Nøgleforskel – SMPS vs lineær strømforsyning
De fleste elektroniske og elektriske enheder kræver jævnspænding for at kunne fungere. Disse enheder, især elektroniske enheder med integrerede kredsløb, bør forsynes med en pålidelig, forvrængningsfri jævnspænding, for at de kan fungere uden funktionsfejl eller brænde. Formålet med en jævnstrømsforsyning er at levere ren jævnspænding til disse enheder. DC-strømforsyninger er kategoriseret i lineær og switched-mode, som er de involverede topologier for at gøre AC-netforsyningen til jævn jævnstrøm. Lineær strømforsyning bruger en transformer til direkte at nedtrappe AC-netspændingen til et ønsket niveau, mens SMPS konverterer AC til DC ved hjælp af en switching-enhed, som hjælper med at opnå en gennemsnitsværdi af det ønskede spændingsniveau. Dette er den vigtigste forskel mellem SMPS og lineær strømforsyning.
Hvad er en lineær strømforsyning?
I en lineær strømforsyning omdannes netspændingen til en lavere spænding direkte af en nedtrappende transformer. Denne transformer skal håndtere en stor effekt, da den fungerer ved AC-netfrekvensen 50/60Hz. Derfor er denne transformer voluminøs og stor, hvilket gør strømforsyningen tung og stor.
Nedtrappet spænding ensrettes derefter og filtreres for at få den DC-spænding, der kræves til udgangen. Da spændingen på dette niveau udsættes for at variere afhængigt af indgangsspændingens forvrængninger, foretages en spændingsregulering før udgangen. Spændingsregulatoren i en lineær strømforsyning er en lineær regulator, som norm alt er en halvlederenhed, der fungerer som en variabel modstand. Udgangsmodstandsværdien ændres med udgangseffektbehovet, hvilket gør udgangsspændingen konstant. Spændingsregulatoren fungerer således som en effekttabsanordning. Det meste af tiden spreder den overskydende strøm for at gøre spændingen konstant. Derfor bør spændingsregulatoren have store køleplader. Som et resultat bliver de lineære strømforsyninger meget tungere. Ydermere, som et resultat af effekttab fra spændingsregulatoren som varme, falder effektiviteten af en lineær strømforsyning så meget som omkring 60%.
Lineære strømforsyninger producerer dog ikke elektrisk støj på udgangsspændingen. Det giver isolation mellem output og input på grund af transformeren. Derfor bruges lineære strømforsyninger til højfrekvente applikationer såsom radiofrekvensenheder, lydapplikationer, laboratorietests, som kræver støjfri forsyning, signalbehandling og forstærkere.
Figur 01: Strømforsyning med en lineær spændingsregulator
Hvad er SMPS?
SMPS (switched-mode strømforsyning) fungerer på en switch-transistor-enhed. I første omgang konverteres AC-indgangen til DC-spænding af en ensretter uden at reducere spændingen, i modsætning til i en lineær strømforsyning. Derefter gennemgår jævnspændingen en højfrekvent omskiftning, typisk af en MOSFET-transistor. Det vil sige, at spændingen gennem MOSFET'en tændes og slukkes af MOSFET Gate-signal, norm alt et pulsbreddemoduleret signal på omkring 50 kHz (chopper/inverterblok). Efter denne hakkeoperation bliver bølgeformen et pulseret DC-signal. Derefter bruges en step-down transformer til at reducere spændingen af det højfrekvente pulserede DC-signal til det ønskede niveau. Til sidst bruges en udgangsensretter og et filter til at genskabe udgangs-DC-spændingen.
Figur 02: Blokdiagram af en SMPS
Spændingsreguleringen i SMPS sker via et feedbackkredsløb, der overvåger udgangsspændingen. Hvis belastningens effektbehov er højt, har udgangsspændingen en tendens til at stige. Denne stigning detekteres af regulatorens feedbackkredsløb og bruges til at styre on-to-off-forholdet for PWM-signalet. Således ændres den gennemsnitlige signalspænding. Som et resultat styres udgangsspændingen til at holde konstant.
Den nedtrapningstransformator, der bruges i SMPS'en, fungerer ved en høj frekvens; således er transformatorens volumen og vægt meget mindre end for en lineær strømforsyning. Dette bliver en væsentlig årsag til, at en SMPS er meget mindre og lettere end dens lineære modpart. Desuden sker spændingsreguleringen uden at sprede overskydende effekt som ohmsk-tab eller varme. Effektiviteten af SMPS bliver så høj som 85-90%.
