Thiết kế mạch biến đổi nguồn 5v DC lên 12v DC

Thiết kế mạch biến đổi nguồn 5v DC lên 12v DC

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

  

Ngày… Tháng….năm 2010

Ký tên

Nhận xét của giáo viên

  

Ngày….tháng…năm 2010

Ký tên

MôC LôCLời mở đầu Trang 03

Cơ sở lý thuyết Trang 05

I Định nghĩa tổng quát Trang 05

1 Định nghĩa về bội áp Trang

II Các bộ biến đổi DC-DC Trang 05

1 Bộ biến đổi giảm áp Trang

2 Bộ biến đổi tăng áp Trang

3 Bộ biến đổi đảo áp Trang

Thiết kế và tính toán mạch biến đổi nguồn 5VDC lên 12VDC Trang 13

I Thiết kế khối tạo xung Trang

II Thiết kế và tính toán cho toàn mạch Trang

1 Thiết kế mạch nguyên lý Trang

2 Tính toán các linh kiện Trang

Kết luận chung Trang

Bộ biến đổi DC-DC tăng ỏp hay được sử dụng ở mạch một chiều trung gian củathiết bị biến đổi điện năng cụng suất vừa đặc biệt là cỏc hệ thống phỏt điện sửdụng năng lượng tỏi tạo (sức giú, mặt trời) Cấu trỳc mạch của bộ biến đổi vốnkhụng phức tạp nhưng vấn đề điều khiển nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao

và đảm bảo ổn định luụn là mục tiờu của cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu Thờm vào

đú, bộ biến đổi là đối tượng điều khiển tương đối phức tạp do mụ hỡnh cú tớnhphi tuyến

Dưới đõy là một trong những ứng dụng của điện tử tương tự trong cuộc

sống hàng ngày đú là “ Thiết kế mạch biến dổi nguồn 5V DC lờn 12V DC ” trong

bài đồ ỏn này Em hi vọng rằng sau khi hoàn thành đồ án này nó sẽ giúp emcủng cố lại kiến thức mà em đã tích lũy đợc trong suốt thời gian học tập và với -

ớc mong nó sẽ là một điểm tựa cơ bản cho em sau khi ra trờng

Trong quá trình làm đồ án em đã đợc sự hớng dẫn tận tình của thầy Lê

Văn Chơng Mặc dù đã cố gắng hết sức nhng là một lĩnh vực mới đối với em,

nên không tránh khỏi những thiếu sót về nội dung và phơng pháp trình bày Emrất mong đợc sự chỉ bảo hớng dẫn của thầy cô và ý kiến đóng góp của các bạn

để đề tài của em đợc hoàn thiện hơn

I ĐỊNH NGHĨA TỔNG QUÁT:

I.2 Định nghĩa về bội áp:

Đây là quá trình biến đổi điện áp một chiều Uv từ giá trị này sang các giá trịkhác thấp hơn hoặc cao hơn, hoặc có dấu ngược lại Nó thường dùng để tạo racao áp một chiều công suất nhỏ trong các thiết bị điện tử lưu động.Ví dụ: vợt bắtmuỗi, dùi cui điện

II CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC (DC-DC converter)

Có hai cách để thực hiện các bộ biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch: dùngcác tụ điện chuyển mạch, và dùng các điện cảm chuyển mạch Giải pháp dùngđiện cảm chuyển mạch có ưu thế hơn ở các mạch công suất lớn

Các bộ biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch bao gồm: buck(giảm áp), boost (tăng áp), và buck-boost/inverting (đảo dấu điện áp) Hình 1.1thể hiện sơ đồ nguyên lý của các bộ biến đổi này Với những cách bố trí điệncảm, khóa chuyển mạch, và diode khác nhau, các bộ biến đổi này thực hiệnnhững mục tiêu khác nhau, nhưng nguyên tắc hoạt động thì đều dựa trên hiệntượng duy trì dòng điện đi qua điện cảm

II.1 Bộ biến đổi giảm áp (buck converter)

Hình 1.1 Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch bằng điện cảm

1 Sơ đồ nguyên lí cơ bản của mạch buck:

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lí mạch giảm áp (buck)

2 Nguyên lí hoạt động:

Đây là kiểu biến đổi nguồn cho điện áp đầu ra nhỏ hơn so với điện áp đầuvào tức là Vin<vout

