Khi nhu cầu về thiết bị điện tử nhỏ gọn, hiệu quả ngày càng tăng, nguồn điện chuyển mạch đang phát triển nhanh chóng. Bài viết này đi sâu vào những tiến bộ, ứng dụng và tác động chính của công nghệ này trên thị trường, cùng với các mẹo thiết yếu để lựa chọn nguồn điện phù hợp dựa trên các thông số quan trọng như hiệu suất và điện áp đầu ra.
Mục lục
Giới thiệu về nguồn điện chuyển mạch
Quy mô thị trường và điểm tăng trưởng
Các danh mục và thông số chung đáng chú ý
Diễn biến mới nhất
Kết luận
Giới thiệu về nguồn điện chuyển mạch
Trước khi điện thoại di động ra đời, cuộc cách mạng từ nguồn điện tuyến tính sang nguồn điện chuyển mạch đã diễn ra trong quá trình phát triển máy tính cá nhân. Nhiều người hiểu về máy tính (PC) và biết về mô hình bộ xử lý và kích thước bộ nhớ của nó. Nhưng một số người có thể không biết gì về nguồn điện của nó. Các PCS đầu tiên sử dụng nguồn điện tuyến tính.
Chỉ trong vài thập kỷ, công nghệ cung cấp điện chuyển mạch đã thay đổi hoàn toàn, và sự tiến bộ vượt bậc của các thiết bị bán dẫn đã đứng sau nó. Công nghệ điện hiện đại đang phát triển theo hướng:
- Phủ xanh
- Thu nhỏ
- Mô-đun hóa
- Sự thông minh
- Mô-đun hóa và trí thông minh
- Số hóa và đa dạng hóa
Với đặc điểm tiêu thụ điện năng thấp, ô nhiễm thấp, dòng điện thấp, hiệu suất cao và tích hợp cao dần trở thành xu hướng chủ đạo, công nghệ điện cũng phụ thuộc vào sự phát triển của các linh kiện điện tử và mạch tích hợp. Nguồn điện chuyển mạch mới tích hợp ống chuyển mạch nguồn và các mô-đun bảo vệ đầu ra khác nhau để giảm âm lượng hơn nữa.
Quy mô thị trường và điểm tăng trưởng
Theo Thống kê khảo sát Hengzhou Chengshi, quy mô thị trường cung cấp điện chuyển mạch toàn cầu vào năm 2022 là khoảng 29.56 tỷ đô la. Tương lai dự kiến sẽ duy trì xu hướng tăng trưởng ổn định và quy mô thị trường sẽ đạt gần 46.72 tỷ đô la vào năm 2032, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 4.7% trong giai đoạn dự báo.
Các nhà sản xuất chính của nguồn điện chuyển mạch toàn cầu là DELTA, Lite-On Technology, Salcomp, Cosel, v.v. Ba nhà sản xuất hàng đầu trên thế giới chiếm gần 20% thị phần. Thị trường nguồn điện chuyển mạch toàn cầu đã cho thấy sự tăng trưởng ổn định trong những năm gần đây.
Sự tăng trưởng này chủ yếu là do nhu cầu thu nhỏ, hiệu quả và thông minh của các thiết bị điện tử cũng như sự phát triển nhanh chóng của các lĩnh vực mới nổi như hệ thống năng lượng tái tạo và xe điện.
Thị trường nguồn điện chuyển mạch dự kiến sẽ tiếp tục mở rộng trong vài năm tới với sự phổ biến của các công nghệ như Internet vạn vật, truyền thông 5G và trí tuệ nhân tạo.
Các danh mục và thông số chung đáng chú ý
Để hiểu đầy đủ về nguồn điện chuyển mạch, bạn cần bắt đầu bằng cách kiểm tra các thông số điện, giới hạn ứng dụng và các chỉ số liên quan để phân tích và hiểu toàn cảnh về nó. Cách này cung cấp hỗ trợ chính xác và chuyên nghiệp cho nhu cầu sử dụng hoặc mua sắm của chúng tôi. Sau đây là một ví dụ giúp chúng tôi hiểu rõ hơn:
Thông số điện của nguồn điện chuyển mạch
Dải điện áp đầu vào
Giá trị điện áp đầu vào tối thiểu và tối đa được chấp nhận bởi nguồn điện chuyển mạch. Phạm vi này thường phụ thuộc vào thiết kế nguồn điện và môi trường ứng dụng. Đối với AC, điện áp đầu vào nằm trong khoảng từ 85-264V.
Điện áp đầu ra
Điện áp được cung cấp bởi nguồn điện chuyển mạch cho tải. Phù hợp với nhu cầu của tải (12v).
