THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Khóa luận tốt nghiệp MỤC LỤC Lời mở đầu Các thiết bị điện tử gia dụng hay chuyên dùng không thể sử dụng trực tiếp dòng điện xoay chiều (AC) từ lưới điện được mà phải thông qua bộ chuyển đổi nhằm hạ thế và chuyển thành dòng điện một chiều (DC) cung cấp cho các linh kiện điện tử trong thiết bị đó. Các bộ chuyển đổi này được gọi chung là bộ nguồn của thiết bị. Không ngoại lệ, máy vi tính cũng có bộ nguồn riêng của mình, vậy bộ nguồn máy tính có gì khác biệt so với các bộ nguồn thông thường? Bộ nguồn là một thiết bị phần cứng quan trọng, cung cấp năng lượng hoạt động cho toàn hệ thống. Với hàng loạt công nghệ mới chạy đôi hoặc "2 trong 1" như RAM Dual Channel, đĩa cứng RAID, đồ họa SLI/CrossFire, CPU DualCore . Bộ nguồn càng trở nên quan trọng hơn bao giờ hết bởi nó quyết định sự ổn định của hệ thống, tuổi thọ của các thiết bị phần cứng khác. Gánh nặng này đã vượt quá khả năng "chịu đựng" của những bộ nguồn không tên tuổi trên thị trường, kể cả những bộ nguồn noname được dán nhãn công suất lên đến “600 - 700W”. Nếu không cung cấp đủ công suất điện cho hệ thống, bạn sẽ phải thưởng thức vô số các lỗi… từ trên trời rơi xuống! Nhẹ thì máy chạy ì ạch, các game yêu thích bị đứng hình liên tục,… Nặng một chút thì máy đang chạy, tự nhiên khởi động lại hoặc khởi động không được, . trường hợp xấu nhất là cả hệ thống ”đi toi” kéo theo nhiều thiết bị “yêu quí” khác phải đi “nằm viện”. Dễ thấy nhất và các ví dụ điển hình là các tụ trên các mainboard thường phồng rộp lên, hoặc VGA cạc của Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT 1 Khóa luận tốt nghiệp bạn bị vỡ hình xuất hiện các ký tự lạ . Nguyên nhân chẩn đoán được lúc này là một phần do thủ phạm bộ nguồn gây ra. Chính vì vậy, việc lựa chọn một bộ nguồn thích hợp với hệ thống là điều bạn cần xem xét và tính toán khi chọn mua máy tính. Đặc biệt đối với những linh kiện cao cấp như phần cứng máy tính những bộ nguồn chất lượng kém ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến độ bền và tuổi thọ linh kiện, đây là những tác hại mà người dùng chỉ nhận biết được sau một thời gian sử dụng nhất định. Việc lựa chọn bộ nguồn đã không được người tiêu dùng Việt Nam quan tâm đúng trong một thời gian dài ngay cả đối với những người am hiểu về kỹ thuật máy tính. Hoặc người tiêu dùng chỉ lựa chọn sản phẩm qua nhãn mác, cảm tính của mình cũng như hình thức bề ngoài mà chưa thực sự nắm bắt được những thông số kỹ thuật của nhà sản xuất cung cấp kèm theo sản phẩm (tất nhiên còn tuỳ thuộc độ trung thực vào nhà cung cấp hoặc sản xuất – được đảm bảo chắc chắn từ những sản phầm và nhà sản xuất có tên tuổi ). Với những lý do trên tôi đã chọn lọc và sưu tầm tổng hợp các thông tin bài viết trên các diễn đàn phần cứng, tạp trí tin học uy tín trong và ngoài nước cũng như tham khảo các thông tin trên Internet các vần đề liên quan đến bộ nguồn của máy tính để người sử dụng tiện