Fuente de alimentación conmutada

Vista interior de un ATX SMPS:
A: Rectificador del puente;
B: condensadores de filtro de entrada;
Entre B y C: fregadero de calor para cambiar componentes activos de tensión primaria;
C: transformador:
Entre C y D: disipador de calor para cambiar componentes activos de al menos cinco voltajes secundarios, por la especificación ATX;
D: bobina filtrante de salida para el secundario con mayor potencia. En estrecha proximidad, las bobinas de filtro para las otras segundas;
E: capacitores de filtro de salida.
La bobina y gran condensador amarillo rectangular debajo del rectificador del puente forman un filtro EMI y no forman parte de la placa principal del circuito.

Fuente de alimentación ajustable para uso de laboratorio

Una fuente de alimentación conmutada (fuente de alimentación conmutada, fuente de alimentación conmutada, fuente de alimentación conmutada, SMPS o conmutador) es una fuente de alimentación electrónica que incorpora un regulador de conmutación para convertir la energía eléctrica de manera eficiente.

Al igual que otras fuentes de alimentación, una SMPS transfiere energía de una fuente de CC o CA (a menudo, de la red eléctrica, consulte el adaptador de CA) a cargas de CC, como una computadora personal, mientras convierte las características de voltaje y corriente. A diferencia de una fuente de alimentación lineal, el transistor de paso de una fuente de modo de conmutación cambia continuamente entre estados de baja disipación, encendido total y apagado total, y pasa muy poco tiempo en las transiciones de alta disipación, lo que minimiza el desperdicio de energía. Una fuente de alimentación conmutada ideal hipotética no disipa energía. La regulación de voltaje se logra variando la relación entre el tiempo de encendido y apagado (también conocido como ciclos de trabajo). Por el contrario, una fuente de alimentación lineal regula el voltaje de salida disipando continuamente energía en el transistor de paso. La mayor eficiencia eléctrica de la fuente de alimentación conmutada es una ventaja importante.

Las fuentes de alimentación de modo conmutado también pueden ser sustancialmente más pequeñas y livianas que una fuente lineal porque el transformador puede ser mucho más pequeño. Esto se debe a que opera a una alta frecuencia de conmutación que va desde varios cientos de kHz hasta varios MHz en contraste con la frecuencia de red de 50 o 60 Hz. A pesar del tamaño reducido del transformador, la topología de la fuente de alimentación y el requisito de supresión de interferencias electromagnéticas (EMI) en los diseños comerciales dan como resultado un recuento de componentes generalmente mucho mayor y la correspondiente complejidad del circuito.

Los reguladores de conmutación se utilizan como reemplazo de los reguladores lineales cuando se requiere una mayor eficiencia, un tamaño más pequeño o un peso más ligero. Sin embargo, son más complicados; las corrientes de conmutación pueden causar problemas de ruido eléctrico si no se suprimen con cuidado, y los diseños simples pueden tener un factor de potencia deficiente.

Historia

1836

Las bobinas de inducción usan interruptores para generar voltajes altos.

1910

Un sistema de encendido de descarga inductivo inventado por Charles F. Kettering y su empresa Dayton Engineering Laboratories Company (Delco) entra en producción para Cadillac. El sistema de encendido de Kettering es una versión mecánicamente conmutada de un convertidor de impulso de la espalda de la mosca; el transformador es la bobina de encendido. Las variaciones de este sistema de encendido se utilizaron en todos los motores de combustión interna no diesel hasta la década de 1960, cuando comenzó a ser reemplazado primero por versiones electrónicas de estado sólido, luego sistemas de encendido de descarga capacitiva.

1926

El 23 de junio, el inventor británico Philip Ray Coursey aplica una patente en su país y Estados Unidos, para su "Condenador Eléctrico". La patente menciona soldaduras de alta frecuencia y hornos, entre otros usos.

c.1932

Los relés electromecánicos se utilizan para estabilizar la salida de tensión de los generadores. Ver Regulador de tensión# Reguladores electromecánicos.

c. 1936

Las radios de automóviles utilizaron vibradores electromecánicos para transformar la batería de 6 V a un voltaje B+ adecuado para los tubos de vacío.