Sản lượng hiện tại
Giá trị dòng điện được cung cấp bởi nguồn điện chuyển mạch cho tải trong quá trình hoạt động bình thường. (20A).
Hiệu suất chuyển đổi
Hiệu suất mà nguồn điện chuyển mạch chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện đầu vào thành năng lượng từ nguồn điện đầu ra. Hiệu suất chuyển đổi càng cao thì tổn thất năng lượng càng nhỏ và lượng nhiệt tỏa ra của nguồn điện càng thấp (> 85%).
tần số
Tốc độ mà bộ nguồn chuyển mạch chuyển đổi điện áp đầu vào thành điện áp đầu ra, thường tính bằng kilohertz (kHz). Tần số càng cao thì tổn thất chuyển mạch càng nhỏ, nhưng độ khó thiết kế và chi phí của bộ nguồn chuyển mạch cũng sẽ tăng lên (60K – 90KHZ).
Gợn sóng và tiếng ồn
Biến động nhỏ không mong muốn (gợn sóng) và tiếng ồn tần số cao trong điện áp đầu ra. Điều này đặc biệt quan trọng đối với thiết bị điện tử chính xác vì nó có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị (<80MV).
Phương pháp làm mát: máy làm lạnh không khí
Chức năng bảo vệ
Nó bao gồm bảo vệ quá dòng (OCP), bảo vệ quá áp (OVP), bảo vệ quá nhiệt (OTP) và bảo vệ ngắn mạch (SCP) để bảo vệ thiết bị nguồn và tải khỏi bị hư hỏng.
Chuyển đổi các thông số giới hạn ứng dụng liên quan đến nguồn điện
Dung tải
Công suất hoặc dòng điện tối đa của tải mà nguồn điện chuyển mạch có thể hỗ trợ. Vượt quá giới hạn này có thể gây quá nhiệt hoặc hư hỏng nguồn điện.
Chứng nhận an toàn
Nguồn điện chuyển mạch phải tuân thủ các tiêu chuẩn và chứng nhận an toàn như UL, CE, RoHS, v.v. Các chứng nhận này đảm bảo tính an toàn và bảo vệ môi trường của nguồn điện.
Rất nhiều thông số cũng tạo nên số lượng đáng kể các loại nguồn điện chuyển mạch, bao gồm:
Phân loại theo nguyên lý làm việc
Nguồn điện chuyển mạch điều chế độ rộng xung (PWM): Điện áp đầu ra được kiểm soát bằng cách điều chỉnh thời gian bật (độ rộng xung) của phần tử chuyển mạch.
Nguồn điện chuyển mạch điều chế tần số xung (PFM): Điện áp đầu ra được kiểm soát bằng cách điều chỉnh tần số của bộ phận chuyển mạch.
Nguồn điện chuyển mạch lai: Kết hợp các đặc điểm của cả công nghệ PWM và PFM.
Nguồn điện chuyển mạch cộng hưởng: Việc sử dụng mạch cộng hưởng để đạt được hoạt động chuyển mạch, thông thường các thành phần chuyển mạch hoạt động trong điều kiện điện áp bằng không hoặc dòng điện bằng không.
Phân loại theo cấu trúc
Bộ chuyển đổi chuyển tiếp: Điện áp đầu vào được chuyển đổi trực tiếp thành điện áp đầu ra, thường được sử dụng để chuyển đổi Buck.
Bộ chuyển đổi ngược: Điện áp đầu vào thấp hơn điện áp đầu ra và thường được sử dụng để chuyển đổi Boost.
Bộ chuyển đổi đẩy-kéo: Sử dụng hai bộ phận chuyển mạch hoạt động xen kẽ, giúp tăng hiệu suất và công suất đầu ra.
Bộ chuyển đổi Full-Bridge: Sử dụng bốn thành phần chuyển mạch cho các ứng dụng công suất cao.
Bộ chuyển đổi Half-Bridge: Sử dụng hai bộ phận chuyển mạch cho các ứng dụng công suất trung bình.
Bộ chuyển đổi ống đơn: Sử dụng một phần tử chuyển mạch duy nhất cho các ứng dụng công suất thấp.
Phân loại theo lĩnh vực ứng dụng
Nguồn điện chuyển mạch công nghiệp: Thích hợp cho tự động hóa công nghiệp, thiết bị truyền thông, v.v., yêu cầu độ tin cậy và ổn định cao.
Nguồn điện chuyển mạch cấp thương mại: Thích hợp cho các tòa nhà thương mại, thiết bị văn phòng, v.v., yêu cầu hiệu suất tốt hơn và dễ sử dụng.
Nguồn điện chuyển mạch tiêu dùng: Phù hợp với các thiết bị gia dụng, máy tính cá nhân,… yêu cầu kích thước nhỏ, chi phí thấp.
