Каким должен быть питатель для коммутации?

Алиментаторы используются практически во всех приложениях электроники для обеспечения достаточного тока при требуемом напряжении. Существует два основных типа алиментаторов: линейные и коммутационные. Все они могут использоваться в режиме взаимозаменяемости, но все большее распространение получают алиментаторы с коммутацией.

В этой статье мы расскажем о том, как выглядят переключаемые алиментаторы, как они функционируют и в чем их преимущества и недостатки по сравнению с традиционными линейными алиментаторами.

Что представляет собой один источник питания с коммутацией (SMPS)?

Устройство питания с коммутацией (также известное как коммутатор питания, SMPS, коммутатор) Устройство для электропитания, преобразующее электрическую энергию от одного напряжения до другого в эффективном режиме.

SMPS используется для передачи питания от одного источника CC/CA к одному устройству CC (например, компьютеру, мобильному телефону и т. д.). Большая часть алиментаторов с коммутацией преобразует напряжение более высокого уровня (110 В или 220 В CA) в напряжение CC более низкого уровня - 24 В, 12 В или 5 В.

Мы можем найти этот тип алиментаторов в практически всех электронных приборах, особенно в тех, которые имеют совместимые размеры. Ad esempio, possono essere presi adattatori per la ricarica di telefoni cellulari, computer, adattatori per la ricarica di laptop.

История алиментаторов с коммутацией

История алиментаторов с коммутацией началась в 1836 году. Доказано, что бобины использовались для создания пикчи с высоким напряжением для экспериментов. Продвинувшись вперед на квази одно десятилетие, в 1959 году в Bell Labs Мохамед М. Аталла и Давон Канг изобрели MOSFET для потенциометров. МОП-транзисторы для потенциометров являются одним из наиболее используемых устройств для коммутации до наших дней.

В 1958 году IBM зарегистрировала бреветти, в котором показан проект SMPS, основанный на осцилляции транзистора. В течение всего того же года корпорация General Motors (GM) депонировала аналогичные бреветты для проектов SMPS.

Первым коммерческим продуктом, получившим широкую известность благодаря наличию питающего устройства с коммутируемым режимом, стал калькулятор HP-35 от 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. В 1976 году компания Microchip Technology выдала разрешение на использование термина "Switched Mode Power Supply (SMPS)". Компания разработала первый интегрированный контроллер для алиментаторов с коммутацией.

Что означает "Modalità di commutazione"?

Термин "коммутационная мода" или "коммутационная мода" происходит от функции SMPS. Un SMPS è costituito da un circuito complesso che opera a una frequenza molto elevata (da 20kHz a 10MHz). Такая коммутация с высокой скоростью позволяет алиментатору преобразовывать электрическую энергию в более эффективном режиме по сравнению с традиционными линейными алиментаторами.

Принцип функционирования блока питания в режиме переключателя

В одном питающем устройстве с коммутацией используется комплексная схема, содержащая ряд элетронных цепей для эффективного преобразования энергии при одном напряжении в другое.

Типичный SMPS имеет следующую схему блоков питания с этими последовательными соединениями:

• Стадио ди Ингрессо
• Фаза коммутации
• Стадион "Усита
• Контрольная цепь

Входной каскад

Lo stadio di ingresso di potenza è generalmente costituito da a raddrizzatore a ponte intero o a mezzo ponte схема, принимающая питание CA при поступлении и выдающая напряжение CC. Ad esempio, эта фаза может преобразовать 110 В CA в 110 В CC. Questo stadio содержит также дополнительные фильтры LC (индуктор и конденсатор) для устранения возможных увеличений напряжения питания при подаче.

Прерыватель высокой частоты

Эта фаза является наиболее важной для обеспечения питания. Как правило, в одном SMPS установлен мощный MOSFET (один или несколько), который является главным коммутационным устройством. ШИМ-сегнал ускоряет и разгоняет МОП-транзистор, чтобы он функционировал в режиме интерруттора. Это преобразует напряжение CC, подаваемое от стадионов входа, в четырехчастотное напряжение высокой частоты. Устройство коммутации работает в режиме непрерывный режим работы в большей части мебели для достижения большей эффективности преобразования.