Samtidig genererer en SMPS højfrekvent støj på grund af MOSFET'ens switching. Denne støj kan afspejles i udgangsspændingen; I nogle avancerede og dyre modeller er denne udgangsstøj dog afdæmpet til en vis grad. Desuden skaber omskiftningen også elektromagnetisk og radiofrekvensinterferens. Derfor er det nødvendigt at bruge RF-afskærmning og EMI-filtre i SMPS'er. Derfor er SMPS ikke egnede lyd- og radiofrekvensapplikationer. Mindre støjfølsomt udstyr såsom mobiltelefonopladere, DC-motorer, højeffektapplikationer osv. kan bruges med SMPS'er. Dens lettere og mindre design gør den også praktisk at blive brugt som bærbare enheder.
Hvad er forskellen mellem SMPS og lineær strømforsyning?
SMPS vs lineær strømforsyning |
|
| SMPS ensretter vekselstrøm direkte uden at reducere spændingen. Derefter kobles den konverterede DC i højfrekvens til en mindre transformer for at reducere den til det ønskede spændingsniveau. Til sidst rettes det højfrekvente AC-signal til DC-udgangsspændingen. | Lineær strømforsyning reducerer spændingen til den ønskede værdi i begyndelsen med en større transformer. Derefter ensrettes AC'en og filtreres for at lave DC-udgangsspændingen. |
| Spændingsregulering | |
| Spændingsregulering udføres ved at styre omskiftningsfrekvensen. Udgangsspændingen overvåges af feedbackkredsløbet, og spændingsvariationen bruges til frekvensstyringen. | Den ensrettede og filtrerede DC-spænding udsættes for en udgangsmodstand fra en spændingsdeler for at lave udgangsspændingen. Denne modstand kan styres af et feedbackkredsløb, der overvåger udgangsspændingsvariationen. |
| Effektivitet | |
| Varmeudviklingen i SMPS er forholdsvis lav, da koblingstransistoren fungerer i afskærings- og sulteregionerne. Udgangstransformatorens lille størrelse gør også varmetabet lille. Derfor er effektiviteten højere (85-90%). | Den overskydende effekt spredes som varme for at gøre spændingen konstant i en lineær strømforsyning. Desuden er input-transformatoren meget mere omfangsrig; dermed er transformatortab højere. Derfor er effektiviteten af en lineær strømforsyning så lav som 60%. |
| Build | |
| Transformerstørrelsen på en SMPS behøver ikke at være stor, da den arbejder i højfrekvens. Derfor vil vægten af transformeren også være mindre. Som et resultat er størrelsen såvel som vægten af en SMPS meget lavere end en lineær strømforsyning. | Lineære strømforsyninger er meget større, da inputtransformatoren skal være stor på grund af den lave frekvens, den arbejder på. Da der genereres mere varme i en spændingsregulator, bør køleplader også bruges. |
| Støj og spændingsforvrængninger | |
| SMPS genererer en højfrekvent støj på grund af skift. Dette går over i udgangsspændingen, såvel som til indgangsnettet nogle gange. Harmonisk forvrængning i lysnettet kunne også være mulig i SMPS'er. | Lineære strømforsyninger producerer ikke støj i udgangsspændingen. Harmonisk forvrængning er meget mindre end for SMPS'er. |
| Applications | |
| SMPS kan bruges som bærbare enheder på grund af den lille opbygning. Men da det genererer en højfrekvent støj, kan SMPS'er ikke bruges til støjfølsomme applikationer såsom RF- og lydapplikationer. | Lineære strømforsyninger er meget større og kan ikke bruges til bærbare enheder. Da de ikke genererer støj, og udgangsspændingen også er ren, bruges de til de fleste elektriske og elektroniske tests i laboratorier. |
Oversigt – SMPS vs lineær strømforsyning
SMPS og lineære strømforsyninger er to typer jævnstrømsforsyninger i brug. Den vigtigste forskel mellem SMPS og lineær strømforsyning er de topologier, der bruges til spændingsregulering og spændingsnedgang. Mens den lineære strømforsyning konverterer AC til lav spænding i begyndelsen, ensretter og filtrerer SMPS først vekselstrømsnettet og skifter derefter til en højfrekvent AC, før det trappes ned. Da transformatorens vægt og størrelse stiger, når driftsfrekvensen falder, er de lineære strømforsyningers inputtransformator meget tungere og større i modsætning til SMPS. Da spændingsreguleringen desuden sker med varmeafledning gennem modstande, bør lineære strømforsyninger have køleplader, der gør dem endnu tungere. Regulatoren for SMPS'er styrer omskiftningsfrekvensen for at styre udgangsspændingen. Derfor er SMPS mindre i størrelse og lettere i vægt. Da varmeproduktionen i SMPS er lavere, er deres effektivitet også højere.
Download PDF-version af SMPS vs lineær strømforsyning
Du kan downloade PDF-versionen af denne artikel og bruge den til offline-formål i henhold til citatnoter. Download venligst PDF-version her. Forskellen mellem SMPS og lineær strømforsyning.
