تحلیل مدار تغذیه لپ‌تاپ‌ها – علیرضا محمودی فرد

طبق گزارش فرا اقتصاد بین الملل، لپ‌تاپ (Laptop) جزو پرکاربردترین دستگاه‌های امروزی است که اقشار مختلف، علی‌الخصوص دانش‌آموزان، دانشجویان، معلمین و اساتید از آن بهره زیادی می‌برند.

مقدمه

مدار تغذیه (Power Supply Circuit) لپ‌تاپ‌ها، یکی از اجزای حیاتی در این سیستم‌های الکترونیکی مدرن است. این مدار، وظیفه تأمین انرژی الکتریکی مورد نیاز (ولتاژهای مورد نیاز قطعات و مدارهای مختلف) برای عملکرد اجزای مختلف دستگاه را بر عهده دارد. در این یادداشت، به بررسی ساختار، عملکرد، و روند تحلیل مدار تغذیه لپ‌تاپ‌ها پرداخته خواهد شد.

1. ساختار مدار تغذیه لپ‌تاپ‌ها

مدار تغذیه معمولاً شامل چندین بخش کلیدی است:

۱-۱. منبع تغذیه AC

لپ‌تاپ‌ها معمولاً از یک آداپتور AC به DC استفاده می‌کنند (در صورتی که فقط از برق پریز استفاده شود، وسیله مبدل را آداپتور گفته و در صورتی که باتری هم چاشنی ذخیره انرژی الکتریکی باشد، به وسیله مبدل مربوطه، شارژر باتری گویند)؛ این آداپتور، جریان متناوب (AC) را از پریز برق به جریان مستقیم (DC) تبدیل می‌کند. این فرآیند معمولاً شامل یک پل دیود و یک فیلتر خازنی است که به جلوگیری از نوسانات ولتاژ کمک می‌کند (Baker, 2005).

۱-۲. مدار کنترل ولتاژ

این مدار از یک IC کنترل ولتاژ (مانند LM2596) استفاده می‌کند که ولتاژ خروجی را به میزان مطلوبی تنظیم می‌کند. کنترل ولتاژ معمولاً با استفاده از فیوزها و دیودها، از نوسانات ولتاژی محافظت می‌شود (Rashid, 2014).

۱-۳. سیستم‌ حفظ باتری

لپ‌تاپ‌ها به‌صورت پیش‌فرض به باتری‌های داخلی مجهز هستند که درصورتی‌که منبع تغذیه اصلی قطع شود، انرژی لازم را تأمین می‌کنند. این سیستم شامل مدار شارژ باتری و ولتاژ پایین برای جلوگیری از تخلیه آسیب‌زننده به باتری است (Mao et al., 2017).

2. عملکرد مدار تغذیه

مدار تغذیه لپ‌تاپ‌ها به‌گونه‌ای طراحی شده که با توجه به نیازهای مختلف دستگاه، ولتاژ و جریان مختلفی را تأمین کند. عملکرد مدار شامل دو مرحله اصلی است:

۲-۱. تبدیل ولتاژ

با استفاده از آداپتور، ولتاژ AC به DC تبدیل می‌شود و سپس ولتاژ DC به سطوح مورد نظر برای تأمین نیازهای مختلف لپ‌تاپ، کاهش می‌یابد (Horenstein, 2013)؛ زیرا مدارها و قطعات لپ‌تاپ، برای عملکرد صحیح خود، به ولتاژهای پایین‌تری نسبت به ولتاژ ورودی، نیاز دارند.

۲-۲. تقسیم انرژی

مدارهای مختلف در لپ‌تاپ، نیازهای متفاوتی برای ولتاژ و جریان دارند؛ بنابراین، مدار تغذیه باید بتواند انرژی را به‌درستی بین CPU، GPU، رم، هارد، مدارهای مختلف و سایر قطعات تقسیم کند (Liu et al., 2019).

3. تحلیل مدار تغذیه

تحلیل مدار تغذیه لپ‌تاپ شامل چندین رویکرد، روش و تکنیک است که به بررسی عملکرد و کارایی آن کمک می‌کند:

۳-۱. شبیه‌سازی مدار

شبیه‌سازی مدارهای الکترونیکی با استفاده از نرم‌افزارهایی مانند LTspice، Proteus، Hspice یا Pspice به طراحان و مهندسان کمک می‌کند تا رفتار مدار را قبل از پیاده‌سازی حقیقی، پیش‌بینی کنند؛ این شبیه‌سازی شامل تجزیه و تحلیل نوسانات، افت ولتاژ و افزایش دما است (Albrecht et al., 2016).

۳-۲. تست و عیب‌یابی

پس از ساخت مدار، تست‌های عیب‌یابی فیزیکی برای اطمینان از عملکرد صحیح مدار انجام می‌شود؛ این تست‌ها شامل اندازه‌گیری ولتاژ خروجی، بررسی دما و شناسایی عیوب احتمالی است (Rudolph et al., 2015).

۳-۳. ارزیابی کارایی

کارایی مدار تغذیه، با استفاده از نسبت بهره‌وری توان (Power Efficiency Ratio) بررسی می‌شود که نسبت توان خروجی مفید به توان ورودی را تعیین می‌کند؛ این نسبت، معمولاً به‌عنوان یک معیار برای پایش عملکرد و کاهش هدررفت انرژی استفاده می‌شود (Rashid, 2014).

4. چالش‌ها و پیشرفت‌ها

۴-۱. چالش‌ها

با توجه به پیشرفت فناوری و افزایش تقاضا برای کارایی و قابلیت حمل، طراحی مدار تغذیه لپ‌تاپ‌ها با چالش‌هایی مانند کاهش حجم و وزن، افزایش بهره‌وری انرژی و افزایش ایمنی در برابر نوسانات ولتاژ مواجه است (Horenstein, 2013).

۴-۲. پیشرفت‌ها

تحقیقات اخیر بر روی استفاده از تکنولوژی‌های جدید مانند CMOS وGaN (Gallium Nitride)  برای بهبود کارایی و کاهش هزینه‌های تولید تمرکز دارند. این تکنولوژی‌ها می‌توانند به تولید مدارات تغذیه کوچک‌تر و با کارایی بالاتر منجر شوند (Mao et al., 2017).

5. نتیجه‌گیری

مدار تغذیه لپ‌تاپ‌ها بخش مهمی از عملکرد کلی این دستگاه‌هاست. با توجه به نیازهای متنوع و چالش‌های موجود، تحلیل و طراحی صحیح این مدارها به طراحان و مهندسان کمک می‌کند تا لپ‌تاپ‌های با کارایی بالا و پایدار تولید کنند. با پیشرفت فناوری و روش‌های نوین، انتظار می‌رود که مدارهای تغذیه آینده به‌سمت بهبود بیشتر در کارایی و کاهش مصرف انرژی حرکت کنند.

تبیین و نگارش: علیرضا محمودی فرد – مدرس آزمایشگاه مدارهای الکترونیکی و آزمایشگاه مدارهای الکتریکی و اندازه‌گیری الکتریکی در دانشگاه