एसी से डीसी बिजली आपूर्ति का कार्यात्मक आरेख जो आधुनिक बिजली आपूर्ति डिजाइन का आधार बनता हैकॉपीराइट शटरस्टॉक
आधुनिक सर्किट सिस्टम में बिजली आपूर्ति एक सहायक भूमिका से एक महत्वपूर्ण तत्व में विकसित हुई है। सरल वोल्टेज रूपांतरण के बजाय, आधुनिक बिजली आपूर्ति दक्षता, उच्च तापीय क्षमता और प्रभावी बिजली घनत्व के लिए डिज़ाइन की गई है।
एम्बेडेड सिस्टम, डेटा प्रोसेसिंग और कॉम्पैक्ट इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में बढ़ती माँगों से प्रेरित, उन्नत बिजली वितरण प्रणालियाँ ओवरहीटिंग को कम करने में मदद करती हैं। वे लंबी आयु, कम बिजली लागत और विश्वसनीय घटक संचालन प्रदान करते हैं।
एसी से डीसी रूपांतरण – सुधार चरण
पारंपरिक बिजली आपूर्ति एसी को डीसी में परिवर्तित करने के लिए सुधार का उपयोग करती है। फुल-वेव ब्रिज रेक्टिफायर इनपुट तरंग के दोनों आधे-चक्रों का उपयोग करने के लिए चार डायोड का उपयोग करते हैं। जबकि पूर्ण-तरंग सुधार दक्षता में सुधार करता है, इसके आउटपुट में अभी भी महत्वपूर्ण तरंगें हैं और आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स सर्किट की आवश्यकताओं के लिए आवश्यक स्थिरता का अभाव है।
सुधार की सीमा इसके डिज़ाइन विनिर्देश से उत्पन्न होती है, जो पारंपरिक कम-ऊर्जा, धीमी सर्किट कॉन्फ़िगरेशन के लिए निर्धारित की गई थी जो आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक सर्किट आवश्यकताओं को पूरा करने में विफल रहती है।
सुधार की कुछ सीमाएँ निम्नलिखित से उत्पन्न होती हैं।
- उच्च तरंग सामग्री – रेक्टिफिकेशन सर्किट के आउटपुट में महत्वपूर्ण उतार-चढ़ाव होते हैं, जिसके लिए भारी कैपेसिटर (फ़िल्टर के रूप में) की आवश्यकता होती है, जिससे समग्र संरचना भारी हो जाती है
- थर्मल अक्षमता – रैखिक नियामक (सुधार का एक अभिन्न घटक) ऊर्जा को गर्मी के रूप में नष्ट कर देता है, जिससे सिस्टम-स्तरीय अक्षमताएं पैदा होती हैं
- हार्मोनिक विरूपण – टीरेडिशनल सर्किट डिज़ाइन के परिणामस्वरूप खराब पावर फैक्टर और हार्मोनिक विरूपण बढ़ जाता है।
फ़िल्टरिंग और मध्यवर्ती स्थिरीकरण
आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक भार, जैसे कि हाई-स्पीड डिजिटल सिस्टम, तेजी से वर्तमान परिवर्तन उत्पन्न करते हैं जिन्हें संभालने के लिए पारंपरिक बिजली आपूर्ति को संघर्ष करना पड़ता है। इन गतिशील लोड अनुप्रयोगों की आवश्यकता को पूरा करने के लिए उन्हें ऐसे फ़िल्टर की आवश्यकता होती है जो क्षणिक समय में पुनर्प्राप्ति समय को कम करते हैं।
आउटपुट वोल्टेज में तरंगों को हटाने के लिए कैपेसिटर स्मूथिंग रक्षा की पहली पंक्ति है। हालाँकि, आधुनिक उच्च गति के करंट स्विंग के लिए यह पर्याप्त नहीं है और इसके लिए बेहतर शोर दमन घटकों की आवश्यकता होती है।
