Fonte de alimentação comutada - Switched-mode power supply

Vista interna de um ATX SMPS : abaixo de
A: filtragem de entrada EMI e retificador de ponte;
B: capacitores do filtro de entrada;
“Entre” B e C: dissipador de calor do lado primário;
C: transformador;
Entre C e D: dissipador de calor do lado secundário;
D: bobina do filtro de saída;
E: capacitores de filtro de saída.  
A bobina e o grande capacitor amarelo abaixo de E são componentes adicionais de filtragem de entrada que são montados diretamente no conector de entrada de energia e não fazem parte da placa de circuito principal. As fontes de alimentação ATX fornecem pelo menos 5 saídas de tensão independentes.
Uma fonte de alimentação comutada ajustável para uso em laboratório

A comutação de modo de fornecimento de energia ( fonte de alimentação de modo de comutação , fonte de alimentação de modo de comutação , fonte de alimentação comutada , SMPS , ou comutador ) é uma electrónica fonte de alimentação que incorpora um regulador de comutação para converter energia eléctrica de forma eficiente.

Como outras fontes de alimentação, um SMPS transfere energia de uma fonte CC ou CA (geralmente energia da rede elétrica , consulte o adaptador CA ) para cargas CC, como um computador pessoal , enquanto converte a voltagem e as características atuais . Ao contrário de uma fonte de alimentação linear , o transistor de passagem de uma fonte chaveada alterna continuamente entre os estados de baixa dissipação , totalmente ligado e totalmente desligado, e gasta muito pouco tempo nas transições de alta dissipação, o que minimiza o desperdício de energia. Uma fonte de alimentação comutada ideal hipotética não dissipa energia. A regulação da tensão é obtida variando-se a relação entre o tempo ligado e desligado (também conhecido como ciclos de trabalho ). Em contraste, uma fonte de alimentação linear regula a tensão de saída dissipando continuamente a potência no transistor de passagem . Essa maior eficiência de conversão de energia é uma vantagem importante de uma fonte de alimentação comutada. As fontes de alimentação comutadas também podem ser substancialmente menores e mais leves do que uma fonte linear porque o transformador pode ser muito menor. Isso ocorre porque ele opera na frequência de chaveamento que varia de várias centenas de kHz a vários MHz, em contraste com os 50-60 Hz, que é típico para a frequência de CA da rede elétrica. Apesar da redução no tamanho, a própria topologia da fonte de alimentação e a necessidade de supressão de interferência eletromagnética em projetos comerciais resultam em uma contagem de componentes geralmente muito maior e na complexidade do circuito correspondente.

Os reguladores de comutação são usados ​​como substitutos para os reguladores lineares quando uma maior eficiência, tamanho menor ou peso mais leve são necessários. Eles são, no entanto, mais complicados; as correntes de comutação podem causar problemas de ruído elétrico se não forem suprimidas com cuidado, e projetos simples podem ter um fator de potência fraco .

História

1836
As bobinas de indução usam interruptores para gerar altas tensões.
1910
Um sistema de ignição de descarga indutiva inventado por Charles F. Kettering e sua empresa Dayton Engineering Laboratories Company (Delco) entra em produção para Cadillac. O sistema de ignição Kettering é uma versão comutada mecanicamente de um conversor fly back boost; o transformador é a bobina de ignição. Variações desse sistema de ignição foram usadas em todos os motores de combustão interna não diesel até a década de 1960, quando ele começou a ser substituído primeiro por versões comutadas eletronicamente de estado sólido e, em seguida, por sistemas de ignição por descarga capacitiva .
1926
Em 23 de junho, o inventor britânico Philip Ray Coursey solicita uma patente em seu país e nos Estados Unidos, para seu "Condensador elétrico". A patente menciona soldagem de alta frequência e fornos, entre outros usos.
c.  1932
Relés eletromecânicos são usados ​​para estabilizar a saída de tensão dos geradores. Consulte Regulador de tensão # Reguladores eletromecânicos .
c. 1936
Os rádios automotivos usaram vibradores eletromecânicos para transformar a alimentação da bateria de 6 V em uma tensão B + adequada para os tubos de vácuo.
1959
O MOSFET (transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico) foi inventado por Mohamed M. Atalla e Dawon Kahng no Bell Labs . O MOSFET de energia mais tarde se tornou o dispositivo de energia mais amplamente usado para comutação de fontes de alimentação.
1959
Sistema de alimentação do conversor retificador e oscilação do transistor A patente dos EUA 3.040.271 foi registrada por Joseph E. Murphy e Francis J. Starzec, da General Motors Company
Década de 1960
O Apollo Guidance Computer , desenvolvido no início dos anos 1960 pelo Laboratório de Instrumentação do MIT para as ambiciosas missões lunares da NASA (1966-1972), incorporou fontes de alimentação comutadas antecipadamente.
c. 1967
Bob Widlar, da Fairchild Semiconductor, projeta o regulador de tensão µA723 IC. Uma de suas aplicações é como regulador comutado.
1970
A Tektronix começa a usar a fonte de alimentação de alta eficiência em seus osciloscópios da série 7000 produzidos entre 1970 e 1995.
1970
Robert Boschert desenvolve circuitos mais simples e de baixo custo. Em 1977, a Boschert Inc. se tornou uma empresa com 650 funcionários. Após uma série de fusões, aquisições e cisões (Produtos de Computação, Zytec, Artesyn, Emerson Electric), a empresa agora faz parte da Advanced Energy .
1972
HP-35 , a primeira calculadora de bolso da Hewlett-Packard , é apresentada com fonte de alimentação de comutação de transistor para diodos emissores de luz , relógios, cronometragem, ROM e registros.
1973
A Xerox usa fontes de alimentação alternadas no minicomputador Alto
1976
Robert Mammano, co-fundador da Silicon General Semiconductors, desenvolve o primeiro circuito integrado para controle SMPS, modelo SG1524. Após uma série de fusões e aquisições (Linfinity, Symetricom, Microsemi ), a empresa agora faz parte da Microchip Technology .
1977
O Apple II foi projetado com uma fonte de alimentação comutada. " Rod Holt ... criou a fonte de alimentação chaveada que nos permitiu fazer um computador muito leve ".
1980
O gerador de sinal sintetizado HP8662A de 10 kHz - 1,28 GHz foi fornecido com uma fonte de alimentação comutada.

