Bộ nguồn chuyển mạch Switching Mode Power Supply là gì?

Sơ đồ khối mạch SMPS đơn giản

Các bộ phận của mạch SMPS trong thực tế

• Bridge rectifier : Bộ chỉnh lưu cầu
• Filter capacitor : Tụ lọc
• Start up resistors : Biến trở khởi động
• Chopper / Power FET : Transitor trường ứng FET
• Pulse Width Modulation ( PWM IC ) : Mạch kiểm soát và điều chỉnh điện áp ra tải .
• Current sense resistor : Biến trở dò dòng điện

• Switch mode power transformer : Biến áp SMP
• Optoisolator / optocoupler
• Error Amplifier IC ( TL431 ) : Vi mạch khuếch đại lỗi TL431
• Secondary inductors : Cuộn thứ cấp
• Secondary diodes : Đi – ốt thứ cấp
• Secondary filter capacitors : Tụ lọc thứ cấp

Các bộ phận trong mạch chính SMPS

Các bộ phận trong mạch thứ cấp SMPS

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.

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.

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.

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.

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.

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.

+ 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.

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.