Mạch điện tử công suất BoostConverter 5V12VDC

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Viện Điện Tử Viễn Thông ======o0o====== BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC Điện tử công suất Đề tài: Thiết kế mạch Boost 5V-12V Giảng viên hướng dẫn: TS Hàn Huy Dũng Nhóm thực hiện: Nhóm Bùi Thị Hiếu 20135527 Dương Phương Hoa 20135581 Nguyễn Thị Kim Thanh 20136375 Đậu Duy Minh 20125673 Hà Nội, 5/2016 Mục lục Danh mục hình ảnh 2 Lời mở đầu Trong lĩnh vực kỹ thuật đại ngày nay, việc chế tạo chuyển đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho thiết bị sử dụng điện cần thiết Quá trinh xử lý biến đổi điện áp chiều thành điền áp chiều khác gọi trình biến đổi DC – DC Cấu trúc mạch biến đổi DC – DC dẫn tạo điều kiện để chúng em hoàn thành môn học.Trong học phần môn học Điện tử công suất này, chúng em thực đề tài: “Thiết kế mạch Boost – Converter” Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Hàn Huy Dũng tận tình quan tâm hướng dẫn chúng em suốt thời gian qua Do hạn chế trình độ ngoại ngữ, chuyên môn thiếu kinh nghiệm nên tập lớn nhóm em nhiều thiếu sót, khiếm khuyết Chúng em mong nhận nhiều ý kiến đóng góp lời khuyên thầy giáo để thấy rõ điều cần nghiên cứu bổ sung thêm, giúp cho việc xây dựng đề tài hoàn thiện hơn, tạo tiền đề cho chúng em sau 3 Boost converter Boost Converter có tác dụng điều chỉnh điện áp đầu lớn điện áp đầu vào Do vậy, boost converter gọi tăng áp Boost Converter biến đổi nguồn DC-DC có điện áp đầu lớn điện áp đầu vào Nó chứa hai chuyển mạch bán dẫn (một diode transistor) phần tử tích lũy lượng, tụ điện, cuộn dây hai 1.1 Nguyên lý hoạt động Hình 1-1 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost-Converter Hình 1-2 Hai chế độ Boost-Converter phụ thuộc vào trạng thái khóa S 4 Khi khóa đóng, dòng điện chạy qua cuộn cảm theo chiều kim đồng hồ cuộn dây tích trữ lượng Chiều bên trái cuộn dây mang dấu dương Khi khóa mở, dòng điện bị giảm Tuy nhiên dòng điện sụt giảm chống lại cuộn dây Chiều cuộn dây đảo ngược (bên trái cuộn dây mang dấu âm) Kết ta có hai nguồn điện nạp lượng cho tụ thông qua diode D Nếu khóa hoàn thành chu kỳ chuyển mạch, điện cảm sẻ không tích điện đầy trạng thái tích điện tải sẻ có điện áp lớn đầu vào khóa mở Khi khóa mở, tụ nối song song tải tích điện tới điện áp tương ứng Khi khóa đóng phần mạch bên phải ngắn mạch từ bên trái, tụ sẻ cung cấp điện áp lượng cho tải Trong trình này, diode khó ngăn tụ xả điện tích qua khóa Khóa phải mở đủ để chống lại tụ xả điện Nguyên lý Boost converter: - Trạng thái On, khóa S đóng, làm tăng dòng điện cảm Trạng thái Off, khóa mở dòng điện cảm chạy qua diode D, tụ C tải R Kết chuyển lượng tích lũy trạng thái On vào tụ 5 1.2 Chế độ liên tục Hình 1-3 Dòng, áp, trạng thái chuyển mạch chế độ liên tục Khi Boost converter hoạt động chế độ liên tục, dòng chạy qua cuộn dây (I L) không Điện áp đầu tính bên trường hợp chuyển