Diagrama de bloques SMPS: Desvelando los secretos de la eficiencia energética

¿Qué es una fuente de alimentación conmutada (SMPS)?

Durante las últimas décadas, hemos confiado en fuentes de alimentación linealesrobusto y sencillo, pero extremadamente ineficaz. ¿Recuerdas esos enormes cargadores de móviles que hacen imposible que quepan dos en un mismo enchufe? O laboratorio fuentes de alimentación de los 80? Eran lineales y estaban rellenos de circuitos electrónicos hecho de transformadores y condensadores.

Ahora, con los avances de la tecnología, las eficiente dispositivos compiten por la cuota de mercado; requieren un nuevo dispositivo . Es entonces cuando Fuentes de alimentación conmutadas empezó a redefinir la Alimentación de CA industria. A diferencia de sus fuentes de alimentación lineales contrapartidas, SMPS no malgaste energía triturando el exceso tensión. Más bien, de forma agresiva y rápida interruptor potencia entrega a la carga, un sello distintivo de alimentación conmutada. Esta notable hazaña aumenta la eficiencia, permitiendo el diseño más pequeño y ligero para superar a las tradicionales y voluminosas fuentes de alimentación lineales. Cada pieza de electrónica de consumodesde pequeñas cargadores de móviles a servidores de datos masivos, se benefician de esta tipo de alimentación. A diagrama de bloques es un primer paso para comprender la circuitos electrónicos y fuente de alimentación electrónica unidades, pero tener una visión de conjunto ayuda a interpretar el gráfico y a parcelar el área de conversión de energía.

El principio básico: cómo logra SMPS la eficiencia

Fuentes de alimentación de alta eficienciatambién conocido como SMPS para Fuentes de alimentación conmutadasutilizan la conmutación de alta frecuencia para realizar tareas como conservación de la energía. A diferencia de los reguladores lineales que agotan la energía por sobrecalentamiento, los SMPS utilizan interruptores semiconductores como los MOSFET que se encienden y apagan con una frecuencia de decenas o cientos de kilohercios. Mientras están en "on estado", la energía se conserva en reactivo componentes como condensadores e inductores, mientras que la energía almacenada se libera durante el "fuera de" a la salida. El encendido y apagado eficientes del sistema reducen significativamente las pérdidas de energía.

Mientras que el ciclo de trabajo o la relación de potencia de "a tiempo" a total "duración del ciclo" se puede utilizar para controlar la tensión de salida, un bucle de control de realimentación ajusta el ciclo de trabajo para un control preciso de la tensión con el fin de mantener una tensión estable independientemente de los cambios en la entrada o la carga. Esto, junto con la entrega controlada, permite un alto rendimiento manteniendo las pérdidas térmicas en niveles bajos, superando con eficacia a las fuentes de alimentación lineales.

Visualización del sistema: Visión general del diagrama de bloques del SMPS

Para entender realmente cómo funciona un SMPS, tenemos que ver su diagrama de bloques. Piense en él como un plano arquitectónico que muestra las principales áreas funcionales y cómo fluyen las señales de alimentación y control entre ellas. Aunque las implementaciones específicas varían mucho en función de la topología (a la que nos referiremos más adelante), los bloques funcionales principales son en gran medida coherentes.

A continuación se muestra un diagrama de bloques simplificado que representa una SMPS AC-DC típica:

Para conocer a fondo cómo funciona un SMPSes esencial estudiar su diagrama de bloques. Piense en un SMPS como un plano arquitectónico, que muestra los principales componentes funcionales y cómo fluyen las señales de alimentación y control entre ellos. Aunque las implementaciones específicas pueden variar en función de la topología (de la que hablaremos más adelante), los bloques funcionales principales se mantienen en gran medida constantes.

A partir del diagrama, he aquí los componentes clave:

• Filtro de entrada: Elimina el ruido eléctrico y garantiza una señal de alimentación limpia en el sistema.

