Power Supply là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động (2025)

Một thiết bị điện quan trọng giúp cung cấp điện năng cho hầu hết các phụ tải điện tử, bạn đã đoán ra được đó là thiết bị nào chưa? Đó chính là Power Supply hay bộ nguồn. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về Power Supply, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nó, cùng xem nhé:

1. Power Supply là gì?

Power Supply (Bộ nguồn) là một thuật ngữ chung chỉ thiết bị cung cấp năng lượng điện cho một hoặc nhiều tải điện. Chức năng cơ bản của nó là chuyển đổi năng lượng điện từ nguồn cấp (như ổ cắm điện lưới, pin) thành dạng điện áp, dòng điện và tần số phù hợp với yêu cầu của tải.

Trong ngữ cảnh phổ biến nhất hiện nay, "Power Supply" thường ám chỉ đến Bộ nguồn chuyển mạch (Switched-Mode Power Supply - SMPS). Đây là loại bộ nguồn hiệu suất cao, gọn nhẹ, có chức năng chính là chuyển đổi điện áp xoay chiều (AC) từ lưới điện thành một hoặc nhiều mức điện áp một chiều (DC) ổn định để cung cấp cho các thiết bị điện tử.

Ngoài ra, thiết bị này còn có một số tên gọi khác như: bộ nguồn xung, bộ nguồn đóng ngắt, hệ thống bộ chuyển đổi nguồn…

Power Supply (loại SMPS) được ứng dụng cực kỳ rộng rãi trong hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại, từ các thiết bị cầm tay như điện thoại di động, máy tính xách tay (adapter sạc), đến máy tính để bàn (PSU), TV, thiết bị mạng, thiết bị công nghiệp...

2. Cấu tạo và Nguyên lý hoạt động của Power Supply (SMPS)

→ Cấu tạo cơ bản của mạch Power Supply (SMPS)

Một bộ nguồn chuyển mạch (SMPS) điển hình thường bao gồm các khối chức năng chính sau:

• Mạch lọc nhiễu EMI/RFI đầu vào: Lọc bỏ các nhiễu tần số cao từ lưới điện và ngăn nhiễu do bộ nguồn tạo ra đi ngược lại lưới điện.
• Bộ chỉnh lưu cầu (Bridge Rectifier): Chuyển đổi điện áp xoay chiều AC đầu vào thành điện áp một chiều DC (nhưng chưa ổn định, còn nhấp nhô).
• Tụ lọc đầu vào (Input Filter Capacitor): San phẳng điện áp DC sau chỉnh lưu, tạo ra một mức điện áp DC tương đối cao và ổn định hơn.
• Mạch công suất chuyển mạch (Switching Circuit): Đây là phần cốt lõi, thường sử dụng Transistor công suất (như MOSFET - Power FET) hoạt động như một công tắc điện tử đóng/ngắt ở tần số rất cao (hàng chục đến hàng trăm kHz).
• Biến áp xung (High-Frequency Transformer): Hạ điện áp DC cao từ tụ lọc xuống mức mong muốn và cách ly điện giữa đầu vào và đầu ra. Do hoạt động ở tần số cao nên biến áp này có kích thước nhỏ gọn hơn nhiều so với biến áp sắt từ thông thường.
• Bộ chỉnh lưu đầu ra (Output Rectifier): Chỉnh lưu điện áp xoay chiều tần số cao từ cuộn thứ cấp biến áp thành DC. Thường dùng Diode xung (Schottky Diode) hiệu suất cao.
• Tụ lọc đầu ra (Output Filter Capacitor) và Cuộn cảm lọc (Output Inductor): Lọc và san phẳng điện áp DC đầu ra, loại bỏ các gợn sóng tần số cao.
• Mạch điều khiển PWM (Pulse Width Modulation Controller): Giám sát điện áp đầu ra và điều chỉnh độ rộng xung (duty cycle) của tín hiệu điều khiển công tắc chuyển mạch (FET). Việc này giúp ổn định điện áp đầu ra theo giá trị mong muốn, bất chấp sự thay đổi của điện áp đầu vào hoặc dòng tải. Mạch này thường sử dụng IC chuyên dụng.
• Mạch hồi tiếp (Feedback Circuit): Thường dùng Optocoupler (cách ly quang) để đưa tín hiệu sai lệch điện áp từ đầu ra về mạch điều khiển PWM một cách an toàn (cách ly điện).
• Các mạch bảo vệ: Bảo vệ quá áp, quá dòng, quá nhiệt, ngắn mạch...

