Switchat strömförsörjning









Interiörvy av en ATX SMPS : A: Bryggriktare; B: ingångsfilterkondensatorer; Mellan B och C: kylfläns för omkoppling av aktiva komponenter av primärspänning ; C: transformator: Mellan C och D: kylfläns för omkoppling av aktiva komponenter med minst fem sekundärspänningar, enligt ATX-specifikationen; D: utgångsfilterspole för sekundären med högst märkeffekt. I omedelbar närhet, filterspolar för de andra sekundärerna; E: utgångsfilterkondensatorer. Spolen och den stora rektangulära gula kondensatorn under brygglikriktaren bildar ett EMI- filter och är inte en del av huvudkretskortet.
En justerbar switchad strömförsörjning för laboratoriebruk

En switchad strömförsörjning ( switch-mode power supply , switch-mode power supply , switched power supply , SMPS eller switcher ) är en elektronisk strömkälla som innehåller en switching regulator för att effektivt omvandla elkraft .

Liksom andra nätaggregat överför en SMPS ström från en likströms- eller växelströmskälla (ofta nätström , se nätadapter ) till likströmsbelastningar, såsom en persondator , samtidigt som den omvandlar spännings- och strömegenskaper . Till skillnad från en linjär strömförsörjning , växlar passtransistorn hos en strömförsörjning kontinuerligt mellan lågförlust, fullt på och helt av, och spenderar mycket lite tid i övergångarna med hög dissipation, vilket minimerar slöseri med energi. En hypotetisk idealisk switchad strömförsörjning avleder ingen ström. Spänningsreglering uppnås genom att variera förhållandet mellan på-till-av-tid (även känd som arbetscykler ). Däremot reglerar en linjär strömförsörjning utspänningen genom att kontinuerligt avleda effekt i passtransistorn . Det switchade nätaggregatets högre elverkningsgrad är en viktig fördel.

Strömförsörjning med switchat läge kan också vara avsevärt mindre och lättare än en linjär försörjning eftersom transformatorn kan vara mycket mindre. Detta beror på att den arbetar med en hög switchfrekvens som sträcker sig från flera hundra kHz till flera MHz i motsats till 50 eller 60 Hz nätfrekvensen . Trots den minskade transformatorstorleken resulterar strömförsörjningstopologin och kravet på undertryckning av elektromagnetisk interferens (EMI) i kommersiella konstruktioner i ett vanligtvis mycket större komponentantal och motsvarande kretskomplexitet.

Omkopplingsregulatorer används som ersättning för linjära regulatorer när högre effektivitet, mindre storlek eller lägre vikt krävs. De är dock mer komplicerade; växlingsströmmar kan orsaka elektriska brusproblem om de inte undertrycks noggrant, och enkla konstruktioner kan ha en dålig effektfaktor .

Historia

1836
Induktionsspolar använder strömbrytare för att generera höga spänningar.
1910
Ett tändsystem med induktiv urladdning som uppfanns av Charles F. Kettering och hans företag Dayton Engineering Laboratories Company (Delco) sätts i produktion för Cadillac. Kettering tändsystem är en mekaniskt kopplad version av en fly back boost-omvandlare; transformatorn är tändspolen. Variationer av detta tändningssystem användes i alla icke-dieselförbränningsmotorer fram till 1960-talet då det började ersättas först av halvledar elektroniskt omkopplade versioner, sedan kapacitiva urladdningständsystem .
1926
Den 23 juni ansöker den brittiske uppfinnaren Philip Ray Coursey om patent i sitt land och USA, för sin "elektriska kondensator". Patentet nämner bland annat högfrekvent svetsning och ugnar.
c. 1932
Elektromekaniska reläer används för att stabilisera utspänningen från generatorer. Se Spänningsregulator#Elektromekaniska regulatorer .
c. 1936
Bilradioapparater använde elektromekaniska vibratorer för att omvandla 6 V-batteriförsörjningen till en lämplig B+-spänning för vakuumrören.
1959
MOSFET (metall- oxid -halvledarfälteffekttransistor) uppfanns av Mohamed M. Atalla och Dawon Kahng vid Bell Labs . Power MOSFET blev senare den mest använda kraftenheten för att byta strömförsörjning.
1959
Transistoroscillation och likriktande omvandlare strömförsörjningssystem US-patent 3 040 271 är inlämnat av Joseph E. Murphy och Francis J. Starzec, från General Motors Company
1960 -talet
The Apollo Guidance Computer , utvecklad i början av 1960-talet av MIT Instrumentation Laboratory för NASAs ambitiösa mission . (1966-1972), inkluderade tidiga switchade strömförsörjningar.
c. 1967
Bob Widlar från Fairchild Semiconductor designar spänningsregulatorn µA723 IC. En av dess tillämpningar är som en switchad regulator.
1970
Tektronix börjar använda högeffektiv strömförsörjning i sina oscilloskop i 7000-serien tillverkade från omkring 1970 till 1995.
1970
Robert Boschert utvecklar enklare, billigare kretsar. 1977 växer Boschert Inc. till ett företag med 650 personer. Efter en rad fusioner, förvärv och spin-offs (Computer Products, Zytec, Artesyn, Emerson Electric) är företaget nu en del av Advanced Energy .
1972
HP-35 , Hewlett-Packards första fickkalkylator, introduceras med transistoromkopplande strömförsörjning för lysdioder , klockor, timing, ROM och register.
1973
Xerox använder switchade strömförsörjningar i Alto- minidatorn .
1976
Robert Mammano, en av grundarna av Silicon General Semiconductors, utvecklar den första integrerade kretsen för SMPS-kontroll, modell SG1524. Efter en rad fusioner och förvärv (Linfinity, Symetricom, Microsemi ) är företaget nu en del av Microchip Technology .
1977
Apple II är designad med en strömförsörjning med switchläge. " Rod Holt ... skapade strömförsörjningen som gjorde det möjligt för oss att göra en mycket lätt dator " .
1980
HP8662A 10 kHz – 1,28 GHz syntetiserad signalgenerator gick med en switchad strömförsörjning.