• Rectificador y alisado Filtro: Convierte la CA (corriente alterna) en CC (corriente continua) y reduce la ondulación de la tensión para producir una señal de CC más suave.

• Elemento de conmutación (Chopper): Conecta y desconecta rápidamente la corriente continua de alta tensión a una frecuencia específica, lo que permite controlar la tensión y transferir energía.

• Transformador / Inductor: Reduce (o aumenta) la tensión y aísla galvánicamente las etapas de entrada y salida. En algunas topologías, los inductores almacenan y liberan energía.

• Rectificador de salida: Convierte la CA de alta frecuencia (del transformador) en CC pulsante.

• SalidaFiltro: Suaviza la CC pulsante para producir una salida de CC estable.

• Bucle de retroalimentación: Supervisa continuamente la tensión de salida y envía esta información al circuito de control.

• Circuito de control: Procesa la señal de realimentación y ajusta la actividad de conmutación para mantener una tensión de salida constante.

Comprender la función de cada bloque sienta las bases para dominar el funcionamiento de un SMPS. Analicémoslos uno a uno.

Deconstrucción del diagrama: Función de cada bloque

Vamos a profundizar en el significado de cada uno de estos bloques. Además, exploraremos por qué son necesarios durante el funcionamiento del SMPS.

Etapa de Entrada: Proteger y preparar la alimentación

El principal objetivo de un SMPS AC-DC tiene que ver con la alimentación de red entrante. En la mayoría de los casos, esta alimentación no siempre es limpia debido a la presencia de picos, sobretensiones y ruido de alta frecuencia. Además, existe la posibilidad de que la propia conmutación de alta velocidad del SMPS genere ruido que podría retroalimentarse a la línea de red y perturbar otros dispositivos.

– EntradaEMI/EMC Filtro: Este bloque protege de la entrada de ruido eléctrico externo, así como del ruido generado por la SMPS que sale al Línea CA. X, Y, condensadores, inductancia de modo común e inductancia de modo diferencial habilitan el filtro EMI. Es imprescindible para alcanzar la norma definida de compatibilidad electromagnética EMC-L, y este filtro actúa como la primera línea de defensa. Si no hay un filtrado de entrada eficaz, la SMPS interferirá con toda seguridad con los dispositivos electrónicos que se encuentren en las proximidades del filtro.

– Filtrado EMI posteriorLa etapa de rectificación consiste en girar el Tensión alterna en corriente continua pulsante mediante un puente de diodos. Esta salida se refina en CC mediante un gran condensador electrolítico que actúa como "a granel" o "depósitocondensador". El condensador ahorra energía de los picos de corriente alterna y mantiene una tensión suficiente para que el siguiente circuito funcione eficazmente. Normalmente, la tensión es alta, por ejemplo, aproximadamente 160 V para entrada de 120 V CA y 320 V para entrada de 230 V CA. Para las SMPS de CC, este paso se omite.

El corazón conmutador: Transferencia de energía

Aquí tiene lugar el proceso de "conmutación". La powervolución divide la corriente continua de alto voltaje en flujos de impulsos rápidos.

– El elemento de conmutación (por ejemplo, MOSFET, IGBT): Conocido por permitir la conmutación a alta velocidad, este componente básico requiere un MOSFET en operaciones medias-bajas. El IGBT está muy recomendado en aplicaciones de alta potencia. Este semiconductor actúa como un conmutador electrónico rápido que ordena los circuitos de control. El interruptor tiene dos posicionesEl regulador lineal se enciende por completo con una resistencia muy baja y se apaga por completo con una resistencia muy alta. Dado que la potencia no se disipa significativamente en comparación con un regulador lineal que trabaja en su región activa, esto es ideal.

