Bộ nguồn được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng điện / điện tử để cung cấp đủ dòng điện ở điện áp yêu cầu. Có hai loại nguồn điện chính: tuyến tính và chế độ chuyển mạch. Cả hai đều có thể được sử dụng thay thế cho nhau nhưng các bộ nguồn chuyển đổi chế độ đang ngày càng trở nên phổ biến hơn.
Trong bài viết này, chúng ta hãy cùng tìm hiểu bộ nguồn chế độ chuyển mạch là gì, cách chúng hoạt động và những lợi ích cũng như nhược điểm của chúng so với bộ nguồn tuyến tính truyền thống.
Nguồn cung cấp chế độ chuyển mạch (SMPS) là gì?
Nguồn cung cấp chế độ chuyển đổi (còn được gọi là chuyển đổi nguồn điện, SMPS, bộ chuyển mạch) là một thiết bị cung cấp năng lượng điện tử có chức năng chuyển đổi nguồn điện từ điện áp này sang điện áp khác một cách hiệu quả.
Thông thường, SMPS được sử dụng để chuyển điện từ nguồn DC / AC sang tải DC (tức là máy tính, điện thoại di động, v.v.). Hầu hết các bộ nguồn chuyển đổi chế độ chuyển đổi điện áp cao hơn (110V hoặc 220V AC) thành điện áp DC thấp hơn nhiều như 24V, 12V hoặc 5V.
Chúng ta có thể tìm thấy những loại bộ nguồn này ở hầu hết mọi thiết bị điện, đặc biệt là những bộ nguồn nhỏ gọn. Ví dụ như adapter sạc điện thoại di động, máy tính, adapter sạc laptop.
Lịch sử của Nguồn cung cấp điện ở Chế độ Chuyển đổi
Lịch sử của nguồn cung cấp điện ở chế độ chuyển mạch có từ năm 1836. Có bằng chứng cho thấy cuộn dây cảm ứng đã được sử dụng để tạo ra xung điện áp cao cho các thí nghiệm. Tua nhanh gần một thập kỷ, vào năm 1959 tại Bell Labs, Mohamed M. Atalla và Dawon Kahng đã phát minh ra MOSFET điện. MOSFET nguồn là thiết bị chuyển mạch được sử dụng rộng rãi nhất trong các nguồn cung cấp điện ở chế độ chuyển mạch kể cả cho đến nay.
Có hồ sơ về các bằng sáng chế do IBM nộp vào năm 1958, nơi nó cho thấy thiết kế của một SMPS dựa trên dao động bóng bán dẫn. Cùng năm đó, Tập đoàn General Motors (GM) cũng nộp bằng sáng chế tương tự cho các thiết kế SMPS.
Sản phẩm thương mại và được biết đến rộng rãi đầu tiên có nguồn điện ở chế độ chuyển mạch là máy tính bỏ túi HP-35 của Hewlett Packard. SMPS thu nhỏ được sử dụng để cấp nguồn cho đèn LED, ROM và các phần tử chính khác như đồng hồ và thanh ghi. Mặc dù các thiết kế đã xuất hiện từ nhiều nhà cung cấp lớn, nhưng bằng sáng chế để sử dụng thuật ngữ 'Nguồn cung cấp chế độ chuyển mạch (SMPS)' đã được nộp vào năm 1976 bởi Microchip Technology. Họ đã phát hành bộ điều khiển tích hợp đầu tiên dành cho nguồn điện ở chế độ chuyển mạch.
'Chế độ chuyển đổi' có nghĩa là gì?
Thuật ngữ 'chế độ chuyển đổi' hoặc 'chế độ chuyển đổi' xuất phát từ hoạt động của SMPS. Một SMPS bao gồm một mạch phức tạp hoạt động ở tần số rất cao (20kHz đến 10MHz). Việc chuyển mạch tốc độ cao này cho phép bộ nguồn ở chế độ chuyển mạch chuyển đổi năng lượng điện hiệu quả hơn so với bộ nguồn tuyến tính truyền thống.
Chế độ chuyển đổi Nguồn cung cấp Nguyên tắc làm việc
Nguồn cung cấp chế độ chuyển mạch bao gồm một mạch phức tạp chứa một loạt các mạch phụ điện tử công suất để chuyển đổi hiệu quả nguồn điện từ điện áp này sang điện áp khác.
