Bộ nguồn chế độ chuyển mạch (SMPS), đôi khi được gọi là bộ nguồn chế độ chuyển mạch, đã trở thành một công cụ quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng hiệu quả bằng cách chuyển đổi nguồn điện xoay chiều đầu vào từ nguồn điện lưới thành nguồn điện một chiều điện áp thấp đầu ra. Bộ chuyển đổi nguồn AC-DC chế độ chuyển mạch có mặt ở khắp mọi nơi, từ nguồn điện ngoài cho máy tính xách tay, bên trong hộp giải mã truyền hình, đến bộ sạc cắm điện cho điện thoại thông minh.

Trước đây, các phương pháp chuyển đổi điện tuyến tính thường thực hiện chuyển đổi điện năng. Nguồn điện tuyến tính thường yêu cầu các máy biến áp lớn, nặng với mạch điều khiển "tuyến tính" tương tự. Do hiệu suất chuyển đổi điện năng thường dưới 65%, máy biến áp tạo ra lượng nhiệt thải tương đối lớn, đòi hỏi phải tản nhiệt.

Ngược lại, bộ nguồn chuyển mạch nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng, thường đạt hiệu suất trên 85% và nhẹ. Bộ nguồn chuyển mạch cũng cực kỳ linh hoạt về mặt thiết kế, cho phép các nhà thiết kế tìm ra giải pháp tối ưu cho bất kỳ yêu cầu năng lượng nào mà sản phẩm cuối cùng của họ có thể có.

Quyết định xây dựng hay mua

Vào một thời điểm nào đó trong chu kỳ phát triển sản phẩm mới, các nhóm kỹ thuật sẽ phải đối mặt với nhiệm vụ thiết kế bộ nguồn. Vì họ có thể đang thiết kế một sản phẩm từ đầu, nên có thể sẽ có những nỗ lực tiếp tục phương pháp này với bộ nguồn. Tuy nhiên, thiết kế bộ nguồn, giống như các lĩnh vực khác của kỹ thuật điện tử, là một bộ kỹ năng chuyên biệt.

Nhiều năm kinh nghiệm thiết kế đã được đầu tư để tạo ra các bộ nguồn đáng tin cậy và hiệu quả, và kiến trúc chế độ chuyển mạch phức tạp hơn nhiều so với thiết kế tuyến tính đơn giản. Ngoài ra, các công nghệ quy trình bán dẫn tiên tiến như silicon carbide (SiC) và gallium nitride (GaN) đã đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển của kiến trúc chế độ chuyển mạch, tăng hiệu suất năng lượng và giảm kích thước. Vì lý do này, việc lựa chọn bộ nguồn lắp sẵn là một quyết định thận trọng, trừ khi bạn có những hạn chế kỹ thuật cụ thể đòi hỏi phải phát triển chuyên biệt.

Nguyên lý chuyển đổi chế độ

Nguyên lý chuyển đổi chế độ chuyển mạch áp dụng cho cả nguồn điện AC-DC và DC-DC. Đối với nguồn điện AC-DC, có hai giai đoạn: chỉnh lưu điện áp nguồn một pha 230Vac hoặc 3 pha 400Vac 50Hz trước khi chuyển đổi DC-DC.

Trong cả hai trường hợp, trong quá trình chuyển đổi DC-DC, mạch sơ cấp của chất bán dẫn công suất (mạch chuyển mạch) tạo ra điện áp xoay chiều tần số cao cho máy biến áp, tạo ra dòng điện trong cuộn dây sơ cấp, rồi dòng điện này lại tạo ra dòng điện xoay chiều trong cuộn dây thứ cấp, tạo ra điện áp thứ cấp. Tỷ lệ giữa các cuộn dây của máy biến áp quyết định mức độ tăng hoặc giảm điện áp. Mạch thứ cấp chỉnh lưu điện áp tần số cao và có thể tạo ra tín hiệu phản hồi đến mạch điện tử sơ cấp để điều khiển.

