ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1 ĐỀ TÀI MẠCH BOOST DC-DC

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG HÀNG KHƠNG ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ ĐỒ ÁN MƠN HỌC ĐỀ TÀI : MẠCH BOOST DC-DC Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Th.s Nguyễn Hữu Minh Châu Phan Hồng Doanh Mã số SV: 1953020071 Lớp: 19 ĐH ĐT-02 TP Hồ Chí Minh-2022 Lời nói đầu Trong lĩnh vực kỹ thuật đại ngày nay, việc chế tạo chuyển đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, chi phí rẻ, kích thước nhỏ gọn cho thiết bị sử dụng điện cần thiết Quá trình biến đổi điện áp chiều thành điện áp chiều khác gọi trình biến đổi DC-DC với mạch biến đổi phổ biến buck converter, boost converter, boost buck, flyback Trong học phần đồ án mơn học em tìm hiểu cách “ thiết kế mạch boost converter dc-dc” Em xin chân thành cảm ơn thầy châu minh quan tâm ,tận tình hướng dẫn để em hồn thành đồ án Do cịn hạn chế trình độ chuyên môn thiếu kinh nghiệm làm đồ án, nên đồ án em nhiều thiếu sót Em mong nhận nhiều ý kiến đóng góp lời khuyên từ thầy điều cần nghiên cứu bổ sung, giúp cho việc xây dựng đề tài đạt đến kết hoàn thiện tạo tiền đề cho đồ án sau Mục lục CHƯƠNG PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ············································1 Đề tài···················································································1 Mục đích nghiên cứu································································1 Nội dung nghiên cứu································································1 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠCH BOOST································2 Khái niệm mạch boost······························································2 Ưu nhược điểm mạch boost···················································2 Nguyên lý mạch boost·······························································3 Ứng dụng ··············································································5 CHƯƠNG TÍNH TỐN MẠCH LỰC··········································6 Mô tả mạch············································································6 1.1 Yêu cầu thiết kế····································································6 1.2 Thơng số mạch························································6 Tính tốn lựa chọn phần tử····················································6 2.1 Tính chọn cuộn cảm L····························································7 2.2 Tính chọn tụ········································································8 2.3 Tính chọn diode mosfet·······················································8 Tính tốn mạch tạo xung IC 555··················································9 CHƯƠNG THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ VÀ MẠCH IN·······················10 Vẽ schematic·········································································10 Vẽ PCb················································································11 Mơ hình 3D··········································································11 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM······································12 