Explicação

Uma fonte de alimentação linear (não SMPS) usa um regulador linear para fornecer a tensão de saída desejada , dissipando o excesso de energia em perdas ôhmicas (por exemplo, em um resistor ou na região coletor-emissor de um transistor de passagem em seu modo ativo). Um regulador linear regula a tensão ou a corrente de saída dissipando o excesso de energia elétrica na forma de calor e, portanto, sua eficiência máxima de energia é a saída / entrada de tensão, uma vez que a diferença de volt é desperdiçada.

Em contraste, um SMPS altera a tensão e a corrente de saída comutando de maneira ideal os elementos de armazenamento sem perdas, como indutores e capacitores , entre diferentes configurações elétricas. Os elementos de comutação ideais (aproximados por transistores operados fora de seu modo ativo) não têm resistência quando "ligados" e não carregam corrente quando "desligados" e, portanto, conversores com componentes ideais operariam com 100% de eficiência (ou seja, toda a potência de entrada é fornecida para a carga; nenhuma energia é desperdiçada como calor dissipado). Na realidade, esses componentes ideais não existem, portanto, uma fonte de alimentação chaveada não pode ser 100% eficiente, mas ainda é uma melhoria significativa na eficiência em relação a um regulador linear.

O esquema básico de um conversor boost

Por exemplo, se uma fonte DC, um indutor, uma chave e o aterramento elétrico correspondente forem colocados em série e a chave for acionada por uma onda quadrada , a tensão pico a pico da forma de onda medida na chave pode exceder o tensão de entrada da fonte DC. Isso ocorre porque o indutor responde às mudanças na corrente induzindo sua própria voltagem para contrariar a mudança na corrente, e essa voltagem aumenta a voltagem da fonte enquanto a chave está aberta. Se uma combinação de diodo e capacitor for colocada em paralelo ao interruptor, a tensão de pico pode ser armazenada no capacitor e o capacitor pode ser usado como uma fonte CC com uma tensão de saída maior do que a tensão CC que conduz o circuito. Este conversor boost age como um transformador de step-up para sinais DC. Um conversor buck-boost funciona de maneira semelhante, mas produz uma tensão de saída que é oposta em polaridade à tensão de entrada. Outros circuitos buck existem para aumentar a corrente de saída média com uma redução da tensão.

Em um SMPS, o fluxo da corrente de saída depende do sinal de potência de entrada, dos elementos de armazenamento e das topologias de circuito usados, e também do padrão usado (por exemplo, modulação por largura de pulso com um ciclo de trabalho ajustável ) para acionar os elementos de chaveamento. A densidade espectral dessas formas de onda de comutação tem energia concentrada em frequências relativamente altas. Como tal, os transientes de comutação e ondulação introduzidos nas formas de onda de saída podem ser filtrados com um pequeno filtro LC .

Vantagens e desvantagens

A principal vantagem da fonte de alimentação chaveada é a maior eficiência ( até 96% ) do que os reguladores lineares porque o transistor chaveador dissipa pouca energia quando atua como uma chave.

Outras vantagens incluem tamanho menor, menor ruído e peso mais leve da eliminação de transformadores de frequência de linha pesados ​​e geração de calor comparável. A perda de energia em standby costuma ser muito menor do que em transformadores. O transformador em uma fonte de alimentação chaveada também é menor do que um transformador de frequência de linha tradicional (50 Hz ou 60 Hz dependendo da região) e, portanto, requer quantidades menores de matérias-primas caras, como cobre.

As desvantagens incluem maior complexidade, a geração de energia de alta amplitude e alta frequência que o filtro passa-baixa deve bloquear para evitar interferência eletromagnética (EMI), uma tensão de ondulação na frequência de chaveamento e as frequências harmônicas das mesmas.

SMPSs de custo muito baixo podem acoplar ruído de comutação elétrica de volta à linha de alimentação principal, causando interferência com dispositivos conectados à mesma fase, como equipamento A / V. Não poder-fator corrigido SMPSs também causar distorção harmônica.