cho việc tham khảo tra cứu… Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT 2 Khóa luận tốt nghiệp CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ BỘ NGUỒN 1. Tổng quát. Bộ nguồn cho các thiết bị điện tử xách tay như máy ảnh, điện thoại di động, máy tính xách tay . có chức năng chuyển điện xoay chiều AC thành điện một chiều DC, thường được gọi là các AC adapter, để cung cấp cho các vi mạch điện tử bên trong máy cũng như các bộ phận ngoại vi. Một bộ nguồn làm việc ổn định và cung cấp đủ công suất rất quan trọng đối với một máy tính cá nhân. Tùy theo chủng loại, cấu hình của mỗi máy tính, chúng ta cần công suất nguồn khác nhau. Bộ nguồn được chia theo nguyên tắc hoạt động thành hai loại: Bộ nguồn tuyến tính và bộ nguồn ổn áp theo nguyên tắc băm áp 1 chiều. a) Bộ nguồn tuyến tính cổ điển bao gồm: một biến thế để hạ điện áp, một mạch chỉnh lưu không điều khiển (thường dùng sơ đồ cầu 1 pha với 4 điôt công suất và một bộ ổn định điện áp (có thể biến đổi từ 5V đến 12V). Vì làm việc ở tần số thấp (50-60Hz) nên biến áp của bộ nguồn tuyến tính có khối lượng sắt và đồng rất lớn, tổn thất công suất nhiều. Hơn nữa bộ ổn định điện áp làm việc theo nguyên tắc tuyến tính nên năng lượng điện không được tiêu thụ sẽ được giải phóng trên một điện trở phụ làm tổn thất điện năng càng lớn, càng làm cho bộ nguồn phát nóng nhiều. Vì những nhược điểm trên nên bộ nguồn tuyến tính ngày nay hầu như không dược sử dụng trong máy tính sách tay và chúng được thay thế chỗ bởi bộ nguồn ưu Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT 3 Khóa luận tốt nghiệp việt hơn: Bộ nguồn ổn áp theo nguyên tắc băm áp, ta thể gọi chúng là bộ nguồn đóng - cắt (switching regulator). b) Bộ nguồn đóng - cắt là một bộ nguồn rất nhẹ và có hiệu suất cao. Năng lượng điện được điều tiết theo nguyên tắc đóng – mở vì vậy chúng rất tiết kiệm năng lượng so với bộ nguồn tuyến tính. Nhược điểm duy nhất của chúng là rất khó tìm ra lỗi hỏng hóc để sửa chữa mà chỉ có thể thay thế cả bloc hay cả bộ nguồn, tuy nhiên nhược điểm này cũng không gây phiền hà nhiều cho người sử dụng do giá thành của các bộ nguồn này cũng càng ngày càng giảm do công nghệ điện tử càng ngày càng phát tiển. Trong một bộ nguồn đóng cắt, nguồn xoay chiều AC được chỉnh lưu ngay thành dòng một chiều DC, tiếp đó dòng một chiều này được băm với tần số cao (20-40KHz) nhờ các phần tử bán dẫn cao tần như các transistor MOS hay IGBT, kết hợp với biến áp cao tần để điều chỉnh điện áp 1 chiều ở đầu ra. Biến áp cao tần này sẽ nhỏ hơn nhiều so với biến áp tần số thấp. Do công suất nguồn được hiệu chỉnh theo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) nên năng lượng điện thất thoát cũng nhỏ hơn rất nhiều. 