Kết mô proteus··················································12 CHƯƠNG KẾT LUẬN····························································11 Mục Lục Hình Ảnh Hình 1.0 - Sơ đồ mạch boost·····················································2 Hình 1.1 - Giai đoạn nguyên lý hoạt động···································3 Hình 1.2 - Giai đoạn nguyên lý hoạt động···································4 Hình 1.3 - Giai đoạn nguyên lý hoạt động···································4 Hình 1.4 - Sơ đồ nguyên lý························································5 Hình 1.5 - Sơ đồ nguyên lý························································6 Hình 1.6 - Đặc tính P-V I -V··················································7 Hình 1.7 - Điện áp dòng điện cuộn dây·······························7 Hình 1.8 - Sơ đồ mạch tạo xung·················································9 Hình 1.9 - Sơ đồ nguyên lý······················································10 Hình 2.0 - Assign PCB footprints··············································10 Hình 2.1 a PCB - Kích thước chiều dài ·····································11 Hình 2.1 b PCB - Kích thước chiều rộng····································11 Hình 2.2 - Mặt trên·······························································12 Hình 2.3 - Mặt dưới······························································12 Hình 2.4 - Xung IC 555··························································13 Hình 2.5 - Kết sau boost···············································13 Hình 2.6 - Điện áp dịng có tải·····································14 Hình 2.7 - Dạng sóng ra··························································14 Hình 2.8 - Độ gợn áp qua tụ····················································15 CHƯƠNG PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ Đề tài Thiết kế mạch boost dc-dc với yêu cầu kỹ thuật:  Input Vin =12v  Output Vout =24v, Iout = 2A ,sai số 5%  Hiệu suất: n=90% Mục đích nghiên cứu Học phần đồ án định hướng sinh viên làm mạch trọng đến ANALOG, giúp sinh viên nắm vững kiến thức học áp dụng vào thực tiễn, quen với việc thiết kế , làm mạch thật đo đạt mạch Thiết kế mạch boost không phức tạp đạt hiệu suất chuyển đổi cao đảm bảo ổn định mục tiêu cơng trình nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Báo cáo gồm chương:  Phân tích nhiệm vụ  Tổng quan mạch boost  Tính tốn mạch lực  Thiết kế nguyên lý mạch in  Kết thực nghiệm  Kết luận CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠCH BOOST Khái niệm mạch boost Mạch boost hay mạch step-up loại chuyển đổi công tắt chế độ đơn giản Như tên gọi nó, nhận điện áp đầu vào tăng điện áp lên Mạch gồm : cuộn cảm , công tắt bán dẫn( MOSFET), diode xung tụ điện Cũng cần nguồn sóng vng tuần hồn để điều khiển MOSFET, đơn giản định thời 555 chí vi mạch SMPS chuyên dụng vi mạch MC34063A Hình 1.0 - Sơ đồ mạch boost Với linh kiện để tạo mạch boost, cồng kềnh biến áp xoay chiều cuộn cảm Nó đơn giản ban đầu phát triển vào năm 1960 để cung cấp lượng cho hệ thống điện tử máy bay Yêu cầu mạch phải nhỏ gọn hiệu Ưu nhược điểm mạch boost Với đồ án ta thiết kế mạch boost dùng ic định thời 555 để điều khiển mosfet có số ưu nhược điểm