Funcționarea sursei de comutare este foarte diferită de cea a sursei de alimentare liniare. În ciuda complexității sale, a costului materialului mai ridicat și a numărului mai mare de piese, alimentarea cu comutare este în continuare topologia de alimentare preferată pe piață în zilele noastre. Motivul principal este eficiența mai mare și densitatea de putere mai mare. Eficiență mai mare înseamnă pur și simplu că doar o mică parte din puterea de intrare este irosită, în timp ce densitatea de putere mai mare înseamnă o putere mai mare este posibilă într-un factor de formă sau dimensiune mai mic.

comutare

Revizuirea sursei de alimentare liniare AC-DC

Transformator 50/60 Hz

Acesta poate fi un pas în sus sau în jos, în funcție de utilizare. În mod obișnuit, aceasta este o versiune redusă, deoarece cererea obișnuită de tensiune de ieșire este mai mică decât nivelul de intrare.

Redresor

Aceasta va converti AC în DC pulsant. Redresorul cel mai frecvent utilizat este tipul de punte cu undă completă, așa cum arată diagrama.

Filtru

Un filtru simplu este un condensator electrolitic. Acest lucru va crește nivelul RMS sau DC al semnalului rectificat.

Regulator

Acest lucru va menține un curent continuu pur la ieșire, astfel încât să nu provoace probleme la sarcini sensibile sau la sistem.

Probleme comune

Eficiența și dimensiunea sunt problema obișnuită asociată unei surse de alimentare liniare AC-DC. De asemenea, este limitat doar pentru aplicațiile cu putere redusă. Pentru o funcționare de mare putere, un transformator de 50/60 Hz va fi foarte mare și costisitor. Tensiunea rectificată secundară filtrată trebuie să fie întotdeauna mai mare decât ieșirea cu o marjă semnificativă, astfel încât regulatorul să poată funcționa corect. Din acest motiv, tensiunea în exces va fi absorbită de regulator, ceea ce va cauza o pierdere uriașă de putere atunci când este înmulțită cu curentul de sarcină. Acesta este motivul pentru care eficiența este foarte slabă. Alimentarea liniară AC-DC nu poate oferi și o gamă largă de intrare. De exemplu, transformatorul este proiectat pentru 220Vac la 20Vac, nu îl mai puteți folosi pentru 110Vac, deoarece nu mai puteți obține 20Vac pe secundar.

Revizuirea unei surse de alimentare liniare DC-DC

Circuitul de mai sus este o sursă de alimentare liniară DC-DC de bază. Este direct și foarte ușor prin faptul că există doar câteva componente. Cu toate acestea, dezavantajul său principal este încă eficiență și limitat doar pentru aplicațiile cu putere redusă. Pentru ca un regulator liniar să se regleze corect, tensiunea sa de intrare trebuie să fie mai mare decât tensiunea de ieșire cu o marjă. Diferența dintre tensiunea de intrare și ieșire este numită de altfel ca tensiune de ieșire. În zilele noastre, există deja un regulator liniar de tensiune scăzută pe piață. O scădere scăzută va introduce în continuare pierderi uriașe de putere la o funcționare cu curent mai mare.

