BỘ NGUỒN CHUYỂN MẠCH (Switching Mode Power Supply- SMPS)

Bạn Đang Xem: Bộ nguồn chuyển mạch Switching Mode Power Supply là gì?

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.

SMPS là phòng ban rất quan trọng trong các thiết bị điện tử cầm tay như điện thoại cảm ứng thông minh di động và máy tính xách tay, hoặc những thiết bị được cung cấp nguồn điện chủ yếu từ pin. Thiết bị điện tử như vậy thường chứa nhiều mạch phụ , mỗi mạch phụ này yêu cầu những mức điện áp khác nhau, được cung cấp bởi pin hoặc thiết bị ngoại vi (có thể cao hơn nữa hoặc thấp hơn so với điện áp nguồn). Ngoài ra, điện áp pin giảm khi điện năng lưu trữ của nó đầy. SMPS cung cấp một giải pháp để tăng phần điện áp giảm từ pin lên. Nhờ đó tiết kiệm chi phí được diện tích S thiết bị thay vì sử dụng nhiều pin để thực hiện điều tương tự..

Cấu trúc của một mạch SMPS

Nguyên tắc hoạt động của SMPS

Lúc đầu điện áp AC từ nguồn (AC supply) sẽ tiến hành đưa vào trong 1 bộ chỉnh lưu cầu (Rectifier) mà từ đó nó sẽ tạo ra một điện áp đầu ra DC, sau đó điện áp này sẽ tiến hành lọc bằng một tụ điện lớn (Filter) từ 220 UF cho tới 450V.

Điện áp DC sau lúc 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 này được đưa vào nguồn pin VCC trong PWM (Pulse Width Modulation) hoặc mạch kiểm soát và điều chỉnh điện áp ra tải.

Ngay sau lúc các vi mạch của phòng ban 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 tiến hành 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 đó là B + , thường được cung cấp cho Flyback transitor. Sản lượng điện áp B + thông qua một vòng lặp “phản hồi” (có chứa một vi điều khiển và tinh chỉnh và một vi mạch khuếch đại lỗi TL431) quay trở lại PWM. Khi điện áp B + tăng hay giảm, mạch PWM sẽ hoạt động để kiểm soát và điều chỉnh đầu ra.

Sự kiểm soát và điều chỉnh giảm (buck converter)

Điện năng là một thông số quan trọng trong các thiết kế. Mặc dù một điện trở được chấp nhận điện áp được giảm xuống, nhưng điện năng sẽ bị mất, và trong các thiết bị sử dụng pin ngày này, tiêu thụ điện năng là một yếu tố rất quan trọng. Vì thế cho nên sự kiểm soát và điều chỉnh giảm được sử dụng rộng rãi.

Mạch cơ bản của kiểm soát và điều chỉnh giảm

Mạch cơ bản của kiểm soát và điều chỉnh giảm hoặc chuyển đổi buck gồm có một cuộn cảm, diode, tụ điện , mạch khuếch đại lỗi và mạch điều khiển và tinh chỉnh chuyển đổi.

Xem Thêm : Đường đơn là gì? Nhóm phân tử đường nào là đường đơn?

Mạch kiểm soát và điều chỉnh giảm hoạt động bằng phương pháp thay đổi lượng thời kì mà trong đó cuộn cảm nhận được điện năng từ các nguồn. Trong sơ đồ khối cơ bản về hoạt động của cục 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 và tinh chỉnh chuyển đổi.

Phương pháp hoạt động của kiểm soát và điều chỉnh giảm

Sự kiểm soát và điều chỉnh giảm có thể được giảng giải thêm bằng phương pháp kiểm tra các dạng sóng của dòng điện tại nhiều thời khắc khác nhau trong cùng một chu kỳ luân hồi tổng thể.

Trong sơ đồ bên, có thể thấy được rằng dòng điện trong dây dẫn là tổng của rất nhiều diode và nguồn vào / chuyển đổi dòng điện chứ nó không chỉ tồn tại trong bộ chuyển đổi hoặc các diode. Cần phải lưu ý thêm là mức dòng điện trung bình nguồn vào sẽ nhỏ hơn so với mức dòng điện trung bình đầu ra. Khi đó chuyển đổi buck được hoàn thành, điện áp đầu ra sẽ nhỏ hơn điện áp nguồn vào.

Giả sử một mạch là hoàn hảo, khi đó điện áp nguồn vào bằng điện áp đầu ra, tức là V-in = V-out. Trong lúc trong thực tế sẽ có được một số hao hụt, một mạch được thiết kế tốt sẽ có được mức hiệu quả là 85% trở lên. Nó cũng cho ta thấy rằng có một tụ điện được để ở đầu ra. Tụ này nhằm để đảm bảo điện áp không thay đổi đáng kể, nhất là trong thời kì chuyển đổi và giảm thiểu sự xung gai xẩy ra.

Tụ lọc nguồn vào và đầu ra

Một khía cạnh quan trọng của SMPS là tụ lọc nguồn vào đầu ra. Đây là vấn đề đặc biệt quan trọng vì sự chuyển đổi xẩy ra ngay tại nguồn vào. Trong thực tế thì điện áp đầu ra không chỉ phụ thuộc vào tu đầu ra mà còn vào trong 1 bộ lọc nguồn vào nữa.

Sự kiểm soát và điều chỉnh tăng (boost converter)

Một trong những lợi thế của SMPS là nó có thể được sử dụng để tạo ra một kiểm soát và điều chỉnh tăng hay chuyển đổi boost, được sử dụng trong nhiều trong trường hợp nguồn cung cấp cấp mức điện áp thì nhỏ nhưng lại cần mức điện áp cao hơn nữa để tăng lên công suất.

