tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu, THIẾT kế bộ CHUYỂN đổi BUCK

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ***** SONEXAY PHANTHAVONG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ Thái Nguyên, năm 2013 Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Cán bộ HDKH : TS Nguyễn Duy Cương Phản biện 1 : PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh Phản biện 2 : PGS.TS Nguyễn Thanh Hà Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao học, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Vào 09 giờ 00 phút ngày 28 tháng 07 năm 2013. Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. MỞ 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” 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 8 năm 2013 Người thực hiện Sonexay Phanthavong TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Nội dung chính của luận văn được cấu trúc gồm 3 chương: Chương I: GÍỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu 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. 1.2 Kỹ thuật chuyển mạch Từ việc so sánh hiệu suất giữa bộ nguồn hạ áp tuyến tính và bộ nguồn chuyển mạch, phần này đưa ra nguyên lý cũng như các đặc tính ưu việt của bộ nguồn chuyển mạch. 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). Tỷ lệ xung nhịp được quyết định bởi công thức: out in V DutyCycle V = 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. 1.3 Bộ chuyển đổi DC-DC Trong các thiết bị thực tế cần nhiều mức nguồn khác nhau với mong muốn công suất tổn hao nhỏ nhất có thể, do đó bộ chuyển đổi DC-DC phải được sử dụng. Các bộ chuyển đổi này chỉ lấy năng lượng ở đầu vào và chuyển đổi ở đầu ra, không trực tiếp tạo ra năng lượng. Các bộ chuyển đổi được thực hiện bởi mạch điện tử, có thể có hoặc không có biến áp. Mạch chuyển đổi không có biến áp còn gọi là mạch không cách ly, có biến áp là mạch chuyển đổi cách ly, tùy ứng dụng cụ thể mà có thể sử dụng một trong hai loại chuyển đổi này Chương II: NGUYÊN LÝ HỌAT ĐỘNG CỦA BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK 2.1 Nguyên lý bộ chuyển đổi BUCK Là mạch chuyển đổi có điện áp đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào – hạ áp, có các linh kiện bán dẫn được điều khiển đóng mở theo phương pháp điều chế độ rộng xung để thay đổi giá trị điện áp ở đầu ra. Sơ đồ bộ chuyển đổi Buck đơn giản như sau: Trạng thái ON Cuộn cảm L nối với chuyển mạch có xu hướng chống lại dòng tăng và bắt đầu tạo ra trường điện từ trong lõi. Diode D ở trạng thái phân cực ngược và là điều kiện cần đề mở mạch ở vị trí này. Dòng cuộn cảm tăng lên, tạo ra một sụt áp tại điểm này. Dòng cuộn cảm tăng lên, tạo ra một sụt áp dương qua cuộn cảm và một điện áp ra thấp ở điểm tham chiếu với điện áp vào. Cuộn cảm có chức năng như một nguồn dòng đối với tải ở đầu ra Trạng thái OFF 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 2.2 Tính toán thiết kế bộ chuyển đổi Buck thực tế Tính toán tần số chuyển mạch: Tần số chuyển mạch được tính thông qua công thức (V d – V o )t on = V o (T s - t on ) Tính toán cho cuộn cảm: Tính toán cho tụ điện: Chương III: THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK Những yếu tố cần xem xét khi sử dụng giải pháp nguồn điều chỉnh điện áp: • Nguồn điện áp đầu vào có sẵn • Điện áp đầu ra