Schema blocului de alimentare cu comutare AC-DC

Mai jos este o diagramă bloc a sursei de alimentare cu modul de comutare AC-DC în două etape. Primul bloc este un redresor cu punte, care are scopul de a converti AC în DC pulsant. Spre deosebire de o sursă de alimentare liniară AC-DC, acest redresor de punte necesită o tensiune ridicată, deoarece vede direct tensiunea de intrare. Convertorul de comutare în prima etapă este de cele mai multe ori un convertor boost care funcționează ca un circuit de corecție a factorului de putere sau PFC. Convertorul Boost are o ieșire mai mare decât intrarea sa. Corecția factorului de putere este necesară pentru comutarea circuitului de putere pentru a corecta forma curentului și a minimiza armonicele. Convertorul Boost este cel mai bun circuit de corecție a factorului de putere activ datorită capacității sale de a extrage curent de la intrare în ambele stări de Q1 (pornit sau oprit). Al doilea convertor de comutare este denumit în mod obișnuit o secțiune DC-DC de către producătorii sau proiectanții de surse de alimentare. Există o mulțime de topologii disponibile pentru rezonanță DC-DC (LLC, serie, paralelă), înainte (ITTF, TTF, tranzistor unic), pod și punte completă pentru a numi câteva. În diagrama de mai jos, secțiunea DC-DC este un convertor rezonant LLC. Ultimul bloc este redresorul de ieșire și filtrul. Pentru aplicații de mare putere, în loc de diode sunt utilizate NMOS.

Diagrama de mai jos este utilizată în mod obișnuit pentru adaptoare și încărcătoare offline de putere redusă. Folosește un singur convertor de comutare pe secțiunea DC-DC, care este convertorul Flyback. Un convertor Flyback este eficient cu o putere nominală de până la 100W. În unele cazuri, Flyback este utilizat până la 200W, atât timp cât sunt îndeplinite cerințele, în special eficiența. Nu mai există o etapă PFC, deoarece puterea tipică sau nominală a acestei configurații este în jur de 80-120W și cerința factorului de putere pentru această gamă de putere nu este atât de strictă. Convertorul Flyback este foarte popular pentru alimentarea offline a modului de comutare offline datorită simplității și numărului mai mic de piese.

Alimentare cu comutare DC-DC

Există mai multe topologii care pot fi utilizate pentru a crea o sursă de alimentare în modul DC-DC. Sub circuit este un convertor DC-DC step down sau cunoscut în mod obișnuit ca un convertor Buck. Convertorul Buck are o tensiune de ieșire mai mică decât intrarea sa.

O altă soluție de alimentare în modul de comutare DC-DC este un convertor de impuls ca în circuitul de mai jos. Un convertor boost are o ieșire mai mare decât intrarea sa.

O combinație de convertor Buck și boost este posibilă și în topologia Buck-Boost. Mai jos este o soluție inversă de impuls. Poate fi configurat să funcționeze atunci când intrarea sa este mai mică decât ieșirea sau invers. Buck-boost non-inversabil este, de asemenea, o opțiune, dar are mai multe componente decât inversarea buck-boost.

Cum funcționează sursele de alimentare cu comutare

Afișăm cased deasupra unora dintre varietățile unei surse de alimentare în modul de comutare, atât în ​​formele AC-DC, cât și DC-DC. Ce face exact un SMPS? Cum este diferit de sursa de alimentare convențională liniară?

Alimentarea în modul de comutare este un fel de sursă de alimentare care utilizează convertorul de comutare ca secțiune de alimentare. Poate fi mai multe convertoare de comutare în cascadă sau în funcțiune paralelă sau unul singur. Convertoarele de comutare sunt inima surselor de alimentare de comutare.

Un convertor de comutare funcționează în principiul pornirii și opririi continue a unui comutator semiconductor. Activarea înseamnă, acționarea comutatorului semiconductor ca MOSFET în saturație în timp ce oprirea înseamnă operarea unui MOSFET întrerupt. La saturație, nu va exista o cădere de tensiune (în mod ideal) pe canalul MOSFET, deci nu există pierderi de energie. Pe de altă parte, la întrerupere, nu va exista curent, deci nu există pierderi de energie. Cu acest principiu, se poate realiza o eficiență foarte ridicată.

În realitate, există o mică pierdere de putere datorită rezistenței la starea de pornire a MOSFET și întârzierii de oprire care provoacă o mică intersecție între tensiune și curent.

Conducerea comutatorului semiconductor la saturație și întrerupere este posibilă printr-un controler PWM. Un controler PWM poate fi o aplicație analogică specifică IC (ASIC) sau o soluție digitală precum MCU, DSC și DSP. Controlerul este, de asemenea, cel care setează reglarea și alte protecții ale circuitului.

