Bộ điều chỉnh điện áp chuyển mạch là gì?

Bộ điều chỉnh chuyển mạch là một mạch thiết yếu để tạo ra điện áp cung cấp ổn định một cách hiệu quả và để chuyển điện áp lên hoặc xuống.

Tạo ra điện áp ổn định có khả năng truyền một lượng dòng điện đáng kể là một trong những nhiệm vụ cơ bản của thiết kế điện tử. Mô hình cơ bản của mạch điện tử điện áp thấp có dạng như sau:

Một điện áp có khả năng điều khiển dòng điện dồi dào được cung cấp như một trong những đầu vào chính của hệ thống.
Điện áp đầu vào này, có thể quá cao hoặc quá thay đổi để sử dụng trực tiếp trong mạch, được chuyển đổi thành một hoặc nhiều điện áp cung cấp được điều chỉnh có cường độ tương ứng với thông số kỹ thuật của các bộ phận được cấp nguồn.
Các thành phần này (bộ vi điều khiển, bộ khuếch đại thuật toán, v.v.) sử dụng điện áp nguồn được điều chỉnh để thực hiện chức năng cần thiết của mạch.

Có nhiều cách khác nhau để thực hiện điều này. Khi mới bắt đầu thiết kế mạch điện, tôi sử dụng bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính—chẳng hạn như 7805—bất cứ khi nào có thể. Tuy nhiên, ngày nay không thể phủ nhận rằng bộ điều chỉnh chuyển mạch thường là phương pháp ưu việt hơn và theo kinh nghiệm của tôi, chúng là thường phương pháp ưu việt.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về danh pháp và sau đó khám phá các nguyên tắc cơ bản của quy định chuyển mạch.

Thuật ngữ điều chỉnh chuyển mạch

“Bộ điều chỉnh chuyển mạch (điện áp)” có lẽ là thuật ngữ phổ biến và dễ nhận biết nhất để biểu thị loại mạch này. Tuy nhiên, bạn cũng sẽ thấy các kết hợp khác nhau của các thuật ngữ sau:

Nguồn điện chuyển đổi chế độ (SMPS)
Bộ chuyển mạch hoặc công tắc
Bộ chuyển đổi hoặc bộ điều chỉnh
DC / DC

Tôi thực sự thích “bộ điều chỉnh chế độ chuyển mạch” hoặc “nguồn điện ở chế độ chuyển mạch” hơn bởi vì “chế độ chuyển mạch” truyền tải thành công hơn bản chất của các mạch này: chuyển mạch là chế độ nhờ đó chúng hoàn thành nhiệm vụ điều chỉnh hoặc chuyển đổi điện áp.

Tất cả các thuật ngữ này đều có sự mơ hồ nên hiếm khi gây ra vấn đề nhưng dù sao cũng đáng lưu ý: về mặt lý thuyết, “bộ điều chỉnh chuyển mạch” hoặc “nguồn điện ở chế độ chuyển mạch” có thể đề cập đến một mạch tạo ra đường ray điện sử dụng các công tắc kết hợp với một trong hai. cuộn cảm hoặc một tụ.

Bộ nguồn chuyển đổi chế độ chuyển mạch dựa trên cuộn cảm và tụ điện

Tuy nhiên, trong thực tế, các thuật ngữ được đề cập ở trên chỉ dành cho các bộ chuyển mạch dựa trên cuộn cảm. Hình 1 là một ví dụ về bộ điều chỉnh chế độ chuyển mạch dựa trên cuộn cảm. Phần lớn các nguồn cung cấp năng lượng ở chế độ chuyển mạch đều dựa trên cuộn cảm. Đây sẽ là trọng tâm chính của bài viết này.

Hình 1. Cấu trúc liên kết cơ bản của nguồn điện chuyển mạch dựa trên cuộn cảm. Hình ảnh (đã được sửa đổi) được sử dụng với sự cho phép của Wikimedia Commons

Bộ chuyển mạch dựa trên tụ điện, chẳng hạn như mạch ví dụ trong Hình 2, thường được gọi là bộ nguồn “bơm sạc” hoặc bộ nguồn “tụ điện chuyển mạch”. Hình 1 và 2 đều là ví dụ về mạch tạo ra điện áp đầu ra cao hơn điện áp đầu vào.

Hình 2. Cấu trúc liên kết cơ bản của nguồn cung cấp năng lượng chuyển mạch dựa trên tụ điện.

Điều chỉnh điện áp tuyến tính

Bây giờ chúng ta hãy nghĩ về bộ điều chỉnh tuyến tính, như minh họa trong Hình 3. Bộ điều chỉnh tuyến tính chỉ có thể giảm điện áp, vì vậy chúng ta biết rằng điện áp đầu vào cao hơn điện áp đầu ra.

Hình 3. Sơ đồ khối điều chỉnh điện áp tuyến tính. Hình ảnh của tác giả

Bộ điều chỉnh tuyến tính cần một lượng dòng điện nhỏ để hoạt động; đây được gọi là dòng điện đất. Dòng điện nối đất thường nhỏ không đáng kể, vì vậy hãy bỏ qua nó và giả sử rằng dòng điện chạy vào bộ điều chỉnh bằng dòng điện chạy ra khỏi bộ điều chỉnh và đi vào mạch tải điện.

