Jak fungují obvody napájecího zdroje spínaného režimu (SMPS)

SMPS je zkratka slova Switch Mode Power Supply. Název jasně naznačuje, že koncept má něco nebo úplně společného s pulsy nebo přepínáním použitých zařízení. Naučme se, jak adaptéry SMPS fungují pro převod síťového napětí na nižší stejnosměrné napětí.

Výhoda topologie SMPS

V adaptérech SMPS je myšlenka přepnout síťové vstupní napětí do primárního vinutí transformátoru tak, aby na sekundárním vinutí transformátoru bylo možné získat stejnosměrné napětí nižší hodnoty.

Otázkou však je, že totéž lze udělat s běžným transformátorem, tak co je potřeba takové komplikované konfigurace, když lze funkci jednoduše implementovat pomocí běžných transformátorů?

Koncept byl vyvinut přesně pro eliminaci použití těžkých a objemných transformátorů s mnohem účinnější verzí Napájecí obvody SMPS .

I když je princip fungování velmi podobný, výsledky jsou velmi odlišné.

Naše síťové napětí je také pulzující napětí nebo střídavé napětí, které se normálně přivádí do běžného transformátoru pro požadované převody, ale nemůžeme zmenšit velikost transformátoru ani při proudu tak nízkém jako 500 mA.

Důvodem je velmi nízká frekvence spojená s našimi síťovými vstupy střídavého proudu.
Při 50 Hz nebo 60 Hz je hodnota extrémně nízká pro jejich implementaci do výstupů vysokých stejnosměrných proudů pomocí menších transformátorů.

Je to proto, že s poklesem frekvence se ztráty vířivých proudů s magnetizací transformátoru zvyšují, což má za následek obrovskou ztrátu proudu teplem a následně se celý proces stává velmi neefektivním.

Aby se vyrovnala výše uvedená ztráta, jsou zapojena relativně větší jádra transformátoru s příslušným stupněm tloušťky drátu, což činí celou jednotku těžkou a těžkopádnou.

Spínací režim napájecího obvodu řeší tento problém velmi chytře.

Pokud nižší frekvence zvyšuje ztráty vířivými proudy, znamená to, že zvýšení frekvence by činilo pravý opak.

To znamená, že pokud se frekvence zvýší, transformátor by mohl být mnohem menší, přesto by poskytoval vyšší proud na jejich výstupech.

To je přesně to, co děláme s Obvod SMPS . Pojďme pochopit fungování s následujícími body:

Jak fungují adaptéry SMPS

Ve spínacím režimu napájecího schématu napájení je vstup AC nejprve usměrněn a filtrován, aby se vytvořila příslušná velikost DC.

Výše uvedený stejnosměrný proud se aplikuje na konfiguraci oscilátoru zahrnující vysokonapěťový tranzistor nebo mosfet, přizpůsobený dobře dimenzovanému primárnímu vinutí malého feritového transformátoru.

Obvod se stává samooscilujícím typem konfigurace, který začíná oscilovat na určité předem určené frekvenci nastavené jinými pasivními součástmi, jako jsou kondenzátory a rezistory.

Frekvence je obvykle nad 50 Khz.

Tato frekvence indukuje ekvivalentní napětí a proud na sekundárním vinutí transformátoru, určené počtem závitů a SWG drátu.

Díky zapojení vysokých frekvencí se ztráty vířivých proudů stávají zanedbatelně malými a vysokonapěťový stejnosměrný výstup se stává derivovatelným prostřednictvím menších feritových jader transformátorů a relativně tenčího vinutí drátu.

Sekundární napětí však bude také na primární frekvenci, proto je opět usměrněno a filtrováno pomocí diody s rychlou obnovou a kondenzátoru vysoké hodnoty.

Výsledkem na výstupu je dokonale filtrovaný nízký stejnosměrný proud, který lze efektivně použít pro provoz jakéhokoli elektronického obvodu.

V moderních verzích SMPS se místo tranzistorů na vstupu používají hi-end integrované obvody.
Integrované obvody jsou vybaveny vestavěným vysokonapěťovým mosfetem pro udržení vysokofrekvenčních oscilací a mnoha dalšími ochrannými prvky.

Co mají vestavěné ochrany SMPS

Tyto integrované obvody mají odpovídající zabudované ochranné obvody, jako je lavinová ochrana, ochrana proti přehřátí a ochrana proti přepětí a také funkce nárazového režimu.

Lavinová ochrana zajišťuje, že se IC nepoškodí během proudu při zapnutí napájení ve spěchu.

Ochrana proti přehřátí zajišťuje, že IC se automaticky vypne, pokud není transformátor správně navinut, a odebírá více proudu z IC, což ho nebezpečně zahřívá.

Režim série je zajímavá funkce, která je součástí moderních jednotek SMPS.

Zde je výstupní DC přiváděn zpět na snímací vstup IC. Pokud z nějakého důvodu, obvykle kvůli špatnému sekundárnímu vinutí nebo výběru rezistorů, výstupní napětí stoupne nad určitou předem stanovenou hodnotu, IC vypne přepínání vstupu a přeskočí přepínání do přerušovaných dávek.

To pomáhá řídit napětí na výstupu a také proud na výstupu.

Tato funkce také zajišťuje, že pokud je výstupní napětí upraveno na nějaký vysoký bod a výstup není načten, přepne se IC do burstového režimu a zajistí, aby jednotka byla provozována přerušovaně, dokud se výstup dostatečně nezatěžuje, což šetří energii jednotky když je v pohotovostním stavu nebo když výstup není funkční.

Zpětná vazba z výstupní sekce do integrovaného obvodu je implementována pomocí optického vazebního členu, takže výstup zůstává dostatečně vzdálený od vstupní vysokonapěťové střídavé sítě, čímž se zabrání nebezpečným otřesům.