Klíčový rozdíl – SMPS vs lineární napájecí zdroj
Většina elektronických a elektrických zařízení vyžaduje ke své funkci stejnosměrné napětí. Tato zařízení, zejména elektronická zařízení s integrovanými obvody, by měla být napájena spolehlivým stejnosměrným napětím bez zkreslení, aby fungovala bez poruch nebo spálení. Účelem stejnosměrného napájecího zdroje je dodávat těmto zařízením čisté stejnosměrné napětí. Zdroje stejnosměrného proudu se dělí na lineární a spínaný režim, což jsou topologie používané k přeměně střídavého síťového napájení na plynulé stejnosměrné. Lineární napájecí zdroj využívá transformátor k přímému snížení střídavého síťového napětí na požadovanou úroveň, zatímco SMPS převádí střídavý proud na stejnosměrný pomocí spínacího zařízení, které pomáhá získat průměrnou hodnotu požadované úrovně napětí. Toto je klíčový rozdíl mezi SMPS a lineárním napájením.
Co je to lineární napájecí zdroj?
V lineárním napájecím zdroji je síťové střídavé napětí převedeno na nižší napětí přímo pomocí transformátoru snižujícího napětí. Tento transformátor musí zvládnout velký výkon, protože pracuje při frekvenci střídavého proudu 50/60 Hz. Proto je tento transformátor objemný a velký, takže napájecí zdroj je těžký a velký.
Snížené napětí je poté usměrněno a filtrováno, aby se získalo stejnosměrné napětí požadované pro výstup. Protože se napětí na této úrovni mění v závislosti na zkreslení vstupního napětí, je před výstupem provedena regulace napětí. Regulátor napětí v lineárním napájecím zdroji je lineární regulátor, což je obvykle polovodičové zařízení, které funguje jako proměnný odpor. Hodnota výstupního odporu se mění s požadavkem na výstupní výkon, takže výstupní napětí je konstantní. Regulátor napětí tedy funguje jako zařízení rozptylující energii. Většinu času rozptýlí přebytečný výkon, aby bylo napětí konstantní. Proto by měl mít regulátor napětí velké chladiče. V důsledku toho jsou lineární napájecí zdroje mnohem těžší. Kromě toho v důsledku ztrátového výkonu regulátorem napětí ve formě tepla klesá účinnost lineárního napájecího zdroje až o 60 %.
Lineární napájecí zdroje však nevytvářejí elektrický šum na výstupním napětí. Poskytuje izolaci mezi výstupem a vstupem díky transformátoru. Proto se lineární napájecí zdroje používají pro vysokofrekvenční aplikace, jako jsou radiofrekvenční zařízení, audio aplikace, laboratorní testy, které vyžadují bezšumové napájení, zpracování signálu a zesilovače.
Obrázek 01: Napájení s lineárním regulátorem napětí
Co je SMPS?
SMPS (spínaný zdroj napájení) funguje na spínacím tranzistorovém zařízení. Střídavý vstup je nejprve převeden na stejnosměrné napětí usměrňovačem, aniž by došlo ke snížení napětí, na rozdíl od lineárního napájecího zdroje. Poté stejnosměrné napětí prochází vysokofrekvenčním přepínáním, obvykle tranzistorem MOSFET. To znamená, že napětí přes MOSFET se zapíná a vypíná signálem brány MOSFET, obvykle signálem modulovaným šířkou pulzu asi 50 kHz (blok měniče/měniče). Po této operaci přerušování se tvar vlny stane pulzujícím stejnosměrným signálem. Poté se použije snižovací transformátor ke snížení napětí vysokofrekvenčního pulzního stejnosměrného signálu na požadovanou úroveň. Nakonec se výstupní usměrňovač a filtr používají k obnovení výstupního stejnosměrného napětí.
Obrázek 02: Blokový diagram SMPS
Regulace napětí v SMPS se provádí prostřednictvím zpětnovazebního obvodu, který monitoruje výstupní napětí. Pokud je požadavek na výkon zátěže vysoký, výstupní napětí má tendenci se zvyšovat. Tento přírůstek je detekován obvodem zpětné vazby regulátoru a používá se k řízení poměru zapnutí a vypnutí signálu PWM. Mění se tedy průměrné napětí signálu. Výsledkem je, že výstupní napětí je řízeno tak, aby zůstalo konstantní.
Snižovací transformátor používaný v SMPS pracuje na vysoké frekvenci; takže objem a hmotnost transformátoru jsou mnohem menší než u lineárního napájecího zdroje. To se stává hlavním důvodem, proč je SMPS mnohem menší a lehčí než jeho protějšek lineárního typu. Kromě toho se regulace napětí provádí bez ztráty přebytečného výkonu, jako je ohmická ztráta nebo teplo. Účinnost SMPS dosahuje až 85-90 %.