đổi lý tưởng (sử dụng thành phần lý tưởng) hoạt động với điều kiện ổn định Trong suốt trạng thái On, khóa S đóng, khiến điện áp đầu vào V S đặt lên cuộn dây, tạo thay đổi dòng IL xuyên qua cuộn dây chu kỳ công thức: Kết thúc trạng On Dòng IL tăng sau: D chu kỳ suất D nằm (S không mở S mở) Trong trạng thái Off, khóa S mở, dòng cuộn dây chạy qua tải Nếu điện áp zero rơi vào diode, điện tích tụ đủ lớn cho giá trị không đổi, dòng IL tính sau: Vì vậy, biến đổi IL chu kỳ Off là: 6 Khi xét hoạt động chuyển đổi điều kiện trạng thái ổn định, phần lớn lượng lưu trữ thành phần giống lúc bắt đầu kết thúc chu kỳ Ngoại trừ lượng lưu cuộn dây cung cấp bởi: Dòng cuộn dây giống lúc bắt đầu kết thúc chu kỳ chuyển mạch Nghĩa thay đổi toàn diện dòng zero: Thay đổi biểu thức: Viết lại: Công thức nói lên điện áp đầu cao điện áp đầu vào (chu kỳ lượng từ đến 1), tăng với D, lý thuyết xác định D lên Đó lý chuyển đổi coi chuyển đổi tăng cấp 7 1.3 Chế độ không liên tục Hình 1-4 Dòng, áp, trạng thái chuyển mạch chế độ không liên tục Nếu biên độ sóng dòng lớn, cuộn dây xả lượng hết trước kết thúc chu kỳ chuyển mạch Trong trường hợp này, dòng cuộn dây giảm xuống phần chu kỳ Nó tính sau: Dòng điện cuộn dây lúc bắt đầu chu kỳ 0, giá trị lớn : Trong suốt chu kỳ off, IL giảm xuống sau : Sử dụng công thức trước, δ bằng: Dòng tải I0 dòng trung bình qua diode ID.Dòng diode dòng cuộn dây trạng thái off Tuy nhiên dòng đầu viết: Thay thể ILmax δ công thức tương ứng: Tuy nhiên điện áp đầu viết: 8 So sánh công thức điện áp đầu chế độ liên tục, công thức phức tạp Hơn nữa, chế độ không liên tục, điện áp đầu không phụ thuộc chu kỳ chuyển mạch mà phụ thuộc vào giá trị điện cảm, điện áp đầu vào, tần số chuyển mạch dòng đầu Tính toán giá trị mạch Boost 2.1 Chu kỳ chuyển mạch 2.1.1 Gọi T chu kỳ chuyển mạch T = T1 + T2 - T1: Thời gian đóng khóa (van) - T2: Thời gian ngắt khóa (van) 9 2.1.2 Chu kỳ nhiệm vụ D D= 1–D= 2.2 Tính toán điện áp đầu - Gỉa sử điện áp rơi Diode dao động điện áp ngõ nhỏ so với giá trị điện áp ngõ vào ngõ Khi đó, • Điện áp rơi trung bình điện cảm đóng khóa (van) Din • Điện áp rơi trung bình điện cảm ngắt khóa (van) (1 – D) (in – out) - Với điều kiện điện áp rơi trung bình điện cảm biểu diễn là: (Din) + ((1 – D) (in – out)) =  in – (1 – D) out =  in = (1 – D) out Hay out = Với < D < => < in < out - Phạm vi thay đổi điện áp ngõ vào giá trị điện áp ngõ xác định phạm vi thay đổi chu kỳ nhiệm vụ D: Dmin = Dmax = Tại biên chế độ dòng điện liên tục gián đoạn, độ thay đổi dòng điện lần dòng điện tải Như vậy, độ thay đổi dòng điện cho phép lần dòng điện tải tối thiểu Trường hợp xấu ứng với độ lớn điện áp trung bình đặt vào điện cảm khóa (van) ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức hàm số đạt giá trị nhỏ D thay đổi từ Dmin đến Dmax Gọi giá trị D Vin tương ứng với giá trị nhỏ D th Vin,th (giá trị tới hạn), đẳng thức sau (chỉ xét độ lớn) dùng