Cấu trúc bộ chuyển đổi cơ bản

Có một số cấu trúc bộ chuyển đổi khác nhau đang được sử dụng, một số phổ biến hơn những cấu trúc khác. Mỗi cấu trúc có cấu hình linh kiện từ tính hơi khác nhau, chẳng hạn như cuộn cảm, máy biến áp và tụ điện. Các cấu trúc sách giáo khoa bao gồm bộ chuyển đổi buck và bộ chuyển đổi boost, là những ví dụ thuận tiện để minh họa các nguyên lý cơ bản của mạch chuyển đổi chế độ chuyển mạch.

Bộ chuyển đổi Buck, còn được gọi là chế độ thuận, được sử dụng để giảm điện áp đầu vào.

Hình 1 (bên phải) cho thấy một mạch đơn giản minh họa việc sử dụng cuộn cảm (L) và tụ điện (C) trong mạch đầu ra. Công tắc bán dẫn (TR1) thể hiện việc chuyển mạch nhanh MOSFET sang trạng thái bão hòa, tức là tắt hoàn toàn.

Khi TR1 dẫn điện, diode (D) được phân cực ngược và dòng điện chạy đến tải. Dòng điện này tích điện cho tụ điện C thông qua cuộn cảm (L), ngược chiều dòng điện, tạo ra từ trường. Khi TR1 ngừng dẫn điện, từ trường trong L sụp đổ, diode (D) được phân cực thuận, buộc dòng điện chạy qua tải, đồng thời tụ điện (C) xả điện tích còn lại của nó về tải. Sự kết hợp giữa giá trị của cuộn cảm và tụ điện tạo thành một bộ lọc LC, giúp giảm gợn sóng do chuyển mạch.

Một cấu trúc phổ biến khác là bộ chuyển đổi tăng áp (xem Hình 2 bên dưới), được thiết kế để tăng hoặc "tăng áp" điện áp đầu vào nhằm tạo ra điện áp đầu ra cao hơn.

Không giống như bộ chuyển đổi buck, trong đó transistor chuyển mạch được mắc nối tiếp với điện áp đầu vào, trong mạch tăng áp, transistor song song với đầu vào và được kết nối với đầu vào thông qua một cuộn cảm. Một tụ điện vẫn nằm trên tải, duy trì điện áp đầu ra trong khi transistor dẫn điện. Từ trường bị nén của cuộn cảm sẽ chảy về đầu ra khi transistor tắt.

Kết hợp cấu trúc buck và boost sẽ tạo ra bộ chuyển đổi buck/boost có thể tăng hoặc giảm điện áp đầu vào.

Lưu ý rằng vì lý do an toàn, không có cấu trúc liên kết nào ở trên sử dụng máy biến áp (gọi là bộ chuyển đổi không cách ly) để cách ly điện áp đầu vào với điện áp đầu ra. Chúng cũng dùng chung một điểm nối đất.

Có một số cấu trúc được sử dụng cho nguồn điện AC-DC giúp cung cấp khả năng cách ly cao và hiệu quả năng lượng khi vận hành, trong đó phổ biến nhất là cấu trúc flyback và cấu trúc bán cộng hưởng.

Kiến trúc nguồn điện chuyển mạch phổ biến

Bộ lọc đầu vào

Bộ lọc đầu vào loại bỏ các xung điện và xung nhiễu có hại từ nguồn điện lưới, ngăn chúng xâm nhập và gây hư hỏng nguồn điện. Bộ lọc cũng loại bỏ nhiễu điện từ (EMI) xảy ra trong mạch chuyển mạch, ngăn chúng truyền sang nguồn điện xoay chiều.

