Báo cáo bài tập lớn điện tử công suất đề bài mạch nguồn xung flyback pmp9576 1

24 Trang 3 3 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển của ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện tử đóng vai trò quan trọng trong mỗi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiệp

1

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ 1

=====o0o=====

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Đề bài: Mạch nguồn xung Flyback PMP9576.1

Sinh viên thực hiện Nguyễn Nhật Minh

Mã sinh viên B20DCDT137

Giảng viên Nguyễn Văn Thành

HÀ NỘI, 05 / 2023 -⁃⁃⁃⁃‹‹‹﴾֍﴿›››⁃⁃⁃⁃ -

2

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

LỜI NÓI ĐẦU 3

LỜI CẢM ƠN 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

MẠCH NGUỒN XUNG FLYBACK PMP9576.1 5

Chương I: Tổng quan về mạch nguồn xung Flyback 5

1.1 Nguồn switching là gì? Nguồn xung là gì? 5

1.2 Nguồn xung flyback 5

1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của một bộ nguồn xung 7

1.4 Giới thiệu về mạch nguồn xung flyback PMP9576.1 8

Chương II: Giới thiệu về IC UCC28710 11

2.1 IC UCC28710 11

Chương III: Phân tích mạch 18

3.1 Khối chỉnh lưu điện áp ngõ vào 18

3.2 Khối dao động tạo xung 19

3.3 Khối biến áp xung 20

3.4 Khối chỉnh lưu điện áp ra 21

3.5 Khối hồi tiếp 22

Chương IV: Hình ảnh mạch in 24

Chương V: Kết luận 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

3

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển của ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện tử đóng vai trò quan trọng trong mỗi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiệp

tự động hóa, cung cấp thông tin do đó chúng ta phải nắm bắt và vận dụng một cách

có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển của nền khoa học kĩ thuật thế giới nói chung và trong kỹ thuật điện tử nói riêng

Với nền công nghiệp phát triển 4.0 như bây giờ thì chúng ta sẽ không ngạc nhiên gì khi những thiết bị điện tử bây giờ ngày càng trở nên đa dạng, hiện đại hơn, chất lượng tốt hơn Đi theo những thiết bị điện tử đó là những yêu cầu đòi hỏi về nguồn cung cấp điện Điều đặc biệt ở đây là trong hàng nghìn thiết bị điện tử thì chúng ta thấy hầu hết thiết bị điện tử bây giờ đếu sử dụng nguồn xung chứ không phải là nguồn tuyến tính thông thường nữa Do đó yêu cầu về các loại nguồn cung cấp điện ngày càng được chú trọng, đứng trước yêu cầu đó và nhu cầu cũng như mong muốn học hỏi tìm hiểu về các loại nguồn xung của chính bản thân và những

người yêu thích lĩnh vực này, em đã bắt tay vào nghiên cứu đề bài ‘‘Mạch Nguồn

Xung Flyback PMP9576.1’’

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Thầy Nguyễn Văn Thành đã tận tình chỉ dạy những kiến thức điện tử công suất cơ bản để em có thể hoàn tất bài tập lớn này

4

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Sơ đồ khối mạch Flyback 6

Hình 2: Sơ đồ khối nguồn xung 7

Hình 3: Mạch nguyên lý nguồn xung flyback PMP9576.1 8

Hình 4: IC tạo dao động UCC28710 12

Hình 5: Sơ đồ khối chức năng nguồn xung flyback PMP9576.1 14

Hình 6: Sơ đồ khối chỉnh lưu điện áp ngõ vào 18

Hình 7: Sơ đồ khối dao động tạo xung 19

Hình 8: Hoạt động của khối biến áp xung khi vừa cấp nguồn đầu vào 20

Hình 9: Sơ đồ khối chỉnh lưu điện áp ra 22

Hình 10: Sơ đồ khối hồi tiếp 23

5

MẠCH NGUỒN XUNG FLYBACK PMP9576.1 Chương I: Tổng quan về mạch nguồn xung Flyback 1.1 Nguồn switching là gì? Nguồn xung là gì?