1959

El transistor de efectos de campo MOSFET (metal-oxide-semiconductor) es inventado por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs. El MOSFET se convirtió más tarde en el dispositivo de alimentación más utilizado para cambiar los suministros de energía.

1959

Sistema de alimentación del convertidor de oscilación y rectificación U.S. Patent 3,040,271 es presentado por Joseph E. Murphy y Francis J. Starzec, de General Motors Company

1960s

El Apollo Guidance Computer, desarrollado a principios de la década de 1960 por el Laboratorio de Instrumentación del MIT para las ambiciosas misiones lunares de la NASA (1966-1972), incorporó suministros de energía de modo conmutado temprano.

c. 1967

Bob Widlar de Fairchild Semiconductor diseña el regulador de voltaje μA723 IC. Una de sus aplicaciones es como regulador de modo conmutado.

1970

Tektronix comienza a utilizar la fuente de alimentación de alta eficiencia en sus osciloscopios de serie 7000 producidos entre 1970 y 1995.

1970

Robert Boschert desarrolla circuitos de bajo coste más sencillos. Para 1977, Boschert Inc. crece a una empresa de 650 personas. Después de una serie de fusiones, adquisiciones y spin offs (Computer Products, Zytec, Artesyn, Emerson Electric) la empresa ahora forma parte de Advanced Energy.

1972

HP-35, la primera calculadora de bolsillo de Hewlett-Packard, se introduce con alimentación de conmutación transistor para diodos, relojes, tiempo, ROM y registros.

1973

Xerox utiliza fuentes de alimentación de conmutación en el minicomputador Alto

1976

Robert Mammano, cofundador de Semiconductores Generales de Silicio, desarrolla el primer circuito integrado para el control SMPS, modelo SG1524. Después de una serie de fusiones y adquisiciones (Linfinity, Symetricom, Microsemi), la empresa ahora forma parte de Microchip Technology.

1977

Apple II está diseñado con una fuente de alimentación de modo de conmutación. "Rod Holt... creó la fuente de alimentación que nos permitió hacer un ordenador muy ligero".

1980

El HP8662A 10 kHz – 1,28 GHz generador de señal sintetizado fue con una fuente de alimentación de modo conmutado.

Explicación

Una fuente de alimentación lineal (no SMPS) utiliza un regulador lineal para proporcionar el voltaje de salida deseado disipando energía en pérdidas óhmicas (por ejemplo, en una resistencia o en la región colector-emisor de un transistor de paso en su modo activo). Un regulador lineal regula el voltaje de salida o la corriente al disipar la energía eléctrica en forma de calor y, por lo tanto, su máxima eficiencia energética es voltaje de salida/voltaje de entrada, ya que se desperdicia la diferencia de voltios.

Por el contrario, un SMPS cambia el voltaje y la corriente de salida cambiando idealmente elementos de almacenamiento sin pérdidas, como inductores y capacitores, entre diferentes configuraciones eléctricas. Los elementos de conmutación ideales (aproximados por transistores operados fuera de su modo activo) no tienen resistencia cuando están 'encendidos'. y no llevan corriente cuando están "apagados", por lo que los convertidores con componentes ideales funcionarían con una eficiencia del 100 % (es decir, toda la potencia de entrada se entrega a la carga; no se desperdicia energía como calor disipado). En realidad, estos componentes ideales no existen, por lo que una fuente de alimentación conmutada no puede ser 100 % eficiente, pero sigue siendo una mejora significativa en la eficiencia con respecto a un regulador lineal.

El esquema básico de un convertidor de impulso

Por ejemplo, si una fuente de CC, un inductor, un interruptor y la tierra eléctrica correspondiente se colocan en serie y el interruptor es accionado por una onda cuadrada, el voltaje de pico a pico de la forma de onda medido a través del interruptor puede exceder el voltaje de entrada de la fuente de CC. Esto se debe a que el inductor responde a los cambios en la corriente al inducir su propio voltaje para contrarrestar el cambio en la corriente, y este voltaje se suma al voltaje de la fuente mientras el interruptor está abierto. Si se coloca una combinación de diodo y capacitor en paralelo al interruptor, el voltaje máximo se puede almacenar en el capacitor y el capacitor se puede usar como una fuente de CC con un voltaje de salida mayor que el voltaje de CC que impulsa el circuito. Este convertidor elevador actúa como un transformador elevador para señales de CC. Un convertidor reductor-elevador funciona de manera similar, pero produce un voltaje de salida que es de polaridad opuesta al voltaje de entrada. Existen otros circuitos reductores para aumentar la corriente de salida promedio con una reducción de voltaje.

