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 NAMKHOA 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 DuyMã 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

Ý thức thực hiện:Nội dụng thực hiện:Hình thức trình bày:Tổng hợp kết quả:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022GIÁO 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-DC2.1 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 MẠCH3.1 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 QUẢ4.1 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

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

1.1 Đề tài

Thiết kế mạch buck dc-dc với yêu cầu kỹ thuật:Input Vin=12v

Output Vout= 5VHiệu suất: n = 90%1.2 Mục đích nghiên cứu

- Học phần đồ án 1 định hướng sinh viên làm mạch chú trọng đếnANALOG, giúp sinh viên nắm vững những kiến thức đã học và áp dụngvào thực tiễn, quen với việc thiết kế , làm mạch thật và đo đạt mạch.- 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 cứuBáo cáo gồm 6 chương: Phân tích nhiệm vụ Tổng quan về mạch buck Tính toán mạch lực

 Thiết kế nguyên lý và mạch in Kết quả thực nghiệm Kết luận

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 dụng2.3.1 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.

Hình 2.3.1 Hình ảnh điện trở

- Điện trở 100 Ohm 1/4W Carbon film có giá trị dung sai rất nhỏ 5%, và chấtlượng cao (nhiễu nhiệt nhỏ, đặc tính tần cao) Tuy nhiên, điện trở Carbon fimcó công suất rất thấp chỉ 1/4W Điện trở cắm 100 Ohm 1/4W có kích thướcnhỏ chiều dài chỉ 6.5mm, rộng 2mm, chân cắm 0,5mm Nhiệt độ hoạt độngtừ −55�� đến 155�� và dải điện áp rộng thích hợp với nhiều mạch điện tử

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 trịsố điện dung bao giờ cũng có giá trị điện áp, điện áp ghi trên tụ chính là điệnáp 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:

Điện áp: 50V

Nhiệt độ hoạt động: -55°C 125°CLoại: Điện dung cố định

2.3.4 Cuộn cảm

- Cuộn cảm có tên gọi là cuộn từ hay cuộn từ cảm, là một linh kiện điện tử thụđộng được cấu tạo từ rất nhiều vòng dây điện (lõi đồng) quấn xung quanh cáclõi (sắt non, nam châm, không khí) Khi dòng điện chạy qua sẽ sinh ra từtrường, độ mạnh của từ trường mạnh hay yếu gọi là độ tự cảm hay từ dung kýhiệu là L và đơn vị đo là Henry (H) Các lõi sắt trong cuộn cảm được làmbằng các tấm lá thép non.

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 dàngxử 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 siliconĐiện áp ngược lặp lại tối đa là: 1000 V

Dòng Fwd trung bình: 1000mADòng Fwd tối đa không lặp lại: 30ACông 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 Nócó thể được sử dụng cho cả mục đích công tắc và khuếch đại Transistor nàysở 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: 100VĐiện 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 4VNhiệt 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 nólà 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 điệnáp 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 OFF3.3 Tính toán mạch lực

- Tính toán các thành phần của mạch lực theo thông số của nguồn như côngsuất, điện áp vào ra dòng tải…

Các thông số của mạch như sau:- Vin= 12V

- Vout= 5V ± 0,1%- n ≈ 90%- FS= 62,5kHz- T =��1 = 1

62,5�= 16 us- D =��� ����� = 5

12.0,9= 0.46∆IL =10% I = 0,1.5 = 0,5A∆Vc= 10%.Vo= 0,1.5 = 0,5VMạch lực sử dụng các thành phần sau:

3.3.1 Tính toán cuộn cảm LL = (��� − ����).���.∆IL =(24 − 12).0,55

62.5�.0,5 = 103uHChọn L1= 150uH , 3A

3.3.2 Tính toán tụ C đầu ra

C =

8.62,5�.0,5= 2uFChọn 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

RDS(on) = 44m ΩID = 33 A

Tốc độ chuyển mạch nhanhDải nhiệt độ làm việc: -25 ÷ +1750CKiểu vỏ: TO-220

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