– PWM Circuitos de control: Cada SMPS tiene su "cerebroque suele ser un circuito integrado controlador PWM. Recibe la señal de realimentación de la salida y produce las ráfagas que hacen funcionar el elemento de conmutación. Si la tensión de salida es demasiado baja, el controlador ordenará que la transferencia de energía aumente en aumentando la anchura del pulso de encendido (ciclo de trabajo). Si la tensión de salida es demasiado alta, el pulso de encendido se reduce (se reduce el ciclo de trabajo) para nivelar la salida. Este proceso es la regulación anticipada de la tensión y ayuda a mantener la tensión de salida dentro de unos límites fijos al cambiar la carga y la tensión de entrada. Los controladores más sofisticados pueden aplicar la modulación de frecuencia de impulsos (PFM) y otras técnicas junto con la PWM.

Transferencia de energía y aislamiento (depende de la topología)

Este paso constituye el núcleo del SMPS diseñoLa tecnología de aislamiento eléctrico es la que gestiona la transferencia real de energía de la entrada a la salida y, a menudo, permite aplicar el aislamiento eléctrico por motivos de seguridad, normativos o de otro tipo.

En su forma más básica, esta función se realiza con un transformador o un inductor, y la elección concreta viene dictada por la topología utilizada en la etapa de potencia. Las diferentes topologías ofrecen distintos niveles de eficiencia, complejidad y aislamiento.

Topologías aisladas - Basadas en transformador

Las operaciones de topologías SMPS como Flyback, Adelante, Medio puentey El puente completo emplea transformadores de alta frecuencia que permiten el acoplamiento de los lados primario y secundario. También proporcionan aislamiento galvánico entre la entrada y la salida, y permiten elevar o reducir la tensión a través de la relación del transformador.

El campo magnético del transformador almacena energía cuando se enciende el interruptor del lado primario, y esa energía se libera al lado secundario después de apagar el interruptor. En comparación con los voluminosos 50 ó 60 hercios utilizados en las fuentes de alimentación lineales, la conmutación a altas frecuencias permite diseños compactos de bajo peso, lo que mejora la densidad de potencia y la eficiencia del diseño.

Topologías no aisladas - Basadas en inductores

En aplicaciones no aisladas, los convertidores más sencillos como Buck, Boost y Buck-Boost utilizan inducción en lugar de transformadores. Estas configuraciones son menos complejas, más asequibles y, a menudo, más eficaces en cuanto a eficiencia energética y regulación del punto de carga.

• En Convertidores BuckLa fase "on" consiste en el encendido de un interruptor, que hace que el inductor almacene energía mientras se descarga a la carga en la fase "off".

• Convertidores Boost almacenan energía temporalmente en inductores y luego la descargan a tensiones más altas que la de entrada dada.

• El convertidor Buck-Boost puede gestionar dinámicamente el ciclo de trabajo, lo que le permite controlar las tensiones de salida para que sean tanto más altas como más bajas que la entrada.

Estas topologías se aplican habitualmente en suministros aislados aguas abajo. Esto es especialmente cierto en los sistemas SMPS multietapa en los que un convertidor primario aislado alimenta varios convertidores CC-CC no aislados situados cerca de la carga.

¿Por qué Topología Importante para la eficiencia

Cada topología tiene méritos basados en:

• Pérdidas de conmutación

• Pérdidas por conducción

• El número de componentes interconectados térmicamente, su recuento y el perfil térmico.

• La adecuación de la topología depende de las relaciones de tensión para transformadores reductores y motores reductores.

Un ejemplo son los convertidores Buck, que son muy eficientes cuando la tensión de entrada es ligeramente superior a la de salida y se reduce utilizando un algoritmo de un solo componente. Topologías aisladas como Adelante o puente completo son más complicados, pero mejoran el aislamiento y la escalabilidad en términos de potencia para aplicaciones avanzadas. Los mejores resultados se consiguen eligiendo la topología adecuada. En garantiza la eficacia, minimización del tamañoy cumplimiento de las normas de seguridad modernas para diseños SMPS.

Etapa de salida: Recuperación y suavizado de la tensión deseada

La tensión de alimentación que debe suministrarse a la carga debe ser una tensión continua suave, por lo que es necesario rectificar el impulso de la bobina secundaria del transformador o del inductor.

