Voedingen worden in bijna elke elektrische/elektronische toepassing gebruikt om voldoende stroom te leveren bij een vereiste spanning. Er zijn twee hoofdtypen voedingen: lineair en geschakeld. Beide kunnen door elkaar worden gebruikt, maar schakelende voedingen worden steeds populairder.
Laten we in dit artikel eens kijken wat schakelende voedingen zijn, hoe ze werken en wat hun voor- en nadelen zijn in vergelijking met een traditionele lineaire voeding.
Wat is een Switch Mode Power Supply (SMPS)?
Een schakelende voeding (ook bekend als: schakelende voeding, SMPS, switcher) is een elektronisch voedingsapparaat dat elektrisch vermogen efficiënt omzet van de ene spanning naar de andere.
Gewoonlijk wordt SMPS gebruikt om stroom over te dragen van een DC/AC-bron naar een DC-belasting (dwz een computer, mobiele telefoon, enz.). De meeste schakelende voedingen zetten een hogere spanning (110V of 220V AC) om in een veel lagere gelijkspanning zoals 24V, 12V of 5V.
We kunnen dit soort voedingen in bijna elk elektrisch apparaat vinden, vooral die welke compact zijn. Er kunnen bijvoorbeeld oplaadadapters voor mobiele telefoons, computers, oplaadadapters voor laptops worden genomen.
Geschiedenis van geschakelde voedingen
De geschiedenis van schakelende voedingen gaat terug tot 1836. Er zijn aanwijzingen dat inductieve spoelen zijn gebruikt om hoogspanningspieken te genereren voor experimenten. Mohamed M. Atalla en Dawon Kahng vonden in 1959 bij Bell Labs bijna een decennium snel de power-MOSFET uit. Power MOSFET's zijn tot op heden het meest gebruikte schakelapparaat in schakelende voedingen.
Er zijn records van patenten die in 1958 door IBM zijn ingediend, waar het een ontwerp toont van een SMPS op basis van transistoroscillatie. Rond hetzelfde jaar diende General Motors Corporation (GM) ook soortgelijke patenten in voor SMPS-ontwerpen.
Het eerste commerciële en algemeen bekende product met een schakelende voeding was de HP-35 zakrekenmachine van Hewlett Packard. De miniatuur SMPS werd gebruikt om de LED's, ROM en andere primaire elementen zoals klok en registers van stroom te voorzien. Hoewel de ontwerpen afkomstig zijn van veel grote leveranciers, werd het patent voor het gebruik van de term 'Switched Mode Power Supply (SMPS)' in 1976 ingediend door Microchip Technology. Ze brachten de eerste geïntegreerde controller voor schakelende voedingen uit.
Wat betekent 'schakelmodus'?
De term 'switched mode' of 'switching mode' komt van de werking van de SMPS. Een SMPS bestaat uit een complexe schakeling die werkt op een zeer hoge frequentie (20 kHz tot 10 MHz). Deze high-speed schakeling stelt de schakelende voeding in staat om elektrische stroom efficiënter om te zetten dan traditionele lineaire voedingen.
Schakelmodus Voeding Werkingsprincipe:
Een schakelende voeding bestaat uit een complex circuit dat een reeks vermogenselektronische subcircuits bevat om het vermogen efficiënt van de ene spanning naar de andere om te zetten.
Een typische SMPS heeft het volgende blokschema met deze belangrijke subsecties:
- Invoertrap
- Schakeltrap
- eindtrap
- Besturingsschakeling
Invoerfase
De vermogensingangstrap bestaat over het algemeen uit a volledige of halve bruggelijkrichter circuit dat wisselstroom als ingang neemt en een gefilterde gelijkstroomuitgang met dezelfde spanning uitvoert. Deze trap kan bijvoorbeeld 110V AC omzetten naar 110V DC. Deze trap bevat ook extra LC-filters (spoel en condensator) om eventuele rimpelingen van het ingangsvermogen verder te verwijderen.
Hoogfrequente schakelaar
Dit is de meest kritieke fase van de stroomvoorziening. Meestal heeft een SMPS een vermogens-MOSFET (een of meer) als het hoofdschakelapparaat. Een PWM-signaal schakelt de MOSFET snel in en uit om als schakelaar te fungeren. Dit zet de afgevlakte gelijkspanning van de ingangstrap om in een hoogfrequente blokgolf. Het schakelapparaat werkt in continue geleidingsmodus: in de meeste benodigdheden om een betere conversie-efficiëntie te bereiken.
Deze oscillerende voeding wordt toegevoerd aan een vermogenstransformator, die de spanning naar beneden of naar boven verhoogt volgens de primaire en secundaire wikkelverhouding. Sommige voedingen hebben meerdere wikkelingen voor feedbackdoeleinden en voor het verkrijgen van meerdere uitgangsspanningen.
