Nghiên cứu giải pháp thiết kế bộ nguồn chất lượng cao dùng trong thiết bị điện tử

Nghiên cứu giải pháp thiết kế bộ nguồn chất lượng cao dùng trong thiết bị điện tử

Bộ giáo dục và đào tạo đại học giao thông vận tải ------------------------------------ Phạm thanh huyền Nghiên cứu giải pháp thiết kế bộ nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: điện tử - viễn thông M số: 60. 52. 70 Ngời hớng dẫn khoa học : Ts. Nguyễn thanh hải Chữ ký: Hà Nội, tháng 10 năm 2006 Để có đợc kết quả học tập nh ngày hôm nay, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới tập thể các thầy cô giáo trong trờng Đại học Giao thông Vận tải đã nhiệt tình giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi để lớp Cao học Điện tử Viễn Thông K11, nói chung, và tác giả, nói riêng, hoàn thành khoá học của mình. Xin cám ơn các thầy cô trong Khoa Điện - Điện tử, đặc biệt là TS. Nguyễn Thanh Hải - ngời hớng dẫn khoa học trực tiếp cho luận văn tốt nghiệp này. TS. Nguyễn Thanh Hải không chỉ gợi ý đề tài mà còn đa ra nhiều ý kiến quý báu để tác giả có thể giải quyết đợc những vấn đề khó khăn nảy sinh trong quá trình thực hiện luận văn. Cuối cùng tác giả xin gửi lời cám ơn sâu sắc tới gia đình và bạn bè, những ngời đã động viên và tạo mọi điều kiện để tác giả có thể đầu t tối đa thời gian và công sức hoàn thành công việc của mình. Xin chân thành cám ơn ! Tác giả 1 Mục lục Danh mục một số từ viết tắt Mở đầu Chơng 1 Tổng quan chung và các yêu cầu của bộ nguồn trong thiết bị điện tử 1.1. Tổng quan chung . 7 1.1.1. Vị trí và tầm quan trọng của bộ nguồn trong hệ thống 7 1.1.2. Các loại nguồn sử dụng trong thiết bị điện tử 7 1.2. Đánh giá các phơng án thiết kế nguồn ổn định . 9 1.2.1. Bộ nguồn ổn định tuyến tính 9 1.2.2. Bộ nguồn chuyển mạch 13 1.3. Các yêu cầu của bộ nguồn chuyển mạch . 15 1.3.1. Khối lọc nhiễu đầu vào .15 1.3.2. Khối nắn và lọc sơ cấp 16 1.3.3. Khối chuyển mạch tần số cao, nắn và lọc thứ cấp .17 1.3.4. Khối điều khiển . 17 Chơng 2 Bộ biến đổi điện áp DC/DC 2.1. Phơng pháp biến đổi điện áp DC/DC 19 2.1.1. Mạch ngắt quãng hoạt động ở chế độ A 20 2.1.2. Mạch ngắt quãng hoạt động ở chế độ B 21 2.1.3. Mạch ngắt quãng hoạt động ở chế độ C .22 2.1.4. Mạch ngắt quãng hoạt động ở chế độ D .22 2.1.5. Mạch ngắt quãng hoạt động ở cả 4 chế độ . 23 2.2. Các bộ biến đổi điện áp DC/DC 24 2.2.1. Bộ biến đổi thế hệ thứ nhất 24 2.2.2. Bộ biến đổi thế hệ thứ hai . 33 2.2.3. Bộ biến đổi thế hệ thứ ba 34 Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử 2 2.2.4. Bộ biến đổi thế hệ thứ t 35 2.2.5. Bộ biến đổi thế hệ thứ năm 36 2.2.6. Bộ biến đổi thế hệ thứ sáu 36 Chơng 3 Các giải pháp thiết kế bộ nguồn chuyển mạch 3.1. Mục đích và yêu cầu . 38 3.2. Thiết kế khối công suất . 39 3.2.1. Bộ chuyển mạch Buck 39 3.2.2. Bộ chuyển mạch Boost 42 3.2.3. Bộ chuyển mạch kiểu đẩy - kéo . 46 3.2.4. Bộ chuyển mạch cầu bán phần 52 3.2.5. Bộ chuyển mạch cầu toàn phần . 55 3.3. Thiết kế khối điều khiển . 58 3.3.1. Giới thiệu chung 58 3.3.2. Nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM) 59 Chơng 4 Mô phỏng 4.1. Giới thiệu chung về các phần mềm mô phỏng . 