Блок-схема SMPS: Раскрытие секретов энергоэффективности

Что такое источник питания с переключаемым режимом (SMPS)?

В последние десятилетия мы полагались на линейные источники питанияНадежный и простой, но крайне неэффективный. Помните ли вы те огромные зарядные устройства для мобильных телефонов которые делают невозможным установку двух в одну розетку? Или лаборатория источники питания из 80-х? Они были линейными и начиненными электронные схемы сделанный из трансформаторы и конденсаторы.

Теперь, благодаря технологическому прогрессу, более компактные, более эффективный устройства конкурируют за долю рынка, им требуется новое устройство. Это происходит, когда Источники питания с переключением режимов начал переосмысливать Источник питания переменного тока промышленность. В отличие от их линейные источники питания аналоги, SMPS Не тратьте энергию впустую, измельчая лишнее напряжение. Скорее, они агрессивно и быстро переключатель мощность доставка груза, отличительная черта режим переключения мощности. Это замечательное достижение повышает эффективность, позволяя более компактная и легкая конструкция чтобы перевесить традиционные, громоздкие линейные источники питания. Каждый кусочек бытовая электроникаиз маленьких зарядные устройства для мобильных телефонов массивным серверам данных, извлечь выгоду из этого тип источника питания. A блок-схема это первый шаг к пониманию современной электронные схемы и электронный источник питания единицы, но понимание общей картины помогает интерпретировать график и разделить область преобразование энергии.

Основной принцип: как SMPS добивается эффективности

Высокоэффективные источники питания, иначе известный как SMPS для Источники питания с переключением режимовИспользуют высокочастотное переключение для выполнения таких задач, как экономия энергии. В отличие от линейных регуляторов, которые истощают энергию при перегреве, в SMPS используются полупроводниковые переключатели типа MOSFET, которые включаются и выключаются с частотой в десятки или сотни килогерц. Пока они находятся во включенном состоянии государство", энергия сохраняется в реактивный компоненты такие как конденсаторы и индукторы, в то время как накопленная энергия высвобождается во время "с сайта" состояние, которое будет передано на выход. Эффективное включение и выключение системы значительно снижает потери электроэнергии.

В то время как рабочий цикл или коэффициент мощности "вовремя" к общему "продолжительность цикла" может использоваться для управления выходным напряжением, контур управления с обратной связью регулирует рабочий цикл для точного управления напряжением, чтобы поддерживать стабильное напряжение независимо от изменений входного сигнала или нагрузки. Это, наряду с контролируемой подачей, обеспечивает высокую производительность при сохранении низкого уровня тепловых потерь, Эффективно превосходят линейные источники питания.

Визуализация системы: Обзор блок-схемы SMPS

Чтобы понять, как работает SMPS, нам нужно взглянуть на его блок-схему. Рассматривайте ее как архитектурный чертеж, показывающий основные функциональные области и то, как между ними передаются сигналы питания и управления. Хотя конкретные реализации сильно различаются в зависимости от топологии (о чем мы расскажем позже), основные функциональные блоки в основном одинаковы.

Здесь представлена упрощенная блок-схема типичного SMPS AC-DC:

Чтобы получить глубокое понимание принцип работы SMPSПоэтому необходимо изучить его блок-схему. Рассматривайте SMPS как архитектурный чертеж, на котором показаны основные функциональные компоненты и то, как между ними передаются сигналы питания и управления. Хотя конкретные реализации могут отличаться в зависимости от топологии (о чем мы поговорим позже), основные функциональные блоки остаются в основном неизменными.

Исходя из диаграммы, можно выделить основные компоненты:

• Входной фильтр: Устраняет электрические шумы и обеспечивает поступление в систему чистого сигнала питания.

• Выпрямитель и разглаживание Фильтр: Преобразует переменный ток в постоянный и уменьшает пульсации напряжения для получения более плавного сигнала постоянного тока.

• Коммутационный элемент (чоппер): Быстрое включение и выключение высокого напряжения постоянного тока на определенной частоте, что позволяет управлять напряжением и передавать энергию.