 Колебательный источник питания подается в трасформатор мощности, который уменьшает или увеличивает напряжение в зависимости от соотношения силы первого и второго напряжения. Alcuni alimentatori имеют большее количество импульсов для обратной связи и для получения большего напряжения при использовании.

Стадион "Усита

Также при использовании трасформатора мощности возникает осцилляторная форма онда, которая постоянно фильтруется в стадионе использования. В этом стадионе имеются фильтры, аналогичные стадиону входа, однако они способны работать в режиме более сильного тока при более низком напряжении. Questo è lo stadio finale del circuito e fornisce la potenza al carico collegato.

Контрольная цепь

Устройство коммутации (транзистор или МОП-транзистор) должно быстро набираться и разгоняться, чтобы генерировать четырехфазное напряжение, необходимое для питания трасформатора мощности, используя сегмент ШИМ. Questo segnale PWM имеет не только частоту, но и рабочий цикл. Il ciclo di lavoro è il rapporto tra il tempo di attivazione e il tempo totale per ciclo. Напряжение использования SMPS можно регулировать, увеличивая или уменьшая рабочий цикл ШИМ-транзистора.

При подключении автомобиля начинается подача тока и уменьшается напряжение питания SMPS. В этот момент необходимо подключить отдельную схему для контроля напряжения питания и, если она сработает, увеличить продолжительность работы ШИМ. В таком же режиме, когда одна машина отброшена, схема ретроазиона сокращает время работы для поддержания необходимого напряжения питания.

Как выглядят топологии SMPS

Существует множество топологий, используемых в коммерческих распределительных устройствах:

• Долларо
  • Топология 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.
  • Одним из примеров конвертора buck являются компьютерные блоки питания, в которых главный блок питания на 12 В используется для питания контроллеров USB на 5 В и DRAM на 1,8 В.
• Potenzia
  • Речь идет о топологии повышения напряжения CC-CC без изоляции. (от 3,7 В CC до 5 В CC)
  • Конверторы повышают напряжение тока при подаче кофе и понижают его при повышенном напряжении для работы автомобиля.
  • В системах, питающихся от батареи, а также в портативных системах освещения для элетрических источников энергии используются конверторы, повышающие эффективность, для преобразования низкого напряжения в высокое напряжение для питания элетродомашних устройств.
• Бак/Потензия
  • Комбинация топологий Buck и Boost. Эти схемы могут увеличивать или уменьшать количество потребляемой энергии в зависимости от желаемой мощности.
  • Конверторы buck/boost используются в тех случаях, когда напряжение на входе может быть выше или ниже желаемого напряжения на выходе. Используя такой конвертер, мы можем гарантировать, что обеспечим желаемое напряжение независимо от напряжения входящего тока. При этом, как правило, существуют ограничения, такие как интервал между напряжениями внутри сети (минимальное и максимальное напряжения внутри сети).

Топологии sopra menzionate - это самые простые топологии. Они не обеспечивают гальванической изоляции, как трасформаторы. Pertanto, esistono topologie più avanzate che utilizzano trasformatori più complicati per fornire le caratteristiche di sicurezza necessarie purnendo la stessa funzionalità.

• Volo di ritorno
  • Мигрированная версия конвертера buck обеспечивает ту же функциональность с изоляцией от электросети.
• Конвертор в аванти
  • Изолированная топология SMPS более эффективна, чем топология flyback.

Цепь питания в режиме коммутации

Поскольку управление одним SMPS может показаться сложным и трудным в управлении, существуют интегральные схемы управления SMPS, такие как TNY267, TEA173X и VIPER22A, которые имеют встроенный ШИМ-генератор и множество других функций, таких как управление обратной связью и протезирование от короткого замыкания/совращения.