➢ Nguồn switching hay thường gọi là nguồn xung là tên gọi thường dùng để phân biệt giữa nguồn dùng biến áp xung và biến áp thường là bộ nguồn có tác dụng biến đổi từ nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện một chiều bằng chế độ dao động xung tạo bằng mạch điện tử kết hợp với một biến

áp xung Tùy theo mức điện áp đầu ra phù hợp với thiết bị sử dụng, các nhà sản xuất đã tính toán và thiết kế với mức điện áp ra mong muốn Một

số điện áp ngõ ra một chiều thường dùng như 5VDC, 9VDC, 12VDC, 24VDC, 48VDC

➢ Nguồn xung được thiết kế dựa trên chuyển mạch tần số cao dùng biến áp xung cho hiệu suất cao, tối giản được về kích thước và trọng lượng khi thiết kế, trong mạch sử dụng linh kiện chuyển mạch tần số cao ít suy hao như mosfet hoặc transistor high speed, biến áp xung nhỏ gọn

1.2 Nguồn xung flyback

1.2.1 Nguồn xung flyback là gì?

➢ Mạch flyback hay flyback converter là một cấu trúc liên kết cung cấp điện

sử dụng cuộn cảm ghép đôi lẫn nhau, để lưu trữ năng lượng khi dòng điện chạy qua và giải phóng năng lượng khi nguồn điện bị ngắt Mạch flyback tương tự như mạch boost về cấu tạo và hiệu suất Tuy nhiên, cuộn sơ cấp của máy biến áp thay thế cuộn cảm trong khi cuộn thứ cấp cung cấp đầu ra Trong cấu hình flyback, cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp được sử dụng như hai cuộn cảm riêng biệt

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch flyback

➢ Khi dòng điện chạy qua cuộn cảm bị cắt, năng lượng tích trữ trong từ trường được giải phóng do sự đổi chiều đột ngột của điện áp ở cực Nếu một diode được đặt ở vị trí để dẫn năng lượng tích trữ đến một nơi nào đó hữu ích, thì diode đó được gọi là diode flyback Điều này chỉ yêu cầu một cuộn dây trên cuộn cảm, vì vậy cuộn cảm sẽ được gọi là biến áp flyback Sự sắp xếp này có đặc tính thú vị là chỉ truyền năng lượng sang phía thứ cấp của nguồn điện khi công tắc sơ cấp tắt

➢ Mạch flyback cơ bản sử dụng một số lượng linh kiện tương đối nhỏ Thiết

bị chuyển mạch cắt điện áp DC đầu vào và năng lượng trong cuộn sơ cấp được chuyển sang thứ cấp thông qua máy biến áp chuyển mạch Một diode trong cuộn thứ cấp chỉnh lưu điện áp trong khi tụ điện làm mịn điện áp chỉnh lưu Trong mạch thực tế, một mạch phản hồi được sử dụng để giám sát điện áp đầu ra

6

Hình 1: Sơ đồ khối mạch Flyback

➢ Trong ứng dụng điển hình, thiết bị chuyển mạch như transistor được bật

và tắt thường bằng tín hiệu điều chế độ rộng xung Cực của máy biến áp thường được đảo ngược để khi transistor bật, dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp, tuy nhiên, diode thứ cấp được phân cực ngược và dòng điện không chạy trong cuộn dây này Năng lượng được lưu trữ trong máy biến áp cho đến khi tắt MOSFET Năng lượng được lưu trữ tạo ra dòng điện phân cực thuận diode

sẽ chỉnh lưu nó để tạo ra đầu ra DC

1.2.3 Ưu điểm của mạch flyback

➢ Cuộn sơ cấp được cách ly với đầu ra

➢ Có khả năng cung cấp nhiều điện áp đầu ra, tất cả đều được cách ly với nguồn chính

➢ Khả năng điều chỉnh nhiều điện áp đầu ra với một điều khiển duy nhất

➢ Có thể hoạt động trên nhiều loại điện áp đầu vào

➢ Mạch flyback sử dụng rất ít linh kiện so với các loại SMPS khác

1.2.4 Biến áp Flyback

➢ Biến áp flyback giống như hai cuộn cảm được ghép nối và do đó khác với biến áp thông thường Flyback được thiết kế để lưu trữ năng lượng trong khi loại thông thường thì không Ngoài ra, nó hoạt động ở tần số cao khoảng 50 kHz Lõi của nó thường được làm bằng ferit và bao gồm một khe hở không khí không từ tính mà qua đó năng lượng được lưu trữ Máy biến áp thông thường được làm bằng lõi sắt

➢ Để máy biến áp tích năng lượng trong khoảng thời gian dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp và sau này truyền năng lượng cho cuộn thứ cấp khi thiết bị đóng cắt thì hai cuộn dây thuần cảm phải được ghép từ tính

7

1.2.5 Những lưu ý khi thiết kế mạch flyback

➢ Tỷ lệ lượt ảnh hưởng đến dòng điện sơ cấp và thứ cấp đỉnh cũng như chu

kỳ làm việc Ví dụ, khi tỷ số vòng dây thấp, chu kỳ làm việc ngắn hơn và dòng điện trong cuộn sơ cấp sẽ tăng