Förklaring

En linjär strömförsörjning (icke-SMPS) använder en linjär regulator för att tillhandahålla den önskade utspänningen genom att avleda ström i ohmska förluster (t.ex. i ett motstånd eller i kollektor-emitterområdet i en passtransistor i dess aktiva läge). En linjär regulator reglerar antingen utspänning eller ström genom att avleda den elektriska kraften i form av värme , och därför är dess maximala effekteffektivitet spänning ut/spänning in eftersom voltskillnaden är bortkastad.

Däremot ändrar en SMPS utspänning och ström genom att växla idealiskt förlustfria lagringselement, såsom induktorer och kondensatorer , mellan olika elektriska konfigurationer. Idealiska omkopplingselement (ungefärligt av transistorer som drivs utanför sitt aktiva läge) har inget motstånd när de är "på" och har ingen ström när de är "av", och därför skulle omvandlare med idealiska komponenter fungera med 100 % effektivitet (dvs all ineffekt levereras till lasten; ingen ström slösas bort som avledd värme). I verkligheten existerar inte dessa idealiska komponenter, så en switchande strömförsörjning kan inte vara 100 % effektiv, men det är fortfarande en betydande förbättring av effektiviteten jämfört med en linjär regulator.

Grundschemat för en boost-omvandlare

Till exempel, om en likströmskälla, en induktor, en omkopplare och motsvarande elektriska jord placeras i serie och omkopplaren drivs av en fyrkantvåg , kan topp-till-topp-spänningen för vågformen mätt över omkopplaren överstiga inspänning från DC-källan. Detta beror på att induktorn reagerar på förändringar i ström genom att inducera sin egen spänning för att motverka förändringen i ström, och denna spänning ökar källspänningen medan omkopplaren är öppen. Om en kombination av diod och kondensator placeras parallellt med omkopplaren, kan toppspänningen lagras i kondensatorn, och kondensatorn kan användas som en DC-källa med en utspänning som är större än den DC-spänning som driver kretsen. Denna boost-omvandlare fungerar som en step-up-transformator för DC-signaler. En buck-boost-omvandlare fungerar på liknande sätt, men ger en utspänning som har motsatt polaritet mot inspänningen. Andra buck-kretsar finns för att öka den genomsnittliga utströmmen med en minskning av spänningen.

I en SMPS beror utströmsflödet på ineffektsignalen, lagringselementen och kretstopologier som används, och även på det mönster som används (t.ex. pulsbreddsmodulering med en justerbar arbetscykel ) för att driva omkopplingselementen. Spektraldensiteten hos dessa omkopplingsvågformer har energi koncentrerad till relativt höga frekvenser . Som sådan kan omkopplingstransienter och rippel som introduceras på utgångsvågformerna filtreras med ett litet LC-filter .

Fördelar och nackdelar

Den främsta fördelen med switchande strömförsörjning är högre effektivitet ( upp till 96% ) och lägre värmegenerering än linjära regulatorer eftersom switchtransistorn förbrukar lite effekt när den fungerar som en switch.

Andra fördelar inkluderar mindre storlek och lägre vikt genom eliminering av tunga och dyra linjefrekvenstransformatorer. Standby-strömförlusten är ofta mycket mindre än transformatorer.

Nackdelar inkluderar större komplexitet, generering av hög amplitud, högfrekvent energi som lågpassfiltret måste blockera för att undvika elektromagnetisk interferens (EMI), en rippelspänning vid omkopplingsfrekvensen och dess harmoniska frekvenser .

Mycket billiga SMPS:er kan koppla tillbaka elektriskt omkopplingsljud till elnätet, vilket orsakar störningar på enheter som är anslutna till samma fas, såsom A/V-utrustning. Icke -effektfaktorkorrigerade SMPS:er orsakar också harmonisk distorsion.

Jämförelse av SMPS och linjär strömförsörjning

Det finns två huvudtyper av reglerade nätaggregat tillgängliga: SMPS och linjära. Följande tabell jämför linjär med switchande strömförsörjning i allmänhet:

