BÁO cáo đồ án 1 tên đề tài MẠCH BUCK SYNCHRONOUS DC DC

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG HÀNG KHÔNG BÁO CÁO ĐỒ ÁN TÊN ĐỀ TÀI: MẠCH BUCK SYNCHRONOUS DC-DC GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Ths Nguyễn Hữu Châu Minh SINH VIÊN: NGUYỄN ĐÌNH CHIẾN MSSV: 1953020078 LỚP: 19ĐHĐT02 Thành phố Hồ Chí Minh – 5/2022 HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIẸT NAM KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG HK CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN Họ tên sinh viên: NGUYỄN ĐÌNH CHIẾN MSSV: 1953020078 Lớp: 19ĐHĐT02 Tên đồ án môn học: Mạch BUCK SYNCHRONOUS DC-DC Nhiệm vụ đồ án: Sử dụng mạch việc biến đổi điện áp dịng điện Ngày giao đồ án mơn học: ……/……/…… Ngày hồn thành đồ án mơn học: ……/……/…… Họ tên người hướng dẫn: Thầy Nguyễn Hữu Châu Minh T/p Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Phần đánh giá:  Ý thức thực hiện:  Nội dụng thực hiện:  Hình thức trình bày:  Tổng hợp kết quả: Điểm số: Điểm chữ: (Quy định thang điểm lấy điểm tròn theo quy định trường) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) năm 2021 LỜI NÓI ĐẦU Bộ chuyển đổi nguồn chế độ chuyển đổi bật ngành công nghiệp ngày cung cấp giải pháp hiệu cao để ứng dụng rộng rãi Bộ chuyển đổi chế độ chuyển đổi tìm thấy nguồn mạch sạc pin cho máy tính, dụng cụ điện, tivi, máy tính bảng, thơng minh điện thoại, tơ vô số thiết bị điện tử khác Một chuyển đổi phổ biến cho người tiêu dùng ngành công nghiệp điện tử chuyển đổi bước xuống DC: DC, gọi chuyển đổi buck Bộ chuyển đổi buck đồng sử dụng để bước điện áp từ cấp cao xuống cấp thấp Với ngành chuyển sang tảng hiệu suất cao hơn, hiệu chuyển đổi điện quan trọng Thiết kế sức mạnh chuyển đổi phải tối ưu hóa để tối đa hóa hiệu suất để đáp ứng yêu cầu khách hàng Bởi điều này, quan trọng hiểu nguyên tắc chuyển đổi buck đồng cách chọn thích hợp thành phần mạch PHẦN I TỔNG QUAN VỀ ĐỒ ÁN CHƢƠNG I PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ Đề tài Thiết kế mạch BUCK SYNC DC-DC với yêu cầu kỹ thuật: • Input Vin =2V ->>15V • Output Vout = khoảng 5%* Vout tới 95% *Vout ( tùy vô phần điều khiển ) ,sai số khoảng % • Hiệu suất: n khoảng 90 % Mục đích nghiên cứu Do tính khả dụng rộng rãi tính tích hợp cao Thiết bị chuyển đổi chế độ chuyển DC sang DC, thiết kế hệ thống kỹ sư khơng cịn phải nỗ lực nhiều vào thiết kế chuyển đổi công suất thấp cho nhiều ứng dụng Tuy nhiên, phân tích cho phép nhà thiết kế hệ thống thực hắc chắn điều chỉnh chuyển mạch IC sử dụng đầy đủ khả Thiết kế mạch buck 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 buck sync • Tính tốn mạch lực • Thi cơng lắp ráp • Kết thực nghiệm nhận xét kiến nghị Phƣơng pháp nghiên cứu: Tham khảo , tìm hiểu kiến thức qua internet tài liệu sách vở, luận văn liên quan đến đề tài CHƢƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan mạch buck synchronous DC-DC 2.1.1 Khái niệm Kiến thức công cụ chuyển đổi đồng Buck Bộ chuyển đổi buck đồng đơn giản sử dụng nhiều điện tử tiêu dùng Một chuyển đổi buck đồng tạo điện áp quy định thấp điện áp đầu vào cung cấp giảm thiểu tổn thất điện Như hiển thị Hình dưới, chuyển đổi buck đồng bao gồm hai MOSFET công suất, cuộn cảm đầu đầu tụ điện Cấu trúc liên kết buck cụ thể lấy tên từ phương pháp điều khiển hai MOSFETs cơng suất; bật / tắt kiểm