Nghiên cứu và thiết kế bộ chuyển đổi Buck

Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ LỜI NÓI ĐẦU Bộ nguồn chuyển mạch SMPS - Switch Mode Power Supplies đã được nghiên cứu và ứng dụng rất rộng rãi trong các thiết b

Trang 1

Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-***** -

SONEXAY PHANTHAVONG

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ

BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Thái Nguyên, năm 2012

Trang 2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-***** -

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: TNU 108625270033

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Thái Nguyên, năm 2012

Trang 3

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

Trang 4

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Ngoài các tài liệu tham khảo đã đƣợc trích dẫn, các số liệu tính toán thiết kế và kết quả mô phỏng trong luận văn là trung thực, không trùng lặp và chƣa từng đƣợc ai công bố trong các công trình nghiên cứu nào khác

Thái Nguyên, ngày 11 tháng 03 năm 2013

Tác giả luận văn

Trang 5

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN IV MỤC LỤC V DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ VIII DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU X LỜI NÓI ĐẦU XI

MỞ ĐẦU 13

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU 15

1.1 Giới thiệu 15

1.2 Kỹ thuật chuyển mạch 16

1.3 Bộ chuyển đổi DC-DC 18

1.3.1 Giới thiệu 18

1.3.2 Bộ nguồn SMPS 19

1.3.3 Phân loại các bộ chuyển đổi DC 20

1.3.4 Lý do sử dụng các bộ chuyển đổi Buck 21

CHƯƠNG II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK 21

2.1 Nguyên lý bộ chuyển đổi Buck 22

2.1.1 Sự phát triển của mạch chuyển đổi Buck 22

2.1.2 Mục đích của các thành phần khác nhau của bộ chuyển đổi Buck 25

2.1.3 Các trạng thái hoạt động 29

2.1.4 Mạch chuyển đổi Buck đồng bộ 31

2.2 Tính toán thiết kế bộ chuyển đổi Buck thực tế 34

2.2.1 Tính toán tần số chuyển mạch 34

2.2.3 Tính toán cho Tụ 38

2.2.4 Bộ điều khiển điều chế độ rộng xung 40

2.2.6 Tuyến tính hóa mô hình trạng thái 44

2.2.7 Tiêu chuẩn ổn định 51

2.2.8 Mạch bù 53

2.2.9 Điều khiển truyền thẳng 59

2.2.10 Điều khiển chế độ điện áp/dòng điện 59

CHƯƠNG III THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK 62

3.1 Thông số ban đầu 63

3.2 Tham số đầu vào 63

Trang 6

3.3 Sơ đồ bộ chuyển đổi Buck 63

3.4 Tính toán các tham số 64

3.5 Đánh giá 68

3.5.1 Tải lớn nhất 68

3.5.2 Tải thay đổi 69

3.5.3 Hiệu suất 69

3.5.4 Tiết diện linh kiện bán dẫn 69

KẾT LUẬN 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

Trang 7

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BJT Bipolar Junction Transistor

CCM Continuous Conduction Mode

CMC Current Mode Control

CMOS Complementary MOS

DC Direct Current

DCM Discontinuous Conduction Mode

DCR Direct Current Resistance

ESL Equivalent Series Inductance

ESR Equivalent Series Resistance

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

NFET Negative Channel Field Effect Transistor

PDA Personal Digital Assistants

PFM Pulse Frequency Modulation

PWM Pulse Width Modulation

SMPS Switch Mode Power Supplies

SRBC Synchronous Rectifier Buck Converter

VLSI Very Large Scale Integration

VMC Voltage Mode Control

Trang 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

1 Hinh 1.1 Mối liên hệ giữa điện tử, công suất, điều khiển 3

2 Hình 1.2 Lưu đồ các hệ thống nguồn một chiều 4

6 Hình 1.6 Vị trí bộ chuyển đổi Buck trong hệ thống 9

7 Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát bộ nguồn chuyển mạch 10

8 Hình 2.2 Mạch điện gồm chuyển mạch đơn cực 2 tiếp điểm với tải

9 Hình 2.3 Mạch điện có bổ xung thêm cuộn cảm 11

11 Hình 2.5 Mạch chuyển đổi Buck với tải điện trở 12

13 Hình 2.7 Sơ đồ tổng quát bộ chuyển đổi BUCK 17

16 Hình 2.10 Chế độ liên tục và không liên tục 19

18 Hình 2.12 Trạng thái ON/OFF của chuyển mạch 23

21 Hình 2.15 Dòng điện qua chuyển mạch MOSFET thời gian đóng 26

Trang 9

22 Hình 2.16 Độ gợn sóng của điện áp ra trong bộ chuyển đổi từng

24 Hình 2.18 Bộ so sánh sử dụng điện áp chuẩn 29

25 Hình 2.19 Tín hiệu so sánh điều chế độ rộng xung 30

27 Hình 2.21 Cấu trúc hệ thống điều khiển phản hồi tuyến tính hóa 32

29 Hình 2.23 Chuyển đổi Buck (a) on; (b) off 35

39 Hình 2.33 Sơ đồ nguyên lý điều khiển chế độ điện áp 48

40 Hình 2.34 Sơ đồ nguyên lý điều khiển chế độ dòng điện 49

42 Hình 3.2 Đồ thị Bode của bộ chuyển đổi Buck 53

43 Hình 3.3 Đồ thị Bode cho mạch bù loại III 54

44 Hình 3.4 Đồ thị Bode cho bộ chuyển đổi Buck mạch vòng hở 54

Trang 10

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

1 ng 1.1 So sánh giữa bộ nguồn tuyến tính và bộ nguồn chuyển mạch 6

2 dòng điện 2.1: So sánh chế độ điều khiển điện áp và chế độ điều khiển 50

3 3.1: Thông số kỹ thuật của bộ chuyển đổi Buck thiết kế 51

6 Bảng 3.4: Kết quả với RL= 5Ω, ESR = DCR = 1, R1= 60 kΩ 55

7 Bảng 3.5: Kết quả với RL= 19Ω, ESR = DCR = 1, R1= 60 kΩV 56

8 Bảng 3.6: Kết quả với ESR = 30E-3, DCR = 1, R1= 60 kΩC 56

Trang 11

LỜI NÓI ĐẦU

Bộ nguồn chuyển mạch (SMPS - Switch Mode Power Supplies) đã được nghiên cứu và ứng dụng rất rộng rãi trong các thiết bị điện tử Trong một thiết bị điện tử có thể có nhiều mức nguồn cấp khác nhau Để chuyển đổi thành các điện áp một chiều này, bộ chuyển đổi Buck được sử dụng Luận văn này nghiên cứu mối liên quan đặc biệt giữa SMPS với bộ chuyển đổi chỉnh lưu đồng bộ Buck (SRBC - Synchronous Rectifier Buck Converter), đồng thời tập trung vào việc nghiên cứu, thiết kế bộ chuyển đổi Buck cho các ứng dụng khác nhau