Uitgangsfase
De output van de vermogenstransformator is ook een oscillerende golfvorm, die verder wordt gefilterd door de eindtrap. Deze trap bevat ook soortgelijke filters als de ingangstrap, maar kan meer stroom aan bij lagere spanningen. Dit is de laatste fase van het circuit en geeft het vermogen af aan de aangesloten belasting.
Besturingsschakeling
Het schakelapparaat (transistor of MOSFET) moet snel in- en uitschakelen om de blokgolf te genereren die nodig is om de transformator te voeden met behulp van een PWM-signaal. Dit PWM-signaal heeft zowel een frequentie als een duty-cycle. De duty cycle is de verhouding tussen de aan-tijd en de totale tijd per cyclus. De uitgangsspanning van de SMPS kan worden geregeld door de duty-cycle van het PWM-signaal dat naar de transistor wordt gevoerd te verhogen of te verlagen.
Wanneer een belasting is aangesloten, begint deze stroom te trekken en daalt de uitgangsspanning van de SMPS. Op dit moment moet een apart circuit alert zijn om de uitgangsspanning te bewaken en als deze daalt, moet de duty-cycle van het PWM-signaal worden verhoogd. Evenzo, wanneer een belasting wordt losgekoppeld, verlaagt het feedbackcircuit de werkcyclus om de gewenste uitgangsspanning te behouden.
Wat zijn SMPS-topologieën?
Er zijn veel topologieën die worden gebruikt in commerciële geschakelde voedingen:
- Reebok
- De buck-topologie is een niet-geïsoleerde DC-DC spanningstrap-down-topologie. (dwz 24VDC tot 12VDC)
- Deze trekken minder gemiddelde stroom van de ingang en leveren een hogere stroom aan de uitgang.
- Een voorbeeld van een buck-converter zijn de computervoedingen, waarbij de belangrijkste 12V-voeding wordt verlaagd om de 5V USB- en 1.8V DRAM-controllers van stroom te voorzien.
- boost
- Dit is een niet-geïsoleerde DC-DC spanningsverhogende topologie. (3.7VDC tot 5VDC)
- Boost-converters trekken meer stroom van de ingang en geven minder stroom af bij een hogere spanning naar de belasting.
- Batterijgevoede systemen, zoals draagbare verlichtingssystemen tot elektrische voertuigen, gebruiken hoogrenderende boost-converters om een lagere spanning om te zetten in een hogere spanning om apparaten van stroom te voorzien.
- Buck / boost
- Combinatie van Buck- en Boost-topologieën. Deze circuits kunnen een ingang verhogen of verlagen volgens een gewenste uitgang.
- Buck/boost converters worden gebruikt waar de ingangsspanning hoger of lager kan zijn dan de gewenste uitgangsspanning. Met een dergelijke omvormer kunnen we altijd garanderen dat deze ongeacht de ingangsspanning de gewenste uitgangsspanning zal leveren. Dit gaat echter over het algemeen gepaard met beperkingen zoals het ingangsspanningsbereik (minimale en maximale ingangsspanningen.
De bovengenoemde topologieën zijn de meest eenvoudige topologieën. Ze bieden echter geen galvanische scheiding zoals transformatoren. Daarom zijn er meer geavanceerde topologieën die ingewikkeldere transformatoren gebruiken om de nodige veiligheidsvoorzieningen te bieden terwijl ze dezelfde functionaliteit bieden.
- flyback
- Een verbeterde versie van de buck-converter biedt dezelfde functionaliteit met galvanische isolatie.
- Voorwaartse omzetter
- Een geïsoleerde SMPS-topologie is efficiënter dan de flyback-topologie.
Voedingscircuit met geschakelde modus
Hoewel de besturing van een SMPS misschien ingewikkeld en moeilijker te hanteren klinkt, zijn er speciale SMPS-controller-IC's zoals TNY267, TEA173X en VIPER22A met een ingebouwde PWM-generator en vele andere geavanceerde functionaliteiten zoals feedbackcontrole en kortsluiting/overspanningsbeveiliging.
Hieronder ziet u de typische toepassing van een TNY267 van Power Integrations, een eenvoudige SMPS-controller in de offline modus, die 12V 1A DC kan uitvoeren met behulp van een 230V AC-bron.
De Vin-ingang is de 100-300V AC-ingang (kan ook gelijkstroom zijn), en de ingang wordt beschermd door een zekering en een MOV (Metal Oxide Varistor) om het circuit te beschermen tegen overspanningspieken. De D3-bruggelijkrichter en de C2-condensator corrigeren samen het ingangswisselsignaal in 100-300V DC. De uitgangsspanning van deze trap is ongeveer [ingangsspanning * 1.4] vanwege RMS-waarden.