Mạch chuyển mạch thường hoạt động ở tần số từ 25kHz đến 500kHz và là nguồn nhiễu điện từ (EMI). Nhiễu từ nguồn điện bao gồm hai thành phần: chế độ chung và chế độ vi sai. Chế độ chung đề cập đến nhiễu được đo giữa dây nóng hoặc dây trung tính và đất. Chế độ vi sai đề cập đến nhiễu được đo giữa dây nóng và dây trung tính.

Sự kết hợp giữa cuộn cảm/cuộn cảm và tụ điện tạo ra một bộ lọc giúp giảm cả hai loại nhiễu.

Sửa lỗi

Điện áp đầu vào AC đã lọc được dẫn qua mạch chỉnh lưu cầu để tạo ra điện áp DC dao động. Tụ điện "khối" làm mịn giúp loại bỏ gợn sóng đường dây khỏi điện áp đã chỉnh lưu và duy trì điện áp không đổi.

Hiệu chỉnh hệ số công suất

Đây là một đặc điểm quan trọng của bất kỳ thiết kế nguồn điện nào lớn hơn 75 watt và trên PSU LED lớn hơn 20 watt, liên quan đến sự khác biệt giữa công suất thực tế tiêu thụ và dòng điện biểu kiến thực tế, được thể hiện dưới dạng tỷ lệ, đây là hệ số công suất.

Trong điều kiện lý tưởng, tỷ lệ này phải là 1 (1). Tuy nhiên, dòng điện sạc của tụ điện 'khối' được sử dụng trong giai đoạn chỉnh lưu khiến dạng sóng sin của nguồn điện xoay chiều bị méo.

Các kỹ thuật hiệu chỉnh hệ số công suất thụ động thường sử dụng cuộn cảm ở đầu vào dẫn dòng để giảm đỉnh sóng sin, giảm méo hài tiềm ẩn và cải thiện hệ số công suất. Tuy nhiên, làm như vậy có thể làm giảm hiệu suất.

Hiện nay, hầu hết các bộ nguồn chuyển mạch AC-DC đều sử dụng kỹ thuật hiệu chỉnh hệ số công suất chủ động, thường sử dụng mạch chuyển đổi tăng áp để kiểm soát hình dạng sóng (để cải thiện hệ số công suất) và hạn chế hiện tượng méo hài.

Chức năng chuyển đổi

Nó bao gồm một bán dẫn công suất chuyển mạch, một máy biến áp và một IC điều khiển, tất cả đều hoạt động cùng nhau để cung cấp điện áp xoay chiều cao cho máy biến áp. Tỷ số vòng dây của máy biến áp cho phép tăng hoặc giảm điện áp, và cũng hoạt động như một chất cách điện.

Tần số chuyển mạch có thể thay đổi từ 25kHz đến 500kHz hoặc hơn. Tần số và/hoặc chu kỳ hoạt động của tín hiệu PWM có thể thay đổi tùy thuộc vào tải được áp dụng cho đầu ra.

Trong quá trình thiết kế chức năng chuyển mạch, điều quan trọng là phải tuân theo các biện pháp tốt nhất về EMI để giảm thiểu EMI dẫn và bức xạ nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn quy định.

Điều khiển điện áp đầu ra DC và cáp

Đầu ra thứ cấp từ máy biến áp đi qua mạch chỉnh lưu đến tải. Tụ điện làm mịn và các linh kiện lọc cũng tham gia vào chức năng này. Điện áp đầu ra cũng được đưa đến bộ khuếch đại so sánh, bộ khuếch đại này so sánh đầu ra với điện áp tham chiếu để điều chỉnh điện áp chính xác.

Bộ cách ly quang hoạt động như một rào cản an toàn điện để phản hồi tới mạch điều khiển PWM chính, tối ưu hóa quá trình điều khiển để hiệu chỉnh độ lệch điện áp đầu ra.