Jämförelse av en linjär strömkälla och en switchad strömförsörjning
Linjär strömförsörjning Ändra strömförsörjning Anteckningar
Storlek och vikt Kylflänsar för linjära regulatorer med hög effekt ökar storlek och vikt. Transformatorer, om de används, är stora på grund av låg driftsfrekvens ( nätspänningsfrekvensen är på 50 eller 60 Hz), induktorer och kondensatorer för filtret är också stora om låg rippel önskas, speciellt för hög uteffekt; annars kan vara kompakt på grund av lågt antal komponenter. Mindre transformator (om sådan används; annars induktor) på grund av högre arbetsfrekvens (vanligtvis 50 kHz – 1 MHz ). Mindre kondensatorer på grund av lägre energilagring per cykel. Storleken och vikten av adekvata RF- skärmar och/eller EMI-filter kan vara betydande. En transformators effekthanteringskapacitet av given storlek och vikt ökar med frekvensen förutsatt att hysteresförlusterna kan hållas nere. Därför betyder högre driftfrekvens antingen en högre kapacitet eller mindre transformator.
Utspänning Med transformator som används, alla tillgängliga spänningar; om transformatorlös, begränsad till vad som kan uppnås med en spänningsfördubblare . I fallet med transformatorns inspänningsområde begränsat av acceptabel förlust av regulatorn på hög ingång och varvförhållande på låg ingång, begränsar ingångsområdet. Alla tillgängliga spänningar, begränsade endast av transistorns genombrottsspänningar i många kretsar. Spänningen varierar lite med belastningen. En SMPS kan vanligtvis klara av större variationer av ingången innan utspänningen ändras. Universal eller "wide input" strömförsörjning, som fungerar med nätspänningar från 90 till 250 V, är vanliga. Mer specialiserade konstruktioner skulle kunna acceptera ännu bredare inspänningsområde.
Effektivitet , värme och effektförlust Effektiviteten beror till stor del på spänningsskillnaden mellan ingång och utgång; utspänningen regleras genom att avleda överskottseffekt som värme vilket resulterar i en typisk verkningsgrad på 30–40 %. Utgången regleras med hjälp av arbetscykelkontroll ; transistorerna är helt på eller helt avstängda, så mycket små resistiva förluster mellan ingång och belastning. Den enda värme som genereras är i de icke-ideala aspekterna av komponenterna och viloströmmen i styrkretsen. Omkopplingsförluster [ de ] i transistorerna (särskilt i den korta delen av varje cykel när enheten är delvis påslagen), kopplingstransistorernas på-resistans, ekvivalent serieresistans i induktorn och kondensatorerna, och kärnförluster i induktorn, och likriktarens spänningsfall bidrar till en typisk verkningsgrad på 60–70 %. Genom att optimera SMPS-designen (som att välja den optimala kopplingsfrekvensen, undvika mättnad av induktorer och aktiv likriktning ) kan mängden effektförlust och värme minimeras; en bra design kan ha en effektivitet på 95 % eller bättre. Exakta effektivitetsdetaljer varierar beroende på förhållandena, t.ex. vid mycket lätta belastningar förbrukar nuvarande moderna CMOS LDO-regulatorer försumbar ström på egen hand, medan SMPS-designer slösar bort en del ström på växlingsprocessen, för att t.ex. ladda MOSFET-grind(ar).
Komplexitet Linjär spänningsreglerande krets och vanligtvis brusfiltrerande kondensatorer; vanligtvis en enklare krets (och enklare återkopplingsslingstabilitetskriterier) än switchade kretsar. Består av en kontroller-IC, en eller flera effekttransistorer och dioder samt en krafttransformator, induktorer och filterkondensatorer . Vissa designkomplexiteter förekommer (reducerar brus/störningar; extra begränsningar för maximala märkvärden för transistorer vid höga kopplingshastigheter) som inte finns i linjära regulatorkretsar. I switchade nät (AC-till-DC) kan flera spänningar genereras av en transformatorkärna, men det kan leda till konstruktions-/användningskomplikationer: det kan till exempel lägga minimibegränsningar för utström på en utgång. För detta måste SMPS:er använda arbetscykelkontroll. En av utgångarna måste väljas för att mata spänningsregleringsåterkopplingsslingan (vanligtvis 3,3 V eller 5 V belastningar mer noga med sina matningsspänningar än 12 V belastningar, så detta styr beslutet om vilken som matar återkopplingsslingan. andra utgångar spårar vanligtvis den reglerade ganska bra). Båda behöver ett noggrant urval av sina transformatorer. På grund av de höga driftsfrekvenserna i SMPS:er blir ströinduktansen och kapacitansen hos kretskortsspåren viktiga .
Radiofrekvensstörningar Milda högfrekventa störningar kan genereras av AC-likriktardioder under kraftig strömbelastning, medan de flesta andra försörjningstyper inte ger några högfrekventa störningar. En del bruminduktion från nätet till oskärmade kablar, problematiskt för ljud med låg signal. EMI/RFI produceras på grund av att strömmen slås på och av kraftigt. Därför behövs EMI-filter och RF-skärmning för att minska den störande störningen. Långa ledningar mellan komponenterna kan minska den högfrekventa filtereffektiviteten som tillhandahålls av kondensatorerna vid inloppet och utloppet. Stabil kopplingsfrekvens kan vara viktig.
Elektroniskt brus vid utgångsterminalerna Linjära regulatorer har i allmänhet utmärkt avvisande av AC-linjerippel och är i allmänhet lägre brus än switchade omvandlare. Bullrigare på grund av växlingsfrekvensen för SMPS. En ofiltrerad utgång kan orsaka fel i digitala kretsar eller brus i ljudkretsar. Detta kan undertryckas med kondensatorer och andra filtreringskretsar i slutsteget. Med en switchad PSU kan växlingsfrekvensen väljas för att hålla bruset borta från kretsens arbetsfrekvensband (t.ex. för ljudsystem över den mänskliga hörseln)
Elektroniskt brus vid ingångarna Orsakar harmonisk distorsion till ingången AC, men relativt lite eller inget högfrekvent brus. Mycket låg kostnad SMPS kan koppla elektriskt omkopplingsljud tillbaka till elnätet, vilket orsakar störningar på A/V-utrustning ansluten till samma fas. Icke effektfaktorkorrigerade SMPS:er orsakar också harmonisk distorsion. Detta kan förhindras om ett (korrekt jordat) EMI/RFI-filter ansluts mellan ingångsterminalerna och brygglikriktaren.
Akustiskt brus Svagt, vanligtvis ohörbart brum från nätet, vanligtvis på grund av vibrationer från lindningar i transformatorn eller magnetostriktion . Vanligtvis ohörbart för de flesta människor , såvida de inte har en fläkt eller är urladdade/funktionsfel, eller använder en växlingsfrekvens inom ljudområdet, eller så vibrerar spolens lamineringar med en underton av arbetsfrekvensen. Arbetsfrekvensen för en obelastad SMPS är ibland inom det hörbara mänskliga området och kan låta subjektivt ganska högt för personer vars hörsel är mycket känslig för det relevanta frekvensområdet.
Effektfaktor Låg eftersom ström dras från nätet vid topparna av spänningen sinusoid , såvida inte en choke-ingångs- eller resistor-ingångskrets följer likriktaren (nu sällsynt). Allt från mycket låg till medium eftersom en enkel SMPS utan PFC drar strömspikar vid topparna av AC sinusoiden. Aktiv/passiv effektfaktorkorrigering i SMPS kan kompensera detta problem och krävs till och med av vissa elektriska regleringsmyndigheter, särskilt i EU. Den interna resistansen hos lågeffekttransformatorer i linjära strömförsörjningar begränsar vanligtvis toppströmmen varje cykel och ger därmed en bättre effektfaktor än många switchade strömförsörjningar som direkt likriktar nätet med litet seriemotstånd.
Inkopplingsström Stor ström när nätdriven linjär strömförsörjningsutrustning är påslagen tills transformatorns magnetiska flöde stabiliseras och kondensatorerna laddas helt, om inte en långsamstartkrets används. Extremt stor topp "in-rush" överspänningsström begränsad endast av impedansen hos ingångsmatningen och eventuellt serieresistans till filterkondensatorerna. Tomma filterkondensatorer drar initialt stora mängder ström när de laddas upp, med större kondensatorer som drar större mängder toppström. Eftersom det ligger många gånger över den normala driftsströmmen, belastar detta komponenter som utsätts för överspänningen kraftigt, komplicerar valet av säkringar för att undvika störningar och kan orsaka problem med utrustning som använder överströmsskydd såsom avbrottsfri strömförsörjning . Minskad genom användning av en lämplig mjukstartkrets eller seriemotstånd.
Risk för elektriska stötar Försörjningar med transformatorer isolerar den inkommande strömförsörjningen från den strömförsedda enheten och gör att metallarbetet i kapslingen kan jordas säkert. Farligt om primär/sekundär isolering går sönder, osannolikt med rimlig utformning. Transformatorlös nätdriven matning är inte isolerad och därför farlig när den exponeras. I både linjärt och switchat läge är elnätet, och eventuellt utgångsspänningarna, farliga och måste vara väl isolerade. Common rail-utrustning (inklusive hölje) spänningssätts till halva nätspänningen, men med hög impedans, såvida inte utrustningen är jordad eller inte innehåller EMI/RFI-filtrering vid ingångsterminalerna. På grund av föreskrifter om EMI/RFI-strålning innehåller många SMPS EMI/RFI-filtrering vid ingångssteget bestående av kondensatorer och induktorer före brygglikriktaren. Två kondensatorer är anslutna i serie med strömförande och neutrala skenorna med jordanslutningen mellan de två kondensatorerna. Detta bildar en kapacitiv delare som aktiverar common rail vid halv nätspänning. Dess strömkälla med hög impedans kan ge en stickning eller ett "bett" till operatören eller kan utnyttjas för att tända en jordfels-LED. Denna ström kan dock orsaka störande utlösning på de känsligaste jordfelsbrytarna . I nätaggregat utan jordstift (som USB-laddare) finns EMI/RFI-kondensator placerad mellan primär- och sekundärsidan. Det kan också ge en mycket mild stickande känsla men det är säkert för användaren.
Risk för skador på utrustningen Mycket låg, såvida inte en kortslutning uppstår mellan primär- och sekundärlindningarna eller regulatorn misslyckas genom att kortsluta internt. Kan misslyckas så att utspänningen blir mycket hög [ kvantifiera ] . Stress på kondensatorer kan få dem att explodera. Kan i vissa fall förstöra ingångssteg i förstärkare om den flytande spänningen överstiger transistorns bas-emitter genombrottsspänning, vilket gör att transistorns förstärkning sjunker och brusnivåerna ökar. Förhindras av bra felsäker design. Fel på en komponent i själva SMPS kan orsaka ytterligare skada på andra PSU-komponenter; kan vara svårt att felsöka. Den flytande spänningen orsakas av kondensatorer som överbryggar strömförsörjningens primära och sekundära sidor. Anslutning till jordad utrustning kommer att orsaka en tillfällig (och potentiellt destruktiv) strömspets vid kontakten eftersom spänningen på kondensatorns sekundära sida utjämnas till jordpotential.