Bây giờ chúng ta hãy nghĩ về sức mạnh. Chúng tôi tính toán năng lượng điện dưới dạng điện áp nhân với dòng điện và vì đầu ra có dòng điện bằng nhau nhưng điện áp thấp hơn so với đầu vào, nguồn điện phải bị mất ở đâu đó. Bạn cũng có thể tưởng tượng rằng bộ điều chỉnh tuyến tính là một phần tử điện trở đơn giản có độ sụt điện áp:

$$V_{DROP} = V_{IN} – V_{OUT}$$

Trong trường hợp này, công suất tiêu tán của bộ điều chỉnh tuyến tính, P_REG là:

$$P_{REG} = V_{DROP} cdot I_{LOAD}$$

Trên thực tế, một trong những thành phần của bộ điều chỉnh tuyến tính là một công tắc—không phải công tắc điện cơ mà là một bóng bán dẫn có khả năng hoạt động như một công tắc điện thuần túy. Tuy nhiên, chúng tôi không gọi bộ điều chỉnh tuyến tính là bộ điều chỉnh chuyển mạch vì công tắc không bật và tắt; thay vào đó, công tắc hoạt động ở trạng thái trung gian trong đó nó có điện trở đáng kể và điện trở này sẽ tiêu tán năng lượng và cho phép giảm điện áp.

Điều chỉnh tuyến tính đơn giản và có hiệu quả cao nhưng không hiệu quả. Công tắc hoạt động ở trạng thái điện trở trung gian và tiêu tán một lượng điện năng lớn dưới dạng nhiệt. Trừ khi bạn muốn bộ điều chỉnh của mình hoạt động như một bộ điều chỉnh và một lò sưởi điện, năng lượng này đang bị lãng phí.

Chuyển đổi chế độ điều chỉnh điện áp

Điều này dẫn chúng ta đến khái niệm về bộ điều chỉnh chế độ chuyển đổi. Nếu chúng ta có thể bật hoặc tắt hoàn toàn công tắc—nói cách khác, nếu chúng ta có thể tránh được vùng trung gian tiêu tán năng lượng cao đó—thì chúng ta có thể tạo ra một bộ điều chỉnh hiệu quả hơn nhiều. Nhưng cuộc thảo luận của chúng ta về bộ điều chỉnh tuyến tính cho thấy rằng năng lượng lãng phí là cần thiết để giảm điện áp. Phải làm gì?

Đây là nơi mà cuộn cảm xuất hiện. Một cuộn cảm lưu trữ và giải phóng năng lượng sao cho dòng điện qua cuộn cảm không thể thay đổi ngay lập tức. Hành động bật/tắt dẫn đến dòng điện cảm ứng tăng và giảm dần. Khi một cuộn cảm được kết hợp với một tụ điện, bộ lọc LC thu được có thể làm mịn dạng sóng bật/tắt thành điện áp tương đối ổn định. Độ lớn của điện áp được làm mịn được xác định bởi chu kỳ hoạt động của dạng sóng bật/tắt.

Ví dụ: hãy xem Hình 4. Sau khi lọc, các chu kỳ nhiệm vụ khác nhau (trong ví dụ này là 10%, 50% và 90%) tương ứng với các mức điện áp DC khác nhau (được biểu thị bằng các đường cong màu đỏ). Các mức điện áp DC này không hoàn toàn bằng phẳng vì vẫn còn một số gợn sóng sau khi lọc.

Hình 4. Các mức điện áp DC là một hàm của chu kỳ nhiệm vụPWM. Hình ảnh của tác giả

Do đó, chúng ta có thể bật tắt công tắc ở tần số cao, sau đó sử dụng phương pháp điều chế và lọc độ rộng xung để tạo ra điện áp đầu ra DC mong muốn. Chúng ta cũng có thể theo dõi tín hiệu phản hồi và điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ củaPWM tùy theo điều kiện tải. Đây là chế độ hoạt động cơ bản trong các mạch điều chỉnh chuyển mạch: lọc cảm ứng để cung cấp dòng tải ổn định bất kể hoạt động chuyển mạch bật/tắt; phản hồi và xung điều chỉnh điện áp.

Mặc dù công tắc đang hoạt động ở tần số cao nhưng nó vẫn dành phần lớn thời gian ở trạng thái tiêu tán năng lượng thấp (tức là trạng thái bật hoàn toàn và tắt hoàn toàn). Đây là lý do tại sao bộ điều chỉnh chuyển mạch có thể hiệu quả hơn nhiều so với bộ điều chỉnh tuyến tính.

Tất nhiên, có nhiều chi tiết và biến thể mà tôi chưa đề cập đến, nhưng nếu bạn hiểu được tất cả những điều này, bạn sẽ có nền tảng vững chắc để nghiên cứu sâu hơn.

Ví dụ về mạch điều chỉnh điện áp chuyển mạch: Bộ chuyển đổi Buck

Hình 5 cho thấy cấu trúc liên kết cơ bản của bộ chuyển đổi Buck, còn được gọi là bộ chuyển đổi bước xuống. Nó sử dụng hoạt động ở chế độ chuyển đổi để giảm cường độ của điện áp đầu vào DC. (Lưu ý rằng, nói đúng ra, đây không phải là bộ điều chỉnh điện áp vì nó không bao gồm hệ thống con phản hồi cần thiết để duy trì điện áp ổn định bất chấp điều kiện tải thay đổi.)

Hình 5. Ví dụ về một loại mạch điều chỉnh điện áp chuyển mạch: bộ chuyển đổi Buck.

nguồn: https://www.slw-ele.com/what-is-a-switching-voltage-regulator.html