62 4.1.1. Phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink 62 4.1.2. Phần mềm thiết kế mạch điện tử . 64 4.1.3. Giới thiệu một số họ IC điều khiển công suất thông dụng 65 4.2. Xây dựng mô hình mô phỏng . 67 4.2.1. Giới thiệu chung 67 4.2.2. Tính toán thông số và lựa chọn linh kiện cho từng đầu ra69 4.3. Đánh giá và thí nghiệm kết quả trên mô hình mô phỏng 88 4.3.1. Mô phỏng cho mạch đơn 88 4.3.2. Mô phỏng cho mạch tổng hợp: 88 Tài liệu tham khảo . 92 Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử 3 Danh mục Một số từ viết tắt AC Xoay chiều AC/AC Biến đổi điện áp xoay chiều sang xoay chiều AC/DC Biến đổi điện áp xoay chiều sang một chiều BJT Transistor lỡng cực DC Một chiều DC/AC Biến đổi điện áp một chiều sang xoay chiều DC/DC Biến đổi điện áp một chiều sang một chiều EMI Nhiễu điện từ FET Transistor hiệu ứng trờng IC Vi mạch tích hợp PTHC Phần tử hiệu chỉnh PWM Bộ điều chế độ rộng xung RFI Nhiễu cao tần SMPS Bộ mguồn chuyển mạch Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử 4 mở đầu 1. Tính cấp thiết của đề tài Kỹ thuật cấp nguồn là kỹ thuật liên quan tới việc cung cấp năng lợng điện cho các thiết bị sử dụng. Điều này có tính quan trọng sống còn đối với ngành công nghiệp điện tử. Các bộ chuyển đổi dạng năng lợng điện đợc chia thành 4 loại là: Biến áp biến đổi AC / AC Bộ chỉnh lu biến đổi AC/DC Bộ nghịch lu biến đổi DC/AC Bộ biến đổi DC/DC Trong đó, biến áp và bộ chỉnh lu khá đơn giản, chúng xuất hiện từ rất lâu và đợc nghiên cứu đầy đủ từ lý thuyết tới xây dựng mạch thực tế. Tới nay vấn đề này có thể coi nh đã đợc hoàn thiện. Còn bộ nghịch lu và bộ biến đổi DC/DC còn rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu. Bộ biến đổi DC/DC (cơ sở để xây dựng bộ nguồn chuyển mạch chất lợng cao và bộ điều khiển động cơ một chiều) xuất hiện sau một thời gian dài và mặc dù phát triển không ngừng kể từ khi ra đời nhng lý thuyết về chúng còn rất ít mà hầu hết ở dạng những bài báo đa ra các sơ đồ mạch cụ thể mà các nhà nghiên cứu tìm ra để đáp ứng đợc yêu cầu của ứng dụng nhất định nào đó. Trớc thực tế đó, tác giả luận văn này mạnh dạn đi sâu nghiên cứu về lý thuyết của việc chuyển đổi DC/DC, trên cơ sở ấy đa ra các giải pháp thiết kế nguồn chuyển mạch. Để minh chứng cho lý thuyết một cách trực quan và sinh động hơn, luận văn có xây dựng phần mô phỏng cho một ứng dụng cụ thể. Sau khi hoàn thành, luận văn sẽ góp phần làm rõ lý thuyết cũng nh cho biết một số điều chỉnh thực tế của việc thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử. 2. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài Vấn đề nghiên cứu nguồn chuyển mạch là một vấn đề không mới nhng có thể nói là rất khó vì chúng thay đổi rất nhanh nhằm đáp ứng những đòi hỏi ngày càng phức tạp của thực tế. Mặc dù mang tính thực tiễn và ứng dụng rất cao nhng nghiên cứu lý thuyết về nguồn chuyển mạch thì còn thiếu rất nhiều. Mặt khác, do tính cạnh tranh về thơng mại mà các nhà sản xuất có Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử 5 thể đa ra sản phẩm nhng không hề công bố lý