Power supply là gì? Ưu và nhược điểm của nguồn chuyển mạch

Power supply là một bộ phận quan trọng trong các đồ dùng điện, đặc biệt máy tính. Trong bài viết này, DATECH sẽ giải thích chi tiết về power supply là gì, nguyên lý hoạt động, các loại phổ biến,...

Đây là thiết bị rất quan trọng đối với đồ dùng điện  

Power Supply là gì?

Power Supply Unit (PSU) là thuật ngữ chỉ bộ cấp nguồn - một thiết bị dùng để cung cấp nguồn năng lượng điện cho bo mạch chủ, ổ cứng (thiết bị lưu trữ) và các thiết bị khác bên trong máy tính.

Nhờ đó, máy chủ có thể hoạt động bởi tất cả các thiết bị phần cứng được đáp ứng đủ năng lượng.

Một thiết bị cung cấp nguồn năng lượng điện cho bo mạch chủ

Tên đầy đủ của bộ cấp nguồn là Switching Mode Power Supply (SMPS). Thiết bị này có khả năng chuyển dòng điện xoay chiều dùng trong sinh hoạt (AC) thành dòng điện một chiều dùng cho các thiết bị cầm tay như: điện thoại, máy tính bảng, laptop,...

Cấu tạo của mạch Power Supply

Một bộ cấp nguồn hoàn chỉnh bao gồm những thành phần sau đây:

• Bộ chỉnh lưu (Bridge rectifier): Được sử dụng để chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) sang dòng điện một chiều (DC).
• Tụ lọc (Filter capacitor): Giúp làm mịn dòng điện một chiều, loại bỏ các gợn sóng không mong muốn.
• Biến trở khởi động (Start up resistors): Giúp giảm điện áp cao trong tụ điện khởi động.
• Transistor trường ứng FET (Chopper/Power FET): Đây là một loại linh kiện bán dẫn transistor, có khả năng sử dụng điện trường để kiểm soát ảnh hưởng đến độ dẫn của kênh dẫn và các vật chất bán dẫn khác. 
• Mạch điều chỉnh điện áp tải ra (Pulse Width Modulation): Mục đích chính để điều khiển công suất cung cấp cho các thiết bị điện khác nhau.

Mạch điều chỉnh điện áp tải ra

• Biến trở dò dòng điện (Current sense resistor): Là thiết bị được sử dụng để đo dòng điện, giúp phát hiện và chuyển đổi dòng điện áp đầu ra phù hợp. Các loại biến trở dò dòng điện thường có điện trở thấp để giảm tiêu thụ điện năng, cũng như nguy cơ đoản mạch.
• Biến áp SMP (Switch mode power transformer): Được sử dụng để chuyển đổi nguồn điện chính AC sang DC. 
• Optoisolator/optocoupler: Là thiết bị bán dẫn cho phép truyền tín hiệu điện giữa hai mạch cách ly. 
• Vi mạch khuếch đại lỗi TL431 (Error Amplifier IC): Giúp khuếch đại tín hiệu lỗi TL431, tạo biến áp cố định để khống chế điện áp trên cuộn thứ cấp. 
• Cuộn thứ cấp (Secondary inductors): Nối với tải tiêu thụ và là một trong những thành phần quan trọng của máy biến áp.
• Điốt thứ cấp (Secondary diodes): Đây là một linh kiện bán dẫn chỉ cho phép dòng điện đi qua theo một chiều cố định.
• Tụ lọc thứ cấp (Secondary filter capacitors): Có nhiệm vụ tích trữ điện năng trên cuộn thứ cấp để cấp cho tải. 

Nguyên lý hoạt động của Power Supply là gì?

DATECH đã phân tích chi tiết về các thành phần cấu tạo một bộ cấp nguồn hoàn chỉnh. Vậy chúng ta sẽ đi sâu hơn vào cách để power supply hoạt động.

Cung cấp điện tuyến tính không được điều chỉnh

Nguyên lý hoạt động được giải thích rõ ràng nếu ta nhìn từ góc độ riêng biệt từng khối hệ thống.

• Máy biến áp hạ bậc: Biến áp ở đây giúp hạ điện áp xoay chiều đầu vào (220V) xuống mức cần thiết của bộ chỉnh lưu.
• Bộ chỉnh lưu: Dùng để chuyển đổi AC sang DC thô. Mạch gồm 2 loại là chỉnh lưu nửa sóng và chỉnh lưu toàn sóng được cấu thành từ việc sắp xếp nhiều điốt theo thứ tự nhất định. 
• Tụ lọc: DC tạo ra từ bộ chỉnh lưu được làm mịn bởi tụ điện và giảm thiểu các gợn sóng không mong muốn.
• Điện trở xả: Thường được biết đến là bleeder resistor, được kết nối song song với tụ lọc để thoát điện tích được lưu trữ và đảm bảo an toàn cho hệ thống.

Sơ đồ mạch cung cấp điện không điều chỉnh

Cung cấp điện tuyến tính được điều chỉnh

Power supply được điều chỉnh có nhiều điểm tương đồng với bộ cấp nguồn không được điều chỉnh. Khác biệt cơ bản là thay đổi điện trở xả bằng bộ điều chỉnh.

Bộ phận này bao gồm bóng bán dẫn và điện trở được điều khiển bởi bộ khuếch đại. Do đó, bộ điều chỉnh có thể chia thành hai loại sau:

• Bộ điều chỉnh dòng: Đây là bộ điều chỉnh được sử dụng nhiều nhất trong power supply tuyến tính. Vị trí nối tiếp với tải để đảm bảo dòng điện đầu ra tuyến tính.
• Bộ điều chỉnh Shunt: Một điện trở được kết nối nối tiếp với đầu vào và điện trở shunt biến đổi để điện áp tải không đổi.

