BỘ NGUỒN CHUYỂN MẠCH
(Switching Mode Power Supply- SMPS)
Bộ nguồn chuyển mạch Swiching mode Power Suppy (SMPS) là gì?
Bộ nguồn chuyển mạch Swiching Mode Power Suppy là một mạch điện tử có tác dụng chuyển đổi từ một điện áp cấp khác (thường là điện áp của nguồn xoay chiều AC) sang điện áp nguồn điện một chiều (DC). Nó cũng là một dạng của chuyển đổi năng lượng. Có rất nhiều tên gọi cho thuật ngữ này như :bộ nguồn chuyển mạch hay nguồn xung, nguồn đóng ngắt, bộ chuyển đổi nguồn. Hoặc Switching Mode Power Supply (SMPS), còn gọi là DC-DC converter.
Bạn đang đọc: Bộ nguồn chuyển mạch Switching Mode Power Supply là gì?
SMPS là bộ phận rất quan trọng trong những thiết bị điện tử cầm tay như điện thoại di động và máy tính xách tay, hoặc những thiết bị được phân phối nguồn điện hầu hết từ pin. Thiết bị điện tử như vậy thường chứa nhiều mạch phụ, mỗi mạch phụ này nhu yếu những mức điện áp khác nhau, được cung ứng bởi pin hoặc thiết bị ngoại vi ( hoàn toàn có thể cao hơn hoặc thấp hơn so với điện áp nguồn ). Ngoài ra, điện áp pin giảm khi điện năng tàng trữ của nó đầy. SMPS phân phối một giải pháp để tăng phần điện áp giảm từ pin lên. Nhờ đó tiết kiệm ngân sách và chi phí được diện tích quy hoạnh thiết bị thay vì sử dụng nhiều pin để thực thi điều tương tự như ..
Cấu tạo của một mạch SMPS
![]() |
Sơ đồ khối mạch SMPS đơn giản |
![]() |
Các bộ phận của mạch SMPS trong thực tế |
|
|
![]() |
![]() |
Các bộ phận trong mạch chính SMPS |
Các bộ phận trong mạch thứ cấp SMPS |
Nguyên tắc hoạt động của SMPS
Ban đầu điện áp AC từ nguồn (AC supply) sẽ được đưa vào một bộ chỉnh lưu cầu (Rectifier) mà từ đó nó sẽ tạo ra một điện áp đầu ra DC, sau đó điện áp này sẽ được lọc bằng một tụ điện lớn (Filter) từ 220 UF cho đến 450V.
Điện áp DC sau khi được lọc sẽ đi qua biến áp (transformer). Khi điện áp vượt qua ngưỡng điện trở của biến áp, điện áp sẽ giảm xuống và sau đó được đưa vào nguồn pin VCC trong PWM (Pulse Width Modulation) hoặc mạch điều chỉnh điện áp ra tải.
Ngay sau khi các vi mạch của bộ phận PWM thu được điện áp, nó sẽ tạo ra một tín hiệu để chạy transitor trường ứng FET (Field Effect Transitor) và tạo ra một thay đổi trong từ trường trên cuộn sơ cấp của biến áp và sau đó là thay đổi trong các cuộn dây thứ cấp. Mỗi điện áp xoay chiều được tạo ra bởi các cuộn dây thứ cấp đều sẽ được lọc, và cuối cùng cho ra một điện áp DC.
Trong một màn hình hiển thị hoặc mạch TV, một trong những điện áp đầu ra DC chính là B +, thường được cung ứng cho Flyback transitor. Sản lượng điện áp B + trải qua một vòng lặp ” phản hồi ” ( có chứa một vi tinh chỉnh và điều khiển và một vi mạch khuếch đại lỗi TL431 ) quay trở lại PWM. Khi điện áp B + tăng hay giảm, mạch PWM sẽ hoạt động giải trí để kiểm soát và điều chỉnh đầu ra .
