đồ án môn học 1 mạch buck dc dc

Sơ đồ mạch Buck DC-DC- Bộ nguồn buck hoạt động như một Bộ nguồn điện áp nhưng sử dụng hoạtđộng chuyển đổi của một phần bán dẫn như BJT, MOSFET hoặc IGBT.. 2.3 Các linh kiện được sử dụng2

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG HÀNG KHÔNG

‒‒‒‒‒‒

ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1

TÊN ĐỀ TÀI: MẠCH BUCK DC-DC

Th.s Nguyễn Hữu Châu Minh Nguyễn Lê Bảo Duy

Mã số SV: 1953020068Lớp: 19ĐHĐT02

LỜI CẢM ƠN

Em cảm ơn thầy đã tận tình chỉ dạy và hướng dẫn em cùng các bạntrong học kì vừa qua Em chúc thầy có thật nhiều sức khỏe và vui vẻ trongmùa dịch này ạ

Em xin trân trọng cảm ơn!

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

……… Phần đánh giá:

Ý thức thực hiện:

Nội dụng thực hiện:

Hình thức trình bày:

Tổng hợp kết quả:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI MỞ ĐẦU

- Trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại ngày nay, việc chế tạo ra các bộ chuyển đổinguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụngđiện là hết sức cần thiết Quá trình xử lý biến đổi điện áp một chiều thànhđiện áp một chiều khác gọi là quá trình biến đổi DC-DC Cấu trúc mạch củacác bộ biến đổi DC-DC vốn không phức tạp nhưng vấn đề điều khiển nhằmđạt được hiệu suất biến đổi cao và đảm bảo ổn định luôn là mục tiêu của cáccông trình nghiên cứu

- Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hữu Châu Minh đã tận tình quantâm hướng dẫn em trong suốt thời gian qua Do còn việc hạn chế về trình độngoại ngữ, chuyên môn và thiếu kinh nghiệm làm bài nên đồ án của em cònnhiều khiếm khuyết, sai sót Em mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp từthầy để có thể thấy rõ những điều cần nghiên cứu bổ sung, giúp cho việc xâydựng đề tài đạt đến kết quả hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

Chương 1 PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ

1.1 Đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 1

1.3 Nội dung nghiên cứu 1

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ MẠCH BUCK DC-DC 2.1 Khái niệm 2

2.2 Các khái niệm lý thuyết liên quan đến vấn đề nghiên cứu 3

2.3 Các linh kiện được sử dụng 4

Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH 3.1 Sơ đồ khối toàn mạch 10

3.2 Sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động 11

3.3 Tính toán mạch lực 12

3.3.1 Tính toán cuộn cảm L 12

3.3.2 Tính toán tụ C đầu ra 12

3.3.3 Tính toán diode D và Mosfet 13

Chương 4: THI CÔNG VÀ KẾT QUẢ 4.1 Thi công 15

4.1.1 Mô phỏng trên proteus 15

4.1.2 Mô phỏng trên kicad 16

4.1.3 Vẽ PCB 17

4.1.4 Mạch 3D 17

4.2 Kết quả kiểm thử mạch 18

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Sơ đồ mạch Buck 2

Hình 2.2 Duty cycle 3

Hình 2.3.1 Hình ảnh điện trở 4

Hình 2.3.2 Hình ảnh biến trở 5

Hình 2.3.3 Hình ảnh tụ điện 5

Hình 2.3.4 Hình ảnh cuộn cảm 6

Hình 2.3.5 Hình ảnh diode 7

Hình 2.3.6 Hình ảnh MOSFET 8

Hình 2.3.7.a Hình ảnh IC IR2112 9

Hình 2.3.7.b Sơ đồ chân IC IR2112 9

Hình 2 3.8 Hình ảnh Arduino 10

Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch Buck 11

Hình 3.2.1 Sơ đồ mạch Buck đơn giản 12

Hình 3.2.2 Khi khóa chuyển mạch ON 12

Hình 3.2.3 Khi khóa chuyển mạch OFF 13

Hình 4.1.1.a Mạch mô phỏng proteus 15

Hình 4.1.1.b Hình DUTYCYCLE 15

Hình 4.1.1.c Độ cao xung 16

Hình 4.1.2.a Mạch mô phỏng Kicad 16

Hình 4.1.2.b Chọn linh kiện Kicad 17

Hình 4.1.3 Mạch mô phỏng PCB 17

Hình 4.1.4.a Mạch 3D mặt trên 17

Hình 4.1.4.b Mạch 3D mặt dưới 18

Chương 1 PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ

- Thiết kế mạch Buck không quá phức tạp nhưng vẫn đạt được hiệu suấtchuyển đổi cao và đảm bảo ổn định luôn là mục tiêu của công trình nghiêncứu