पावर प्रबंधन तकनीक के रूप में उच्च आवृत्ति शोर को दबाने के लिए एलसी-संचालित फिल्टर आमतौर पर उच्च प्रदर्शन डिजिटल सिस्टम में नियोजित होते हैं। यह एक प्रारंभ करनेवाला और संधारित्र को मिलाकर एक कम पास फिल्टर बनाता है, जो उच्च शक्ति वाले शोर को वांछित कम आवृत्ति शक्ति से अलग करता है।
हालाँकि, इन आधुनिक भारों में क्षणिक प्रतिक्रिया तेजी से लोड परिवर्तनों के दौरान मानक एलसी फिल्टर के लिए चुनौतियां भी पेश कर सकती है। उच्च आवृत्ति स्पाइक्स को शामिल करने के लिए दूसरे चरण के फ़िल्टरिंग और डिज़ाइन को परिष्कृत करके इसकी भरपाई की जा सकती है
वोल्टेज विनियमन विकास
वोल्टेज विनियमन के लिए, प्रौद्योगिकी रैखिक प्रकार से विशिष्ट प्रकार तक विकसित हुई है। जबकि स्विचिंग नियामकों ने उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों में लोकप्रियता हासिल की है, रैखिक वोल्टेज नियामक कम-शक्ति और कम शोर-संवेदनशील अनुप्रयोगों में प्रमुख खिलाड़ी बने हुए हैं।
रैखिक नियामक
रैखिक नियामक आमतौर पर स्थिर आउटपुट वोल्टेज बनाए रखने के लिए फीडबैक लूप द्वारा विनियमित परिवर्तनीय प्रतिरोधक के रूप में काम करते हैं। उनका सीधा डिज़ाइन आसान कार्यान्वयन को सक्षम बनाता है और उन्हें स्थान-बाधित अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाता है। वे उच्च-आवृत्ति तरंग को दबाकर स्वच्छ आउटपुट प्रदान करते हैं। कुछ मॉडल कम शोर और उच्च बिजली आपूर्ति अस्वीकृति अनुपात भी प्रदान करते हैं।
पीएमआईसी में इष्टतम प्रदर्शन के लिए पारंपरिक बिजली आपूर्ति के सभी घटक शामिल हैं, कॉपीराइट शटरस्टॉक
हालाँकि, रैखिक नियामकों में भी कमियाँ हैं। वे अत्यधिक गर्मी नष्ट करते हैं, जो इनपुट-टू-आउटपुट अनुपात अधिक होने पर तेजी से बढ़ जाती है। अत्यधिक गर्मी के लिए भारी हीट सिंक की आवश्यकता होती है, जिससे जगह की मांग बढ़ जाती है और कॉम्पैक्ट क्षेत्रों में उपयोग सीमित हो जाता है।
वोल्टेज नियामक भी उनकी दक्षता से प्रतिबंधित हैं। दक्षता तब चरम पर होती है जब इनपुट वोल्टेज (Vin) आउटपुट वोल्टेज (Vout) के करीब होता है, आमतौर पर 20% और 60% के बीच।
इन कारणों से, उनका अनुप्रयोग कम-शक्ति अनुप्रयोग क्षेत्रों, जैसे कम-शक्ति एनालॉग सर्किट, आरएफ संचार, पहनने योग्य और IoT सेंसर तक सीमित है।
स्विचिंग नियामक
स्विचिंग रेगुलेटर एक अनियमित डीसी वोल्टेज को स्थिर आउटपुट वोल्टेज में परिवर्तित करने के लिए हाई-स्पीड मॉसफेट स्विचिंग का उपयोग करते हैं। यह उच्च गति पर स्विच करके (चालू और बंद करके) ऐसा करता है। इसका मुख्य लाभ इसकी 80% से 90% दक्षता प्राप्त करने की क्षमता है, जो एक रैखिक नियामक में गर्मी के रूप में नष्ट हो जाती है।
वे घाटे को सीमित करने के लिए ट्रांजिस्टर स्विच से लेकर इंडक्टर्स और कैपेसिटर तक का उपयोग करके रैखिक नियामकों से विकसित हुए हैं। वे स्टेप-डाउन (हिरन), स्टीप-अप (बूस्ट) और स्टेप-अप/डाउन कॉन्फ़िगरेशन में आते हैं।
आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स और बैटरी चालित अनुप्रयोगों के लिए वे वोल्टेज को कुशलतापूर्वक बढ़ा या घटा सकते हैं। उनकी उच्च दक्षता ऊर्जा हानि को काफी हद तक कम करती है और रूपांतरण दर में सुधार करती है।
पावर प्रबंधन आईसी
पावर प्रबंधन आईसी बिजली आपूर्ति डिजाइन में बदलाव का प्रतिनिधित्व करते हैं। असतत, बड़े व्यक्तिगत घटकों के विपरीत, बिजली की आपूर्ति को एक एकल चिप पर समेकित किया जाता है, जिसमें डीसी-डीसी कनवर्टर, फीडबैक लूप, एक पावर टाइमिंग तंत्र और अंतर्निहित सुरक्षा सुविधाएं शामिल होती हैं जो प्रदर्शन को बढ़ाती हैं।
उनमें गतिशील वोल्टेज स्केलिंग और अनुकूली वोल्टेज स्केलिंग जैसी विशेषताएं शामिल हैं जो आउटपुट को लोड से सटीक रूप से मेल खाने में मदद करती हैं। पीएमआईसी वोल्टेज स्विचिंग को स्वचालित करने के लिए एक आंतरिक नियंत्रक का उपयोग करता है। इसके अतिरिक्त, यह इन नुकसानों की निगरानी करके और उन्हें तदनुसार समायोजित करके थर्मल और गलती प्रबंधन को स्वचालित करता है।
पीएमआईसी से सर्किट डेवलपर लाभ उठा सकता है, जैसे:
- कई असतत प्रतिरोधकों और कैपेसिटर के उन्मूलन के कारण पीसीबी पदचिह्न में कमी आई
- बेहतर दक्षता और ईएमआई और गर्मी जैसे कम नुकसान
- आंतरिक नियंत्रण तंत्र के माध्यम से संलग्न लोड आवश्यकताओं के लिए वास्तविक समय अनुकूलन।
व्यापक बैंडगैप क्रांति
गैलियम नाइट्राइड (GaN) और सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) जैसी वाइड-बैंडगैप सामग्री, पारंपरिक सिलिकॉन-आधारित प्रणालियों की तुलना में बेहतर प्रदर्शन प्रदान करती है। वे उच्च वोल्टेज को संभाल सकते हैं और बहुत अधिक गति पर प्रदर्शन कर सकते हैं।
- GaN उच्च आवृत्ति और मध्यम शक्ति पर अनुप्रयोगों के लिए सबसे उपयुक्त है
- SiC उच्च-शक्ति और उच्च-आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए सबसे उपयुक्त है, जो अधिक कुशल ताप प्रबंधन को सक्षम बनाता है।
ये फायदे डेटासेंटर, एआई और एज कंप्यूटिंग जैसे आधुनिक अनुप्रयोगों में उनके उपयोग को सक्षम बनाते हैं।
एक बुद्धिमान प्रणाली घटक
बिजली आपूर्ति डिज़ाइन सरल वोल्टेज रूपांतरण से अत्यधिक अनुकूलित डोमेन में विकसित हुआ है। पीएमआईसी और वाइड-बैंडगैप सामग्रियों के एकीकरण के साथ, आधुनिक बिजली आपूर्ति को विश्वसनीयता और बुद्धिमान नियंत्रण द्वारा परिभाषित किया गया है।
चूंकि इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम छोटे पदचिह्न में उच्च प्रदर्शन की मांग जारी रखते हैं, बिजली प्रबंधन सर्किट डिजाइन का केंद्रीय फोकस बना रहेगा।
लेखक के बारे में
मुहम्मद आसिम नियाज़ी एक स्वतंत्र तकनीकी लेखक हैं
देखें: उन्नत पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के माध्यम से भविष्य के लिए तैयार पारिस्थितिकी तंत्र