Nguồn điện chuyển mạch cấp y tế: Phù hợp với các thiết bị y tế, yêu cầu tiêu chuẩn an toàn và khả năng tương thích điện từ nghiêm ngặt.
Các phân loại khác của nguồn điện
Nguồn điện truyền thông: Nguồn điện loại chuyển đổi DC/DC được sử dụng trong hệ thống truyền thông.
Nguồn điện đặc biệt: Nguồn điện cao áp và dòng điện thấp, nguồn điện dòng điện cao, nguồn điện AC/DC đầu vào 400Hz, v.v.
Diễn biến mới nhất
Tần số chuyển mạch hiện đã đạt đến mức MHz. Kể từ khi vượt qua rào cản 20 kHz vào những năm 1970, những tiến bộ trong công nghệ đã đẩy tần số chuyển mạch lên phạm vi từ 500 kHz đến 1 MHz. Công nghệ chuyển mạch mềm, về mặt lý thuyết làm giảm tổn thất chuyển mạch xuống mức bằng không, đã chứng kiến sự phát triển và ứng dụng đáng kể.
Thiết kế mạch chính bao gồm mạch bán cộng hưởng, mạch PWM chuyển mạch bằng không và mạch PWM chuyển đổi bằng không. Các công nghệ đáng chú ý đã trưởng thành bao gồm ZVS kẹp chủ động và chuyển mạch mềm ZVS chuyển pha cầu toàn phần, cả hai đều có thể đạt hiệu suất trên 90%.
Sự xuất hiện của công nghệ chuyển mạch không làm lu mờ chuyển mạch cứng. Thay vào đó, việc kết hợp cả hai đã thổi luồng sinh khí mới vào lĩnh vực này. Công nghệ Chuyển đổi dòng điện bằng không (ZCT) và Chuyển đổi điện áp bằng không (ZVT) kết hợp các lợi ích về tổn thất chuyển mạch thấp, tần số cao và tiết kiệm năng lượng của chuyển mạch mềm với các lợi thế về lọc và xử lý dòng điện của chuyển mạch cứng.
Công nghệ chỉnh lưu đồng bộ cũng làm tăng đáng kể hiệu suất cung cấp điện chuyển mạch.
Bằng cách sử dụng MOSFET điện trở thấp (dưới 3 mΩ) thay vì diode để chỉnh lưu, bộ điều khiển đồng bộ hóa tín hiệu điều khiển cổng với điện áp chỉnh lưu, giảm thiểu tổn thất chỉnh lưu. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả đối với bộ chuyển đổi điện áp thấp, dòng điện cao.
Công nghệ kỹ thuật số nâng cao hiệu suất sản phẩm bằng cách tạo điều kiện thuận lợi cho tương tác giữa người và máy thông qua các giao diện như bàn phím ngoài và màn hình tinh thể lỏng. Nó cho phép truyền dữ liệu với máy chủ thông qua RS485, RS232, bus CAN và các giao diện khác, cho phép đo từ xa và điều khiển từ xa. Nguồn điện kỹ thuật số cũng hỗ trợ bảo trì trực tuyến, tự kiểm tra và nâng cấp thông qua giao diện mạng của chúng, tăng cường đáng kể độ tin cậy và tuổi thọ.
Mô-đun hóa trong mạch và hệ thống cung cấp điện giúp tăng chất lượng bằng cách cho phép các nhà thiết kế sử dụng nhiều mô-đun chức năng một cách linh hoạt. Điều này giúp tăng hiệu quả sản xuất, giảm chi phí và kích thước, đồng thời cải thiện độ tin cậy.
Các nhà sản xuất đã tích hợp các chức năng điều khiển như PFC, ZVS, ZCS, PWM, chia sẻ dòng điện song song và điều khiển cầu toàn pha vào các chip chuyên dụng. Bằng cách đóng gói các thiết bị chuyển mạch nguồn, điều khiển, truyền động, bảo vệ, phát hiện và các mạch khác vào một mô-đun duy nhất, mọi người có thể tích hợp các chức năng điều khiển, thiết bị bán dẫn công suất và truyền thông tin.
Kết luận
Tóm lại, nguồn điện chuyển mạch là một bộ phận không thể thiếu của thiết bị điện tử hiện đại, có vai trò và ưu điểm quan trọng. Trong sự phát triển của khoa học công nghệ trong tương lai, nguồn điện chuyển mạch sẽ tiếp tục được phát triển và cải tiến để đáp ứng nhu cầu của thiết bị điện tử về hiệu suất cao, hiệu quả cao, độ ổn định cao và độ tin cậy.
