Nghiên Cứu Và Thiết Kế Bộ Chuyển Đổi Buck

I Header Page of 126 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -***** - SONEXAY PHANTHAVONG NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Thái Nguyên, năm 2012 Số hóa trung tâm học liệu Footer Page of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ II Header Page of 126 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -***** - SONEXAY PHANTHAVONG NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: TNU 108625270033 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Duy Cương Thái Nguyên, năm 2012 Số hóa trung tâm học liệu Footer Page of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ III Header Page of 126 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự - Hạnh phúc Thuyết minh LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK Học viên : SONEXAY PHANTHAVONG Lớp : Cao học - K13 KTĐT Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Ngƣời HD khoa học : TS Nguyễn Duy Cƣơng Ngày giao đề tài : 02 tháng 01 năm 2012 Ngày hoàn thành : 30 tháng 11 năm 2012 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC VIÊN HỌC SONEXAY PHANTHAVONG TS Nguyễn Duy Cƣơng BAN GIÁM HIỆU Số hóa trung tâm học liệu Footer Page of 126 KHOA SAU ĐẠI HỌC http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page of 126 IV LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn đề tài nghiên cứu riêng Ngoài tài liệu tham khảo đƣợc trích dẫn, số liệu tính toán thiết kế kết mô luận văn trung thực, không trùng lặp chƣa đƣợc công bố công trình nghiên cứu khác Thái Nguyên, ngày 11 tháng 03 năm 2013 Tác giả luận văn SONEXAY PHANTHAVONG Số hóa trung tâm học liệu Footer Page of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page of 126 V MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN IV MỤC LỤC V DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ VIII DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU X LỜI NÓI ĐẦU XI MỞ ĐẦU .13 CHƢƠNG I GIỚI THIỆU 15 1.1 Giới thiệu 15 1.2 Kỹ thuật chuyển mạch .16 1.3 Bộ chuyển đổi DC-DC 18 1.3.1 Giới thiệu 18 1.3.2 Bộ nguồn SMPS 19 1.3.3 Phân loại chuyển đổi DC 20 1.3.4 Lý sử dụng chuyển đổi Buck 21 CHƢƠNG II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK 21 2.1 Nguyên lý chuyển đổi Buck .22 2.1.1 Sự phát triển mạch chuyển đổi Buck 22 2.1.2 Mục đích thành phần khác chuyển đổi Buck 25 2.1.3 Các trạng thái hoạt động 29 2.1.4 Mạch chuyển đổi Buck đồng 31 2.2 Tính toán thiết kế chuyển đổi Buck thực tế 34 2.2.1 Tính toán tần số chuyển mạch 34 2.2.3 Tính toán cho Tụ 38 2.2.4 Bộ điều khiển điều chế độ rộng xung 40 2.2.6 Tuyến tính hóa mô hình trạng thái 44 2.2.7 Tiêu chuẩn ổn định 51 2.2.8 Mạch bù 53 2.2.9 Điều khiển truyền thẳng 59 2.2.10 Điều khiển chế độ điện áp/dòng điện 59 CHƢƠNG III THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK 62 3.1 Thông số ban đầu 63 3.2 Tham số đầu vào 63 Số hóa trung tâm học liệu Footer Page of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page