Khi lựa chọn bộ điều chỉnh chuyển mạch, hiệu suất là tiêu chí quan trọng nhất. Các thiết bị nhỏ gọn hiện đại phải đạt được khả năng cung cấp điện đáng tin cậy trong một diện tích nhỏ. Khả năng tạo ra điện áp ổn định trong khi cung cấp dòng điện đáng kể là yêu cầu cơ bản trong thiết kế linh kiện điện tử. Bộ điều chỉnh chuyển mạch là thiết bị cần thiết để tạo ra điện áp cung cấp ổn định và tăng hoặc giảm điện áp. Bộ điều chỉnh chuyển mạch được biết đến với nhiều tên gọi khác nhau: bộ chuyển đổi hoặc công tắc, nguồn điện chế độ chuyển mạch (SMPS) và bộ điều chỉnh hoặc bộ chuyển đổi DC/DC. Sự phổ biến của chúng tiếp tục tăng do những ưu điểm như đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất chuyển đổi công suất cao, tính linh hoạt trong việc tạo ra đầu ra ổn định từ một nguồn điện áp đầu vào duy nhất và khả năng thích ứng với các cấu hình nhiều đầu ra với các cực khác nhau. Các loại bộ chuyển đổi chuyển mạch phổ biến nhất bao gồm:

Loại tăng cường:Tăng điện áp đầu vào và cung cấp điện áp đầu ra được điều chỉnh.

Loại Buck:Giảm điện áp đầu vào và cung cấp điện áp đầu ra được điều chỉnh.

Buck của tăng:Tăng hoặc giảm điện áp đầu vào, có thể chọn cực âm.

Loại Flyback:Biến thể buck-boost cung cấp khả năng cách điện.

Bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính có thể điều chỉnh và điện áp không đổi

Trong nhiều năm, thiết kế nguồn điện đã dựa vào bộ điều chỉnh tuyến tính. Bộ điều chỉnh tuyến tính có khả năng cung cấp điện áp đầu ra liên tục, cố định. Ngoài ra, các bộ điều chỉnh tuyến tính khác (ví dụ: LM317) cung cấp khả năng điều chỉnh. Các loại bộ điều chỉnh điện áp đầu ra tuyến tính và không đổi phổ biến bao gồm dòng 78xx (đầu ra dương) và dòng 79xx (đầu ra âm). Các bộ điều chỉnh này cung cấp đầu ra ổn định trong phạm vi từ 5 V đến 24 V. Bộ điều chỉnh tuyến tính không phải là nguồn điện chế độ chuyển mạch. Ưu điểm của chúng bao gồm tính đơn giản, chi phí thấp, tiếng ồn thấp và gợn sóng thấp. Tuy nhiên, công suất đầu ra của chúng thường dưới 10 W và hiệu suất của chúng thường thấp, dẫn đến tỏa nhiệt. Bộ điều chỉnh tuyến tính chỉ có thể thực hiện điều chỉnh giảm áp, trong khi SMPS có thể sử dụng các cấu trúc buck, boost hoặc buck-boost để tăng điện áp lên, xuống hoặc đảo ngược cực tính.

Hệ thống cung cấp điện chế độ chuyển mạch

Hầu hết các tivi, máy tính cá nhân, trình điều khiển động cơ DC và bộ khuếch đại công suất hiện đại đều yêu cầu các thiết bị SMPS tiên tiến, hiệu suất cao. Các thiết bị này sử dụng công nghệ chuyển mạch bán dẫn thay vì các phương pháp tuyến tính thông thường để cung cấp điện áp đầu ra. Một bộ chuyển mạch cơ bản bao gồm một tầng chuyển mạch nguồn và một mạch điều khiển. SMPS cung cấp mức tiêu thụ điện năng thấp hơn và hiệu suất cao hơn bằng cách vận hành các bóng bán dẫn bên trong (hoặc MOSFET công suất) ở trạng thái bão hòa "BẬT" và trạng thái ngắt "TẮT".

Bộ điều chỉnh chuyển mạch Buck

Dòng LM2596x từ SLKOR Semiconductor cung cấp bộ chuyển đổi buck DC/DC hiệu suất cao, giúp chúng trở thành giải pháp nhỏ gọn cho các ứng dụng yêu cầu chuyển đổi năng lượng hiệu quả, chẳng hạn như thiết kế ô tô và công nghiệp. LM2596x tích hợp bộ dao động tần số cố định và mô-đun bù tần số.