1.3 Nội dung nghiên cứu

Báo cáo gồm 6 chương:

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ MẠCH BUCK DC-DC

2.1 Khái niệm

- Mạch Buck còn được gọi là mạch Buck hạ áp và tên tiếng Anh đầy đủ làBuck Converter Đây là một bộ chuyển đổi DC-Dc phổ biến nhất hiện nay, nóthực hiện nhiệm vụ chuyển đổi điện áp cao sang điện áp thấp cực hiệu quả đónhé! Buck giúp chuyển đổi năng lượng một cách hiệu quả thông qua đó mànói kéo dài tuổi thọ của pin, giảm sinh nhiệt trong quá trình vận hành và chophép xây dựng các tiện ích nhỏ hơn

- Bộ nguồn buck chỉ có bốn phần chính Chúng là công tắc (Q1 trong hìnhbên dưới), diode (D1 trong hình bên dưới), cuộn cảm (L1 trong hình bên dưới)

và bộ lọc tụ điện (C1 trong hình bên dưới) Điện áp đầu vào VIN phải cao hơnđiện áp đầu ra VOUT để đủ điều kiện làm Bộ nguồn buck hoạt động

Hình 2.1 Sơ đồ mạch Buck DC-DC

- Bộ nguồn buck hoạt động như một Bộ nguồn điện áp nhưng sử dụng hoạtđộng chuyển đổi của một phần bán dẫn như BJT, MOSFET hoặc IGBT Q1 sẽbật và tắt liên tục, D1 hoạt động như một diode freewheel, L1 sẽ sạc và xảnăng lượng trong khi C1 sẽ tích trữ năng lượng Bộ nguồn Buck là Bộ nguồnđiện áp tổn thất thấp và có hiệu suất hơn 90% khi được thiết kế phù hợp

2.2 Các khái niệm lý thuyết liên quan đến vấn đề nghiên cứu

- Chu kỳ làm việc hoặc chu kỳ nguồn là phần của một chu kỳ trong đó tínhiệu hoặc hệ thống đang hoạt động Chu kỳ nhiệm vụ thường được biểu thịdưới dạng phần trăm hoặc tỷ lệ Khoảng thời gian là thời gian cần thiết để mộttín hiệu hoàn thành một chu kỳ bật và tắt

Hình 2.2 Duty cycleCông thức tính:

2.3 Các linh kiện được sử dụng

2.3.1 Điện trở 100

- Điện trở là một linh kiện điện tử có công dụng dễ hiểu nhất là để giảm dòngđiện chảy trong mạch (hạn chế cường độ dòng điện) Đây cũng là câu trả lờicho nhiều người không biết resistor là gì Trong tiếng Anh, resistor là điện trở

- Khả năng giảm dòng điện của điện trở được gọi là điện trở suất và được đobằng đơn vị ohms (đơn vị điện trở)

- Nếu chúng ta tạo ra sự tương tự với dòng nước chảy qua các đường ống, thìđiện trở là một ống mỏng làm giảm lưu lượng nước

2.3.2 Biến trở 50K

- Biến trở là một linh kiện dùng để thay đổi được giá trị điện trở của mình từmức min cho tới mức max Biến trở 50K điều đó có nghĩa rằng đây là mộtbiến trở con chạy có thể thay đổi giá trị điện trở từ 0-50k (kí lô ohm)

Hình 2.3.2 Hình ảnh biến trở2.3.3 Tụ điện

- Tụ hóa 10uF 50V là tụ phân cực, có dung môi là một lớp hóa chất Tụ hóa10uF 50V là tụ có hình trụ, trị số được ghi trực tiếp trên thân tụ Sau trị

số điện dung bao giờ cũng có giá trị điện áp, điện áp ghi trên tụ chính là điện

áp cực đại mà tụ có thể chịu được, vượt qua giá trị này thì lớp cách điện sẽ bịđánh thủng , trong thực tế ta phải lắp tụ có trị số điện áp cao gấp khoảng 1,5lần điện áp của mạch điện

Hình 2.3.3 Hình ảnh tụ điệnThông số kỹ thuật:

Hình 2.3.4 Hình ảnh cuộn cảm2.3.5 Diode

- 1N4007 là một diode đa năng được sử dụng rộng rãi Nó thường được dùnglàm bộ chỉnh lưu trong phần nguồn điện của các thiết bị điện tử để chuyển đổiđiện áp AC thành DC với các tụ lọc khác Nó là một diode của dòng 1N400x,trong đó cũng có những diode tương tự khác từ 1N4001 đến 1N4007 và sựkhác biệt duy nhất giữa chúng là điện áp ngược lặp lại tối đa

- Nó cũng có thể được sử dụng trong bất kỳ ứng dụng chung nào cần diode.Diode 1N4007 được chế tạo để làm việc với điện áp cao và nó có thể dễ dàng

xử lý điện áp dưới 1000V Với dòng điện trung bình 1000mA hay 1A, côngsuất tiêu thụ 3W, kích thước nhỏ và giá rẻ diode này rất lý tưởng cho nhiềuứng dụng khác nhau

Hình 2.3.5 Hình ảnh diodeTính năng / thông số kỹ thuật

Loại gói: DO-45 và SMD

Loại diode: diode ứng dụng chung chỉnh lưu silicon

Điện áp ngược lặp lại tối đa là: 1000 V

Dòng Fwd trung bình: 1000mA

Dòng Fwd tối đa không lặp lại: 30A

Công suất tiêu thụ tối đa là: 3W

Nhiệt độ lưu trữ và hoạt động phải là: -55 đến +175 độ C

2.3.6 Mosfet ( IRF540N)

- IRF540 là MOSFET công suất được thiết kế điều khiển tải dòng điện cao

Nó có thể xử lý tải tối đa lên đến 23A và điện áp tải tối đa lên đến 100V DC

Nó được sử dụng công nghệ rãnh giúp đạt được khả năng điều khiển cao Nó

có thể được sử dụng cho cả mục đích công tắc và khuếch đại Transistor này

sở hữu một số tính năng tốt rất lý tưởng để sử dụng làm công tắc Nó có khảnăng thực hiện chuyển mạch tốc độ cao vì vậy nó có thể được sử dụng trongnhiều ứng dụng khác nhau cần chuyển mạch cho tải với tốc độ cao như UPS

- Ngoài ra, nó cũng có thể được sử dụng như một bộ khuếch đại, công suấttiêu tán tối đa 100W rất lý tưởng để xây dựng bộ khuếch đại âm thanh côngsuất lớn và nó cũng có thể được sử dụng trong các tầng khuếch đại âm thanhcông suất lớn

Hình 2.3.6 Hình ảnh MOSFETLoại transistor: Kênh N

Điện áp tối đa từ cực máng đến cực nguồn: 100V

Điện áp tối đa từ cực cổng đến cực nguồn phải là: ± 20V

Dòng cực máng liên tục tối đa là: 23A (Các nhà sản xuất khác nhau có địnhmức hơi khác nhau về dòng cực máng liên tục)

Dòng cực máng xung tối đa là: 92A (Các nhà sản xuất khác nhau có định mứchơi khác nhau về dòng cực máng liên tục)

Công suất tiêu tán tối đa là: 100W

Điện áp tối thiểu cần thiết để dẫn điện: 2V đến 4V

Nhiệt độ bảo quản và hoạt động phải là: -55 đến +150 độ C

2.3.7 IC ( IR2112)

- IR2112 là một IC điện áp cao, điều khiển MOSFET và IGBT Có các kênhđầu ra tham chiếu high-side và low-side độc lập với điện áp ngưỡng 600 V.Tính năng Bootstrap giúp nó tương thích với các ứng dụng của bộ điều khiểnhigh-side

Hình 2.3.7.a Hình ảnh IC IR2112

Hình 2.3.7.b Sơ đồ chân IC IR2112

2.3.8 Arduino

- Arduino là nền tảng mã nguồn hay là nền tảng vi mạch thiết kế có chức năngtạo tính liên kết và tương tác với nhau giữa các ứng dụng điện tử được conngười xây dựng Arduino còn được sử dụng để thay thế các công cụ chuyệnnạp code cho người lập trình giúp các dự án điện tử trở nên dễ dàng và đơngiản hơn Một Arduino sẽ bao gồm phần cứng là Open – source hardware vàphần mềm là Open – source softwave

Hình 2 3.8 Hình ảnh Arduino

Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH

3.1 Sơ đồ khối toàn mạch

- Xem sơ đồ khối đơn giản bên dưới Hầu hết các bộ chuyển đổi DC sang DChoạt động như nguồn cung cấp điện cho chế độ chuyển mạch Đầu vào của nó

là nguồn DC cung cấp không được kiểm soát Đầu ra là điện áp DC đượcđiều chỉnh ổn định