of 126 VI 3.3 Sơ đồ chuyển đổi Buck 63 3.4 Tính toán tham số 64 3.5 Đánh giá 68 3.5.1 Tải lớn 68 3.5.2 Tải thay đổi 69 3.5.3 Hiệu suất 69 3.5.4 Tiết diện linh kiện bán dẫn 69 KẾT LUẬN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 Số hóa trung tâm học liệu Footer Page of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ VII Header Page of 126 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BJT Bipolar Junction Transistor CCM Continuous Conduction Mode CMC Current Mode Control CMOS Complementary MOS DC Direct Current DCM Discontinuous Conduction Mode DCR Direct Current Resistance ESL Equivalent Series Inductance ESR Equivalent Series Resistance MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor NFET Negative Channel Field Effect Transistor PDA Personal Digital Assistants PFM Pulse Frequency Modulation PWM Pulse Width Modulation SMPS Switch Mode Power Supplies SRBC Synchronous Rectifier Buck Converter VLSI Very Large Scale Integration VMC Voltage Mode Control Số hóa trung tâm học liệu Footer Page of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ VIII Header Page of 126 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Tên hình vẽ Stt Trang Hinh 1.1 Mối liên hệ điện tử, công suất, điều khiển Hình 1.2 Lƣu đồ hệ thống nguồn chiều Hình 1.3 Bộ nguồn tuyến tính 4 Hình 1.4 Bộ nguồn chuyển mạch 5 Hình 1.5 Sơ đồ khối nguồn chuyển mạch Hình 1.6 Vị trí chuyển đổi Buck hệ thống Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát nguồn chuyển mạch 10 Hình 2.2 Mạch điện gồm chuyển mạch đơn cực tiếp điểm với tải điện trở 11 Hình 2.3 Mạch điện có bổ xung thêm cuộn cảm 11 10 Hình 2.4 Mạch điện lắp mạch lọc LC 12 11 Hình 2.5 Mạch chuyển đổi Buck với tải điện trở 12 12 Hình 2.6 Mạch nguồn chuyển mạch giảm áp 12 13 Hình 2.7 Sơ đồ tổng quát chuyển đổi BUCK 17 14 Hình 2.8 Trạng thái ON 18 15 Hình 2.9 Trạng thái OFF 18 16 Hình 2.10 Chế độ liên tục không liên tục 19 17 Hình 2.11 Chuyển mạch bù 20 18 Hình 2.12 Trạng thái ON/OFF chuyển mạch 23 19 Hình 2.13 Dòng điện qua cuộn cảm 25 20 Hình 2.14 Nguồn dòng 26 21 Hình 2.15 Dòng điện qua chuyển mạch MOSFET thời gian đóng 26 Số hóa trung tâm học liệu Footer Page of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page of 126 IX 22 Hình 2.16 Độ gợn sóng điện áp chuyển đổi bƣớc 27 23 Hình 2.17 Tín hiệu PWM 29 24 Hình 2.18 Bộ so sánh sử dụng điện áp chuẩn 29 25 Hình 2.19 Tín hiệu so sánh điều chế độ rộng xung 30 26 Hình 2.20 Hệ thống điều khiển phản hồi 31 27 Hình 2.21 Cấu trúc hệ thống điều khiển phản hồi tuyến tính hóa 32 28 Hình 2.22 Mạch chuyển đổi Buck 35 29 Hình 2.23 Chuyển đổi Buck (a) on; (b) off 35 30 Hình 2.24 Hệ số khuếch đại vòng hở 38 31 Hình 2.25 Điều chế độ rộng xung 38 32 Hình 2.26 Định nghĩa tần số cắt, biên hệ số khuếch đại, biên hệ số pha 41 33 Hình 2.27 Mạch khuếch đại vi sai có bù 41 34 Hình 2.28 Mạch bù loại I 43 35 Hình 2.29 Mạch bù loại II 43 36 Hình 2.30 Đặc điểm mạng bù loại II 44 37 Hình 2.31 