Nghiên cứu và thiết kế bộ chuyển đổi Buck

Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ I ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG 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 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ II ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ***** SONEXAY PHANTHAVONG NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: TNU 108625270033 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ N N g g ư ư ờ ờ i i h h ư ư ớ ớ n n g g d d ẫ ẫ n n k k h h o o a a h h ọ ọ c c : : T T S S . . N N g g u u y y ễ ễ n n D D u u y y C C ư ư ơ ơ n n g g T T h h á á i i N N g g u u y y ê ê n n , , n n ă ă m m 2 2 0 0 1 1 2 2 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ III ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Thuyết minh LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK Học viên : SONEXAY PHANTHAVONG Lớp : Cao học - K13 KTĐT Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Ngƣời HD khoa học : TS. Nguyễn Duy Cƣơng Ngày giao đề tài : 02 tháng 01 năm 2012 Ngày hoàn thành : 30 tháng 11 năm 2012 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Nguyễn Duy Cƣơng HỌC VIÊN SONEXAY PHANTHAVONG BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ IV 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 SONEXAY PHANTHAVONG Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ V 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 CHƢƠNG 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 CHƢƠNG 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 CHƢƠNG III. THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK 62 3.1. Thông số ban đầu 63 3.2. Tham số đầu vào 63 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ VI 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 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ VII 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 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ VIII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Stt Tên hình vẽ Trang 1 Hinh 1.1. Mối liên hệ giữa điện tử, công suất, điều khiển 3 2 Hình 1.2. Lƣu đồ các hệ thống nguồn một chiều 4 3 Hình 1.3. Bộ nguồn tuyến tính 4 4 Hình 1.4. Bộ nguồn chuyển mạch 5 5 Hình 1.5. Sơ đồ khối bộ nguồn chuyển mạch 8 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 là điện trở 11 9 Hình 2.3. Mạch điện có bổ xung thêm cuộn cảm 11 10 Hình 2.4. Mạch điện lắp mạch lọc LC 12 11 Hình 2.5. Mạch chuyển đổi Buck với tải điện trở 12 12 Hình 2.6. Mạch nguồn chuyển mạch giảm áp 12 13 Hình 2.7. Sơ đồ tổng quát bộ chuyển đổi BUCK 17 14 Hình 2.8. Trạng thái ON 18 15 Hình 2.9. Trạng thái OFF 18 16 Hình 2.10. Chế độ liên tục và không liên tục 19 17 Hình 2.11. Chuyển mạch bù 20 18 Hình 2.12. Trạng thái ON/OFF của chuyển mạch 23 19 Hình 2.13. Dòng điện qua cuộn cảm 25 20 Hình 2.14. Nguồn dòng 26 21 Hình 2.15. Dòng điện qua chuyển mạch MOSFET thời gian đóng 26 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ IX 22 Hình 2.16. Độ gợn sóng của điện áp ra trong bộ chuyển đổi từng bƣớc 27 23 Hình 2.17. Tín hiệu PWM 29 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 26 Hình 2.20. Hệ thống điều khiển phản hồi 31 27 Hình 2.21. Cấu trúc hệ thống điều khiển phản hồi tuyến tính hóa 32 28 Hình 2.22. Mạch chuyển đổi Buck 35 29 Hình 2.23. Chuyển đổi Buck (a) on; (b) off 35 30 Hình 2.24. Hệ số khuếch đại vòng hở 38 31 Hình 2.25. Điều chế độ rộng xung 38 32 Hình 2.26. Định nghĩa tần số cắt, biên hệ số khuếch đại, biên hệ số pha 41 33 Hình 2.27. Mạch khuếch đại vi sai có bù 41 34 Hình 2.28. Mạch bù loại I 43 35 Hình 2.29. Mạch bù loại II 43 36 Hình 2.30. Đặc điểm mạng bù loại II 44 37 Hình 2.31. Mạch bù loại III 46 38 Hình 