Bộ nguồn chuyển mạch Switching Mode Power Supply là gì?

Bộ nguồn chuyển mạch (Switching Mode Power Supply – SMPS)

Bộ nguồn chuyển mạch (SMPS) là một thành phần điện tử được sử dụng để chuyển đổi từ điện áp khác nhau (thường là điện áp xoay chiều AC) sang điện áp nguồn điện một chiều (DC). Đây cũng là một dạng chuyển đổi năng lượng. Thuật ngữ này có nhiều tên gọi khác nhau như: bộ nguồn chuyển mạch, nguồn xung, nguồn đóng ngắt, bộ chuyển đổi nguồn hoặc Switching Mode Power Supply (SMPS), còn được gọi là DC-DC converter.

SMPS là một phần rất quan trọng trong các thiết bị điện tử cầm tay như điện thoại di động và máy tính xách tay hoặc các thiết bị được cung cấp nguồn điện chủ yếu từ pin. Các thiết bị điện tử như vậy thường chứa nhiều mạch con, mỗi mạch con này yêu cầu mức điện áp khác nhau, được cung cấp bởi pin hoặc thiết bị ngoại vi (có thể có điện áp cao hơn hoặc thấp hơn so với nguồn điện). Ngoài ra, điện áp pin giảm khi pin hết năng lượng. SMPS cung cấp một giải pháp để tăng điện áp từ pin lên. Điều này giúp tiết kiệm diện tích thiết bị thay vì sử dụng nhiều pin để thực hiện chức năng tương tự.

Cấu tạo của mạch SMPS

Nguyên tắc hoạt động của SMPS

Đầu tiên, điện áp AC từ nguồn (AC supply) được đưa vào một bộ chỉnh lưu cầu (Rectifier), từ đó nó tạo ra một điện áp DC đầu ra, sau đó điện áp này được lọc bằng một tụ điện lớn (Filter) từ 220µF đến 450V.

Điện áp DC sau khi được lọc 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 cho tải.

Ngay sau khi các vi mạch của bộ phận PWM nhận được điện áp, chúng tạo ra một tín hiệu để điều khiển transistor trường ứng FET (Field Effect Transistor) và tạo ra một thay đổi trong từ trường của cuộn sơ cấp của biến áp, sau đó là thay đổi trong cuộn dây thứ cấp. Mỗi điện áp xoay chiều được tạo ra bởi các cuộn dây thứ cấp sẽ được lọc và cuối cùng cho ra một điện áp DC.

Trong một màn hình hoặc mạch TV, một trong những điện áp DC chính là B+, thường được cung cấp cho flyback transistor. Điện áp B+ thông qua một vòng lặp “phản hồi” (bao gồm một bộ điều khiển và một vi mạch khuếch đại lỗi TL431) quay trở lại PWM. Khi điện áp B+ tăng hoặc giảm, mạch PWM sẽ hoạt động để điều chỉnh đầu ra.

Có Thể Bạn Quan Tâm :   MTF là gì? Tổng quan về MTF trong giới tài chính

Sự điều chỉnh giảm (buck converter)

Điện năng là một tham số quan trọng trong các thiết kế. Mặc dù một điện trở có thể giảm điện áp, nhưng điện năng sẽ bị mất, đặc biệt là trong các thiết bị sử dụng pin ngày nay, việc tiêu thụ điện năng là rất quan trọng. Do đó, 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, một diode, một tụ điện, một mạch khuếch đại lỗi và một mạch điều khiển chuyển đổi.

Mạch điều chỉnh giảm hoạt động bằng cách thay đổi thời gian mà cuộn cảm nhận được điện năng từ các nguồn. Trong sơ đồ khối cơ bản của bộ chuyển đổi buck, điện áp đầu ra xuất hiện trên tải và được bộ khuếch đại lỗi phát hiện, sau đó một điện áp lỗi được tạo ra để điều khiển chuyển đổi.

Cách thức hoạt động của điều chỉnh giảm

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, có thể thấy rằng dòng điện trong dây dẫn là tổng của dòng đi từ các nguồn và dòng đi cuộn cảm. Cần chú ý rằng dòng điện trong bộ chuyển đổi buck được tạo ra từ đầu vào/đầu ra của cuộn cảm, không chỉ tồn tại trong chính bộ chuyển đổi hoặc diode. Thêm vào đó, dòng điện trung bình đầu vào sẽ nhỏ hơn dòng điện trung bình đầu ra. Khi chuyển đổi buck được hoàn tất, điện áp đầu ra sẽ nhỏ hơn điện áp đầu vào.

Giả sử một bộ chuyển đổi hoàn hảo, khi đó điện áp đầu vào bằng điện áp đầu ra, tức là V-in = V-out. Trong thực tế, sẽ có một số tổn thất, nhưng một bộ chuyển đổi thiết kế tốt sẽ có hiệu suất từ 85% trở lên. Tụ điện được đặt ở đầu ra để đảm bảo điện áp không thay đổi đáng kể, đặc biệt là trong quá trình chuyển đổi và giảm thiểu sự xung đột xảy ra.

Tụ lọc đầu vào và đầu ra

Một khía cạnh quan trọng của SMPS là tụ lọc đầu vào và đầu ra. Điều này rất quan trọng vì quá trình chuyển đổi xảy ra ngay tại đầu vào. Thực tế là điện áp đầu ra không chỉ phụ thuộc vào tụ đầu ra mà còn phụ thuộc vào bộ lọc đầu vào.