Mạch bù loại III 46 38 Hình 2.32 Đặc điểm mạng bù loại III 46 39 Hình 2.33 Sơ đồ nguyên lý điều khiển chế độ điện áp 48 40 Hình 2.34 Sơ đồ nguyên lý điều khiển chế độ dòng điện 49 41 Hình 3.1 Sơ đồ chuyển đổi Buck 52 42 Hình 3.2 Đồ thị Bode chuyển đổi Buck 53 43 Hình 3.3 Đồ thị Bode cho mạch bù loại III 54 44 Hình 3.4 Đồ thị Bode cho chuyển đổi Buck mạch vòng hở 54 45 Hình 3.5 Chuyển tải từ 5Ω lên 19Ω 57 Số hóa trung tâm học liệu Footer Page of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ X Header Page 10 of 126 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Tên bảng biểu Stt Trang ng 1.1 So sánh nguồn tuyến tính nguồn chuyển mạch 2.1: So sánh chế độ điều khiển điện áp chế độ điều khiển dòng điện 50 3.1: Thông số kỹ thuật chuyển đổi Buck thiết kế 51 Bảng 3.2: Thông số đƣợc tính toán 53 Bảng 3.3: Kết 55 Bảng 3.4: Kết với RL= 5Ω, ESR = DCR = 1, R1= 60 kΩ 55 Bảng 3.5: Kết với RL= 19Ω, ESR = DCR = 1, R1= 60 kΩV 56 Bảng 3.6: Kết với ESR = 30E-3, DCR = 1, R1= 60 kΩC 56 Bảng 3.7: Điều kiện tải lớn 57 Số hóa trung tâm học liệu Footer Page 10 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 59 of 126 59 Một loại phận bù loại III đủ để ổn định chuyển đổi buck đồng cho tất ba chế độ chế độ điều khiển điện áp, điều khiển dòng điện chế độ điều khiển hỗn hợp Trong trình thiết kế tƣơng tự, bù loại III đƣợc sử dụng để bù cho phận lọc LC bậc hai, thƣờng từ chuyển đổi chế độ điện áp Bằng cách sử dụng bù loại quanh khuếch đại lỗi VMC mạch tổng thể phù hợp với bù hệ thống CMC, tiêu hao khuếch đại băng thông cao 2.2.9 Điều khiển truyền thẳng Phƣơng pháp điều khiển phản hồi đƣợc thảo luận phần Tiếp theo thảo luận điều khiển truyền thẳng Việc điều khiển truyền thẳng giúp giảm ảnh hƣởng nguồn đầu vào thay đổi không hoàn hảo điện áp đầu Gắn liền với điều khiển phản hồi (kiểm soát nhiễu loạn không rõ xác làm hệ thống đáp ứng với rối loạn), điều khiển truyền thẳng (ngăn chặn nhiễu loạn trƣớc chúng ảnh hƣởng đến hệ thống) đƣợc sử dụng để cải thiện đáp tuyến điều chỉnh với thay đổi đầu vào linh hoạt Tuy nhiên, thông thƣờng muốn giảm bớt lỗi cách nhanh chóng, nhiên vấn đề hiển nhiên điều khiển phản hổi cân nhắc đáp tuyến hệ thống ổn định hệ thống Mạng điều khiển có phản hồi nhanh, rủi ro bất ổn lớn 2.2.10 Điều khiển chế độ điện áp/dòng điện Điều khiển chế độ điện áp thông thƣờng có số nhƣợc điểm, chẳng hạn nhƣ điện áp đầu vào phụ thuộc vào giới hạn mạch, phản ứng chậm với thay đổi điện áp đầu vào… Điều khiển chế độ điện áp với điện áp đầu vào FF (truyền thẳng) sửa chữa tất điểm yếu cách có hiệu Điện áp FF đƣợc nhận cách làm cho độ dốc đoạn đƣờng nối dạng sóng tỉ lệ thuận với điện áp đầu vào Để so sánh chi tiết lý VMC đƣợc ƣa thích để so sánh lợi ích đƣợc đề cập đến cách chi tiết Số hóa trung tâm học liệu Footer Page 59 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 60 of 126 60 2.2.10.1 Điều khiển chế độ điện áp Hình 2.33 Sơ đồ nguyên lý điều khiển chế độ điện áp Đây cách điều khiển cổ điển & đơn giản, có đƣờng truyền thẳng từ điện áp đầu Điều khiển chế độ điện áp PWM có nhƣợc điểm Do điện áp đầu vào tham số quan trọng giới hạn mạch, thay đổi điện áp đầu vào làm thay đổi giới hạn thay đổi động lực hệ thống Vấn đề cốt lõi điều khiển chế độ điện áp đơn lẻ sửa chữa nhiễu loạn thay đổi chúng đƣợc phát đầu Trong điều khiển điện áp mạch bù khó thực Đối với mục đích chung chuyển đổi DC-DC đầu đơn, lợi ích tổng thể với VMC Mạng truyền thẳng, với mạng bù "loại 3" xung quanh khuếch đại điện áp lỗi tƣơng đối đơn giản để bù Ở nhiều khía cạnh cách đơn giản bù mạch dòng cộng với mạch điện áp, cộng với phần bù thêm Điều này, với phận miễn nhiễm tiếng ồn cải thiện tải nhẹ, làm cho VMC thu hút từ quan điểm hiệu suất mạch Số hóa trung tâm học liệu Footer Page 60 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 61 of 126 61 2.2.10.2 Điều khiển chế độ dòng điện Hình 2.34 Sơ đồ nguyên lý điều khiển chế độ dòng điện Trong điều khiển chế độ dòng điện, mạch điều khiển phụ đƣợc sử dụng nhƣ hình 2.34, nơi mà điện áp điều khiển trực tiếp điều khiển điện dẫn đầu mà truyền chế độ đầu sau điện áp Lý tƣởng nhất, điện áp điều khiển nên hành động để trực tiếp kiểm soát giá trị trung bình cuộn cảm để đáp ứng nhanh Thực tế dòng điện truyền chế độ đầu đƣợc kiểm soát trực tiếp điều khiển chế độ dòng có ảnh hƣởng sâu sắc tới hoạt động linh hoat mạch điều khiển liên hệ ngƣợc Bảng 2.1: So sánh chế độ điều khiển điện áp chế độ điều khiển dòng điện Nội dung so sánh Chế độ điện áp Chế độ dòng điện Thiết kế đơn vòng lặp Hai tuyến Đáp tuyến chuyển tiêp Chậm chế độ dòng Thiết bị bù Sự chia sẻ dòng Sự cân thay đôi XFMR Bộ phận miễn nhiễm Số hóa trung tâm học liệu Footer Page 61 of 126 Phức tạp hơn: cực điểm Nhanh chế độ điện áp Ít phức tạp hơn: cực Yêu cầu mạch thêm Sẵn có hoạt động Yêu cầu mạch thêm Sẵn có hoạt động Tốt Nghèo, đặc biệt tải http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 62 of 126 62 tiếng ồn Hoạt động hệ số đầy xung >50% thấp Hoạt động bình thƣờng Yêu cầu bù 50% chế độ hoạt động Giới hạn dòng điện Yêu cầu mạch giới hạn xung động dòng Hệ số khuếch đại vòng Yêu cầu mạch VIN Hệ số khuếch đại không thay đổi với VIN truyền thẳng đổi Có sẵn hoạt động 2.2.11 So sánh ứng dụng thực tiễn CMC & VMC Lợi rõ rệt CMC đáp ứng vòng có phản hồi, chuyển đổi tần số cao VMC đối thủ cạnh tranh trực tiếp với CMC Hầu hết điều khiển có phản hồi chuyển đổi buck sử dụng hai điều khiển chế độ dòng điện chế độ điện áp PWM điều khiển chế độ dòng đƣa tới đáp ứng trạng thái ổn định tốt để giảm điện áp tải trình khởi động CHƢƠNG III THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK Những yếu tố cần xem xét sử dụng giải pháp nguồn điều chỉnh điện áp: • Nguồn điện áp đầu vào có sẵn • Điện áp đầu mong muốn • Hiệu suất chuyển đổi DC/DC (công suất đầu ra/công suất đầu vào) • Gợn sóng điện áp đầu • Đáp ứng tức thời tải • Độ phức tạp giải pháp • Tần số chuyển đổi Trƣớc thực thiết kế, điều quan trọng biết đƣợc thông số