Modul în care rezultatul obține regulamentul

Pentru a discuta bine acest lucru, să luăm în considerare un convertor Buck ca mai jos circuit. Principiul este același pentru toți convertoarele de comutare.

Poate ați auzit deja despre sistemul de buclă deschisă și buclă închisă. Un sistem de buclă deschisă nu are capacitatea de a se ajusta pe baza comportamentului de ieșire, dar o buclă închisă are. De exemplu, în circuitul de mai sus (un convertor de comutare buck), reglarea buclei deschise este posibilă asigurând fixarea tensiunii de intrare, sarcina este fixă ​​și ciclul de funcționare poate fi fixat, de asemenea. Pentru un convertor buck, relația ideală a tensiunii de intrare și ieșire este definită de ciclul de funcționare. Pentru convertorul buck, ecuația ciclului de lucru este

Pentru o explicație detaliată a modului în care a derivat ciclul de funcționare al convertizorului Buck, citiți articolul „Derivarea ciclului de funcționare al convertorului Buck”.

De exemplu, tensiunea de intrare este de 20V și tensiunea de ieșire dorită este de 10V, ciclul de funcționare este fixat la 50%. Deci semnalul PWM de pe circuitul de mai sus trebuie să aibă un timp de 50%. Acest lucru este probabil în regulă, atâta timp cât intrarea este fixă ​​și sarcina este, de asemenea, constantă. Cu toate acestea, atunci când există o mică perturbare, ieșirea va deveni cu ușurință nebună, astfel încât este recomandabil să aveți un control de buclă strânsă.

Un control cu ​​buclă închisă are nevoie de un controler bun (un controler de pe raft) sau dacă sunteți foarte bun în sistemul de control, puteți proiecta propriul control analogic sau digital.

Închideți bucla pentru a obține regulamentul

Sub circuit este un convertor DC-DC buck care poate funcționa de la o intrare de 30-60V cu o ieșire de 24V, 75W. Secțiunea de alimentare include NMOS Si7852, dioda SS3H9 și inductorul 47uH. Rezistorul divizor 93.1k și 4.99k cuprinde rețeaua de feedback pentru controlul buclei închise. Tensiunea pe rezistorul de 4,99 k este comparată cu referința internă pe pinul VFB al controlerului.

Nu există nicio modalitate în care ieșirea se va abate de la nivelul stabilit din cauza buclei închise. Mai sus este o soluție directă și mulțumită controlerelor disponibile pe piață în zilele noastre. Principiul care stă la baza controlului prin buclă strânsă este foarte tehnic, dar uită de el, deoarece există multe soluții fără probleme disponibile pe piață.

Pentru a face răspunsul buclei rapid, este necesară o rețea de compensare. În circuitul de mai sus, componentele atașate pinului VC cuprind rețeaua de compensare.

Un pic mai adânc despre operația SMPS

Circuitele care alcătuiau sursele de alimentare de comutare sunt convertoare de comutare. Înțelegerea funcționării convertorului de comutare va clarifica, de asemenea, funcționarea alimentării cu energie a modului de comutare. Permiteți-mi să iau în considerare mai jos un circuit de convertor de impuls. Când PWM este ridicat (MOSFET Q1 saturează), comutatorul Q1 se va porni și de această dată inductorul L1 se va încărca. Dioda D1 va fi inversată polarizată, iar sarcina se va baza numai pe încărcarea condensatorului C1.

Când semnalul PWM este scăzut, Q1 se va întrerupe. Inductorul va rezista la o schimbare bruscă a curentului, astfel că își va inversa polaritatea pentru a susține aceeași direcție de curent. Drept urmare, D1 va fi polarizat înainte și C1 își va reîncărca încărcarea, iar sarcina își va obține puterea din intrare. Inversarea polarității inductorului creează un nivel de tensiune mai mare decât intrarea (efect de creștere). Diagrama de mai jos prezintă formele de undă actuale ale inductorului, diodei și MOSFET în raport cu starea PWM.