Mạch có cấu tạo nguyên lý đơn giản chỉ dùng một van đóng cắt nguồn điện

và phần lọc đầu ra Điện áp đầu ra được điều biến theo độ rộng xung

Khi " Switch On" được đóng tức là nối nguồn vào mạch thì lúc đó dòng điện

đi qua cuộn cảm và dòng điện trong cuộn cảm tăng lên, tại thời điểm này thì tụđiện được nạp đồng thời cũng cung cấp dòng điện qua tải Chiều dòng điện đượcchạy theo hình vẽ

Khi " Swith Off" được mở ra tức là ngắt nguồn ra khỏi mạch Khi đó trongcuộn cảm tích lũy năng lượng từ trường và tụ điện điện được tích lũy trước đó

sẽ phóng qua tải Cuộn cảm có xu hướng giữ cho dòng điện không đổi và giảmdần Chiều của dòng điện trong thời điểm này như trên hình vẽ

Quá trình đóng cắt liên tục tạo tải một điện áp trung bình theo luật băm xungPWM Dòng điện qua tải sẽ ở dạng xung tam giác đảm bảo cho dòng liên tụcqua tải Tần số đóng cắt khá cao để đảm bảo triệt nhiễu công suất cho mạch

Van công suất thường sử dụng các van như Transitor tốc độ cao, Mosfet hayIGBT

Ở trạng thái xác lập, dòng điện đi qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hoàn, vớigiá trị của dòng điện ở cuối chu kỳ trước bằng với giá trị của dòng điện ở đầuchu kỳ sau Xét trường hợp dòng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng điện qua điện

cảm là liên tục Giản đồ thời gian dòng qua cuộn cảm như hình 1.3.

Vì điện cảm không tiêu thụ năng lượng (điện cảm lý tưởng), hay công suấttrung bình trên điện cảm là bằng 0, và dòng điện trung bình của điện cảm làkhác 0, điện áp rơi trung bình trên điện cảm phải là 0

Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa(van), và T2 là thời gian ngắt khóa (van) Như vậy, T = T1 + T2 Giả sử điện áprơi trên diode, và dao động điện áp ngõ ra là khá nhỏ so với giá trị của điện ápngõ vào và ngõ ra Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa(van) là (T1/T)×(Vin − Vout), còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắtkhóa (van) là −(T2/T)×Vout

Hình 1.3: Giản đồ thời gian dòng điện qua cuộn dây theo thời gian.

Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn là: (T1/T)×(Vin − Vout) − (T2/T)×Vout = 0

(T1/T)×Vin − ((T1 + T2)/T)×Vout = 0 => (T1/T)×Vin = Vout

Giá trị D = T1/T thường được gọi là chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) Như vậy,

Vout = Vin×D D thay đổi từ 0 đến 1 (không bao gồm các giá trị 0 và 1), do đó 0

<Vout < Vin

Với các bộ biến đổi buck, vấn đề thường được đặt ra như sau: cho biết phạm

vi thay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ ra Vout, độ dao động điện

áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xác định giá trị của điện cảm,

tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảmbảo ổn định được điện áp ngõ ra

Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác địnhphạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: Dmin=Vout/Vin,max, và Dmax = Vout/Vin,min

Thông thường, các bộ biến đổi buck chỉ nên làm việc ở chế độ dòng điện

liên tục qua điện cảm Từ hình 1.4 ta có: tại biên của chế độ dòng điện liên tục

và gián đoạn, dòng qua cuộn cảm thay đổi một lượng ∆I = ∆Ion + ∆Ioff và bằng 2lần dòng điện tải (Itải)

Hình 1.4 Giản đồ thời gian tại biên của dòng tải liên tục và gián đoạn.

Như vậy, để dòng tải là liên tục thì độ thay đổi dòng điện cho phép bằng 2lần dòng điện tải tối thiểu Điện cảm phải đủ lớn để giới hạn độ thay đổi dòngđiện ở giá trị này trong điều kiện xấu nhất: khi D = Dmin, vì thời gian dòng điệngiảm là T2 lúc này là cực đại, với điện áp rơi không thay đổi là Vout Một cách cụthể, chúng ta có đẳng thức sau:

(1 − Dmin)×T×Vout = Lmin×2×Iout,min

Hai thông số cần được lựa chọn ở đây là Lmin và T Nếu chúng ta chọn tần sốchuyển mạch nhỏ, tức là T lớn (T = 1/f, f là tần số chuyển mạch), thì Lmin cũngcần phải lớn

Thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm sẽ đi qua tụ điện ngõ ra.Với dòng điện qua điện cảm có dạng tam giác, điện áp trên tụ điện ngõ ra sẽ làcác đoạn đa thức bậc hai nối với nhau (xét trong một chu kỳ chuyển mạch).Lượng điện tích được nạp vào tụ điện khi dòng điện qua điện cảm lớn hơn dòngđiện trung bình sẽ là ΔI×T/2 Nếu biểu diễn theo điện dung và điện áp trên tụI×T/2 Nếu biểu diễn theo điện dung và điện áp trên tụđiện thì lượng điện tích này bằng C×ΔI×T/2 Nếu biểu diễn theo điện dung và điện áp trên tụV Trong đó, ΔI×T/2 Nếu biểu diễn theo điện dung và điện áp trên tụI là biên độ của thành phầnxoay chiều của dòng điện qua điện cảm, còn ΔI×T/2 Nếu biểu diễn theo điện dung và điện áp trên tụV là độ thay đổi điện áp trên tụkhi nạp (cũng như khi xả, xét ở trạng thái xác lập) Như vậy, chúng ta có thể xácđịnh giá trị của tụ điện dựa vào đẳng thức sau:

ΔI×T/2 = C×ΔVI×T/2 = C×ΔI×T/2 = C×ΔVV

ΔI×T/2 Nếu biểu diễn theo điện dung và điện áp trên tụI đã được xác định ở trên, bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu, và T đã đượcchọn ở bước trước đó Tùy theo giá trị độ dao động điện áp ngõ ra cho phép ΔI×T/2 Nếu biểu diễn theo điện dung và điện áp trên tụV

mà chúng ta chọn giá trị C cho thích hợp

II.2 Bộ biến đổi tăng áp (boost converter)

1 Sơ đồ nguyên lí cơ bản mạch boost:

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lí mạch tăng áp (boost)

2 Nguyên tắc hoạt động:

Kiểu dạng nguồn xung này cho điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào :Vin < Vout

Mạch có cấu tạo nguyên lý khá đơn giản Cũng dùng một nguồn đóng cắt,

dùng cuộn cảm và tụ điện Điện áp đầu ra phụ thuộc vào điều biến độ rộng xung

và giá trị cuộn cảm L

Khi "Swich On" được đóng lại thì dòng điện trong cuộn cảm được tăng lênrất nhanh, dòng điện sẽ qua cuộn cảm qua van và xuống đất Dòng điện khôngqua diode và tụ điện phóng điện cung cấp cho tải Ở thời điểm này thì tải đượccung cấp bởi tụ điện Chiều của dòng điện như trên hình vẽ

Khi "Switch Off" được mở ra thì lúc này ở cuối cuộn dây xuất hiện với 1điện áp bằng điện áp đầu vào Điện áp đầu vào cùng với điện áp ở cuộn cảm quadiode cấp cho tải và đồng thời nạp cho tụ điện Khi đó điện áp đầu ra sẽ lớn hơnđiện áp đầu vào, dòng qua tải được cấp bởi điện áp đầu vào Chiều của dòngđiện được đi như hình vẽ!

Điện áp ra tải còn phụ thuộc giá trị của cuộn cảm tích lũy năng lượng và điềubiến độ rộng xung (điều khiển thời gian on/off) Tần số đóng cắt van là khá cao

hàng Khz để triệt nhiễu công suất và tăng công suất đầu ra.Dòng qua van đóngcắt nhỏ hơn dòng đầu ra.Van công suất thường là Transior tốc độ cao, Mosfethay IGBT Diode là diode xung, công suất.

Trong nguồn Boot thì điện áp đầu ra lớn hơn so với điện áp đầu vào do đócông suất đầu vào phải lớn hơn so vói công suất đầu ra Công suất đầu ra phụthuộc vào cuộn cảm L Hiệu suất của nguồn Boot cũng khá cao nên được dùngnhiều trong các mạch nâng áp do nó truyền trực tiếp nên công suất của nó rấtlớn

Nguồn boost có 2 chế độ:

- Chế độ không liên tục: Nếu điện cảm của cuộn cảm quá nhỏ, thì trong mộtchu kỳ đóng cắt, dòng điện sẽ tăng dần nạp năng lượng cho điện cảm rồi giảmdần, phóng năng lượng từ điện cảm sang tải Vì điện cảm nhỏ nên năng lượngtrong điện cảm cũng nhỏ, nên hết một chu kỳ, thì năng lượng trong điện cảmcũng giảm đến 0 Tức là trong một chu kỳ dòng điện sẽ tăng từ 0 đễn max rồigiảm về 0

