As fontes de alimentação são usadas em quase todas as aplicações elétricas / eletrônicas para fornecer corrente suficiente na tensão necessária. Existem dois tipos principais de fontes de alimentação: linear e comutada. Ambos podem ser usados alternadamente, mas as fontes de alimentação comutadas estão se tornando cada vez mais populares.
Neste artigo, vamos dar uma olhada no que são as fontes de alimentação comutadas, como elas funcionam e suas vantagens e desvantagens em comparação com uma fonte de alimentação linear tradicional.
O que é uma fonte de alimentação comutada (SMPS)?
Uma fonte de alimentação comutada (também conhecida como comutação de fonte de alimentação, SMPS, switcher) é um dispositivo eletrônico de alimentação que converte a energia elétrica de uma voltagem para outra de forma eficiente.
Normalmente, o SMPS é usado para transferir energia de uma fonte DC / AC para uma carga DC (ou seja, um computador, telefone celular, etc.). A maioria das fontes de alimentação comutadas convertem uma tensão mais alta (110 V ou 220 V CA) em uma tensão CC muito mais baixa, como 24 V, 12 V ou 5 V.
Podemos encontrar esses tipos de fontes de alimentação em quase todos os aparelhos elétricos, especialmente aqueles que são compactos. Por exemplo, adaptadores de carregamento de telefones celulares, computadores, adaptadores de carregamento de laptops podem ser usados.
História das fontes de alimentação comutadas
A história das fontes de alimentação comutadas remonta a 1836. Há evidências de que bobinas indutivas foram usadas para gerar picos de alta tensão para experimentos. Avançando quase uma década, em 1959 na Bell Labs, Mohamed M. Atalla e Dawon Kahng inventaram o MOSFET de potência. Os MOSFETs de energia são os dispositivos de comutação mais amplamente usados em fontes de alimentação comutadas até hoje.
Há registros de patentes depositadas pela IBM em 1958, onde se mostra um projeto de um SMPS baseado na oscilação do transistor. Por volta do mesmo ano, a General Motors Corporation (GM) também entrou com pedido de patentes semelhantes para projetos SMPS.
O primeiro produto comercial e amplamente conhecido a ter uma fonte de alimentação comutada foi a calculadora de bolso HP-35 da Hewlett Packard. O SMPS em miniatura foi usado para alimentar os LEDs, ROM e outros elementos primários como relógio e registradores. Embora os projetos tenham surgido de muitos fornecedores importantes, a patente para usar o termo 'Fonte de alimentação comutada (SMPS)' foi registrada em 1976 pela Microchip Technology. Eles lançaram o primeiro controlador integrado para fontes de alimentação comutadas.
O que significa 'modo de comutação'?
O termo 'modo comutado' ou 'modo de comutação' vem da operação do SMPS. Um SMPS consiste em um circuito complexo que opera em uma frequência muito alta (20kHz a 10MHz). Essa comutação de alta velocidade permite que a fonte de alimentação comutada converta a energia elétrica de forma mais eficiente do que as fontes de alimentação lineares tradicionais.
Princípio de funcionamento da fonte de alimentação do modo de comutação
Uma fonte de alimentação comutada consiste em um circuito complexo que contém uma série de subcircuitos eletrônicos de potência para converter com eficiência a potência de uma tensão para outra.
Um SMPS típico tem o seguinte diagrama de blocos com estas subseções principais:
- Estágio de entrada
- Mudança de estágio
- Estágio de saída
- Circuito de controle
Estágio de Entrada
O estágio de entrada de energia geralmente consiste em um retificador de ponte completa ou meia-ponte circuito que recebe energia CA como entrada e produz uma saída CC filtrada com a mesma tensão. Por exemplo, este estágio pode converter 110 V CA em 110 V CC. Este estágio também contém filtros LC adicionais (indutor e capacitor) para remover ainda mais quaisquer ondulações da energia de entrada.
Chave de alta frequência
Este é o estágio mais crítico da fonte de alimentação. Normalmente, um SMPS tem um MOSFET de energia (um ou mais) como o dispositivo de comutação principal. Um sinal PWM liga e desliga rapidamente o MOSFET para atuar como uma chave. Isso converte a tensão DC suavizada do estágio de entrada em uma onda quadrada de alta frequência. O dispositivo de comutação funciona em modo de condução contínua na maioria dos suprimentos para obter uma melhor eficiência de conversão.