Thiết kế đơn giản của nó đòi hỏi ít thành phần bên ngoài. Chip cũng có tính năng tích hợp với trễ, bảo vệ quá nhiệt, bảo vệ quá dòng và bảo vệ quá dòng thứ cấp. Trong các sự kiện quá dòng thứ cấp, chip giảm tần số hoạt động từ 150 kHz xuống 50 kHz. Một ví dụ là bộ điều chỉnh chuyển mạch buck LM2596S-ADJ (Hình 1).

Hình 1: LM2596S-ADJ Bộ điều chỉnh chuyển mạch buck cung cấp điện áp đầu ra ổn định. (Nguồn hình ảnh: SLKOR Chất bán dẫn)

Bộ điều chỉnh chuyển mạch buck LM2596SX-12 (Hình 2) là bộ chuyển đổi DC/DC PWM tần số cố định 150 kHz. Nó cung cấp khả năng truyền dòng điện đầu ra 3A với hiệu suất cao, gợn sóng thấp và điều chỉnh dòng/tải tuyệt vời. Sử dụng điều chế PWM, chip hỗ trợ phạm vi chu kỳ nhiệm vụ tuyến tính từ 0–100%.

Thiết bị này không chỉ cung cấp phản ứng thoáng qua tuyệt vời mà còn chiếm diện tích PCB tối thiểu. Gói nhỏ gọn và mật độ công suất cao làm cho nó lý tưởng cho màn hình LCD, TV, khung ảnh kỹ thuật số, hộp giải mã, modem, thiết bị viễn thông và thiết bị mạng.

Hình 2: LM2596SX-12 Bộ điều chỉnh chuyển mạch buck đáp ứng các yêu cầu về điện áp thấp. (Nguồn hình ảnh: SLKOR Chất bán dẫn)

Bộ điều chỉnh chuyển mạch tăng cường

SL2733 là bộ chuyển đổi tăng áp DC/DC được thiết kế để cung cấp dòng điện không đổi chính xác để điều khiển nhiều đèn LED. Với tần số chuyển mạch cố định 1 MHz, SL2733 có thể được ghép nối với tụ điện gốm và cuộn cảm nhỏ bên ngoài. Dòng điện đầu ra có thể điều chỉnh thông qua điện trở bên ngoài (R1), cho phép thiết bị điều khiển nhiều đèn LED nối tiếp. SL2733 phù hợp để điều khiển các đèn LED giống hệt nhau, hỗ trợ tối đa chín đèn LED trắng nối tiếp hoặc điện áp điều khiển tối đa là 32 V. Độ sáng của đèn LED có thể được điều chỉnh bằng điện áp DC, tín hiệu logic hoặc tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM). Chân tắt (SHDW) cho phép thiết bị hoạt động ở chế độ tắt nguồn dòng điện tĩnh thấp. Ngoài chức năng bảo vệ nhiệt và giới hạn dòng điện quá tải, chip sẽ chuyển sang chế độ công suất cực thấp trong trường hợp lỗi mạch hở của đèn LED. Chip được đặt trong một gói SOT23-5 nhỏ gọn.

Nhỏ hơn là tốt hơn

Sử dụng SL2188 Giảm số lượng linh kiện bên ngoài. Thiết bị này hỗ trợ các linh kiện bên ngoài nhỏ gọn, đồng thời tính năng khởi động mềm giúp giảm thiểu dòng điện khởi động. Thiết bị xử lý nhiều loại tải dòng điện và tích hợp MOSFET công suất có khả năng hỗ trợ dòng điện chuyển mạch đỉnh trên 1 A, với điện áp đầu ra lên đến 3.6 V. Thiết kế linh hoạt, công suất cao và nhỏ gọn này lý tưởng cho các sản phẩm pin lithium một cell, bao gồm hệ thống pin kiềm hai và ba cell, NiMH hoặc NiCd. Tăng cường bộ chuyển đổi như SL2188 lý tưởng cho các thiết bị ngoại vi không dây, phụ kiện chơi game, thiết bị y tế cá nhân và máy nghe nhạc phương tiện di động. Những tiến bộ công nghệ nhanh chóng tiếp tục thúc đẩy các yếu tố hình thức nhỏ hơn. So với SOP-J8, SL23 đóng gói SOT2188 làm giảm đáng kể diện tích PCB cần thiết.

Hình 3: Khi thiết kế linh kiện thu nhỏ lại, các gói thu nhỏ (ví dụ: SOT23) trở nên cần thiết. (Nguồn hình ảnh: SLKOR Chất bán dẫn)

Tối đa hóa hiệu quả trong khi giảm mức tiêu thụ điện năng

Nhu cầu thu nhỏ vẫn là động lực thúc đẩy, cùng với nhu cầu duy trì độ tin cậy và hiệu quả năng lượng. Bộ điều chỉnh chuyển mạch buck SY8120B (Hình 4) cung cấp thiết kế nhỏ gọn với đầu ra có thể điều chỉnh và cung cấp năng lượng đáng tin cậy.

