Sua vantagem em energia: soluções inovadoras de projeto de SMPS

No mundo atual da eletrônica, onde as coisas estão cada vez menores e melhores, o tipo de fonte de alimentação é o herói desconhecido por trás da maioria das novas invenções. Mesmo assim, alguns métodos de projeto de fontes de alimentação são melhores do que outros. Como as pessoas precisam que suas fontes de alimentação sejam eficientes, compactas e confiáveis, os reguladores lineares mais antigos foram substituídos por fontes de alimentação comutadas (SMPS), que também são conhecidas como fontes de alimentação comutadas que fornecem uma saída CC de baixa tensão. Sabemos que, no projeto de SMPS, não se trata apenas de fabricar componentes, mas também de construir o núcleo da tecnologia do futuro.

Necessidades de energia em constante evolução: Por que SMPS?

A maneira como movemos os elétrons é o que determina os recursos dos nossos dispositivos. Não importa se é um smartphone ou uma grande máquina, todo sistema eletrônico depende de uma fonte de alimentação confiável e eficiente. Durante muito tempo, foram usados reguladores lineares, mas, com o aprimoramento da tecnologia, ficou óbvio que eles tinham algumas desvantagens importantes.

Se você pensar em uma torneira tradicional, ela funciona reduzindo a pressão da água ao bloquear parte dela, o que desperdiça a energia extra como calor. Os reguladores lineares também funcionam transformando a tensão extra em calor para manter a saída estável. Embora esse método seja simples e elegante, ele consome muita energia, especialmente quando a diferença de tensão é grande.

O SMPS trouxe uma grande mudança para a conversão de energia. Esse tipo de fonte de alimentação liga e desliga rapidamente um semicondutor de potência, geralmente um transistor, o que resulta em maior eficiência e melhor rendimento energético. A combinação de comutação e energia armazenada em indutores e capacitores no SMPS o torna altamente eficiente na conversão de níveis de tensão e evita o desperdício de muita energia.

Vejamos uma comparação clara:

A tabela explica por que o SMPS é agora a opção preferida para os eletrônicos modernos, especialmente quando se trata de mudar a entrada CA para uma tensão CC estável. Na OMCH, sempre atualizamos nossos métodos de projeto de SMPS para acompanhar as novas demandas, de modo que nossos produtos são eficazes e ecologicamente corretos, ajudando clientes nos Estados Unidos e em todo o mundo.

Princípios básicos do design moderno de SMPS

O principal objetivo de qualquer SMPS é controlar a tensão ou a corrente de saída de forma eficiente. Agora, estratégias de controle avançadas são usadas nos SMPS modernos para ajudá-los a ter um desempenho melhor do que nunca. A ideia principal é usar um dispositivo semicondutor, geralmente um transistor de comutação, para ligar e desligar rapidamente e transformar a tensão de entrada em pulsos. Em seguida, os pulsos são suavizados por componentes reativos para que seja produzida uma tensão CC estável.

Os sistemas modernos de energia em modo de comutação geralmente dependem de métodos avançados de modulação por largura de pulso (PWM). Em vez de uma chave liga/desliga, a largura dos pulsos é ajustada para definir a tensão de saída conforme necessário. É semelhante a abrir ou fechar o acelerador em um motor: um pulso maior fornece mais energia e um pulso mais estreito fornece menos. Devido a esse controle preciso, a tensão permanece constante e inalterada, independentemente da quantidade de energia que está sendo usada.

Atualmente, os conversores ressonantes são amplamente usados em SMPS porque ajudam a obter alta eficiência. Diferentemente dos conversores de comutação rígida, os conversores ressonantes programam suas transições de comutação para ocorrer quando a tensão ou a corrente não está presente, o que reduz as perdas de comutação. A comutação suave diminui muito a perda de energia e a EMI, o que resulta em menos calor e maior densidade de potência. Se você imaginar dois pêndulos balançando juntos sem quase nenhum atrito, essa é a beleza da operação ressonante.

O uso de métodos de comutação suave permite aumentar a frequência de comutação para centenas de kHz, o que resulta em fontes de alimentação menores e mais leves. Os projetos atuais de fontes de alimentação dão atenção especial a sistemas de feedback fortes e métodos de controle avançados para manter a estabilidade, reagir rapidamente a mudanças e proteger contra problemas relacionados a sobrecorrente, sobretensão e calor. O circuito do SMPS depende desses sistemas de controle, que geralmente são acionados por um oscilador e usam uma tensão de referência, para manter o sistema funcionando bem em todas as situações.