Esta fonte oscilante é alimentada em um transformador de potência, que diminui ou aumenta a tensão de acordo com a relação de enrolamento primário e secundário. Algumas fontes de alimentação têm vários enrolamentos para fins de feedback e para obter várias tensões de saída.
Estágio de saída
A saída do transformador de potência também é uma forma de onda oscilante, que é filtrada posteriormente pelo estágio de saída. Este estágio também contém filtros semelhantes ao estágio de entrada, mas é capaz de lidar com mais corrente em tensões mais baixas. Este é o estágio final do circuito e fornece energia para a carga conectada.
Circuito de controle
O dispositivo de chaveamento (transistor ou MOSFET) precisa ligar e desligar rapidamente para gerar a onda quadrada necessária para alimentar o transformador de potência usando um sinal PWM. Este sinal PWM tem uma frequência e um ciclo de serviço. O ciclo de trabalho é a razão entre o tempo de operação e o tempo total por ciclo. A tensão de saída do SMPS pode ser controlada aumentando ou diminuindo o ciclo de trabalho do sinal PWM alimentado ao transistor.
Quando uma carga é conectada, ela começa a consumir corrente e a tensão de saída do SMPS cai. Nesse momento, um circuito separado precisa estar em alerta para monitorar a tensão de saída e, conforme ela cai, precisa aumentar o ciclo de trabalho do sinal PWM. Da mesma forma, quando uma carga é desconectada, o circuito de feedback diminui o ciclo de trabalho para manter a tensão de saída desejada.
O que são topologias SMPS
Existem muitas topologias usadas em fontes de alimentação comutadas comerciais:
- Pinote
- A topologia de buck é uma topologia de redução de tensão DC-DC não isolada. (ou seja, 24VDC a 12VDC)
- Eles consomem menos corrente média da entrada e fornecem uma corrente mais alta para a saída.
- Um exemplo de conversor buck são as fontes de alimentação do computador, onde a fonte de alimentação principal de 12 V é reduzida para alimentar os controladores USB de 5 V e DRAM de 1.8 V.
- Boost
- Esta é uma topologia de aumento de tensão DC-DC não isolada. (3.7 VCC a 5 VCC)
- Os conversores de reforço extraem mais corrente da entrada e produzem menos corrente em uma tensão mais alta para a carga.
- Sistemas alimentados por bateria, como sistemas de iluminação portáteis para veículos elétricos, usam conversores de aumento de alta eficiência para converter uma tensão mais baixa em uma tensão mais alta para ligar os aparelhos.
- Buck / Boost
- Combinação das topologias Buck e Boost. Esses circuitos podem aumentar ou diminuir uma entrada de acordo com uma saída desejada.
- Conversores Buck / boost são usados onde a tensão de entrada pode ser maior ou menor do que a tensão de saída desejada. Usando esse conversor, podemos sempre garantir que ele fornecerá a tensão de saída desejada, independentemente da tensão de entrada. No entanto, isso geralmente vem com limitações como faixa de tensão de entrada (tensões de entrada mínima e máxima.
As topologias mencionadas acima são as topologias mais simples. No entanto, eles não oferecem isolamento galvânico como os transformadores. Portanto, existem topologias mais avançadas que usam transformadores mais complicados para fornecer os recursos de segurança necessários enquanto fornecem a mesma funcionalidade.
- Voar de volta
- Uma versão aprimorada do conversor Buck fornece a mesma funcionalidade com isolamento elétrico.
- Conversor de avanço
- Uma topologia SMPS isolada é mais eficiente do que a topologia flyback.
Circuito de fonte de alimentação de modo comutado
Embora o controle de um SMPS possa parecer complicado e difícil de manusear, existem ICs controladores de SMPS dedicados, como TNY267, TEA173X e VIPER22A, que possuem gerador PWM integrado e muitas outras funcionalidades avançadas, como controle de feedback e proteção contra curto-circuito / sobretensão.
A seguir, é mostrada a aplicação típica de um TNY267 por Power Integrations, um controlador SMPS de modo off-line simples, que pode produzir 12 V 1 A DC usando uma fonte de 230 Vca.