→ Nguyên lý hoạt động cơ bản của Power Supply (SMPS)

1. Điện áp xoay chiều AC (ví dụ 220V) từ nguồn điện đi qua mạch lọc nhiễu và được chỉnh lưu thành điện áp một chiều DC cao (khoảng 300V) nhờ bộ chỉnh lưu cầu và tụ lọc đầu vào.
2. Điện áp DC cao này được cấp cho cuộn sơ cấp của biến áp xung thông qua transistor công suất (FET).
3. Mạch điều khiển PWM tạo ra tín hiệu xung vuông tần số cao để đóng/ngắt transistor FET liên tục.
4. Khi FET dẫn (ON), dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp, tích trữ năng lượng dưới dạng từ trường trong biến áp.
5. Khi FET ngắt (OFF), từ trường trong biến áp biến thiên, cảm ứng ra điện áp xoay chiều tần số cao trên các cuộn thứ cấp.
6. Điện áp xoay chiều tần số cao ở cuộn thứ cấp được chỉnh lưu thành DC bởi diode xung và được lọc phẳng bởi tụ lọc đầu ra và cuộn cảm lọc để tạo ra điện áp DC ổn định cung cấp cho tải.
7. Mạch hồi tiếp liên tục đo điện áp đầu ra, so sánh với điện áp chuẩn và gửi tín hiệu về mạch PWM.
8. Mạch PWM dựa vào tín hiệu hồi tiếp để điều chỉnh độ rộng xung (thời gian ON/OFF của FET), từ đó điều chỉnh năng lượng truyền qua biến áp và giữ cho điện áp đầu ra luôn ổn định ở mức mong muốn.

Các cấu trúc mạch chuyển đổi DC-DC phổ biến trong SMPS

Bên trong bộ nguồn SMPS, việc chuyển đổi và ổn định điện áp DC thường dựa trên các cấu trúc mạch cơ bản như Buck, Boost, Buck-Boost:

Buck Converter – Bộ chuyển đổi giảm áp

Mạch Buck Converter được sử dụng để giảm một mức điện áp DC đầu vào (Vin) xuống một mức điện áp DC đầu ra (Vout) thấp hơn (Vout < Vin). Đây là cấu trúc rất phổ biến và hiệu quả, thường dùng trong các thiết bị sử dụng pin (để hạ áp từ pin xuống mức cần thiết cho vi mạch) hoặc trong các bộ nguồn đa ngõ ra.

Mạch cơ bản bao gồm: Công tắc chuyển mạch (transistor), Diode (hoặc một transistor khác trong mạch đồng bộ), Cuộn cảm (Inductor), Tụ điện (Capacitor), và mạch điều khiển PWM.

Nguyên lý hoạt động Buck Converter:

• Khi công tắc đóng (ON): Nguồn Vin cấp dòng điện qua cuộn cảm L vào tụ C và tải. Dòng điện qua cuộn cảm tăng dần, tích trữ năng lượng. Diode bị phân cực ngược, không dẫn.
• Khi công tắc mở (OFF): Cuộn cảm L chống lại sự thay đổi dòng điện, nó tiếp tục duy trì dòng chảy qua tải và Diode (lúc này phân cực thuận). Năng lượng tích trữ trong cuộn cảm được giải phóng.

Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ thời gian đóng/mở (Duty Cycle - D) của công tắc, mạch PWM có thể kiểm soát điện áp đầu ra: Vout = Vin * D.

Boost Converter – Bộ chuyển đổi tăng áp

Ngược lại với Buck, mạch Boost Converter được sử dụng để tăng một mức điện áp DC đầu vào (Vin) lên một mức điện áp DC đầu ra (Vout) cao hơn (Vout > Vin). Nó thường được dùng khi cần cấp nguồn cho tải yêu cầu điện áp cao hơn từ một nguồn có điện áp thấp (như pin).

Cấu tạo và Nguyên lý hoạt động Boost Converter:

Mạch cơ bản gồm: Cuộn cảm L, Công tắc chuyển mạch (transistor), Diode, Tụ điện C, và mạch điều khiển PWM.

• Khi công tắc đóng (ON): Nguồn Vin cấp dòng điện qua cuộn cảm L (nối tắt xuống đất qua công tắc). Dòng điện qua cuộn cảm tăng dần, tích trữ năng lượng. Diode bị phân cực ngược, ngăn dòng từ tụ C phóng ngược lại. Tụ C cung cấp dòng cho tải.
• Khi công tắc mở (OFF): Cuộn cảm L chống lại sự giảm dòng đột ngột, nó tạo ra một điện áp cảm ứng có cực tính cộng với điện áp Vin. Điện áp tổng (cao hơn Vin) này sẽ đẩy dòng điện qua Diode (lúc này phân cực thuận) để nạp vào tụ C và cung cấp cho tải.

Bằng cách điều chỉnh Duty Cycle (D), mạch PWM có thể kiểm soát điện áp đầu ra: Vout = Vin / (1 - D).

Buck-Boost Converter – Bộ chuyển đổi tăng/giảm áp

Mạch Buck-Boost có khả năng tạo ra điện áp đầu ra (Vout) có thể cao hơn, thấp hơn, hoặc bằng điện áp đầu vào (Vin). Một đặc điểm của cấu trúc Buck-Boost cơ bản là điện áp đầu ra thường có cực tính ngược so với đầu vào (Vout = -Vin * D / (1 - D)).

Các cấu hình phức tạp hơn như SEPIC, Cuk, Flyback... cũng thuộc nhóm này hoặc có thể tạo ra điện áp đầu ra cùng cực tính.

Sự kết hợp của nguyên lý Buck và Boost mang lại sự linh hoạt cao hơn trong việc điều chỉnh điện áp.