Một SMPS điển hình có sơ đồ khối sau với các phần phụ chính sau:
- Giai đoạn đầu vào
- Giai đoạn chuyển đổi
- Giai đoạn đầu ra
- Mạch điều khiển
Giai đoạn đầu vào
Giai đoạn đầu vào nguồn thường bao gồm một chỉnh lưu toàn phần hoặc nửa cầu mạch lấy nguồn AC làm đầu vào và xuất ra một đầu ra DC được lọc có cùng điện áp. Ví dụ, giai đoạn này có thể chuyển đổi 110V AC sang 110V DC. Giai đoạn này cũng chứa các bộ lọc LC bổ sung (cuộn cảm và tụ điện) để loại bỏ thêm bất kỳ gợn sóng nào khỏi nguồn điện đầu vào.
Công tắc tần số cao
Đây là giai đoạn quan trọng nhất của bộ nguồn. Thông thường, một SMPS có MOSFET nguồn (một hoặc nhiều) làm thiết bị chuyển mạch chính. Tín hiệu PWM nhanh chóng bật và tắt MOSFET để hoạt động như một công tắc. Điều này chuyển đổi điện áp DC được làm mịn từ đầu vào thành sóng vuông tần số cao. Thiết bị chuyển mạch hoạt động trong chế độ dẫn liên tục trong hầu hết các nguồn cung cấp để đạt được hiệu quả chuyển đổi tốt hơn.
Nguồn cung cấp dao động này được đưa vào một máy biến áp, máy biến áp này sẽ hạ hoặc tăng điện áp theo tỷ lệ cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Một số bộ nguồn có nhiều cuộn dây cho mục đích phản hồi và để thu được nhiều điện áp đầu ra.
Giai đoạn đầu ra
Đầu ra từ máy biến áp cũng là một dạng sóng dao động, được lọc thêm bởi tầng đầu ra. Giai đoạn này cũng chứa các bộ lọc tương tự như giai đoạn đầu vào, nhưng có thể xử lý nhiều dòng điện hơn ở điện áp thấp hơn. Đây là giai đoạn cuối cùng của mạch và xuất nguồn cho tải được kết nối.
Mạch điều khiển
Thiết bị chuyển mạch (bóng bán dẫn hoặc MOSFET) cần bật và tắt nhanh chóng để tạo ra sóng vuông cần thiết để cấp nguồn cho máy biến áp sử dụng tín hiệu PWM. Tín hiệu PWM này có cả tần số và chu kỳ nhiệm vụ. Chu kỳ nhiệm vụ là tỷ lệ giữa thời gian đúng giờ và tổng thời gian trên mỗi chu kỳ. Điện áp đầu ra của SMPS có thể được điều khiển bằng cách tăng hoặc giảm chu kỳ hoạt động của tín hiệu PWM được cấp cho bóng bán dẫn.
Khi một tải được kết nối, nó bắt đầu tạo ra dòng điện và điện áp đầu ra của SMPS giảm xuống. Tại thời điểm này, một mạch riêng biệt cần được cảnh báo để theo dõi điện áp đầu ra và khi nó giảm xuống, cần phải tăng chu kỳ nhiệm vụ tín hiệu PWM. Tương tự, khi ngắt tải, mạch phản hồi sẽ giảm chu kỳ làm việc để duy trì điện áp đầu ra mong muốn.
Cấu trúc liên kết SMPS là gì
Có nhiều cấu trúc liên kết được sử dụng trong các nguồn cung cấp điện chế độ chuyển mạch thương mại:
- Mau lên
- Cấu trúc liên kết buck là cấu trúc liên kết giảm dần điện áp DC-DC không bị cô lập. (tức là 24VDC đến 12VDC)
- Chúng rút ra ít dòng điện trung bình hơn từ đầu vào và cung cấp dòng điện cao hơn cho đầu ra.
- Một ví dụ về bộ chuyển đổi buck là bộ nguồn máy tính, trong đó nguồn điện chính 12V được chuyển xuống để cấp nguồn cho bộ điều khiển 5V USB và 1.8V DRAM.