En un SMPS, el flujo de corriente de salida depende de la señal de alimentación de entrada, los elementos de almacenamiento y las topologías de circuito utilizadas, y también del patrón utilizado (p. ej., modulación de ancho de pulso con un ciclo de trabajo ajustable) para impulsar los elementos de conmutación. La densidad espectral de estas formas de onda de conmutación tiene energía concentrada en frecuencias relativamente altas. Como tal, los transitorios de conmutación y la ondulación que se introducen en las formas de onda de salida se pueden filtrar con un filtro LC pequeño.

Ventajas y desventajas

La principal ventaja de la fuente de alimentación conmutada es una mayor eficiencia (hasta un 96 %) y una menor generación de calor que los reguladores lineales porque el transistor de conmutación disipa poca potencia cuando actúa como interruptor.

Otras ventajas incluyen un tamaño más pequeño y un peso más ligero debido a la eliminación de transformadores de frecuencia de línea pesados y costosos. La pérdida de energía en espera es a menudo mucho menor que la de los transformadores.

Las desventajas incluyen una mayor complejidad, la generación de energía de alta amplitud y alta frecuencia que el filtro de paso bajo debe bloquear para evitar la interferencia electromagnética (EMI), un voltaje de ondulación en la frecuencia de conmutación y sus frecuencias armónicas.

Los SMPS de muy bajo costo pueden acoplar el ruido de conmutación eléctrica de nuevo a la línea de alimentación principal, causando interferencia con dispositivos conectados a la misma fase, como equipos de A/V. Los SMPS sin corrección del factor de potencia también causan distorsión armónica.

SMPS y comparación de fuente de alimentación lineal

Hay dos tipos principales de fuentes de alimentación reguladas disponibles: SMPS y lineal. La siguiente tabla compara las fuentes de alimentación lineales con las conmutadas en general:

Teoría de funcionamiento

Esquema de bloques de una red de protecciones operadas AC/DC SMPS con regulación de tensión de salida

Etapa rectificadora de entrada

AC, media onda y señales rectificadas de onda completa

Si el SMPS tiene una entrada de CA, la primera etapa es convertir la entrada a CC. Esto se llama 'rectificación'. Un SMPS con una entrada de CC no requiere esta etapa. En algunas fuentes de alimentación (en su mayoría fuentes de alimentación ATX para computadoras), el circuito rectificador se puede configurar como un duplicador de voltaje mediante la adición de un interruptor que se opera de forma manual o automática. Esta función permite el funcionamiento desde fuentes de alimentación que normalmente son de 115 VAC o de 230 VAC. El rectificador produce un voltaje de CC no regulado que luego se envía a un condensador de filtro grande. La corriente extraída de la red eléctrica por este circuito rectificador se produce en pulsos cortos alrededor de los picos de tensión de CA. Estos pulsos tienen una energía de alta frecuencia significativa que reduce el factor de potencia. Para corregir esto, muchos SMPS más nuevos usarán un circuito especial de corrección del factor de potencia (PFC) para hacer que la corriente de entrada siga la forma sinusoidal del voltaje de entrada de CA, corrigiendo el factor de potencia. Las fuentes de alimentación que utilizan PFC activo suelen ser de rango automático y admiten voltajes de entrada de ~100 VCA – 250 VCA, sin interruptor selector de voltaje de entrada.