Sơ đồ mạch cung cấp điện được điều chỉnh  

Nguồn cung cấp chế độ chuyển đổi

Điện áp đầu vào AC được biến đổi thành tín hiệu DC thông qua bộ chỉnh lưu. Tuy nhiên, điện áp này không điều chỉnh với bóng bán dẫn và bộ điều chỉnh.

Sau đó, tính hiệu DC được phân tách thành điện áp tần số cao không đổi. Tín hiệu tiếp tục được làm mịn bởi tụ lọc và sẵn sàng sử dụng. Để giữ cho hệ thống an toàn, một điện trở xả được thiết lập. 

Ưu, nhược điểm của Power Supply là gì

Bộ cấp nguồn đóng vai trò quan trọng trong nhiều hệ thống điện, giúp ổn định và hạn chế nguy cơ chập mạch có thể dẫn đến hư, hỏng thiết bị. Bên cạnh những lợi ích mạng lại, thiết bị này có những ưu, nhược điểm sau đây:

Ưu điểm của Power Supply

• Hiệu quả cao: Mức tản nhiệt của bộ cấp nguồn thấp để mang lại hiệu quả hoạt động tốt hơn. Ngoài ra, lệnh ON/OFF giúp dễ dàng chuyển dạng mạch.
• Thiết kế tối đa không gian: Power supply được thiết kế nhỏ, gọn giúp tiết kiệm diện tích mạch điện.
• Công nghệ linh hoạt: Được tích hợp nhiều chức năng chuyển đổi linh hoạt cho các thiết bị, giúp điều chỉnh mức tăng/giảm điện áp hoặc cả hai.

Power supply giúp điều chỉnh tăng điện áp

Nhược điểm của Power Supply

• Tạo nhiễu xung: Khi đóng hoặc ngắt bộ cấp nguồn sẽ tạo ra các xung, có thể phá hủy, cũng như gây trục trặc thiết bị.
• Tăng chi phí: Power supply có thiết kế kiểu một mạch duy nhất, nên cần lắp thêm các thành phần như tụ điện, bộ lọc,... bên ngoài để hỗ trợ hoạt động.
• Yêu cầu chuyên môn: Bộ cấp nguồn để hoạt động tốt đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao. Nếu nhân lực của đơn vị thi công không đủ kinh nghiệm, kỹ thuật có thể gây hư, hỏng hay trục trặc máy móc, thiết bị. 

Bộ cấp nguồn cần được thực hiện đúng kỹ thuật

Quy ước màu dây và cấp điện áp trong nguồn máy tính

Khi sử dụng các loại thiết bị điện, chắc hẳn bạn đã từng hiếu kỳ tại sao dây này có màu đen, nhưng dây kia lại có màu trắng, đỏ,...

Tất cả không phải do sở thích cá nhân của nhà sản xuất, mà dựa trên một số quy ước và tiêu chuẩn nhất định. Quy ước chung về các mức điện áp dựa trên màu sắc dây trong power supply như sau:

• Màu đen: Được gọi là dây chung hay GND, COM. Mức điện áp quy định trên dây này là 0V và là thước đo để so với các dây khác. 
• Màu cam: Dây có mức điện áp dương 3,3 V
• Màu đỏ: Dây có mức điện áp dương 5V.
• Màu vàng: Dây có mức điện áp dương 12V 
• Màu xanh dương: Dây có mức điện áp âm 12V.

Dây màu xanh dương có điện áp -12V

• Màu xanh lá: Dây màu xanh lá có tác dụng kích hoạt sự hoạt động của nguồn trước khi lắp vào máy tính. Bạn có thể kiểm tra bằng cách nối dây này với dây màu đen. 
• Dây màu tím: Điện áp tương đương 5Vsb (5V standby) dùng để cung cấp cho quá trình khởi động máy tính ban đầu như chuột, bàn phím,... Ngay từ khi đầu vào của power supply được kết nối với nguồn điện, dây màu tím này luôn có điện.
• Dây màu khác: Một số dây dẫn có màu hỗn hợp khi mở rộng các đường cấp điện áp khác nhau. Ví dụ, đường dây có mức điện áp dương 12V thứ 2 có thể sử dụng các viền màu khác như vàng viền trắng, vàng viền đen,..

Như thế nào là Power Supply tốt?

Bộ cấp nguồn máy chủ được đánh giá tốt, khi đáp ứng được các tiêu chí sau:

• Sự ổn định điện áp đầu ra: Khi thiết bị hoạt động với công suất thiết kế, điện áp trên dây không sai lệch quá từ -5% đến +5% so với điện áp định danh.
• Điện áp đầu ra bằng phẳng, không có hiện tượng nhiễu xung.
• Công suất đầu ra/vào đặt từ 81% trở lên và không gây ra hiện tượng từ trường, điện trường, nhiễu xung ra xung quanh. Ngoài ra, bộ cấp nguồn tốt phải chịu được những thứ trên tác động lên chính mình.
• Quá trình hoạt động không sinh nhiệt độ cao, rung ít và tiếng động nhỏ.
• Power supply có dây nối, chân cắm đa dạng, dây được bọc cẩn thận và chống nhiễu tốt.
• Dải điện áp đầu vào rộng, thường khoảng 90 - 260Vac, tần số 50/60Hz.

Power supply là thiết bị quan trọng để cung cấp điện năng cho bo mạch chủ, ổ cứng và các thiết bị khác trong một chiếc máy tính.

Nguyên tắc hoạt động của bộ cấp nguồn là chuyển dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều phù hợp với tải của thiết bị. Để biết thêm chi tiết về sản phẩm, bạn có thể liên hệ với DATECH để được hỗ trợ giải đáp.