Operationsteori

Blockschema över en nätdriven AC/DC SMPS med reglering av utspänning

Ingångslikriktarsteg

AC-, halvvågs- ​​och helvågslikriktade signaler

Om SMPS har en AC-ingång är det första steget att konvertera ingången till DC. Detta kallas " rättelse ". En SMPS med en DC-ingång kräver inte detta steg. I vissa strömförsörjningar (mest ATX-strömförsörjning för datorer ) kan likriktarkretsen konfigureras som en spänningsfördubblare genom tillägget av en omkopplare som manövreras antingen manuellt eller automatiskt. Denna funktion tillåter drift från strömkällor som normalt är på 115 VAC eller vid 230 VAC. Likriktaren producerar en oreglerad likspänning som sedan skickas till en stor filterkondensator. Strömmen som dras från elnätet av denna likriktarkrets sker i korta pulser runt växelspänningstopparna. Dessa pulser har betydande högfrekvent energi vilket minskar effektfaktorn. För att korrigera för detta kommer många nyare SMPS att använda en speciell effektfaktorkorrigeringskrets (PFC) för att få inströmmen att följa den sinusformade formen av AC-ingångsspänningen, vilket korrigerar effektfaktorn. Strömförsörjningar som använder aktiv PFC är vanligtvis automatiskt intervall, stöder inspänningar från ~100 VAC – 250 VAC, utan ingångsspänningsväljare.