Được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS Nguyễn Duy Cương cùng

các thầy cô giáo giảng dạy các môn học khác, tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp

cao học “Nghiên cứu và thiết kế bộ chuyển đổi Buck” với các nội dung chính như

sau:

Chương 1: Giới thiệu – Tìm hiểu sơ lược về bộ nguồn một chiều sử dụng kỹ thuật

chuyển mạch, các kỹ thuật chuyển mạch và bộ chuyển đổi nguồn DC-DC

Chương 2: Nguyên lý hoạt động của bộ chuyển đổi Buck – Tìm hiểu về bộ chuyển

đổi Buck Phân tích các đặc điểm của bộ chuyển đổi Buck, tìm hiểu phương thức tính toán thiết kế các thông số cũng như đánh giá độ ổn định của bộ chuyển đổi

Chương 3: Thiết kế bộ chuyển đổi Buck – Thực hiện thiết kế bộ chuyển đổi Buck

thực tế, mô phỏng họat động với các điều kiện cụ thể, đánh giá độ ổn định của thiết

kế

Do đề tài được hòan thành với thời gian ngắn, điều kiện để tiếp cận cũng như năng lực của bản thân còn hạn chế nên luận văn không thể tránh khỏi các thiết sót Rất mong các thầy cô giáo và bạn đọc góp ý để đề tài được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 3 năm 2013

Người thực hiện

Trang 12

Sonexay Phanthavong

Trang 13

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Bộ nguồn chuyển mạch SMPS (Switch Mode Power Supplies) là một bộ phận rất quan trọng trong kỹ thuật điện tử hiện đại vẫn đã và đang tiếp tục được phát triển và hoàn thiện trong suốt 25 năm qua Luận văn này tập trung vào việc nghiên cứu mối liên quan đặc biệt giữa SMPS với bộ chuyển đổi chỉnh lưu đồng bộ Buck (SRBC - Synchronous Rectifier Buck Converter) Luận văn này cũng thảo luận về tiềm năng to lớn, làm tiền đề cho lý thuyết thiết kế các ứng dụng khác dựa xung quanh SRBC Nội dung chính của luận văn này là nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho phép giảm nhỏ kích thước, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của bộ chuyển đổi nguồn trong các thiết bị

di động như điện thoại di động hoặc PDA (Personal Digital Assistants) Để đạt được các yêu cầu trên, luận văn nghiên cứu dựa vào kỹ thuật bán dẫn 90nm với điện áp đầu vào là 1,55V và điện áp đầu ra là 1V, công suất tiêu hao vào khoảng 200mW

Nội dung chính của luận văn này là tìm hiểu lý thuyết về bộ chuyển đổi Buck kéo theo các vấn đề về thiết kế bộ chuyển đổi này với các ứng dụng khác nhau, riêng biệt, các chế độ hoạt động, thiết kế bộ điều khiển và phần quan trọng nhất là việc thiết

kế cơ cấu bù (Compensator) Các tính toán ở mức hệ thống sẽ sử dụng phần mềm MATLAB và mô phỏng với thư viện 90nm

II Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận văn là tìm hiểu phương pháp và ứng dụng để thiết kế bộ chuyển đổi Buck

III Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan các lý thuyết liên quan và phương pháp thiết kế bộ chuyển đổi Buck

- Xây dựng mô hình mô phỏng bộ chuyển đổi bằng phần mềm Matlab – Simulink

IV Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài có ý nghĩa thực tiễn trong việc nâng cao hiệu năng cũng như giảm nhỏ kích thước của bộ chuyển đổi, ứng dụng trong các thiết bị cầm tay, di động Kết quả

Trang 14

nghiên cứu của đề tài là tin cậy và có tính khoa học vì nó được kiểm nghiệm, mô phỏng bằng phần mềm Matlab-Simulink, đây là một phần mềm có độ tin cậy cao được nhiều nhà khoa học và kỹ thuật sử dụng để mô phỏng hệ thống trước khi tiến hành chế tạo thực tế

CHƯƠNG I

Trang 15

GIỚI THIỆU

1.1 Giới thiệu

Trong suốt quá trình phát triển công nghiệp điện tử, đối với điện thoại di động những vấn đề đặt ra vẫn là tăng tuổi thọ pin, phát triển hệ thống nhỏ gọn và giảm giá thành, bộ phận hiển thị sáng hơn, nhiều màu sắc hơn, thời gian đàm thoại lâu hơn Trong đó, những yêu cầu về hệ thống nguồn luôn được đánh giá cao Để đạt được những yêu cầu này, các kỹ sư đã làm việc dựa trên việc nâng cao hiệu suất của các kỹ thuật chuyển đổi và đã đạt được các kết quả có ý nghĩa chuẩn mực về lý thuyết của điện tử công suất Tuy nhiên điều này hiển nhiên dẫn tới những thách thức cần giải quyết khi kết hợp ba ngành chính của kỹ thuật điện tử: điện tử, công suất và điều khiển

Hinh 1.1 Mối liên hệ giữa điện tử, công suất, điều khiển

Các kỹ thuật được chỉ ra trên hình vẽ bao gồm lý thuyết điều khiển, tổng hợp bộ lọc, xử lý tín hiệu, điều khiển nhiệt độ và thiết kế dựa trên từ trường Luận văn này tập trung vào các thiết kế liên quan tới các bộ chuyển đổi DC/DC (Hình 1.2)

Điện tử Công suất

Hệ thống và

Lý thuyết điều khiển

Xử lý tín hiệu

Thiết bị điện tử Điện từ

Hệ thống điện

Mạnh lý Thuyết

Trang 16

Hình 1.2 Lưu đồ các hệ thống nguồn một chiều 1.2 Kỹ thuật chuyển mạch

Việc điều chỉnh điện áp theo lẽ thông thường được thực hiện bằng các bộ điều chỉnh tuyến tính đang dần được thay thế bằng các bộ điều khiển chuyển mạch hay các

bộ tạo xung Để hiểu được tầm quan trọng của các bộ nguồn tạo xung, trước hết chúng

ta so sánh về hiệu suất của bộ nguồn này với các bộ nguồn tuyến tính Trở kháng của các bộ nguồn tuyến tính thay đổi theo tải với cùng một điện áp không đổi ở đầu ra

