คู่มือฉบับสมบูรณ์ในการเปลี่ยนแหล่งจ่ายไฟสำหรับผู้ค้าปลีก

เนื่องจากความต้องการอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีประสิทธิภาพและกะทัดรัดเพิ่มมากขึ้น แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งจึงพัฒนาอย่างรวดเร็ว บทความนี้จะเจาะลึกถึงความก้าวหน้าที่สำคัญ การใช้งาน และผลกระทบต่อตลาดของเทคโนโลยีนี้ พร้อมทั้งเคล็ดลับสำคัญในการเลือกแหล่งจ่ายไฟที่เหมาะสมโดยพิจารณาจากพารามิเตอร์ที่สำคัญ เช่น ประสิทธิภาพและแรงดันไฟขาออก

สารบัญ
บทนำเกี่ยวกับแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง
ขนาดตลาดและจุดเติบโต
หมวดหมู่และพารามิเตอร์ทั่วไปที่ควรทราบ
การพัฒนาล่าสุด
สรุป

บทนำเกี่ยวกับแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง

ก่อนที่โทรศัพท์มือถือจะถือกำเนิดขึ้น การปฏิวัติจากแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นไปจนถึงแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งได้เกิดขึ้นแล้วในการพัฒนาคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล หลายคนเข้าใจคอมพิวเตอร์ (พีซี) เป็นอย่างดี และทราบถึงรุ่นโปรเซสเซอร์และขนาดหน่วยความจำ แต่บางคนอาจไม่รู้อะไรเลยเกี่ยวกับแหล่งจ่ายไฟของคอมพิวเตอร์ พีซีรุ่นแรกๆ ใช้แหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น

ในเวลาเพียงไม่กี่ทศวรรษ เทคโนโลยีแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งได้เปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก และความก้าวหน้าครั้งยิ่งใหญ่ของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ก็อยู่เบื้องหลัง เทคโนโลยีพลังงานสมัยใหม่กำลังพัฒนาไปในทิศทางดังต่อไปนี้:

• บ่น
• miniaturization
• modularization
• Intelligence
• การสร้างโมดูลและปัญญาประดิษฐ์
• ดิจิทัลไลเซชั่นและการกระจายความเสี่ยง

ด้วยลักษณะเฉพาะของการใช้พลังงานต่ำ มลพิษต่ำ กระแสไฟต่ำ ประสิทธิภาพสูง และการผสานรวมสูงที่ค่อยๆ กลายเป็นกระแสหลัก เทคโนโลยีพลังงานยังขึ้นอยู่กับการพัฒนาส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์และวงจรรวม แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งใหม่ผสานรวมหลอดสวิตช์ไฟและโมดูลป้องกันเอาต์พุตต่างๆ เพื่อลดปริมาณลงอีก

ขนาดตลาดและจุดเติบโต

ตามที่ สถิติการสำรวจเฮงโจวเฉิงซีขนาดของตลาดแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งทั่วโลกในปี 2022 อยู่ที่ประมาณ 29.56 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ คาดว่าในอนาคตตลาดจะเติบโตอย่างต่อเนื่องและขนาดตลาดจะใกล้เคียงกับ 46.72 พันล้านดอลลาร์สหรัฐภายในปี 2032 โดยมีอัตราการเติบโตต่อปีแบบทบต้น (CAGR) ที่ 4.7% ในช่วงคาดการณ์

ผู้ผลิตแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งหลักระดับโลก ได้แก่ DELTA, Lite-On Technology, Salcomp, Cosel เป็นต้น ผู้ผลิตสามอันดับแรกของโลกครองส่วนแบ่งการตลาดเกือบ 20% ตลาดแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งระดับโลกมีการเติบโตอย่างต่อเนื่องในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

การเติบโตนี้ส่วนใหญ่มาจากความต้องการการย่อส่วน ประสิทธิภาพ และความอัจฉริยะของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และการพัฒนาอย่างรวดเร็วของพื้นที่เกิดใหม่ เช่น ระบบพลังงานหมุนเวียนและยานยนต์ไฟฟ้า

คาดว่าตลาดแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งจะขยายตัวต่อไปในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า โดยอาศัยเทคโนโลยีต่างๆ เช่น อินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง การสื่อสาร 5G และปัญญาประดิษฐ์ แพร่หลายมากขึ้น

