แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด (SMPS) หรือที่บางครั้งเรียกว่าแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด ได้กลายเป็นเครื่องมือสำคัญในการแปลงพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ โดยแปลงไฟ AC ขาเข้าจากไฟหลักเป็นไฟ DC เอาต์พุตแรงดันต่ำ ตัวแปลงไฟแบบสวิตช์โหมด AC-DC มีอยู่ทั่วไป ไม่ว่าจะเป็นแหล่งจ่ายไฟภายนอกสำหรับแล็ปท็อปของคุณ ภายในกล่องรับสัญญาณโทรทัศน์ และที่ชาร์จแบบเสียบปลั๊กสำหรับสมาร์ทโฟนของคุณ

ในอดีต วิธีการแปลงพลังงานแบบเชิงเส้นมักทำหน้าที่แปลงพลังงาน แหล่งจ่ายไฟแบบเชิงเส้นมักต้องใช้หม้อแปลงไฟฟ้าขนาดใหญ่และหนักที่มีวงจรควบคุมแบบ “เชิงเส้น” อนาล็อก เนื่องจากประสิทธิภาพการแปลงพลังงานโดยเฉลี่ยต่ำกว่า 65% หม้อแปลงไฟฟ้าจึงสร้างความร้อนทิ้งในปริมาณที่ค่อนข้างมาก ซึ่งจำเป็นต้องมีการระบายความร้อนทิ้ง

เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมดมีขนาดกะทัดรัด ประหยัดพลังงาน โดยทั่วไปแล้วมีประสิทธิภาพมากกว่า 85% และมีน้ำหนักเบา แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมดยังมีความยืดหยุ่นอย่างมากจากมุมมองด้านการออกแบบ ช่วยให้นักออกแบบสามารถค้นหาโซลูชันที่เหมาะสมที่สุดสำหรับความต้องการด้านพลังงานใดๆ ที่ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายของพวกเขาอาจมี

การตัดสินใจสร้างหรือซื้อ

ในช่วงใดช่วงหนึ่งของวงจรการพัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่ ทีมวิศวกรรมจะต้องเผชิญกับภารกิจการออกแบบพาวเวอร์ซัพพลาย เนื่องจากพวกเขาอาจต้องออกแบบผลิตภัณฑ์ตั้งแต่ต้น จึงอาจมีความพยายามที่จะสานต่อแนวทางนี้กับพาวเวอร์ซัพพลายต่อไป อย่างไรก็ตาม การออกแบบพาวเวอร์ซัพพลายก็เช่นเดียวกับงานด้านวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ด้านอื่นๆ ที่เป็นทักษะเฉพาะทาง

ความเชี่ยวชาญด้านการออกแบบที่สั่งสมมาหลายปีได้ถูกนำมาใช้ในการสร้างแหล่งจ่ายไฟที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพ และสถาปัตยกรรมแบบสวิตช์โหมดนั้นมีความซับซ้อนมากกว่าการออกแบบเชิงเส้นแบบธรรมดา นอกจากนี้ นวัตกรรมเทคโนโลยีกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์ เช่น ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) มีส่วนสำคัญในการขับเคลื่อนวิวัฒนาการของสถาปัตยกรรมแบบสวิตช์โหมด ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานและลดขนาดลง ด้วยเหตุนี้ การเลือกแหล่งจ่ายไฟสำเร็จรูปจึงถือเป็นการตัดสินใจที่รอบคอบ เว้นแต่คุณจะมีข้อจำกัดทางวิศวกรรมเฉพาะทางที่จำเป็นต้องมีการพัฒนาเฉพาะทาง

หลักการสลับโหมด

หลักการของการแปลงโหมดสวิตช์ใช้ได้กับทั้งแหล่งจ่ายไฟ AC-DC และ DC-DC ในกรณีของแหล่งจ่ายไฟ AC-DC จะมีสองขั้นตอน ได้แก่ การแก้ไขแรงดันไฟฟ้าหลักเฟสเดียว 230Vac หรือ 3 เฟส 400Vac 50Hz ก่อนขั้นตอนการแปลง DC-DC