Un SMPS diseñado para entrada de CA generalmente se puede ejecutar desde un suministro de CC, porque la CC pasaría a través del rectificador sin cambios. Si la fuente de alimentación está diseñada para 115 VCA y no tiene un interruptor selector de voltaje, el voltaje de CC requerido sería 163 VCC (115 × √2). Sin embargo, este tipo de uso puede ser perjudicial para la etapa del rectificador, ya que solo usará la mitad de los diodos en el rectificador para la carga completa. Esto podría resultar en el sobrecalentamiento de estos componentes, causando que fallen prematuramente. Por otro lado, si la fuente de alimentación tiene un interruptor selector de voltaje, basado en el circuito Delon, para 115/230 V (las fuentes de alimentación ATX de computadora generalmente se encuentran en esta categoría), el interruptor selector debería colocarse en el 230 V, y el voltaje requerido sería 325 VDC (230 × √2). Los diodos en este tipo de fuente de alimentación manejarán bien la corriente continua porque están clasificados para manejar el doble de la corriente de entrada nominal cuando se operan en el modo 115 V, debido a la operación del doblador de voltaje. Esto se debe a que el duplicador, cuando está en funcionamiento, usa solo la mitad del puente rectificador y pasa el doble de corriente a través de él.

Etapa inversor

Esta sección se refiere al bloque marcado helicóptero en el diagrama.

La etapa inversora convierte CC, ya sea directamente desde la entrada o desde la etapa rectificadora descrita anteriormente, en CA haciéndola pasar por un oscilador de potencia, cuyo transformador de salida es muy pequeño con pocos devanados, a una frecuencia de decenas o cientos de kilohercio. La frecuencia generalmente se elige por encima de 20 kHz, para que sea inaudible para los humanos. La conmutación se implementa como un amplificador MOSFET de varias etapas (para lograr una alta ganancia). Los MOSFET son un tipo de transistor con una baja resistencia y una alta capacidad de manejo de corriente.

Convertidor de tensión y rectificador de salida

Si es necesario aislar la salida de la entrada, como suele ser el caso en las fuentes de alimentación principales, la CA invertida se utiliza para impulsar el devanado primario de un transformador de alta frecuencia. Esto convierte el voltaje hacia arriba o hacia abajo al nivel de salida requerido en su devanado secundario. El transformador de salida en el diagrama de bloques sirve para este propósito.

Si se requiere una salida de CC, se rectifica la salida de CA del transformador. Para voltajes de salida por encima de los diez voltios, se usan comúnmente diodos de silicio ordinarios. Para voltajes más bajos, los diodos Schottky se usan comúnmente como elementos rectificadores; tienen la ventaja de tiempos de recuperación más rápidos que los diodos de silicio (lo que permite un funcionamiento con pérdidas bajas a frecuencias más altas) y una caída de voltaje más baja cuando conducen. Para voltajes de salida aún más bajos, los MOSFET se pueden usar como rectificadores síncronos; en comparación con los diodos Schottky, estos tienen caídas de voltaje de estado de conducción aún más bajas.

La salida rectificada luego se suaviza con un filtro que consta de inductores y capacitores. Para frecuencias de conmutación más altas, se necesitan componentes con menor capacitancia e inductancia.

Las fuentes de alimentación no aisladas más sencillas contienen un inductor en lugar de un transformador. Este tipo incluye convertidores elevadores, convertidores reductores y los convertidores reductores-elevadores. Estos pertenecen a la clase más simple de convertidores de entrada única y salida única que utilizan un inductor y un interruptor activo. El convertidor reductor reduce el voltaje de entrada en proporción directa a la relación entre el tiempo de conducción y el período de conmutación total, denominado ciclo de trabajo. Por ejemplo, un convertidor reductor ideal con una entrada de 10 V que funciona con un ciclo de trabajo del 50 % producirá un voltaje de salida promedio de 5 V. Se emplea un bucle de control de retroalimentación para regular el voltaje de salida variando el ciclo de trabajo para compensar las variaciones en voltaje de entrada. El voltaje de salida de un convertidor elevador siempre es mayor que el voltaje de entrada y el voltaje de salida reductor-elevador se invierte, pero puede ser mayor, igual o menor que la magnitud de su voltaje de entrada. Hay muchas variaciones y extensiones de esta clase de convertidores, pero estos tres forman la base de casi todos los convertidores de CC a CC aislados y no aislados. Al agregar un segundo inductor, se pueden implementar los convertidores Ćuk y SEPIC o, al agregar interruptores activos adicionales, se pueden realizar varios convertidores de puente.