sốt đồng hóa để cung cấp điện áp đầu để ngăn MOSFETs bật đồng thời 2.1.2 Nguyên lý làm việc Bộ chuyển đổi buck đồng bao gồm hai MOSFET công suất, cuộn cảm đầu đầu tụ điện Cấu trúc liên kết buck cụ thể lấy tên từ phương pháp điều khiển hai MOSFETs công suất; bật / tắt kiểm sốt đồng hóa để cung cấp điện áp đầu để ngăn MOSFETs bật lúc Q1, MOSFET phía cao, kết nối trực tiếp với điện áp đầu vào mạch Khi Q1 bật, dịng điện cung cấp cho tải thơng qua MOSFET phía cao Suốt lúc này, Q2 tắt dòng điện qua cuộn cảm tăng, sạc lọc LC Khi Q1 tắt, Q2 bật dòng điện cung cấp cho tải qua mức thấp MOSFET bên Trong thời gian này, dòng điện qua cuộn cảm giảm, xả lọc LC Mặt thấp MOSFET cung cấp chức bổ sung hai MOSFET tắt Nó kẹp điện áp nút chuyển đổi thông qua diode thể để ngăn VSW âm xa bóng bán dẫn phía cao lần tắt 2.1.3 Dạng sóng dùng mạch hạ áp đồng Hình cho thấy dạng sóng cho đồng bộ biến đổi buck chế độ dẫn liên tục Tổng số thay đổi dòng điện dẫn gọi đỉnh-đến-đỉnh dòng điện dẫn, IL Điện áp nút chuyển đổi làm mịn giai đoạn đầu LC để tạo Điện áp DC đầu Các MOSFET kiểm soát đồng để ngăn chặn bắn xuyên qua Bắn qua xảy MOSFET bên cao bên thấp đồng thời, cung cấp đường ngắn MOSFET bên cao thời gian xác định nhiệm vụ chu kỳ mạch, xác định công thức: Nếu chu kỳ làm việc, D, cạnh cao MOSFET bật 100% thời gian điện áp đầu điện áp đầu vào Chu kỳ nhiệm vụ 0,1 có nghĩa MOSFET bên cao chiếm 10% thời gian, tạo điện áp đầu xấp xỉ 10% điện áp đầu vào 2.1.4 Ƣng dụng Bộ chuyển đổi nguồn chế độ buck bật ngành công nghiệp ngày cung cấp giải pháp hiệu cao để ứng dụng rộng rãi Bộ chuyển đổi chế độ chuyển đổi tìm thấy nguồn mạch sạc pin cho máy tính, dụng cụ điện, tivi, máy tính bảng, thơng minh điện thoại, tô vô số thiết bị điện tử khác Một chuyển đổi phổ biến cho người tiêu dùng ngành công nghiệp điện tử chuyển đổi DC: DC, gọi chuyển đổi buck đồng 2.2 Các khái niệm lý thuyết liên quan đến vấn đề nghiên cứu 2.2.1 Phần điều khiển mạch hạ áp đồng (control) * Khái niệm: Trong mạch cần phần mạch để điều khiển nhằm thay đổi điện áp đầu cách điều chế xung, điều chỉnh độ rộng xung sử dụng thêm ic điều khiển FET để thay đổi biên độ xung giúp cho FET hoạt động cách hiệu 2.2.2 Các thành phần cấu tạo nên điều khiển a Arduino ONO R3: Nhiệm vụ Arduino ONO R3 để điều chế xung với tần số mong muốn để kết nối với IC điều khiển FET IR2112 Một vài thông số Vi điều khiển Điện áp hoạt động Tần số hoạt động Dòng tiêu thụ Điện áp vào khuyên dùng Điện áp vào giới hạn Số chân Digital I/O Số chân Analog ATmega328 họ 8bit 5V DC (chỉ cấp qua cổng USB) 16 MHz khoảng 30mA 7-12V DC 6-20V DC 14 (6 chân hardware PWM) (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa chân I/O Dòng tối đa (5V) Dòng tối đa (3.3V) Bộ nhớ flash SRAM EEPROM 30 mA 500 mA 50 mA 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bootloader KB (ATmega328) KB (ATmega328) Arduino UNO sử dụng vi điều khiển họ 8bit AVR ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não xử lí tác vụ đơn giản điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm trạm đo nhiệt độ - độ ẩm hiển thị lên hình LCD,… Các chân lượng       GND (Ground): cực âm nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng thiết bị sử dụng nguồn điện riêng biệt chân phải nối với 5V: cấp điện áp 5V đầu Dòng tối đa cho phép chân 500mA 