thuyết kèm theo. Vì vậy, những ngời dùng khi cần sửa chữa hoặc muốn tự thiết kế theo yêu cầu riêng là rất khó khăn. Các đề tài nghiên cứu trong nớc hầu nh không có, tất nhiên không kể tới những tài liệu nói về điện tử công suất cơ bản. Trên thế giới có rất ít ngời nghiên cứu chuyên sâu về vấn đề này. Tài liệu chỉ ở dạng các bài báo đăng trên tạp chí IEEE về các kỹ thuật liên quan tới bộ nguồn chuyển mạch nh kỹ thuật DC/DC, hoặc sơ đồ mang tính giới thiệu của các hãng sản xuất (nếu lắp ráp nh vậy phần lớn mạch không hoạt động và cũng không có cơ sở để lựa chọn linh kiện hay thay đổi cấu hình) . Tuy vậy, cũng có tài liệu nói tới việc thiết kế nhng lại theo kinh nghiệm là chủ yếu. 3. Mục đích, nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của luận văn Mục đích: Luận văn có mục đích tìm hiểu các kỹ thuật cơ bản để thiết kế nguồn chuyển mạch chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử. Nhiệm vụ: Nghiên cứu góp phần làm rõ cơ sở lý thuyết của nguồn chuyển mạch chất lợng cao. Đa ra một số giải pháp thiết kế bộ nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử. Mô phỏng kết quả nghiên cứu lý thuyết bằng một số phần mềm mô phỏng để minh hoạ trực quan cho lý thuyết và thuận tiện cho việc cải tiến và điều chỉnh mạch (xây dựng mạch cho một ứng dụng cụ thể). Phạm vi nghiên cứu: Luận văn nghiên cứu các kỹ thuật cơ bản liên quan tới nguồn chuyển mạch. Thiết kế và mô phỏng một bộ nguồn chuyển mạch cho một ứng dụng cụ thể. 4. Cơ sở lý luận và phơng pháp nghiên cứu của luận văn Cơ sở lý luận: Luận văn đợc nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết kỹ thuật mạch điện tử, điện tử công suất, hệ thống điều khiển có phản hồi Các bài báo, tài liệu khoa học Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử 6 Hớng dẫn sử dụng các phần mềm mô phỏng nh Matlab, LTspice, SW Cad III, BodeCad, Swift Desinger, TPS 40 Desinger, LoPwrDC Desinger Phơng pháp nghiên cứu: Chủ yếu là phơng pháp tổng hợp và phân tích trên cơ sở lý thuyết đã có. Ngoài ra, còn thống kê, so sánh để lựa chọn phơng án tối u. 5. Đóng góp về mặt khoa học của luận văn Giới thiệu và làm rõ lý thuyết cơ bản về nguồn chuyển mạch. Xây dựng thử nghiệm công cụ thiết kế nguồn chuyển mạch một cách nhanh chóng và tiện lợi nhờ phần mềm mô phỏng. 6. ý nghĩa thực tế của luận văn Cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc phân tích và thiết kế bộ nguồn chuyển mạch. Đánh giá chất lợng và hiệu suất với loại nguồn chuyển mạch. 7. Kết cấu của luận văn Luận văn gồm 4 chơng với 3 chơng lý thuyết và một chơng trình bày phần mô phỏng. Ngoài ra còn có phần mở đầu và danh mục tài liệu tham khảo. Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử 7 Chơng 1 Tổng quan chung và các yêu cầu của bộ nguồn trong thiết bị điện tử 1.1. Tổng quan chung 1.1.1. Vị trí và tầm quan trọng của bộ nguồn trong hệ thống Nguồn điện trong các hệ thống điện tử đóng vai trò hết sức quan trọng. Đó là nơi cung cấp năng lợng điện cho hệ thống hoạt động cũng nh trái tim cung cấp máu đi nuôi cơ thể. Vì vậy có thể nói rằng việc tạo ra bộ nguồn chất lợng cao có vai trò quyết định tới sự sống còn của cả hệ thống. Các hệ thống điện tử ngày nay đều sử dụng năng lợng của dòng điện một chiều, việc cấp nguồn một chiều có thể thực hiện bằng cách sử dụng các nguồn pin, acquy, pin mặt trời nhng các nguồn này không có tính ổn định (nguồn yếu đi sau một thời gian hoặc phụ thuộc quá nhiều vào điều kiện bên ngoài). Do đó, với các hệ thống yêu cầu hoạt động tin cậy trong một thời gian dài thì yêu cầu bộ nguồn phải đảm bảo về độ ổn định cao và phạm vi ổn định rộng. Để đáp ứng đợc yêu cầu đó các bộ nguồn dùng trong thiết bị điện tử đều sử dụng phơng án tối u là lấy nguồn cung cấp chính từ đờng dây điện lực, đồng thời kết hợp với nguồn dự phòng là pin hoặc máy phát điện. Tuy nhiên, phần quan trọng nhất để quyết định tính ổn định của bộ nguồn lại không phụ thuộc vào cách dùng nguồn chính hay nguồn dự phòng vì sau đó chúng đều cần đi qua phần ổn định để đảm bảo đầu ra không đổi. Chúng ta sẽ làm rõ điều này ở các phần tiếp theo đây. 1.1.2. Các loại nguồn sử dụng trong thiết bị điện tử Cùng với sự phát triển không ngừng của ngành công nghiệp điện tử, các bộ nguồn cũng liên tục đợc thay đổi để đáp ứng những yêu cầu ngày càng cao về chất lợng cũng nh sự đa dạng trong mục đích sử dụng. Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử 8 Sự ổn định của nguồn cung cấp quyết định sự an toàn cho thiết bị, tăng sự chính xác trong hoạt động và kéo dài tuổi thọ của chúng, hiện nay việc ổn định này đợc thực hiện hoàn toàn tự động với chất lợng rất cao. Hình 1. 1: Sơ đồ khối đơn giản của một bộ nguồn Khối 1: Biến áp Khối 2: Nắn và lọc sơ cấp Khối 3: Nguồn dự phòng Khối 4: Bộ ổn định Từ sơ đồ trên có thể thấy rất rõ là sự khác biệt của các bộ nguồn để tạo ra chất lợng khác nhau chính là ở khối 4. Bộ ổn định. Khối 1 và 2 có một số sơ đồ thông dụng nh hình dới đây: + - + - L dc Uo Rt + C2 + C1 ac Ui TR dc ac Ui Uo Rt + C2 + C1 R TR Hình 1. 2: Sơ đồ mạch chỉnh lu và lọc nguồn Đầu vào ac 4 2 1 3 Đầu ra dc ổn định Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử [...]... bản của bộ nguồn chuyển mạch dùng trong thiết bị điện tử sẽ giúp cho việc thiết kế bộ nguồn đợc chính xác và đạt hiệu quả cao Các chơng tiếp theo sẽ phân tích lý thuyết và đa ra các cấu hình mạch để đáp ứng đợc các yêu cầu đó Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử 19 Chơng 2 Bộ biến đổi điện áp DC/DC Nh đã nói ở trên, bộ biến đổi DC/DC là một trong những... thấp hoặc quá cao Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử 18 Kết luận: Khối cấp nguồn dùng cho các thiết bị điện tử có thể đợc thiết kế theo hai phơng án là nguồn tuyến tính hoặc nguồn chuyển mạch Theo những phân tích ở trên thì nguồn chuyển mạch có nhiều u thế hơn cả, đây chính là xu hớng phát triển của kỹ thuật cấp nguồn trong thời gian qua Với những u điểm... mạch ngắt quãng Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử 20 Trong đó: Chế độ A: Điện áp dơng, dòng điện dơng Chế độ B: Điện áp dơng, dòng điện âm Chế độ C: Điện áp âm, dòng điện âm Chế độ D: Điện áp âm, dòng điện dơng Nguyên tắc chung của việc biến đổi điện