- Nói một cách đơn giản, bộ chuyển đổi DC sang DC sẽ thay đổi nguồn điện

áp Cao hơn hoặc thấp hơn điện áp ban đầu Khi chúng ta thấy một mạchchuyển đổi buck cơ bản

Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch Buck

- Có thể hiểu đơn giản:

+Vin là một điện áp đầu vào phổ biến như Hoa Kỳ Và ” Uin ” choquốc gia Châu Âu

+Vout là điện áp đầu ra của Hoa Kỳ Và ” Uout ” ở các nước Châu Âu

- Trong mạch này, nó chỉ bao gồm 3 thành phần chính

• S là khóa chuyển mạch điện tử

• D là một diode

• L là một cuộn dây

• C là Tụ điện

3.2 Sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động

Hình 3.2.1 Sơ đồ mạch Buck đơn giản

- Khi khóa chuyển mạch dẫn khi đó dòng qua mosfet cũng chính là dòng quaL1 và nạp vào cho tụ điện và duy trì dòng qua tải Dòng qua L1 và dòng nạpvào tụ C1 không tăng đột ngột mà tăng từ từ khi đó điện áp ra trên tải cũngtăng từ từ ,lúc này diode D1 không dẫn vì bị phân cực ngược

Hình 3.2.2 Khi khóa chuyển mạch ON

- Khi khóa chuyển mạch tắt dòng qua tải được lấy từ cuộn cảm L1 và 1 phầnnhỏ của tụ điện C1 ( tụ phóng ) lúc này diode D1 dẫn ngay lập tức và dòngqua tải lúc này chính là dòng qua diode Diode D1 bắt buộc phải có để bảo vệmosfet khỏi bị hỏng do điện áp ngược đặt lên nó khi cắt dòng Điện áp ngược

do cuộn cảm L1 sinh ra cộng với nguồn E có thể đánh chết mosfet ngay lậptức.

Hình 3.2.3 Khi khóa chuyển mạch OFF

3.3.2 Tính toán tụ C đầu ra

C =

8.��.∆Vc=

8.62,5�.0,5= 2uF

Chọn tụ C1 có giá trị là 10uF, 50V

3.3.3 Tính toán diode D và Mosfet

- Ta chọn diode D1 1N4007 với thông số 1000V, 3W,1A

- Ta chọn van là loại IRF540N với các thông số:VDDS = 100V

Chương 4: THI CÔNG VÀ KẾT QUẢ

4.1 Thi công

4.1.1 Mô phỏng trên proteus

Hình 4.1.1.a Mạch mô phỏng proteus

4.1.1.c Độ cao xung4.1.2 Mô phỏng Kicad

Hình 4.1.2.a Mạch mô phỏng Kicad

Hình 4.1.2.b Chọn linh kiện Kicad4.1.3 Vẽ PCB

Hình 4.1.3 Mạch mô phỏng PCB4.1.4 Mạch 3D

 Mặt trên

Hình 4.1.4.a Mạch 3D mặt trên

Chương 5: KẾT LUẬN5.1 Kết luận

- Kết quả tính toán giống với thực tế sai số khoảng 2.5% Kết thúc đồ án 1,

em đã thực hiện được đúng tiến bộ và đạt được chỉ tiêu đề ra, một số kiếnthức thu được :

- Thiết kế được mạch Buck DC-DC

- Mô hình hóa được đối tượng

- Tính toán được các giá trị linh kiện trong mạch

- Đã mô phỏng mô hình được bằng Proteus

- Trong suốt quá trình làm việc không thể thiếu được các ý kiến hướng dẫncủa thầy Nguyễn Hữu Châu Minh Chúng em xin cảm ơn sự giúp đỡ nhiệttình của thầy trong suốt quá trình làm đồ án Trong suốt quá trình thực hiệnmặc dù cố gắng hết sức nhưng kiến thức rộng lớn, chúng em còn nhiều thiếusót và rất mong được sự đóng góp, góp ý từ phía thầy để chúng em hoàn thiệnhơn

TÀI LIÊU THAM KHẢO

[1] Fundamentals of Power Electronics -Erickson

[2] Lý thuyết điều khiển tuyến tính - PGS Nguyễn Doãn Phước.[3] Giáo trình điện tử công suất- Trần Trọng Minh

[4] Transformer and Inductor Design Handbook – Lyman[5] Aluminum Capacitors Axial Miniature, Long-Life, Vishay