Eficiența sursei de alimentare în modul de comutare

Principalul motiv pentru care acest tip de alimentare este atât de popular este capacitatea de a oferi o eficiență mai mare. Mai jos este un tabel al eficienței realizabile pentru alimentarea cu energie a modului de comutare standardizat de 80 plus.

Eficiența se calculează ca

Ploss este pierderile totale ale sursei de alimentare. Anterior am menționat o disipare de putere zero atunci când comutatorul este la saturație sau la întrerupere. În mod ideal, dar nu există un astfel de sistem ideal. Pierderile de sursă de alimentare în modul de comutare provin de la RDSon al MOSFET, pierderi de comutare, pierderi de diode, pierderi de polarizare și pierderi legate de inductor.

Liniile directoare privind proiectarea SMPS

1. Cunoașteți aplicația

Definiți aplicația. De exemplu. la ce aplicație folosește sursa de alimentare, care sunt condițiile înconjurătoare, temperaturile de funcționare și determină dacă forța de răcire a aerului sau convecția naturală. Aerul forțat și convecția naturală au o abordare de proiectare diferită.

2. Definiți puterea

Dacă aplicația dvs. are nevoie de 100W, nu proiectați o sursă de alimentare de 100W. Includeți întotdeauna o marjă de minimum 40% pentru a satisface condițiile de încărcare brute. Dacă bugetul vă permite, puteți proiecta o sursă de alimentare de 200W, astfel încât sarcina dvs. să fie întotdeauna la jumătate din capacitatea sursei de alimentare. Conform rezultatelor testelor, sursa de comutare are cea mai mare eficiență la 50-60% sarcină.

3. Selectați Topologie

Odată ce ai puterea țintă, selectează topologia de utilizat. Pentru putere nominală sub 150W, Flyback este o soluție rentabilă. Cu toate acestea, pentru o cerință de eficiență mai mare, Flyback nu este o opțiune bună. Ați putea lua în considerare soluția de rezonanță. Pentru aplicații de mare putere, de exemplu, în gama de kilowați, puteți lua în considerare o punte completă în secțiunea DC-DC. Pentru aplicațiile DC-DC, utilizați modul buck dacă doriți o tensiune de ieșire mai mică, modul boost pentru o tensiune de ieșire mai mare sau un boost buck, dacă este necesar să combinați cele două.

4. Decideți dacă trebuie să includeți circuitul factorului de putere

Acest lucru depinde de specificații și aplicații. Pentru încărcătoare și adaptor de consum redus, nu este nevoie de o etapă PFC suplimentară. Pentru o putere mare sau dacă doriți să concurați pe piață și să aveți alimentarea certificată, trebuie să includeți un circuit PFC, cum ar fi boost converter.

5. Doriți produsul certificat de organismele EMC?

Dacă da, atunci includeți un filtru EMI în proiectare.

6. Utilizați redresoare sincrone, MOSFET-uri paralele

Dacă aveți nevoie de o eficiență foarte mare, vă recomandăm să folosiți redresor sincron. De asemenea, puteți paralela MOSFET-urile pentru a reduce mai mult pierderea de conducere asociată cu RDSon.

7. Selectați Control

Puteți utiliza controlere analogice specifice aplicațiilor sau puteți alege o soluție digitală precum MCU, DSC sau DSP. Controlerele analogice sunt simple. Ei bine, dacă sunteți bun în sistemele de control, de ce să nu luați în considerare o soluție digitală. Soluția digitală este foarte flexibilă, deoarece puteți include menaj sau monitorizare.

8. Alte lucruri

Selectarea corectă a dispozitivelor, atenție la tensiunea nominală, curentul nominal, precum și puterea. Fii atent la toleranțe. Luați în considerare durata de viață a condensatorilor, ventilatorului și optoizolatoarelor.