Gli alimentatori sono utilizzati in quasi tutte le applicazioni elettriche/elettroniche per fornire una corrente sufficiente alla tensione richiesta. Esistono due tipi principali di alimentatori: lineare e switching. Entrambi possono essere utilizzati in modo intercambiabile, ma gli alimentatori a commutazione stanno diventando sempre più popolari.
In questo articolo, diamo un'occhiata a cosa sono gli alimentatori switching, come funzionano e i loro vantaggi e svantaggi rispetto a un alimentatore lineare tradizionale.
Che cos'è un alimentatore a commutazione (SMPS)?
Un alimentatore a commutazione (noto anche come alimentatore switching, SMPS, switcher) è un dispositivo di alimentazione elettronico che converte l'energia elettrica da una tensione all'altra in modo efficiente.
In genere, SMPS viene utilizzato per trasferire l'alimentazione da una sorgente CC/CA a un carico CC (ad esempio un computer, un telefono cellulare, ecc.). La maggior parte degli alimentatori a commutazione converte una tensione più alta (110 V o 220 V CA) in una tensione CC molto più bassa come 24 V, 12 V o 5 V.
Possiamo trovare questo tipo di alimentatori in quasi tutti gli elettrodomestici, specialmente quelli di dimensioni compatte. Ad esempio, possono essere presi adattatori per la ricarica di telefoni cellulari, computer, adattatori per la ricarica di laptop.
Storia degli alimentatori a commutazione
La storia degli alimentatori a commutazione risale al 1836. Ci sono prove che le bobine induttive sono state utilizzate per generare picchi di alta tensione per gli esperimenti. Andando avanti di quasi un decennio, nel 1959 ai Bell Labs, Mohamed M. Atalla e Dawon Kahng inventarono il MOSFET di potenza. I MOSFET di potenza sono il dispositivo di commutazione più utilizzato negli alimentatori a commutazione fino ad oggi.
Ci sono registrazioni di brevetti depositati da IBM nel 1958, dove mostra un progetto di un SMPS basato sull'oscillazione del transistor. Intorno allo stesso anno, anche la General Motors Corporation (GM) ha depositato brevetti simili per i progetti SMPS.
Il primo prodotto commerciale e ampiamente conosciuto ad avere un alimentatore a modalità commutata è stata la calcolatrice tascabile HP-35 di Hewlett Packard. L'SMPS in miniatura è stato utilizzato per alimentare i LED, la ROM e altri elementi primari come l'orologio e i registri. Sebbene i progetti stiano emergendo da molti dei principali fornitori, il brevetto per utilizzare il termine "Switched Mode Power Supply (SMPS)" è stato depositato nel 1976 da Microchip Technology. Hanno rilasciato il primo controller integrato per alimentatori a commutazione.
Che cosa significa "Modalità di commutazione"?
Il termine "modalità commutata" o "modalità commutazione" deriva dal funzionamento dell'SMPS. Un SMPS è costituito da un circuito complesso che opera a una frequenza molto elevata (da 20kHz a 10MHz). Questa commutazione ad alta velocità consente all'alimentatore a commutazione di convertire l'energia elettrica in modo più efficiente rispetto agli alimentatori lineari tradizionali.
Principio di funzionamento dell'alimentatore in modalità switch
Un alimentatore a commutazione è costituito da un circuito complesso che contiene una serie di sottocircuiti elettronici di potenza per convertire in modo efficiente la potenza da una tensione all'altra.
Un tipico SMPS ha il seguente diagramma a blocchi con queste sottosezioni chiave:
- Stadio di ingresso
- Fase di commutazione
- Stadio di uscita
- Circuito di controllo
Input Stage
Lo stadio di ingresso di potenza è generalmente costituito da a raddrizzatore a ponte intero o a mezzo ponte circuito che prende l'alimentazione CA come ingresso ed emette un'uscita CC filtrata della stessa tensione. Ad esempio, questa fase può convertire 110 V CA in 110 V CC. Questo stadio contiene anche filtri LC aggiuntivi (induttore e condensatore) per rimuovere ulteriormente eventuali increspature dall'alimentazione in ingresso.
Interruttore ad alta frequenza
Questa è la fase più critica dell'alimentazione. Tipicamente, un SMPS ha un MOSFET di potenza (uno o più) come dispositivo di commutazione principale. Un segnale PWM accende e spegne rapidamente il MOSFET per fungere da interruttore. Questo converte la tensione CC livellata dallo stadio di ingresso in un'onda quadra ad alta frequenza. Il dispositivo di commutazione funziona in modalità di conduzione continua nella maggior parte delle forniture per ottenere una migliore efficienza di conversione.