đáng quan tâm Các mối quan tâm khác việc tối ƣu hóa Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Footer Page 62 of 126 Header Page 63 of 126 63 hiệu suất mạch, chi phí linh kiện mật độ lƣợng Có thể ví dụ trƣờng hợp coi thời gian đáp ứng nhanh mật độ công suất (mật độ lƣợng) cao quan trọng dẫn tới yêu cầu tần số hoạt động phải cao Mặt khác, hiệu suất tham số quan trọng việc lựa chọn tần số thấp tốt Bƣớc việc thiết kế chuyển đổi Buck xác định giá trị cuộn cảm tụ điện lọc đầu dựa vào phƣơng trình chƣơng (224) đƣa đƣợc tính toán sơ Các thông số kỹ thuật cho chuyển đổi Buck đƣợc đƣa nhƣ sau: Bảng 3.1:Thông số kỹ thuật chuyển đổi Buck thiết kế Điện áp đầu vào 1.55 V Công suất đầu 200 mW Điện áp đầu 1V Tỷ lệ gợn sóng cho phép 1% Gợn sóng dòng cho phép với (p-p nguồn lý tƣởng) Hiệu suất tối thiểu 20 mA 70% 3.1 Thông số ban đầu Công suất cho tải 200mW Vì giá trị điện trở tải Ω, để đảm bảo mật độ đáng tin cậy, giá trị cuộn cảm phải lớn 20% với giá trị tối thiểu độ gợn sóng điện áp nhỏ 1% 3.2 Tham số đầu vào Do tần số fsw= 100 KHz, ESR = DCR = Việc lựa chọn thông số đƣợc theo bảng Sử dụng mã nguồn MATLAB phụ lục D (dựa mạch bù loại III đƣợc đề cập phần 2.2.8.3) Các giá trị đƣợc tính toán nhƣ sau 3.3 Sơ đồ chuyển đổi Buck Số hóa trung tâm học liệu Footer Page 63 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 64 of 126 64 Hình 3.1 Sơ đồ chuyển đổi Buck Transistor T1 T2 có kích thƣớc tƣơng ứng 12µ 6µ, T3 khóa công suất có kích thƣớc 1200µ chuyển mạch mức thấp NFET 600µ Kích thƣớc bóng bán dẫn đƣợc tối ƣu hóa để giảm trở kháng điện áp bị suy hao trình chuyển đổi 3.4 Tính toán tham số Giá trị cuộn cảm tụ điện thay đổi theo biểu thức 2-25 Các giá trị LC tƣơng ứng đƣợc phụ lục A Các giá trị đƣợc trƣờng hợp lý tƣởng đƣợc sử dụng nhƣ giá trị thô ban đầu để tính toán Bảng 3.2: Thông số đƣợc tính toán Số hóa trung tâm học liệu Footer Page 64 of 126 C µF L 88.71µH R1 60 kΩ Rz2 153 kΩ Cz2 274 pF Cp1 36 pF http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 65 of 126 65 Rz3 10 kΩ Cz3 297 pF Dựa vào giá trị đƣợc tính toán, ta xây dựng đƣợc đồ thị Bode mạch vòng hở để đánh giá độ ổn định nhƣ sau: Hình 3.2 Đồ thị Bode chuyển đổi Buck Số hóa trung tâm học liệu Footer Page 65 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 66 of 126 66 Hình 3.3 Đồ thị Bode cho mạch bù loại III Hình 3.4 Đồ thị Bode cho chuyển đổi Buck mạch vòng hở Hình 3.4 cho thấy hệ số biên pha sau thêm vào mạch bù loại III 61,60, điều đảm bảo tính ổn định mạch Với kết trên, giá trị mô Cadence cung cấp cho với kết sau đây: Bảng 3.3: Kết Gợn sóng điện áp đầu Gợn sóng dòng điện đầu 12.02 mV 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 RL= 5Ω, ESR = DCR = 1, R1= 60 kΩ Số hóa trung tâm học liệu Footer Page 66 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 67 of 126 67 C 10 µ 5µ 1µ L 44.35 µH 88.7 µH 443.55 µH Rz2 153kΩ 153 kΩ 153 kΩ Cz2 274.1pF 274.1 pF 274.1 pF Cp1 85.33 pF 36.92 pF 6.6657 pF Rz3 10.683 kΩ 10.683 