- Chế độ liên tục: Nếu điện cảm rất lớn, thì dòng điện trong 1 chu kỳ điệncảm sẽ không thay đổi nhiều mà chỉ dao động quanh giá trị trung bình.Chế độliên tục có hiệu suất và chất lượng bộ nguồn tốt hơn nhiều chế độ không liên tục,nhưng đòi hỏi cuộn cảm có giá trị lớn hơn nhiều lần

Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa(van), và T2 là thời gian ngắt khóa (van) Như vậy, T = T1 + T2 Giả sử điện áprơi trên diode, và dao động điện áp ngõ ra là khá nhỏ so với giá trị của điện ápngõ vào và ngõ ra Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa(van) là (T1/T)×Vin, còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van)

(T1/T + T2/T)×Vin − ( T2/T)×Vout = 0

Với cách định nghĩa chu kỳ nhiệm vụ D = T1/T, T2/T = 1 − D, ta có Vin = (1

− D)×Vout, hay Vout = Vin/(1 − D) D thay đổi từ 0 đến 1 (không bao gồm các giátrị 0 và 1), do đó 0 < Vin < Vout

Tương tự như với bộ biến đổi buck, một trong những bài toán thường gặp lànhư sau: cho biết phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ ra

Vout, độ dao động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xác địnhgiá trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳnhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra

Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vithay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: Dmin=1−Vin,max/Vout, và Dmax=1− Vin,min/Vout

Lý luận tương tự như với bộ biến đổi buck, độ thay đổi dòng điện cho phép

sẽ bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn củađiện áp trung bình đặt vào điện cảm khi khóa (van) ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức

là hàm số Vin/Vout×(Vin − Vout) đạt giá trị nhỏ nhất khi D thay đổi từ Dmin đến Dmax

(chú ý là hàm số này có giá trị âm trong khoảng thay đổi của D) Gọi giá trị của

D và Vin tương ứng với giá trị nhỏ nhất đó là Dth và Vin,th (giá trị tới hạn), đẳngthức sau được dùng để chọn giá trị chu kỳ (hay tần số) chuyển mạch và điệncảm:

(1 − Dth)×T×(Vin,th - Vout) = Lmin×2×Iout,min

Việc lựa chọn giá trị cho tụ điện ngõ ra hoàn toàn giống như đối với trườnghợp bộ biến đổi buck

II.3 Bộ biến đổi đảo áp (buck-boost converter)

1 Sơ đồ nguyên lí mạch buck-boost:

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lí mạch đảo áp (buck-boost)

2 Nguyên tắc hoạt động:

Bộ biến đổi buck-boost hoạt động dựa trên nguyên tắc: khi khóa (van) đóng,điện áp ngõ vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theothời gian Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua

nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Tùy vào tỷ lệ giữa thờigian đóng khóa (van) và ngắt khóa (van) mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn,bằng, hay lớn hơn giá trị điện áp vào Trong mọi trường hợp thì dấu của điện áp

ra là ngược với dấu của điện áp vào, do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ giảmdần theo thời gian

Với các giả thiết tương tự như các trường hợp trên, ở chế độ dòng điện quađiện cảm là liên tục, điện áp rơi trung bình trên điện cảm sẽ bằng 0 Với cách kýhiệu T = T1 + T2 như trên, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa(van) là (T1/T)×Vin, còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van)

Khi D = 0.5, Vin = Vout Với những trường hợp khác, 0 < Vout < Vin khi 0 <

D < 0.5, và 0 < Vin < Vout khi 0.5 < D < 1 (chú ý là ở đây chỉ xét về độ lớn, vì

chúng ta đã biết Vin và Vout là ngược dấu) Như vậy, bộ biến đổi này có thể tăng

áp hay giảm áp, và đó là lý do mà nó được gọi là bộ biến đổi buck-boost

Xét cùng một loại bài toán thường gặp như những trường hợp trên, tức là:cho biết phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ ra Vout, độdao động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xác định giá trịcủa điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳnhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra

Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác địnhphạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: Dmin = Vout/(Vin,max + Vout), và Dmax =

Vout/(Vin,min + Vout)

Lý luận tương tự như với bộ biến đổi buck, độ thay đổi dòng điện cho phép

sẽ bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn củađiện áp trung bình đặt vào điện cảm khi khóa (van) ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức

là khi D = Dmin Như vậy đẳng thức dùng để chọn chu kỳ (tần số) chuyển mạch

và điện cảm L giống như của bộ biến đổi buck:

(1 − Dmin)×T×Vout = Lmin×2×Iout,min

Cách chọn tụ điện ngõ ra cho bộ biến đổi này cũng không khác gì so vớinhững trường hợp trên