SMPS e comparação de fonte de alimentação linear

Existem dois tipos principais de fontes de alimentação regulamentadas disponíveis: SMPS e linear. A tabela a seguir compara fontes lineares reguladas e não reguladas CA para CC com reguladores de comutação em geral:

Comparação de uma fonte de alimentação linear e uma fonte de alimentação comutada
Fonte de alimentação linear Trocando a fonte energética Notas
Tamanho e peso Dissipadores de calor para reguladores lineares de alta potência adicionam tamanho e peso. Os transformadores, se usados, são grandes devido à baixa frequência de operação (a frequência da rede elétrica é de 50 ou 60 Hz); caso contrário, pode ser compacto devido à baixa contagem de componentes. Transformador menor (se usado; outro indutor) devido à frequência de operação mais alta (normalmente 50 kHz - 1 MHz ). O tamanho e o peso da proteção de RF adequada podem ser significativos. A capacidade de manuseio de energia de um transformador de determinado tamanho e peso aumenta com a frequência, desde que as perdas por histerese possam ser mantidas. Portanto, uma frequência de operação mais alta significa um transformador de maior capacidade ou menor.
Voltagem de saída Com o transformador usado, todas as tensões disponíveis; se sem transformador, limitado ao que pode ser alcançado com um dobrador de tensão . Se não for regulada, a tensão varia significativamente com a carga. Quaisquer tensões disponíveis, limitadas apenas pelas tensões de ruptura do transistor em muitos circuitos. A tensão varia pouco com a carga. Um SMPS geralmente pode lidar com uma variação mais ampla de entrada antes que a tensão de saída mude.
Eficiência , calor e dissipação de energia Se regulado: a eficiência depende muito da diferença de tensão entre a entrada e a saída; a tensão de saída é regulada dissipando o excesso de energia como calor, resultando em uma eficiência típica de 30–40%. Se não forem regulamentados, as perdas de ferro e cobre do transformador podem ser as únicas fontes significativas de ineficiência. A saída é regulada usando o controle do ciclo de trabalho ; os transistores são totalmente ligados ou desligados, portanto, muito poucas perdas resistivas entre a entrada e a carga. O único calor gerado está nos aspectos não ideais dos componentes e na corrente quiescente nos circuitos de controle. Perdas de chaveamento nos transistores (especialmente na parte curta de cada ciclo quando o dispositivo está parcialmente ligado), resistência dos transistores de chaveamento, resistência em série equivalente no indutor e capacitores, e perdas no núcleo no indutor e queda de tensão no retificador contribuir para uma eficiência típica de 60–70%. No entanto, ao otimizar o projeto SMPS (como escolher a frequência de chaveamento ideal, evitar a saturação de indutores e retificação ativa ), a quantidade de perda de energia e calor pode ser minimizada; um bom design pode ter uma eficiência de 95%.
Complexidade O não regulado pode ser simplesmente um diodo e um capacitor; regulado tem um circuito regulador de tensão e um capacitor de filtragem de ruído; geralmente um circuito mais simples (e critérios de estabilidade de loop de feedback mais simples) do que os circuitos comutados. Consiste em um controlador IC, um ou vários transistores de potência e diodos, bem como um transformador de potência, indutores e capacitores de filtro . Algumas complexidades de projeto presentes (redução de ruído / interferência; limitações extras nas classificações máximas de transistores em altas velocidades de chaveamento) não encontradas em circuitos reguladores lineares. Em fontes de alimentação comutadas (CA para CC), várias tensões podem ser geradas por um núcleo de transformador, mas isso pode apresentar complicações de design / uso: por exemplo, pode colocar restrições mínimas de corrente de saída em uma saída. Para isso, as SMPSs precisam usar o controle do ciclo de trabalho. Uma das saídas deve ser escolhida para alimentar o loop de feedback de regulação de tensão (normalmente as cargas de 3,3 V ou 5 V são mais exigentes com suas tensões de alimentação do que as cargas de 12 V , portanto, isso direciona a decisão de qual alimenta o loop de feedback. outras saídas geralmente rastreiam muito bem a regulada). Ambos precisam de uma seleção cuidadosa de seus transformadores. Devido às altas frequências de operação em SMPSs, a indutância e a capacitância parasitas dos traços da placa de circuito impresso tornam-se importantes.
Interferência de radiofrequência A interferência moderada de alta frequência pode ser gerada por diodos retificadores CA sob forte carga de corrente, enquanto a maioria dos outros tipos de alimentação não produz interferência de alta frequência. Alguma indução de zumbido da rede elétrica em cabos não blindados, problemática para áudio de baixo sinal. EMI / RFI produzido devido à corrente sendo ligada e desligada bruscamente. Portanto, filtros EMI e blindagem de RF são necessários para reduzir a interferência disruptiva. Fios longos entre os componentes podem reduzir a eficiência do filtro de alta frequência fornecida pelos capacitores na entrada e na saída. A frequência de comutação estável pode ser importante.
Ruído eletrônico nos terminais de saída As PSUs não reguladas podem ter uma pequena ondulação CA sobreposta ao componente CC no dobro da frequência da rede ( 100-120 Hz ). Isso pode causar um zumbido audível em equipamentos de áudio, ondulações de brilho ou distorções em faixas em câmeras de segurança analógicas. Mais ruidoso devido à frequência de comutação do SMPS. Uma saída não filtrada pode causar falhas nos circuitos digitais ou ruído nos circuitos de áudio. Isso pode ser suprimido com capacitores e outros circuitos de filtragem no estágio de saída. Com um PSU de modo comutado, a frequência de comutação pode ser escolhida para manter o ruído fora da banda de frequência de trabalho dos circuitos (por exemplo, para sistemas de áudio acima da faixa de audição humana)