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu Dòng tối đa cho phép chân 50mA Vin (Voltage Input): để cấp nguồn cho Arduino UNO, bạn nối cực dương nguồn với chân cực âm nguồn với chân GND IOREF: điện áp hoạt động vi điều khiển Arduino UNO đo chân Và dĩ nhiên ln 5V Mặc dù bạn không lấy nguồn 5V từ chân để sử dụng chức khơng phải cấp nguồn RESET: việc nhấn nút Reset board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET nối với GND qua điện trở 10KΩ b IC điều khiển FET IR2112: D=50% biên độ xung 15V * Bảng khảo sát điện áp điện áp vào Điện áp vào Điện áp 8v 4.07v 10v 5.04v 12v 6.05v 14v 6.7v * Nhận xét: Sau lần khảo sát ta thấy với DUTI CYCLE 50% ta thấy mạch hạ áp gần với tính tốn Đáp ứng cá yêu cầu đề => Hiệu suất mạch : n = 92%( qua lần khảo sát) 22 CHƢƠNG IV THI CƠNG VÀ LẮP RÁP 4.1 Mơ PROTEUS 4.1.1 Mạch mơ đầy đủ Sau hồn tất việc mô ta thay đổi nguồn cung cấp điện khớp nối để tiến hành vẽ mạch in 23 4.1.2 Thiết kế mạch in PCB Mạch in thiết kế trực tiếp phần mềm PROTEUS Sau sơ đồ mô linh kiện: 24 4.2 Tiến hành thi công phần cứng 4.2.1 Chuẩn bị dụng cụ để thi công  Bảng đồng để làm mạch in  Giấy in mạch  Bột rửa mạch  Bàn ủi nhiệt  Cưa cắt bảng mạch  Mỏ hàn  Máy khoan  Và dụng cụ khác… 4.2.2 Thi công Bƣớc 1: In phần layout bảng mạch máy in laser giấy A4 giấy bóng -Cần chọn màu đen phần mềm thiết kế PCB cài đặt máy in để in màu đen -Cần đảm bảo phần in mặt bóng giấy Bƣớc 2: Cắt phíp đồng để làm bảng mạch -Cắt phíp đồng theo kích thước bảng mạch cưa -Chà phần cạnh miếng đồng bơng gịn miếng rửa chén để loại bỏ lớp oxit phíp đồng Bề mặt nhám giúp cho hình ảnh từ giấy dính tốt 25 Bƣớc 3: Chuyển phần in PCB lên miếng đồng - Ủi giấy bóng - Đặt bảng mạch in giấy bóng lên bảng đồng Đảm bảo bo mạch chỉnh xác dọc theo đường viền giấy in sử dụng băng keo để giữ bảng giấy in vị trí Bƣớc 4: Ủi để chuyển mạch từ giấy in vào PCB -Sau in giấy bóng, đặt hình mạch in xuống đồng chỉnh bàn ủi lên nhiệt độ cao -Đặt bảng giấy in lên mặt bàn gỗ cho mặt lưng giấy in hướng phía bạn -Sử dụng kẹp để giữ đầu cố định Sau đặt bàn ủi nóng lên đầu lại 10 giây Tiếp đến, ủi nhẹ dọc theo mặt giấy in mũi bàn ủi từ đến 15 phút -Chú ý đến phần rìa bảng mạch, bạn cần phải ủi từ từ.Nhiệt từ bàn ủi chuyển mực in từ giấy qua đồng -Chú ý khơng chạm trực tiếp vào đồng lúc nóng Sau ủi xong, đặt in vào nước ấm 10 phút Giấy mềm bạn gỡ nhẹ nhàng 26 Bƣớc 5: Rửa mạch -Đầu tiên đeo găng tay cao su vào -Đặt vài tờ báo phía để dung dịch ăn mịn khơng đổ sàn -Lấy hộp nhựa đổ đầy nước -Hòa 2-3 muỗng bột FeCl3 vào nước -Nhúng bảng mạch in vào dung dịch ăn mòn 30 phút -FeCl3 phản ứng với phần đồng chưa có lớp in loại khỏi bảng mạch -Q trình gọi ăn mịn Sử dụng kẹp để gắp PCB kiểm tra phần đồng khơng phủ mực in ăn mịn hết chưa Nếu chưa tiếp tục bỏ vào dung dịch Bƣớc 6: Vệ sinh khoan lỗ Cần ý đổ dung dịch ăn mịn ngồi mơi trường độc với sinh vật sống nước Đừng đổ vào ống cống làm hỏng đường ống Bạn pha lỗng đem vứt chỗ an toàn Tiếp theo nhỏ vài giọt aceton vào bơng gịn để lau phần mực in, lúc lộ mặt đồng Rửa lau khơ khăn Cắt đến kích thước cuối làm mịn cạnh giấy nhám 27 Bây bạn khoan lỗ khoan chuyên dụng hàn linh kiện vào mạch Nếu bạn muốn có màu xanh để nhìn cho đẹp thêm lớp sơn chống hàn lên bề mặt 4.3.3 Kết qua thi công Arduino kết nối trực tiếp với bo mạch 28 PHẦN III KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CHƢƠNG V KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ NHẬN XÉT 5.1 Kết thực nghiệm 5.1.1 Khảo sát điện áp điện áp vào Cho Vout 10V, 9V ,8V, 6V , 5V, D= 50% * Sau kết thực nghiệm qua lần: Lần : Vout =10 , Vin xấp xỉ 5V 29 Lần : Vout =8.99V, Vin xấp xỉ 4.5 V Lần : Vout =8.V, Vin xấp xỉ V 30 Lần 4: Vout =5.99V, Vin xấp xỉ V Lần : Vout =5.02V, Vin xấp xỉ 2.5 V 31 5.1.2 Bảng khảo sat sau lần thực nghiệm STT V in V out Lần 10V Xâp xỉ 5V Lần 8.99 V Xấp xỉ 4,5 V Lần 8V Xấp xỉ V Lần 5.99V Xấp xỉ V Lần 5.02 V Xấp xỉ 2.5 V 5.2 Rút nhận xét 5.2.1 Kết hoạt động mạch so với mục tiêu đề Mục tiêu Kết -Hoàn thành mạch mơ -Đã hồn thành tất mục tiêu đề -Tính tốn thơng số -Mạch chạy ổn không phát sinh yếu tố khơng mong muốn q nhiệt… -Hồn thành phần cứng 5.2.2 Ƣu điểm Mạch hoàn thành với kết tốt mong đợi mục tiêu đề ra, hiệu suất mạch đạt 90% Sự kết nối phần mạch điều khiển phần mạch hạ áp hợp lý, mạch điều khiển qua ARDUINO 5.2.3 Nhƣợc điểm Vì mạch giảm áp đồng nên phần mạch điều khiển phần mạch cấp nguồn riêng nên mạch hoạt động cần đáp ứng nguồn điện hợp lý không mạch không hoạt động với công suất 32 5.2 Kiến nghị -Về hướng phát triển đề tài : sử dụng cảm biến dòng kết hợp với vi xử lý để giảm áp mà không cần nhiều tới phần điều khiển 33 LỜI CẢM ƠN Cảm ơn thầy định hướng hướng dẫn em hồn thành mơn học Với đề tài thầy định hướng giúp em tiếp thu vân dụng nhiều kiến thức học, giúp em hiểu kiến thức mạng internet Đây đề để đánh giá lực cho môn họ mà đề tài nghiên cứu khoa học, đề tài giúp em hiểu sơ lĩnh vực nguồn xung ngành Điện-Điện tử Tuy đề tài em nghiên cứu phần tảng kiến thức lớn giúp em việc phát triển lực thân định hướng hướng tương lai gần Một lần em xin chân thành cảm ơn thầy việc giúp em định hướng nghề nghiệp, chúc thầy gặp nhiều niềm vui công việc giảng dạy 34 MỤC LỤC PHẦN I TỔNG QUAN VỀ ĐỒ ÁN Chƣơng PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu CHƢƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan mạch buck synchronous DC-DC 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Nguyên lý làm việc 2.1.3 Dạng sóng dùng mạch hạ áp đồng 2.1.4 Ƣng dụng 2.2 Các khái niệm lý thuyết liên quan đến vấn đề nghiên cứu 2.2.1 Phần điều khiển mạch hạ áp đồng (control) 2.2.2 Các thành phần cấu tạo nên điều khiển 2.2.3 Phần mạch PHẦN II NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ Chƣơng TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 3.1 Sơ mạch hạ áp BUCK SYNC DC-DC 14 3.2 Thiết kế tính tốn cho phần mạch điều khiển 15 3.2.1 Tổng quan phần mạch điều khiển 3.2.2 Điều chế xung 3.2.3 Điều chế biên độ xung 3.2.4 Kết thiết kế phần mạch điều khiển 3.3 Thiết kế tính tốn cho phần mạch ( phần mạch hạ áp) 17 3.3.1 Tổng quan phần mạch 3.3.2 Cơ sở lý thuyết cho việc tính tốn : 35 3.3.3 Thiết kế mạch 3.3 Kết mô 21 Chƣơng THI CƠNG VÀ KẾT QUẢ 4.1 Mơ PROTEUS 23 4.1.1 Mạch mô đầy đủ 4.1.2 Thiết kế mạch in PCB 4.2 Tiến hành thi công phần cứng 25 4.2.1 Chuẩn bị dụng cụ để thi công 4.2.2 Thi công 4.3.3 Kết qua thi công PHẦN III KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Chƣơng KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ NHẬN XÉT 5.1 Kết luận 29 5.1.1 Kết hoạt động mạch so với mục tiêu đề 5.1.2 Ưu điểm 5.1.3 Nhược điểm 5.2 Kiến nghị 32 36