Hình 1.3 Bộ nguồn tuyến tính

Hình vẽ 1.3 chỉ ra một bộ nguồn tuyến tính đơn giản Giả sử điện áp đầu vào là

Vin=24 và chúng ta muốn có điện áp đầu ra Vout=12, như vậy điện áp rơi trên bộ điều chỉnh là 12V

Dừa vào công thức tính công suất chuẩn ta có:

P = I.V (1.1)

Nếu dòng điện đầu ra = 10A, ta có công suất P = 10x12 = 120W

Do vậy bộ điều chỉnh sẽ làm tiêu hao 120W dưới dạng nhiệt năng Như vậy hiệu suất của bộ nguồn chỉ còn đạt 50% và một lượng lớn năng lượng sẽ tiêu hao dưới dạng

V out

Trang 17

nhiệt Việc cố gắng giảm nhiệt độ tiêu hao để làm mát dẫn tới bộ nguồn sẽ cồng kềnh Như vậy nếu đặt vấn đề kích thước và hiệu suất lên trên thì bộ nguồn tuyến tính sẽ không được sử dụng

Hình 1.4 là một bộ nguồn xung cơ bản Bộ điều khiển chuyển mạch là một chuyển mạch đơn giản dẫn tới trường hợp lý tưởng là không có nội trở hoặc nội trở của

bộ nguồn rất nhỏ Chuyển mạch này đóng mở với tần số cố định (giữa 50KHz và 100KHz)

V (1.2)

Thời gian chuyển mạch đóng trong một chu kỳ quyết định giá trị điện áp đầu ra

Bộ điều khiển chuyển mạch đạt hiệu suất cao hơn bộ điều khiển tuyến tính, thậm chí có thể đạt hiệu suất tới 80% đến 95% Trong khi đó bộ nguồn tuyến tính chỉ đạt hiệu suất khoảng 50% đến 60% Và với hiệu suất cao hơn như vậy, việc nhiệt năng tỏa ra cũng

sẽ nhỏ hơn Và với bộ nguồn SMPS, kích cỡ cũng sẽ nhỏ hơn bộ nguồn tuyến tính rất nhiều

Ngoài ra bộ nguồn chuyển mạch còn có các ưu điểm khác như lưu trữ năng lượng trong cuộn dây và tụ điện có thể cho phép tạo điện áp lớn hơn hoặc âm hơn đầu vào, hoặc có thể sử dụng biến áp để thực hiện cách ly với đầu vào

Không giống bộ nguồn tuyến tính, bộ nguồn chuyển mạch có thể thay đổi từng bước điện áp đầu vào

Tất cả những ý kiến trên có thể được tóm tắt bằng bảng so sánh (bảng 1.1):

Bảng 1.1 So sánh giữa bộ nguồn tuyến tính và bộ nguồn chuyển mạch

Thông Tuyến tính Chuyển mạch

Trang 18

ra gần bằng nhau

Hiệu suất cao, ngoại trừ trường hợp dòng tải quá nhỏ, khi đó dòng điện chế độ không hoạt động luôn lớn hơn dòng tải

Kích

thước

Vừa và nhỏ với thiết kế thông thường công suất thấp, cồng kềnh nếu cần thêm các bộ tản nhiệt ở nguồn công suất cao

Kích thước lớn hơn nguồn tuyến tính ở công suất thấp, nhỏ hơn nguồn tuyến tính với yêu cầu công suất cao

Chi phí Thấp Trung bình đến cao, chủ yếu do các linh kiện lắp thêm bên ngoài

Độ gợn

sóng/

nhiễu

Thấp; không có gợn sóng, nhiễu thấp, tốt hơn nếu có bộ lọc nhiễu

Trung bình đến cao, phụ thuộc

độ gợn sóng và tần số chuyển mạch

1.3 Bộ chuyển đổi DC-DC

1.3.1 Giới thiệu

Bộ chuyển đổi DC-DC là các thiệt bị điện tử được sử dụng khi chúng ta cần thay đổi nguồn một chiều từ mức điện áp này sang mức điện áp khác Trong chương trước chúng ta đã đề cập đến mặt hạn chế của việc chuyển đổi khi sử dụng bộ nguồn tuyến tính và đã đưa ra bộ nguồn chuyển mạch SMPS- bộ nguồn có thể cho phép chuyển đổi sang các mức khác nhau Từ đây trở về sau, khái niệm bộ chuyển đổi DC-

DC sẽ được ngầm hiểu là bộ nguồn SMPS

Một số ứng dụng liên quan đến bộ chuyển đổi DC-DC ví dụ trong bảng mạch chính của máy tính cá nhân, điện áp 5V DC được chuyển đổi thành 3V, 2V hoặc nhỏ hơn nữa là điện áp cấp nguồn cho chip vi xử lý…Trong tất cả ứng dụng này, chúng ta

Trang 19

đều muốn chuyển đổi năng lượng một chiều từ một mức điện áp sang mức điện áp khác, với mong muốn giảm thiểu năng lượng hao phí vô ích càng nhiều càng tốt Nói một cách khác, chúng ta muốn thực hiện việc chuyển đổi này với hiệu suất cao nhất có thể

Các bộ chuyển đổi DC-DC phải cần đến bởi vì không giống như điện áp AC, điện áp DC không thể tăng hoặc giảm chỉ thông qua một máy biến áp Mặc dù trong một số trường hợp, một bộ chuyển đổi DC-DC tương đương với một máy biến áp Về

cơ bản là phải thay đổi năng lượng đầu vào sang một mức trở kháng khác Như vậy cho

dù ở bất cứ mức điện áp đầu ra nào, công suất ở đầu ra cũng được lấy từ đầu vào, không có năng lượng được tạo ra trong bộ chuyển đổi Việc chuyển đổi này được thực hiện bởi các mạch điện và thiết bị đi kèm

1.3.2 Bộ nguồn SMPS

Các bộ chuyển đổi với chuyển mạch tần số cao là các mạch điện công suất với các chuyển mạch bán dẫn họat động đóng mở ở tần số lớn hơn nhiều so với sự thay đổi dạng sóng ở đầu vào và đầu ra Hình 1.5 chỉ ra các khối cơ bản của một bộ nguồn SMPS Sự khác nhau giữa tần số chuyển mạch và tần số của điện áp là tần số của bộ chuyển mạch phải đủ lớn để cho phép các bộ lọc thông thấp loại bỏ các tần số thấp không mong muốn Các bộ chuyển phát xung tần cao được sử dụng thường xuyên giữa các hệ thống nguồn một chiều với nhiều mức điện áp khác nhau Các bộ chuyển đổi này được biết đến là bộ chuyển đổi DC/DC tần số cao, ví dụ như các bộ nguồn cấp cho máy tính cá nhân và các thiết bị điện tử khác Mặt khác các bộ chuyển đổi này cũng có thể được sử dụng giữa các hệ thống DC và AC