Topologias inovadoras para desempenho máximo

O projeto de uma fonte de alimentação comutada determina sua eficiência, sua complexidade e onde ela deve ser usada. Embora o buck e o boost ainda sejam importantes, as necessidades atuais levaram ao desenvolvimento de arquiteturas de energia mais avançadas.

Um conversor buck é muito eficiente na redução da tensão CC. Um indutor é usado para tornar a corrente mais uniforme e gerenciar a forma como a energia é fornecida. Como alternativa, um conversor boost aumenta a tensão, armazenando energia no indutor à medida que é ligado e, em seguida, liberando-a com a ajuda de um diodo e um capacitor. Eles são fáceis de usar, confiáveis e encontrados em muitos sistemas de baixa e média potência.

Para garantir que a saída seja controlada e a rede seja seguida, muitos projetos modernos agora adicionam circuitos PFC ativos. Eles modificam a forma de onda da corrente de entrada para que seja a mesma da tensão, o que economiza energia e está em conformidade com a norma IEC 61000-3-2. Isso é muito importante em aplicações de alta potência, especialmente em países onde as regras de eficiência energética estão se tornando mais rígidas.

O conversor ressonante LLC é particularmente notável em sistemas avançados. Ele suporta comutação de tensão zero (ZVS), o que quase elimina a perda que ocorre durante a comutação. Ele é capaz de operar em frequências acima de 100kHz, o que lhe confere uma eficiência de mais de 95%. Por esse motivo, o LLC é usado em sistemas pequenos e sensíveis ao calor, como carregadores de veículos elétricos e servidores corporativos, em que cada watt e cada grau são importantes.

Quando é necessária mais potência ou a corrente precisa mudar de direção, são usados os circuitos de ponte completa e meia ponte. Os projetos de ponte completa, em particular, são capazes de produzir uma saída de alta potência com todos os quatro interruptores trabalhando juntos com precisão. Embora sejam mais complicados, eles fazem melhor uso dos transformadores e permitem um melhor controle de tensão, o que é importante para acionamentos industriais e sistemas de energia renovável.

A topologia correta deve ser escolhida com base na estratégia, não apenas em suas especificações. A decisão é orientada pela faixa de tensão, pela quantidade de calor que o dispositivo pode suportar, pelo espaço disponível, pelos padrões de EMC e pelo orçamento. Os engenheiros mais habilidosos usam seu conhecimento para adequar o projeto ao trabalho, garantindo que ele funcione bem e seja prático.

Dominando a seleção de componentes para SMPS

Os componentes no projeto do SMPS são importantes porque determinam a qualidade do funcionamento do sistema, sua eficiência e sua duração. Um pequeno erro pode criar problemas que se espalham e ameaçam a estabilidade do sistema. Por esse motivo, a escolha dos componentes não deve ser aleatória; deve ser uma decisão bem pensada para todo o sistema.

Os semicondutores de potência são o ponto de partida para tudo. Embora os MOSFETs de silício ainda sejam amplamente utilizados, os dispositivos GaN e SiC estão transformando a maneira como os projetos modernos são construídos. Eles são capazes de alternar mais rapidamente, trabalhar em temperaturas mais altas e reduzir bastante as perdas. O resultado? Conversores menores, mais frios e mais eficientes. No entanto, a decisão se baseia em quanta tensão, frequência e dinheiro você está disposto a sacrificar.

Os magnéticos são a parte mais importante e a mais desafiadora do SMPS. É importante que os transformadores e indutores gerenciem sua resposta à frequência, o ponto em que saturam e o calor que produzem. Se o núcleo não for projetado adequadamente, ele consumirá mais energia e poderá falhar. A maioria dos projetos de alta frequência depende de núcleos de ferrite e fio Litz para superar o efeito de pele. Quando implementados corretamente, eles garantem uma operação estável mesmo com cargas variáveis.

Os capacitores são responsáveis por filtrar, armazenar energia e manter a tensão estável. A escolha do capacitor depende do fato de você precisar de desempenho de alta frequência ou de um grande armazenamento de energia. O ruído e a confiabilidade são afetados pela ESR, pelas classificações de corrente de ondulação e pela forma como o capacitor é colocado. Quando o espaço e o ruído são importantes, as cerâmicas de baixa ESR são comumente usadas.