Otros tipos de SMPS usan un multiplicador de voltaje de condensador-diodo en lugar de inductores y transformadores. Estos se utilizan principalmente para generar altos voltajes a bajas corrientes (generador Cockcroft-Walton). La variante de bajo voltaje se llama bomba de carga.

Regulación

Este cargador para un dispositivo pequeño como un teléfono móvil es una fuente de alimentación de conmutación off-line con un enchufe europeo, que consiste principalmente en un opto-coupler, un rectificador y dos componentes activos.

Un circuito de retroalimentación monitorea el voltaje de salida y lo compara con un voltaje de referencia. Según los requisitos de diseño y seguridad, el controlador puede contener un mecanismo de aislamiento (como un optoacoplador) para aislarlo de la salida de CC. Los suministros de conmutación en computadoras, televisores y videograbadoras tienen estos optoacopladores para controlar estrictamente el voltaje de salida.

Los reguladores de circuito abierto no tienen un circuito de retroalimentación. En cambio, confían en alimentar un voltaje constante a la entrada del transformador o inductor y asumen que la salida será correcta. Los diseños regulados compensan la impedancia del transformador o bobina. Los diseños monopolares también compensan la histéresis magnética del núcleo.

El circuito de retroalimentación necesita energía para funcionar antes de poder generar energía, por lo que se agrega una fuente de alimentación no conmutable adicional para el modo de espera.

Diseño de transformadores

Cualquier fuente de alimentación de modo conmutado que obtiene su energía de una línea de alimentación de CA (llamada convertidor "fuera de línea") requiere un transformador para el aislamiento galvánico. Algunos convertidores de CC a CC también pueden incluir un transformador, aunque el aislamiento puede no ser crítico en estos casos. Los transformadores SMPS funcionan a altas frecuencias. La mayor parte de los ahorros de costos (y ahorro de espacio) en las fuentes de alimentación fuera de línea se deben al tamaño más pequeño del transformador de alta frecuencia en comparación con los transformadores de 50/60 Hz que se usaban anteriormente. Hay compensaciones de diseño adicionales.

El voltaje terminal de un transformador es proporcional al producto del área del núcleo, el flujo magnético y la frecuencia. Al usar una frecuencia mucho más alta, el área del núcleo (y por lo tanto la masa del núcleo) se puede reducir considerablemente. Sin embargo, las pérdidas en el núcleo aumentan a frecuencias más altas. Los núcleos generalmente usan material de ferrita que tiene una baja pérdida en las altas frecuencias y las altas densidades de flujo utilizadas. Los núcleos de hierro laminado de los transformadores de baja frecuencia (<400 Hz) tendrían pérdidas inaceptables a frecuencias de conmutación de unos pocos kilohercios. Además, se pierde más energía durante las transiciones del semiconductor de conmutación a frecuencias más altas. Además, se requiere más atención al diseño físico de la placa de circuito a medida que los parásitos se vuelven más significativos y la cantidad de interferencia electromagnética será más pronunciada.

Pérdida de cobre

A frecuencias bajas (como la frecuencia de línea de 50 o 60 Hz), los diseñadores suelen ignorar el efecto de piel. Para estas frecuencias, el efecto pelicular solo es significativo cuando los conductores son grandes, de más de 0,3 pulgadas (7,6 mm) de diámetro.

Las fuentes de alimentación conmutadas deben prestar más atención al efecto piel porque es una fuente de pérdida de energía. A 500 kHz, la profundidad de la piel del cobre es de aproximadamente 0,003 pulgadas (0,076 mm), una dimensión más pequeña que los cables típicos que se usan en una fuente de alimentación. La resistencia efectiva de los conductores aumenta, porque la corriente se concentra cerca de la superficie del conductor y la parte interior transporta menos corriente que a bajas frecuencias.

El efecto de piel se ve exacerbado por los armónicos presentes en las formas de onda de conmutación de modulación de ancho de pulso (PWM) de alta velocidad. La profundidad de piel adecuada no es solo la profundidad en la fundamental, sino también la profundidad de piel en los armónicos.

Además del efecto piel, también existe un efecto de proximidad, que es otra fuente de pérdida de potencia.