Công suất

Công suất vào

V i i

Trang 20

Hình 1.5 Sơ đồ khối bộ nguồn chuyển mạch 1.3.3 Phân loại các bộ chuyển đổi DC

Các bộ chuyển đổi DC/DC được chia làm 2 loại: Không cách ly và cách ly 1.3.3.1 Các bộ chuyển đổi DC/DC không cách ly

Các bộ chuyển đổi không cách ly thường sử dụng một cuộn dây do đó không cách ly về mặt điện áp giữa đầu vào và đầu ra Một số lượng lớn các ứng dụng không cần thiết phải cách ly về mặt điện áp giữa đầu vào và đầu ra Các hệ thống nguồn sử dụng pin/acquy mà không liên quan tới được cấp nguồn AC là một trong những ứng dụng chính sử dụng bộ chuyển đổi không cách ly

Hầu hết các vi mạch chuyển đổi DC/DC được sử dụng trong các bộ chỉnh lưu đồng bộ Trong các bộ chuyển đổi này thường sử dụng một cuộn cảm ở đầu ra do đó dễ dẫn tới việc phát ra các tín hiệu nhiễu điện từ Với cùng công suất và mức điện áp đầu

ra, bộ chuyển đổi không cách ly có giá thành thấp hơn và ít linh kiện hơn đồng thời chiếm ít diện tích trên mạch điện hơn bộ chuyển đổi cách ly Với điện áp thấp hơn (12V) bộ chuyển đổi buck không cách ly có thể được sử dụng

1.3.3.2 Các bộ chuyển đổi cách ly

Để đảm bảo an toàn cần có sự cách ly giữa hệ thống điện áp AC đầu vào và DC đầu ra Sự cách ly này là cần đến với tất cả các hệ thống hoạt động với nguồn điện áp lưới, bao gồm việc cách ly trong các bộ nguồn chuyển đổi trực tiếp AC/DC thông qua

bộ chuyển đổi DC/DC cách ly Điện áp cách ly cho các bộ nguồn AC/DC hoặc DC/DC vào khoảng 1500 đến 4000V, phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể Một bộ chuyển đổi cách

ly sử dụng một biến áp để cách ly giữa điện áp đầu vào và đầu ra tuy nhiên vẫn tạo ra một đường điện áp một chiều giữa đầu vào và đầu ra

Các bộ chuyển đổi DC/DC cách ly sử dụng một biến áp xung mà cuộn thứ cấp

có thể sử dụng hoặc đi ốt hoặc mạch chỉnh lưu đồng bộ để tạo ra điện áp một chiều với

bộ lọc LC ở đầu ra Cấu hình này có ưu điểm là có thể tạo ra nhiều mức điện áp ở đầu

ra bằng cách thêm bớt các vòng dây cuộn thứ cấp Với điện áp lớn hơn ở đầu vào (48V) các bộ chuyển đổi với biến áp cách ly có thể được sử dụng

Trang 21

1.3.4 Lý do sử dụng các bộ chuyển đổi Buck

Bộ chuyển đổi buck là một sơ đồ chuyển đổi DC/DC được sử dụng rộng rã trong quản lý năng lượng và các ứng dụng vi điều khiển điều chỉnh điện áp Các ứng dụng yêu cầu đáp ứng nhanh cho tải và đường truyền đồng thời yêu cầu hiệu suất cao trong phạm vi dòng điện thay đổi lớn Ví dụ trong hệ thống máy tính, điện áp cần giảm từng bước để đạt được các giá trị thấp Với mục đích này bộ chuyển đổi Buck có thể được sử dụng Hơn nữa các bộ chuyển đỏi Buck cho phép kéo dài tuổi thọ của pin/acquy trong các hệ thống di động do phần lớn các thiết bị này ở trong trạng thái

"stand-by" Bộ điều chỉnh Buck thường được sử dụng như các bộ nguồn xung cho các ứng dụng số ở băng tần cơ sở và các bộ khuếch đại RF

Hình 1.6 Vị trí bộ chuyển đổi Buck trong hệ thống

CHƯƠNG II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK

µP/DSP core

Hiển

A Pin

Buck SMPS regulators

Trang 22

2.1 Nguyên lý bộ chuyển đổi Buck

Tên gọi bộ chuyển đổi Buck ban đầu liên quan đến hiện tượng điện áp đầu vào

có dạng bị cắt hay tắt dần, độ lớn và biên độ điện áp thấp hơn ở đầu ra Một mạch chuyển đổi buck hay mạch điều chỉnh điện áp step-down, là bộ chuyển đổi không tách biệt, chuyển đổi dc-dc với ưu điểm đơn giản và chi phí thấp Hình 2.1 biểu diễn một mạch chuyển mạch chuyển đổi buck không tách biệt đơn giản có đầu vào dc và sử dụng điều xung giải rộng (PWM) biến tần để điều khiển đầu ra của khối công suất trong MOSFET Một diot ngoại vi, cùng với cuộn cảm ngoài và tụ điện ra, tạo ra dòng

1 chiều điều được kiểm soát Mạch chuyển mạch "Buck" hay "step down" cung cấp một điện áp ra thấp hơn điện áp nguồn

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát bộ nguồn chuyển mạch 2.1.1 Sự phát triển của mạch chuyển đổi Buck

Trong phần này chúng ta sẽ từng bước tiếp cận với bộ chuyển đổi Buck Xét mạch điện ở Hình 2.2, có một mạch chuyển mạch hai tiếp điểm đơn cực

Với mạch trong hình 2.2 điện áp ra bằng điện áp vào khi chuyển mạch ở vị trí A

và bằng không khi chuyển mạch ở vị trí B Bằng cách thay đổi thời gian chuyển mạch

ở vị trí A và B có thể thấy rằng điện áp trung bình có thể thay đổi, nhưng điện áp ra không hoàn toàn một chiều

