Ключевая разница - SMPS против линейного источника питания
Большинству электронных и электрических устройств для работы требуется постоянное напряжение. Эти устройства, особенно электронные устройства с интегральными схемами, должны быть снабжены надежным постоянным напряжением без искажений, чтобы они работали без сбоев или возгорания. Блок питания постоянного тока предназначен для подачи чистого постоянного напряжения на эти устройства. Источники питания постоянного тока подразделяются на линейные и импульсные, которые представляют собой топологии, используемые для преобразования сетевого питания переменного тока в плавный постоянный ток. В линейном источнике питания используется трансформатор для прямого понижения сетевого напряжения переменного тока до желаемого уровня, в то время как SMPS преобразует переменный ток в постоянный с помощью переключающего устройства, которое помогает получить среднее значение желаемого уровня напряжения. В этом ключевое отличие SMPS от линейного источника питания.
Что такое линейный источник питания?
В линейном источнике питания сетевое переменное напряжение преобразуется в более низкое напряжение непосредственно с помощью понижающего трансформатора. Этот трансформатор должен выдерживать большую мощность, так как он работает при частоте сети переменного тока 50/60 Гц. Поэтому этот трансформатор громоздкий и большой, что делает блок питания тяжелым и большим.
Пониженное напряжение затем выпрямляется и фильтруется, чтобы получить постоянное напряжение, необходимое для выхода. Поскольку напряжение на этом уровне подвержено изменению в зависимости от искажений входного напряжения, регулировка напряжения выполняется перед выходом. Регулятор напряжения в линейном блоке питания представляет собой линейный регулятор, который обычно представляет собой полупроводниковый прибор, работающий как переменный резистор. Значение выходного сопротивления изменяется в зависимости от требуемой выходной мощности, что делает выходное напряжение постоянным. Таким образом, регулятор напряжения работает как рассеивающее устройство. Большую часть времени он рассеивает избыточную мощность, чтобы поддерживать постоянное напряжение. Поэтому регулятор напряжения должен иметь большие радиаторы. В результате линейные блоки питания становятся значительно тяжелее. Кроме того, в результате рассеивания мощности стабилизатором напряжения в виде тепла КПД линейного источника питания падает примерно на 60%.
Однако линейные источники питания не создают электрических помех на выходном напряжении. Он обеспечивает изоляцию между выходом и входом благодаря трансформатору. Поэтому линейные источники питания используются для высокочастотных приложений, таких как радиочастотные устройства, аудиоприложения, лабораторные испытания, требующие бесшумного питания, обработки сигналов и усилителей.
Рисунок 01: Блок питания с линейным стабилизатором напряжения
Что такое SMPS?
ИИП (импульсный источник питания) работает на переключающем транзисторном устройстве. Сначала входное переменное напряжение преобразуется выпрямителем в постоянное напряжение без снижения напряжения, в отличие от линейного источника питания. Затем постоянное напряжение подвергается высокочастотному переключению, обычно с помощью MOSFET-транзистора. То есть напряжение через MOSFET включается и выключается сигналом MOSFET Gate, обычно сигналом с широтно-импульсной модуляцией около 50 кГц (блок прерывателя/инвертора). После этой операции прерывания форма сигнала становится пульсирующим сигналом постоянного тока. После этого используется понижающий трансформатор для снижения напряжения высокочастотного пульсирующего сигнала постоянного тока до нужного уровня. Наконец, выходной выпрямитель и фильтр используются для компенсации выходного постоянного напряжения.
Рисунок 02: Блок-схема импульсного источника питания
Регулировка напряжения в SMPS осуществляется через цепь обратной связи, которая контролирует выходное напряжение. Если потребляемая мощность нагрузки высока, выходное напряжение имеет тенденцию к увеличению. Это приращение определяется цепью обратной связи регулятора и используется для управления отношением включения/выключения ШИМ-сигнала. Таким образом, изменяется среднее напряжение сигнала. В результате выходное напряжение поддерживается постоянным.
Понижающий трансформатор, используемый в SMPS, работает на высокой частоте; таким образом, объем и вес трансформатора намного меньше, чем у линейного источника питания. Это становится основной причиной того, что SMPS должен быть намного меньше и легче, чем его аналог линейного типа. Более того, регулирование напряжения осуществляется без рассеивания избыточной мощности в виде омических потерь или тепла. КПД ИИП достигает 85-90%.