sau: - Thời gian đáp ứng chưa đủ nhanh - Mạch tổn hao nhiều trình nạp xả tụ, điện trở - Nếu điện áp boost cao từ 7v trở lên phải dùng IC ổn áp để tạo điện áp cố định cho IC 555 hoạt động đủ cho hiệu ứng Feedback - Công suất phụ thuộc vào cuộn cảm L mosfet , giá trị cuộn cảm cần lớn - Mạch ổn định có Feedback Nguyên lý mạch boost  Chúng ta xem xét bước hoạt động mạch boost áp + Giai đoạn 1: Tụ điện đầu nạp đến điện áp đầu vào trừ phần sụt giảm diode Hình 1.1- Giai đoạn nguyên lý hoạt động + Giai đoạn 2: Khi cơng tắt đóng Nguồn tín hiệu tăng cao, bật mosfet Tất dòng điện chuyển hướng qua mosfer thông qua cuộn cảm , tụ điện đầu sạc khơng thể phóng điện qua diode phân cực ngược.Nguồn điện không bị đoản mạch cuộn cảm làm cho dịng điện tăng lên từ từ ta từ trường hình thành xung quanh cuộn cảm ,lưu ý đến cực điện áp đặt cuộn cảm Hình 1.2- Giai đoạn nguyên lý hoạt động +Giai đoạn 3: Mosfet bị tắt dòng điện đến cuộn cảm bị dừng đột ngột, chất cuộn cảm trì dịng điện trơn tru khơng thích đột ngột dịng điện Nó đáp ứng điều cách tạo điện áp lớn có cực ngược lại với điện áp ban đầu cung cấp cho cách sử dụng lượng tích trữ từ trường để trì dịng điện Nếu quên phần lại phần tử mạch ý đến ký hiệu phân cực, nhận thấy cuộn cảm lúc hoạt động giống nguồn điện áp mắc nối tiếp với điện áp cung cấp Điều có nghĩa cực dương diode điện áp cao so với cực âm (hãy nhớ lúc đầu tụ điện sạc để cung cấp điện áp) phân cực thuận Tụ điện đầu nạp đến điện áp cao trước điều có nghĩa nâng thành cơng điện áp lên mức cao Hình 1.3- Giai đoạn nguyên lý hoạt động  Nguyên lý mạch điều khiển Hình 1.4- Sơ đồ nguyên lý + Dùng ic định thời 555 để tạo xung vuông với tần số duty cycle tính tốn, mạch sử dụng tần số 100khz ,không thể đưa tần số lớn để kích trực tiếp vào mosfet nên ta đưa xung ic 555 vào mạch “todem pole” gọi mạch phân tần sau đưa qua Điện trở R5 dùng để hạn dòng mở FET lên điện trở R4 dùng để hạn dòng tắt FET Hồi tiếp điện áp thông qua diode zener phân cực ngược để tạo điện áp 12v hồi tiếp chân số ic đầu 24v mạch qua mạch lọc LC để tránh nhiễu sóng dội ngược nguồn cấp dẫn đến hư hỏng sau qua tụ 104 để lọc cao tần Ứng dụng Làm mạch desunfat bảo dưỡng ắc quy, cấp nguồn cho thiết bị đòi hỏi điện áp cao cỡ vài chục vơn nguồn cấp có điện áp thấp ,nâng áp mạch nguồn xung TV, LED CHƯƠNG TÍNH TỐN MẠCH LỰC Mơ tả mạch Hình 1.5- Sơ đồ ngun lý 1.1 Yêu cầu thiết kế Input: Vin =12vdc Output: Vout = 24vdc, Imax =2A, sai số 0.5% Hiệu suất : n=90% 1.2 Thơng số mạch Cơng suất đầu : Pout = 24.2 = 48W 24 Tải trở R= = 12 ohm 48 Pout 72 Công suất đầu vào : Pin = n = 0.9 =80 W , IIN = 7A Tần số đóng cắt : f = 100khz Tính tốn lựa chọn phần tử Với thông số yêu cầu ta tính chọn linh kiện cho mạch Hình 1.6- Đặc tính P-V I-V Dựa vào nguyên lý hoạt động dạng sóng điện áp dịng điện ta thiết lập mối liên hệ điện áp đầu vào điện áp đầu sau: Vin n 12.0,9 DUTY CYCLE : D = - Vout =1 − 24 =0.55 ( n hiệu suất mạch) 2.1 Tính chọn cuộn cảm L Nếu ta chọn ΔIL có giá trị bé giá trị L lớn Lúc việc chế tạo cuộn cảm thực tế tốn giá trị L lớn Nếu ta chọn ΔIL có giá trị lớn giá trị L nhỏ Lúc việc chế tạo cuộn cảm thực tế tốn giá trị L nhỏ Nhưng ngược lại ΔIL lớn làm cho dòng điện hiệu dụng qua thiết bị