Současně SMPS generuje vysokofrekvenční šum v důsledku spínací operace MOSFET. Tento šum se může odrazit ve výstupním napětí; u některých pokročilých a drahých modelů je však tento výstupní šum do určité míry zmírněn. Spínání dále vytváří elektromagnetické a vysokofrekvenční rušení. Proto je nutné v SMPS používat RF stínění a EMI filtry. Proto SMPS nejsou vhodné audio a radiofrekvenční aplikace. S SMPS lze použít zařízení méně citlivá na hluk, jako jsou nabíječky mobilních telefonů, stejnosměrné motory, aplikace s vysokým výkonem atd. Jeho lehčí a menší design umožňuje jeho použití také jako přenosná zařízení.
Jaký je rozdíl mezi SMPS a lineárním napájecím zdrojem?
SMPS vs lineární napájecí zdroj |
|
| SMPS přímo usměrňuje síťový střídavý proud bez snížení napětí. Poté se převedený stejnosměrný proud vysokofrekvenčně přepne na menší transformátor, aby se snížil na požadovanou úroveň napětí. Nakonec je vysokofrekvenční střídavý signál usměrněn na výstupní stejnosměrné napětí. | Lineární napájecí zdroj snižuje na začátku napětí na požadovanou hodnotu pomocí většího transformátoru. Poté je střídavý proud usměrněn a filtrován, aby se vytvořilo výstupní stejnosměrné napětí. |
| Regulace napětí | |
| Regulace napětí se provádí řízením spínací frekvence. Výstupní napětí je monitorováno zpětnovazebním obvodem a kolísání napětí se používá pro řízení frekvence. | Upravené a filtrované stejnosměrné napětí je vystaveno výstupnímu odporu děliče napětí, aby se vytvořilo výstupní napětí. Tento odpor je ovladatelný obvodem zpětné vazby, který monitoruje kolísání výstupního napětí. |
| Účinnost | |
| Vyvíjení tepla v SMPS je poměrně nízké, protože spínací tranzistor pracuje v oblastech přerušení a hladovění. Malá velikost výstupního transformátoru také snižuje tepelné ztráty. Proto je účinnost vyšší (85-90 %). | Přebytečný výkon je rozptýlen jako teplo, aby bylo napětí v lineárním napájecím zdroji konstantní. Navíc je vstupní transformátor mnohem objemnější; tím jsou ztráty transformátoru vyšší. Proto je účinnost lineárního napájecího zdroje pouhých 60 %. |
| Build | |
| Velikost transformátoru SMPS nemusí být velká, protože pracuje na vysoké frekvenci. Proto bude také menší hmotnost transformátoru. V důsledku toho je velikost a hmotnost SMPS mnohem nižší než u lineárního napájecího zdroje. | Lineární napájecí zdroje jsou mnohem objemnější, protože vstupní transformátor musí být velký kvůli nízké frekvenci, na které pracuje. Protože se v regulátoru napětí generuje více tepla, měly by být použity také chladiče. |
| Zkreslení hluku a napětí | |
| SMPS generuje vysokofrekvenční šum kvůli přepínání. To přechází do výstupního napětí a někdy i do vstupní sítě. Harmonické zkreslení síťového napájení může být také možné v SMPS. | Lineární napájecí zdroje nevytvářejí šum ve výstupním napětí. Harmonické zkreslení je mnohem menší než u SMPS. |
| Aplikace | |
| SMPS lze použít jako přenosná zařízení kvůli malé konstrukci. Protože však generuje vysokofrekvenční šum, nelze SMPS použít pro aplikace citlivé na šum, jako jsou RF a audio aplikace. | Lineární napájecí zdroje jsou mnohem větší a nelze je použít pro přenosná zařízení. Protože negenerují šum a výstupní napětí je také čisté, používají se pro většinu elektrických a elektronických testů v laboratořích. |
Shrnutí – SMPS vs lineární napájecí zdroj
Napájecí zdroje SMPS a lineární jsou dva typy používaných stejnosměrných napájecích zdrojů. Klíčovým rozdílem mezi SMPS a lineárním napájecím zdrojem jsou topologie používané pro regulaci napětí a snižování napětí. Zatímco lineární napájecí zdroj na začátku převádí střídavý proud na nízké napětí, SMPS nejprve usměrňuje a filtruje střídavý proud ze sítě a poté přepíná na vysokofrekvenční střídavý proud, než sestoupí. Vzhledem k tomu, že hmotnost a velikost transformátoru se zvyšuje se snižující se provozní frekvencí, je vstupní transformátor lineárních zdrojů mnohem těžší a větší na rozdíl od SMPS. Kromě toho, protože regulace napětí probíhá s odvodem tepla přes odpory, lineární napájecí zdroje by měly mít chladiče, díky nimž jsou ještě těžší. Regulátor SMPS řídí spínací frekvenci pro řízení výstupního napětí. Proto jsou SMPS menší velikosti a lehčí. Protože výroba tepla v SMPS je nižší, jejich účinnost je také vyšší.
Stáhnout PDF verzi SMPS vs lineární napájecí zdroj
Můžete si stáhnout PDF verzi tohoto článku a použít ji pro offline účely podle citací. Stáhněte si prosím PDF verzi zde Rozdíl mezi SMPS a lineárním napájecím zdrojem.