O CI controlador é responsável por todo o sistema no nível do sistema. Ele determina como o inversor liga, cuida da proteção e geralmente inclui recursos como partida suave e tratamento de falhas. Embora os CIs sejam mais fáceis de projetar atualmente, ainda é necessário escolhê-los cuidadosamente com base na topologia, no método de controle e no design térmico.

Superando os desafios de projeto do SMPS

Embora as fontes de alimentação de comutação sejam muito eficientes, elas também causam muitos problemas de engenharia e têm várias desvantagens. Para criar um SMPS confiável, é necessário abordar questões como EMI, calor, estabilidade de loop e resposta rápida a transientes.

A EMI é geralmente o maior desafio no início. Quando a comutação é rápida, o ruído de alta frequência resultante pode perturbar os circuitos próximos ou ir contra os padrões de EMC. Para reduzir a interferência eletromagnética (EMI), os engenheiros usam um layout de PCB inteligente, tornam os loops de corrente o mais estreitos possível e adicionam bobinas de modo comum. Alguns projetos fazem uso de comutação suave para reduzir a quantidade de ruído proveniente da fonte.

Outro desafio importante é o gerenciamento do calor. Mesmo que o sistema seja 90% eficiente, o calor da comutação precisa ser controlado de alguma forma. Por esse motivo, é importante usar um bom layout, vias térmicas, dissipadores de calor e planejar o fluxo de ar. Um sistema bem projetado é confortável e também ajuda os componentes a durarem mais e o sistema a ser mais confiável.

Depois disso, precisamos verificar a estabilidade da malha de controle. Quando a compensação em um sistema de feedback SMPS não está correta, pode ocorrer oscilação ou uma reação lenta. Os projetistas usam a análise do gráfico de Bode e o ajuste da margem de fase para garantir que a saída seja regulada de forma rápida e constante sob condições variáveis.

A resposta transitória é agora mais importante do que antes, especialmente durante a fase de descarga. Os aplicativos atuais, incluindo acionamentos de motores e sistemas digitais, precisam de um rápido rastreamento de carga. Um loop grande e capacitores de saída adequados são necessários para proteger a tensão de mudanças repentinas.

Ferramentas avançadas e simulação no projeto de SMPS

Hoje em dia, usar a intuição e experimentar as coisas por acaso não é suficiente no projeto de SMPS. Como esses sistemas são complexos e exigem alto desempenho, é necessário usar ferramentas avançadas e software de simulação. Com esses companheiros digitais, o processo de projeto é mais rápido, são necessários menos protótipos caros e o desempenho de cada componente é verificado antes de ser soldado.

Ferramentas como o LTspice, o PSPICE e o PowerEsim da Infineon são importantes para a simulação de circuitos. Com essas ferramentas, os engenheiros podem projetar todo o circuito SMPS, abrangendo todos os seus componentes, loops de controle e elementos parasitas. A simulação permite o seguinte:

• Verificar a funcionalidade: Ele deve funcionar como pretendido com diferentes tensões de entrada e cargas, e a tensão média de saída deve ser prevista corretamente.
• Otimizar o desempenho: Ajuste os valores dos componentes para garantir que o circuito funcione com eficiência, forneça a tensão de saída desejada e seja estável.
• Analisar os piores cenários possíveis: Teste o projeto sob as condições mais difíceis e perigosas que são difíceis de criar na vida real.
• Prever o comportamento da EMI: Algumas ferramentas avançadas podem prever a EMI, o que o ajuda a resolver o problema antes que ele se torne um problema. Geralmente, isso requer o exame do diagrama de blocos que mostra todo o sistema.

Além da simulação de circuitos, as ferramentas de projeto de PCB são muito importantes. Os recursos de eletrônica de potência dos softwares modernos de ECAD incluem opções de vazamento de cobre forte para caminhos de corrente, análise térmica para identificar áreas quentes e ferramentas para correspondência de impedância. O layout de uma placa de circuito impresso é tão importante quanto o esquema no projeto de SMPS, pois afeta a eficiência e a EMI.