đóng cắt dịng điện qua cuộn cảm lớn Vì vậy, thực tế để tối ưu giá trị điện cảm L, tính tốn thiết kế ta thường Chọn độ đập mạch dòng ∆ IL=(20 % −40 % ) Iout = 0,2.2 = 0,4A Hình 1.7 - Điện áp dịng điện cuộn dây L = Vin (Vout − Vin) 24 −12 =12 =150 uH f ∆ I Vout 100 k 0,4 24 ∆ IL Vin Vin DT D + =Vin( + ) IL max = I L + = 2 L Lf = 5,1A R(1 − D) R (1− D) ∆ IL Vin Vin DT D − =Vin( − ) = 4,7A IL = I L − = 2 2L R(1 − D) R (1− D) Lf Để dòng ngõ liên tục , IL ≥ ==> Vin[ D − ¿≥0 R (1− D) Lf D (1 − D) R =6,6 uH ==> L≥ 2f Vì ta chọn cuộn cảm khoảng 47uH -> 150uH Chọn L1= 100uH, 6A 2.2 Tính chọn tụ Độ gợn áp ∆ Vo=4 %Vo=0,04.24=0,96v D 2.0,55 C1 =Iout ∆ Vo f = 0,96.100 k =11 uF Chọn tụ có giá trị 100uF,100v 2.3 Tính tốn chọn diode mosfet Điện áp ngược đặt lên van 24-30v ∆ IL Io 0,4 Dịng trung bình qua van : Is = + − D = + 1− 0,55 ≈ A Chọn mosfet IRF540N có thơng số 100v ,33A Điện áp ngược đặt lên diode với hệ số dự trữ chọn 1.3 VD = 1,3.24= 31V Dòng trung bình qua diode ID = IL.(1-D) = 2,2A Chọn diode schottky SR5100 có thơng số 100v ,5A 2.4 Tính toán mạch lọc LC phụ Tần số cắt : wc = = √ LC √ 4,7.10 −6 220 10 −6 =31 kℎz Khi w < wc tín hiệu qua Khi w>wc tín hiệu đầu bé , biên độ dần tiến Chọn tụ = 220uF,100V Cuộn cảm = 4,7uH, 5A Tính tốn mạch tạo xung IC 555 Hình 1.8 - Sơ đồ mạch tạo xung + Với tần số cho trước F = 100kHz ==> T=10us +DUTY CYCLE D = 55% , chọn tụ C2 = 1nF, 50v D% = t on =¿> ¿ton = 5,5us T T = ton + toff ==> toff =4,5us Toff = ln(2).R2.C2 ==> R2 ≈ 6,8 Kohm Ton = ln(2).(R1+R2).C2 ==> R1≈ 1,5 Kohm Vậy ta chọn R1 =1,5Kohm ,R2 = 6,8Kohm 1/2w CHƯƠNG THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ VÀ MẠCH IN Vẽ schematic Ta vẽ mạch in phần mềm kicad Hình 1.9 - Sơ đồ nguyên lý - Update Footprintf - chọn kích thước chân cho linh kiện Hình 2.0 - Assign PCB footprintfs 10 Vẽ PCB Hình 2.1 a PCB - Kích thước chiều dài Hình 2.1 b PCB - Kích thước chiều rộng 11 Mơ hình 3D Hình 2.2 - Mặt Hình 2.3 - Mặt 12 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Kết mô proteus + Kết tạo xung với tần số 100kHz DUTY = 0.55 Hình 2.4- Xung IC 555 + Kết sau boost Hình 2.5 - Kết sau boost - Điện áp đầu dao động khoảng 24 - 26v khơng tải 13 - Khi có tải sụt áp cịn khoảng 20-23v Hình 2.6- Điện áp dịng có tải Hình 2.7 - Dạng sóng 14 Hình 2.8 - Độ gợn áp qua tụ Kết mơ Kết tính tốn VOUT 24.1V 24-26V IOUT 2.1 2A ∆ Vout 2V 0.96V Bảng so sánh kết thực nghiệm 15 CHƯƠNG KẾT LUẬN Mạch đáp ứng yêu cầu đặt , điện áp đầu tương đối ổn định sai số khoảng 2,5%, kết mô đo thực tế có khác biệt, kết đo thực tế có giá trị gần sát với tính tốn Qua ta thấy tầm quan trọng mơn thí nghiệm, thực hành thực tế giúp em thấy vấn đề gặp phải thiết kế mạch thực tế, cách để tra datasheet linh kiện cho phù hợp với mạch mình,cách gia cơng mạch in từ giúp em có kinh nghiệm để làm tiền đề cho môn học sau công việc sau 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] tài liệu điện tử cơng suất - Nguyễn Bính [2] Tài liệu mạch điện tử - Trương Văn Tám [3] https://www.ti.com/ - Texas Intrusments [4] https://www.thegioiic.com/ [5] https://datasheetspdf.com/ [6] Giáo trình IC tạo xung Pulse Generator Integrated Circuit - Th.s Nguyễn hữu châu minh [7] Sơ đồ nguyên lý IC 555 17