ในทั้งสองกรณี ในขั้นตอนการแปลง DC เป็น DC วงจรปฐมภูมิของสารกึ่งตัวนำกำลัง (วงจรสวิตช์ไฟฟ้า) จะสร้างแรงดันไฟฟ้าสลับความถี่สูงให้กับหม้อแปลงไฟฟ้า ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในขดลวดปฐมภูมิ ซึ่งจะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าสลับในขดลวดทุติยภูมิ ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าทุติยภูมิ อัตราส่วนของขดลวดของหม้อแปลงไฟฟ้าเป็นตัวกำหนดระดับแรงดันไฟฟ้าขึ้นหรือลง วงจรทุติยภูมิจะเรียงกระแสแรงดันไฟฟ้าความถี่สูงและสามารถสร้างสัญญาณป้อนกลับไปยังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ปฐมภูมิเพื่อควบคุม

พื้นฐานโทโพโลยีตัวแปลง

รูปที่ 1: ตัวแปลงสวิตชิ่งแบบโหมดเดินหน้าหรือแบบบัคสเต็ปดาวน์

มีโทโพโลยีตัวแปลงหลายแบบที่ใช้กันอยู่ ซึ่งบางแบบได้รับความนิยมมากกว่าแบบอื่น แต่ละแบบมีการกำหนดค่าของส่วนประกอบแม่เหล็กที่แตกต่างกันเล็กน้อย เช่น ตัวเหนี่ยวนำ หม้อแปลงไฟฟ้า และตัวเก็บประจุ โทโพโลยีในตำราเรียนประกอบด้วยบัคตัวแปลงและบูสต์ตัวแปลง ซึ่งเป็นตัวอย่างที่สะดวกในการอธิบายหลักการพื้นฐานของวงจรตัวแปลงแบบสวิตชิ่งโหมด

บัคคอนเวอร์เตอร์ หรือเรียกอีกอย่างว่าโหมดฟอร์เวิร์ด ใช้เพื่อลดแรงดันไฟฟ้าขาเข้า

รูปที่ 1 (ขวา) แสดงวงจรแบบง่ายที่แสดงให้เห็นการใช้ตัวเหนี่ยวนำ (L) และตัวเก็บประจุ (C) ในวงจรเอาต์พุต สวิตช์เซมิคอนดักเตอร์ (TR1) แสดงถึงการสลับที่รวดเร็วของ MOSFET ที่ขับเคลื่อนเข้าสู่ภาวะอิ่มตัวหรือปิดสนิท

เมื่อ TR1 ทำหน้าที่นำไฟฟ้า ไดโอด (D) จะถูกไบอัสย้อนกลับ และกระแสจะไหลไปยังโหลด กระแสนี้จะประจุประจุให้กับตัวเก็บประจุ C ผ่านตัวเหนี่ยวนำ (L) ซึ่งต้านกระแส ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก เมื่อ TR1 หยุดการนำไฟฟ้า สนามแม่เหล็กใน L จะยุบตัวลง ไดโอด (D) จะถูกไบอัสไปข้างหน้า บังคับให้กระแสไหลผ่านโหลด และในช่วงเวลาเดียวกัน ตัวเก็บประจุ (C) ก็จะคายประจุที่ค้างอยู่ในวงจรไปยังโหลดด้วย การรวมกันของค่าตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุจะสร้างตัวกรอง LC ซึ่งทำหน้าที่ลดการเกิดริปเปิลที่เกิดจากการสวิตชิ่ง

ตัวแปลงบูสต์ (ดูรูปที่ 2 ด้านล่าง) เป็นโทโพโลยียอดนิยมอีกประเภทหนึ่ง ซึ่งในครั้งนี้เหมาะกับการเพิ่มหรือ "เพิ่มแรงดัน" แรงดันไฟฟ้าขาเข้าเพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าขาออกที่สูงขึ้น

ต่างจากบัคคอนเวอร์เตอร์ที่ทรานซิสเตอร์สวิตชิ่งจะต่ออนุกรมกับแรงดันอินพุต แต่ในวงจรบูสต์ ทรานซิสเตอร์จะขนานกับอินพุตและเชื่อมต่อกับอินพุตผ่านตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุจะยังคงอยู่คร่อมโหลด ทำหน้าที่รักษาแรงดันเอาต์พุตในขณะที่ทรานซิสเตอร์กำลังนำไฟฟ้า สนามแม่เหล็กที่ยุบตัวของตัวเหนี่ยวนำจะไหลไปยังเอาต์พุตในขณะที่ทรานซิสเตอร์ปิดอยู่