Далее показано типичное применение TNY267 от Power Integrations - простого контроллера SMPS в режиме off-line, который может выдавать 12 В 1 А постоянного тока, используя при этом напряжение 230 В переменного тока.

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. Напряжение питания этой станции составляет примерно [напряжение питания * 1,4] из-за среднеквадратичного значения.

Il D2 e il D4 insieme formano un circuito di soppressione dei transitori per proteggere il TNY267 da ЭМП индитро пунты. D1 и C1 задерживают второе напряжение использования трасформатора T1, что является желаемым напряжением использования.

R1, D5 и R2 образуют цепь ретроазиона для регулирования напряжения питания в зависимости от переменных условий эксплуатации. Это помогает TNY267 поддерживать напряжение питания на уровне 12 В.

Vantaggi e svantaggi degli alimentatori a modalità commutata

У алиментаторов с коммутацией много преимуществ:

• Размеры più ridotte quindi può adattarsi a dispositivi compatti
• Благодаря компонентам, основанным на полупроводниках, SMPS является более легким.
• Высокая эффективность по сравнению с линейными алиментаторами (70-95% tipico)
• Поддержка интервалов времени между входом и выходом в сеть più ampi
• Обеспечивает дополнительные функции, такие как uscite regolabili и функции безопасности, такие как protezione da cortocircuito, sovratensione, sovracorrente e sovratemperatura
• Рассеивание нижнего тепла, что требует минимального расходования энергии

В то же время, у gli SMPS есть и другие недостатки, которые часто делают их непригодными для определенных применений. 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.

Кроме того, gli SMPS известны своими EMI (элетромагнитными помехами) и повышенным уровнем шума в электросети, поскольку работают на высоких частотах. Un SMPS mal progettato può causare problemi e talvolta persino danneggiare in modo permanente l'elettronica sensibile alimentata da essi.

В энергетической области алиментаторы с коммутацией создают искажения в электросети и могут вызывать повышенную коррецию мощности, если они не интегрированы в алиментатор.

Питатель в линейном и коммутируемом режимах

Основное различие между SMPS и линейными алиментаторами заключается в их эффективности. Линейные блоки питания очень эффективны по сравнению с линейными блоками питания, которые имеют тенденцию рассеивать больше энергии в виде тепла.

В линейных AC-DC алиментаторах используются трасформаторы для повышения напряжения переменного тока при включении и его ретификации с помощью диодов и фильтров с использованием конденсаторов. Это обеспечивает очень низкий уровень пульсаций, но за счет более высокой эффективности (примерно 30% -60%). Кроме того, они имеют очень скромные габариты из-за размеров и веса трасформатора. Линейные алиментаторы не могут выдерживать переменное напряжение в сети, если не предусмотрены соответствующими проектами.

Кроме того, линейные DC-DC преобразователи снижают напряжение, рассеивая его в виде калорий. Pertanto, i regolatori lineari ad alta corrente richiedono un raffreddamento attivo più sofisticato per funzionare correttamente. В то же время, линейные блоки питания являются простыми в использовании и имеют относительно низкую стоимость реализации. Кроме того, все устройства линейного питания (на базе трасформатора) изолированы.

SMPS в этом случае имеют показатели эффективности, которые ниже, чем у 80%, и, кроме того, минимальную потерю мощности. 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. Однако они имеют очень сложную конструкцию (большое количество компонентов) и могут вызывать шум на высоких частотах при использовании. При неадекватном воздействии могут возникнуть проблемы с чувствительностью цепей автомобиля.

Conclusione

Алиментаторы с коммутацией очень эффективны для преобразования электрической энергии от одного напряжения к другому. Они подходят для применения с высокой эффективностью и высокой мощностью и, в большинстве случаев, превосходят линейные алиментаторы. Тем не менее, выбор одного SMPS или одного линейного блока питания должен осуществляться с учетом многих факторов, в том числе таких, как точное отключение при использовании, карико и реголация линии и стоимость/бесполезность для желаемого применения.