Hình 2.2 Mạch điện gồm chuyển mạch đơn cực 2 tiếp điểm

Trang 23

với tải là điện trở

Mạch trong 2.2 có thể được thay đổi như trong hình 2.3 bằng cách thêm một cuộn cảm nối tiếp với trở kháng Một cuộn cảm giảm sóng của dòng điện đi qua nó và điện áp ra có thể có dạng sóng nhỏ hơn vì dòng điện đi qua trở kháng tải giống như ở cuộn cảm Khi chuyển mạch ở vị trí A, dòng điện đi qua cuộn cảm tăng lên năng lượng chứa trong cuộn cảm tăng lên Khi chuyển mạch ở vị trí B, cuộn cảm làm việc như một nguồn và duy trì dòng điện đi trở kháng tải Trong giai đoạn này, năng lượng chứa trong cuộn cảm giảm xuống và dòng điện của nó giảm Điều quan trọng cần chú ý là có truyền dẫn liên tục qua tải đối với mạch này Nếu hằng số thời gian do cuộn cảm và trở kháng tương đối lớn so với giai đoạn ở đó chuyển mạch ở vị trí A hay B Khi đó sự tăng và giảm dòng điện đi qua cuộn cảm lớn hay nhỏ hơn đường trung bình như biểu diễn ở hình 2.3

Hình 2.3 Mạch điện có bổ xung thêm cuộn cảm

Bước tiếp theo trong sự phát triển của mạch chuyển đổi buck là bổ sung một tụ điện lắp song song với trở kháng và mạch này biểu diễn ở hình 2.4 Một tụ điện giảm sóng điện áp khi được lắp song song với nguồn, trong khi một cuộn cảm giảm sóng dòng điện đi qua nó Sự kết hợp hoạt động của mạch lọc LC giảm sóng của dòng điện

ra ở mức rất nhỏ

Hình 2.4 Mạch điện lắp mạch lọc LC

Trang 24

Với mạch ở hình 2.4 có thể sử dụng chuyển mạch bán dẫn công suất để đáp ứng

sự chuyển mạch ở vị trí A và một điốt ở vị trí B Mạch điện cho kết quả như hình 2.5 Khi chuyển mạch ở vị trí B, dòng điện đi qua đi ốt, điều quan trọng lúc này là điều khiển chuyển mạch bán dẫn công suất

Hình 2.5 Mạch chuyển đổi Buck với tải điện trở

Mạch điện ở hình 2.5 có thể xét đết như là mạch chuyển đổi buck cơ sở không

có phản hồi Mạch chuyển đổi Buck chuyển những phần năng lượng nhỏ giúp chuyển mạch công suất, một đi ốt và một cuộn cảm và đi cùng với một tụ điện lọc đầu ra và đầu vào Tất cả các mạch chuyển đổi khác như Boost, Buck - Boost, vv, khác nhau về cách sắp xếp các chi tiết cơ bản

Mạch này có thể thay đổi thêm nữa bằng cách đưa vào phần phản hồi được tích hợp cho SMPS vì được dựa trên phản hồi mạch này ổn định đầu ra Mạch như vậy được biểu diễn ở hình 2.6

Hình 2.6 Mạch nguồn chuyển mạch giảm áp

Mạch chuyển đổi PWM (Hình 2.6) so sánh một phần điện áp DC đầu ra với một điện áp tham chiếu (Vref) và thay đổi hệ số làm đầy xung PWM bắt buộc để duy trì một điện áp DC ra không đổi Nếu điện áp ra có xu hướng tăng, mạch PWM giảm hệ số đầy xung bắt buộc để giảm điện áp ra, duy trì nó ở mức điện áp phù hợp Ngược lại, nếu điện áp ra có xu hướng giảm, phản hồi làm cho hệ số đầy xung PWM bắt buộc tăng và đảm bảo đầu ra phù hợp Một mạch chuyển đổi Buck hay mạch nguồn chuyển mạch giảm áp có thể dược gọi là mạch điều hòa chuyển mạch (switch mode regulator)

Trang 25

2.1.2 Mục đích của các thành phần khác nhau của bộ chuyển đổi Buck

Như thấy trong phần trước mọi mạch nguồn chuyển mạch cơ bản bao gồm 5 thành phần tiêu chuẩn sau đây:

Mạch điều khiển xung điều hòa Chuyển mạch transitor (chuyển mạch chủ động) Cuộn cảm

Tụ điện Diode (chuyển mạch thụ động) Bây giờ chúng ta sẽ đi vào chi tiết việc lựa chọn và chức năng của các thành phần này

Chuyển mạch công suất (transitor) có thể là loại MOSFET, IGBT, JFET hay BJT Nguồn loại MOSFET là thành phần then chốt của hệ thống công suất tần số cao như mạch nguồn mật độ cao (high-density power supply) Do đó MOSFET hiện nay được thay bằng loại BTJ trong các thiết kế mới cho các hoạt động ở tần số cao hơn nhiều như điện áp thấp hơn Ở điện áp cao loại MOSFET vẫn có hạn chế Các đặc tính

cố hữu của MOSFETS là nội trở lớn, trở kháng này tăng quá mức khi điện áp hỏng của thiết bị tăng Do đó nguồn loại MOSFET chỉ có thích hợp với điện áp 500V và bị hạn chế ở ứng dụng điện áp thấp hay ở các mạch chuyển đổi 2 transitor và mạch cầu hoạt động off-line Ở điện áp hỏng cao (>200V) sụt áp mở của nguồn loại MOSFET trở lên cao hơn loại thiết bị 2 cực có kích thước tương tự với cùng điện áp Điều này làm cho transitor lưỡng cực được sử dụng trong những ứng dụng có điện áp cao Vì những tiến

Trang 26

bộ trong kỹ thuật chế tạo, vật liệu mới, các đặc tính của BJT làm cho nó có xu hướng thay thế MOSFET

Thiết bị mới khác có thể thay BJT trong nhiều ứng dụng có điện áp cao là transitor cực điều khiển cách ly (IGBT) Thiết bị này kết hợn đặc tính công suất thấp của MOSFET với tổn hao dẫn điện thấp và đặc tính điện áp khối cao của BJT Do đó thiết bị này rất phù hợp với các ứng dụng công suất lớn, điện áp cao Tuy nhiên, do dòng điện trong thiết bị chạy giống như BJT, tốc độ chuyển mạch của nó nhỏ hơn nhiều so với MOSFET, do đó IGBT lúc này bị giới hạn ở các ứng dụng có tần số thấp hơn (<50kHz)

