Nøkkelforskjell – SMPS vs lineær strømforsyning
De fleste elektroniske og elektriske enheter krever likespenning for å fungere. Disse enhetene, spesielt elektroniske enheter med integrerte kretser, bør forsynes med en pålitelig, forvrengningsfri likespenning for at de skal fungere uten funksjonsfeil eller brenne. Hensikten med en likestrømsforsyning er å levere ren likespenning til disse enhetene. DC-strømforsyninger er kategorisert i lineær og svitsjet modus, som er topologiene som er involvert for å gjøre AC-nettforsyningen til jevn DC. Lineær strømforsyning bruker en transformator for å trappe ned AC-nettspenningen direkte til et ønsket nivå mens SMPS konverterer AC til DC ved hjelp av en svitsjeenhet som hjelper til med å oppnå en gjennomsnittsverdi av ønsket spenningsnivå. Dette er hovedforskjellen mellom SMPS og lineær strømforsyning.
Hva er en lineær strømforsyning?
I en lineær strømforsyning konverteres nettvekselspenningen til en lavere spenning direkte av en nedtrappingstransformator. Denne transformatoren må håndtere en stor effekt siden den fungerer på AC-nettfrekvensen 50/60Hz. Derfor er denne transformatoren klumpete og stor, noe som gjør strømforsyningen tung og stor.
Nedtrappet spenning blir deretter rettet og filtrert for å få likespenningen som kreves for utgangen. Siden spenningen på dette nivået er utsatt for å variere avhengig av forvrengningen av inngangsspenningen, gjøres en spenningsregulering før utgangen. Spenningsregulatoren i en lineær strømforsyning er en lineær regulator, som vanligvis er en halvlederenhet som fungerer som en variabel motstand. Utgangsmotstandsverdien endres med utgangseffektbehovet, noe som gjør utgangsspenningen konstant. Spenningsregulatoren fungerer således som en effekttapende enhet. Mesteparten av tiden sprer den overflødig kraft for å gjøre spenningen konstant. Derfor bør spenningsregulatoren ha store kjøleribber. Som et resultat blir de lineære strømforsyningene mye tyngre. Videre, som et resultat av strømtap fra spenningsregulatoren som varme, synker effektiviteten til en lineær strømforsyning så mye som ca. 60%.
Lineære strømforsyninger produserer imidlertid ikke elektrisk støy på utgangsspenningen. Det gir isolasjon mellom utgang og inngang på grunn av transformatoren. Derfor brukes lineære strømforsyninger for høyfrekvente applikasjoner som radiofrekvensenheter, lydapplikasjoner, laboratorietester som krever støyfri forsyning, signalbehandling og forsterkere.
Figur 01: Strømforsyning med en lineær spenningsregulator
Hva er SMPS?
SMPS (svitsjet-modus strømforsyning) opererer på en svitsjetransistorenhet. Til å begynne med konverteres AC-inngangen til likespenning av en likeretter, uten å redusere spenningen, i motsetning til i en lineær strømforsyning. Deretter gjennomgår likespenningen en høyfrekvent svitsjing, typisk av en MOSFET-transistor. Det vil si at spenningen gjennom MOSFET slås av og på av MOSFET Gate-signal, vanligvis et pulsbreddemodulert signal på ca. 50 kHz (chopper/inverter-blokk). Etter denne hakkeoperasjonen blir bølgeformen et pulsert DC-signal. Etter det brukes en nedtrappingstransformator for å redusere spenningen til det høyfrekvente pulserte DC-signalet til ønsket nivå. Til slutt brukes en utgangslikeretter og et filter for å gjenopprette likespenningen.
Figur 02: Blokkdiagram av en SMPS
Spenningsreguleringen i SMPS gjøres via en tilbakemeldingskrets som overvåker utgangsspenningen. Hvis kraftbehovet til lasten er høyt, har utgangsspenningen en tendens til å øke. Denne økningen oppdages av regulatorens tilbakemeldingskrets og brukes til å kontrollere på-til-av-forholdet til PWM-signalet. Dermed endres den gjennomsnittlige signalspenningen. Som et resultat blir utgangsspenningen kontrollert for å holde seg konstant.
Trinn-ned-transformatoren som brukes i SMPS opererer med høy frekvens; dermed er volumet og vekten til transformatoren mye mindre enn for en lineær strømforsyning. Dette blir en viktig årsak til at en SMPS er mye mindre og lettere enn dens lineære motpart. Dessuten gjøres spenningsreguleringen uten å spre overflødig kraft som ohmsk tap eller varme. Effektiviteten til SMPS blir så høy som 85–90%.