để chọn giá trị chu kỳ (hay tần số) chuyển mạch điện cảm: (1 − Dth) × T × (Vout − Vin,th) = Lmin × × Iout,min 10 10 Hình 2-5 Mô PSIM Kết mô phỏng: Hình 2-6 Kết mô Nhận xét: - Điện áp đầu thời gian độ vượt mức yêu cầu gần gấp đôi => Mạch không an - toàn Sau khoảng độ, điện áp đầu ổn định 12 12  Cần có biện pháp hạn chế độ mức điện áp đầu ra, điều chỉnh gần với điện áp mong muốn Tính toán thiết kế mạch 3.1 MC34063 3.1.1 Mô tả MC34063 MC34063 mạch điều khiển nguyên khối bao gồm tất khối chức yêu cầu cho biến đổi DC-DC MC34063 bao gồm thành phần: - Điện áp tham chiếu bù nhiệt Bộ tạo dao động Giới hạn dòng đỉnh hoạt động Chuyển mạch đầu So sánh độ nhạy áp đầu MC34063 thiết kế để tích hợp vào vào biến đổi buck, boost voltageinverter Tất chức bao hàm gói chân DIP SOIC Hình 3-7 DIP Hình 3-8 SOIC 13 13 Hình 3-9 Sơ đồ khối MC34063 Số chân Ký hiệu Tên chức SWC Chuyển Collector SWE Chuyển Emitter TC Timing Capacitor GND Chân nối đất CII So sánh đảo ngược đầu vào Vcc Nguồn nuôi Ipk Pháy dòng Ipk DRC Điện áp điều khiển Collector Bảng 3-1 Chức chân MC34063 3.1.1.1 Điện áp tham chiếu Điện áp tham chiếu đặt 1.25V sử dụng để đặt cho điện áp đầu chuyển đổi 14 14 Hình 3-10 Mạch điện áp tham chiếu 3.1.1.2 Bộ tạo dao động Bộ tạo dao động bao gồm nguồn dòng điểm thoát dòng sạc xả tụ (C T) thời gian khoảng ngưỡng cài đặt Dòng sạc thông thường 35µA, dòng xả thông thường 200µA, hiệu suất xấp xỉ 6:1 Vì vậy, giai đoạn biến đổi lên gấp lần giai đoạn biến đổi xuống Ngưỡng 1.25V, giống với điện áp tham chiếu bên trong, ngưỡng 0.75V Bộ tạo dao động chạy liên tục, với tốc độ kiểm soát CT Hình 3-11 Ngưỡng điện áp tạo dao động 3.1.1.3 Giới hạn dòng điện Giới hạn dòng điện thực cách giám sát điện áp rơi điện cảm bên đặt dòng với Vcc chuyển đổi đầu Sụt giảm điện áp phát triển qua điện cảm giám sát chân dòng cảm, I PK Khi sụt giảm điện áp qua điện cảm trở nên lớn giá trị đặt ban đầu (330mA), mạch giới hạn dòng cung cấp thêm đường dòng để sạc tụ C T cách nhanh chóng, để đạt tới ngưỡng dao động vây, giới hạn lượng cuộn cảm Điện cảm nhỏ 0.2Ω Hình15 15 3.6 cho thấy dòng sạc tụ định thời CT so với điện áp giới hạn dòng cảm Thiết lập dòng đỉnh Ipk = 330mV/Rsense Hình 3-12 Dòng sạc tụ định thời CT so với điện áp giới hạn dòng cảm 3.1.1.4 Chuyển mạch đầu Chuyển mạch đầu transistor Darlington NPN Collector transitor đầu gắn với chân 1, Emitter gắn với chân Nó cho phép người thiết kế sử dụng MC34063 cấu hình buck, boost, inverter Điện áp bão hòa Collector-Emitter lớn 1.5A 1.3V, dòng điện đỉnh lớn chuyển mạch đầu 1.5A Với dòng điện đỉnh đầu cao hơn, transistor cần sử dụng Hình-3.7 cho thấy dạng sóng hoạt động điển hình Hình 3-13 Các dạng sóng hoạt động đầu 16 16 3.1.2 Điều khiển chuyển mạch Boost Hình-3.8 cho thấy điều khiển chuyển mạch Năng lượng dự trữ cuộn cảm suốt thời gian transistor Q1 trạng thái ON Khi transitor Q1 tắt, lượng truyền dòng với Vin đến tụ lọc đầu (Cout) tải (RL) Cấu hình chđầuo phép điện áp đầu đặt đến giá trị lớn đầu vào Từ đó, ta công thức sử dụng để tính toán điện áp đầu ra: Hình 3-14 Điều khiển chuyển mạch Boost 3.1.2.1 Hoạt động MC34063 mạch Boost Converter Giả sử rằng, transistor Q1 tắt, dòng điện cuộn cảm 0, điện áp đầu giá trị định danh Tại thời điểm này, dòng điện tải cung cấp Cout, cuối giảm xuống giá trị danh định Khi điện áp đầu giảm xuống giá trị danh định, cảm nhận mạch điều khiển, cuộn cảm Q1, tăng lên với tốc độ Điện áp qua cuộn cảm với V in – Vsat, dòng điện đỉnh gần hàm tuyến tính t, đây: Khi hoàn thành chu kỳ ON, Q tắt, từ trường cuộn cảm bắt đầu suy giảm, tạo điện áp đảo chuyển qua D1, lượng cung cấp cho C out RL Sự suy giảm dòng điện cuộn cảm tỉ lệ , điện áp qua với V out +VF – Vin Dòng điện tính toán sau: 17 17 3.1.2.2 Tính toán chu kỳ ON, OFF Giả sử hệ thống hoạt động chế độ không liên tục, dòng điện qua cuộn cảm đạt sau giai đoạn toff hoàn thành IL(pk) đạt suốt ton phải suy giảm xuống suốt thời gian toff, tỉ lệ ton với toff viết sau: Thành điện áp theo thời gian t on phải với toff, giá trị điện cảm không ảnh hưởng đến mối liên hệ Dòng điện cuộn cảm sạc cho tụ lọc đầu thông qua D1 suốt t off Nếu điện áp đầu không thay đổi, khối lượng sạc chu kỳ chuyển đến tụ lọc phải (Q+ = Q-) 3.1.2.3 Tính toán dòng điện đỉnh Hình-3.9 chi thấy dạng sóng điều khiển chuyển mạch boost Bằng cách quan sát dòng điện tụ thực thay vào phương trình trước đó, công thức cho dòng điện cuộn cảm đỉnh đạt  3.1.2.4 Tính toán cuộn cảm Dòng điện đỉnh cuộn cảm với dòng điện đỉnh chuyển mạch Bằng cách biết điện áp qua cuộn cảm suốt t on dòng điện đỉnh yêu cầu cho thời gian dẫn chuyển mạch, giá trị cuộn cảm tối thiểu xác định: 18 18 3.1.2.5 Độ gợn sóng điện áp đầu Tính tóan độ gợn sóng điện áp đầu biết giá trị t on, toff, dòng điện cuộn cảm dỉnh, dòng điện đầu giá trị tụ đầu Dạng sóng dòng điện tụ miêu tả Hình-3.9, t1 khoảng thời gian xả Giải t1 biết sản lượng: Trong khoảng toff, dòng điện tuyến tính với sườn âm, Trục đồ thị parabol lựa chọn giá trị tối đa để C = Bảo toàn lượng tụ đầu ra: Q+ = QTừ (1) (2) ta có: Độ gợn dòng điện cuộn cảm: Tính chu kỳ tính liên tục độ gợn tụ đầu ra: Thay (4) vào (3): Nếu ton = 6.5toff, thì: 19 19 Hình 3-15 Các dạng sóng điều khiển chuyển mạch Boost 3.1.3 Thông số Trong ứng dụng biến đổi DC-DC việc nâng điện áp DC hay hạ xuống phải dùng đến kỹ thuật điều xung Các mạch biến đổi DC-DC ngày sử dụng nhiều hệ thống cung cấp nguồn cho thiết bị từ công suất nhỏ đến công suất lớn MC34063A IC có chức dùng làm biến đổi nguồn DC-DC sử dụng làm nguồn : Step-down, Step-Up, Inverting Với tính : Tích hợp ổn định, kiểm tra dòng áp,có phản hồi từ đầu ra, điều chỉnh điện áp đầu ra.Ngoài ghép nối với van để nâng cao công suất mạch - Điện áp hoạt động: 3V – 40V Điện áp đầu điều chỉnh Dòng điện đầu lên tới 1.5A Tần số làm việc 100KHz Sai số 2% 20 20 3.2 Tính toán