Além disso, muitas empresas do setor de semicondutores oferecem ferramentas de projeto on-line e exemplos de projetos. Elas podem ajudá-lo a iniciar o projeto, fornecendo soluções testadas e calculadoras para fatores importantes, como corrente e tensão do indutor, redes de compensação e tensão nos componentes. Elas ajudam muito os projetistas, especialmente quando estão trabalhando em aplicações típicas.

Soluções SMPS sob medida: Atendendo às suas necessidades

Um dos aspectos mais atraentes da Projeto de SMPS é sua flexibilidade inerente. Ao contrário das soluções de energia rígidas e de tamanho único, o SMPS pode ser meticulosamente adaptado para atender aos requisitos exclusivos e muitas vezes exigentes de diversas aplicações. É nessa adaptabilidade que reside a verdadeira “vantagem em termos de energia” para muitas empresas.

Considere a vasta gama de setores que dependem de energia especializada:

• Sistemas de controle industrial: Exigem fontes de alimentação robustas e altamente confiáveis, capazes de operar em ambientes adversos, muitas vezes com amplas faixas de temperatura e imunidade a transientes.
• Dispositivos médicos: Exija correntes de fuga ultrabaixas, certificações de segurança rigorosas (como IEC 606601-1) e confiabilidade excepcional, incluindo requisitos de tensão constante, para garantir a segurança do paciente.
• LED Iluminação: Necessita de fontes de alimentação dimerizáveis de alta eficiência com excelente correção do fator de potência para maximizar a saída de luz e minimizar o consumo de energia.
• Eletrônicos de consumo: Prioriza a extrema compactação, a alta densidade de potência e a relação custo-benefício para a produção em massa.
• Novos aplicativos de energia (por exemplo, carregamento de veículos elétricos), Energia renovável Inversores): Exija recursos de conversão bidirecional de alta potência, gerenciamento térmico avançado e recursos de proteção robustos.

Soluções de energia personalizadas sob medida para sua inovação

Cada situação exige requisitos diferentes que uma fonte de alimentação comum não pode atender tão bem quanto uma personalizada. É nesse ponto que a OMCH realmente se destaca.

Como um dos principais fabricantes de SMPS, a OMCH (https://www.omch.com/switch-mode-power-supply/) oferece mais do que apenas uma ampla variedade de produtos padrão. Sabemos que a inovação real pode precisar de uma solução personalizada. Somos especialistas em projetar soluções de energia personalizadas e trabalhamos com nossos clientes desde o início do projeto até o final.

Se o seu projeto precisa de um determinado tamanho por causa do espaço, precisa ser eficiente em termos de energia em projetos de alta potência ou requer certificações especiais de segurança, nossa equipe pode lidar com isso. Construímos e produzimos produtos SMPS que são exatamente o que você precisa, para que ofereçam o melhor desempenho, confiabilidade e atendam a todos os requisitos. Garantimos que sua solução de energia se adapte ao seu sistema, e não o contrário. Isso é o que torna a OMCH especial - energia precisa, construída para suas novas ideias.

O futuro da SMPS: tendências e inovações

O design do SMPS está avançando a uma velocidade nunca antes vista. As fontes de alimentação do futuro serão menos volumosas, mais inteligentes e mais eficientes. A densidade de potência é o foco principal. Graças ao GaN e ao SiC, agora podemos colocar mais energia em áreas menores com menos perdas. Como resultado, o tamanho dos sistemas magnéticos e de resfriamento pode ser reduzido. Para alcançar uma eficiência acima de 95%, é necessário usar circuitos ressonantes cuidadosamente projetados, ímãs melhores e sistemas de controle avançados - cada pequeno aprimoramento é muito importante em grandes escalas.

A IA e o ML estão começando a influenciar a forma como a energia é gerenciada. Pense nos SMPS que podem se ajustar sozinhos, prever quando podem falhar e responder às mudanças em seu ambiente. Muitos projetos agora estão usando controle digital em vez de analógico, o que oferece melhor precisão, capacidade de programação e diagnósticos detalhados. Isso facilita muito a personalização e o ajuste de um veículo.

A sustentabilidade é agora mais importante do que nunca. Agora, os designers prestam atenção à reciclagem e ao impacto de seus produtos desde o início. A Omch não está apenas observando essas tendências na OMCH - estamos incluindo-as no desenvolvimento de nossos produtos SMPS de próxima geração. O futuro será eficiente, inteligente e muito compacto.