En SMPS designad för AC-ingång kan vanligtvis köras från en DC-källa, eftersom DC skulle passera genom likriktaren oförändrad. Om strömförsörjningen är konstruerad för 115 VAC och inte har någon spänningsväljare, skulle den erforderliga DC-spänningen vara 163 VDC (115 × √2). Denna typ av användning kan dock vara skadlig för likriktarsteget, eftersom det bara kommer att använda hälften av dioderna i likriktaren för full belastning. Detta kan möjligen resultera i överhettning av dessa komponenter, vilket gör att de misslyckas i förtid. Å andra sidan, om strömförsörjningen har en spänningsväljare, baserad på Delon-kretsen , för 115/230 V (dator ATX-strömförsörjning är vanligtvis i denna kategori), måste väljaren sättas i 230 V läge, och den erforderliga spänningen skulle vara 325 VDC (230 × √2). Dioderna i denna typ av strömförsörjning kommer att hantera likströmmen bra eftersom de är klassade att klara dubbelt så mycket som den nominella inströmmen när de används i 115 V -läget, på grund av spänningsfördubblarens funktion. Detta beror på att fördubblaren, när den är i drift, bara använder hälften av brygglikriktaren och kör dubbelt så mycket ström genom den.

Invertersteg

Detta avsnitt hänvisar till den blockmärkta hackaren i diagrammet.

Växelriktarsteget omvandlar DC, antingen direkt från ingången eller från likriktarsteget som beskrivs ovan, till AC genom att köra det genom en kraftoscillator, vars utgångstransformator är mycket liten med få lindningar, med en frekvens av tiotals eller hundratals kilohertz . Frekvensen väljs vanligtvis till över 20 kHz, för att göra den ohörbar för människor. Omkopplingen är implementerad som en flerstegs (för att uppnå hög förstärkning) MOSFET -förstärkare. MOSFETs är en typ av transistorer med lågt påresistans och hög strömhanteringskapacitet.

Spänningsomvandlare och utgångslikriktare

Om utgången måste isoleras från ingången, vilket vanligtvis är fallet i nätaggregat, används den inverterade AC för att driva primärlindningen i en högfrekvenstransformator . Detta omvandlar spänningen upp eller ner till den erforderliga utgångsnivån på dess sekundärlindning. Utgångstransformatorn i blockschemat tjänar detta syfte.

Om en DC-utgång krävs likriktas AC-utgången från transformatorn. För utspänningar över tio volt eller så används vanliga kiseldioder. För lägre spänningar Schottky-dioder vanligtvis som likriktarelement; de har fördelarna med snabbare återhämtningstid än kiseldioder (som tillåter drift med låga förluster vid högre frekvenser) och ett lägre spänningsfall vid ledning. För ännu lägre utspänningar kan MOSFET:er användas som synkrona likriktare ; jämfört med Schottky-dioder har dessa ännu lägre spänningsfall i ledande tillstånd.

Den likriktade utgången utjämnas sedan av ett filter bestående av induktorer och kondensatorer . För högre kopplingsfrekvenser behövs komponenter med lägre kapacitans och induktans.

Enklare, oisolerade nätaggregat innehåller en induktor istället för en transformator. Denna typ inkluderar boost-omvandlare , buck-omvandlare och buck-boost-omvandlare . Dessa tillhör den enklaste klassen av enkelingång, enkelutgångsomvandlare som använder en induktor och en aktiv switch. Buck-omvandlaren minskar inspänningen i direkt proportion till förhållandet mellan konduktiv tid och den totala kopplingsperioden, kallad arbetscykeln. Till exempel kommer en idealisk buck-omvandlare med en 10 V-ingång som arbetar med en 50 % arbetscykel att producera en genomsnittlig utspänning på 5 V. En återkopplingskontrollslinga används för att reglera utspänningen genom att variera arbetscykeln för att kompensera för variationer i inspänning. Utspänningen från en boost-omvandlare är alltid större än ingångsspänningen och buck-boost-utgångsspänningen är inverterad men kan vara större än, lika med eller mindre än storleken på dess inspänning. Det finns många variationer och utökningar av denna klass av omvandlare men dessa tre utgör grunden för nästan alla isolerade och oisolerade DC till DC-omvandlare. Genom att lägga till en andra induktor Ćuk- och SEPIC -omvandlarna implementeras, eller genom att lägga till ytterligare aktiva omkopplare kan olika bryggomvandlare realiseras.

Andra typer av SMPS använder en kondensator – diodspänningsmultiplikator istället för induktorer och transformatorer . Dessa används mest för att generera höga spänningar vid låga strömmar ( Cockcroft-Walton generator) . Lågspänningsvarianten kallas laddpump .

förordning

Denna laddare för en liten enhet som en mobiltelefon är en off-line strömförsörjning med en europeisk kontakt, huvudsakligen bestående av en optokopplare, en likriktare och två aktiva komponenter .

En återkopplingskrets övervakar utspänningen och jämför den med en referensspänning. Beroende på design och säkerhetskrav kan styrenheten innehålla en isoleringsmekanism (som en optokopplare ) för att isolera den från DC-utgången. Växlingsförsörjning i datorer, TV-apparater och videobandspelare har dessa optokopplare för att noggrant styra utspänningen.

Regulatorer med öppen slinga har ingen återkopplingskrets. Istället förlitar de sig på att mata en konstant spänning till ingången på transformatorn eller induktorn, och antar att utsignalen kommer att vara korrekt. Reglerade konstruktioner kompenserar för impedansen hos transformatorn eller spolen. Monopolära konstruktioner kompenserar också för den magnetiska hysteresen i kärnan.

Återkopplingskretsen behöver ström för att fungera innan den kan generera ström, så en extra icke-omkopplande strömförsörjning för stand-by läggs till.

Transformator design

Varje strömförsörjning med switchat läge som får sin ström från en växelströmsledning (kallad "off-line"-omvandlare) kräver en transformator för galvanisk isolering . [ citat behövs ] Vissa DC-till-DC-omvandlare kan också inkludera en transformator, även om isolering kanske inte är kritisk i dessa fall. SMPS-transformatorer körs med hög frekvens. De flesta av kostnadsbesparingarna (och utrymmesbesparingarna) i off-line strömförsörjning beror på den mindre storleken på högfrekvenstransformatorn jämfört med de 50/60 Hz transformatorer som tidigare användes. Det finns ytterligare designavvägningar.