A entrada Vin é a entrada de 100-300 V CA (também pode ser CC), e a entrada é protegida por um fusível e um MOV (Varistor de óxido de metal) para proteger o circuito de picos de sobretensão. A ponte retificadora D3 e o capacitor C2 juntos retificam o sinal CA de entrada em 100-300 Vcc. A tensão de saída deste estágio é de cerca de [tensão de entrada * 1.4] devido aos valores RMS.
O D2 e o D4 juntos formam um circuito de supressão transiente para proteger o TNY267 de volta EMF espigões. D1 e C1 retificam a saída secundária do transformador T1, que é a tensão de saída desejada.
R1, D5 e R2 formam o circuito de feedback para regular a tensão de saída de acordo com as condições de carga variáveis. Isso ajuda o TNY267 a manter a tensão de saída constante em 12V.
Vantagens e desvantagens das fontes de alimentação comutadas
Fontes de alimentação comutadas têm muitas vantagens:
- Menor em tamanho, portanto, pode caber em dispositivos compactos
- Devido aos componentes baseados em semicondutores, o SMPS é mais leve
- Muito eficiente do que as fontes de alimentação lineares (70-95% típico)
- Suporta faixas de tensão de entrada e saída mais amplas
- Oferece funções adicionais, como saídas ajustáveis e funções de segurança, como proteção contra curto-circuito, sobretensão, sobrecarga de corrente e excesso de temperatura
- Dissipação de calor mais baixa, exigindo, assim, resfriamento ativo mínimo
No entanto, o SMPS também tem desvantagens que às vezes os tornam inadequados para determinados aplicativos. Por exemplo, um SMPS é um circuito muito mais complexo do que um circuito linear tradicional. Portanto, existem muitos componentes que podem funcionar incorretamente e prejudicar o desempenho da fonte de alimentação.
Além disso, os SMPS são conhecidos por sua alta EMI (interferência eletromagnética) e ruído elétrico, uma vez que funcionam em altas frequências. Um SMPS mal projetado pode causar falhas e, às vezes, até mesmo danificar permanentemente componentes eletrônicos sensíveis alimentados por eles.
No domínio da energia, as fontes de alimentação comutadas também criam distorção harmônica na rede elétrica e, às vezes, podem exigir correção adicional do fator de potência se não estiverem embutidas na fonte.
Fonte de alimentação de modo linear vs comutado
A principal diferença entre o SMPS e os suprimentos lineares é sua eficiência. Fontes de alimentação comutadas são extremamente eficientes quando comparadas às fontes de alimentação lineares, que tendem a dissipar mais energia na forma de calor.
As fontes de alimentação lineares AC-DC normalmente usam transformadores para reduzir a tensão AC de entrada e, em seguida, retificá-la usando diodos e filtros usando capacitores. Isso fornece uma saída de ondulação muito baixa, mas ao custo de eficiência reduzida (cerca de 30% -60%). Eles também tendem a ser muito volumosos devido ao tamanho e peso do transformador. As fontes de alimentação lineares não podem lidar com tensões de entrada variáveis se não forem especialmente projetadas.
Por outro lado, os conversores lineares DC-DC reduzem a tensão dissipando a queda de tensão na forma de calor. Portanto, os reguladores lineares de alta corrente requerem um resfriamento ativo mais sofisticado para funcionar corretamente. No entanto, os suprimentos lineares são simplesmente inativos e têm um custo de implementação relativamente baixo. Além disso, as saídas das fontes lineares (baseadas no transformador) são isoladas.
O SMPS neste caso se destaca com classificações de eficiência que variam de 80% e acima com perdas de energia mínimas. Além disso, eles são pequenos em formato e têm aplicações flexíveis, pois o circuito pode ser alterado para obter saídas ajustáveis e até mesmo saídas isoladas. Mas eles são muito mais complexos em design (alta contagem de componentes) e têm ruído de alta frequência na saída. Se não forem tratados adequadamente, eles podem causar problemas nas seções sensíveis dos circuitos de carga.
Conclusão
Fontes de alimentação comutadas são muito eficientes na conversão de energia elétrica de uma voltagem para outra. Eles são adequados para aplicações de alta eficiência e alta potência e, em muitos casos, são mais adequados do que fontes lineares. No entanto, a seleção de um SMPS ou de uma fonte de alimentação linear deve ser realizada considerando muitos fatores como uma ondulação aceitável na saída, carga e regulação da linha e o custo / complexidade na aplicação desejada.