В то же время SMPS генерирует высокочастотный шум из-за операции переключения MOSFET. Этот шум может отражаться в выходном напряжении; однако в некоторых продвинутых и дорогих моделях этот выходной шум в некоторой степени снижается. Кроме того, переключение также создает электромагнитные и радиочастотные помехи. Следовательно, в импульсных источниках питания необходимо использовать радиочастотное экранирование и фильтры электромагнитных помех. Следовательно, SMPS не подходят для аудио- и радиочастотных приложений. С импульсными источниками питания можно использовать менее чувствительное к шуму оборудование, такое как зарядные устройства для мобильных телефонов, двигатели постоянного тока, устройства высокой мощности и т. д. Благодаря более легкой и компактной конструкции его также удобно использовать в качестве портативного устройства.
В чем разница между SMPS и линейным источником питания?
SMPS против линейного источника питания |
|
| SMPS напрямую выпрямляет сетевой переменный ток без снижения напряжения. Затем преобразованный постоянный ток переключается на более высокую частоту для меньшего трансформатора, чтобы снизить его до желаемого уровня напряжения. Наконец, высокочастотный сигнал переменного тока выпрямляется до выходного напряжения постоянного тока. | Линейный источник питания снижает напряжение до желаемого значения в начале за счет большего трансформатора. После этого переменный ток выпрямляется и фильтруется, чтобы получить выходное постоянное напряжение. |
| Регулировка напряжения | |
| Регулировка напряжения осуществляется путем управления частотой коммутации. Выходное напряжение контролируется цепью обратной связи, а изменение напряжения используется для управления частотой. | Выпрямленное и отфильтрованное напряжение постоянного тока подвергается выходному сопротивлению делителя напряжения, чтобы получить выходное напряжение. Это сопротивление управляется схемой обратной связи, которая отслеживает изменение выходного напряжения. |
| Эффективность | |
| Выделение тепла в SMPS сравнительно невелико, поскольку переключающий транзистор работает в зонах отсечки и голодания. Небольшие размеры выходного трансформатора также снижают потери тепла. Поэтому КПД выше (85-90%). | Избыточная мощность рассеивается в виде тепла, чтобы сделать напряжение постоянным в линейном источнике питания. Кроме того, входной трансформатор намного громоздче; таким образом, потери трансформатора выше. Поэтому КПД линейного блока питания составляет всего 60%. |
| Build | |
| Размер трансформатора SMPS не обязательно должен быть большим, поскольку он работает на высокой частоте. Поэтому и вес трансформатора тоже будет меньше. В результате размер, а также вес ИИП намного меньше, чем у линейного источника питания. | Линейные источники питания намного громоздче, так как входной трансформатор должен быть большим из-за низкой частоты, на которой он работает. Поскольку в регуляторе напряжения выделяется больше тепла, следует также использовать радиаторы. |
| Шум и искажения напряжения | |
| SMPS генерирует высокочастотный шум из-за переключения. Это переходит в выходное напряжение, а иногда и во входную сеть. Гармонические искажения в питающей сети также возможны в SMPS. | Линейные блоки питания не создают помех в выходном напряжении. Гармонические искажения намного меньше, чем у SMPS. |
| Приложения | |
| SMPS можно использовать в качестве портативных устройств благодаря небольшому размеру. Но поскольку они генерируют высокочастотный шум, SMPS нельзя использовать для чувствительных к шуму приложений, таких как радиочастотные и аудиоприложения. | Линейные блоки питания намного больше и не могут использоваться для портативных устройств. Поскольку они не создают шума и имеют чистое выходное напряжение, они используются для большинства электрических и электронных испытаний в лабораториях. |
Резюме – SMPS против линейного источника питания
SMPS и линейные источники питания - это два типа используемых источников питания постоянного тока. Основное различие между SMPS и линейным источником питания заключается в топологиях, используемых для регулирования и понижения напряжения. В то время как линейный источник питания сначала преобразует переменный ток в низкое напряжение, SMPS сначала выпрямляет и фильтрует сетевой переменный ток, а затем переключается на высокочастотный переменный ток перед понижением. Поскольку вес и размер трансформатора увеличиваются с уменьшением рабочей частоты, входной трансформатор линейных источников питания намного тяжелее и больше, чем в SMPS. Кроме того, поскольку регулирование напряжения осуществляется за счет отвода тепла через сопротивления, линейные источники питания должны иметь радиаторы, которые делают их еще тяжелее. Регулятор SMPS управляет частотой переключения для управления выходным напряжением. Поэтому SMPS меньше по размеру и легче по весу. Поскольку тепловыделение в СМИП ниже, их КПД также выше.
Загрузить PDF-версию SMPS и линейного источника питания
Вы можете загрузить PDF-версию этой статьи и использовать ее в автономном режиме в соответствии с примечаниями к цитированию. Пожалуйста, загрузите PDF-версию здесь. Разница между SMPS и линейным источником питания.