Factor de potencia

Las fuentes de alimentación conmutadas fuera de línea sencillas incorporan un rectificador de onda completa sencillo conectado a un gran condensador de almacenamiento de energía. Dichos SMPS extraen corriente de la línea de CA en pulsos cortos cuando el voltaje instantáneo de la red excede el voltaje a través de este capacitor. Durante la parte restante del ciclo de CA, el condensador proporciona energía a la fuente de alimentación.

Como resultado, la corriente de entrada de dichas fuentes de alimentación conmutadas básicas tiene un alto contenido de armónicos y un factor de potencia relativamente bajo. Esto crea una carga adicional en las líneas de servicios públicos, aumenta el calentamiento del cableado del edificio, los transformadores de servicios públicos y los motores eléctricos de CA estándar, y puede causar problemas de estabilidad en algunas aplicaciones, como en los sistemas generadores de emergencia o los generadores de aeronaves. Los armónicos se pueden eliminar filtrando, pero los filtros son caros. A diferencia del factor de potencia de desplazamiento creado por cargas inductivas o capacitivas lineales, esta distorsión no se puede corregir mediante la adición de un solo componente lineal. Se requieren circuitos adicionales para contrarrestar el efecto de los breves pulsos de corriente. Colocar una etapa de chopper de refuerzo regulada por corriente después del rectificador fuera de línea (para cargar el capacitor de almacenamiento) puede corregir el factor de potencia, pero aumenta la complejidad y el costo.

En 2001, la Unión Europea puso en vigencia el estándar IEC 61000-3-2 para establecer límites en los armónicos de la corriente de entrada de CA hasta el armónico 40 para equipos por encima de 75 W. El estándar define cuatro clases de equipos según en su tipo y forma de onda actual. Los límites más rigurosos (clase D) se establecen para computadoras personales, monitores de computadora y receptores de TV. Para cumplir con estos requisitos, las fuentes de alimentación conmutadas modernas normalmente incluyen una etapa adicional de corrección del factor de potencia (PFC).

Tipos

Las fuentes de alimentación de modo conmutado se pueden clasificar según la topología del circuito. La distinción más importante es entre convertidores aislados y no aislados.

Topologías no aisladas

Los convertidores no aislados son los más simples, con los tres tipos básicos usando un solo inductor para el almacenamiento de energía. En la columna de relación de voltaje, D es el ciclo de trabajo del convertidor y puede variar de 0 a 1. Se supone que el voltaje de entrada (V₁) es mayor que cero; si es negativo, por consistencia, negar el voltaje de salida (V₂).

Tipo	Poder Típico [W]	Costo relativo	Almacenamiento de energía	Relación de tensión	Características
Buck	0 a 11.	1.0	Inductor único	0 ≤ ≤ En, V2=DV1{displaystyle scriptstyle V_{2}=DV_{1}	La corriente es continua en la salida.
Boost	0 a 5.000	1.0	Inductor único	Fuera ≥ En, V2=11− − DV1{displaystyle scriptstyle V_{2}={frac {1}{1-D}V_{1}	La corriente es continua a la entrada.
Buck-boost	0–150	1.0	Inductor único	Fuera ≤ 0, V2=− − D1− − DV1{displaystyle scriptstyle V_{2}=-{frac {}{1-D}V_{1}	La corriente es discontinua tanto a la entrada como a la salida.
Split-pi (o, boost-buck)	0 a 4.500	■2.0	Dos inductores y tres condensadores	Arriba o abajo	Control de potencia bidireccional; dentro o fuera.
Ćuk			Capacitor y dos inductores	Cualquier invertido, V2=− − D1− − DV1{displaystyle scriptstyle V_{2}=-{frac {}{1-D}V_{1}	La corriente es continua en la entrada y salida.
SEPIC			Capacitor y dos inductores	Cualquiera, V2=D1− − DV1{displaystyle scriptstyle V_{2}={frac {}{1-D}V_{1}	La corriente es continua a la entrada.
Zeta			Capacitor y dos inductores	Cualquiera, V2=D1− − DV1{displaystyle scriptstyle V_{2}={frac {}{1-D}V_{1}	La corriente es continua en la salida.
Bomba de carga / condensador conmutado			Capacitors only		No se necesita almacenamiento de energía magnética para lograr la conversión, sin embargo el procesamiento de potencia de alta eficiencia normalmente se limita a un conjunto discreto de tasas de conversión.