➢ Máy biến áp thường được chế tạo tùy chỉnh vì không thể có tỷ lệ lượt hoàn hảo trên thị trường Khi rất khó để có được một máy biến áp hoàn hảo với tỷ

lệ lượt yêu cầu, tốt nhất là bắt đầu bằng cách tìm các máy biến áp có sẵn và chọn máy biến áp gần với định mức mong muốn Tiếp theo là chọn các linh kiện để bù lại sự khác biệt nhỏ giữa điện áp yêu cầu và đầu ra máy biến áp

1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của một bộ nguồn xung

➢ Về cấu tạo của mạch nguồn xung được chia ra làm nhiều khối với chức năng nhất định và tùy vào nhà sản xuất và mục đích sử dụng mỗi mạch nguồn sẽ

có sơ đồ khối khác nhau Nhưng về cơ bản, nguồn xung nói chung và mạch

trong pham vị vi bài báo cáo nói riêng thì chia ra làm 5 khối chính là: khối

chỉnh lưu điện áp vào, khối tạo xung điều khiển, khối biến áp xung, khối chỉnh lưu điện áp ra, khối hồi tiếp

➢ Về nguyên lý hoạt động chung của nguồn xung như sau:

Hình 2: Sơ đồ khối nguồn xung

➢ Theo như sơ đồ này, nguồn xung sẽ hoạt động như sau:

• Đầu tiên điện áp đầu vào (từ 110VAC cho đến 220VAC) sẽ xoay chiều qua các cuộn lọc nhiễu rồi vào đi ốt chỉnh lưu thành điện một chiều với điện áp từ khoảng 130 -300V (tùy từng điện áp AC đầu vào) trên tụ lọc

8

tử như transistor, mosfet hay IGBT cấp điện cho cuộn dây sơ cấp của

biến áp xung

• Nguồn điện sau khi đi qua cuộn đến cuộn thứ cấp của biến áp xung, ở

đó sẽ có những mạch chỉnh lưu cho ra điện một chiều cấp điện cho tải

tiêu thụ Điện áp thứ cấp này sẽ được duy trì ở một điện áp nhất định

như 3.3V, 5V, 9V, 12V, 15V, 18V, 24V nhờ mạch ổn áp

• Song song với quá trình này, mạch hồi tiếp sẽ lấy tín hiệu điện áp ra để

đưa vào bộ tạo xung dao động nhằm khống chế sao cho tần số dao động

ổn định với điện áp ra mong muốn

1.4 Giới thiệu về mạch nguồn xung flyback PMP9576.1

Hình 3: Mạch nguyên lý nguồn xung flyback PMP9576.1

1.4.1 Thông số

➢ Thiết kế tham chiếu cung cấp đầu ra 12V/3.3A riêng biệt từ đầu vào AC

85-265V thông dụng Thiết kế này đạt được hiệu suất lớn hơn 84% Việc sử

dụng bộ điều khiển Flyback điều chỉnh bên phía cuôn sơ cấp của biến áp kết

hợp với IC UCC28710 loại bỏ bộ ghép quang và các thành phần điều chỉnh

phía thứ cấp

➢ Mạch nguồn được thiết kế dựa trên những nguyên lý cơ bản của mạch nguồn

xung với đầu vào có thể thay đổi 85VAC hoặc 265VAC cho ra nguồn đầu

ra ổn định ở mức điện áp 12VDC với dòng điện tối đa lên đến 3.3A Mạch

sử dụng IC tạo dao động UCC28710 để điều khiển transistor Q2 và mosfet

Giá trị Thông tin

C1 1 15uF Tụ hoá, AL, 15uF, 400V, +/-20%, TH

C12 1 47uF Tụ hoá, AL, 47uF, 400V, +/-20%, TH

D1 1 1.1V Diode, Switching-Bridge, 600V, 1.5A,

DF-S

D3 1 100V Diode, Schottky, 100V, 20A, DDPAK

D4, D5 2 1.25V Diode, Switching, 200V, 0.2A, SOD-123

D6 1 1.05V Diode, Ultrafast, 600V, 1A, SMA

10

H2, H4 2 Machine Screw, Round, #4-40 x 1/4,

Nylon, Philips panhead

L1 1 33uH Inductor, Shielded Drum Core, Ferrite,

33uH, 0.97A, 0.165 ohm, SMD

L2 1 4000uH Coupled inductor, 4000uH, 1.5A, 0.14

T1 1 180Uh Transformer, Flyback 180 uH, TH

TP3 1 Red Test Point, TH, Miniature, Red

TP4 1 Black Test Point, TH, Miniature, Black

➢ Hiệu suất cao hơn 83% khi đầy tải (12V/3.3A)

➢ Công suất ít hơn 70mW tiêu thụ điện dự phòng khi không có tải

➢ Tính năng điều chỉnh dòng điện không đổi của IC UCC28710 đảm bảo bảo

• Bộ điều khiển cung cấp điện flyback UCC28710 cung cấp quy định đầu ra điện

áp không đổi (CV) và dòng điện không đổi (CC) cách ly mà không cần sử dụng

bộ ghép quang Thiết bị xử lý thông tin từ công tắc nguồn chính và cuộn dây flyback phụ để điều khiển chính xác điện áp đầu ra và dòng điện

• Các trạng thái hoạt động được kiểm soát động và cấu hình điều chế phù hợp hỗ trợ hoạt động hiệu quả cao ở tất cả các mức tải mà không làm giảm phản ứng thoáng qua đầu ra

• Các thuật toán điều khiển trong thiết bị UCC28710 cho phép hiệu quả hoạt động đáp ứng hoặc vượt quá các tiêu chuẩn hiện hành Các giao diện ổ đĩa đầu

ra với một công tắc nguồn bóng bán dẫn lưỡng cực, cho phép thiết kế bộ chuyển đổi chi phí thấp hơn Chế độ dẫn điện không liên tục (DCM) với chuyển mạch thung lũng làm giảm tổn thất chuyển mạch, trong khi điều chế tần số chuyển mạch và biên độ đỉnh dòng điện sơ cấp (FM và AM) giữ hiệu suất chuyển đổi cao trên toàn bộ dải tải và đường dây

• Bộ điều khiển có tần số chuyển mạch tối đa 100 kHz và luôn duy trì kiểm soát dòng điện cực đại sơ cấp trong máy biến áp Quá áp đầu ra và quá dòng cũng như các tính năng bảo vệ dưới điện áp đầu vào giúp kiểm soát ứng suất thành phần chính và phụ UCC28710 cũng cho phép bù sụt áp trong cáp được lập trình với điện trở bên ngoài

12

2.1.2 Tính năng

• Công suất không tải < 10mW

• Quy định phía chính (PSR) loại bỏ bộ ghép quang

• ± Điều chỉnh điện áp và dòng điện 5% trên đường dây và tải

2.1.3 Cấu hình chân và các chức năng chân IC

Hình 4: IC tạo dao động UCC28710

Tên

chân

Số chân

I/O Thông tin

CBC 3 I Chân để bù sụt áp Chân này được nối với điện trở qua

GND

CS 5 I Chân đầu vào cảm biến dòng điện nối tiếp với một điện

trở, nối đất với công tắc nguồn Điện áp đầu ra được sử dụng để theo dõi và kiểm soát đỉnh dòng điện của cuộn

sơ cấp của biến áp Một điện trở nối tiếp có thể được thêm vào chân này để bù mức cực đại chuyển đổi các mức hiện tại khi đầu vào nguồn AC thay đổi (chân phản hồi xuất xung)

DRV 6 O Chân xuất xung được sử dụng để điều khiển cực G của

chuyển mạch MOSFET

13

GND 4 - Chân nối đất vừa là chân tham chiếu cho bộ điều khiển

vừa là chân phản hồi tích cực mức thấp cho việc xuất xung

HV 7 I Chân điện áp cao kết nối trực tiếp với điện áp khối đã

được chỉnh lưu và cung cấp nạp điện cho chân VDD để khởi động nguồn điện

VDD 1 I Chân đầu vào cung cấp nguồn cho IC hoạt động

VS 2 I Chân đầu vào được sử dụng để cung cấp phản hồi điện

áp và thời gian cho IC Chân này được kết nối với bộ chia điện áp giữa cuộn dây và GND Giá trị điện trở của bộ chia này được sử dụng để hạn dòng nguồn điện xoay chiều ngưỡng chạy, dừng và bù dòng tại chân CS

2.1.4 Mô tả chi tiết

2.1.4.1 Tổng quan

• UCC28710 là bộ điều khiển cung cấp điện flyback cung cấp điện áp chính xác

và điều chỉnh dòng điện không đổi với phản hồi phía chính, loại bỏ sự cần thiết của các mạch phản hồi opto-coupler Bộ điều khiển hoạt động ở chế độ dẫn điện không liên tục với chuyển mạch thung lũng để giảm thiểu tổn thất chuyển mạch

Sơ đồ điều chế là sự kết hợp giữa tần số và điều chế dòng điện đỉnh sơ cấp để cung cấp hiệu quả chuyển đổi cao trên phạm vi tải Định luật điều khiển cung cấp phạm vi hoạt động động rộng của công suất đầu ra, cho phép nhà thiết kế điện đạt được công suất dự phòng dưới 10 mW