De D2 en D4 vormen samen een tijdelijk onderdrukkingscircuit om de TNY267 te beschermen tegen: terug EMF stekels. D1 en C1 corrigeren de secundaire uitgang van de T1-transformator, wat de gewenste uitgangsspanning is.
R1, D5 en R2 vormen het feedbackcircuit om de uitgangsspanning te regelen volgens variërende belastingsomstandigheden. Dit helpt de TNY267 om de uitgangsspanning constant op 12V te houden.
Voordelen en nadelen van geschakelde voedingen
Schakelende voedingen hebben veel voordelen:
- Kleiner van formaat past daarom in compacte apparaten
- Door de op halfgeleiders gebaseerde componenten is SMPS lichter in gewicht
- Zeer efficiënt dan lineaire voedingen (normaal 70-95%)
- Ondersteunt bredere ingangs- en uitgangsspanningsbereiken
- Biedt extra functies zoals instelbare uitgangen en veiligheidsfuncties als beveiliging tegen kortsluiting, overspanning, overstroom en te hoge temperatuur
- Lagere warmteafvoer, waardoor minimale actieve koeling nodig is
SMPS heeft echter ook nadelen die ze soms ongeschikt maken voor bepaalde toepassingen. Een SMPS is bijvoorbeeld een veel complexere schakeling dan een traditionele lineaire schakeling. Daarom zijn er veel componenten die defect kunnen raken en de prestaties van de voeding kunnen belemmeren.
SMPS staan ook bekend om hun hogere EMI (elektromagnetische interferentie) en elektrische ruis, omdat ze in hoge frequenties werken. Een slecht ontworpen SMPS kan storingen veroorzaken en soms zelfs permanente schade toebrengen aan gevoelige elektronica die daardoor wordt aangedreven.
Op het gebied van energie veroorzaken geschakelde voedingen ook harmonische vervorming in het elektriciteitsnet en kunnen soms extra arbeidsfactorcorrectie nodig zijn als ze niet in de voeding zijn ingebouwd.
Lineaire versus geschakelde voeding
Het belangrijkste verschil tussen de SMPS en lineaire leveringen is hun efficiëntie. Switched-mode voedingen zijn extreem efficiënt in vergelijking met lineaire voedingen, die de neiging hebben om meer energie als warmte af te geven.
Lineaire AC-DC-voedingen gebruiken meestal transformatoren om de ingangswisselspanning te verlagen en deze vervolgens te corrigeren met behulp van diodes en filters met behulp van condensatoren. Dit levert een zeer lage rimpeloutput op, maar gaat ten koste van een verminderde efficiëntie (ongeveer 30%-60%). Ze hebben ook de neiging om erg omvangrijk te zijn vanwege de grootte en het gewicht van de transformator. Lineaire voedingen kunnen geen variërende ingangsspanningen aan als ze niet speciaal zijn ontworpen.
Aan de andere kant verlagen lineaire DC-DC-converters de spanning door de gedaalde spanning als warmte af te voeren. Daarom hebben lineaire regelaars met hoge stroomsterkte meer geavanceerde, actieve koeling nodig om goed te kunnen functioneren. Lineaire benodigdheden zijn echter eenvoudig inactiviteit en relatief lage kosten om te implementeren. Ook zijn de uitgangen van lineaire (op transformatoren gebaseerde) voedingen geïsoleerd.
SMPS blinkt in dit geval uit met efficiëntieclassificaties van 80% en hoger met minimale vermogensverliezen. Ze hebben ook een kleine vormfactor en hebben flexibele toepassingen omdat het circuit kan worden gewijzigd om instelbare outputs en zelfs geïsoleerde outputs te verkrijgen. Maar ze zijn veel complexer in ontwerp (hoog aantal componenten) en hebben hoogfrequente ruis in de uitvoer. Als ze niet goed worden aangepakt, kunnen ze problemen veroorzaken in de gevoelige delen van de belastingcircuits.
Conclusie
Switched-mode voedingen zijn zeer efficiënt in het omzetten van elektrisch vermogen van de ene spanning naar de andere. Ze zijn geschikt voor toepassingen met een hoog rendement en een hoog vermogen en zijn in veel gevallen meer geschikt dan lineaire voedingen. Het selecteren van een SMPS of een lineaire voeding moet echter worden uitgevoerd door rekening te houden met vele factoren, zoals een acceptabele rimpel in de output, belasting en lijnregeling, en de kosten/complexiteit in de gewenste toepassing.