• Трансформатор / Индуктор: Понижает (или повышает) напряжение и обеспечивает гальваническую развязку между входным и выходным каскадами. В некоторых топологиях индукторы накапливают и отдают энергию.

• Выходной выпрямитель: Преобразует высокочастотный переменный ток (от трансформатора) обратно в пульсирующий постоянный ток.

• ВыходФильтр: Сглаживает пульсирующее постоянное напряжение для получения стабильного постоянного тока на выходе.

• Петля обратной связи: Непрерывно контролирует выходное напряжение и передает эту информацию в схему управления.

• Цепь управления: Обрабатывает сигнал обратной связи и регулирует активность переключения для поддержания постоянного выходного напряжения.

Понимание функций каждого блока закладывает основу для освоения принципов работы SMPS. Давайте проанализируем их по очереди.

Деконструкция диаграммы: Функция каждого блока

Давайте углубимся в смысл каждого из этих блоков. Также мы рассмотрим, зачем они нужны при работе SMPS.

Входной каскад: Защита и подготовка питания

Основное внимание в AC-DC SMPS уделяется входящему сетевому питанию. В большинстве случаев это питание не всегда является чистым из-за наличия скачков, перенапряжений и высокочастотных шумов. Кроме того, существует вероятность того, что высокоскоростное переключение SMPS может генерировать шум, который может попасть обратно в сеть и нарушить работу других устройств.

– ВходEMI/EMC Фильтр: Этот блок защищает от проникновения внешних электрических помех, а также от шума, создаваемого SMPS, выходящего на Линия переменного тока. X, Y, конденсаторы, дроссели общей моды и дроссели дифференциальной моды обеспечивают работу фильтра EMI. Для достижения определенного стандарта электромагнитной совместимости EMC-L необходимо, чтобы этот фильтр выполнял следующие функции первая линия обороны. Если нет эффективной фильтрации входного сигнала, то SMPS, несомненно, будет создавать помехи для электронных устройств, находящихся в непосредственной близости от фильтра.

– Фильтрация после ЭМИСтадия ректификации заключается в повороте Преобразование переменного напряжения в пульсирующее постоянное с помощью диодного моста. Этот выходной сигнал дополнительно преобразуется в постоянный ток с помощью большого электролитического конденсатора, который действует как "оптом" или "резервуар" конденсатор. Конденсатор сохраняет энергию от пиков переменного тока и поддерживает напряжение, достаточное для эффективной работы следующей цепи. Напряжение обычно высокое, например, примерно 160 В для входа 120 В переменного тока и 320 В для входа 230 В переменного тока. Для SMPS постоянного тока этот шаг опускается.

Переключающееся сердце: Передача энергии

Здесь происходит процесс "переключения". Силовой преобразователь делит постоянный ток высокого напряжения на потоки быстрых импульсов.

– Коммутационный элемент (например, MOSFET, IGBT): Этот основной компонент, известный тем, что обеспечивает высокоскоростное переключение, требует использования МОП-транзистора в средние и низкие операции. IGBT широко рекомендуется в приложениях с высокой мощностью. Этот полупроводник действует как быстрый электронный переключатель, который управляет цепи управления. Переключатель имеет две позиции; полностью включен при очень низком сопротивлении и полностью выключен при очень высоком сопротивлении. Поскольку мощность рассеивается незначительно по сравнению с линейным регулятором, работающим в активной области, это идеальный вариант.

– ШИМ Схема управления: У каждого SMPS есть свой "мозг", который обычно представляет собой ИС ШИМ-контроллера. Она получает сигнал обратной связи с выхода и вырабатывает импульсы, которые заставляют работать переключающий элемент. Если выходное напряжение становится слишком низким, контроллер дает команду на увеличение передачи энергии на увеличение ширины импульса включения (рабочий цикл). Если выходное напряжение становится слишком высоким, то импульс включения сужается (рабочий цикл уменьшается), чтобы выровнять выходное напряжение. Этот процесс представляет собой регулирование напряжения с опережением и помогает поддержание выходного напряжения в заданных границах при изменении нагрузки и входного напряжения. В более сложных контроллерах наряду с ШИМ может применяться частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) и другие методы.