2. Cấu trúc cơ bản của bộ nguồn đóng - cắt Bộ nguồn này có mạch điện tương đối phức tạp được biểu diễn bằng bốn khối cơ bản như trong hình 1.1. Trong đó: - Input Rectifier and Filter: Khối chỉnh lưu và lọc đầu vào - Hight Frequency Inverter: Khối biến đổi cao tần - Output Rectifier and Filter: Khối chỉnh lưu và lọc đầu ra - Khối điều khiển theo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM Trong sơ đồ này chúng ta nhận thấy là bộ biến đổi tần số cao (high frequency inverter) giữ vai trò chính, nó bao gồm có bộ chỉnh lưu kết hợp với bộ băm làm việc ở dải tần số cao (từ 20kHz đến 200kHz). Điện áp nguồn AC được biến đổi, Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT 4 Khóa luận tốt nghiệp giảm xuống bằng giá trị điện áp đầu ra DC nhờ mạch điện tử hoặc mạch logic. Những khối còn lại hỗ trợ cho khối cơ bản này. Tần số nguồn đầu vào 50Hz được đưa tới khối chỉnh lưu và lọc, sau đó được đưa tới bộ biến đổi để giảm điện áp xuống, và điện áp ở đầu ra của bộ biến đổi lại tiếp tục được đưa tới một khối khác cũng chứa chỉnh lưu và bộ lọc. Điều chỉnh, ổn định điện áp đầu ra nhờ mạch phản hồi để đưa tới mạch điều khiển bộ biến đổi (inverter). Mạch điều khiển sẽ phát ra một tần số không đổi và ứng dụng kỹ thuật điều chỉnh độ rộng xung để đạt được quá trình điều chỉnh như mong muốn. Ví dụ như để ổn định điện áp ra: khi không tải hoặc điện áp vào tăng lên, thì tín hiệu phản hồi sẽ làm cho mạch điều khiển phát ra xung điều khiển tới bộ biến đổi có độ rộng xung hẹp, và ngược lại khi tăng tải lên hoặc điện áp vào giảm thì xung đưa tới bộ biến đổi sẽ rộng hơn. Chúng ta cần lưu ý là điện áp ra 1 chiều có giá trị được tính theo giá trị trung bình của xung điện áp. Cấu trúc của các bộ biến đổi dùng trong bộ nguồn ngày nay được phát triển từ bộ băm song song – băm tăng áp (boost) và bộ băm nối tiếp – băm giảm áp (buck). Hai bộ băm này được biểu diễn trong hình 1.2a và 1.2b. Từ hai sơ đồ cơ bản boost và buck khi có thêm một MBA để cách điện giữa nguồn và tải chúng ta sẽ nhận được các các bộ băm khác nhau: Họ sơ đồ biến đổi forward gồm có sơ đồ đẩy kéo (push-pull) và sơ đồ cầu nửa chu kỳ được phát triển từ sơ đồ điều chỉnh buck; họ sơ đồ flyback được phát triển từ sơ đồ điều chỉnh boost. Bộ nguồn hiện đại nhất ngày nay sử dụng sơ đồ flyback. Với giả thiết là dòng điện liên tục trên cuộn kháng L, chúng ta có quan hệ giữa điện áp vào (U in ) và điện áp ra (U out ) như sau: Sơ đồ buck: V out = V in .α (1) Sơ đồ boost : V out = V in /(1-α) (2) Trong đ ó: α = t đ /T Với t đ là khoảng thời gian dẫn dòng của khoá bán dẫn, T là chu kỳ băm Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT 5 Khóa luận tốt nghiệp Hình 1.1 : Cấu trúc cơ bản của bộ nguồn đóng cắt Trong sơ đồ buck, để điều chỉnh điện áp ra, chúng ta dễ dàng thay đổi giá trị α, chỉ có tỷ số vòng dây MBA (trong sơ đồ Forward) là sẽ phải thay đổi để bù các sụt áp trên điôt và điện áp bão hòa của transistor. Còn trong sơ đồ boost, ban đầu năng lượng phải được dự trữ trong cuộn kháng và sau đó năng lượng này cộng với năng lượng của nguồn đầu vào được phân phối tới tải. Tuy nhiên sơ đồ flyback được phát triển lên từ sơ đồ này chỉ phân phối năng