linh kiện 3.2.1 Lý thuyết Hình 3-16 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost dùng MC34063A Các linh kiện mạch tính toán theo công thức sau: Trong đó: - VSAT: Độ bão hòa điện áp chuyển mạch đầu VF: Sụt áp điện áp chuyển tiếp chỉnh lưu đầu Theo đặc điểm nguồn cần chọn: 21 21 - Vin: Điện áp đầu danh định Vout: Điện áp đầu mong muốn, Iout: Dòng đầu mong muốn fmin: Tần số chuyển mạch đầu mong muốn tối thiểu giá trị lựa chọn - Vin IO Vripple: Điện áp gợn sóng Trong thực tế, giá trị tụ điện tính toán phải nâng lên điện trở kháng tương đương bố trí Các điện áp gợn nên giữ giá trị thấp ảnh hưởng trực tiếp đến dòng tải quy định 3.2.2 Thực tế Hiện số trang Web có xây dựng ứng dụng tính toán mạch sau: Hình 3-17 Kết tính toán mạch Tại đây, ta cần nhập thông số đầu vào V in, Vout, Iout, Vripple fmin, thông số linh kiện mạch tính toán đưa kết Với ứng dụng này, người sử dụng dùng tính toán linh kiện cho mạch tăng áp, giảm áp, đảo áp có sử dụng MC34063 22 22 Vì số thông số tính toán sử dụng thực tế linh kiện phù hợp nên có số chênh lệch không đáng kể Từ đó, sơ mạch nêu phần tiếp 3.3 Sơ đồ mạch Hình 3-18 Sơ đồ nguyên lý 23 23 Hình 3-19 Sơ đồ mạch in 24 24 Hình 3-20 Sơ đồ mạch 3D Kết luận 4.1 Kết đạt - 4.2 Mạch đơn giản, nhỏ gọn, dễ thực Điện áp dòng ổn định Mạch hoạt động chức Hạn chế - Mạch hoạt động với tải trở, không hoạt động với tải RL Tài liệu tham khảo [1] “All Datasheet,” [Online] Available: http://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/92958/STMICROELECTRONICS/MC34063.html 25 25 [2] “Texas Instruments,” [Online] Available: http://www.ti.com/lit/an/slva252b/slva252b.pdf 26 26 [...]...Thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm sẽ đi qua tụ điện ngõ ra Lượng điện tích được nạp vào tụ điện khi dòng điện qua điện cảm lớn hơn dòng điện trung bình sẽ là ΔI×T/8 Nếu biểu diễn theo điện dung và điện áp trên tụ điện thì lượng điện tích này bằng C×ΔV Trong đó, ΔI là biên độ của thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm, còn ΔV là độ thay đổi điện áp trên tụ khi nạp (cũng như... 3.1.2.3 Tính toán dòng điện đỉnh Hình-3.9 chi thấy các dạng sóng điều khiển chuyển mạch boost Bằng cách quan sát dòng điện tụ và thực hiện thay thế vào phương trình trước đó, công thức cho dòng điện cuộn cảm đỉnh có thể đạt được  3.1.2.4 Tính toán cuộn cảm Dòng điện đỉnh cuộn cảm cũng bằng với dòng điện đỉnh chuyển mạch Bằng cách biết điện áp qua cuộn cảm trong suốt t on và dòng điện đỉnh yêu cầu cho... công suất nhỏ đến công suất lớn MC34063A là một trong những IC có chức năng dùng làm biến đổi nguồn DC-DC sử dụng làm các nguồn : Step-down, Step-Up, Inverting Với tính năng : Tích hợp ổn định, kiểm tra được quá dòng và quá áp,có phản hồi từ đầu ra, điều chỉnh được điện áp đầu ra.Ngoài ra chúng ta có thể ghép nối với van ngoài để nâng cao công suất của mạch - Điện áp hoạt động: 3V – 40V Điện áp đầu ra... được