Samtidig genererer en SMPS høyfrekvent støy på grunn av svitsjeoperasjonen til MOSFET. Denne støyen kan reflekteres i utgangsspenningen; I noen avanserte og dyre modeller er imidlertid denne utgangsstøyen dempet til en viss grad. Videre skaper svitsjen også elektromagnetisk og radiofrekvensinterferens. Derfor er det nødvendig å bruke RF-skjerming og EMI-filtre i SMPS-er. Derfor er ikke SMPS egnede lyd- og radiofrekvensapplikasjoner. Mindre støyfølsomt utstyr som mobiltelefonladere, likestrømsmotorer, høyeffektapplikasjoner osv. kan brukes med SMPS-er. Den er lettere og mindre design gjør den praktisk å brukes som bærbare enheter også.
Hva er forskjellen mellom SMPS og lineær strømforsyning?
SMPS vs lineær strømforsyning |
|
| SMPS retter opp strømnettet direkte uten å redusere spenningen. Deretter kobles den konverterte DC inn høyfrekvent for en mindre transformator for å redusere den til ønsket spenningsnivå. Til slutt blir det høyfrekvente AC-signalet rettet til DC-utgangsspenningen. | Lineær strømforsyning reduserer spenningen til ønsket verdi i begynnelsen med en større transformator. Etter det blir vekselstrømmen rettet og filtrert for å lage utgangs likespenning. |
| Spenningsregulering | |
| Spenningsregulering gjøres ved å kontrollere svitsjefrekvensen. Utgangsspenningen overvåkes av tilbakekoblingskretsen og spenningsvariasjonen brukes til frekvensstyringen. | Den likerettede og filtrerte likespenningen utsettes for en utgangsmotstand fra en spenningsdeler for å lage utgangsspenningen. Denne motstanden kan kontrolleres av en tilbakemeldingskrets som overvåker utgangsspenningsvariasjonen. |
| Effektivitet | |
| Varmeproduksjonen i SMPS er relativt lav siden svitsjetransistoren opererer i avskjærings- og sulteområdene. Den lille størrelsen på utgangstransformatoren gjør også varmetapet lite. Derfor er effektiviteten høyere (85-90%). | Overskuddseffekten spres som varme for å gjøre spenningen konstant i en lineær strømforsyning. Dessuten er inngangstransformatoren mye større; dermed er transformatortapene høyere. Derfor er effektiviteten til en lineær strømforsyning så lav som 60 %. |
| Build | |
| Transformatorstørrelsen til en SMPS trenger ikke å være stor da den opererer i høyfrekvens. Derfor vil vekten på transformatoren også være mindre. Som et resultat er størrelsen og vekten til en SMPS mye lavere enn en lineær strømforsyning. | Lineære strømforsyninger er mye større siden inngangstransformatoren må være stor på grunn av den lave frekvensen den opererer på. Ettersom mer varme genereres i en spenningsregulator, bør kjøleribber også brukes. |
| Støy og spenningsforvrengninger | |
| SMPS genererer høyfrekvent støy på grunn av veksling. Dette går over i utgangsspenningen, samt til inngangsnettet noen ganger. Harmonisk forvrengning i nettstrøm kan også være mulig i SMPS-er. | Lineære strømforsyninger produserer ikke støy i utgangsspenningen. Harmonisk forvrengning er mye mindre enn for SMPS-er. |
| Applications | |
| SMPS kan brukes som bærbare enheter på grunn av den lille konstruksjonen. Men siden den genererer høyfrekvent støy, kan ikke SMPS-er brukes til støyfølsomme applikasjoner som RF- og lydapplikasjoner. | Lineære strømforsyninger er mye større og kan ikke brukes til bærbare enheter. Siden de ikke genererer støy og utgangsspenningen også er ren, brukes de til de fleste elektriske og elektroniske tester i laboratorier. |
Sammendrag – SMPS vs lineær strømforsyning
SMPS og lineære strømforsyninger er to typer likestrømsforsyninger som er i bruk. Nøkkelforskjellen mellom SMPS og lineær strømforsyning er topologiene som brukes for spenningsregulering og spenningsreduksjon. Mens den lineære strømforsyningen konverterer AC til lavspenning i begynnelsen, retter og filtrerer SMPS først nettvekselstrømmen og bytter deretter til en høyfrekvent AC før den trappes ned. Siden transformatorens vekt og størrelse øker når driftsfrekvensen avtar, er inngangstransformatoren til lineære strømforsyninger mye tyngre og større i motsetning til SMPS. I tillegg, ettersom spenningsreguleringen gjøres med varmeavledning gjennom motstander, bør lineære strømforsyninger ha kjøleribber som gjør dem enda tyngre. Regulatoren til SMPS-er kontrollerer byttefrekvensen for å kontrollere utgangsspenningen. Derfor er SMPS mindre i størrelse og lettere i vekt. Ettersom varmeutviklingen i SMPS er lavere, er effektiviteten også høyere.
Last ned PDF-versjon av SMPS vs lineær strømforsyning
Du kan laste ned PDF-versjonen av denne artikkelen og bruke den til offline-formål i henhold til sitatnotater. Last ned PDF-versjon her Forskjellen mellom SMPS og lineær strømforsyning.