หมวดหมู่และพารามิเตอร์ทั่วไปที่ควรทราบ

หากต้องการทำความเข้าใจแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งอย่างถ่องแท้ คุณต้องเริ่มต้นด้วยการตรวจสอบพารามิเตอร์ทางไฟฟ้า ข้อจำกัดในการใช้งาน และตัวบ่งชี้ที่เกี่ยวข้อง เพื่อวิเคราะห์และทำความเข้าใจภาพรวมทั้งหมด วิธีนี้จะช่วยให้การสนับสนุนที่แม่นยำและเป็นมืออาชีพสำหรับความต้องการใช้งานหรือการจัดซื้อของเรา นี่คือตัวอย่างที่จะช่วยให้เราเข้าใจได้ดีขึ้น:

พารามิเตอร์ไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง

ช่วงแรงดันไฟฟ้าเข้า

แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งจะยอมรับค่าต่ำสุดและสูงสุดของแรงดันไฟฟ้าขาเข้า โดยปกติแล้วช่วงดังกล่าวจะขึ้นอยู่กับการออกแบบแหล่งจ่ายไฟและสภาพแวดล้อมการใช้งาน สำหรับไฟฟ้ากระแสสลับ แรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะอยู่ระหว่าง 85-264V

แรงดันขาออก

แรงดันไฟฟ้าจะถูกจ่ายโดยแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งไปยังโหลด ตรงตามความต้องการโหลด (12v)

กระแสไฟขาออก

ค่ากระแสไฟฟ้าที่จ่ายโดยแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งไปยังโหลดในระหว่างการทำงานปกติ (20A)

ประสิทธิภาพการแปลง

ประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานจากแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งเป็นพลังงานจากแหล่งจ่ายไฟแบบเอาท์พุต ยิ่งประสิทธิภาพการแปลงสูงขึ้น การสูญเสียพลังงานก็จะยิ่งน้อยลง และความร้อนที่จ่ายออกจากแหล่งจ่ายไฟก็จะยิ่งน้อยลง (> 85%)

เวลา

อัตราการแปลงแรงดันไฟฟ้าขาเข้าเป็นแรงดันไฟฟ้าขาออกของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง โดยปกติเป็นกิโลเฮิรตซ์ (kHz) ยิ่งความถี่สูงขึ้น การสูญเสียการสวิตชิ่งก็จะยิ่งน้อยลง แต่ความยากในการออกแบบและต้นทุนของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน (60K – 90KHZ)

คลื่นและเสียงรบกวน

ความผันผวนเล็กน้อยที่ไม่พึงประสงค์ (ริ้วคลื่น) และสัญญาณรบกวนความถี่สูงในแรงดันไฟฟ้าขาออก สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความแม่นยำ เนื่องจากอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์ (<80MV)

วิธีการระบายความร้อน: อากาศเย็น

ฟังก์ชันการป้องกัน

ประกอบไปด้วยการป้องกันกระแสเกิน (OCP), การป้องกันแรงดันไฟเกิน (OVP), การป้องกันอุณหภูมิเกิน (OTP) และการป้องกันไฟฟ้าลัดวงจร (SCP) เพื่อป้องกันอุปกรณ์ไฟฟ้าและโหลดไม่ให้เกิดความเสียหาย

พารามิเตอร์ขีดจำกัดการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง

กำลังรับน้ำหนัก

กำลังไฟฟ้าหรือกระแสไฟสูงสุดของโหลดที่แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งสามารถรองรับได้ หากเกินขีดจำกัดนี้ อาจทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไปหรือทำให้แหล่งจ่ายไฟเสียหายได้

การรับรองความปลอดภัย

แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งจะต้องเป็นไปตามมาตรฐานความปลอดภัยและการรับรอง เช่น UL, CE, RoHS เป็นต้น การรับรองเหล่านี้ช่วยให้มั่นใจได้ถึงความปลอดภัยและการปกป้องสิ่งแวดล้อมของแหล่งจ่ายไฟ

นอกจากนี้ ยังมีพารามิเตอร์มากมายที่ประกอบกันเป็นประเภทแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งจำนวนมาก ซึ่งรวมถึง:

จำแนกตามหลักการทำงาน

แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งมอดูเลชั่นความกว้างพัลส์ (PWM): แรงดันขาออกจะถูกควบคุมโดยการปรับเวลาเปิด (ความกว้างของพัลส์) ขององค์ประกอบการสลับ

แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งการมอดูเลตความถี่พัลส์ (PFM): แรงดันไฟฟ้าขาออกจะถูกควบคุมโดยการปรับความถี่ขององค์ประกอบการสลับ

แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งไฮบริด: ผสมผสานคุณลักษณะของเทคโนโลยีทั้ง PWM และ PFM

แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งเรโซแนนซ์: การใช้วงจรเรโซแนนซ์เพื่อให้เกิดการสลับ โดยปกติส่วนประกอบการสลับจะทำงานภายใต้สภาวะแรงดันไฟเป็นศูนย์หรือกระแสเป็นศูนย์

การจำแนกประเภทตามโทโพโลยี

ตัวแปลงไปข้างหน้า: แรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะถูกแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้าขาออกโดยตรง ซึ่งมักใช้สำหรับการแปลงแบบบัค

เครื่องแปลงกลับ: แรงดันไฟฟ้าขาเข้าต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าขาออก และมักใช้สำหรับการแปลง Boost

ตัวแปลง Push-Pull: ใช้ชิ้นส่วนสวิตชิ่ง 2 ตัวเพื่อทำงานสลับกัน เพิ่มประสิทธิภาพและกำลังเอาต์พุต

ตัวแปลงฟูลบริดจ์: ใช้องค์ประกอบการสลับสี่ตัวสำหรับแอปพลิเคชั่นกำลังไฟสูง

ตัวแปลงฮาล์ฟบริดจ์: ใช้องค์ประกอบการสลับสองตัวสำหรับการใช้งานพลังงานปานกลาง

ตัวแปลงหลอดเดี่ยว: ใช้องค์ประกอบการสลับตัวเดียวสำหรับแอปพลิเคชั่นพลังงานต่ำ

จำแนกตามสาขาการสมัคร

แหล่งจ่ายไฟสลับอุตสาหกรรม: เหมาะสำหรับงานระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรม, อุปกรณ์สื่อสาร ฯลฯ ที่ต้องการความน่าเชื่อถือและเสถียรภาพสูง

แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งเกรดเชิงพาณิชย์: เหมาะสำหรับอาคารพาณิชย์ อุปกรณ์สำนักงาน ฯลฯ ที่ต้องการประสิทธิภาพที่ดีกว่าและใช้งานง่ายกว่า

แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งสำหรับผู้บริโภค: เหมาะสำหรับเครื่องใช้ในครัวเรือน, คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล ฯลฯ ที่ต้องการขนาดเล็กและต้นทุนต่ำ

แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งเกรดทางการแพทย์: เหมาะสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ ที่ต้องรองรับความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าและมาตรฐานความปลอดภัยที่เข้มงวด

การจำแนกประเภทอื่น ๆ ของแหล่งจ่ายไฟ

แหล่งจ่ายไฟสื่อสาร: แหล่งจ่ายไฟชนิดแปลง DC/DC ใช้ในระบบสื่อสาร

แหล่งจ่ายไฟพิเศษ: แหล่งจ่ายไฟฟ้าแรงดันสูงและกระแสต่ำ, แหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสูง, แหล่งจ่ายไฟ AC/DC อินพุต 400Hz ฯลฯ

การพัฒนาล่าสุด

ปัจจุบันความถี่ในการสลับสัญญาณได้ไปถึงระดับ MHz แล้ว นับตั้งแต่ที่ความถี่ในการสลับสัญญาณทะลุขีดจำกัด 20 kHz ในปี 1970 ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีได้ผลักดันให้ความถี่ในการสลับสัญญาณเพิ่มขึ้นเป็นช่วง 500 kHz ถึง 1 MHz เทคโนโลยีการสลับสัญญาณแบบซอฟต์ ซึ่งในทางทฤษฎีจะลดการสูญเสียในการสลับสัญญาณลงเหลือศูนย์ ได้รับการพัฒนาและนำไปใช้งานอย่างมากมาย