รูปที่ 2: วงจรแปลงบูสต์แบบง่าย

การผสมผสานระหว่างโทโพโลยีบัคและบูสต์ทำให้ได้ตัวแปลงบัค/บูสต์ที่สามารถเพิ่มหรือลดแรงดันไฟฟ้าขาเข้าได้

โปรดทราบว่าในด้านความปลอดภัย โทโพโลยีข้างต้นทั้งหมดไม่ได้ใช้หม้อแปลงไฟฟ้า (ซึ่งเรียกว่าตัวแปลงแบบไม่แยก) เพื่อแยกแรงดันไฟฟ้าขาเข้าออกจากเอาต์พุต ทั้งสองแบบยังใช้สายกราวด์ร่วมกันอีกด้วย

มีโทโพโลยีหลายแบบที่ใช้สำหรับแหล่งจ่ายไฟ AC-DC ที่ให้การแยกและประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงในการทำงาน โดยวิธีที่นิยมมากที่สุดคือแบบ flyback และแบบ quasi-resonant

สถาปัตยกรรมของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมดทั่วไป

รูปที่ 3: บล็อกฟังก์ชันของตัวอย่างแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด AC-DC (SMPS)

ตัวกรองอินพุต

ตัวกรองอินพุตทำหน้าที่กำจัดแรงดันไฟฟ้าชั่วครู่และไฟกระชากที่เป็นอันตรายต่ออินพุตหลัก ไม่ให้ไหลเข้าและก่อให้เกิดความเสียหายภายในแหล่งจ่ายไฟ ตัวกรองยังช่วยกำจัดสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ที่เกิดขึ้นภายในวงจรสวิตชิ่ง ไม่ให้ส่งผ่านไปยังไฟหลัก AC

วงจรสวิตชิ่งโดยทั่วไปทำงานที่ความถี่ 25kHz ถึง 500kHz และเป็นแหล่งกำเนิด EMI สัญญาณรบกวนที่เข้ามาจากแหล่งจ่ายไฟหลักมีสององค์ประกอบ ได้แก่ โหมดร่วม (Common Mode) และโหมดดิฟเฟอเรนเชียล (Differential Mode) โหมดร่วมหมายถึงสัญญาณรบกวนที่วัดระหว่างสายไฟฟ้าที่มีไฟหรือสายกลางและสายดิน สัญญาณรบกวนดิฟเฟอเรนเชียลหมายถึงสัญญาณรบกวนระหว่างสายไฟฟ้าที่มีไฟและสายกลาง

การรวมกันของตัวเหนี่ยวนำ/โช้กและตัวเก็บประจุสร้างการจัดเรียงตัวกรองเพื่อลดเสียงรบกวนทั้งสองประเภท

การแก้ไข

แรงดันไฟฟ้าขาเข้า AC ที่ผ่านการกรองจะผ่านวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์เพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงแบบพัลซิ่ง ตัวเก็บประจุแบบ 'bulk' ที่ปรับให้เรียบจะขจัดริปเปิลในสายออกจากแรงดันไฟฟ้าที่เรียงกระแสแล้ว และทำหน้าที่รักษาแรงดันไฟฟ้าให้คงที่

การแก้ไขค่ากำลังไฟฟ้า

นี่คือลักษณะสำคัญของการออกแบบแหล่งจ่ายไฟใดๆ ที่ใหญ่กว่า 75 วัตต์ และบน PSU LED ที่ใหญ่กว่า 20 วัตต์ และเกี่ยวข้องกับความแตกต่างระหว่างพลังงานจริงที่ใช้กับกระแสไฟฟ้าที่ปรากฏจริง ซึ่งแสดงเป็นอัตราส่วน นี่คือค่าตัวประกอบกำลัง

ในสถานการณ์ที่เหมาะสม อัตราส่วนนี้ควรเป็น 1 (1) อย่างไรก็ตาม พฤติกรรมกระแสชาร์จของตัวเก็บประจุ 'จำนวนมาก' ที่ใช้ในขั้นตอนการแก้ไขทำให้รูปคลื่นไฟหลัก AC ไซน์ผิดเพี้ยน