Cuando el equipo es accesible para las personas, se aplican límites de voltaje de ≤ 30 V (r.m.s.) CA o ≤ 42,4 V pico o ≤ 60 V CC y límites de potencia de 250 VA para la certificación de seguridad (aprobación UL, CSA, VDE).

Las topologías buck, boost y buck-boost están fuertemente relacionadas. Entrada, salida y tierra se unen en un punto. Uno de los tres pasa por un inductor en el camino, mientras que los otros dos pasan por interruptores. Uno de los dos interruptores debe estar activo (por ejemplo, un transistor), mientras que el otro puede ser un diodo. A veces, la topología se puede cambiar simplemente volviendo a etiquetar las conexiones. Un convertidor reductor de entrada de 12 V y salida de 5 V puede convertirse en un convertidor reductor de entrada de 7 V y salida de −5 V conectando a tierra la salida y tomando la salida de la tierra alfiler.

Del mismo modo, los convertidores SEPIC y Zeta son reorganizaciones menores del convertidor Ćuk.

La topología neutral point clamped (NPC) se usa en fuentes de alimentación y filtros activos y se menciona aquí para completar.

Los conmutadores se vuelven menos eficientes a medida que los ciclos de trabajo se vuelven extremadamente cortos. Para grandes cambios de voltaje, una topología de transformador (aislado) puede ser mejor.

Topologías aisladas

Todas las topologías aisladas incluyen un transformador y, por lo tanto, pueden producir una salida de voltaje más alto o más bajo que la entrada ajustando la relación de vueltas. Para algunas topologías, se pueden colocar múltiples devanados en el transformador para producir múltiples voltajes de salida. Algunos convertidores usan el transformador para almacenar energía, mientras que otros usan un inductor separado.

Las fuentes de alimentación de modo conmutada por tensión cero sólo requieren pequeños disipadores de calor ya que la poca energía se pierde como calor. Esto les permite ser pequeños. Este ZVS puede entregar más de 1 kilovatio. Transformer no se muestra.

• ^1 El comportamiento del bucle de control logarítmico puede ser más difícil de controlar que otros tipos.
• ^2 El convertidor delantero tiene varias variantes, que varían en cómo el transformador es "reset" a cero flujo magnético cada ciclo.

Controlador de helicóptero: El voltaje de salida está acoplado a la entrada, por lo tanto, muy estrictamente controlado

Interruptor cuasi-resonante de corriente cero/voltaje cero

Interruptor Quasi-resonant cambia cuando el voltaje es mínimo y se detecta un valle.

En un interruptor de corriente cero/voltaje cero cuasi-resonante (ZCS/ZVS), "cada ciclo de interruptor entrega un 'paquete' de energía a la salida del convertidor, y el encendido y apagado del interruptor se produce con corriente y voltaje cero, lo que resulta en un interruptor esencialmente sin pérdidas." La conmutación cuasi-resonante, también conocida como conmutación de valle, reduce la EMI en la fuente de alimentación mediante dos métodos:

1. Al cambiar el interruptor bipolar cuando el voltaje está al mínimo (en el valle) para minimizar el efecto de conmutación dura que causa EMI.
2. Al cambiar cuando se detecta un valle, en lugar de a una frecuencia fija, se introduce un dispositivo de frecuencia natural que difunde el espectro de emisiones RF y reduce el EMI general.

Eficiencia y EMI

El voltaje de entrada más alto y el modo de rectificación síncrona hacen que el proceso de conversión sea más eficiente. También se debe tener en cuenta el consumo de energía del controlador. Una frecuencia de conmutación más alta permite reducir el tamaño de los componentes, pero puede producir más RFI. Un convertidor directo resonante produce la EMI más baja de cualquier enfoque SMPS porque utiliza una forma de onda resonante de conmutación suave en comparación con la conmutación dura convencional.

Modos de falla

Para fallas en los componentes de conmutación, placa de circuito, etc., lea el artículo sobre los modos de falla de la electrónica.