Sự điều chỉnh giảm (buck converter)
Điện năng là một tham số quan trọng trong những phong cách thiết kế. Mặc dù một điện trở được cho phép điện áp được giảm xuống, nhưng điện năng sẽ bị mất, và trong những thiết bị sử dụng pin ngày này, tiêu thụ điện năng là một yếu tố rất quan trọng. Vì thế vì vậy sự kiểm soát và điều chỉnh giảm được sử dụng thoáng đãng .
Mạch cơ bản của điều chỉnh giảm
![]() |
Mạch cơ bản của kiểm soát và điều chỉnh giảm hoặc quy đổi buck gồm có một cuộn cảm, diode, tụ điện, mạch khuếch đại lỗi và mạch tinh chỉnh và điều khiển quy đổi . Mạch điều chỉnh giảm hoạt động bằng cách thay đổi lượng thời gian mà trong đó cuộn cảm nhận được điện năng từ các nguồn. Trong sơ đồ khối cơ bản về hoạt động của bộ chuyển đổi buck, ta có thể thấy rằng điện áp đầu ra xuất hiện trên tải được bộ khuếch đại lỗi phát hiện ra và ngay sau đó một điện áp lỗi được tạo ra để điều khiển chuyển đổi. |
Cách thức hoạt động của điều chỉnh giảm
![]() |
Khi mạch đóng, điện áp xuất hiện trên dây dẫn là Vin – Vout. Sử dụng các phương trình điện dẫn, dòng điện trong dây dẫn sẽ tăng lên đạt mức (Vin-Vout) / L. Tại thời điểm này diode D ở trạng thái đảo chiều và không điều khiển. |
|
Khi mạch mở, dòng điện vẫn phải chạy trong dây dẫn, như thế dòng điện vẫn chảy qua cuộn cảm và vào tải. Các diode D đảo chiều trở lại với một dòng điện trong diode bằng I-out chảy qua nó. Với mạch mở, sự phân cực của điện áp thông qua dây dẫn đã đảo ngược và do đó dòng điện qua cuộn cảm giảm dần theo độ dốc bằng -Vout / L. |
![]() |
Sự kiểm soát và điều chỉnh giảm hoàn toàn có thể được lý giải thêm bằng cách kiểm tra những dạng sóng của dòng điện tại nhiều thời gian khác nhau trong cùng một chu kỳ luân hồi tổng thể và toàn diện . Trong sơ đồ bên, hoàn toàn có thể thấy được rằng dòng điện trong dây dẫn là tổng của những diode và nguồn vào / quy đổi dòng điện chứ nó không chỉ sống sót trong bộ chuyển đổi hoặc những diode. Cần phải quan tâm thêm là mức dòng điện trung bình đầu vào sẽ nhỏ hơn so với mức dòng điện trung bình đầu ra. Khi đó quy đổi buck được hoàn tất, điện áp đầu ra sẽ nhỏ hơn điện áp nguồn vào . Giả sử một mạch là hoàn hảo, khi đó điện áp đầu vào bằng điện áp đầu ra, tức là V-in = V-out. Trong khi trong thực tế sẽ có một số hao hụt, một mạch được thiết kế tốt sẽ có mức hiệu quả là 85% trở lên. Nó cũng cho ta thấy rằng có một tụ điện được đặt ở đầu ra. Tụ này nhằm để đảm bảo điện áp không thay đổi đáng kể, đặc biệt là trong thời gian chuyển đổi và giảm thiểu sự xung gai xảy ra. |
Tụ lọc đầu vào và đầu ra
Một góc nhìn quan trọng của SMPS là tụ lọc nguồn vào đầu ra. Đây là yếu tố đặc biệt quan trọng vì sự quy đổi xảy ra ngay tại nguồn vào. Trong thực tiễn thì điện áp đầu ra không riêng gì phụ thuộc vào vào tu đầu ra mà còn vào một bộ lọc nguồn vào nữa .
