(TIỂU LUẬN) báo cáo đồ án II thiết kế mạch DC­DC boost converter

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BÁO CÁO ĐỒ ÁN II Thiết kế mạch DCDC boost converter Giả ng viên hướng dẫn: Sinh viên thự c hiện: Hà Nội, 1/2021 Lời nói đầu Trong lĩnh vực kỹ thuật đạ i ngày nay, việc chế tạo chuy ển đổ i nguồ n c ó chấ t lượ ng điệ n áp cao, kích thướ c nhỏ gọn cho thiết bị s dụng điệ n hế t sức cầ n thiết Quá trình xử lý biế n đổ i điện áp mộ t chiều thành điệ n áp mộ t chiều khác gọ i trình biế n đổ i DC – DC với mạch biến đổ i phổ biến buck converter, boost converter, flyback converter… đượ c học học phần Điệ n tử công suấ t Việc đư a kiến thức vào thực tiễn khơng cịn xa lạ đố i vớ i sinh viên theo học trườ ng đạ i học đặ c biệ t l trườ ng kỹ thuậ t Trong họ c phần đồ án II vớ i yê u cầ u thiết kế mạch điệ n tử công suấ t, em lự a chọ n đề tài: “Thiết kế mạch DC DC boost converter” Em xin chân thành m ơn thầy Đào Đức Thị nh tận tình quan tâm hướ ng dẫn em suốt thời gian qua Do việc hạ n chế trình độ ngoại ngữ, chun mơn thiếu kinh nghiệm làm nên đồ án em cịn nhiều khiếm khuyết, sai sót Em mong nhận nhiều ý kiến đóng góp lời khun hữu ích từ thầy thấy rõ điều cần nghiên cứu bổ sung, giúp cho việc xây dựng đề tài đạt đến kết hoàn thiện tạo tiền đề cho em sau MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG CHƯƠNG PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ 1.1 Đề tài Thiế t kế mạ ch DC – DC boost converter với yêu cầ u kỹ thuật: Vin = 2,7 – 4,2V Vout = 5V, sai số 5% Iout, max = 2A Có bả o vệ điệ n áp đầu vào 1.2 Mục đích nghiên cứu Học phầ n đồ án đị nh hướ ng sinh vi ê n làm mạ ch điệ n tử công suấ t để giúp sinh viên nắm vững kiến thức biế t cách áp dụng vào thự c tiễn Làm quen vớ i thiết kế làm mạ ch thật Thiế t kế m ch boost converter không phức tạ p nh ưng vấn đề điều khiển nhằ m đạ t đượ c hiệu suấ t biến đổ i cao đả m bả o ổ n đị nh mục tiêu cơng trình nghiên cứu 1.3 Phạ m vi nghiên cứu Nghiên cứu dựa kiến thức học học phần điện tử cơng suất Tìm hiểu thêm kiến thức internet thầy giáo, bạn bè 1.4 Nội dung nghiên cứu Báo cáo gồm chương: Phân tích nhiệm vụ Tổng quan mạch DC – DC boost converter Tính toán lựa chọn phần tử mạch boost converter Thiết kế nguyên lý mạch in Kết thực nghiệm Kết luận CHƯƠNG TỔNG QUAN MẠCH DCDC BOOST CONVERTER 2.1 Cấ u tạ o sơ đồ nguyên lý DCDC boost converter (hay DCDC converter) chuyển đổ i nguồn DC có chức tăng điện áp (trong giảm điện) từ đầ u vào (nguồ n cung cấ p) đế n đầ u (tải) Mạch gồ m linh ki ện điệ n tử bả n cuộ n dây L, khóa chuyển mạch Mosfet, diode D tụ điện C Nguồ n cho mạch tăng áp đế n từ b ấ t kỳ nguồn DC phù hợ p nào, chẳ ng hạn pin lion, pin mặt trời, chỉnh lưu máy phát điệ n chiều 2.2 Nguyên lý hoạ t động Khi Mosfet dẫn (kích v châ n G) lúc nà y điện áp trê n L V in, lúc diode D ngắt bị ph ân cực ngượ c v cắ t mạch t ải khỏi nguồn đồng thờ i dòng cuộ n dâ y L s ẽ xuất tăng dầ n từ giá trị ban đầu IL,min,lúc dòng qua tải trì nhờ t ụ C đóng vai trị nguồ n (Tụ C phóng) Đến thờ i điể m ta cho Mosfet ngắt lúc cuộ n d ây L xuấ t điện áp tự m chống lại giảm dòng I L Điện áp tự cảm cộ ng với nguồn Vin có chiều dương đặt vầo chân Anot diode làm diode dẫn lập tực nạp bổ xung cho tụ C Quá trình lặp lặp có điện áp cấp cho tải Hình bên diễn tả rõ trình 2.3 Ứ ng dụng Làm mạch desunfat bảo dưỡng ắc quy,cấp nguồn cho thiết bị địi hỏi điện áp cao cỡ vài chục Vơn nguồn cấp có điện áp thấp cỡ 1.5V hay 3.7V Nâng áp mạnh nguồn xung TV, LED CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ LỰA CHỌN PHẦN TỬ MẠCH DC DC BOOST