Las fuentes de alimentación que usan capacitores que sufren la plaga de capacitores pueden experimentar fallas prematuras cuando la capacitancia cae al 4 % del valor original. Esto generalmente hace que el semiconductor de conmutación falle de manera conductiva. Eso puede exponer las cargas conectadas al voltaje y la corriente de entrada completos, y precipitar oscilaciones salvajes en la salida.

La falla del transistor de conmutación es común. Debido a los grandes voltajes de conmutación que debe manejar este transistor (alrededor de 325 V para un 230 V_AC alimentación de red), estos transistores a menudo se cortocircuitan, lo que a su vez quema inmediatamente el fusible de alimentación interno principal.

Precauciones

El condensador del filtro principal suele almacenar hasta 325 voltios mucho tiempo después de que se haya desconectado la alimentación de entrada. No todas las fuentes de alimentación contienen un pequeño "purgador" resistencia que descarga lentamente el condensador. El contacto con este condensador puede provocar una descarga eléctrica grave.

Los lados primario y secundario se pueden conectar con un capacitor para reducir la EMI y compensar varios acoplamientos capacitivos en el circuito del convertidor, donde el transformador es uno. Esto puede resultar en una descarga eléctrica en algunos casos. La corriente que fluye desde la línea o el neutro a través de una resistencia de 2 kΩ a cualquier parte accesible debe, según IEC 60950, ser inferior a 250 μA para equipos informáticos.

Aplicaciones

Cargador de teléfono móvil de modo conmutado

SMPS de 450 vatios para uso en ordenadores personales con entrada de potencia, ventilador y cables de salida visibles

Las unidades de fuente de alimentación (PSU) de modo conmutado en productos domésticos, como computadoras personales, a menudo tienen entradas universales, lo que significa que pueden aceptar energía de fuentes de alimentación de todo el mundo, aunque es posible que se requiera un interruptor de rango de voltaje manual. Las fuentes de alimentación conmutadas pueden tolerar una amplia gama de voltajes y frecuencias de alimentación.

Debido a sus grandes volúmenes, los cargadores de teléfonos móviles siempre han sido particularmente sensibles a los costos. Los primeros cargadores eran fuentes de alimentación lineales, pero rápidamente se trasladaron a la topología SMPS rentable del convertidor de estrangulador de llamada (RCC), cuando se requerían nuevos niveles de eficiencia. Recientemente, la demanda de requisitos de energía sin carga aún más bajos en la aplicación ha significado que la topología flyback se está utilizando más ampliamente; Los controladores flyback de detección del lado primario también están ayudando a reducir la lista de materiales (BOM) al eliminar los componentes de detección del lado secundario, como los optoacopladores.

Las fuentes de alimentación de modo conmutado también se utilizan para la conversión de CC a CC. En los vehículos pesados que utilizan un suministro de arranque de 24 V_CC nominales, se pueden proporcionar 12 V para los accesorios a través de un suministro de modo de conmutación de CC/CC. Esto tiene la ventaja de tocar la batería en la posición de 12 V (usando la mitad de las celdas) de que toda la carga de 12 V se divide uniformemente entre todas las celdas de la batería de 24 V. En entornos industriales como los racks de telecomunicaciones, la energía a granel se puede distribuir a un voltaje de CC bajo (por ejemplo, desde un sistema de respaldo de batería) y los elementos del equipo individual tendrán convertidores de modo conmutado de CC/CC para suministrar los voltajes requeridos.

Un uso común de las fuentes de alimentación de modo conmutado es una fuente de voltaje muy bajo para iluminación. Para esta aplicación, a menudo se denominan "transformadores electrónicos".

Ejemplos de SMPSs para aplicaciones de iluminación de voltaje extra-bajo, llamados transformadores electrónicos.

Terminología

El término modo de conmutación se usó ampliamente hasta que Motorola reclamó la propiedad de la marca comercial SWITCHMODE para productos destinados al mercado de fuente de alimentación de modo de conmutación y comenzó a hacer cumplir su marca comercial. Fuente de alimentación de modo de conmutación, fuente de alimentación de conmutación y regulador de conmutación se refieren a este tipo de fuente de alimentación.