Sự điều chỉnh tăng (boost converter)
Một trong những lợi thế của SMPS là nó hoàn toàn có thể được sử dụng để tạo ra một kiểm soát và điều chỉnh tăng hay quy đổi boost, được sử dụng trong nhiều trong trường hợp nguồn cung ứng mức điện áp thì nhỏ nhưng lại cần mức điện áp cao hơn để ngày càng tăng hiệu suất .
Mạch cơ bản của điều chỉnh tăng
![]() |
Các mạch quy đổi boost có nhiều điểm tương đương với những quy đổi buck. Tuy nhiên, cấu trúc link mạch với biến áp là khác nhau. Các thành phần cơ bản trong một mạch quy đổi boost gồm có một cuộn cảm, diode, tụ điện, bộ khuếch đại lỗi với mạch điều khiển và tinh chỉnh quy đổi . Mạch điều chỉnh giảm hoạt động bằng cách thay đổi lượng thời gian mà trong đó cuộn cảm nhận được điện năng từ các nguồn. Trong sơ đồ khối cơ bản về hoạt động của bộ chuyển đổi boost, ta có thể thấy rằng điện áp đầu ra xuất hiện trên tải được bộ khuếch đại lỗi phát hiện ra và ngay sau đó một điện áp lỗi được tạo ra để điều khiển chuyển đổi. Thông thường chuyển đổi boost được điều khiển bởi một bộ PWM, dòng điện được rút ra bởi tải và điện áp có xu hướng giảm nên thường có một bộ giao động tần số cố định được gắn vào mạch chuyển đổi. |
Cách thức hoạt động của điều chỉnh tăng
![]() |
Hoạt động của bộ chuyển đổi tăng là tương đối đơn giản. Khi công tắc ở trạng thái ON, dòng điện trong dây dẫn được kết nối với dây nối đất và điện áp V-in được đặt trên nó. Dòng điện trong dây dẫn tăng lên bằng với mức V-in / L. Khi công tắc ở trạng thái OFF, điện áp trên cuộn cảm thay đổi một giá trị bằng Vout-Vin. Dòng điện chạy trong dây dẫn giảm một giá trị bằng (Vout-Vin) / L. |
![]() |
Sự kiểm soát và điều chỉnh tăng hoàn toàn có thể được lý giải thêm bằng cách kiểm tra những dạng sóng của dòng điện tại nhiều thời gian khác nhau trong cùng một chu kỳ luân hồi tổng thể và toàn diện .
Ta có thể nhìn thấy từ biểu đồ dạng sóng dòng điện đầu ra đã chuyển đổi giảm hơn so với dòng điện đầu vào. Giả sử một sự chuyển đổi là hoàn hảo thì theo quy luật, điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào, khi đó dòng điện đầu ra sẽ nhỏ hơn dòng điện đầu vào. Trong thực tế, mức độ hiệu quả khoảng từ 85% trở lên có thể đạt được ở hầu hết các nguồn cung cấp. |
Kết hợp điều chỉnh tăng- giảm
Một quy đổi buck đơn thuần chỉ hoàn toàn có thể sản xuất điện áp đầu ra thấp hơn điện áp nguồn vào, và một bộ chuyển đổi boost chỉ hoàn toàn có thể sản xuất điện áp đầu ra cao hơn điện áp nguồn vào. Để cung ứng điện áp trên khoanh vùng phạm vi toàn một mạch thì phải sử dụng tích hợp cả kiểm soát và điều chỉnh tăng và giảm ( buck-boost ). Có rất nhiều ứng dụng mà điện áp cao hơn và thấp hơn so với nguồn vào là bắt buộc. Trong những trường hợp đó, một quy đổi buck-boost là thiết yếu .