Questa alimentazione oscillante viene alimentata in un trasformatore di potenza, che riduce o aumenta la tensione in base al rapporto di avvolgimento primario e secondario. Alcuni alimentatori hanno più avvolgimenti per scopi di feedback e per ottenere più tensioni di uscita.
Stadio di uscita
Anche l'uscita dal trasformatore di potenza è una forma d'onda oscillante, che viene ulteriormente filtrata dallo stadio di uscita. Questo stadio contiene anche filtri simili allo stadio di ingresso, ma sono in grado di gestire più corrente a tensioni più basse. Questo è lo stadio finale del circuito e fornisce la potenza al carico collegato.
Circuito di controllo
Il dispositivo di commutazione (transistor o MOSFET) deve accendersi e spegnersi rapidamente per generare l'onda quadra necessaria per alimentare il trasformatore di potenza utilizzando un segnale PWM. Questo segnale PWM ha sia una frequenza che un duty cycle. Il ciclo di lavoro è il rapporto tra il tempo di attivazione e il tempo totale per ciclo. La tensione di uscita dell'SMPS può essere controllata aumentando o diminuendo il duty cycle del segnale PWM alimentato al transistor.
Quando un carico è collegato, inizia a prelevare corrente e la tensione di uscita dell'SMPS diminuisce. In questo momento, un circuito separato deve essere in allerta per monitorare la tensione di uscita e, quando scende, deve aumentare il ciclo di lavoro del segnale PWM. Allo stesso modo, quando un carico viene scollegato, il circuito di retroazione riduce il ciclo di lavoro per mantenere la tensione di uscita desiderata.
Cosa sono le topologie SMPS
Esistono molte topologie utilizzate negli alimentatori switching commerciali:
- Dollaro
- La topologia buck è una topologia step-down di tensione CC-CC non isolata. (cioè da 24VDC a 12VDC)
- Questi assorbono meno corrente media dall'ingresso e forniscono una corrente più elevata all'uscita.
- Un esempio di convertitore buck sono gli alimentatori del computer, in cui l'alimentatore principale da 12 V viene ridotto per alimentare i controller USB da 5 V e DRAM da 1.8 V.
- Potenzia
- Si tratta di una topologia di aumento della tensione CC-CC non isolata. (da 3.7 V CC a 5 V CC)
- I convertitori boost assorbono più corrente dall'ingresso e emettono meno corrente a una tensione più elevata per il carico.
- I sistemi alimentati a batteria come i sistemi di illuminazione portatili per i veicoli elettrici utilizzano convertitori boost ad alta efficienza per convertire una tensione più bassa in una tensione più alta per alimentare gli elettrodomestici.
- Buck/Potenzia
- Combinazione di topologie Buck e Boost. Questi circuiti possono aumentare o diminuire un ingresso in base all'uscita desiderata.
- I convertitori buck/boost vengono utilizzati quando la tensione di ingresso può essere superiore o inferiore alla tensione di uscita desiderata. Utilizzando un tale convertitore, possiamo sempre garantire che fornirà la tensione di uscita desiderata indipendentemente dalla tensione di ingresso. Questo tuttavia generalmente presenta limitazioni come l'intervallo di tensione di ingresso (tensioni di ingresso minime e massime.
Le topologie sopra menzionate sono le topologie più semplici. Tuttavia, non offrono isolamento galvanico come i trasformatori. Pertanto, esistono topologie più avanzate che utilizzano trasformatori più complicati per fornire le caratteristiche di sicurezza necessarie pur fornendo la stessa funzionalità.
- Volo di ritorno
- Una versione migliorata del convertitore buck fornisce la stessa funzionalità con isolamento elettrico.
- Convertitore in avanti
- Una topologia SMPS isolata è più efficiente della topologia flyback.
Circuito di alimentazione in modalità commutata
Sebbene il controllo di un SMPS possa sembrare complicato e più difficile da gestire, esistono circuiti integrati di controllo SMPS dedicati come TNY267, TEA173X e VIPER22A che hanno un generatore PWM integrato e molte altre funzionalità avanzate come il controllo del feedback e la protezione da cortocircuito/sovratensione.
Di seguito è mostrata l'applicazione tipica di un TNY267 di Power Integrations, un semplice controller SMPS in modalità off-line, che può emettere 12V 1A DC utilizzando una sorgente da 230V AC.
