönüşür. Bu, voltajı arttırır aynı zamanda. Örneğin 240V AC, doğrultulduktan sonra 325, 27V olur. Ardından DC akım apfc katına verilir.
PFC bölümünden bahsetmeden önce güç faktörüne bir göz atalım. Güç faktörü, gerçek güç ile görünen gücün oranıdır. Güç, voltaj ile akımın çarpı mıdır(p=v × ı).
İki tür yük vardır, omik ve reaktif yükler. Omik yük, yalnız direnç içeren yüktür. Reaktif yük ise bobin ve kapasitörlerden oluşur. Endüktif ve kapasitif yük toplamı gibi düşünebiliriz. Lineer yüklü sistemlerde akım ve voltaj sinüsoidaldir. Eğer yük omikse akım ve voltaj aynı anda kutup değiştirirler. Bu da her anda voltaj ile akımın çarpımını pozitif yapar, bu da enerji akış yönünün değişmediğini gösterir. Yani sadece gerçek güç yüke gider.

voltage_current_waveform_resistive-reactive_load_500x.jpg


Eğer yük reaktifse.
Voltaj ile akım arasında bir süre olur. Bu da bir döngü içinde ilk yarıda çarpımlarının pozitif, diğer yarısında ise negatif olmasını sağlar. Bu da ortalamada yüke giden enerji ile kaynağa dönen enerjiyi eşitler. Tüm döngüyü göz önüne alırsak net enerji yoktur .NET enerji ve ısı transferi olmadığı için yalnızca reaktif enerji kullanımından bahsedebiliriz.

abc.jpg


Yukarıdaki iki durum da teoriktir. Gerçek hayatta her devrede direnç, indüktans ve kapasitans vardır yani gerçek ve reaktif güç geçecektir. Güç faktörünün gerçek ile görünen güç oranı olduğunu söyledik. Normal olarak bunun 1'e yakın olmasını isteriz. Standartlara göre 75W üzeri her PSU PFC'ye sahip olmalıdır. Ayrıca 80+ verimlilik için 0.9 ve üzeri güç faktörü gerekir. Bir süre önce ppfc yani pasif PFC kullanılıyordu. Ppfc, yalnızca 50-60Hz aralığındaki sinyalleri alan bir filtre kullanıyordu. Böylece harmonik akım azaltılıyor ve lineer olmayan yükler lineer oluyor. Sonrasında kapasitör ve bobinler ile birlikte güç faktörü 1'e yaklaştırılıyordu. Apfc'ye göre güç faktörü daha düşük kalıyor, 115-230V uyumluluk için ayrıca bir voltage katlayıcısı gerekiyor. Avantajları ise Apfc'ye göre çok daha verimli çalışmasıdır.

APFC_small.jpg


Apfc, PWM ile PSU'ya akım kontrolü yapan bir AC/DC kontrolcü aslında. Başlangıçta AC voltaj BR ile doğrultulur. Ardından PWM apfc Mosfet'lerini tetikler ki bu da DC voltajı parçalara böler. Bu parçalar süzme sığaçları, kondansatörleri ile bir defa daha doğrultulur, düzgünleştirilir. Ardından da main Switch'e gider. Süzme kondansatörlerinden önce daima bir bobin bulunur. Bu bobin, ani akım yükselmelerini ısınmadan giderebilir. Sistemin açılışında çekilen yüksek akımdan komponentlerin hasar görmemesi için apfc içerisinde de bir termistör kullanılır. Yüksek akım çekilmesinin sebebi ise kapasitörlerin hepsinin boş olmasıdır.
Apfc içerisinde en çok iki tür kontrol kullanılır: Discontinous conduction mode ve continous conduction mode. İlkinde PFC Mosfet'leri bobin akımı sıfıra ulaştığında tetiklenir, diğerinde ise bobin akımı sıfır üzerindeyken açılır ki bu da geri dönen tüm enerjinin Mosfet'lerde ısıya dönüşmesine yol açar. PSU'larda genellikle ikinci kontrol kullanılır. Sebebi ise en düşük maksimum/ortalama oranını sunar. Verimliliği düşüktür ve emı paraziti üretir. Bundan dolayı Br'den sonra X kapasitörü görürüz.
C)main switches-transformer:
Ms'ler yalnızca iki modda çalışırlar, on ve off ve bu şekilde kapasitörlerden gelen DC voltaj genliği gelen voltaja, doluluk oranı ise anahtarlamalı regülatör kontrolcüye bağlı olarak parçalara ayrılır. Buradan da ikinci doğrultuculara yani 12V, 5v,3.3v, 5vsb,-12V gibi voltajların üretildiği yere gider. Transformatör aynı zamanda izolasyon sağlar.