Tần số hoạt động: Tần số hoạt động quyết định khả năng làm việc của chuyển mạch

Lựa chọn tần số chuyển mạch thông thường xác định bởi các yêu cầu về hiệu quả Hiện nay xu hướng ngày càng tăng trong nghiên cứu và thiết kế nguồn mới là tăng tần số chuyển mạch Tần số chuyển mạch càng tăng, kích thước vật lý và giá trị chi tiết càng giảm Lý do cho điều này là giảm kích thước tổng cộng của mạch nguồn cùng với xu

hướng tiểu hình hóa trong các hệ thống điện tử và máy tính

Tuy nhiên, xuất hiện một tần số giới hạn trần mà tại đó hoặc là tổn hao từ tính trong cuộn cảm hay tổn hao chuyển mạch trong mạch điều chỉnh và nguồn MOSFET làm giảm hiệu suất đến mức không áp dụng được trong thực tế Ví dụ, điện dung yêu cầu là 67µF tại 500 kHz, nhưng chỉ 33µF tại 1 MHz Đặc tính sóng của dòng điện không đổi

2.1.2.2 Cuộn cảm

Chức năng của cuộn cảm là hạn chế sự xoay chiều của dòng điện (hạn chế sự thay đổi của dòng điện) chạy qua chuyển mạch công suất khi mạch ở trạng thái ON Dòng điện đi qua cuộn cảm không thể thay đổi một cách đột ngột Khi dòng điện qua cuộn cảm có xu hướng giảm, cuộn cảm có xu hướng duy trì dòng điện bằng cách hoạt động như một nguồn điện Điều này hạn chế dòng điện có đỉnh cao hạn chế bởi riêng trở kháng chuyển mạch Ưu điểm mấu chốt là khi cuộn cảm được dùng để giảm áp, nó chứa năng lượng Cũng như vậy, cuộn cảm điều mức nhấp nhô và xác định liệu mạch này có hoạt động ở chế độ liên tục hay không

Trang 27

Dòng điện đỉnh qua cuộn cảm xác định dòng điện bão hòa yêu cầu của cuộn cảm, nó khi đó cho thấy kích thước gần đúng của cuộn cảm Độ bão hòa của lõi cuộn cảm giảm hiệu quả chuyển đổi, trong khi tăng nhiệt độ của cuộn cảm, của MOSFET và diode Kích thước của cuộn cảm và tụ điện có thể giảm bằng cách áp dụng tần số chuyển mạch cao, chuyển mạch nhiều pha xen kẽ và mạch điều khiển fast hysteric

Một giá trị điện cảm nhỏ hơn cho phép đáp ứng quá độ nhanh hơn; nó cũng dẫn đến sóng của dòng lớn hơn, nó gây ra tổn áp cảm ứng cao hơn trong chuyển mạch, cuộn cảm và trở kháng tạp Cuộn cảm nhỏ hơn cũng yêu cầu tụ điện lọc lớn hơn để giảm nhấp nhô của điện áp ra Cuộn cảm sử dụng trong nguồn chuyển mạch đôi khi quấn trên lõi hình xuyến, thông thường làm từ ferrite hay bột sắt có khe hở khí để chứa năng lượng

Một mạch chuyển đổi DC-DC chuyển đổi năng lượng ở tỉ lệ điều khiển từ nguồn vào sang tải đầu ra và khi tần số chuyển mạch tăng, thời gian để chuyển năng lượng giảm xuống Ví dụ, xem xét hoạt động của mạch chuyển đổi Buck ở tần số 500 kHz với cuộn cảm 10µH Với phần lớn mạch chuyển đổi DC-DC, việc thay đổi tần số

về 1 MHz cho phép sử dụng chính xác điện cảm bằng một nửa 5 μH

2.1.2.3 Tụ điện

Tụ điện có khả năng lọc do việc nó cho một đường đi cho dòng điều hòa riêng

so với tải Điện dung cấp ra (song song với tải) cần phải có để giảm quá áp và nhấp nhô

có ở đầu ra của mạch chuyển đổi buck Tụ điện đủ lớn sao cho điện áp không có thay đổi đáng kể trong thời gian chuyển mạch ở trạng thái đóng Quá áp gây ra bởi điện dung ra không đủ, độ gợn sóng của điện áp gây ra bởi điện dung không đủ và trở kháng nối tiếp tương đương cao (ESR) trong tụ điện ra Quá áp và độ gợn sóng của dòng ra lớn nhất cho phép thường được thiết lập khi thiết kế Do đó, để đáp ứng đặc tính nhấp nhô của mạch chuyển đổi Buck, chúng ta phải xét đến cả tụ điện đầu ra với điện dung

dư và ESR thấp

Vấn đề quá áp, với điện áp vượt quá giá trị thiết lập khi tải bị tách khỏi đầu ra một cách đột ngột, yêu cầu tụ đầu ra đủ lớn để ngăn năng lượng chứa trong cuộn cảm tạo ra điện áp cao hơn điện áp lớn nhất được đặt trước

Trang 28

Do mạch điều chỉnh công suất chuyển mạch thường được sử dụng ở các mạch nguồn công suất cao, dòng điện lớn, tụ điện thường được chọn vì tổn nhất nhỏ nhất Tổn thất ở tụ điện xuất hiện vì nội trở và điện cảm nối tiếp Tụ điện dùng có mạch chuyển mạch được chọn một phần dựa trên cơ sở của trợ kháng nối tiếp hiệu quả (ESR) Tụ điện tantan thể rắn là loại tốt nhất xét theo khía cạnh này Với các mạch nguồn yêu cầu chế độ làm việc rất cao, đôi khi cần phải lắp song song các tụ để nhận được trở kháng nối tiếp hiệu quả đủ thấp

2.1.2.4 Diode/transitor quán tính

Do dòng điện trong cuộn cảm không thể thay đổi một cách đột ngột, phải có một đường đi cho dòng điện của cuộn cảm khi chuyển mạch ở chế độ tắt (mạch hở) Đường

đi này cung cấp bởi diode quán tính

Mục đích của loại diode này không phải để chỉnh lưu, mà dẫn dòng điện đi vào trong mạch và đảm bảo luôn có đường đi cho dòng điện đi vào cuộn cảm Loại diode này cũng cần phải tắt tương đối nhanh Do đó diode này cho phép mạch chuyển đổi chuyển năng lượng dự trữ trong cuộn cảm sang tải Đây là lý do tại sao ta có hiệu suất cao trong mạch chuyển đổi DC-DC so với mạch điều chỉnh tuyến tính (linear regulator) Khi mạch chuyển mạch đóng, dòng điện tăng tuyến tính (dòng điện tăng theo hàm mũ nếu có trở kháng) Khi chuyển mạch mở, diode quán tính làm dòng điện giảm tuyến tính Ở trạng thái ổn định (steady state) ta có đáp ứng răng cưa với giá trị trung bình của dòng điện