lượng dự trữ trong cuộn cảm tới tải. Đây là phương thức hoạt động cơ bản của sơ đồ băm áp có tích lũy điện cảm (sơ đồ buck-boost) được cho trong hình 1.2c. Thực tế thì sơ đồ boost chỉ điều chỉnh để đạt điện áp ra lớn hơn điện áp vào, trong khi đó sơ đồ buck-boost hoặc sơ đồ flyback lại có thể điều chỉnh để đạt được Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT 6 Khóa luận tốt nghiệp điện áp ra tăng hoặc giảm so với điện áp đầu vào (với giả thiết là dòng trên cuộn cảm là liên tục: Uout = Uin. α/(1-α)). Việc phân tích sơ đồ boost bắt đầu từ việc phân tích cuộn cảm, chẳng hạn như năng lượng dự trữ trong cuộn cảm phát ra một giá trị công suất không đổi để đưa tới tải: P o = o fIL . 2 1 (3) trong đó: I: dòng điện giới hạn của cuộn cảm kháng. f o : tần số hoạt động. L: giá trị điện cảm. Do nó phát ra một lượng công suất không đổi để đưa tới tải mà không cần để ý đến trở kháng của tải (ngoại trừ hiện tượng ngắn mạch), nên sơ đồ boost là sự lựa chọn đầu tiên của các nhà thiết kế khi tải có tính chất điện áp (tải điện dung, R//C), tải đặc trưng của các máy tính sách tay. Đối với một tải có dạng mạch điện tử thì giá trị điện trở tải phải được biết để xác định điện áp đầu ra: V o = 2 Lo Lo RfL IRP = (4) Trong đó: R L là giá trị điện trở tải. Trong trường hợp này, dòng điện cuộn trở kháng có giá trị tương ứng với thời gian dẫn hoặc chu kỳ làm việc của khóa, và sự điều chỉnh đối với tải cố định đòi hỏi phải có sự thay đổi α. Đối với cả hai sơ đồ điều chỉnh, trong chế độ quá độ khi tải có tính chất dung, sẽ xảy ra hiện tượng dòng điện thay đổi đột biến, vì vậy cần thiết phải đưa ra yêu cầu là năng lượng phải được dự trữ sẵn trong cuộn cảm hoặc trong bộ lọc để đưa đến tải khi tải đột ngột gặp sự cố. Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT 7 Khóa luận tốt nghiệp Hình 1.2: Các sơ đồ cơ bản của bộ nguồn đóng cắt 3. Sơ đồ trong tương lai Trong tương lai bộ nguồn đóng-cắt có nhiều tiềm năng phát triển lớn mạnh và dải công suất của chúng được mở rộng nhiều cho các ứng dụng cụ thể khác nhau nhằm mục đích để đáp ứng cho sự phát triển lớn mạnh của các thiết bị sử dụng trong mạch vi xử lý. Với cấu tạo như của bộ nguồn ngày nay thì việc tăng độ làm việc tin cậy là cần thiết như làm giảm tiếng ồn của bộ nguồn, tăng độ tin cậy của các khoá bán dẫn…, nhưng sẽ làm cho giá thành tăng lên. Mặt khác, ta phải tạo ra tần số làm việc của khóa bán dẫn cao hơn để giảm kích thước, điều này cũng làm tăng giá thành. Công nghệ hiện nay cho phép các transistor lưỡng cực hoạt động với tần số 100kHz, còn với các transistor MOSFET thì tần số làm việc nằm trong khoảng từ 200kHz đến 500kHz. Trước đây với các bộ nguồn có những quy định về tiếng ồn và độ an toàn theo tiêu chuẩn MIL và VDE ở châu Âu, nhưng ngày nay các tiêu chuẩn này đựơc quy định quốc tế đưa ra một số quy định phù hợp với hệ thống thiết bị điện tử là hệ Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT 8 Khóa luận