¿Cuáles son los pros y los contras de la fuente de alimentación lineal versus la de modo conmutado?

Piense en cómo funcionan para descubrir tanto la ventaja como la desventaja.

Un suministro de revestimiento se llama lineal porque está operando un transistor de paso en su región lineal. Digamos que estás bajando 6V a 3V. Tiene un transistor de paso que alimenta una red de retroalimentación, lo que garantiza que dicho transistor de paso caiga 3V y pase los otros 3V. Esto se puede hacer muy silenciosamente, pero digamos que necesita 1A a 3V. Como este regulador es un circuito en serie lineal, es fácil ver que alimentas 1A para sacar 1A (se necesita un poco de potencia para ejecutar el circuito de retroalimentación y polarización, no te preocupes por eso) … eso significa que también tiene 3V a 1A en el transistor … así que son 3W de calor para eliminar, y una eficiencia de solo 50%.

Ahora echemos un vistazo al regulador de conmutación. Visto simplemente, solo tiene un interruptor seguido de un filtro. Encendido la mitad del tiempo, apagado la mitad del tiempo, obtiene su tiempo completo de 3V a 1A de una fuente que es de 6V a 1A, pero solo la mitad del tiempo. En el modelo ideal, tiene una eficiencia de conversión del 100%. Su batería durará el doble que el circuito lineal y no generará calor.

Pero, lamentablemente, el mundo real llama a tu puerta. Ese interruptor tendrá que ser un transistor, generalmente un MOSFET. Cuando está encendido, tendrá una resistencia muy pequeña, pero no cambia instantáneamente. Así que hay una pequeña pérdida de energía cuando el transistor se apaga y vuelve a encender … La misma razón por la cual los chips CMOS se calientan. Entonces la eficiencia aquí es más como 90-95%. Y luego está el filtro … la mayoría de los conmutadores utilizan un gran estrangulador y una red de condensadores ESR muy baja. Puede ser grande y costoso obtener una salida de conmutador realmente silenciosa. Por lo tanto, agregue el costo y el tamaño del circuito al ruido en la columna de desventaja.

En este ejemplo, es bastante fácil ver que podrías usar un regulador lineal y recibir un golpe. Pero el proyecto en el que estoy trabajando ahora toma hasta 60V, el circuito es en gran parte 3.3V y más bajo, y una docena o más amperios a 3.3V. Solo se puede usar un conmutador.

Pros de PS lineal:

  • Bajo conteo de partes (solo el regulador y el filtrado de E / S o condensadores a granel)
  • Ruido mínimo, sin contenido armónico. Ideal para sistemas de sonido o instrumentación.
  • Gran ancho de banda (carga o regulación de línea)

Contras de PS lineal:

  • Baja eficiencia, desperdicia mucha energía en forma de calor, ya que activa los interruptores en su zona lineal. Necesita refrigeración, disipadores térmicos, etc. más costosos.
  • No puede proporcionar aislamiento eléctrico.
  • El voltaje de salida siempre es menor que la entrada

Ventajas de SMPS:

  • Alta eficiencia, ya que utiliza interruptores en la zona de saturación o corte donde la pérdida de energía es menor
  • La salida y la entrada pueden aislarse mediante un transformador.
  • Puede operar en modo buck o boost

Contras de SMPS:

  • Alto conteo de partes (conmutador, amortiguador, bobina o transformador, condensadores, red de retroalimentación, etc.)
  • Ruidoso. Necesita medidas de diseño especiales para minimizar el ruido irradiado y conducido. A menudo, se requiere que las SMPS alimentadas por CA incluyan la corrección del factor de potencia (PFC).
  • La regulación de línea / carga está limitada por la frecuencia de conmutación. Cualquier cambio más rápido que un período de conmutación es invisible para el controlador. Puede producir oscilaciones o necesitar filtros de salida adicionales.

Ventajas del suministro lineal:

1) ondulación de muy bajo rendimiento. Casi siempre se usa para procesar procesadores, ADC y otros dispositivos similares que son sensibles a las variaciones en la fuente de alimentación. Los suministros de conmutación son inherentemente ruidosos, ya que cortan y luego filtran.

2) Bienes inmuebles bajos a bordo y bajo costo . Especialmente a bajas corrientes. No requiere un inductor. Los suministros de conmutación necesitan un elemento magnético que sea muy voluminoso. Los suministros lineales tampoco suelen requerir circuitos de compensación para la estabilidad, por lo que ahorra en el recuento de componentes. En general, terminan más barato que cambiar de suministros.

