000 000 111 111
Bộ nguồn chuyển mạch Switching Mode Power Supply là gì?

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.

SMPS là bộ phận rất quan trọng trong các thiết bị điện tử cầm tay như điện thoại 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 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 được diện tích thiết bị thay vì sử dụng nhiều pin để thực hiện điều tương tự..

Cấu tạo của một mạch SMPS

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 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

 

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 hoặc mạch TV, một trong những điện áp đầu ra DC chính 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 một vi mạch khuếch đại lỗi TL431) quay trở lại PWM. Khi điện áp B + tăng hay giảm, mạch PWM sẽ hoạt động để điều chỉnh đầu ra.

Sự điều chỉnh giảm (buck converter)

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

 

Mạch cơ bản của điều chỉnh giảm

 

Mạch cơ bản của điều chỉnh giảm hoặc chuyển đổi buck bao gồm một cuộn cảm, diode, tụ điện , mạch khuếch đại lỗi và mạch điều khiển chuyển 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 điều chỉnh giảm có thể được giải thích thêm bằng cách kiểm tra các dạng sóng của dòng điện tại nhiều thời điểm khác nhau trong cùng một chu kỳ tổng thể.

Trong sơ đồ bên, có thể thấy được rằng dòng điện trong dây dẫn là tổng của các diode và đầu vào / chuyển đổi dòng điện chứ nó không chỉ tồn tại trong bộ chuyển đổi hoặc các diode. Cần phải chú ý thêm là mức dòng điện trung bình đầu vào sẽ nhỏ hơn so với mức dòng điện trung bình đầu ra. Khi đó chuyển đổi buck được hoàn tất, điện áp đầu ra sẽ nhỏ hơn điện áp đầu 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 khía cạnh quan trọng của SMPS là tụ lọc đầu vào đầu ra. Đây là vấn đề đặc biệt vì sự chuyển đổi xảy ra ngay tại đầu vào. Trong thực tế thì điện áp đầu ra không chỉ phụ thuộc vào tu đầu ra mà còn vào một bộ lọc đầu vào nữa.

Sự điều chỉnh tăng (boost converter)

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

Mạch cơ bản của điều chỉnh tăng

 

Các mạch chuyển đổi boost có nhiều điểm tương đồng với các 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 bao gồm một cuộn cảm, diode, tụ điện, bộ khuếch đại lỗi với mạch điều khiển chuyển 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 điều chỉnh tăng có thể được giải thích thêm bằng cách kiểm tra các dạng sóng của dòng điện tại nhiều thời điểm khác nhau trong cùng một chu kỳ 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 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 chuyển đổi buck đơn giản chỉ có thể sản xuất điện áp đầu ra thấp hơn điện áp đầu vào, và một bộ chuyển đổi boost chỉ có thể sản xuất điện áp đầu ra cao hơn điện áp đầu vào. Để cung cấp điện áp trên phạm vi toàn một mạch thì phải sử dụng kết hợp cả điều chỉnh tăng và giảm (buck-boost). Có rất nhiều ứng dụng mà điện áp cao hơn và thấp hơn so với đầu vào là bắt buộc. Trong những tình huống đó, một chuyển đổi buck-boost là cần thiết.

Chuyển đổi buck-boost cung cấp một khả năng lớn 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 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 các cực (bao gồm diode) phía trong bộ chuyển đổi buck-boost có thể cung cấp sự đảo chiều từ điện áp dương đầu 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 kì công nghệ nào cũng có 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 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

Viết đánh giá

Họ và tên:


Đánh giá của bạn: Lưu ý: Không hỗ trợ HTML!

Bình chọn: Dở            Hay

Nhập mã bảo vệ:



  • LIÊN HỆ NGAY
  • info@tbe.vn
  • Tel: 08-6682 9938
  • Fax: 08-6294 0518   
  • Hotline : 0973.726.513 (Ms Nhung)
  • 0935.242.567 (Ms Hằng)
  • 0909.536.696 (Mr Bảo)