Mạch cơ bản của kiểm soát và điều chỉnh tăng

Các mạch chuyển đổi boost có nhiều điểm tương đồng với những chuyển đổi buck. Tuy nhiên, cấu trúc liên kết mạch với biến áp là khác nhau. Các thành phần cơ bản trong một mạch chuyển đổi boost gồm có một cuộn cảm, diode, tụ điện, bộ khuếch đại lỗi với mạch điều khiển và tinh chỉnh chuyển đổi.

Mạch kiểm soát và điều chỉnh giảm hoạt động bằng phương pháp thay đổi lượng thời kì mà trong đó cuộn cảm nhận được điện năng từ các nguồn. Trong sơ đồ khối cơ bản về hoạt động của cục 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 và tinh chỉnh chuyển đổi. Thông thường chuyển đổi boost được điều khiển và tinh chỉnh 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 một mực được gắn vào mạch chuyển đổi.

Phương pháp hoạt động của kiểm soát và điều chỉnh tăng

Sự kiểm soát và điều chỉnh tăng có thể được giảng giải thêm bằng phương pháp kiểm tra các dạng sóng của dòng điện tại nhiều thời khắc khác nhau trong cùng một chu kỳ luân hồi tổng thể.

Ta có thể nhìn thấy từ biểu đồ dạng sóng dòng điện đầu ra đã chuyển đổi giảm hơn so với dòng điện nguồn vào. Giả sử một sự chuyển đổi là hoàn hảo thì theo quy luật, điện áp đầu ra to hơn điện áp nguồn vào, khi đó dòng điện đầu ra sẽ nhỏ hơn dòng điện nguồn vào. Trong thực tế, mức độ hiệu quả khoảng chừng từ 85% trở lên có thể đạt được ở hồ hết các nguồn cung cấp cấp.

Xem Thêm : PNL Binance là gì? Hướng dẫn tính PNL trên Binance

Phối hợp kiểm soát và điều chỉnh tăng- giảm

Một chuyển đổi buck đơn giản chỉ có thể sinh sản điện áp đầu ra thấp hơn điện áp nguồn vào, và một bộ chuyển đổi boost chỉ có thể sinh sản điện áp đầu ra cao hơn nữa điện áp nguồn vào. Để cung cấp điện áp trên phạm vi toàn một mạch thì phải sử dụng phối hợp cả kiểm soát và điều chỉnh tăng và giảm (buck-boost). Có rất nhiều ứng dụng mà điện áp cao hơn nữa và thấp hơn so với nguồn vào là bắt buộc. Trong những tình huống đó, một chuyển đổi buck-boost là cấp thiết.

Chuyển đổi buck-boost cung cấp một khả năng to hơn so với chuyển đổi buck và boost đơn lẻ. Có một số cấu hình được sử dụng cho chuyển đổi buck-boost :

+ V-in, V-out -: Cấu hình này của một mạch chuyển đổi buck-boost có những phòng ban tương tự như chuyển đổi buck đơn lẻ hoặc chuyển đổi boost đơn lẻ. Tuy nhiên mạch chuyển đổi buck-boost này sinh sản một điện áp âm đầu ra so với điện áp dương nguồn vào. Điều này còn 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 các cực (gồm có diode) phía trong bộ chuyển đổi buck-boost có thể cung cấp sự đảo chiều từ điện áp dương nguồn vào sang điện áp âm đầu ra.

Ưu điểm và nhược điểm của nguồn chuyển mạch

Dù sử dụng bất kì công nghệ nào cũng xuất hiện ưu và nhược điểm. Điều này cũng đúng với SMPS

Ưu điểm Nhược điểm

1.Hiệu quả cao: Do dạng chuyển đổi là dạng đóng/ ngắt, có thể kiểm soát và 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 S mạch điện

3.Công nghệ linh hoạt: DC-DC converter cung cấp chức năng chuyển đổi linh hoạt cho thiết bị, có thể kiểm soát và điều chỉnh tăng mức điện áp (Boost converter) hoặc giảm (Buck conveter) hoặc phối hợp cả hai..

1. Nhiễu xung (noise): Các xung gai xẩy ra thoáng qua từ hành động đóng ngắt chính sách SMPS là một trong những vấn đề lớn số 1. 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 lạ nhiễu RF – nhiễu tần số vô tuyến (RF noise) (*) và có thể ảnh hưởng tác động đến những vùng phụ cận khác của thiết bị điện tử, nhất là nếu chúng nhận được tín hiệu radio.

2. Các thành phần phía ngoài: SMPS là một mạch chuyển đổi được thiết kế theo chính sách tích hợp thành một mạch duy nhất, nên các thành phần phía ngoài lắp thêm là điều cấp 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 luận ở đâu dòng điện được tiêu thụ, bộ chuyển đổi sẽ là thành phần phía ngoài.

3. Yêu cầu thiết kế trình độ: Điều này là cấp thiết để đảm bảo các SMPS có thể thực hiện những yêu cầu kỹ thuật ngày một phức tạp hơn. Song song đảm bảo các nhiễu xung hạn chế đến mức thấp nhất trong quá trình hoạt động.

Mặc dù còn nhiều thiếu sót, nhưng SMPS là hình thức chủ yếu được sử dụng của rất nhiều nhà sinh sản máy vi tính và các thiết bị ngoại vi. So với các thiết bị yêu cầu độ nhiễu là rất thấp, người ta sẽ thay thế SMPS bằng bộ kiểm soát và điều chỉnh tuyến tính (linear regulator).

Sưu tầm và biên dịch

Tham khảo