CONVERTER 3.1 Tính tốn lự a chọn phần tử Ở ta t ính tốn cho mạch boost converter sử dụng ic boost tích hợp mosfet hoạt độ ng chế độ liên tục Hình : Mạch boost converter 3.1.1 Thơng số u cầu Vi = 2,7 4,2V Vo = 5V, sai số 5% Io,max = 2A 3.1.2 Tính tốn mạch lực Sau nhiều lần tính tốn vớ i tầ n số khác f = 1,2MHz giải pháp chọn D=1 =1 =0,46 T = 1/f = 0,83 (µs) ton = T.D = 0,38 (µs) Chọn cuộn cảm IL= = =3,7A Chọn ∆IL = 10%IL = 0,37A L= = =2,77µH Chọ n cuộ n cảm có L = 4,7µH IL,max = IL + 0,5 = 3,7 + 0,5 = 3,8A Chọ n cuộ n cảm 4,7µH, 4A Chọn tụ điện Chọn UC = Vo = 5.2% = 0,1V C= = =7,6µF Chọ n tụ 106 Chọn diode ID = IL(1D) = 3,7.(10,46) = 2A ID,max = IL + 0,5 = 3,7 + 0,5 = 3,8A Ung,max = ksVo = 10V Chọn diode Schottky 1N5824 10A, 40V Tốc độ đóng cắt nhanh Diode 1N5824 giúp cho mạch điện hoạt động tốt băng tần 200kHz~2MHz Để phù hợp v ới kiến thứ c họ c n giả n hóa mạ ch, ta chọn giả i pháp sử dụ ng ic boost có tích hợp sẵn mosfet IV = IL.D = 3,7.0,46 = 1,7 A IV,max = IL + 0,5 = 3,7 + 0,5.= 3,8A UDS.max = ksVo = 10V Chọn ic SX1308 với thông số sau: Tích hợp Mosfet cơng suất 80mΩ Nguồn vào : 2V đến 24V Tần số chuyển đổi : 1,2MHz Dòng giới hạn : 4A Điều chỉnh điện áp đầu : max 28V Tính chiết áp SX1308 có VFB = 0,6V R1 = R2 = 7,33.R2 Chọn R2 = kΩ; R1 = 15 kΩ 3.2 Mô Psim Hình :Sơ đồ mơ psim Kết mơ phỏng: Hình : Kết mơ psim Đạ i lượng (0.00030.0004s) Uout (V) IL (A) ID (A) IV (A) Nhận xét: kết tính tốn khơng sai khác nhiều vớ i kết mô CHƯƠNG THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ VÀ MẠCH IN 4.1 Vẽ mạch nguyên lý Altium Tìm kiếm thư viện thiết bị nối dây chúng Hình : Sơ đồ nguyên lý altium 4.2 Vẽ mạ ch PCB lớp Altium Từ sơ đồ nguyên lý ta vẽ, dây đồng cho lớp PCB Hình : PCB Top Layer Hình : PCB Bottom Layer 10 CHƯƠNG KẾ T QUẢ THỰC NGHIỆM 5.1 Mạch in boost converter Từ mạ ch PCB Altium, em đặ t hàng mạch in Hình : Mạch in boost converter 5.2 Nguồn đầu vào Sử dụng pin UltraFire 18650 1200mAH 3,7V Điện Áp: DC 3.7V (khi đầ y pin l ên đến 4.2V) Khuyến cáo không sử dụng pin < 2.5V, pin bị chết khơng sử d ụng lại Pin s dụng nhiều lần Kích Thước: 65x18mm Kiểu 18650 Dung lượng: 1200mAH Nhiệt Độ : 20 ℃ ~ 45 ℃ Hình : Pin 3.7V 5.3 Mạ ch bả o vệ pin Sử dụng mạch sạc bả o vệ pin 1S 3,7V 4A Dùng để s ạc bả o vệ cho Pin Lithium (18650, 26650, ) Điện áp sạc đầy: 4.2V +/ 0.05V 11 Điện áp ngắ t xả: 2.45 +/0.1V Dịng xả tối đa: 4A Kích thước: 35x4x2.2mm Hình : Mạ ch bả o vệ pin 5.4 Kết đo Hình : Kết đo đầu vào Hình : Kết đo đầu 12 CHƯƠNG KẾT LUẬN Mạch đáp ứng đượ c yêu cầ u đặ t ra, áp đầ u tươ ng đố i ổ n định, sai số khoảng 2,5% chấp nhận đượ c chọ n điệ n trở chưa hồn tồn tỉ lệ Cầ n tìm hiểu thêm kiến thức để thiế t kế mạ ch boost converter sử dụng điều khiển cho mosfet giúp cải thiện hiệu suất mạch 13 Tài liệu tham khảo Giáo trình Điện tử cơng suấ t – Trầ n Trọng minh Basic Calculation of a Boost Converter's Power Stage – Texas Instrument https://datasheetspdf.com/ https://banlinhkien.com/ Internet 14 ... nghiên cứu Báo cáo gồm chương: Phân tích nhiệm vụ Tổng quan mạch DC – DC boost converter Tính tốn lựa chọn phần tử mạch boost converter Thiết kế nguyên lý mạch in Kết thực nghiệm Kết luận CHƯƠNG... biệ t l trườ ng kỹ thuậ t Trong họ c phần đồ án II vớ i yê u cầ u thiết kế mạch điệ n tử công suấ t, em lự a chọ n đề tài: ? ?Thiết kế mạch DC DC boost converter? ?? Em xin chân thành m ơn thầy Đào... PHẦN TỬ MẠCH DC DC BOOST CONVERTER 3.1 Tính tốn lự a chọn phần tử Ở ta t ính tốn cho mạch boost converter sử dụng ic boost tích hợp mosfet hoạt độ ng chế độ liên tục Hình : Mạch boost converter