Передача энергии и изоляция (зависит от топологии)

Этот шаг лежит в основе SMPS дизайнОн обеспечивает реальную передачу энергии от входа к выходу и часто позволяет применять электрическую изоляцию по соображениям безопасности, нормативным или другим причинам.

В самом базовом варианте эта функция выполняется с помощью трансформатора или индуктора, а выбор конкретного варианта полностью зависит от топологии, используемой в каскаде питания. Различные топологии обеспечивают разный уровень эффективности, сложности и изоляции.

Изолированные топологии - трансформаторные

Работа топологий SMPS, таких как Flyback, Вперед, Полумост, и Полномостовые высокочастотные трансформаторы которые обеспечивают соединение первичной и вторичной обмоток. Они также обеспечивают гальваническую развязку между входом и выходом и позволяют повышать или понижать напряжение за счет коэффициента трансформации.

Магнитное поле трансформатора накапливает энергию при включении выключателя на первичной стороне, а после его выключения эта энергия передается на вторичную сторону. По сравнению с громоздкими 50 или 60 герц Трансформаторы, используемые в линейных источниках питания, переключаясь на высоких частотах, позволяют создавать компактные конструкции с малым весом, что повышает плотность мощности и эффективность конструкции.

Неизолированные топологии - на основе индуктора

В неизолированных приложениях более простые преобразователи, такие как Buck, Boost и Buck-Boost, используют индукцию вместо трансформаторов. Эти конфигурации менее сложны, более доступны по цене и зачастую более эффективны с точки зрения энергоэффективности и регулирования в точке нагрузки.

• На сайте Бак-преобразователиФаза "включения" состоит из включения выключателя, в результате чего индуктор накапливает энергию, а в фазе "выключения" разряжается на нагрузку.

• Буст-преобразователи Временно накапливают энергию в индукторах, а затем разряжают ее при более высоком напряжении, чем заданное входное.

• Преобразователь Buck-Boost может динамически управлять рабочим циклом, что позволяет управлять выходным напряжением как выше, так и ниже входного.

Эти топологии широко применяются в изолированные источники питания. Это особенно актуально для многоступенчатых SMPS-систем, где изолированный первичный преобразователь питает несколько неизолированных DC-DC-преобразователей, расположенных в непосредственной близости от нагрузки.

Почему Топология Важно для эффективности

Каждая топология имеет свои достоинства:

• Коммутационные потери

• Потери проводимости

• Количество термически взаимосвязанных компонентов, их число и тепловой профиль

• Пригодность топологии в зависимости от коэффициента напряжения для понижающих трансформаторов и редукционных двигателей.

В качестве примера можно привести Buck-преобразователи, которые очень эффективны, когда входное напряжение немного выше выходного и уменьшается с помощью однокомпонентного алгоритма. Изолированные топологии, такие как Прямой или полный мост более сложны, но улучшают деизоляцию и масштабируемость по мощности для современных приложений. Наилучшие результаты достигаются при выборе правильной топологии. Это обеспечивает эффективность, минимизация размера, и cсоответствие современным стандартам безопасности для конструкций SMPS.

Выходной каскад: Восстановление и сглаживание желаемого напряжения

Напряжение питания, которое должно подаваться на нагрузку, должно быть ровным постоянным напряжением, поэтому импульс со вторичной обмотки трансформатора или индуктора должен быть выпрямлен.

• Для импульсов переменного и постоянного тока, Высокоскоростные диоды Шоттки выполняют выпрямление. Для повышения эффективности предпочтительнее использовать синхронное выпрямление с МОП-транзисторы чтобы минимизировать потери мощности.

• ЛК фильтр сглаживает выход и улучшает качество напряжения. Выпрямление не устраняет все оставшиеся пульсации и колебания, вместо этого выход обрабатывается LC-фильтром. Использование LC-фильтра гарантирует качество выходного сигнала, поддерживая желаемую стабильность постоянного тока на выходе с минимальными пульсациями.

Важным условием является наличие замкнутой системы обратной связи, контролирующей выходное значение, что необходимо для обеспечения регулирования.