kΩ 10.683 kΩ Cz3 297.96 pF 297.96 pF 297.96 pF Ts 339.5 µs 459.571 µs 600 µs Vripple 25.795 mV 13.22 mV 4.1378 mV Iripple 29.6345 mA 14.8399 mA 2.91053mA Dòng điện 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 RL= 19Ω, ESR = DCR = 1, R1= 60 kΩ C 10 µ 5µ 1µ L 44.35 µH 88.7 µH 443.55 µH Rz2 153kΩ 153 kΩ 153 kΩ Cz2 274.1pF 274.1 pF 274.1 pF Cp1 85.33 pF 36.92 pF 6.6657 pF Rz3 10.683 kΩ 10.683 kΩ 10.683 kΩ Cz3 297.96 pF 297.96 pF 297.96 pF Ts 289.7 µs 299 µs 391.63 µs Vripple 65.97 mV 33.958 mV 13.0125mV Iripple 68.033 mA 34.631 mA 7.2641 mA Dòng điện 53.47 mA 53.73 mA 52.51 mA Số hóa trung tâm học liệu Footer Page 67 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 68 of 126 68 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 Bảng 3.6 ESR = 30E-3, DCR = 1, R1= 60 kΩ R1=5 kΩ R1=19 kΩ C µF µF L 88.7 µH 88.7 µH Rz2 153.6 kΩ 153.6 kΩ Cz2 274.1pF 274.1pF Cp1 929 pF 929 pF Rz3 10.683 kΩ 10.683 kΩ Cz3 297.96 pF 297.96 pF Ts 483.71 µs 411.507 µs Vripple 3.9373 mV 10.62 mV Iripple 14.81 mA 33.81 mA Dòng điện 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 Từ bảng 3.6 thấy với giá trị RL tăng lên độ gợn sóng điện áp tăng lên nhƣng hiệu suất tăng lên 3.5 Đánh giá 3.5.1 Tải lớn Tải tối đa mà điều khiển đƣợc liên tục 19Ω Nó cho kết nhƣ sau: Bảng 3.7: Điều kiện tải lớn Gợn sóng nguồn đầu 36.1538 mV Gợn sóng dòng đầu 35.0889 mA Thời gian ổn định 349 µs Điện áp trung bình(tình trạng ổn định) 1.0006 V Hiệu suất 76.1% Số hóa trung tâm học liệu Footer Page 68 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 69 of 126 69 3.5.2 Tải thay đổi Nhƣ đề cập trƣớc đây, nguồn cung cấp liên tục đáp ứng đƣợc cho tải 19Ω Mô hình 3.5 cho thấy việc chuyển đổi thời điểm 450μs tải chuyển sang 19Ω 900μs tải chuyển 5Ω Đối với tải 5Ω có độ gợn 1% tăng lên khoảng 3% với tải 19Ω Nó khả thi độ gợn sóng tối đa 5% chấp nhận đƣợc Hình 3.5 Chuyển tải từ 5Ω lên 19Ω Chuyển mạch tải đƣợc thử nghiệm với giá trị điện cảm tụ điện khác nhƣng giữ nguyên giá trị tần số chuyển mạch, ESR DCR Nếu giá trị tụ tăng lên làm cho thời gian đáp ứng chậm giá trị điện dung giảm giá trị giới hạn nằm khoảng giá trị 2V 3.5.3 Hiệu suất Hiệu suất chuyển đổi Buck thay đổi tải thay đổi Hiệu suất bị ảnh hƣởng trở kháng suy hao chuyển mạch dung kháng ký sinh mạch điện Hiệu suất = Hiệu suất đầu Hiệu suất đầu vào 3.5.4 Tiết diện linh kiện bán dẫn = Điện áp vào × dòng vào điện áp × dòng Linh kiện bán dẫn nằm thƣ viện 90nm theo bảng Số hóa trung tâm học liệu Footer Page 69 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 70 of 126 70 3.5.4.1 Tụ điện Chiều rộng (µm) Chiều dài (µm) Tiết diện (µm)2 Giá trị (F) 16.5 9060.5 149498.2 299.9 p 15 1200 18000 36.11 p 15.5 9000.5 139507.8 279.9 p Chiều rộng (µm) Chiều dài (µm) Tiết diện (µm)2 Giá trị (F) 16 3200 51200 297.5 p 16 390 6240 36.27 p 16 2950 47200 274.3 p Chiều rộng (µm) Chiều dài (µm) Tiết diện (µm)2 Giá trị (Ω) 2200 11000 154 k 1.8 55 99 10.69 k Chiều rộng (µm) Chiều dài (µm) Tiết