Hầu hết các bộ nguồn chuyển mạch hiện nay đều có hiệu suất cao, với giá trị điển hình từ 85% đến 95%. Phần lớn nhiệt thải sinh ra do tổn thất năng lượng bên trong bộ nguồn được tản nhiệt bằng dẫn nhiệt. Tuy nhiên, tùy thuộc vào công nghệ được sử dụng, đặc biệt là với các bộ nguồn công suất lớn hơn 150 W, có thể cần đến hệ thống làm mát cưỡng bức bằng không khí.

Việc bổ sung quạt tốc độ biến thiên và mạch điều khiển liên quan giúp đáp ứng yêu cầu này. Tuy nhiên, các công nghệ mới hơn, với công suất lên đến 1.500 watt và hiệu suất cao, đã chứng minh rằng có thể dẫn nhiệt sinh ra đến bộ tản nhiệt hoặc khu vực làm mát dẫn nhiệt mà không cần quạt ồn ào và dễ bị mòn. Các model công suất cao hơn sử dụng tản nhiệt bằng chất lỏng, giúp dẫn nhiệt sinh ra đến một khu vực khác.

Lựa chọn nguồn điện chuyển mạch AC-DC

Khi lựa chọn nguồn điện chuyển mạch AC/DC, ngoài các thông số kỹ thuật điện cần thiết như điện áp đầu vào và đầu ra, khả năng quản lý điện năng và hiệu suất, còn có một số yếu tố khác trong tài liệu thông số kỹ thuật sản phẩm cần được xem xét.

Điều chỉnh dòng điện là gì? Hầu hết các bộ nguồn chế độ chuyển mạch đều điều chỉnh điện áp đầu ra trong phạm vi +/- 3% giá trị quy định. Điện áp này có đủ cho sản phẩm cuối cùng của bạn không? Và giá trị này có ổn định trong mọi điều kiện tải, từ tải 10% đến tải 100% không?

Nó có khả năng chịu tải đỉnh hay tăng áp không? Tính năng hữu ích này cho phép sử dụng, ví dụ, 150% tải đầy đủ trong thời gian ngắn. Việc khởi động động cơ có thể tận dụng điều này, cho phép lựa chọn nguồn điện có định mức thấp hơn, rẻ hơn, thay vì phải hỗ trợ tải đỉnh bằng nguồn điện đắt tiền hơn.

Đảm bảo bộ nguồn của bạn tuân thủ tất cả các yêu cầu quốc tế và quốc gia liên quan về hiệu suất năng lượng, an toàn và nhiễu điện từ. Các tiêu chuẩn xác định mức hiệu suất năng lượng tối thiểu ở chế độ tải đầy đủ và tải 10%, cũng như mức tiêu thụ điện năng tối đa khi không tải. Tại Hoa Kỳ, tiêu chuẩn liên quan là DoE Cấp VI, và tại Châu Âu là EcoDesign 2019/1782.

Các quy định an toàn chung bao gồm IEC 62368-1 cho thiết bị CNTT và AV, và nếu bạn có sản phẩm y tế, hãy sử dụng IEC 60601-1. Đối với sản phẩm điện gia dụng, hãy sử dụng chỉ thị IEC 60335-1.

Các chỉ thị bổ sung bao gồm các yêu cầu cụ thể đối với đèn LED, HVAC và các ứng dụng khác. Tiêu chuẩn EMI CISPR32 và FCC20870 xác định các yêu cầu về nhiễu điện từ và độ nhạy.

Phần kết luận

Việc xác định bộ nguồn AC-DC chế độ chuyển mạch không phải là một nhiệm vụ dễ dàng, vì tất cả các yêu cầu an toàn phải được tính đến. Bộ nguồn chế độ chuyển mạch là một phương pháp tiết kiệm năng lượng và nhỏ gọn để cấp nguồn cho sản phẩm hoàn thiện ngoại tuyến. Các bộ nguồn này có sẵn với dải điện áp đầu vào AC phổ biến từ 90 Vac đến 264 Vac và có sẵn ở nhiều mức điện áp đầu ra DC phổ biến từ các nhà cung cấp uy tín.