PWM_signal_500x.jpg


Anahtar kapalı pozisyonda sıfır Volt, açık pozisyonda ise sıfır amper akım olur teoride. Yani v × ı daima sıfırdır. Lakin gerçek hayatta anlık olarak anahtarlama yapan bir transistör/buton yoktur. Bundan ötürü açık ve kapalı pozisyon arasında bir yerde daima v × ı sıfır olmayacaktır. Bundan dolayı da Mosfet'ler soğutulmak zorundalardır.

Antec_TP650_SBR40U45CT_small.jpg


Output rectifierlar ve filtreler adından da anlaşılacağı üzere Mosfet'ler tarafından oluşturulmuş yüksek frekanslı kare dalgalarını doğrultur ve filtreler. Bu evrede iki türlü doğrultma tasarımı vardır: Pasif ve senkronize. Pasif doğrultmada schottky barrier rectifiers(sbr) yani bir diyot türü olan schottky diyot kullanılır. Senkronizede ise Mosfet'ler kullanılır. Senkronize doğrultmada verimlilik daha fazladır zira germanyum-silisyum gibi elementlerden yapılmış diyotlarda daima bir voltaj düşüşü yaşanır. Örneğin, tipik bir SBR 0.5v düşüşe yol açar. Üzerinden 40A geçerse bu 40× 0.5 = 20W'lık bir güç kaybına sebep olur. Eğer bir mosfet kullanırsak (mosfet'in RDS değeri 3mo yani drain ile Source arasındaki direnç 3mo) 40 × 40 × 0.003 = 4.8W'lık güç kaybımız olur. Bu da anlayacağınız üzere gerçekten büyük bir verimlilik farkına sebep olur.
Yukarıdakiler dışında bir de yarı senkronize tasarımlar vardır. Bu tasarımda hem SBR hem de mosfet kullanılır. Bu da pasif tasarımdan daha verimli ve diğer iki tasarımdan daha ucuz olmasını sağlar.
-12V üretimi ise çok güç gerektirmeyen bir iş olduğu için bildiğimiz diyot ile sağlanır. 5vsb için tamamiyle ayrı transformatörlü bir devre vardır. Bunun sebebi ise 5vsb, sistem kapalı olsa bile devamlı güç transferine devam eder. Çok kullanılan voltajlar, 3.3, 5 ve 12V, için 3 tip regülasyon, düzeltme vardır. Grup, bağımsız ve dc-dc. Aşağıda üçünü de inceleyeceğiz.
>Grup regülasyon genellikle düşük seviye PSU'larda kullanılır. Bu yöntemi anlamanın en kısa yolu secondary side yani transformatörden sonraki bölümdeki bobin sayısını bulmaktır. Eğer sadece iki adet varsa grup regülasyon kullanılmıştır. Büyük bobin 12 ve 5V için, küçük olan ise 3.3v için kullanılır. 12 ve 5V beraber üretildiği için kontrolcüye hata paylarını söylerler ve bu da kontrolcünün hassas iş yapamamasına sebep olur. Bu da bu yöntemi kullanan PSU'ların voltaj kontorlü yapma konusunda başarısız olmasının sebebidir. 3.3v ise 12 veya 5V'dan elde edilir.
>>Bağımsız regülasyon ise yüksek kapasiteli performans PSU'larında kullanılır. Her çıkış kendine ayrı bir regülatör devresine sahiptir ki bu da voltajın sapmamasını sağlar. 12V, ana regülatör devresinde üretilir. Bunu kullanan PSU'ların secondary bölümünde 3 adet toroid bobin bulunur.
>>>Güncel PSU'ların içerisindeki küçük voltajlar buck converter ile sağlanıyor artık. Dc-dc dönüştürücü de budur. Dc-dc dönüştürücüler de bağımsız regülasyon sınıfına dahildir. Verimliliği yüksektir.
Şunu eklemeden geçmeyelim: Toroid bobinler yalnızca bu aşamada değil filtre kısmında da kullanılır. LLC resonant topoljisinde ise secondary bölümde genellikle bobin kullanılmaz. Eğer varsa bu filtreleme için koyulmuştur.
D) PWM kontrolcü ve izolatör:

Ek Açıklama 2020-04-12 180235.png


PWM kontrolcünün ana amacı voltajı regüle etmek ve sisteme yeteri kadar enerji sağlamaktır. Bunları main Switch'lerin doluluk oranını ayarlayarak sağlar. Çıkış voltajı için şu denklemi söyleyebiliriz: Vout = vin × duty cycle.
PWM kontrolcü, PSU'nun ideal bulduğu çıkış voltajına göre referans alır. PWM çipinde bu voltaj farkını yükselten bir amplifikatör vardır. Bu voltaj farkına göre kontrolcü doluluk oranını ayarlar. Bunların dışında bu kontrolcü soft-start gibi PSU'nun başlangıçta yüksek akım çekmesini önleyen, yüksek-akım korumaları, düşük voltaj gibi PSU'nun çalışmasını önleyen durumlara karşı bazı korumalar bu kontrolcü sayesinde gerçek olur.

optocouplers_small.jpg


Voltaj geri dönütü için PWM çipinin amplifikatörüne ulaşmak için izole edilmiş bir geri dönüt gereklidir. Bunun için ya optik ya da manyetik çözümler vardır. Optoizolatör kullanılır genelde. Bu amplifikatör secondary bölümde kullanılır.
E)güncel PSU'larda topolojiler:

Ek Açıklama 2020-04-12 182754.png


Üzerinden geçecek akım, verimlilik seviyesi, sıcaklık, maksimum voltaj, bütçe gibi çeşitli etkenlerden dolayı farklı topolojiler kullanılır PSU'larda.

Ek Açıklama 2020-04-12 183513.png


Son zamanlarda PSU'lar LLC resonant topolojisini kullanmaya başladılar. EMI/RFI düşük seviyede, anahtarlama kaybı az yani verimlilik fazladır bu topolojide. Daha yüksek frekans ile birlikte %95 civarı verimlilik sağlanır.
F)PSU'larda koruma:
Hepimiz için en önemli konu belki de budur. Düşük bütçeli PSU'lar yalnızca standartlarca gerekli korumalara sahiptir lakin kaliteli olanlar çok daha fazla korumaya sahipler.
->Power GOOD(PWR_OK)
Sistemi başlattığımızda PSU'nun gerekli voltajları verebilmesi için gereken süre standardıdır. Aynı zamanda düşük voltaj korumasını zamanlar.
->Aşırı akım koruması(ocp)
Adı üzerinde aşırı akımdan korur. Akımı ölçmek için şönt direnci kullanılır.
->Aşırı/Düşük Voltaj(OVP/UVP)

Ek Açıklama 2020-04-12 185141.png


->Aşırı güç koruması(opp)
PSU'nun sağlayabileceği maksimum gücü sağladıktan sonra daha fazla dayanamayıp kapanmasını sağlar. Üreticiler biraz dikiş payı bırakırlar, 500W ise 550W gibi bir değerde kapatır kendisini. Yine de buna güvenmeyiniz.

Ek Açıklama 2020-04-12 185903.png


->Aşırı sıcaklık koruması(otp)
Heatsinke bağlı bir termistör vardır ve heatsink ısınırsa termistörün direnci artar/azalır ve kontrolcü bu sensörden veri okuyarak fanı kontrol eder, sıcaklık iyice artmışsa PSU'yu kapatır.
->Kısa devre koruması(scp)
Eğer PSU kısa devre olmuşsa bu özellik PSU'yu kapatır. Eğer hatlarda 0.1 Ohm'dan küçük bir direnç ölçülürse bu koruma devreye girer.
G)80+ sertifikaları:
%20, 50 ve 100 kullanımda %80 verimliliğe ulaşan PSU'lar için belirlenen bir sertifikadır. İlk 80+ PSU, 2005 yılında Seasonic tarafından çıkartılmıştır. 2008 yılında Bronze, Gold ve Silver gelmiştir. 2009'da ise Platinum gelmiştir. Ondan sonra da 2012'de Titanium. Bu sertifika, 115VAC için yapılmıştır, 230VAC ise sunucular gibi yerlerde kullanılan PSU'lara yapılır. 230VAC, %0.5-1.5 daha verimli çalışır 115VAC'ye göre.

80+.png


H)kaynakça TechPowerUp
Biraz uzun oldu sanki. Türkçe bir kaynak çevirmek benim için 2 gün sürdü:) hem pratik yapıyorum hem de bir şeyler öğreniyorum bu sırada. İleri de çevirmemi istediğini orta uzunlukta metinler varsa beklerim.
 

bahadiR^

Hectopat
Katılım
26 Mart 2014
Mesajlar
823
Çözümler
6
Hocam emeğinize sonsuz saygılar. Uğraştığınız çok belli. Verdiğiniz bilgiler için kendi adıma teşekkür ediyorum ama sanki konu başlığındaki gibi çok da kısaca bir yazı olmamış. :D
 
Yukarı