diện (µm)2 Giá trị (Ω) 22 22 10.538 k 320 320 152.136 k Chiều rộng (µm) Chiều dài (µm) Tiết diện (µm)2 Giá trị (Ω) 10 10 10.463 k 145 145 154.233 k 3.5.4.2 Điện trở Kết luận Số hóa trung tâm học liệu Footer Page 70 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 71 of 126 71 Trên nhìn tổng quát hoạt động chuyển đổi Buck mà dựa đƣợc sản xuất tích hợp on-chip Mặc dù số vấn đề chƣa đƣợc xử lý nhƣng đƣợc đề cập đến cần phải đƣợc nghiên cứu thêm Ảnh hƣởng hệ thống giá trị trở tải thay đổi Mặc dù trƣờng hợp xem xét lý tƣởng nhƣng giá trị không lý tƣởng thấy gợn điện áp, dòng tăng lên hiệu suất giảm xuống KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu, thực đề tài, luận văn hoàn thành đạt đƣợc mục tiêu nghiên cứu đề ra: Đã tìm hiểu tổng quan lý thuyết chuyển đổi, phân tích đặc điểm chuyển đổi từ có đƣợc kết luận lý cần sử dụng chuyển đổi BUCK Đã tìm hiểu, nghiên cứu nguyên lý hoạt động chuyển đổi BUCK nhƣ tính toán thiết kế thành phần chuyển đổi BUCK thực tế nhƣ tính toán tần số chuyển mạch, tính toán cho tụ, thiết kế điều khiển độ rộng xung… làm sở cho tính toán thiết kế chuyển đổi BUCK cụ thể Số hóa trung tâm học liệu Footer Page 71 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 72 of 126 72 Đã thiết kế đƣợc chuyển đổi BUCK với thông số ban đầu tham số đầu vào cho trƣớc Các kết mô thể giản đồ BODE cho thấy chuyển đổi thiết kế đƣợc sau hiệu chỉnh (thêm vào mạch bù loại III) đảm bảo tính ổn định Từ kết có đƣợc mô Cadence, luận văn đƣa đƣợc đánh giá cần thiết có đóng góp Hầu hết mô đƣợc thực thành phần lý tƣởng mô hình với mã Verilog A Sẽ thách thức lớn với trƣờng hợp sử dụng transistorr nhƣ quan sát đáp ứng toàn hệ thống Tuy nhiên cuối cùng, việc thiết kế chuyển đồi Buck dành cho nghiên cứu thực tế thực đƣợc với thƣ viện linh kiện bán dẫn 90nm Đó hƣớng phát triển đề tài TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình nguồn điện đặc biệt – Nguyễn Trƣờng Duy, Đại học sƣ phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh Buck Converter Design Issues - Muhammad Saad Rahman 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 Hoiquandientu.com Số hóa trung tâm học liệu Footer Page 72 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 73 of 126 73 Dientuvietnam.net Số hóa trung tâm học liệu Footer Page 73 of 126 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ... động chuyển đổi Buck – Tìm hiểu chuyển đổi Buck Phân tích đặc điểm chuyển đổi Buck, tìm hiểu phƣơng thức tính toán thiết kế thông số nhƣ đánh giá độ ổn định chuyển đổi Chương 3: Thiết kế chuyển đổi. .. tiêu nghiên cứu Mục tiêu luận văn tìm hiểu phƣơng pháp ứng dụng để thiết kế chuyển đổi Buck III Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan lý thuyết liên quan phƣơng pháp thiết kế chuyển. .. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK 21 2.1 Nguyên lý chuyển đổi Buck .22 2.1.1 Sự phát triển mạch chuyển đổi Buck 22 2.1.2 Mục đích thành phần khác chuyển đổi Buck 25 2.1.3 Các