การออกแบบวงจรหลัก ได้แก่ วงจรกึ่งเรโซแนนซ์ วงจร PWM แบบสวิตช์ศูนย์ และวงจร PWM แบบแปลงศูนย์ เทคโนโลยีที่โดดเด่นที่พัฒนาแล้ว ได้แก่ วงจร ZVS แบบแคลมป์แอ็คทีฟ และวงจร ZVS แบบซอฟท์สวิตชิฟเฟสฟูลบริดจ์ ซึ่งทั้งสองวงจรสามารถให้ประสิทธิภาพมากกว่า 90%

การเกิดขึ้นของเทคโนโลยีการสลับไม่ได้ทำให้การสลับแบบฮาร์ดลดน้อยลง แต่การนำทั้งสองเทคโนโลยีมารวมกันกลับทำให้เทคโนโลยีนี้กลับมามีชีวิตชีวาอีกครั้ง เทคโนโลยี Zero Current Transition (ZCT) และ Zero Voltage Transition (ZVT) ผสานการสูญเสียการสลับที่ต่ำ ความถี่สูง และประโยชน์ด้านการประหยัดพลังงานของการสลับแบบซอฟต์เข้ากับข้อดีด้านการกรองและการจัดการกระแสไฟฟ้าของการสลับแบบฮาร์ด

เทคโนโลยีการแก้ไขแบบซิงโครนัสยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งได้อย่างมาก

การใช้ MOSFET ความต้านทานต่ำ (น้อยกว่า 3 mΩ) แทนไดโอดในการแก้ไขสัญญาณ ตัวควบคุมจะซิงโครไนซ์สัญญาณไดรฟ์เกตกับแรงดันไฟฟ้าที่แก้ไขแล้ว ช่วยลดการสูญเสียจากการแก้ไขสัญญาณ วิธีนี้มีประสิทธิผลโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับตัวแปลงไฟฟ้าแรงดันต่ำ กระแสสูง

เทคโนโลยีดิจิทัลช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์โดยอำนวยความสะดวกในการโต้ตอบระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักรผ่านอินเทอร์เฟซ เช่น แป้นพิมพ์ภายนอกและจอแสดงผลคริสตัลเหลว เทคโนโลยีดิจิทัลช่วยให้สามารถสื่อสารข้อมูลกับคอมพิวเตอร์โฮสต์ผ่าน RS485, RS232, CAN bus และอินเทอร์เฟซอื่นๆ ทำให้สามารถส่งข้อมูลทางไกลและควบคุมจากระยะไกลได้ นอกจากนี้ แหล่งจ่ายไฟดิจิทัลยังรองรับการบำรุงรักษาออนไลน์ การทดสอบตัวเอง และการอัปเกรดผ่านอินเทอร์เฟซเครือข่าย ซึ่งช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือและอายุการใช้งานได้อย่างมาก

การสร้างโมดูลในวงจรและระบบจ่ายไฟช่วยเพิ่มคุณภาพโดยให้ผู้ออกแบบสามารถใช้โมดูลฟังก์ชันต่างๆ ได้อย่างยืดหยุ่น ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิต ลดต้นทุนและขนาด และเพิ่มความน่าเชื่อถือ

ผู้ผลิตได้รวมฟังก์ชันการควบคุมต่างๆ เช่น PFC, ZVS, ZCS, PWM, การแบ่งปันกระแสแบบขนาน และการควบคุมฟูลบริดจ์แบบเปลี่ยนเฟสไว้ในชิปเฉพาะทาง โดยการรวมอุปกรณ์สวิตช์ไฟ การควบคุม ไดรฟ์ การป้องกัน การตรวจจับ และวงจรอื่นๆ ไว้ในโมดูลเดียว ผู้คนสามารถรวมฟังก์ชันการควบคุม อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้า และส่งข้อมูลได้

สรุป

โดยสรุปแล้วแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งถือเป็นส่วนสำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ โดยมีบทบาทและข้อดีที่สำคัญ ในอนาคตของการพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งจะได้รับการพัฒนาและปรับปรุงอย่างต่อเนื่องเพื่อตอบสนองความต้องการของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในด้านประสิทธิภาพสูง ประสิทธิภาพการทำงานสูง ความเสถียรสูง และความน่าเชื่อถือ