En transformators terminalspänning är proportionell mot produkten av kärnarean, magnetflödet och frekvensen. Genom att använda en mycket högre frekvens kan kärnarean (och därmed massan av kärnan) reduceras avsevärt. Däremot ökar kärnförlusterna vid högre frekvenser. Kärnor använder i allmänhet ferritmaterial som har en låg förlust vid de höga frekvenser och höga flödestätheter som används. De laminerade järnkärnorna i transformatorer med lägre frekvens (<400 Hz) skulle vara oacceptabelt förlorade vid omkopplingsfrekvenser på några kilohertz. Dessutom går mer energi förlorad under övergångar av den switchande halvledaren vid högre frekvenser. krävs mer uppmärksamhet på den fysiska layouten av kretskortet eftersom parasiter blir mer betydande och mängden elektromagnetisk störning kommer att bli mer uttalad.

Kopparförlust

Huvudartikel: Kopparförlust

Vid låga frekvenser (som linjefrekvensen på 50 eller 60 Hz) kan designers vanligtvis ignorera hudeffekten . För dessa frekvenser är hudeffekten endast signifikant när ledarna är stora, mer än 0,3 tum (7,6 mm) i diameter.

Byte av strömförsörjning måste ägna mer uppmärksamhet åt hudeffekten eftersom det är en källa till strömförlust. Vid 500 kHz är skaldjupet i koppar cirka 0,003 tum (0,076 mm) – en dimension mindre än de typiska kablarna som används i ett nätaggregat. Ledarnas effektiva motstånd ökar, eftersom strömmen koncentreras nära ledarens yta och den inre delen bär mindre ström än vid låga frekvenser.

Hudeffekten förvärras av de övertoner som finns i växlingsvågformerna för höghastighetspulsbreddsmodulering ( PWM). Det lämpliga huddjupet är inte bara djupet vid grundtonen, utan även huddjupet vid övertonerna.

Förutom hudeffekten finns det också en närhetseffekt , vilket är en annan källa till strömförlust.

Effektfaktor

Se även: Effektfaktor

Enkla off-line strömförsörjningar med switchat läge inkluderar en enkel helvågslikriktare ansluten till en stor energilagringskondensator. Sådana SMPS:er drar ström från AC-ledningen i korta pulser när nätspänningen överstiger spänningen över denna kondensator. Under den återstående delen av AC-cykeln ger kondensatorn energi till strömförsörjningen.

Som ett resultat har ingångsströmmen för sådana grundläggande switchade strömförsörjningar högt övertonsinnehåll och relativt låg effektfaktor. Detta skapar extra belastning på elledningar, ökar uppvärmningen av byggnadsledningar, krafttransformatorerna och vanliga AC-elektriska motorer, och kan orsaka stabilitetsproblem i vissa applikationer som i nödgeneratorsystem eller flygplansgeneratorer. Övertoner kan tas bort genom filtrering, men filtren är dyra. Till skillnad från förskjutningseffektfaktor skapad av linjära induktiva eller kapacitiva belastningar, kan denna distorsion inte korrigeras genom tillägg av en enda linjär komponent. Ytterligare kretsar krävs för att motverka effekten av de korta strömpulserna. Att sätta ett strömreglerat boostchoppersteg efter off-line likriktaren (för att ladda lagringskondensatorn) kan korrigera effektfaktorn, men ökar komplexiteten och kostnaden.

År 2001 införde Europeiska unionen standarden IEC 61000-3-2 för att sätta gränser för övertonerna i AC-ingångsströmmen upp till den 40:e övertonen för utrustning över 75 W. Standarden definierar fyra klasser av utrustning beroende på dess typ och aktuell vågform. De strängaste gränserna (klass D) är fastställda för persondatorer, datorskärmar och TV-mottagare. För att uppfylla dessa krav inkluderar moderna switchade strömförsörjningar normalt ett extra effektfaktorkorrigeringssteg ( PFC).

Typer

Strömförsörjning med switchat läge kan klassificeras enligt kretstopologin. Den viktigaste skillnaden är mellan isolerade omvandlare och icke-isolerade.

Icke-isolerade topologier

Icke-isolerade omvandlare är enklast, med de tre grundläggande typerna som använder en enda induktor för energilagring. I kolumnen spänningsrelation D omvandlarens arbetscykel och kan variera från 0 till 1. Inspänningen (V 1 ) antas vara större än noll; om den är negativ, för konsekvens, negera utspänningen (V 2 ).

Typ Typisk effekt [ W ] Relativ kostnad Energilagring Spänningsförhållande Funktioner
Bock 0–1 000 1.0 Enkel induktor 0 ≤ Ut ≤ In, Strömmen är kontinuerlig vid utgång.
Lyft 0–5 000 1.0 Enkel induktor Ut ≥ In, Strömmen är kontinuerlig vid ingång.
Buck-boost 0–150 1.0 Enkel induktor Ut ≤ 0, Strömmen är diskontinuerlig vid både ingång och utgång.
Split-pi (eller, boost-buck) 0–4 500 >2,0 Två induktorer och tre kondensatorer Upp eller ner Dubbelriktad effektkontroll; in eller ut.
Ćuk Kondensator och två induktorer Alla inverterade, Strömmen är kontinuerlig vid ingång och utgång.
SEPIC Kondensator och två induktorer Alla, Strömmen är kontinuerlig vid ingång.
Zeta Kondensator och två induktorer Alla, Strömmen är kontinuerlig vid utgång.
Laddningspump / kopplad kondensator Endast kondensatorer Ingen magnetisk energilagring behövs för att uppnå omvandling, men högeffektiv effektbehandling är normalt begränsad till en diskret uppsättning omvandlingsförhållanden.