- Tăng
- Đây là cấu trúc liên kết nâng cấp điện áp DC-DC không bị cô lập. (3.7VDC đến 5VDC)
- Bộ chuyển đổi tăng cường hút nhiều dòng hơn từ đầu vào và đầu ra ít dòng hơn ở điện áp cao hơn cho tải.
- Các hệ thống chạy bằng pin như hệ thống chiếu sáng di động đến xe điện sử dụng bộ chuyển đổi tăng hiệu suất cao để chuyển đổi điện áp thấp hơn thành điện áp cao hơn để cung cấp năng lượng cho các thiết bị.
- Buck của tăng
- Sự kết hợp của cấu trúc liên kết Buck và Boost. Các mạch này có thể tăng hoặc giảm một đầu vào theo một đầu ra mong muốn.
- Bộ chuyển đổi Buck / boost được sử dụng khi điện áp đầu vào có thể cao hơn hoặc thấp hơn điện áp đầu ra mong muốn. Sử dụng bộ chuyển đổi như vậy, chúng tôi luôn có thể đảm bảo rằng nó sẽ cung cấp điện áp đầu ra mong muốn bất kể điện áp đầu vào là bao nhiêu. Tuy nhiên, điều này thường đi kèm với các hạn chế như dải điện áp đầu vào (điện áp đầu vào tối thiểu và tối đa.
Các cấu trúc liên kết nêu trên là các cấu trúc liên kết đơn giản nhất. Tuy nhiên, chúng không cung cấp khả năng cách ly điện như máy biến áp. Do đó, có nhiều cấu trúc liên kết tiên tiến hơn sử dụng các máy biến áp phức tạp hơn để cung cấp các tính năng an toàn cần thiết trong khi vẫn cung cấp cùng một chức năng.
- Bay về
- Một phiên bản cải tiến của bộ chuyển đổi buck cung cấp chức năng tương tự với tính năng cách ly điện.
- Công cụ chuyển tiếp
- Cấu trúc liên kết SMPS cô lập hiệu quả hơn cấu trúc liên kết flyback.
Mạch cung cấp nguồn chế độ chuyển đổi
Mặc dù việc điều khiển SMPS nghe có vẻ phức tạp và khó xử lý hơn, nhưng có các IC điều khiển SMPS chuyên dụng như TNY267, TEA173X và VIPER22A được tích hợp bộ tạo PWM và nhiều chức năng nâng cao khác như điều khiển phản hồi và bảo vệ ngắn mạch / quá áp.
Dưới đây là ứng dụng điển hình của TNY267 by Power Integrations, một bộ điều khiển SMPS chế độ ngoại tuyến đơn giản, có thể xuất ra 12V 1A DC bằng nguồn AC 230V.
Đầu vào Vin là đầu vào AC 100-300V (cũng có thể là DC) và đầu vào được bảo vệ bằng cầu chì và MOV (Metal Oxide Varistor) để bảo vệ mạch khỏi tăng áp quá áp. Bộ chỉnh lưu cầu D3 và tụ C2 cùng nhau chỉnh lưu tín hiệu AC đầu vào thành DC 100-300V. Điện áp đầu ra của giai đoạn này là khoảng [điện áp đầu vào * 1.4] do các giá trị RMS.
D2 và D4 cùng nhau tạo thành một mạch triệt tiêu thoáng qua để bảo vệ TNY267 khỏi trở lại EMF gai. D1 và C1 chỉnh lưu đầu ra thứ cấp của máy biến áp T1, đây là điện áp đầu ra mong muốn.
R1, D5 và R2 tạo thành mạch hồi tiếp để điều chỉnh điện áp đầu ra theo các điều kiện tải khác nhau. Điều này giúp TNY267 giữ điện áp đầu ra không đổi ở mức 12V.
Ưu điểm và Nhược điểm của Nguồn cung cấp điện ở Chế độ Chuyển đổi
Nguồn điện ở chế độ chuyển mạch có nhiều ưu điểm:
- Kích thước nhỏ hơn do đó có thể phù hợp với các thiết bị nhỏ gọn
- Do các thành phần dựa trên chất bán dẫn, SMPS có trọng lượng nhẹ hơn
- Rất hiệu quả hơn so với nguồn cấp điện tuyến tính (70-95% điển hình)
- Hỗ trợ dải điện áp đầu vào và đầu ra rộng hơn
- Cung cấp các chức năng bổ sung như đầu ra có thể điều chỉnh và các chức năng an toàn như bảo vệ khóa ngắn mạch, quá áp, quá dòng và quá nhiệt
- Tản nhiệt thấp hơn, do đó yêu cầu làm mát tích cực tối thiểu
Tuy nhiên, SMPS cũng có những nhược điểm là đôi khi khiến chúng không phù hợp với một số ứng dụng nhất định. Ví dụ, một SMPS là một mạch phức tạp hơn nhiều so với một mạch tuyến tính truyền thống. Do đó, có rất nhiều thành phần có thể bị trục trặc và cản trở hoạt động của bộ nguồn.