• Trong phạm vi hoạt động công suất thấp, thiết bị có tính năng quản lý năng lượng

để giảm dòng điện hoạt động của thiết bị ở tần số hoạt động dưới 33 kHz Điện

áp chính xác và điều chỉnh dòng điện không đổi, phản ứng động nhanh và bảo vệ lỗi đạt được với điều khiển phía chính Một giải pháp sạc hoàn chỉnh có thể được thực hiện với quy trình thiết kế đơn giản, chi phí thấp và số lượng thành phần thấp

14

2.1.4.2 Sơ đồ khối chức năng

Hình 5: Sơ đồ khối chức năng nguồn xung flyback PMP9576.1

2.1.4.3 Mô tả tính năng

2.1.4.3.1 Chân cấp nguồn (VDD)

• Chân VDD được kết nối với tụ điện bỏ qua nối đất Ngưỡng UVLO bật VDD

là 21 V và ngưỡng UVLO tắt là 7,7 V, với phạm vi hoạt động khả dụng lên đến

35 V trên VDD Thông số kỹ thuật sạc USB yêu cầu dòng điện đầu ra hoạt động ở chế 10 độ dòng điện không đổi từ 5 V đến tối thiểu 2 V, điều này có thể

dễ dàng đạt được với VDD danh định khoảng 22 V Khoảng không VDD bổ sung (lên đến 35 V) cho phép VDD tăng lên do năng lượng rò rỉ được cung cấp cho tụ điện VDD trong điều kiện tải cao

15

2.1.4.3.2 Chân đất (GND)

• Có một tham chiếu mặt đất bên ngoài thiết bị cho tham chiếu tín hiệu hiện tại

và tín hiệu tương tự của ổ đĩa cơ sở TI khuyên bạn nên đặt tụ điện bỏ qua VDD gần GND và VDD với các dấu vết ngắn để giảm thiểu nhiễu trên các chân tín hiệu VS và CS

2.1.4.3.3 HV (Khởi động điện áp cao)

• Chân HV được kết nối trực tiếp với tụ điện số lượng lớn để cung cấp dòng điện khởi động cho tụ điện VDD Dòng điện khởi động điển hình là ~300 µA cung cấp khả năng sạc nhanh cho tụ điện VDD Các thiết bị khởi động HV bên trong hoạt động cho đến khi VDD vượt quá ngưỡng bật UVLO là 21 V tại thời điểm

đó HV thiết bị khởi động bị tắt Ở trạng thái tắt, dòng rò rất thấp để giảm thiểu tổn thất ở chế độ chờ của bộ điều khiển Khi VDD giảm xuống dưới ngưỡng tắt 8.1-V UVLO, thiết bị khởi động HV sẽ được bật

2.1.4.3.4 Chân Voltage-Sense (VS)

• Chân VS được kết nối với bộ chia điện trở từ cuộn dây phụ xuống đất Thông tin phản hồi điện áp đầu ra được lấy mẫu vào cuối thời gian khử từ dòng điện thứ cấp của máy biến áp để cung cấp biểu diễn chính xác điện áp đầu ra Thông tin thời gian để đạt được chuyển mạch thung lũng và điều khiển chu kỳ làm việc của dòng biến áp thứ cấp được xác định bởi dạng sóng trên chân VS Tránh đặt tụ lọc trên đầu vào này vì nó sẽ cản trở việc cảm nhận chính xác dạng sóng này

• Chân VS cũng cảm nhận điện áp tụ điện số lượng lớn để cung cấp cho ngưỡng chạy và dừng đầu vào AC, và để bù ngưỡng cảm nhận dòng điện trên phạm vi đầu vào AC Trong quá trình bóng bán dẫn đúng giờ, chân VS được kẹp vào khoảng 250 mV dưới GND và dòng điện ra khỏi chân VS được cảm nhận Đối với chức năng chạy và dừng đầu vào AC, ngưỡng chạy trên VS là 225 μA và ngưỡng dừng là 80 μA Các giá trị cho bộ chia điện áp phụ điện trở trên (RS1)

và điện trở thấp hơn (RS2) có thể được xác định bằng Phương trình 1 và Phương trình 2

Phương trình 1

• NPA là tỷ lệ vòng quay sơ cấp trên phụ trợ của máy biến áp

• VIN (run) là điện áp AC RMS để cho phép bật bộ điều khiển

• IVSL (run) là ngưỡng chạy cho dòng điện kéo ra khỏi chân VS trong quá trình chuyển đổi đúng thời gian