Hình 4: SY8120B là bộ điều chỉnh chuyển mạch buck cung cấp điện đáng tin cậy trong thiết kế nhỏ gọn hơn. (Nguồn hình ảnh: SLKOR Chất bán dẫn)

Một số người có thể cho rằng việc thu nhỏ sẽ làm giảm khả năng chịu tải hoặc khả năng cung cấp điện đáng tin cậy, nhưng thực tế không phải vậy. SY8120B đạt được hiệu suất chuyển đổi cao trong khi giảm mức tiêu thụ điện năng (Hình 5). Bằng cách cung cấp dòng điện chờ thấp, các thiết bị chạy bằng pin giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng ở trạng thái nhàn rỗi. Ngoài ra, điều khiển bật liên tục cho phép hoạt động tải nhẹ hiệu quả.

 
Hình 5: Các nhà thiết kế tìm kiếm bộ chuyển đổi buck DC/DC hiệu suất cao có thể cung cấp điện một cách đáng tin cậy. (Nguồn hình ảnh: SLKOR Chất bán dẫn)

Bộ chuyển đổi Flyback cho các ứng dụng AC/DC và DC/DC

Bộ chuyển đổi flyback là một cấu trúc buck-boost kết hợp với một máy biến áp flyback. Nó phù hợp cho cả chuyển đổi AC/DC và DC/DC, cung cấp khả năng cách ly điện giữa đầu vào và đầu ra. Nó cũng cung cấp các lợi ích về nhân tỷ số điện áp và cách ly. Bộ chuyển đổi nguồn điện cách ly sử dụng hai sơ đồ điều khiển: điều khiển chế độ điện áp và điều khiển chế độ dòng điện. Để hoạt động ổn định, điều khiển chế độ dòng điện thường được ưu tiên.

Bộ chuyển đổi DC/DC Buck-Boost

Bộ chuyển đổi buck-boost là bộ chuyển đổi DC/DC cổ điển có biên độ điện áp đầu ra có thể cao hơn hoặc thấp hơn điện áp đầu vào. Nó cũng có thể tạo ra điện áp âm. Tương tự như bộ chuyển đổi flyback, nó sử dụng một cuộn cảm duy nhất thay vì một máy biến áp. Cụ thể, bộ chuyển đổi buck-boost bao gồm hai cấu trúc riêng biệt có khả năng tạo ra điện áp đầu ra từ trên điện áp đầu vào xuống đến bằng không. Nguồn điện DC/DC, đôi khi được gọi là "chopper", bao gồm một mạch buck-boost hoạt động như một bộ chuyển đổi boost hoặc buck tùy thuộc vào chu kỳ nhiệm vụ.

Kết luận

Chuyển đổi năng lượng hiệu suất cao trong các thiết kế ô tô và công nghiệp hiện đại dựa vào bộ điều chỉnh chuyển mạch. Khi các thiết kế ngày càng nhỏ gọn, nhu cầu về các thiết bị đa năng, hiệu suất cao có khả năng duy trì mức công suất ổn định chưa bao giờ lớn đến thế. Mặc dù bộ điều chỉnh chuyển mạch có thể được gọi bằng nhiều tên khác nhau—SMPS, bộ điều chỉnh chuyển mạch DC/DC, bộ chuyển đổi hoặc bộ điều chỉnh—SLKOR cung cấp nhiều giải pháp nhỏ gọn cho các ứng dụng đòi hỏi chuyển đổi năng lượng hiệu quả.

Bộ điều chỉnh chuyển mạch có giá trị đáng kể trong thiết kế hệ thống điện tử, cung cấp khả năng chuyển đổi năng lượng ổn định, hiệu quả với tính năng thu nhỏ và đa chức năng. Chúng được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Thông qua bài viết này, chúng ta đã hiểu sâu hơn về các khái niệm cơ bản và các loại bộ điều chỉnh chuyển mạch, sự khác biệt giữa bộ điều chỉnh tuyến tính và SMPS, và SLKORCác sản phẩm bộ điều chỉnh chuyển mạch hiệu suất cao và ứng dụng của chúng. 

Bạn có kinh nghiệm hoặc thắc mắc gì về thiết kế và ứng dụng bộ điều chỉnh chuyển mạch không? Hãy chia sẻ suy nghĩ của bạn trong phần bình luận nhé!