Contras de suministro lineal:

1) ineficiente. A altas corrientes, causan una gran disipación de calor y pueden requerir disipadores de calor y ventiladores de enfriamiento. Cambiar los suministros puede proporcionar fácilmente más del 85% de eficiencia.

2) Requiere un dispositivo por riel de voltaje . En comparación, un solo convertidor de conmutación puede suministrar múltiples voltajes de salida (sin embargo, requiere múltiples devanados en el núcleo magnético).

P ros de suministro lineal:

1) ondulación de muy bajo rendimiento. Casi siempre se usa para procesar procesadores, ADC y otros dispositivos similares que son sensibles a las variaciones en la fuente de alimentación. Los suministros de conmutación son inherentemente ruidosos, ya que cortan y luego filtran.

2) Bienes inmuebles bajos a bordo y bajo costo . Especialmente a bajas corrientes. No requiere un inductor. Los suministros de conmutación necesitan un elemento magnético que sea muy voluminoso. Los suministros lineales tampoco suelen requerir circuitos de compensación para la estabilidad, por lo que ahorra en el recuento de componentes. En general, terminan más barato que cambiar de suministros.

Contras de suministro lineal:

1) ineficiente. A altas corrientes, causan una gran disipación de calor y pueden requerir disipadores de calor y ventiladores de enfriamiento. Cambiar los suministros puede proporcionar fácilmente más del 85% de eficiencia.

2) Requiere un dispositivo por riel de voltaje . En comparación, un solo convertidor de conmutación puede suministrar múltiples voltajes de salida (sin embargo, requiere múltiples devanados en el núcleo magnético).

SMPS estándar

Ventajas de la fuente de alimentación lineal y contras de la fuente de alimentación conmutada

  1. Sin ondulación y bajo ruido en la fuente de alimentación lineal, mientras que la ondulación a la frecuencia de conmutación en la fuente de alimentación conmutada.
  2. Las fuentes de alimentación lineales son de bajo costo y complejidad en comparación con las fuentes de alimentación conmutadas.
  3. La fuente de alimentación lineal tiene un mejor tiempo de respuesta a los transitorios de línea y carga que la fuente de alimentación conmutada, ya que la fuente de alimentación lineal no implica una conmutación para limitar el ancho de banda a 1/10 de la frecuencia de conmutación.

Ventajas de cambiar la fuente de alimentación y contras de la fuente de alimentación lineal

  1. La eficiencia de la fuente de alimentación lineal es baja, mientras que la fuente de alimentación conmutada generalmente tiene una alta eficiencia, excepto con poca carga o sin carga.
  2. El peso y el tamaño de la fuente de alimentación lineal es mayor que las fuentes de alimentación conmutadas debido a la conversión de CA / CC realizada a 50/60 Hz, que implica un transformador grande.

Los suministros lineales son más silenciosos y generalmente responden más rápidamente a los cambios de carga y pueden contener una salida más precisa.

Los conmutadores son más fríos y más eficientes y, a menudo, más baratos y definitivamente más livianos.

Puede obtener la mayoría de los beneficios de ambos al hacer que un conmutador realice la disminución del voltaje aproximado y la regulación aproximada, luego un pequeño regulador lineal para realizar el filtrado y la regulación final.

Fuente de alimentación lineal = siempre en la región activa significa que consume corriente cuando está encendida, significa siempre.
SMPS = casi siempre en los estados de alta o baja demanda de ‘baja potencia’. Potencia consumida principalmente durante transiciones de alta a baja y de baja a alta.
Circuito más pequeño.

Nos encargaron utilizar fuentes de alimentación lineales en las cárceles estatales de Georgia porque habían notado durante algunos años que los lineales eran más robustos bajo los picos y rayos de la línea eléctrica. A uno le gustan los conmutadores porque pueden proporcionar salidas de corriente más altas. Por ejemplo, es difícil encontrar una fuente de alimentación lineal de 28V que sea mucho más alta que 15Amps. Los conmutadores que he usado en equipo militar generalmente estaban disponibles hasta 150 amperios.

También es más fácil construir PS de conmutación que puedan suministrar fácilmente múltiples voltajes de salida a niveles de corriente decentes. Los conmutadores también funcionan bien para múltiples voltajes de entrada y frecuencias de línea diferentes, 48-80Hz, por ejemplo.