Dòng điện đầu ra có thể lên tới 1.5A Tần số làm việc 100KHz Sai số 2% 20 20 3.2 Tính toán linh kiện 3.2.1 Lý thuyết Hình 3-16 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost dùng MC34063A Các linh kiện trong mạch được tính toán theo các công thức sau: Trong đó: - VSAT: Độ bão hòa điện áp chuyển mạch đầu ra VF: Sụt áp điện áp chuyển tiếp của chỉnh lưu đầu ra Theo các đặc điểm nguồn cần chọn: 21 21 - Vin: Điện áp đầu... nên có một số chênh lệch không đáng kể Từ đó, chúng ta được sơ mạch được nêu ở phần ngay tiếp đây 3.3 Sơ đồ mạch Hình 3-18 Sơ đồ nguyên lý 23 23 Hình 3-19 Sơ đồ mạch in 24 24 Hình 3-20 Sơ đồ mạch 3D 4 Kết luận 4.1 Kết quả đạt được - 4.2 Mạch đơn giản, nhỏ gọn, dễ thực hiện Điện áp và dòng ổn định Mạch hoạt động đúng chức năng Hạn chế - Mạch chỉ hoạt động với tải thuần trở, không hoạt động với tải RL... khiển chuyển mạch Boost 3.1.2.1 Hoạt động của MC34063 trong mạch Boost Converter Giả sử rằng, transistor Q1 tắt, dòng điện trong cuộn cảm là 0, điện áp đầu ra là giá trị định danh của nó Tại thời điểm này, dòng điện trong tải đang được cung cấp chỉ do Cout, và cuối cùng nó sẽ giảm xuống dưới giá trị danh định Khi điện áp đầu ra giảm xuống dưới giá trị danh định, nó có thể được cảm nhận bởi mạch điều khiển,... phỏng: Hình 2-6 Kết quả mô phỏng Nhận xét: - Điện áp đầu ra thời gian quá độ vượt mức yêu cầu gần gấp đôi => Mạch không an - toàn Sau khoảng quá độ, điện áp đầu ra hầu như ổn định 12 12  Cần có biện pháp hạn chế sự quá độ quá mức của điện áp đầu ra, điều chỉnh về gần với điện áp mong muốn 3 Tính toán thiết kế mạch 3.1 MC34063 3.1.1 Mô tả MC34063 MC34063 là mạch điều khiển nguyên khối bao gồm tất cả... cho thời gian dẫn chuyển mạch, giá trị cuộn cảm tối thiểu có thể được xác định: 18 18 3.1.2.5 Độ gợn sóng điện áp đầu ra Tính tóan độ gợn sóng điện áp đầu ra biết giá trị t on, toff, dòng điện cuộn cảm dỉnh, dòng điện đầu ra và giá trị tụ đầu ra Dạng sóng của dòng điện tụ được miêu tả trong Hình-3.9, t1 là khoảng thời gian xả Giải t1 khi biết sản lượng: Trong khoảng toff, dòng điện là tuyến tính với... 200µA, hiệu suất xấp xỉ 6:1 Vì vậy, giai đoạn biến đổi lên là gấp 6 lần giai đoạn biến đổi xuống Ngưỡng trên là 1.25V, giống với điện áp tham chiếu bên trong, và ngưỡng dưới là 0.75V Bộ tạo dao động chạy liên tục, với tốc độ được kiểm soát bởi CT Hình 3-11 Ngưỡng điện áp bộ tạo dao động 3.1.1.3 Giới hạn dòng điện Giới hạn dòng điện được thực hiện bằng cách giám sát điện áp rơi trên một điện cảm bên... giảm điện áp được phát triển qua điện cảm được giám sát bởi chân dòng cảm, I PK Khi sụt giảm điện áp qua điện cảm trở nên lớn hơn giá trị đặt ban đầu (330mA), mạch giới hạn dòng cung cấp thêm đường dòng để sạc tụ C T một cách nhanh chóng, để đạt tới ngưỡng dao động trên và do vây, giới hạn năng lượng trong cuộn cảm Điện cảm nhỏ nhất là 0.2Ω Hình15 15 3.6 cho thấy dòng sạc tụ định thời CT so với điện