áp DC/DC chính là băm nhỏ dạng điện áp liên tục ban đầu thành dãy xung, khi đó điện áp trung bình của... dụ, nếu bộ nguồn chuyển mạch dùng pin hay acquy thì không cần có khối (1) Khối lọc nhiễu đầu vào và (2) Khối nắn và lọc sơ cấp Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử 14 (1) (3) (2) (4) (5) (10) (9) (8) (6) (7) ố ề ể Hình 1 7: Sơ đồ khối của bộ nguồn chuyển mạch Trong đó: 1) Lọc nhiễu tần số cao 2) Bộ nắn và lọc sơ cấp 3) Phần chuyển mạch chính 4) Bộ nắn... đó 2.2.1 Bộ biến đổi thế hệ thứ nhất Các bộ biến đổi thế hệ thứ nhất là các bộ biến đổi cơ sở hoạt động ở chế độ đơn (A, B, C hoặc D) và trong dải công suất thấp (dới 100W) Ngời ta Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử 25 phân chia các bộ biến đổi điện áp DC/DC thế hệ thứ nhất thành 5 nhóm theo trình tự xuất hiện của chúng: Bộ biến đổi cơ bản Bộ biến đổi... tăng và điện áp ngõ ra giảm xuống Điện áp mới đợc tạo ra lại tiếp tục đợc so sánh với điện áp mẫu tới khi đạt trạng thái cân bằng với điện áp mẫu Nhng khi điện áp ngõ ra giảm, quá trình trên lại không diễn ra ngợc lại Nh vậy có thể thấy khuyết điểm rõ ràng của bộ ổn định tuyến tính có hồi tiếp là: Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử 12 Chỉ tạo đợc điện. .. biến đổi Boost Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử 27 Bộ biến đổi Boost chính là mạch ngắt quãng hoạt động ở chế độ B Điện áp đợc tính theo công thức (2.2) Do đó V2 đợc tính nh sau: V2 = T 1 V1 = V1 Toff 1 k Vì 0 < k < 1 nên V2 > V1 Nh vậy bộ biến đổi cho phép điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào, ngời ta gọi bộ biến đổi Boost là bộ biến đổi tăng cờng... phân tích hoạt động và thiết kế của mạch này đợc phân tích chi tiết trong chơng 3 Bộ biến đổi cầu toàn phần Bộ biến đổi cầu toàn phần sử dụng nhiều chuyển mạch và do vậy điện áp đầu ra đợc tăng gấp đôi Sơ đồ mạch nh sau: Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử 31 S1 S2 + D1 L 1:N C C1 Vi R + - S3 + Vo D2 S4 - Hình 2 14: Sơ đồ mạch của bộ biến đổi cầu toàn... chuẩn Ur Điện áp một chiều ổn định Tải Mạch hồi tiếp Bộ so sánh Hình 1 4: Sơ đồ khối của bộ ổn định có hồi tiếp PTHC đợc điều khiển bằng tín hiệu một chiều từ bộ khuếch đại Trong sơ đồ này PTHC là các BJT hoặc FET loại công suất làm việc ở chế độ khuếch đại, khi đó nội trở của chúng biến đổi theo điện áp ra, nếu bằng Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử 11... có đầu ra dơng (P/O) Bộ biến đổi Luo có đầu ra âm (N/O) Bộ biến đổi Luo có 2 đầu ra dơng và âm (D/O) Cả ba dạng trên đều đợc cải tiến từ bộ biến đổi Buck Boost Sơ đồ mạch của chúng nh sau: Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử 32 Bộ biến đổi Luo P/O C S + Lo + + Co L D Vi Vo R - - Bộ biến đổi Luo N/O Lo D S + - C L Co Vo R + Vi + Bộ biến đổi Luo D/O S . thành 4 loại là: Bi n áp bi n đổi AC / AC Bộ chỉnh lu bi n đổi AC/DC Bộ nghịch lu bi n đổi DC/AC Bộ bi n đổi DC/DC Trong đó, bi n áp và bộ chỉnh. nguồn (đặc bi t là khối chuyển mạch) Bộ lọc gồm các tụ lọc cao tần và bi n áp cao tần. Bi n áp này có rất ít vòng dây, có nhiệm vụ chặn nhiễu cao tần