Sự điều chỉnh tăng (boost converter)

Một trong những ưu điểm của SMPS là nó có thể sử dụng để tạo ra một điều chỉnh tăng hoặc chuyển đổi boost, được sử dụng trong nhiều trường hợp khi nguồn cung cấp yêu cầu mức điện áp nhỏ hơn nhưng cần mức điện áp cao hơn để tăng công suất.

Có Thể Bạn Quan Tâm :   Vía nặng là gì? Dấu hiệu nhận biết và cách hóa giải vía nặng đơn giản

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 quan đến biến áp khác nhau. Các thành phần cơ bản trong một mạch chuyển đổi boost bao gồm một cuộn cảm, một diode, một tụ điện, một bộ khuếch đại lỗi với mạch điều khiển chuyển đổi.

Mạch điều chỉnh tăng hoạt động bằng cách thay đổi thời gian mà cuộn cảm nhận được điện năng từ các nguồn. Trong sơ đồ khối cơ bản của bộ chuyển đổi boost, điện áp đầu ra xuất hiện trên tải và được bộ khuếch đại lỗi phát hiện, 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, do đó thường có một bộ dao động tần số cố định được gắn vào mạch chuyển đổi.

Cách thức hoạt động của điều chỉnh tăng

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.

Chúng ta có thể thấy từ biểu đồ dạng sóng dòng điện đầu ra đã chuyển đổi giảm so với dòng điện đầu vào. Giả sử một chuyển đổi là hoàn hảo, theo quy tắc, điện áp đầu ra sẽ lớn hơn điện áp đầu vào, do đó dòng điện đầu ra sẽ nhỏ hơn dòng điện đầu vào. Trong thực tế, hiệu suất khoảng từ 85% trở lên có thể được đạt được trong 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 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 bộ một mạch, cần sử dụng kết hợp cả điều chỉnh tăng và giảm (buck-boost). Có nhiều ứng dụng yêu cầu mức điện áp cao hơn hoặc thấp hơn so với đầu vào. Trong những tình huống như vậy, một chuyển đổi buck-boost là cần thiết.

Chuyển đổi buck-boost cung cấp khả năng lớn hơn so với các 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 thành phần tương tự như chuyển đổi buck đơn lẻ hoặc chuyển đổi boost đơn lẻ. Tuy nhiên, mạch chuyển đổi buck-boost này tạo ra một điện áp đầu ra âm so với điện áp dương đầu vào. Điều này có thể được yêu cầu đối với một số thiết bị, nhưng nó không phổ biến.

Có Thể Bạn Quan Tâm :   HR Intern là gì? Vị trí thực tập sinh gồm những công việc gì?

Khi mạch đóng kín, dòng điện chạy qua dây dẫn, trong khi mạch mở thì dòng điện trong dây dẫn sẽ chảy qua diode đến tải. Rõ ràng là các tín hiệu (bao gồm diode) phía trong bộ chuyển đổi buck-boost có thể đảo ngược từ điện áp dương đầu vào thành điện áp âm đầu ra.

Ưu điểm và nhược điểm của nguồn chuyển mạch

Dù sử dụng bất kỳ công nghệ nào, đều có ưu và nhược điểm. Điều này cũng đúng với SMPS.

Ưu điểm:

  • Hiệu suất cao: Do phương thức chuyển đổi là chế độ mở/ ngắt, có thể điều chỉnh nhanh chóng chỉ với lệnh ON hoặc OFF. Do đó, mức tản nhiệt thấp hơn và đảm bảo hiệu suất cao.
  • Kích thước nhỏ, ít chiếm diện tích mạch điện:
  • Công nghệ linh hoạt: DC-DC converter cung cấp chức năng chuyển đổi linh hoạt cho thiết bị, có thể tăng mức điện áp (Boost converter) hoặc giảm (Buck converter) hoặc kết hợp cả hai.

Nhược điểm:

  • Nhiễu xung (noise): Các xung gai xảy ra trong quá trình chuyển đổi mở và ngắt của SMPS là một trong những vấn đề chính. Các xung gai có thể lây lan đến khắp nơi trong mạch nếu không được lọc đúng cách. Ngoài ra, các xung gai có thể gây ra nhiễu RF – nhiễu tần số vô tuyến (RF noise) (*) và có thể ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử khác, đặc biệt là nếu chúng nhận tín hiệu radio.
  • Các thành phần bên ngoài: SMPS là một mạch chuyển đổi tích hợp thành một mạch duy nhất, vì vậy các thành phần bên ngoài là cần thiết. Đặc biệt là các tụ điện và bộ lọc. Trong một số thiết kế, các thành phần mở/ngắt có thể được tích hợp trong mạch tích hợp, nhưng bất kỳ nơi nào có dòng điện tiêu thụ, bộ chuyển đổi sẽ là thành phần bên ngoài.
  • Yêu cầu thiết kế chuyên môn: Điều này là cần thiết để đảm bảo rằng SMPS có thể đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật ngày càng phức tạp hơn. Đồng thời đảm bảo giảm thiểu tối đa các xung đột trong quá trình hoạt động.

Mặc dù vẫn còn một số nhược điểm, SMPS là hình thức chuyển đổi chủ yếu được sử dụng trong các sản phẩm máy tính và các thiết bị ngoại vi. Đối với các thiết bị yêu cầu độ nhiễu thấp, SMPS có thể được thay thế bằng bộ điều chỉnh tuyến tính (linear regulator).

Sưu tầm và biên soạn.

Bài viết liên quan

Back to top button