Ruído eletrônico nos terminais de entrada Causa distorção harmônica na entrada CA, mas relativamente pouco ou nenhum ruído de alta frequência. SMPS de custo muito baixo pode acoplar ruído de comutação elétrica de volta à linha de alimentação principal, causando interferência com o equipamento A / V conectado à mesma fase. SMPSs sem correção do fator de potência também causam distorção harmônica. Isso pode ser evitado se um filtro EMI / RFI (devidamente aterrado) for conectado entre os terminais de entrada e a ponte retificadora.
Ruído acústico Zumbido da rede elétrica fraco, geralmente inaudível, geralmente devido à vibração dos enrolamentos no transformador ou magnetostrição . Normalmente inaudível para a maioria dos humanos , a menos que eles tenham um ventilador ou estejam descarregados / com defeito, ou usem uma frequência de comutação dentro da faixa de áudio, ou as laminações da bobina vibrem em um sub - harmônico da frequência operacional. A frequência operacional de um SMPS descarregado às vezes está na faixa audível humana e pode soar subjetivamente muito alta para pessoas cuja audição é muito sensível à faixa de frequência relevante.
Fator de potência Baixo para uma fonte regulada porque a corrente é retirada da rede elétrica nos picos da sinusóide de tensão , a menos que um circuito de entrada de choke ou resistor siga o retificador (agora raro). Variando de muito baixo a médio, uma vez que um SMPS simples sem PFC atrai picos de corrente nos picos da sinusóide AC. A correção do fator de potência ativa / passiva no SMPS pode compensar esse problema e é até mesmo exigida por algumas autoridades de regulamentação elétrica, particularmente na UE. A resistência interna dos transformadores de baixa potência em fontes de alimentação lineares geralmente limita a corrente de pico a cada ciclo e, portanto, oferece um fator de potência melhor do que muitas fontes de alimentação comutadas que retificam diretamente a rede elétrica com pouca resistência em série.
Corrente de irrupção Grande corrente quando o equipamento de fonte de alimentação linear alimentado pela rede elétrica é ligado até que o fluxo magnético do transformador se estabilize e os capacitores carreguem completamente, a menos que um circuito de partida lenta seja usado. Extremamente grande pico de corrente de pico "in-rush" limitado apenas pela impedância da alimentação de entrada e qualquer resistência em série para os capacitores do filtro. Capacitores de filtro vazios inicialmente consomem grandes quantidades de corrente à medida que são carregados, com capacitores maiores consumindo maiores quantidades de corrente de pico. Estando muitas vezes acima da corrente operacional normal, isso sobrecarrega muito os componentes sujeitos ao surto, complica a seleção do fusível para evitar o sopro incômodo e pode causar problemas com equipamentos que empregam proteção contra sobrecorrente, como fontes de alimentação ininterrupta . Mitigado pelo uso de um circuito de partida suave adequado ou resistor em série.
Risco de choque elétrico Fontes com transformadores isolam a fonte de alimentação de entrada do dispositivo energizado e, portanto, permitem que a estrutura metálica do gabinete seja aterrada com segurança. Perigoso se o isolamento primário / secundário quebrar, improvável com design razoável. Alimentação elétrica sem transformador perigosa. Tanto no modo linear quanto no modo de comutação, a rede elétrica e, possivelmente, as tensões de saída são perigosas e devem ser bem isoladas. O common rail do equipamento (incluindo a caixa) é energizado com metade da tensão da rede elétrica, mas em alta impedância, a menos que o equipamento seja aterrado / aterrado ou não contenha filtragem EMI / RFI nos terminais de entrada. Devido aos regulamentos relativos à radiação EMI / RFI, muitos SMPS contêm filtragem EMI / RFI no estágio de entrada, consistindo em capacitores e indutores antes do retificador de ponte. Dois capacitores são conectados em série com os trilhos Live e Neutral com a conexão à terra entre os dois capacitores. Isso forma um divisor capacitivo que energiza o trilho comum na metade da tensão da rede elétrica. Sua fonte de corrente de alta impedância pode fornecer um formigamento ou uma 'mordida' para o operador ou pode ser explorada para acender um LED de falha de aterramento. No entanto, esta corrente pode causar disparos incômodos nos dispositivos de corrente residual mais sensíveis . Em fontes de alimentação sem um pino de aterramento (como o carregador USB), há um capacitor EMI / RFI colocado entre o lado primário e o secundário. Ele também pode fornecer uma sensação de formigamento muito leve, mas é seguro para o usuário.
Risco de danos ao equipamento Muito baixo, a menos que ocorra um curto entre os enrolamentos primário e secundário ou o regulador falhe por curto-circuito interno. Pode falhar a ponto de tornar a tensão de saída muito alta. O estresse nos capacitores pode fazer com que explodam. Pode, em alguns casos, destruir estágios de entrada em amplificadores se a tensão flutuante exceder a tensão de ruptura do emissor-base do transistor, fazendo com que o ganho do transistor caia e os níveis de ruído aumentem. Mitigado por um bom design à prova de falhas . A falha de um componente no próprio SMPS pode causar mais danos a outros componentes da PSU; pode ser difícil de solucionar. A tensão flutuante é causada por capacitores que fazem a ponte entre os lados primário e secundário da fonte de alimentação. A conexão com o equipamento aterrado causará um pico momentâneo (e potencialmente destrutivo) na corrente no conector conforme a tensão no lado secundário do capacitor se equaliza com o potencial de terra.