• Para forma de pulso AC y DC, Los diodos Schottky de alta velocidad realizarán la rectificación. Para una mayor eficiencia, es preferible utilizar la rectificación síncrona con MOSFETs para minimizar la pérdida de potencia.

• Una LC filtro suavizará la salida y mejorará la calidad de la tensión. La rectificación no elimina todas las ondulaciones y fluctuaciones restantes, sino que la salida se trata con un filtro LC. El uso del filtro LC garantiza la calidad de la salida, manteniendo la salida de CC estable deseada con un rizado mínimo.

Una condición esencial es el sistema de retroalimentación en bucle cerrado que controla el valor de salida, necesario para garantizar la regulación.

• Una parte de la tensión de salida es muestreada y enviada a través del amplificador de error para su comparación con el valor de referencia. El offset de tensión comparado con el valor aceptado proporciona la señal de energía diferencial de la tensión de salida.

• En diseños no aisladosla señal de realimentación a través del límite de aislamiento con optoacoplador, aislando eléctricamente el lado controlado del lado de control, pero manteniendo el control de la señal.

• Control de realimentación mediante PWM, la señal de realimentación modifica el ciclo de trabajo del regulador PWM. Si la tensión de salida disminuye, la potencia de salida se incrementa aumentando el ciclo de trabajo. Si la tensión aumenta, el ciclo de salida disminuye. La potencia se ajusta continuamente. Los bucles de realimentación bien diseñados garantizan que el sistema sea estable, sensible y preciso. Un diseño de realimentación deficiente puede producir comportamientos oscilatorios o dar lugar a una respuesta lenta a los cambios en el nivel de tensión.

Las compensaciones: Ventajas y desventajas del SMPS

Después de leer "Deconstruyendo el diagrama: Función de cada bloque", es fácil identificar que el diseño de la fuente de alimentación permite un nivel primario de capacidad del sistema. En este contexto, la decisión entre una fuente de alimentación conmutada (SMPS) y un regulador lineal conlleva compromisos críticos. Ambas ofrecen una serie de ventajas y desventajas, que se compensan entre sí.

Pros	Contras
Alta eficiencia: El SMPS alcanza una eficiencia muy alta (80-90%), significativamente mejor que los reguladores lineales (40-60%). Esto reduce los residuos y el calor, ahorrando energía y reduciendo las necesidades de refrigeración.	Complejidad del circuito: Los circuitos SMPS son más complejos que los reguladores lineales y requieren un mayor nivel de comprensión del diseño de la electrónica de potencia.
Tamaño y peso: La alta frecuencia de conmutación permite el uso de componentes más compactos (transformadores, inductores, condensadores), por lo que la SMPS es ideal para dispositivos portátiles y aplicaciones en las que el espacio y el peso son críticos.	Generación de ruido EMI: La rápida velocidad de conmutación genera mayores niveles de interferencia electromagnética (EMI), que pueden interferir con otros componentes electrónicos y superar los límites reglamentarios. Es necesario un blindaje y filtrado adecuados.
Amplio rango de tensiones de entrada: Las SMPS pueden manejar una amplia gama de tensiones de entrada sin perder la regulación de salida, lo que las hace versátiles para diversas fuentes de alimentación y condiciones de línea.	Dificultad de diseño y optimización: Diseñar y optimizar SMPS para obtener la máxima eficiencia, bajo rizado y estabilidad en condiciones variables puede ser muy complicado.
Aislamiento: Las topologías aisladas proporcionan seguridad entre la entrada y la salida, evitando que tensiones peligrosas lleguen a los usuarios o a circuitos sensibles.	Respuesta transitoria: Aunque los SMPS han mejorado la respuesta transitoria, todavía pueden mostrar reacciones más lentas a los cambios repentinos de carga en comparación con los reguladores lineales ideales, aunque los reguladores lineales también tienen problemas con los transitorios grandes.

