Úvod do spínaných napájecích zdrojů (SMPS)

Spínané napájecí zdroje (SMPS) jsou ve srovnání s lineárními regulovanými zdroji poměrně složité. Výsledkem této složitosti je však stabilní, regulovaný stejnosměrný zdroj, který může při daných rozměrech, hmotnosti a ceně dodávat energii efektivněji. Tento článek je prvním ze série článků o spínaných napájecích zdrojích, jejich různých topologiích, výhodách a aplikacích.

Úvod: Základy přeměny energie

Napájecí zdroj odebírá neregulovanou energii a převádí ji na stabilní regulovanou energii. Elektronická zařízení jsou zpravidla napájena stejnosměrnými nízkonapěťovými zdroji, jejichž zdrojem je buď baterie, kombinace baterie a DC/DC měniče, nebo napájecí zdroj převádějící střídavý proud ze sítě na jeden nebo více stejnosměrných nízkonapěťových zdrojů.

Napájecí jednotka je důležitým prvkem v procesu přeměny energie. Téměř všechna elektronická zařízení vyžadují stejnosměrný zdroj, který je dobře regulovatelný, má nízké šumové vlastnosti a rychle reaguje na změny zátěže. Některé napájecí zdroje také zajišťují izolaci od vstupu k výstupu z důvodu bezpečnosti a ochrany proti přechodovým jevům.

Existují dva typy regulovaných napájecích zdrojů: lineární regulované napájecí zdroje a spínané napájecí zdroje (SMPS). Budeme se zabývat hlavně SMPS, ale rychlé srovnání obou typů nám poskytne další souvislosti.

Lineární napájecí zdroj vs. SMPS

Hlavními výhodami SMPS jsou účinnost, velikost a hmotnost. Lineární napájecí zdroj obsahuje síťový transformátor a rozptylový sériový regulátor. To znamená, že zdroj má extrémně velké a těžké transformátory 50/60 Hz a velmi nízkou účinnost přeměny výkonu, což jsou obě závažné nevýhody.

Konstrukce spínaných napájecích zdrojů je ve srovnání s lineárními regulovanými zdroji poměrně složitá. Výsledkem této složité konstrukce je však stabilní a regulovaný stejnosměrný zdroj, který je schopen efektivně dodávat větší výkon při daných rozměrech, hmotnosti a nákladech.

Využitím vysokých spínacích frekvencí se v porovnání s lineárním zdrojem výrazně zmenšuje velikost magnetických součástek a souvisejících filtračních prvků v SMPS. Například u SMPS pracujícího při frekvenci 20 kHz se velikost součástek zmenší čtyřikrát a při frekvenci 100 kHz a vyšší se zvětší přibližně osmkrát. To znamená, že při konstrukci SMPS lze vyrábět velmi kompaktní a lehké zdroje. To je v dnešní době zásadní požadavek pro většinu elektronických systémů.

Přehled SMPS

Spínané napájecí zdroje využívají vysokofrekvenční spínací zařízení k vysoce účinnému přenosu elektrické energie ze zdroje do zátěže. Spínání je řízeno pomocí pulzně šířkové modulace (PWM) a regulace napětí se dosahuje změnou pracovního cyklu PWM.

S tím, jak se elektronická zařízení stále zmenšují, trh vyžaduje, aby se stejně zmenšovaly i napájecí měniče. Od zavedení spínaných technik se jedná spíše o evoluční než revoluční proces. Vzhledem k tomu, že globální trh je realitou, pracují napájecí zdroje v širokém vstupním rozsahu, aby pokryly celosvětové rozdíly v napájení ze střídavé sítě.

Základní zapojení SMPS

• Vstupní usměrňovač a filtr: Slouží k převodu střídavého vstupu na stejnosměrný. SMPS se stejnosměrným vstupem tento stupeň nevyžaduje. Usměrňovač vytváří neregulovaný stejnosměrný proud, který pak prochází filtračním obvodem.
• Měnič: Stupeň měniče převádí stejnosměrný proud (ať už přímo ze vstupu, nebo ze stupně usměrňovače) na střídavý tak, že jej protáhne výkonovým oscilátorem, jehož výstupní transformátor je velmi malý s několika vinutími o frekvenci 10 až několik 100 KHz.
• Spínací transformátor: Pokud má být výstup oddělen od vstupu, používá SMPS jako izolátor mezi spínacím prvkem a výstupem vysokofrekvenční transformátor. Ten na svém sekundárním vinutí převádí napětí nahoru nebo dolů na požadovanou výstupní úroveň.
• Výstupní usměrňovač a filtr: Převádí střídavý výstup na stejnosměrný.
• Nařízení: Obvod zpětné vazby monitoruje výstupní napětí a proud a porovnává je s referenčním napětím a proudem, aby udržoval výstupní napětí regulované/konstantní.

Topologie SMPS

Obvody SMPS obsahují sítě transformátorů, cívek pro ukládání a filtrování energie, kondenzátorů a elektronických spínačů a usměrňovačů. Jejich konkrétní uspořádání se označuje jako topologie.

SMPS snižuje velikost a zvyšuje účinnost zvýšením provozní frekvence. Kompromisem je zvýšené zvlnění a šum (vedené i vyzařované EMI) na výstupu, které je třeba zvládnout.

Faktory, které je třeba zvážit při výběru topologie pro konkrétní aplikaci:

• Je vyžadováno dielektrické oddělení mezi vstupy a výstupy?
• Je výstupní napětí vyšší nebo nižší než celý rozsah vstupního napětí?
• Je požadováno více výstupů?
• Přináší perspektivní topologie přiměřené napěťové napětí na napěťových polovodičích?
• Přináší perspektivní topologie přiměřené proudové namáhání napěťových polovodičů?
• Jaké je maximální napětí na primáru transformátoru a jaký je maximální pracovní cyklus?
• Jaký je maximální jmenovitý výkon?

Typy SMPS

SMPS lze rozdělit na dva typy podle topologie obvodu: neizolované měniče a izolované měniče.

• Neizolované měniče: vstupní zdroj a výstupní zátěž sdílejí během provozu společnou proudovou cestu a energie se přenáší přes prvky pro ukládání energie (induktory a kondenzátory).
• Izolované měniče: energie je přenášena prostřednictvím vzájemně propojených magnetických prvků (transformátorů), přičemž propojení mezi zdrojem a zátěží je dosaženo výhradně prostřednictvím elektromagnetického pole, což umožňuje galvanické oddělení mezi vstupem a výstupem.

Ve většině aplikací obsahuje topologie SMPS výkonový transformátor, který zajišťuje izolaci, škálování napětí pomocí poměru závitů a možnost poskytovat více výstupů. Existují však i neizolované topologie, jako jsou měniče buck, boost a buck-boost, kde je zpracování výkonu dosaženo pouze indukčním přenosem energie.

V následující tabulce jsou uvedeny typické maximální úrovně výstupního výkonu různých topologií.

Metody přepínání

Přepínání může být ’tvrdé’ nebo ’měkké’.

Závěr

Přestože jsou spínané napájecí zdroje poměrně složité, jsou stále oblíbenější díky svým rozměrům, hmotnosti a výhodám v oblasti účinnosti.

V příštím článku se blíže podíváme na. neizolované měniče a jejich aplikace.