Come funziona un alimentatore switching (SMPS)?

Stai cercando un alimentatore in grado di convertire l'energia da AC o DC a uno o più livelli DC? Allora hai bisogno di un alimentatore a commutazione. Ecco come funzionano.   Comunemente conosciuti come "switcher", questi dispositivi accendono e spengono le loro fonti di alimentazione molte volte al secondo. Questa commutazione genera una frequenza di ingresso efficace che spesso raggiunge la gamma dei megahertz.

Lo "switch" in un alimentatore switching è in realtà un semiconduttore – un MOSFET che è o spento o acceso – portato nella sua zona di saturazione per trasferire energia con una resistenza quasi pari a zero. Questo processo avviene migliaia di volte al secondo, creando l'intermediario AC ad alta frequenza. Poiché il semiconduttore è stato portato in saturazione, presenta virtualmente nessuna resistenza, il che si traduce in un'elevata efficienza e in una generazione di calore molto ridotta. Un alimentatore lineare, al contrario, prende il nome dal fatto che i suoi raddrizzatori operano nella zona lineare. Questo significa che, quando conducono energia, lo fanno attraverso una resistenza, con tutta l'energia sprecata e la generazione di calore intrinseca al processo.   Qualunque sia la frequenza con cui il semiconduttore si accende e si spegne, il tempo tra l'inizio di ciascuno degli impulsi "on" è definito come periodo di commutazione. Il tempo in cui è acceso, come frazione di un periodo di commutazione, è chiamato ciclo di lavoro (duty cycle). Variando il ciclo di lavoro, si controlla la tensione di uscita. Cambiare il ciclo di lavoro "on the fly" mantiene la tensione nel valore desiderato. 

Alta efficienza – Generano molto meno calore. Le unità a bassa potenza spesso non richiedono uno scudo termico, il che significa che possono essere montate direttamente su PCB.   Fattore di forma compatto – Poiché i convertitori operano a una frequenza più alta, il valore e quindi la dimensione dei loro condensatori e induttori di filtraggio associati saranno inferiori e l'unità complessiva occuperà meno spazio.   Design versatile – I convertitori possono essere progettati per aumentare la tensione (Boost) o ridurre la tensione (Buck) come richiesto dall'applicazione.

Terminologia   I convertitori vengono spesso descritti in termini di full brick, half brick e quarter brick. Un full brick ha dimensioni in pollici di 4.6 x 2.4 x 0.5, un half brick di 2.3 x 2.4 x 0.35 e un quarter brick misura 2.3 x 1.45 x 0.35. Queste definizioni sono ampiamente accettate, ma non uniformemente rispettate. La specifica include anche il pin-out, quindi quando si utilizzano convertitori conformi allo standard, è molto facile sostituire un prodotto nel caso in cui il progettista ne abbia necessità o lo scelga. Gli alimentatori quarter brick di modelli più recenti possono fornire 250 watt e oltre di energia elettrica. Questo rappresenta un grande miglioramento rispetto alla quantità di spazio precedentemente necessaria per l'alimentazione, liberando spazio per includere ulteriori funzionalità nel prodotto progettato.   Costruzione   Le equazioni che descrivono la fisica dei convertitori sono ingannevolmente semplici. Le realtà pratiche del lavoro con ampere, rispetto ai microampere con cui la maggior parte degli ingegneri elettrici solitamente si confrontano, possono portare a ritardi, costi aggiuntivi e persino fallimenti del prodotto. Il design dei convertitori è sempre meglio lasciato agli specialisti in alimentazione, ed è una situazione in cui quasi sempre è meglio acquistare piuttosto che costruire.   Gli ingegneri hanno due opzioni principali per progettare con alimentatori switching. La prima è un unico alimentatore che genera tutte le tensioni necessarie per il sistema alimentato. La seconda opzione prevede un'unità che interagisce con l'AC esterna, ma con solo un'uscita DC, spesso di 12, 24 o 48 volt. In questo caso, la tensione prodotta dall'alimentatore principale è la più alta di cui si avrà bisogno. Se è necessaria una tensione inferiore in qualsiasi parte del sistema, si può utilizzare un convertitore buck per effettuare la conversione DC-to-DC verso il basso.   I convertitori buck sono estremamente efficienti, con perdite di solo il 5 percento o meno. Vengono anche talvolta descritti come regolatori switching. In modo analogo a tutti i convertitori, il cuore del convertitore buck è un interruttore semiconduttore che alterna la tensione di origine accendendo e spegnendo migliaia di volte al secondo o più.   Grazie ai vantaggi progettuali, gli alimentatori switching mode sono rapidamente diventati lo standard in tutte le applicazioni, eccetto quelle più tecniche e stringenti. I progetti vengono costantemente migliorati in termini di efficienza, dimensioni ridotte e peso più leggero. Cerchi ulteriori suggerimenti sugli alimentatori? Approfondisci con la nostra analisi sui tipi di convertitori DC-to-DC switching.