• Часть выходного напряжения отбирается и передается через усилитель ошибки для сравнения с эталонным значением. Смещение напряжения по сравнению с принятым значением обеспечивает дифференциальный энергетический сигнал выходного напряжения.

• В неизолированных конструкцияхсигнал обратной связи через границу изоляции с помощью оптопары, электрически изолируя управляемую сторону от управляющей, но сохраняя контроль сигнала.

• Управление с обратной связью через ШИМ, Сигнал обратной связи изменяет рабочий цикл ШИМ-регулятора. Если выходное напряжение уменьшается, выходная мощность увеличивается за счет увеличения рабочего цикла. Если напряжение увеличивается, выходной цикл уменьшается. Выходная мощность непрерывно регулируется. Хорошо продуманные контуры обратной связи гарантируют стабильность, отзывчивость и точность системы. Плохо продуманная конструкция обратной связи может привести к колебательному поведению или вялому отклику на изменение уровня напряжения.

Компромиссы: Преимущества и недостатки SMPS

После прочтения статьи "Деконструкция схемы: Функции каждого блока", легко понять, что конструкция источника питания обеспечивает основной уровень возможностей системы. В этом контексте выбор между импульсным источником питания (SMPS) и линейным регулятором связан с критическими компромиссами. Они оба обладают набором достоинств и недостатков, которые в обоих случаях имеют относительную ценность.

Плюсы	Cons
Высокая эффективность: SMPS достигает очень высокого КПД (80-90%), что значительно лучше, чем у линейных регуляторов (40-60%). Это снижает потери и нагрев, экономит энергию и снижает потребность в охлаждении.	Сложность схемы: Схемы SMPS сложнее, чем линейные регуляторы, и требуют более высокого уровня понимания конструкции силовой электроники.
Размер и вес: Высокая частота переключения позволяет использовать более компактные компоненты (трансформаторы, индукторы, конденсаторы), что делает SMPS идеальным решением для портативных устройств и приложений, где пространство и вес имеют решающее значение.	Генерация электромагнитных помех: Высокая скорость переключения создает повышенный уровень электромагнитных помех (ЭМП), которые могут создавать помехи для другой электроники и превышать нормативные ограничения. Необходимо обеспечить надлежащее экранирование и фильтрацию.
Широкий диапазон входного напряжения: SMPS могут работать с широким диапазоном входных напряжений без потери выходного регулирования, что делает их универсальными для различных источников питания и условий сети.	Сложность проектирования и оптимизации: Проектирование и оптимизация SMPS для достижения максимальной эффективности, низких пульсаций и стабильности в различных условиях может быть очень сложной задачей.
Изоляция: Изолированные топологии обеспечивают безопасность между входом и выходом, предотвращая попадание опасных напряжений на пользователей или чувствительные схемы.	Переходные характеристики: Хотя SMPS имеют улучшенную переходную характеристику, они все еще могут демонстрировать более медленную реакцию на резкие изменения нагрузки по сравнению с идеальными линейными регуляторами, хотя линейные регуляторы также имеют проблемы с большими переходными процессами.

Как уже говорилось, ни SMPS, ни линейные регуляторы не превосходят друг друга, поскольку оба они работают лучше всего в определенных условиях. Точность, ограничения по физическим размерам, уровень шума и сложность влияют на выбор оптимального решения по питанию для конкретной системы. Для тех, кто не знаком с этой концепцией, хорошей отправной точкой будет понимание того, что что такое импульсный источник питания.

Где SMPS незаменимы: Основные области применения

Учитывая все преимущества, которыми обладают импульсные источники питания (SMPS), неудивительно, что сегодня эти источники питания широко распространены в любой части электроники. Если устройство нуждается в преобразовании энергии, скорее всего, в нем используется SMPS.

• Настольные компьютеры: В настольном компьютере блок SMPS преобразует переменное напряжение из розетки в различные напряжения постоянного тока, необходимые для материнской платы, процессора и других периферийных устройств. Это делает подачу питания на вычислительные устройства дешевой, компактной и надежной.

• Мобильные устройства (смартфоны, ноутбуки, планшеты) : Зарядные устройства для смартфонов, планшетов и ноутбуков обычно основаны на концепции SMPS. Эти устройства маленькие и легкие, а главное, не требуют больших переходников для преобразования и при этом хорошо работают.