Chuyển đổi buck-boost cung ứng một năng lực lớn hơn so với quy đổi buck và boost đơn lẻ. Có 1 số ít thông số kỹ thuật được sử dụng cho quy đổi buck-boost :
![]() |
+ V-in, V-out -: Cấu hình này của một mạch chuyển đổi buck-boost có các bộ phận tương tự như chuyển đổi buck đơn lẻ hoặc chuyển đổi boost đơn lẻ. Tuy nhiên mạch chuyển đổi buck-boost này sản xuất một điện áp âm đầu ra so với điện áp dương đầu vào. Điều này có thể được yêu cầu cung cấp cho một số ít thiết bị, tuy nhiên nó không phải là dạng thông dụng. Khi mạch đóng, dòng điện chạy qua dây dẫn. Khi mach mở, dòng điện trong dây dẫn sẽ qua diode đến tải. Rõ ràng là những cực ( gồm có diode ) phía trong bộ chuyển đổi buck-boost hoàn toàn có thể phân phối sự hòn đảo chiều từ điện áp dương nguồn vào sang điện áp âm đầu ra . |
![]() |
+ Vin, Vout +: Dạng mạch thứ hai chuyển đổi buck-boost cho phép cả hai điện áp đầu vào và đầu ra đều cùng cực. Trong mạch này, cả hai công tắc đều hoạt động cùng lúc, tức là cả hai đều là đóng hoặc mở. Khi công tắc mở, dòng điện trong dây dẫn được hình thành. Dây dẫn đưa dòng điện đến tải thông qua sự kết hợp của 2 diode D1 và D2. |
Ưu điểm và nhược điểm của nguồn chuyển mạch
Dù sử dụng bất kể công nghệ tiên tiến nào cũng có ưu và điểm yếu kém. Điều này cũng đúng với SMPS
Ưu điểm |
Nhược điểm |
---|---|
1.Hiệu quả cao: Do dạng chuyển đổi là dạng đóng/ ngắt, có thể điều chỉnh hàng loạt chỉ với lệnh ON hoặc OFF. Do đó mức tản nhiệt thấp hơn và mang lại hiệu quả cao. 2.Nhỏ, gọn, ít chiếm diện tích mạch điện 3.Công nghệ linh hoạt: DC-DC converter cung cấp chức năng chuyển đổi linh hoạt cho thiết bị, có thể điều chỉnh tăng mức điện áp (Boost converter) hoặc giảm (Buck conveter) hoặc kết hợp cả hai.. |
1. Nhiễu xung (noise): Các xung gai xảy ra thoáng qua từ hành động đóng ngắt chế độ SMPS là một trong những vấn đề lớn nhất. Các xung gai có thể lan ra mọi vùng trong mạch nếu các gai không được lọc đúng cách. Ngoài ra các xung gai có thể gây ra hiện tượng nhiễu RF – nhiễu tần số vô tuyến (RF noise) (*) và có thể ảnh hưởng đến những vùng lân cận khác của thiết bị điện tử, đặc biệt là nếu chúng nhận được tín hiệu radio. 2. Các thành phần bên ngoài: SMPS là một mạch chuyển đổi được thiết kế theo chế độ tích hợp thành một mạch duy nhất, nên các thành phần bên ngoài lắp thêm là điều cần thiết. Rõ ràng nhất là các tụ điện và các bộ lọc. Trong một số thiết kế, các nhân tố đóng ngắt có thể được kết nối trong các mạch tích hợp, nhưng bất cứ chỗ nào dòng điện được tiêu thụ, bộ chuyển đổi sẽ là thành phần bên ngoài. 3. Yêu cầu thiết kế chuyên môn: Điều này là cần thiết để đảm bảo các SMPS có thể thực hiện những yêu cầu kỹ thuật ngày một phức tạp hơn. Đồng thời đảm bảo các nhiễu xung hạn chế đến mức thấp nhất trong quá trình hoạt động. |
Mặc dù còn nhiều khuyết điểm, nhưng SMPS là hình thức chủ yếu được sử dụng của các nhà sản xuất máy vi tính và các thiết bị ngoại vi. Đối với các thiết bị yêu cầu độ nhiễu là rất thấp, người ta sẽ thay thế SMPS bằng bộ điều chỉnh tuyến tính (linear regulator).
Sưu tầm và biên dịch
Bài viết liên quan
Source: https://blogchiase247.net
Category: Hỏi Đáp