Teoria de Operação

Diagrama de blocos de um SMPS AC / DC operado por rede elétrica com regulação de tensão de saída

Estágio retificador de entrada

Sinais retificados AC, meia onda e onda completa

Se o SMPS tiver uma entrada CA, o primeiro estágio é converter a entrada em CC. Isso é chamado de retificação . Um SMPS com uma entrada DC não requer este estágio. Em algumas fontes de alimentação (principalmente fontes de alimentação ATX de computador ), o circuito retificador pode ser configurado como um dobrador de tensão pela adição de uma chave operada manualmente ou automaticamente. Este recurso permite a operação de fontes de energia que normalmente estão em 115 V ou 230 V. O retificador produz uma tensão CC não regulada que é enviada para um grande capacitor de filtro. A corrente retirada da rede elétrica por este circuito retificador ocorre em pulsos curtos em torno dos picos de tensão CA. Esses pulsos têm energia de alta frequência significativa, o que reduz o fator de potência. Para corrigir isso, muitos SMPS mais novos usarão um circuito PFC especial para fazer a corrente de entrada seguir a forma senoidal da tensão de entrada CA, corrigindo o fator de potência. As fontes de alimentação que usam PFC ativo geralmente têm faixa automática, suportando tensões de entrada de ~ 100 VAC - 250 VAC , sem chave seletora de tensão de entrada.

Um SMPS projetado para entrada CA geralmente pode ser executado a partir de uma fonte CC, porque a CC passaria pelo retificador inalterada. Se a fonte de alimentação for projetada para 115 VAC e não tiver uma chave seletora de tensão, a tensão DC necessária seria 163 VDC (115 × √2). Este tipo de uso pode ser prejudicial ao estágio do retificador, porém, ele utilizará apenas metade dos diodos no retificador para a plena carga. Isso pode resultar no superaquecimento desses componentes, fazendo com que falhem prematuramente. Por outro lado, se a fonte de alimentação tiver uma chave seletora de tensão, baseada no circuito Delon , para 115/230 V (fontes de alimentação ATX de computador normalmente estão nesta categoria), a chave seletora teria que ser colocada em 230 V posição, e a tensão necessária seria 325 VCC (230 × √2). Os diodos neste tipo de fonte de alimentação lidarão bem com a corrente CC porque eles são classificados para lidar com o dobro da corrente de entrada nominal quando operados no modo 115 V , devido à operação do duplicador de tensão. Isso ocorre porque o dobrador, quando em operação, usa apenas metade da ponte retificadora e passa o dobro da corrente por ela.

Estágio inversor

Esta seção se refere ao bloco marcado com chopper no diagrama.

O estágio inversor converte CC, seja diretamente da entrada ou do estágio retificador descrito acima, em CA passando-o por um oscilador de potência, cujo transformador de saída é muito pequeno com poucos enrolamentos, na frequência de dezenas ou centenas de quilohertz . A frequência geralmente é escolhida para estar acima de 20 kHz, para torná-la inaudível para os humanos. A comutação é implementada como um amplificador MOSFET de vários estágios (para obter alto ganho) . Os MOSFETs são um tipo de transistor com baixa resistência e alta capacidade de manuseio de corrente.

Conversor de tensão e retificador de saída

Se for necessário que a saída seja isolada da entrada, como geralmente é o caso em fontes de alimentação da rede elétrica, a CA invertida é usada para acionar o enrolamento primário de um transformador de alta frequência . Isso converte a tensão para cima ou para baixo para o nível de saída necessário em seu enrolamento secundário. O transformador de saída no diagrama de blocos serve para esse propósito.

Se uma saída DC for necessária, a saída AC do transformador é retificada. Para tensões de saída acima de dez volts ou mais, diodos de silício comuns são comumente usados. Para tensões mais baixas, os diodos Schottky são comumente usados ​​como elementos retificadores; eles têm as vantagens de tempos de recuperação mais rápidos do que os diodos de silício (permitindo operação de baixa perda em frequências mais altas) e uma queda de tensão menor durante a condução. Para tensões de saída ainda mais baixas, os MOSFETs podem ser usados ​​como retificadores síncronos ; em comparação com os diodos Schottky, eles têm quedas de tensão de estado de condução ainda mais baixas.

A saída retificada é então suavizada por um filtro composto de indutores e capacitores . Para frequências de comutação mais altas, são necessários componentes com capacitância e indutância mais baixas.

Fontes de alimentação mais simples e não isoladas contêm um indutor em vez de um transformador. Este tipo inclui conversores boost , conversores buck e os conversores buck – boost . Eles pertencem à classe mais simples de conversores de entrada única e saída única que usam um indutor e uma chave ativa. O conversor Buck reduz a tensão de entrada em proporção direta à relação entre o tempo condutivo e o período total de chaveamento, chamado de ciclo de trabalho. Por exemplo, um conversor de Buck ideal com uma entrada de 10 V operando em um ciclo de trabalho de 50% produzirá uma tensão de saída média de 5 V. Um circuito de controle de feedback é empregado para regular a tensão de saída variando o ciclo de trabalho para compensar as variações na entrada Voltagem. A tensão de saída de um conversor boost é sempre maior do que a tensão de entrada e a tensão de saída do buck-boost é invertida, mas pode ser maior, igual ou menor que a magnitude de sua tensão de entrada. Existem muitas variações e extensões para esta classe de conversores, mas esses três formam a base de quase todos os conversores DC para DC isolados e não isolados. Ao adicionar um segundo indutor, os conversores Ćuk e SEPIC podem ser implementados ou, ao adicionar chaves ativas adicionais, vários conversores de ponte podem ser realizados.

Outros tipos de SMPSs usam um multiplicador de tensão capacitor - diodo em vez de indutores e transformadores. Eles são usados ​​principalmente para gerar altas tensões em baixas correntes ( gerador Cockcroft-Walton ). A variante de baixa tensão é chamada de bomba de carga .