mong muốn • Hiệu suất chuyển đổi DC/DC (công suất đầu ra/công suất đầu vào) • Gợn sóng của điện áp đầu ra • Đáp ứng tức thời trên tải • Độ phức tạp của giải pháp • Tần số chuyển đổi Trước khi thực hiện bất kỳ một thiết kế, điều quan trọng là biết được các thông số nào là đáng quan tâm nhất. Các mối quan tâm khác nhau có thể là việc tối ưu hóa hiệu suất mạch, chi phí linh kiện hoặc mật độ năng lượng. Có thể ví dụ trường hợp coi thời gian đáp ứng nhanh và mật độ công suất (mật độ năng lượng) cao là quan trọng hơn cả sẽ dẫn tới yêu cầu tiếp theo là tần số hoạt động phải cao. Mặt khác, nếu hiệu suất là tham số quan trọng nhất thì việc lựa chọn một tần số thấp là tốt nhất. Bước đầu tiên trong việc thiết kế bộ chuyển đổi Buck là xác định giá trị của cuộn cảm và tụ điện trong các bộ lọc đầu ra dựa vào phương trình trong chương 2 chúng ta có thể đưa ra được tính toán sơ bộ. Các thông số kỹ thuật cho của bộ chuyển đổi Buck được đưa ra như sau: Bảng 3.1:Thông số kỹ thuật của bộ chuyển đổi Buck thiết kế Điện áp đầu vào 1.55 V Công suất đầu ra 200 mW Điện áp đầu ra 1V Tỷ lệ gợn sóng cho phép 1% Gợn sóng của dòng cho phép với (p-p và nguồn lý tưởng) 20 mA Hiệu suất tối thiểu 70% 3.1. Thông số ban đầu Công suất cho tải là 200mW. Vì vậy giá trị của điện trở tải là 5 Ω, để đảm bảo mật độ đáng tin cậy, giá trị cuộn cảm phải lớn hơn ít nhất 20% với giá trị tối thiểu và độ gợn sóng điện áp nhỏ hơn 1%. 3.2. Tham số đầu vào Do tần số f sw = 100 KHz, ESR = DCR = 1. Việc lựa chọn các thông số này được chỉ ra theo bảng 3. Sử dụng mã nguồn MATLAB tại phụ lục D (dựa trên mạch bù loại III được đề cập trong phần 2.2.8.3). Các giá trị được tính toán như sau. 3.3. Sơ đồ bộ chuyển đổi Buck Hình 3.1. Sơ đồ bộ chuyển đổi Buck Transistor T1 và T2 có kích thước tương ứng là 12µ và 6µ, T3 là khóa công suất có kích thước 1200µ và chuyển mạch mức thấp NFET là 600µ. Kích thước của các bóng bán dẫn đã được tối ưu hóa để giảm trở kháng và do đó điện áp bị suy hao trong quá trình chuyển đổi. 3.4. Tính toán các tham số Giá trị của cuộn cảm và tụ điện thay đổi theo biểu thức 2-25. Các giá trị LC tương ứng được chỉ ra trong phụ lục A. Các giá trị được chỉ ra trong trường hợp lý tưởng và có thể được sử dụng như giá trị thô ban đầu để tính toán. Bảng 3.2: Thông số đã được tính toán C 5 µF L 88.71µH R 1 60 kΩ R z2 153 kΩ C z2 274 pF C p1 36 pF R z3 10 kΩ C z3 297 pF Dựa vào giá trị đã được tính toán, ta xây dựng được đồ thị Bode mạch vòng hở để đánh giá độ ổn định như sau: Hình 3.2. Đồ thị Bode của bộ chuyển đổi Buck Hình 3.3. Đồ thị Bode cho mạch bù loại III Hình 3.4. Đồ thị Bode cho bộ chuyển đổi Buck mạch vòng hở Hình 3.4 cho thấy hệ số biên pha sau khi thêm vào mạch bù loại III là 61,6 0 , điều này đảm bảo tính ổn định của mạch. Với kết quả trên, các giá trị mô phỏng trong Cadence cung cấp cho chúng tôi với kết quả sau đây: Bảng 3.3: Kết quả Gợn sóng điện áp đầu ra 12.02 mV Gợn sóng dòng điện đầu ra 15.1614 mA Thời gian ổn định 329 µs Điện áp trung bình(tình trạng ổn định) 995 mV Hiệu suất 67.9% Bảng 3.4: Với R L = 5Ω, ESR = DCR = 1, R 1 = 60 kΩ C 10 µ 5 µ 1 µ L 44.35 µH 88.7 µH 443.55 µH R z2 153kΩ 153 kΩ 153 kΩ C z2 274.1pF 274.1 pF 274.1 pF C p1 85.33 pF 36.92 pF 6.6657 pF R z3 10.683 kΩ 10.683 kΩ 10.683 kΩ C z3 297.96 pF 297.96 pF 