SMPS là gì?
SMPS (Switch Mode Power Supply) hay nguồn xung là mạch nguồn dùng MOSFET (hoặc IGBT) đóng cắt ở tần số cao (50 kHz–1 MHz) để biến đổi điện áp, thay vì dùng điện trở/transistor tuyến tính như nguồn linear. Năng lượng được lưu trữ và truyền qua cuộn cảm hoặc biến áp lõi ferrite — nhỏ hơn rất nhiều so với biến áp lõi thép 50 Hz. Kết quả: hiệu suất 85–95%, kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ.
Các topology SMPS phổ biến
| Topology | Cách ly | V_out so với V_in | Công suất điển hình | Ứng dụng |
|---|---|---|---|---|
| Flyback | Có (cách ly) | Tùy biến áp | 1–200 W | Adapter laptop, sạc điện thoại, nguồn standby |
| Forward | Có | Tùy biến áp | 50–500 W | Server PSU, telecom |
| Half-bridge | Có | Tùy biến áp | 200–2000 W | PC PSU ATX, industrial |
| Full-bridge | Có | Tùy biến áp | 1–50 kW | EV charger, industrial SMPS |
| Buck (step-down) | Không | V_out < V_in | 1–200 W | Bộ nạp pin, điều chỉnh áp DC |
| Boost (step-up) | Không | V_out > V_in | 1–100 W | LED driver, solar MPPT |
| Buck-boost | Không | V_out < hoặc > V_in | 1–50 W | Pin Li-Ion UPS, portable device |
Flyback converter — phổ biến nhất
Flyback là topology SMPS cách ly phổ biến nhất trong adapter và charger nhỏ:
- Primary MOSFET ON: Dòng tăng dần qua cuộn sơ cấp biến áp lõi ferrite, lưu năng lượng từ trường. Diode thứ cấp ngắt (phân cực ngược).
- Primary MOSFET OFF: Từ trường sụp đổ, điện áp cảm ứng ngược cực trên cuộn thứ cấp → diode thứ cấp dẫn → nạp năng lượng vào tụ đầu ra.
- Feedback: TL431 + optocoupler PC817 đo điện áp đầu ra thứ cấp, điều chỉnh duty cycle PWM controller sơ cấp (UC3842, NCP1117) để giữ V_out ổn định.
Tính toán cơ bản Buck converter
Duty cycle: D = V_out / V_in (lý tưởng) Ví dụ: V_in = 12 V, V_out = 5 V → D = 5/12 = 41,7% Cuộn cảm: L = (V_in - V_out) × D / (f × ΔI_L) Với ΔI_L = 30% × I_load, f = 150 kHz, I_load = 1 A: L = (12-5) × 0,417 / (150k × 0,3) = 65 µH → dùng 68 µH/1,5 A Tụ đầu ra: C = ΔI_L / (8 × f × ΔV_out) = 0,3 / (8 × 150k × 0,05) = 5 µF → dùng 10–22 µF/10 V ceramic
Snubber mạch flyback
Khi MOSFET sơ cấp tắt, cuộn sơ cấp tạo spike điện áp (leakage inductance) có thể vượt 2–3 lần V_bus, gây đánh thủng MOSFET. Snubber RCD (R + C + D) hoặc TVS diode đặt across MOSFET D-S để clamp spike xuống mức an toàn.