3. PSU (Power Supply Unit) là gì?

PSU (Power Supply Unit) là thuật ngữ dùng để chỉ bộ nguồn của máy tính, đặc biệt là máy tính để bàn (desktop). Đây thực chất là một bộ nguồn chuyển mạch (SMPS) được thiết kế đặc biệt để cung cấp các mức điện áp DC khác nhau (+12V, +5V, +3.3V, -12V, +5VSB...) cần thiết cho hoạt động của các linh kiện bên trong máy tính.

Nhiệm vụ chính của PSU là nhận điện áp xoay chiều AC từ ổ cắm điện, chuyển đổi thành các mức điện áp DC ổn định và cung cấp năng lượng cho:

• Bo mạch chủ (Mainboard)
• Bộ vi xử lý (CPU)
• Card đồ họa (GPU/VGA)
• Ổ cứng (HDD/SSD)
• Ổ đĩa quang (nếu có)
• Quạt tản nhiệt
• Các thiết bị ngoại vi kết nối qua USB (bàn phím, chuột...)

PSU đóng vai trò cực kỳ quan trọng đối với sự ổn định và tuổi thọ của máy tính. Một bộ nguồn chất lượng kém có thể gây ra hoạt động không ổn định, khởi động lại đột ngột, thậm chí làm hỏng các linh kiện đắt tiền khác.

4. Power Supply (SMPS) có tốt không? (Ưu/Nhược điểm)

Bộ nguồn chuyển mạch (SMPS) đã trở thành tiêu chuẩn trong hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại nhờ những ưu điểm vượt trội so với bộ nguồn tuyến tính (Linear Power Supply) kiểu cũ. Tuy nhiên, nó cũng có những nhược điểm riêng.

→ Ưu điểm

• Hiệu suất cao: SMPS có hiệu suất chuyển đổi năng lượng rất cao (thường từ 70% đến trên 95%), nghĩa là ít năng lượng bị tổn hao dưới dạng nhiệt hơn so với bộ nguồn tuyến tính (hiệu suất chỉ khoảng 30-60%). Điều này giúp tiết kiệm điện và bộ nguồn hoạt động mát hơn.
• Kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ: Do sử dụng biến áp xung hoạt động ở tần số cao, kích thước của biến áp và các linh kiện lọc nhỏ hơn đáng kể, giúp bộ nguồn nhỏ gọn và nhẹ hơn nhiều.
• Dải điện áp đầu vào rộng: Nhiều bộ SMPS có thể hoạt động ổn định với dải điện áp AC đầu vào rộng (ví dụ: 100-240V AC), phù hợp với nhiều chuẩn lưới điện khác nhau trên thế giới (auto-volt).
• Linh hoạt trong chuyển đổi điện áp: Có thể dễ dàng thiết kế để tạo ra các mức điện áp đầu ra khác nhau (cao hơn, thấp hơn, hoặc nhiều mức) từ một điện áp đầu vào.
• Chi phí sản xuất (ở công suất lớn): Đối với các bộ nguồn công suất lớn, chi phí sản xuất SMPS thường cạnh tranh hơn so với bộ nguồn tuyến tính.

→ Nhược điểm

• Thiết kế phức tạp: Mạch điện của SMPS phức tạp hơn nhiều so với bộ nguồn tuyến tính, đòi hỏi kiến thức thiết kế chuyên sâu.
• Nhiễu điện từ (EMI/RFI): Quá trình chuyển mạch ở tần số cao tạo ra nhiễu điện từ. Mặc dù có các mạch lọc, nhưng SMPS vẫn có thể gây nhiễu cho các thiết bị điện tử nhạy cảm khác nếu không được thiết kế và lọc nhiễu tốt.
• Độ gợn sóng (Ripple) đầu ra: Điện áp DC đầu ra của SMPS thường có độ gợn sóng (ripple) ở tần số cao lớn hơn so với bộ nguồn tuyến tính. Điều này có thể không phù hợp với một số ứng dụng cực kỳ nhạy cảm (như thiết bị âm thanh hi-end, thiết bị đo lường chính xác).
• Yêu cầu linh kiện phức tạp: Cần các linh kiện chuyên dụng như IC điều khiển PWM, MOSFET công suất, diode xung, biến áp xung...

Tham khảo thêm từ Mecsu

>>> 100+ Mã Sản Phẩm Dây Rút: https://mecsu.vn/san-pham/day-rut-nhua.5op

>>> 1000+ Mã Sản Phẩm Đầu Cosse: https://mecsu.vn/san-pham/dau-cosse.Q1j

Mời anh em đọc thêm thông tin:

•  IC 555 là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động IC 555
•  Định luật Hooke: Ứng dụng & cách tính công thức
•  RCA là gì? So sánh giữa RCA với HDMI

Hy vọng với những thông tin được tổng hợp và cập nhật ở trên, sẽ giúp anh em hiểu rõ hơn về vai trò, chức năng, nguyên lý hoạt động cũng như các ưu nhược điểm của một Power Supply (đặc biệt là loại SMPS) để ứng dụng thật tốt trong công việc và lựa chọn được sản phẩm phù hợp.