297.96 pF T s 339.5 µs 459.571 µs 600 µs V ripple 25.795 mV 13.22 mV 4.1378 mV I ripple 29.6345 mA 14.8399 mA 2.91053mA Dòng điện ra 197.6 mA 198.8 mA 199.5 mA Dòng điện vào 187.1 mA 188.3 mA 189 mA Điện áp trung bình 993.9 mV 995.7 mV 998.1 mV Hiệu suất 67.7 67.8 67.9 Bảng 3.5: Với R L = 19Ω, ESR = DCR = 1, R 1 = 60 kΩ Bảng 3.6 ESR = 30E-3, DCR = 1, R 1 = 60 kΩ Từ bảng 3.6 có thể thấy rằng với giá trị R L tăng lên tuy độ gợn sóng điện áp tăng lên nhưng hiệu suất cũng tăng lên. 3.5. Đánh giá Tải lớn nhất Tải tối đa mà vẫn có thể điều khiển được liên tục là 19Ω. Nó cho chúng ta kết quả như sau: Bảng 3.7: Điều kiện tải lớn nhất Gợn sóng nguồn đầu ra 36.1538 mV Gợn sóng dòng đầu ra 35.0889 mA Thời gian ổn định 349 µs C 10 µ 5 µ 1 µ L 44.35 µH 88.7 µH 443.55 µH R z2 153kΩ 153 kΩ 153 kΩ C z2 274.1pF 274.1 pF 274.1 pF C p1 85.33 pF 36.92 pF 6.6657 pF R z3 10.683 kΩ 10.683 kΩ 10.683 kΩ C z3 297.96 pF 297.96 pF 297.96 pF T s 289.7 µs 299 µs 391.63 µs V ripple 65.97 mV 33.958 mV 13.0125mV I ripple 68.033 mA 34.631 mA 7.2641 mA Dòng điện ra 53.47 mA 53.73 mA 52.51 mA Dòng điện vào 45.87 mA 45.44 mA 44.2 mA Điện áp trung bình 996.5 mV 1000 mV 999.7 mV Hiệu suất 74.9 76.2 76.6 R 1 =5 kΩ R 1 =19 kΩ C 5 µF 5 µF L 88.7 µH 88.7 µH R z2 153.6 kΩ 153.6 kΩ C z2 274.1pF 274.1pF C p1 929 pF 929 pF R z3 10.683 kΩ 10.683 kΩ C z3 297.96 pF 297.96 pF T s 483.71 µs 411.507 µs V ripple 3.9373 mV 10.62 mV I ripple 14.81 mA 33.81 mA Dòng điện ra 195 mA 44.63 mA Dòng điện vào 189.8 mA 39.86 mA Điện áp trung bình 998 mV 999.7 mV Hiệu suất(%) 66.1 72.21 [...]... thuyết, phân tích ưu nhược điểm của các bộ chuyển đổi, kết luận lý do sử dụng bộ chuyển đổi BUCK - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và các thành phần chi tiết trong bộ chuyển đổi BUCK - Thiết kế bộ chuyển đỏi BUCK thực tế, đảm bảo tính ổn định TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Giáo trình nguồn điện đặc biệt – Nguyễn Trường Duy, Đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh 2 Buck Converter Design Issues - Muhammad... 76.1% Tải thay đổi Đối với một tải 5Ω có độ gợn là 1% và tăng lên khoảng 3% với tải là 19Ω Hiệu suất Hiệu suất của bộ chuyển đổi Buck thay đổi nếu tải thay đổi Hiệu suất bị ảnh hưởng bởi trở kháng và suy hao tại chuyển mạch do dung kháng ký sinh trên mạch điện Hiệu suất = Hiệu suất đầu ra Hiệu suất đầu vào = Điện áp vào × dòng vào điện áp ra × dòng ra KẾT LUẬN Quan nghiên cứu, tìm hiểu, kết quả đạt được... Duy, Đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh 2 Buck Converter Design Issues - Muhammad Saad Rahman 3 Jinwen Xiao, Angel Peterchev, Jianhui, Seth Sanders, “An Ultra-Low-Power Digitally-Controlled Buck Converter IC for Cellular Phone Applications”, Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2004 Nineteenth Annual IEEE, Volume 1, Issue, 2004 Page(s): 383 - 391 Vol.1 4 Hoiquandientu.com . HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ***** SONEXAY PHANTHAVONG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC. điểm của các bộ chuyển đổi, kết luận lý do sử dụng bộ chuyển đổi BUCK - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và các thành phần chi tiết trong bộ chuyển đổi BUCK - Thiết kế bộ chuyển đỏi BUCK thực tế,. 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