2.32. Đặc điểm mạng bù loại III 46 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 41 Hình 3.1. Sơ đồ bộ chuyển đổi Buck 52 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 45 Hình 3.5. Chuyển tải từ 5Ω lên 19Ω 57 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ X DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Stt Tên bảng biểu Trang 1 ng 1.1. So sánh giữa bộ nguồn tuyến tính và bộ nguồn chuyển mạch 6 2 2.1: So sánh chế độ điều khiển điện áp và chế độ điều khiển dòng điện 50 3 3.1: Thông số kỹ thuật của bộ chuyển đổi Buck thiết kế 51 4 Bảng 3.2: Thông số đã đƣợc tính toán 53 5 Bảng 3.3: Kết quả 55 6 Bảng 3.4: Kết quả với R L = 5Ω, ESR = DCR = 1, R 1 = 60 kΩ 55 7 Bảng 3.5: Kết quả với R L = 19Ω, ESR = DCR = 1, R 1 = 60 kΩV 56 8 Bảng 3.6: Kết quả với ESR = 30E-3, DCR = 1, R 1 = 60 kΩC 56 9 Bảng 3.7: Điều kiện tải lớn nhất 57 [...]... 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 phƣơng thức tính toán thiết kế các thông số cũng nhƣ 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... và mô phỏng với thƣ viện 90nm II Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của luận văn là tìm hiểu phƣơng pháp và ứng dụng để thiết kế bộ chuyển đổi Buck III Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan các lý thuyết liên quan và phƣơng 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... 22 2.1 Nguyên lý bộ chuyển đổi Buck Tên gọi bộ chuyển đổi Buck ban đầu liên quan đến hiện tƣợng 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 ƣu điểm đơn giản và chi phí thấp Hình 2.1 biểu diễn một mạch chuyển mạch chuyển đổi buck không tách... Bộ nguồn chuyển mạch (SMPS - Switch Mode Power Supplies) đã đƣợc 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 đƣợc sử dụng Luận văn này nghiên cứu mối liên quan đặc biệt giữa SMPS với bộ chuyển đổi chỉnh lƣu đồng bộ Buck (SRBC Synchronous Rectifier Buck. .. trung vào việc nghiên cứu, thiết kế bộ chuyển đổi Buck cho các ứng dụng khác nhau Đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo TS Nguyễn Duy Cƣơng 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 nhƣ sau: Chương 1: Giới thiệu – Tìm hiểu sơ lƣợc về bộ nguồn một chiều sử dụng kỹ thuật chuyển. .. đồng bộ Hình 2.11 Chuyển mạch bù Mạch chuyển đổi buck đồng bộ cơ bản là giống với mạch chuyển đổi buck stepdown với sự thay thế diode "catch" bằng chuyển mạch FET, hay mạch chỉnh lƣu đồng bộ Mạch MOSFET ở trên thực hiện chuyển năng lƣợng từ đầu vào (giống nhƣ mạch chuyển đổi buck thông thƣờng) và nạp dòng cuộn cảm Khi chuyển mạch ở trạng thái off, mạch MOSFET phía dƣới mở để dẫn dòng từ cuộn cảm và cung... 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... lấy từ đầu vào, không có năng lƣợng đƣợc tạo ra trong bộ chuyển đổi Việc chuyển đổi này đƣợc 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... mạch chuyển đổi DC/DC đƣợc sử dụng trong các bộ chỉnh lƣu đồng bộ Trong các bộ chuyển đổi này thƣờng 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. .. Các thiết kế tiêu chuẩn sử dụng cùng phƣơng pháp để làm chậm thời gian bật của MOSFET trên 2.2 Tính toán thiết kế bộ chuyển đổi Buck thực tế Trong phần trƣớc, chúng ta đã nghiên cứu hoạt động của Bộ chuyển đổi Buck Trong phần này chúng ta sẽ đƣa ra các phƣơng trình để tính toán thực tế 2.2.1 Tính toán tần số chuyển mạch Để tính toán tần số chuyển mạch, trƣớc tiên chúng tôi sẽ giả định rằng việc chuyển . phƣơng thức tính toán thiết kế các thông số cũng nhƣ 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. 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 phƣơng. 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 CHƢƠNG II. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK 21 2.1. Nguyên lý bộ chuyển đổi