När utrustning är tillgänglig för människor gäller spänningsgränser på ≤ 30 V (rms) AC eller ≤ 42,4 V topp eller ≤ 60 V DC och effektgränser på 250 VA för säkerhetscertifiering (UL , CSA , ​​VDE - godkännande ) .

Topologierna för buck, boost och buck-boost är alla starkt relaterade. Ingång, utgång och jord kommer samman vid en punkt. En av de tre passerar genom en induktor på vägen, medan de andra två passerar genom omkopplare. En av de två omkopplarna måste vara aktiv (t.ex. en transistor), medan den andra kan vara en diod. Ibland kan topologin ändras helt enkelt genom att märka om anslutningarna. En 12 V ingång, 5 V utgång buck-omvandlare kan konverteras till en 7 V ingång, −5 V utgång buck-boost genom att jorda utgången och ta utgången från jordstiftet .

Likaså är SEPIC- och Zeta-omvandlare båda mindre omarrangemang av Ćuk-omvandlaren.

Den neutrala punktklämda (NPC) topologin används i nätaggregat och aktiva filter och nämns här för fullständighetens skull.

Switchers blir mindre effektiva eftersom arbetscyklerna blir extremt korta. För stora spänningsförändringar kan en transformatortopologi (isolerad) vara bättre.

Isolerade topologier

Alla isolerade topologier inkluderar en transformator och kan således producera en utsignal med högre eller lägre spänning än ingången genom att justera varvförhållandet. För vissa topologier kan flera lindningar placeras på transformatorn för att producera flera utspänningar. Vissa omvandlare använder transformatorn för energilagring, medan andra använder en separat induktor.

Typ
Effekt [ W ] 		Relativ kostnad
Ingångsområde [ V ] 		Energilagring Funktioner
Flyga tillbaka 0–250 1.0 5–600 Ömsesidiga induktorer Isolerad form av buck-boost-omvandlaren
Ringchoke omvandlare (RCC) 0–150 1.0 5–600 Transformator Lågpris självsvängande flyback-variant
Halvframåt 0–250 1.2 5–500 Induktor
Fram 100–200 60–200 Induktor Isolerad form av buck-omvandlare
Resonant framåt 0–60 1.0 60–400 Induktor och kondensator Enkel ingång, oreglerad utgång, hög effektivitet, låg EMI .
Tryck dra 100–1 000 1,75 50–1 000 Induktor
Halvbrygga 0–2 000 1.9 50–1 000 Induktor
Helbrygga 400–5 000 >2,0 50–1 000 Induktor Mycket effektiv användning av transformator, används för högsta effekt
Resonant, nollspänning kopplad >1 000 >2,0 Induktor och kondensator
Isolerade Ćuk Två kondensatorer och två induktorer
Strömförsörjningar med switchat läge med nollspänning kräver endast små kylflänsar eftersom lite energi går förlorad som värme. Detta gör att de kan vara små. Denna ZVS kan leverera mer än 1 kilowatt. Transformator visas inte.
  • ^1 Flyback-omvandlarens logaritmiska kontrollloopbeteende kan vara svårare att kontrollera än andra typer.
  • ^2 Framåtriktaren har flera varianter, som varierar i hur transformatorn "återställs" till noll magnetiskt flöde varje cykel.

Chopper-styrenhet: Utspänningen är kopplad till ingången och styrs därför mycket hårt

Kvasiresonant nollström/nollspänningsomkopplare

Kvasiresonansbrytare växlar när spänningen är på ett minimum och en dal detekteras.

I en kvasiresonant nollström/nollspänningsomkopplare (ZCS/ZVS) "levererar varje omkopplingscykel ett kvantiserat "paket" av energi till omvandlarens utgång, och omkopplarens på- och avstängning sker vid noll ström och spänning , vilket resulterar i en i princip förlustfri switch." Kvasiresonansväxling, även känd som dalväxling , minskar EMI i strömförsörjningen med två metoder:

  1. Genom att byta den bipolära omkopplaren när spänningen är på ett minimum (i dalen) för att minimera den hårda omkopplingseffekten som orsakar EMI.
  2. Genom att byta när en dal upptäcks, snarare än vid en fast frekvens, introduceras ett naturligt frekvensjitter som sprider RF-emissionsspektrumet och minskar den totala EMI.

Effektivitet och EMI

Högre inspänning och synkront likriktningsläge gör omvandlingsprocessen mer effektiv. Styrenhetens strömförbrukning måste också beaktas. Högre switchfrekvens gör att komponentstorlekar kan krympas, men kan producera mer RFI . En framåtriktad resonansomvandlare producerar den lägsta EMI av alla SMPS-tillvägagångssätt eftersom den använder en mjukomkopplande resonansvågform jämfört med konventionell hårdväxling.

Fellägen

För fel i kopplingskomponenter, kretskort och så vidare läs fellägen för elektronikartikeln .

Strömförsörjningar som använder kondensatorer som lider av kondensatorplågan kan drabbas av för tidigt fel när kapacitansen sjunker till 4 % av det ursprungliga värdet. [ misslyckad verifiering ] Detta gör vanligtvis att den switchande halvledaren misslyckas på ett ledande sätt. Det kan exponera anslutna belastningar för full ingångsvolt och ström, och fälla ut vilda svängningar i utgången.

Fel i switchtransistorn är vanligt. På grund av de stora omkopplingsspänningarna som denna transistor måste hantera (cirka 325 V för en 230 V AC nätförsörjning), kortsluter dessa transistorer ofta, vilket i sin tur omedelbart slår ut den interna huvudströmsäkringen.