Regulamento

Este carregador para um pequeno dispositivo como um telefone móvel é uma fonte de alimentação comutada off-line com um plugue europeu, consistindo principalmente de um optoacoplador , um retificador e dois componentes ativos .

Um circuito de feedback monitora a tensão de saída e a compara com uma tensão de referência. Dependendo do projeto e dos requisitos de segurança, o controlador pode conter um mecanismo de isolamento (como um optoacoplador ) para isolá-lo da saída CC. A troca de suprimentos em computadores, TVs e videocassetes tem esses opto-acopladores para controlar rigidamente a tensão de saída.

Os reguladores de malha aberta não têm circuito de feedback. Em vez disso, eles contam com a alimentação de uma tensão constante na entrada do transformador ou indutor e presumem que a saída estará correta. Projetos regulados compensam a impedância do transformador ou bobina. Projetos monopolares também compensam a histerese magnética do núcleo.

O circuito de feedback precisa de energia para funcionar antes de poder gerar energia, portanto, uma fonte de alimentação não comutável adicional para stand-by é adicionada.

Projeto do transformador

Qualquer fonte de alimentação comutada que obtém sua energia de uma linha de energia CA (chamada de conversor "off-line" ) requer um transformador para isolamento galvânico . Alguns conversores DC para DC também podem incluir um transformador, embora o isolamento possa não ser crítico nesses casos. Os transformadores SMPS funcionam em alta frequência. A maior parte da economia de custos (e economia de espaço) em fontes de alimentação off-line resulta do tamanho menor do transformador de alta frequência em comparação com os transformadores de 50/60 Hz usados ​​anteriormente. Existem compensações de design adicionais.

A tensão terminal de um transformador é proporcional ao produto da área do núcleo, fluxo magnético e frequência. Usando uma frequência muito mais alta, a área do núcleo (e, portanto, a massa do núcleo) pode ser bastante reduzida. No entanto, as perdas do núcleo aumentam em frequências mais altas. Os núcleos geralmente usam material de ferrite que tem uma baixa perda nas altas frequências e altas densidades de fluxo usadas. Os núcleos de ferro laminado de transformadores de baixa frequência (<400 Hz) teriam perdas inaceitavelmente em frequências de comutação de alguns quilohertz. Além disso, mais energia é perdida durante as transições do semicondutor de comutação em frequências mais altas. Além disso, é necessária mais atenção ao layout físico da placa de circuito, pois os parasitas se tornam mais significativos e a quantidade de interferência eletromagnética será mais pronunciada.

Perda de cobre

Em baixas frequências (como a frequência de linha de 50 ou 60 Hz), os projetistas geralmente podem ignorar o efeito de pele . Para essas frequências, o efeito de pele só é significativo quando os condutores são grandes, com mais de 0,3 polegadas (7,6 mm) de diâmetro.

A troca de fontes de alimentação deve prestar mais atenção ao efeito de pele porque é uma fonte de perda de energia. A 500 kHz, a profundidade da película no cobre é de cerca de 0,003 polegadas (0,076 mm) - uma dimensão menor do que os fios típicos usados ​​em uma fonte de alimentação. A resistência efetiva dos condutores aumenta, porque a corrente se concentra perto da superfície do condutor e a parte interna transporta menos corrente do que em baixas frequências.

O efeito de pele é exacerbado pelos harmônicos presentes nas formas de onda de comutação de modulação por largura de pulso de alta velocidade (PWM). A profundidade de pele apropriada não é apenas a profundidade no fundamental, mas também a profundidade da pele nos harmônicos.

Além do efeito de pele, há também um efeito de proximidade , que é outra fonte de perda de potência.

Fator de potência

As fontes de alimentação comutadas off-line simples incorporam um retificador de onda completa simples conectado a um grande capacitor de armazenamento de energia. Tais SMPSs consomem corrente da linha CA em pulsos curtos quando a tensão instantânea da rede elétrica excede a tensão neste capacitor. Durante a parte restante do ciclo CA, o capacitor fornece energia para a fonte de alimentação.

Como resultado, a corrente de entrada de tais fontes de alimentação comutadas básicas tem alto conteúdo harmônico e fator de potência relativamente baixo. Isso cria carga extra nas linhas de serviços públicos, aumenta o aquecimento da fiação do prédio, dos transformadores da concessionária e dos motores elétricos CA padrão, e pode causar problemas de estabilidade em algumas aplicações, como em sistemas geradores de emergência ou geradores de aeronaves. Os harmônicos podem ser removidos por filtragem, mas os filtros são caros. Ao contrário do fator de potência de deslocamento criado por cargas indutivas ou capacitivas lineares, essa distorção não pode ser corrigida pela adição de um único componente linear. Circuitos adicionais são necessários para neutralizar o efeito dos breves pulsos de corrente. Colocar um estágio chopper de reforço regulado de corrente após o retificador off-line (para carregar o capacitor de armazenamento) pode corrigir o fator de potência, mas aumenta a complexidade e o custo.

Em 2001, a União Europeia colocou em vigor a norma IEC / EN61000-3-2 para definir limites nas harmônicas da corrente de entrada CA até a 40ª harmônica para equipamentos acima de 75 W. A norma define quatro classes de equipamentos dependendo de sua tipo e forma de onda atual. Os limites mais rigorosos (classe D) são estabelecidos para computadores pessoais, monitores de computador e receptores de TV. Para cumprir esses requisitos, as fontes de alimentação comutadas modernas normalmente incluem um estágio de correção do fator de potência (PFC) adicional.