Trong nhiều mạch điện kể cả mạch điện sẽ được thảo luận dưới đây tương tự mạch chuyển đổi Buck đồng bộ chúng ta thấy rằng diode quán tính được thay bằng Transitor trường nghịch (NFET Negative Field Efect Transistor) Lý do đơn giản là để tăng hiệu suất Sụt áp 0,7V (hay nhỏ hơn một chút với diode Schottky) là nguyên nhân chính của tổn thất hiệu suất trong mạch điều chỉnh đẩy ở điện áp thấp Một phương pháp khác là sử dụng transistor ở trang thái bão hòa (0,2-0,3V) để cung cấp chế độ quán tính Sơ đồ này làm tăng sự phức tạp vì mạch điều chỉnh đẩy phải bật đồng bộ thành phần quán tính đúng lúc để giữ dòng điện chạy êm ả Diode tự tắt và bật, do đó

nó cần tín hiệu quán tính đồng bộ Mạch chủ động với transitor quán tính đồng bộ nói

Trang 29

cung đắt hơn loại mạch diode thụ động đơn giản nhưng hiệu suất tăng (Pra/Pvào) đôi khi

có chi phí cao hơn Trong mọi trường hợp chúng ta có diode Schottky lắp song song với transistor quán tính, chứ không phải là diode zener Một transistor bão hòa sẽ cho

Vds thấp hơn so với diode Schottky, nhưng loại diode này cho quá trình chuyển mạch

dễ dàng/ tin cậy hơn

2.1.2.5 Phản hồi

Mạch phản hồi và điều khiển có thể đặt một cách cẩn thận gần cách mạch trên

để điều chỉnh năng lượng chuyển qua và duy trì một nguồn ra trong điều kiện hoạt động bình thường Điều chế độ rộng xung là cần thiết trong trường hợp phải điều chỉnh nguồn ra Chuyển mạch transistor là trái tim của nguồn chuyển mạch và nó điều khiển nguồn cấp cho tải Phần này sẽ được đề cập nhiều hơn ở phần 2.2

Trang 30

2.1.3.2 Trạng thái OFF

Hình 2.9 Trạng thái OFF

Ở trạng thái OFF chuyển mạch ở trạng thái mở, diode D mở và năng lượng được cung cấp từ cuộn cảm L và trường điện tích của C Dòng điện đi qua cuộn cảm giảm tuyến tính Khi chuyển mạch FET ngắt, dòng cuộn cảm phóng ra, tạo ra một điện áp

âm trên cuộn cảm Vì một cực của cuộn cảm nối đất, cực còn lại sẽ có mức điện áp cao, đây chính là điện áp ra cần có Tụ điện ở đầu ra hoạt động như một mạch lọc đầu

có mức thấp, giảm nhấp nhô của điện áp dạng sóng gây ra bởi dòng biến đổi qua cuộn cảm Diode sẽ ngăn cảm dòng chạy từ cuộn cảm khi FET ở trạng thái ngắt

2.1.3.3 Chế độ liên tục/không liên tục

Trong trạng thái ON và thậm chí ở trạng thái OFF sau đó, mạch chuyển đổi Buck có thể hoạt động trong ở chế độ liên tục hay không liên tục Sự khác nhau giữa hai chế độ là ở chế độ liên tục dòng điện trong cuộn cảm không bằng không Xem hình 2.10

Trang 31

Hình 2.10 Chế độ liên tục và không liên tục

Dòng điện chạy liên tục trong cuộn cảm trong toàn bộ chu kỳ khi hoạt động ở trạng thái ổn định Trong phần lớn các ứng dụng của mạch điều chỉnh Buck, dòng cảm ứng không bao giờ giảm xuống không trong quá trình hoạt động đầy tải Khả năng làm việc tổng cộng thường sử dụng tốt hơn sử dụng chế độ liên tục và nó cho phép công suất ra lớn nhất nhận được từ một điện áp vào cho trước và tốc độ chuyển mạch dòng điện Năng lượng từ pin/acquy cung cấp tải và chứa trong cuộn cảm ở dạng trường điện

từ Dòng điện đi qua cuộn cảm tăng tuyến tính

Trong chế độ không liên tục dòng điện trong cuộn cảm giảm về không và duy trì

ở giá trị không trong phần nào đó của chu kỳ chuyển mạch Nó bắt đầu từ không, tăng lên giá trị đỉnh và trở về không trong mỗi chu kỳ chuyển mạch Trong các ứng dụng ở

đó dòng tải lớn nhất tương đối thấp, chọn chế độ không liên lục khi thiết kế có thể mang lại lợi ích cao hơn (thiết kế sử dụng chế độ không liên tục có thể có nhiều ưu điểm hơn) Trong các trường hợp này, hoạt động ở chế độ không liên tục có thể dấn đến kích thước tổng thể của mạch chuyển đổi nhỏ hơn (vì có thể sử dụng cuộn cảm nhỏ hơn) Thông thường tụ điện ra phải lớn để đảm bảo điện áp không đổi

2.1.4 Mạch chuyển đổi Buck đồng bộ

2.1.4.1 Giới thiệu

Mạch chuyển đổi Buck đồng bộ được chú ý rất nhiều trong chuyển đổi điện áp thấp vì hiệu quả cao và diện tích nhỏ Một trong những lý do chính của việc không sử dụng FET đồng bộ từ rất sớm là có sự khác nhau về chi phí rất lớn giữa FET và diode Schottky Hơn nữa, do điện áp ra nói chung là lớn hơn (5V hay hơn), sụt áp trên Schottky không lớn như hiện nay Vì công nhệ FET đã được cải thiện, cung cấp suất dẫn điện với giả rẻ chưa từng có FET trở thành lựa chọn chính chư không phải Schottky Thậm chí quan trọng hơn, sụt áp "chuyển" của FET có thể so ngẫu nhiên với Schottky như là chỉ tiêu chính với điện áp ra dao động quanh 1 volt Cấu hình buck đồng bộ cũng được coi là phù hợp cho mạch nguồn Envelope Tracking vì tính động lực đơn giản và khả năng quét đối xứng