Como ya se ha dicho, ni las SMPS ni los reguladores lineales son superiores entre sí, ya que ambos funcionan mejor en condiciones específicas. La precisión, las limitaciones de tamaño físico, la cantidad de ruido y la complejidad influyen en la mejor elección de la solución de alimentación para un sistema determinado. Para quienes no estén familiarizados con este concepto, un buen punto de partida es comprender qué es una fuente de alimentación conmutada.

Dónde son esenciales las SMPS: Aplicaciones clave

Con todas las ventajas que ofrecen las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS), no es de extrañar que hoy en día sean habituales en todos los componentes electrónicos. Si un dispositivo necesita conversión de potencia, lo más probable es que se trate de una SMPS.

• Ordenadores de sobremesa: En un ordenador de sobremesa, una unidad SMPS convierte la tensión alterna de una toma de corriente en las distintas tensiones continuas que necesitan la placa base, la CPU y otros periféricos. Esto hace que el suministro de energía a los dispositivos informáticos sea barato, compacto y fiable.

• Dispositivos móviles (teléfonos inteligentes, ordenadores portátiles, tabletas) : Los cargadores de smartphones, tabletas y portátiles suelen basarse en el concepto SMPS. Estas unidades son pequeñas y ligeras y, lo que es más importante, no necesitan grandes adaptadores para su conversión sin dejar de ofrecer un buen rendimiento.

• LED Iluminación : Los LED modernos, como los LED de alta potencia, reciben alimentación de SMPS, que a su vez permite una iluminación brillante y de bajo consumo en lugares como farolas, oficinas y lugares de ocio. En comparación con otras fuentes de alimentación, las SMPS ofrecen una mayor eficacia.

• Televisores y pantallas : El sistema de alimentación de televisores y dispositivos de visualización contiene unidades SMPS, por lo que se incluyen en su diagrama de bloques para mostrar la conversión de potencia activa y la regulación de tensión necesarias para su correcto funcionamiento.

• Servidores industriales y equipos de telecomunicaciones : En el caso de las unidades SMPS en servidores de bastidores densos y sistemas de comunicación para centros de datos y sistemas de telecomunicaciones, se hace hincapié en su robustez y eficiencia de distribución de energía debido a la naturaleza crítica del entorno.

• Automatización industrial y Robótica : En la automatización industrial y la robótica, el uso de la tecnología SMPS es un requisito, ya que los sistemas de control, sensores y actuadores para alimentar los procesos de fabricación y producción necesitan una energía constante y fiable.

• Productos sanitarios: Debido a los requisitos previos de seguridad y funcionamiento, los dispositivos médicos dependen de las unidades SMPS para obtener una alimentación estable y fiable. Los equipos de diagnóstico eléctrico, los dispositivos de monitorización, las máquinas de soporte vital y otros dispositivos médicos sensibles reciben una alimentación óptima con el mínimo riesgo gracias a las unidades SMPS.

• Vehículos eléctricos (VE): Los dispositivos SMPS de alta potencia se utilizan para cargar el vehículo y para supervisar los sistemas de baterías del vehículo, lo que mejora la velocidad de carga y la flexibilidad con los ajustes del nivel de potencia.

• Conversión de potencia y aislamiento: Desde la simple electrónica de consumo hasta la maquinaria industrial más compleja, estas unidades SMPS realizan funciones eficaces de alimentación, desconexión o aislamiento.

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A medida que mejora la tecnología, la electrónica y la automatización industrial se vuelven más sofisticadas. Con cada intento de mejora, surgen problemas de rendimiento como inestabilidad, interferencias, consumo excesivo de energía o fallo completo puede ocurrir si se elige una solución equivocada. La construcción de fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) cada vez más exigentes, ya que cada uno de ellos requiere atención a la precisión e incluso a los detalles más intrincados, desde la eficiencia y la mitigación de interferencias hasta la estabilización del diseño EMI y la adaptación de los diseños a aplicaciones específicas.

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