Ngoài ra, SMPS được biết đến với EMI (nhiễu điện từ) cao hơn và nhiễu điện vì chúng hoạt động ở tần số cao. Một SMPS được thiết kế kém có thể gây ra trục trặc và đôi khi thậm chí làm hỏng vĩnh viễn các thiết bị điện tử nhạy cảm được cung cấp bởi chúng.
Trong lĩnh vực công suất, nguồn cung cấp chế độ chuyển mạch cũng tạo ra méo hài trong lưới điện và đôi khi có thể yêu cầu hiệu chỉnh hệ số công suất bổ sung nếu chúng không được tích hợp sẵn trong nguồn cung cấp.
Nguồn điện chế độ tuyến tính so với chuyển mạch
Sự khác biệt chính giữa SMPS và nguồn cung cấp tuyến tính là hiệu quả của chúng. Bộ nguồn ở chế độ chuyển mạch cực kỳ hiệu quả khi so sánh với bộ nguồn tuyến tính, có xu hướng tiêu tán nhiều năng lượng hơn dưới dạng nhiệt.
Bộ nguồn AC-DC tuyến tính thường sử dụng máy biến áp để giảm điện áp AC đầu vào và sau đó chỉnh lưu nó bằng cách sử dụng điốt và bộ lọc sử dụng tụ điện. Điều này cung cấp một đầu ra gợn sóng rất thấp, nhưng với chi phí là giảm hiệu quả (khoảng 30% -60%). Chúng cũng có xu hướng rất cồng kềnh do kích thước và trọng lượng của máy biến hình. Nguồn điện tuyến tính không thể xử lý các điện áp đầu vào khác nhau nếu không được thiết kế đặc biệt.
Mặt khác, bộ chuyển đổi DC-DC tuyến tính làm giảm điện áp bằng cách tiêu tán điện áp bị giảm xuống dưới dạng nhiệt. Do đó, các bộ điều chỉnh tuyến tính cao hiện nay yêu cầu làm mát tích cực, phức tạp hơn để hoạt động bình thường. Tuy nhiên, nguồn cung cấp tuyến tính không hoạt động đơn giản và chi phí thực hiện tương đối thấp. Ngoài ra, đầu ra của nguồn cung cấp tuyến tính (dựa trên máy biến áp) được cách ly.
SMPS trong trường hợp này vượt trội với xếp hạng hiệu suất nằm trong khoảng từ 80% trở lên với mức tổn thất điện năng tối thiểu. Ngoài ra, chúng có kích thước nhỏ và có các ứng dụng linh hoạt vì mạch có thể được thay đổi để có được các đầu ra có thể điều chỉnh và thậm chí cả các đầu ra cô lập. Nhưng chúng phức tạp hơn nhiều trong thiết kế (số lượng thành phần cao) và có nhiễu tần số cao ở đầu ra. Nếu không được giải quyết đúng cách, chúng có thể gây ra sự cố ở các phần nhạy cảm của mạch tải.
Kết luận
Bộ nguồn ở chế độ chuyển mạch rất hiệu quả trong việc chuyển đổi công suất điện từ điện áp này sang điện áp khác. Chúng thích hợp cho các ứng dụng hiệu suất cao, công suất lớn và trong nhiều trường hợp, phù hợp hơn nguồn cung cấp tuyến tính. Tuy nhiên, việc lựa chọn SMPS hoặc nguồn cấp điện tuyến tính nên được thực hiện bằng cách xem xét nhiều yếu tố như độ gợn sóng có thể chấp nhận được trong đầu ra, tải và điều chỉnh đường dây, và chi phí / độ phức tạp trong ứng dụng mong muốn.