เทคนิคการแก้ไขค่าตัวประกอบกำลังแบบพาสซีฟมักใช้ตัวเหนี่ยวนำในอินพุตที่มีกระแสไฟฟ้าเพื่อลดจุดสูงสุดของคลื่นไซน์ ลดความเพี้ยนฮาร์มอนิกที่อาจเกิดขึ้น และปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลัง อย่างไรก็ตาม การทำเช่นนี้อาจลดประสิทธิภาพลงได้

ปัจจุบัน แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด AC-DC ส่วนใหญ่ใช้เทคนิคการแก้ไขค่าตัวประกอบกำลังแบบแอคทีฟ มักใช้วงจรบูสต์คอนเวอร์เตอร์เพื่อควบคุมรูปร่างของรูปคลื่น (เพื่อปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลัง) และจำกัดความเพี้ยนฮาร์มอนิก

ฟังก์ชั่นการสลับ

ประกอบด้วยเซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้าแบบสวิตชิ่ง หม้อแปลงไฟฟ้า และไอซีไดรเวอร์ ทั้งหมดนี้ร่วมกันสร้างแรงดันไฟฟ้าสลับสูงให้กับหม้อแปลงไฟฟ้า อัตราส่วนรอบของหม้อแปลงไฟฟ้าช่วยให้สามารถเพิ่มหรือลดแรงดันไฟฟ้าได้ และยังทำหน้าที่เป็นฉนวนกั้นอีกด้วย

ความถี่ในการสลับสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตั้งแต่ 25kHz ถึง 500kHz หรือมากกว่า ความถี่และ/หรือรอบการทำงานของสัญญาณ PWM อาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับโหลดที่ป้อนให้กับเอาต์พุต

ในระหว่างการออกแบบฟังก์ชันการสลับ การปฏิบัติตามแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดของ EMI ถือเป็นสิ่งสำคัญเพื่อลด EMI ที่นำและแผ่ออกมาให้เหลือน้อยที่สุดเพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐานด้านกฎระเบียบ

การควบคุมแรงดันไฟฟ้าขาออก DC และสาย

เอาต์พุตทุติยภูมิจากหม้อแปลงจะผ่านวงจรเรียงกระแสไปยังโหลด ตัวเก็บประจุแบบเรียบและส่วนประกอบกรองก็เป็นส่วนหนึ่งของฟังก์ชันนี้เช่นกัน แรงดันเอาต์พุตยังจ่ายไปยังเครื่องขยายสัญญาณเปรียบเทียบ ซึ่งเปรียบเทียบเอาต์พุตกับแรงดันอ้างอิงเพื่อควบคุมแรงดันไฟฟ้าให้แม่นยำ

ออปโตไอโซเลเตอร์ทำหน้าที่เป็นแผงกั้นความปลอดภัยแบบกัลวานิกสำหรับการป้อนกลับไปยังวงจรไดรฟ์ PWM หลัก โดยปรับไดรฟ์ให้เหมาะสมเพื่อแก้ไขความเบี่ยงเบนของแรงดันเอาต์พุต

แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งโหมดส่วนใหญ่ที่มีอยู่ในปัจจุบันมีประสิทธิภาพสูง โดยค่าปกติอยู่ที่ 85% ถึง 95% ความร้อนเสียส่วนใหญ่ที่เกิดจากการสูญเสียพลังงานภายในแหล่งจ่ายไฟจะถูกระบายออกโดยการนำไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีที่ใช้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับแหล่งจ่ายไฟกำลังสูงที่ให้กำลังไฟฟ้ามากกว่า 150 วัตต์ อาจจำเป็นต้องใช้ระบบระบายความร้อนแบบอัดอากาศ

การเพิ่มพัดลมปรับความเร็วรอบและวงจรควบคุมที่เกี่ยวข้องช่วยให้บรรลุข้อกำหนดนี้ อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีใหม่ที่มีกำลังไฟสูงสุด 1,500 วัตต์ และมีประสิทธิภาพสูง แสดงให้เห็นว่าสามารถเคลื่อนย้ายความร้อนที่เกิดขึ้นไปยังฮีตซิงก์หรือพื้นที่ระบายความร้อนแบบนำความร้อน โดยไม่ต้องใช้พัดลมที่มีเสียงดังและพัดลมที่เสื่อมสภาพง่าย รุ่นที่มีกำลังไฟสูงกว่าจะใช้ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว ซึ่งเคลื่อนย้ายความร้อนที่เกิดขึ้นไปยังพื้นที่อื่น