tốt nghiệp thống bao gồm nhiều khoá bán dẫn làm việc ở chế độ đóng cắt (trong bảng 1). Tuy nhiên những kỹ sư thiết kế hệ thống hoặc những nhà thiết kế bộ nguồn sẽ phải bổ sung thêm một số bộ lọc tạp âm cần thiết có thể bảo đảm các tiêu chuẩn này mà không cần tốn thêm một khoản chi phí khác. Bảng 1. Một số tiêu chuẩn quốc tế đối với bộ nguồn đóng cắt Tiêu chuẩn Phạm vi quy định UL 478, VDE 0730, VDE 0806 VDE 0871, VDE 0875 MIL-STD-217D MIL-STD-461A DOD-STD-1399 FCC Class A & B CSA C22,2; IEC380 An toàn Độ ồn Độ tin cậy Độ ồn Sóng hài Độ ồn An toàn Các bộ nguồn đóng cắt càng ngày càng được hoàn thiện theo hướng đơn giản hơn, chi phí giảm xuống và độ tin cậy tăng lên. Ví dụ khi sử dụng chip VLSI cho bộ chỉnh lưu đầu ra thì yêu cầu phải có nguồn điện áp 2V hoặc 3V cung cấp cho nó, trong trường hợp này chỉ có một cách duy nhất để giảm tổn thất hay tăng hiệu suất của bộ biến đổi là phải làm cho sụt áp trên các phần tử khoá bán dẫn giảm đi khi dẫn dòng (V f ). Yêu cầu các giá trị sụt áp V f và nguồn cấp cho các khoá đóng cắt V R được cho trong bảng 2 với điện áp ra là 3V và 5V. Bảng 2. Yêu cầu V f và V R của bộ chỉnh lưu đầu ra. Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT 9 Khóa luận tốt nghiệp Điện áp ra Giá trị yêu cầu V F V R 5.0V 3.0V 0,5V-1.0V 0,3V-0,6V 30V-60V 20V-40V CHƯƠNG II. TỔNG QUAN VỀ BỘ NGUỒN ĐÓNG – CẮT Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT 10 [...]... thêm vào một đầu ra thứ hai trong cuộn dây của máy biến áp điều chỉnh và điều chỉnh khóa công suất phía dưới cùng với máy biến áp giống như ở trên Từ đó có thể bỏ qua mạch điều khiển quy chuẩn-đất và mạch điều khiển động cho cả hai khóa công suất Nó cũng cho phép mạch điều khiển trở thành máy biến áp cách ly với đường dây đầu vào nếu thấy cần thiết Hình 3.8: Dạng sóng của sơ đồ cầu nửa chu kỳ Nguyễn... kiểu hoạt động gián đoạn của sơ đồ điều chỉnh boost có thể trở thành kiểu hoạt động liên tục khi độ rộng xung trong khoảng thời gian khóa công suất dẫn trở nên rộng hơn để cung cấp đủ năng lượng cần thiết cho tải Để thiết kế sơ đồ boost hoạt động ở trạng thái liên tục thì phải có điều kiện về ổn định Một câu hỏi quan trọng cần được trả lời trong quá trình thiết kế sơ đồ điều chỉnh boost là cuộn cảm có... ngắn mạch gây ảnh hưởng tới nguồn đầu vào và làm tăng thêm độ nguy hiểm cho khóa công suất và diode Để khắc phục Nguyễn Đăng Học 14 K54B_CNTT Khóa luận tốt nghiệp nhược điểm này chúng ta có thể lựa chọn loại diode có thời gian chuyển mạch nhanh 3 Transistors bán dẫn và MOSFETs thường bị hỏng khi có hiện tượng ngắn mạch xảy ra Dẫn tới kết quả là toàn bộ mạch điện bị ngắn mạch Yêu cầu nhà thiết kế phải... máy biến áp cách ly 2.1 Sơ đồ điều chỉnh Buck: Sơ điều chỉnh buck là đơn giản nhất trong tất cả các sơ đồ của bộ nguồn chuyển mạch có điện áp ra DC nhở hơn điện áp vào DC Nó cũng là sơ đồ dễ hiểu và dễ thiết kế nhất Mặc dù việc điều chỉnh sơ đồ buck rất đơn giản, nhưng cũng là sơ đồ có nhiều nhược điểm nhất Vì vậy chỉ nên sử dụng nó trong những trường hợp thật sự cần thiết Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng... đồ thiết kế 2 Sơ đồ bộ nguồn đóng cắt không sử dụng máy biến áp cách ly: Dạng sơ đồ bộ nguồn chuyển mạch không sử dụng máy biến áp cách ly chỉ được dùng khi có các thiết bị bên ngoài cung cấp cách điện một chiều hay có phần tử bảo vệ thay cho nguồn chuyển mạch Những thiết bị bên ngoài này thường là máy biến áp có tần số từ 50-60Hz hay nguồn công suất cách điện lớn Phạm vi ứng dụng của chúng khi cần điều. .. chỉnh giá trị điện áp ra DC Những sơ đồ không sử dụng máy biến áp cách ly rất đơn giản và dễ hiểu do đó chúng được nhiều nhà thiết kế sử dụng như một ví dụ mẫu nhưng những người thiết kế chưa có kinh nghiệm hay tận dụng quá mức Những sơ đồ không cách ly ít khi được các nhà thiết kế bộ nguồn dày dạn kinh nghiệm sử dụng do không có phần cách điện ở khối một chiều làm giảm độ an toàn cho sơ đồ Có 3 sơ đồ... nhiều ưu điểm hơn Một điều cần phải lưu ý là việc thiết kế sơ đồ flyback tương tự như sơ đồ điều chỉnh boost ngoại trừ việc bổ sung thêm cuộn thứ cấp cho sơ đồ flyback Khi đó, kích thước của sơ đồ flyback lớn hơn không đáng kể so với sơ đồ điều chỉnh boost Việc bổ sung thêm cuộn dây thứ cấp làm cho sơ đồ flyback trở nên linh hoạt hơn Những ưu điểm của sơ đồ flyback so với sơ đồ điều chỉnh boost hay... chu kỳ làm việc Để so sánh năng lượng này với yêu cầu của tải, thì nhà thiết kế phải tăng công suất lên gấp nhiều lần nhờ tần số hoạt động của nguồn Kết quả công suất được đo bằng W và được so sánh với yêu cầu của tải, cũng là đại lượng được đo bằng W Ta nhận thấy một điều là những phương trình này rất có sức thu hút các nhà thiết kế sơ đồ flyback, vì nó có khả năng phân phối lượng công suất lớn hơn... phần điều khiển Bộ khuếch đại hoạt động ở trạng thái bình thường không thể đáp ứng điều đó một cách kịp thời, nên yêu cầu mạch điện này phải được hợp thành từ các phần tử độc lập Nhưng như thế sẽ làm tăng chi phí của bộ nguồn và dẫn tới sơ đồ đẩy – kéo không phải là sự lựa chọn tối ưu Chế độ điều chỉnh dòng có thể làm giảm hiện tượng mất cân bằng của lõi khi nó cảm ứng dòng sơ cấp tức thời Các nhà thiết. .. lắp thêm một mạch ổn áp ở nguồn đầu ra và một cầu chì mắc nối tiếp với đầu vào Thông thường mạch ổn áp sử dụng bộ chỉnh lưu điều khiển có trigơ SCR làm cho sơ đồ phức tạp hơn, đồng thời cũng làm cho thao tác vận hành phức tạp hơn Mặc dù sơ đồ này có dải công suất khá rộng cung cấp cho tải, nhưng trong thực tế ít được sử dụng do những nhược điểm đã nói ở trên 2.2 Sơ đồ điều chỉnh boost Bộ điều chỉnh boost, . ki u ho t động li n t c khi độ rộng xung trong khoảng th i gian khóa công su t d n trở n n rộng h n để cung cấp đủ n ng lượng c n thi t cho t i. Để thi t. bộ ngu n tuy n t nh có kh i lượng s t và đồng r t l n, t n th t công su t nhi u. H n nữa bộ n định i n áp l m việc theo nguy n t c tuy n t nh n n năng