Försiktighetsåtgärder

Huvudfilterkondensatorn lagrar ofta upp till 325 volt långt efter att strömmen har kopplats bort. Alla nätaggregat innehåller inte ett litet "bleeder"-motstånd som långsamt laddar ur kondensatorn. Kontakt med denna kondensator kan resultera i en allvarlig elektrisk stöt.

Primär- och sekundärsidan kan kopplas ihop med en kondensator för att minska EMI och kompensera för olika kapacitiva kopplingar i omvandlarkretsen, där transformatorn är en. Detta kan i vissa fall leda till elektriska stötar. Strömmen som flyter från linje eller noll genom ett 2 kΩ- motstånd till valfri tillgänglig del måste, enligt IEC 60950, vara mindre än 250 μA för IT-utrustning.

Ansökningar

Switched mode mobiltelefonladdare
En 450 watt SMPS för användning i persondatorer med strömingång, fläkt och utgångssladdar synliga

Switchade strömförsörjningsenheter (PSU) i hushållsprodukter som persondatorer har ofta universella ingångar, vilket innebär att de kan ta emot ström från nätaggregat över hela världen, även om en manuell spänningsomkopplare kan krävas. Switch-mode nätaggregat kan tolerera ett brett utbud av strömfrekvenser och spänningar.

På grund av deras höga volymer har mobiltelefonladdare alltid varit särskilt kostnadskänsliga. De första laddarna var linjära nätaggregat , men de gick snabbt över till den kostnadseffektiva SMPS-topologin (Ringing Choke Converter) (RCC) när nya nivåer av effektivitet krävdes. Nyligen har kravet på ännu lägre tomgångseffektkrav i applikationen inneburit att flyback-topologin används mer allmänt; primära sidoavkännande flygback-kontroller hjälper också till att skära ner materialförteckningen (BOM) genom att ta bort avkänningskomponenter på sekundärsidan såsom optokopplare . [ citat behövs ]

Switchade nätaggregat används också för DC till DC-konvertering. I tunga fordon som använder en nominell 24 V DC vevförsörjning, kan 12 V för tillbehör tillhandahållas via en DC/DC switch-mode matning. Detta har fördelen jämfört med att knacka på batteriet i 12 V-läget (med halva cellerna) att hela 12 V-belastningen är jämnt fördelad mellan alla celler i 24 V-batteriet. I industriella miljöer som telekommunikationsställ, kan bulkkraft distribueras med en låg DC-spänning (t.ex. från ett batteribackup-system) och individuella utrustningsartiklar kommer att ha DC/DC switchade omvandlare för att leverera erforderlig spänning.

En vanlig användning för switchade strömförsörjningar är en extra lågspänningskälla för belysning. För denna applikation kallas de ofta "elektroniska transformatorer".

Exempel på SMPS:er för belysningsapplikationer med extra låg spänning, så kallade elektroniska transformatorer.

Terminologi

Termen switch mode användes flitigt tills Motorola gjorde anspråk på äganderätten till varumärket SWITCHMODE för produkter riktade mot switching-mode strömförsörjningsmarknaden och började upprätthålla deras varumärke. Switch-mode strömförsörjning , switchande strömförsörjning och switchade regulator hänvisar till denna typ av strömförsörjning.

Se även

Anteckningar

  •   Pressman, Abraham I. (1998), Switching Power Supply Design (2:a upplagan), McGraw-Hill, ISBN 0-07-052236-7

Vidare läsning

  •   Basso, Christophe (2008), Switch-Mode Power Supplies: SPICE Simulations and Practical Designs , McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-150858-2
  •   Basso, Christophe (2012), Designing Control Loops for Linear and Switching Power Supplies: A Tutorial Guide , Artech House, ISBN 978-1608075577
  •   Brown, Marty (2001), Power Supply Cookbook (2:a upplagan), Newnes, ISBN 0-7506-7329-X
  •   Erickson, Robert W.; Maksimović, Dragan (2001), Fundamentals of Power Electronics (andra upplagan), ISBN 0-7923-7270-0
  •   Liu, Mingliang (2006), Demystifying Switched-Capacitor Circuits , Elsevier, ISBN 0-7506-7907-7
  •   Luo, Fang Lin; Ye, Hong (2004), Advanced DC/DC Converters , CRC Press, ISBN 0-8493-1956-0
  •   Luo, Fang Lin; Ja, Hong; Rashid, Muhammad H. (2005), Power Digital Power Electronics and Applications , Elsevier, ISBN 0-12-088757-6
  •   Maniktala, Sanjaya (2004), Switching Power Supply Design and Optimization , McGraw-Hill, ISBN 0-07-143483-6
  •   Maniktala, Sanjaya (2006), Switching Power Supplies A to Z , Newnes/Elsevier, ISBN 0-7506-7970-0
  •   Maniktala, Sanjaya (2007), Felsökning Switching Power Converters: A Hands-on Guide , Newnes/Elsevier, ISBN 978-0-7506-8421-7
  •   Mohan, Ned; Undeland, Tore M.; Robbins, William P. (2002), Power Electronics : Converters, Applications and Design , Wiley, ISBN 0-471-22693-9
  • Nelson, Carl (1986), LT1070 designmanual , vol. AN19, Linear Technology Application Note ger en omfattande introduktion i Buck, Boost, CUK, Inverter-applikationer. (ladda ner som PDF från http://www.linear.com/designtools/app_notes.php )
  •   Pressman, Abraham I.; Billings, Keith; Morey, Taylor (2009), Switching Power Supply Design (tredje upplagan), McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-148272-1
  •   Rashid, Muhammad H. (2003), Power Electronics: Circuits, Devices and Applications , Prentice Hall, ISBN 0-13-122815-3

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Switched-mode_power_supply&oldid=1142239027 "