L'ingresso Vin è l'ingresso 100-300 V CA (può anche essere CC) e l'ingresso è protetto da un fusibile e un MOV (varistore all'ossido di metallo) per proteggere il circuito dai picchi di sovratensione. Il raddrizzatore a ponte D3 e il condensatore C2 insieme rettificano il segnale CA in ingresso in 100-300 V CC. La tensione di uscita di questo stadio è di circa [tensione di ingresso * 1.4] a causa dei valori RMS.
Il D2 e il D4 insieme formano un circuito di soppressione dei transitori per proteggere il TNY267 da indietro EMF punte. D1 e C1 rettificano l'uscita secondaria del trasformatore T1, che è la tensione di uscita desiderata.
R1, D5 e R2 formano il circuito di retroazione per regolare la tensione di uscita in base alle condizioni di carico variabili. Questo aiuta il TNY267 a mantenere la tensione di uscita costante a 12V.
Vantaggi e svantaggi degli alimentatori a modalità commutata
Gli alimentatori a commutazione presentano molti vantaggi:
- Di dimensioni più ridotte quindi può adattarsi a dispositivi compatti
- Grazie ai componenti basati su semiconduttori, SMPS è più leggero
- Molto efficiente rispetto agli alimentatori lineari (70-95% tipico)
- Supporta intervalli di tensione di ingresso e uscita più ampi
- Fornisce funzioni aggiuntive come uscite regolabili e funzioni di sicurezza come protezione da cortocircuito, sovratensione, sovracorrente e sovratemperatura
- Dissipazione del calore inferiore, che richiede quindi un raffreddamento attivo minimo
Tuttavia, gli SMPS presentano anche degli svantaggi che a volte li rendono inadatti a determinate applicazioni. Ad esempio, un SMPS è un circuito molto più complesso di un circuito lineare tradizionale. Pertanto, ci sono molti componenti che possono funzionare male e ostacolare le prestazioni dell'alimentatore.
Inoltre, gli SMPS sono noti per la loro EMI (interferenza elettromagnetica) e rumore elettrico più elevati poiché funzionano ad alte frequenze. Un SMPS mal progettato può causare problemi e talvolta persino danneggiare in modo permanente l'elettronica sensibile alimentata da essi.
Nel campo dell'energia, gli alimentatori a commutazione creano anche distorsione armonica nella rete elettrica e talvolta possono richiedere un'ulteriore correzione del fattore di potenza se non sono integrati nell'alimentatore.
Alimentatore in modalità lineare e in modalità commutata
La principale differenza tra l'SMPS e gli alimentatori lineari è la loro efficienza. Gli alimentatori a commutazione sono estremamente efficienti rispetto agli alimentatori lineari, che tendono a dissipare più energia sotto forma di calore.
Gli alimentatori lineari AC-DC in genere utilizzano trasformatori per ridurre la tensione AC in ingresso e quindi rettificarla utilizzando diodi e filtri utilizzando condensatori. Ciò fornisce un'uscita di ripple molto bassa, ma al costo di un'efficienza ridotta (circa il 30% -60%). Tendono anche ad avere dimensioni molto ingombranti a causa delle dimensioni e del peso del trasformatore. Gli alimentatori lineari non possono gestire tensioni di ingresso variabili se non appositamente progettati.
D'altra parte, i convertitori lineari DC-DC riducono la tensione dissipando la tensione caduta sotto forma di calore. Pertanto, i regolatori lineari ad alta corrente richiedono un raffreddamento attivo più sofisticato per funzionare correttamente. Tuttavia, le forniture lineari sono semplici inattività e hanno un costo relativamente basso da implementare. Inoltre, le uscite delle alimentazioni lineari (basate su trasformatore) sono isolate.
SMPS in questo caso eccelle con indici di efficienza che vanno dall'80% e oltre con perdite di potenza minime. Inoltre, hanno un fattore di forma ridotto e hanno applicazioni flessibili in quanto il circuito può essere modificato per ottenere uscite regolabili e persino uscite isolate. Ma sono molto più complessi nel design (alto numero di componenti) e hanno rumore ad alta frequenza in uscita. Se non adeguatamente affrontati, possono causare problemi nelle sezioni sensibili dei circuiti di carico.
Conclusione
Gli alimentatori a commutazione sono molto efficienti nel convertire l'energia elettrica da una tensione all'altra. Sono adatti per applicazioni ad alta efficienza e ad alta potenza e, in molti casi, sono più adatti degli alimentatori lineari. Tuttavia, la selezione di un SMPS o di un alimentatore lineare dovrebbe essere effettuata considerando molti fattori come un'ondulazione accettabile nell'uscita, il carico e la regolazione della linea e il costo/complessità nell'applicazione desiderata.