Trang 32

Mạch điều khiển và mạch dẫn đồng bộ thời gian của cả hai của cả hai MOSFET với tần số chuyển mạch PWM đồng bộ điều khiển khối điều chỉnh điện áp ra bằng cách điều chế khoảng dẫn của MOSFET trên và dưới Cấu hình này cải thiện hiệu quả với thời gian chuyển mạch mở nhanh hơn và trở kháng nối tiếp FET (rdson) so với diode trong trường hợp tải nhỏ, khối điều khiển thường tắt MOSFET phía dưới để mô phỏng diode, thao tác này được thực hiện vì tổn hao công suất cao hơn khi bật chuyển mạch FET lớn ở chế độ on và off so với trở kháng của bản thân chuyển mạch

bộ

Trang 33

trường hợp khi chúng ta có một diode Tổn hao công suất trên diode có thể biểu diễn bằng phương trình 2-1

P D = V D (1-D).I 0 (2-1)

Chú ý nó nhân với (1-D) trong giai đoạn OFF Vì diode gây ra trạng thái OFF

Giả thiết điện áp vào là 5v và điện áp ra là 3,3v, và dòng tải là 10A Trong trường hợp này chu kỳ làm việc là 66% và diode sẽ ở trạng thái ON trong 34% thời gian Một diode thông thường ở 0,7V sẽ gây tổn thất là 2,38W

Ta có phương trình cho chuyển mạch

P S2 = I2

o R DSON (1-D) (2-2)

Có thể thấy rằng tổn hao công suất phụ thuộc rất nhiều vào chu kỳ làm việc, một chỉnh lưu đồng bộ nói chung có tổn hao công suất thấp hơn so với loại thông thường hay diode Schottky, và nó cũng sử dụng tương đối phổ biến trong các bộ chuyển đổi DC/DC điện áp thấp Cũng như vậy để có hiệu suất cao quan hệ sau đây nhất thiết phải

Chỉnh lưu đồng bộ với mạch MOSFET rời có thể gây trễ việc chuyển mạch với mức độ khác nhau vì sự thay đổi điện áp đặt ở cổng và điện áp ngưỡng từ MOSFET này sang MOSFET khác Các mạch điều khiển tiêu chuẩn sẽ bù cho những thay đổi này bằng cách làm chậm mạch bật (turn-on) của MOSFET bên dưới đến khi điện áp cổng của MOSFET trên tụt xuống dưới ngưỡng Độ trễ này gây ra thời gian chết trong hoạt động của MOSFET này hay MOSFET kia Thời gian chết loại bỏ khả năng đánh

Trang 34

thủng nguy hại của chế độ dẫn của cả hai MOSFET một lúc Các thiết kế tiêu chuẩn

sử dụng cùng phương pháp để làm chậm thời gian bật của MOSFET trên

2.2 Tính toán thiết kế bộ chuyển đổi Buck thực tế

Trong phần trước, chúng ta đã nghiên cứu hoạt động của Bộ chuyển đổi Buck Trong phần này chúng ta sẽ đưa ra các phương trình để tính toán thực tế

2.2.1 Tính toán tần số chuyển mạch

Để tính toán tần số chuyển mạch, trước tiên chúng tôi sẽ giả định rằng việc chuyển đổi là ở trạng thái ổn định (Đối với trạng thái ổn định, xem Phụ lục C) Các thiết bị chuyển mạch (công tắc) được coi là lý tưởng,tổn hao trên điện cảm và tụ điện được bỏ qua Mặt khác cũng giả định bỏ qua tất cả các trở kháng ký sinh Phân tích cũng có giả định rằng bộ chuyển đổi đang hoạt động trong chế độ dẫn liên tục nghĩa là

i.e.i L (t) > 0

Khi công tắc bật trong thời gian t on, công tắc đưa dòng điện qua điện dẫn và điốt

được phân cực ngược Điều này dẫn tới điện áp dương v L =V d – V 0 qua điện cảm ở hình 2.12(a) Điện áp là nguyên nhân dòng điện trong điện cảm iL tăng tuyến tính Khi công tắc được tắt, do bộ lưu chữ điện cảm, iL tiếp tục chạy Dòng điện này chạy qua

Trang 35

Hình 2.12 Trạng thái ON/OFF của chuyển mạch

Vì ở trạng thái ổn định song cần phải lặp lại từ một khoảng thời gian tới khoảng

tiếp theo, tích phân của điện áp điện dẫn v L trên một khoảng thời gian phải bằng 0, nơi

mà T s = t on + t off

0

0 0

dt v dt v dt v

t L

V

s on

2.2.2 Tính toán cho Cuộn cảm

Từ hình 2.12 (a) chúng tôi có thể lấy được một phương trình vi phân đơn giản dựa trên giả định rằng các điện áp trên tải, và trên tụ điện, tương đối ổn định Các phương trình vi phân trên cơ sở dòng điện qua cuộn cảm khi mạch đóng có thể được viết như sau:

điện trong cuộn cảm, I L,min, ngay trước khi đóng công tắc S Do đó trong một khoảng

thời gian , 0 ≤ t ≤ T ON =DT ta có:

iL(t) = d o t I L,min

L

V V

(2-7)

Trang 36

Điện cảm tăng tuyến tính theo thời gian và đạt được giá trị tối đa của nó I L,max

ast→ T ON = DT Do đó mà:

I L,max = d o DT I L,min

L

V V

(2-8) Xác định sự thay đổi trong dòng điện từ mức tối thiểu của nó tới giá trị tối đa là

gợn dòng đỉnh tới dỉnh ΔI L , phương trình 2-6 cho thấy một biểu thức cho ΔI L, như

∆IL = IL,max – IL,min = DT

L

V

V d o

(2-9) Lưu ý rằng các gợn song dòng điện là tỷ lệ thuận với D, chu kỳ sử dụng, khi mà chúng ta có thể không có bất kỳ kiểm soát vì những yêu cầu điện áp đầu ra Tuy nhiên,

nó là tỉ lệ nghịch với cuộn cảm L mà chúng ta có thể áp dụng một vài kiểm soát Vì vậy, các gợn song dòng điện có thể được kiểm soát bởi một lựa chọn thích hợp của các cuộn cảm

Hãy phân tích mạch khi công tắc là ở vị trí mở Điện cảm hoàn thành đường đi

của nó qua các MOSFET phía thấp hơn và phương trình vi phân tương ứng, cho 0 ≤ t ≤

I L,max là giá trị tối đa của dòng điện trong cuộn cảm khi bắt đầu bật hay bắt đầu

giai đoạn tắt Khi t→T OFF = (1-D)T , điện dẫn giảm tới giá trị tối thiểu của nó, như

∆I L = I L,max – I L,min = D T

L

V o

)1( (2-13)