การเลือกแหล่งจ่ายไฟสลับโหมด AC-DC

เมื่อเลือกแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด AC/DC นอกเหนือจากข้อกำหนดทางไฟฟ้าที่จำเป็น เช่น แรงดันไฟฟ้าขาเข้าและขาออก การจัดการพลังงาน และประสิทธิภาพการทำงานแล้ว ยังมีปัจจัยอื่นๆ อีกหลายประการในเอกสารข้อมูลจำเพาะของผลิตภัณฑ์ที่ต้องตรวจสอบ

การควบคุมสายคืออะไร? ซัพพลายเออร์ไฟฟ้าแบบสวิตช์โหมดส่วนใหญ่จะควบคุมแรงดันไฟฟ้าขาออกให้อยู่ในช่วง +/- 3% ของค่าที่ระบุ แรงดันไฟฟ้าดังกล่าวเพียงพอสำหรับผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายของคุณหรือไม่? และค่านี้คงที่ในทุกสภาวะโหลดหรือไม่ ตั้งแต่โหลด 10% ถึงโหลด 100%

มีความสามารถในการจ่ายไฟสูงสุดหรือบูสต์หรือไม่? คุณสมบัติที่มีประโยชน์นี้ช่วยให้สามารถดึงไฟได้ เช่น 150% ของโหลดเต็มในช่วงเวลาสั้นๆ การสตาร์ทมอเตอร์สามารถใช้ประโยชน์จากสิ่งนี้ได้ โดยช่วยให้สามารถเลือกแหล่งจ่ายไฟที่มีอัตราต่ำกว่าและราคาถูกกว่า แทนที่จะต้องรองรับโหลดสูงสุดด้วยแหล่งจ่ายไฟที่มีราคาแพงกว่า

อย่าลืมตรวจสอบให้แน่ใจว่าแหล่งจ่ายไฟเป็นไปตามข้อกำหนดระหว่างประเทศและข้อกำหนดเฉพาะประเทศที่เกี่ยวข้องทั้งหมดเกี่ยวกับประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ความปลอดภัย และการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า มาตรฐานกำหนดระดับประสิทธิภาพการใช้พลังงานขั้นต่ำที่โหลดเต็มกำลังและโหลด 10% รวมถึงการใช้พลังงานสูงสุดเมื่อไม่มีโหลด ในสหรัฐอเมริกา มาตรฐานที่เกี่ยวข้องคือ DoE ระดับ VI และในยุโรปคือ EcoDesign 2019/1782

กฎระเบียบด้านความปลอดภัยทั่วไปประกอบด้วย IEC 62368-1 สำหรับอุปกรณ์ไอทีและ AV และหากคุณมีผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์ ให้ใช้ IEC 60601-1 สำหรับผลิตภัณฑ์ไฟฟ้าในครัวเรือน ให้ใช้ IEC 60335-1 directive

คำสั่งเพิ่มเติมรวมถึงข้อกำหนดเฉพาะสำหรับไฟ LED, HVAC และการใช้งานอื่น ๆ มาตรฐาน EMI CISPR32 และ FCC20870 กำหนดข้อกำหนดของการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าและความอ่อนไหว

บทสรุป

การกำหนดแหล่งจ่ายไฟ AC-DC แบบสวิตช์โหมดไม่ใช่เรื่องง่าย เนื่องจากต้องคำนึงถึงข้อกำหนดด้านความปลอดภัยทั้งหมด แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมดเป็นวิธีการที่ประหยัดพลังงานและกะทัดรัดสำหรับการจ่ายไฟให้กับผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปแบบออฟไลน์ แหล่งจ่ายไฟเหล่านี้มีให้เลือกใช้ครอบคลุมช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้า AC สากลตั้งแต่ 90 Vac ถึง 264 Vac และมีแรงดันไฟฟ้าขาออก DC ที่นิยมใช้หลากหลายจากซัพพลายเออร์ที่มีชื่อเสียง