Tipos

As fontes de alimentação comutadas podem ser classificadas de acordo com a topologia do circuito. A distinção mais importante é entre conversores isolados e não isolados.

Topologias não isoladas

Os conversores não isolados são os mais simples, com os três tipos básicos usando um único indutor para armazenamento de energia. Na coluna de relação de tensão, D é o ciclo de trabalho do conversor, e pode variar de 0 a 1. A tensão de entrada (V 1 ) é considerada maior que zero; se for negativo, por consistência, negue a tensão de saída (V 2 ).

Modelo Potência típica [ W ] Custo relativo Armazenamento de energia Relação de tensão Recursos
bode 0-1.000 1.0 Indutor único 0 ≤ Out ≤ In, A corrente é contínua na saída.
Impulsionar 0-5.000 1.0 Indutor único Out ≥ In, A corrente é contínua na entrada.
Buck-boost 0-150 1.0 Indutor único Fora ≤ 0, A corrente é descontínua na entrada e na saída.
Split-pi (ou, boost – buck) 0-4.500 > 2.0 Dois indutores e três capacitores Para cima ou para baixo Controle de potência bidirecional; dentro ou fora.
Ćuk Capacitor e dois indutores Qualquer invertido, A corrente é contínua na entrada e na saída.
SEPIC Capacitor e dois indutores Algum, A corrente é contínua na entrada.
Zeta Capacitor e dois indutores Algum, A corrente é contínua na saída.
Bomba de carga / capacitor comutado Apenas capacitores Nenhum armazenamento de energia magnética é necessário para alcançar a conversão; no entanto, o processamento de energia de alta eficiência é normalmente limitado a um conjunto discreto de taxas de conversão.

Quando o equipamento é acessível por humanos, os limites de tensão de ≤ 30 V (rms) CA ou ≤ 42,4 V de pico ou ≤ 60 V CC e limites de potência de 250 VA aplicam-se para a certificação de segurança ( aprovação UL , CSA , VDE ).

As topologias buck, boost e buck – boost estão fortemente relacionadas. Entrada, saída e aterramento se unem em um ponto. Um dos três passa por um indutor no caminho, enquanto os outros dois passam por interruptores. Uma das duas chaves deve estar ativa (por exemplo, um transistor), enquanto a outra pode ser um diodo. Às vezes, a topologia pode ser alterada simplesmente rotulando novamente as conexões. Um conversor buck de entrada de 12 V e saída de 5 V pode ser convertido em um buck-boost de saída de −5 V de entrada de 7 V aterrando a saída e tomando a saída do pino de aterramento .

Da mesma forma, os conversores SEPIC e Zeta são ambos pequenos rearranjos do conversor Ćuk.

A topologia com fixação de ponto neutro (NPC) é usada em fontes de alimentação e filtros ativos e é mencionada aqui para fins de integridade.

Os comutadores tornam-se menos eficientes à medida que os ciclos de trabalho se tornam extremamente curtos. Para grandes mudanças de tensão, uma topologia de transformador (isolada) pode ser melhor.

Topologias isoladas

Todas as topologias isoladas incluem um transformador e, portanto, podem produzir uma saída de tensão maior ou menor do que a entrada, ajustando a relação de espiras. Para algumas topologias, vários enrolamentos podem ser colocados no transformador para produzir várias tensões de saída. Alguns conversores usam o transformador para armazenamento de energia, enquanto outros usam um indutor separado.

Modelo Poder
[ W ]
Custo relativo Faixa de entrada
[ V ]
Armazenamento de energia Recursos
Voar de volta 0-250 1.0 5-600 Indutores mútuos Forma isolada do conversor buck-boost
Conversor de choke de toque (RCC) 0-150 1.0 5-600 Transformador Variante flyback auto-oscilante de baixo custo
Meio avançado 0-250 1,2 5-500 Indutor
Avançar 100–200 60–200 Indutor Forma isolada de conversor de dólar
Ressonante para a frente 0-60 1.0 60-400 Indutor e capacitor Entrada de trilho único, saída não regulamentada, alta eficiência, baixo EMI .
Empurrar puxar 100-1.000 1,75 50-1.000 Indutor
Meia ponte 0–2.000 1,9 50-1.000 Indutor
Full-bridge 400–5.000 > 2.0 50-1.000 Indutor Uso muito eficiente do transformador, usado para potências mais altas
Ressonante, tensão zero comutada > 1.000 > 2.0 Indutor e capacitor
Ćuk isolado Dois capacitores e dois indutores
As fontes de alimentação comutadas de tensão zero requerem apenas pequenos dissipadores de calor, já que pouca energia é perdida na forma de calor. Isso permite que eles sejam pequenos. Este ZVS pode fornecer mais de 1 quilowatt. O transformador não é mostrado.
  • ^ 1 O comportamento do loop de controle logarítmico do conversor flyback pode ser mais difícil de controlar do que outros tipos.
  • ^ 2 O conversor direto tem várias variantes, variando em como o transformador é "redefinido" parafluxo magnéticozero acada ciclo.

Controlador de chopper: A tensão de saída é acoplada à entrada, portanto, controlada de forma muito rígida

Chave quase ressonante de corrente zero / voltagem zero

A comutação quase ressonante muda quando a tensão está no mínimo e um vale é detectado.