• LED Освещение Современные светодиоды, такие как мощные светодиоды, получают питание от SMPS, что, в свою очередь, обеспечивает яркое и энергосберегающее освещение в таких местах, как уличные фонари, офисы и развлекательные центры. По сравнению с другими источниками питания, SMPS обеспечивают большую эффективность.

• Телевизоры и дисплеи : Система питания телевизоров и устройств отображения содержит блоки SMPS, поэтому они включены в их блок-схему, чтобы показать активное преобразование энергии и регулирование напряжения, необходимые для правильной работы.

• Промышленные серверы и телекоммуникационное оборудование : В случае использования блоков SMPS в плотных стоечных серверах и коммуникационных системах для центров обработки данных и телекоммуникационных систем особое внимание уделяется их прочности и эффективности распределения энергии в связи с критичностью среды.

• Промышленная автоматизация и робототехника: В промышленной автоматизации и робототехнике использование технологии SMPS является обязательным условием, поскольку системы управления, датчики и исполнительные механизмы для питания производственных и технологических процессов нуждаются в постоянной и надежной энергии.

• Медицинские приборы: В силу требований безопасности и эксплуатации медицинские приборы зависят от блоков SMPS, обеспечивающих стабильное и надежное питание. Электродиагностическое оборудование, приборы мониторинга, аппараты жизнеобеспечения и другие чувствительные медицинские приборы получают оптимальное питание с минимальным риском благодаря блокам SMPS.

• Электромобили (EVs): Устройства SMPS высокой мощности используются для зарядки автомобиля и мониторинга аккумуляторных систем автомобиля, что повышает скорость зарядки и гибкость регулировки уровня мощности.

• Преобразование энергии и изоляция: От простой бытовой электроники до сложного промышленного оборудования - эффективное питание, отключение питания или изоляция выполняются этими блоками SMPS.

Питание ваших инноваций: Откройте для себя наши высокопроизводительные решения SMPS

По мере совершенствования технологий электроника и промышленная автоматизация становятся все более сложными. С каждой попыткой усовершенствования возникают такие проблемы с производительностью, как нестабильность, помехи, чрезмерное потребление энергии или полный отказ может произойти, если будет выбрано неправильное решение. Построение Источники питания с импульсным режимом (SMPS) Системы становятся все более сложными, каждая из них требует внимания к точности и мельчайшим деталям, от эффективности и снижения помех до стабилизации электромагнитных помех и адаптации конструкций для конкретных приложений.

За последние 37 лет мы довели до совершенства искусство профессионально проектирование SMPS и встроенного программного обеспечения, сфокусированных на передовых технологиях импульсного питания. Каждый из наших специалистов обладает беспрецедентным двадцатилетним опытом разработки свежих схем, обеспечивая точное определение каждого функционального блока в архитектуре SMPS, а также используя обширные инновации и используя лучшие компоненты на рынкеМы используем передовые методы производства и тщательно контролируем качество. Сертификаты надежности на CE, CCC и RoHS Мы гарантируем нашим потребителям во всем мире, что выпускаемая продукция соответствует основным требованиям Стандарты электромагнитной совместимости.

Продукция SMPS компании Omchele Мы созданы для того, чтобы помочь клиентам из самых требовательных областей энергетических технологий. Мы предлагаем непревзойденные решения, которые в глобальном масштабе оптимизация энергоэффективности, минимизация операционных расходови создавать системы с высокая плотность энергии концентрация мощности. Наши источники питания разработаны с учетом требований электромагнитной совместимости (ЭМС) что улучшает интеграцию и облегчает контроль за соблюдением требований. Они обеспечивают стабильную, надежную производительность и быстрое реагирование на изменения, что позволяет избежать снижения производительности. Мы готовы удовлетворить ваши потребности независимо от того, что вы хотите вам нужны стандартные и специализированные модели, или индивидуальные решения для конкретных приложений мощностью от 10 до 1000 Вт. Посетите наш SСтраница серии продуктов MPS или свяжитесь с нашей командой для разработки инноваций.