Em um switch de corrente zero / voltagem zero quase ressonante (ZCS / ZVS) "cada ciclo de switch entrega um 'pacote' quantizado de energia para a saída do conversor, e liga e desliga ocorre em corrente e voltagem zero , resultando em um switch essencialmente sem perdas. " A comutação quase ressonante, também conhecida como comutação de vale , reduz a EMI na fonte de alimentação por dois métodos:

  1. Comutando o interruptor bipolar quando a tensão está no mínimo (no vale) para minimizar o efeito de comutação difícil que causa EMI.
  2. Ao alternar quando um vale é detectado, em vez de em uma frequência fixa, introduz um jitter de frequência natural que espalha o espectro de emissões de RF e reduz a EMI geral.

Eficiência e EMI

A tensão de entrada mais alta e o modo de retificação síncrona tornam o processo de conversão mais eficiente. O consumo de energia do controlador também deve ser levado em consideração. A frequência de comutação mais alta permite que os tamanhos dos componentes sejam reduzidos, mas pode produzir mais RFI . Um conversor direto ressonante produz o EMI mais baixo de qualquer abordagem SMPS porque usa uma forma de onda ressonante de comutação suave em comparação com a comutação rígida convencional.

Modos de falha

Para falhas em componentes de comutação, placa de circuito e assim por diante, leia os modos de falha do artigo de eletrônica .

As fontes de alimentação que usam capacitores que sofrem da praga dos capacitores podem sofrer falha prematura quando a capacitância cai para 4% do valor original. Isso geralmente faz com que o semicondutor de comutação falhe de forma condutiva. Isso pode expor as cargas conectadas ao volt e corrente de entrada total e precipitar oscilações selvagens na saída.

A falha do transistor de comutação é comum. Devido às grandes tensões de comutação que este transistor deve suportar (cerca de 325 V para uma fonte de alimentação de 230 V AC ), esses transistores freqüentemente entram em curto, por sua vez, queimando imediatamente o fusível de alimentação interno principal.

Precauções

O capacitor do filtro principal geralmente armazena até 325 volts por muito tempo depois que o cabo de alimentação foi removido da parede. Nem todas as fontes de alimentação contêm um pequeno resistor de "sangramento" para descarregar lentamente este capacitor. Qualquer contato com este capacitor pode resultar em um grave choque elétrico.

Os lados primário e secundário podem ser conectados com um capacitor para reduzir EMI e compensar vários acoplamentos capacitivos no circuito conversor, onde o transformador é um. Isso pode resultar em choque elétrico em alguns casos. A corrente que flui da linha ou do neutro através de um resistor de 2 kΩ para qualquer parte acessível deve, de acordo com a IEC 60950 , ser inferior a 250 μA para equipamentos de TI.

Formulários

Carregador de celular no modo comutado
Um SMPS de 450 watts para uso em computadores pessoais com os cabos de entrada de energia, ventilador e saída visíveis

Unidades de fonte de alimentação comutada (PSUs) em produtos domésticos, como computadores pessoais, muitas vezes têm entradas universais, o que significa que podem aceitar energia de fontes de alimentação em todo o mundo, embora uma chave de faixa de tensão manual possa ser necessária. As fontes de alimentação comutadas podem tolerar uma ampla gama de frequências e tensões de energia .

Devido ao seu alto volume, os carregadores de celulares sempre foram particularmente sensíveis ao custo. Os primeiros carregadores eram fontes de alimentação lineares , mas eles rapidamente mudaram para a topologia SMPS do conversor de anel de estrangulamento (RCC) de baixo custo, quando novos níveis de eficiência eram necessários. Recentemente, a demanda por requisitos de energia sem carga ainda mais baixos no aplicativo significa que a topologia flyback está sendo usada mais amplamente; Os controladores flyback de detecção lateral primária também estão ajudando a reduzir a lista de materiais (BOM), removendo componentes de detecção secundária, como optoacopladores .

Fontes de alimentação comutadas também são usadas para conversão de DC para DC. Em automóveis onde os veículos pesados ​​usam uma alimentação nominal de 24 V CC , 12 V para acessórios podem ser fornecidos por meio de uma alimentação comutada CC / CC. Isso tem a vantagem de bater a bateria na posição de 12 V (usando metade das células), pois toda a carga de 12 V é dividida igualmente entre todas as células da bateria de 24 V. Em configurações industriais, como racks de telecomunicações, a energia em massa pode ser distribuída em uma baixa tensão CC (de um sistema de bateria reserva, por exemplo) e os itens individuais do equipamento terão conversores CC / CC comutados para fornecer quaisquer tensões necessárias.

Um uso comum para fontes de alimentação comutadas é como fontes de voltagem extra-baixa para iluminação e, para esta aplicação, elas são freqüentemente chamadas de "transformadores eletrônicos".

Exemplos de SMPSs para aplicações de iluminação de extra-baixa tensão, chamados de transformadores eletrônicos.

Terminologia

O termo modo de comutação foi amplamente usado até que a Motorola reivindicou a propriedade da marca comercial SWITCHMODE para produtos voltados para o mercado de fonte de alimentação de modo de comutação e começou a impor sua marca comercial. Fonte de alimentação comutada , fonte de alimentação comutada e regulador de comutação referem-se a este tipo de fonte de alimentação.

Veja também

Notas

Referências

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Leitura adicional

  • 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 (2ª ed.), Newnes, ISBN 0-7506-7329-X
  • Erickson, Robert W .; Maksimović, Dragan (2001), Fundamentals of Power Electronics (segunda edição), ISBN 0-7923-7270-0
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  • Pressman, Abraham I .; Billings, Keith; Morey, Taylor (2009), Switching Power Supply Design (terceira edição), 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

links externos