Giải pháp nâng cao hiệu năng mạch sạc pin li ion sử dụng công nghệ CMOS tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN HÀO GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠCH SẠC PIN LI-ION SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ CMOS Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9520203 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hà Nội – 2019 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: TS PHẠM NGUYỄN THANH LOAN PGS TS NGUYỄN ĐỨC MINH Phản biện 1: PGS TS ĐẶNG HOÀI BẮC Phản biện 2: PGS TS CHỬ ĐỨC TRÌNH Phản biện 3: PGS TS HOÀNG VĂN PHÚC Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi … … , ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Ngày nay, pin sạc Lithi-Ion (Li-Ion) [1] sử dụng phổ biến thiết bị điện tử dân dụng máy tính xách tay, máy tính bảng, camera số điện thoại di động v.v Tuy nhiên, loại pin điện hóa Li-Ion dễ bị ảnh hưởng điều kiện hoạt động mức hoạt động sạc/xả mức, sạc/xả nhanh điều kiện nhiệt độ vượt giới hạn hoạt động pin [4, 5] Ngoài hạn chế thời gian sạc dài so với phương thức sạc khác, phương thức sạc dòng điện khơng đổi-điện áp khơng đổi (CC-CV) có khả thực thi phần cứng mạch tích hợp đưa yêu cầu dòng điện điện áp sạc phù hợp cho pin Li-Ion Cho nên, phương thức sạc xem phương thức sạc chuẩn áp dụng phổ biến thiết kế mạch sạc pin Li-Ion [8-24] Qua cho thấy, thiết kế mạch sạc giữ vai trò quan trọng việc đảm bảo độ tin cậy an toàn cho pin Li-Ion thiết bị điện tử suốt tiến trình sạc Bên cạnh đó, vấn đề nghiên cứu thiết kế mạch sạc có hoạt động xác theo phương thức sạc đạt hiệu cao nhận quan tâm nhà khoa học nước quốc tế Điều thể thông qua cơng trình cơng bố thiết kế mạch sạc theo phương thức sạc CC-CV năm gần [25-39] Xét khía cạnh cấu trúc thiết kế, thiết kế mạch sạc dựa cấu trúc LDO (Low DropOut) [17, 18, 26, 29, 31] đưa đáp ứng điều khiển nhanh, xác khả tích hợp cao Hạn chế cấu trúc thiết kế hiệu suất công suất thấp tăng tổn hao nhiệt mạch sạc hoạt động với dòng điện lớn Tương tự, thiết kế mạch sạc dựa cấu trúc mạch biến đổi DCDC kiểu tụ điện [12] đưa khả tích hợp cao hiệu suất công suất thấp Vấn đề hiệu suất công suất cải thiện thiết kế mạch sạc dựa cấu trúc mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp [19, 21, 24, 27, 28, 30] Những cấu trúc thiết kế đưa hiệu suất công suất cao, mức độ tích hợp chíp thấp so với thiết kế mạch sạc dựa cấu trúc LDO khả cách ly chưa tốt cho pin Li-Ion dẫn đến tổn thất lượng pin mạch DC-DC hoạt động chế độ dẫn dòng khơng liên tục Bên cạnh đó, thiết kế mạch sạc dựa thiết kế kết hợp cấu trúc mạch DC-DC kiểu tăng điện áp cấu trúc mạch DC-DC kiểu Flyback với thiết kế mạch sạc dựa cấu trúc LDO [9] [8] đưa hiệu suất cao cải thiện độ cách ly cho pin Li-Ion Tuy nhiên, cấu trúc thiết kế này sử dụng phần tử thiết kế ngồi chíp với kích thước lớn dẫn đến tăng kích thước mạch thiết kế PCB (Printed Circuit Board) chưa phù hợp để áp dụng cho thiết bị điện tử di động cầm tay với kích thước nhỏ gọn Xét khía cạnh cải thiện hiệu hoạt động thiết kế mạch sạc, giải pháp sạc nhanh đưa nghiên cứu [13, 14, 28, 30] nhằm cải thiện đáng kể thời gian sạc Hạn chế giải pháp tăng kích thước mạch thiết kế thực thêm mạch cảm biến nội trở pin vấn đề sạc mức điện áp xảy ảnh hưởng đến chất lượng tuổi thọ pin Li-Ion Bên cạnh đó, nghiên cứu [11, 13, 16, 21, 28, 30] đưa giải pháp thực chuyển tiếp chế độ sạc ổn định nhằm cải thiện ảnh hưởng nội trở pin đến hoạt động ổn định hệ thống mạch sạc Ngoài ra, giải pháp thiết kế chuyển tiếp chế độ sạc ổn định chưa nghiên cứu để thực thiết kế mạch sạc sử dụng cấu trúc mạch điều khiển logic [8, 12, 31, 33] Trong hầu hết thiết kế mạch sạc sử dụng cấu trúc mạch điều khiển logic áp dụng dòng điện điện áp tham chiếu riêng biệt tương ứng cho chế độ sạc Theo đó, sai khác thời điểm mở/ngắt tín hiệu điều khiển gây đột biến xung nhọn với biên độ lớn dòng điện sạc gây ảnh hưởng đến chất lượng pin Li-Ion hoạt động ổn định hệ thống mạch sạc Vấn đề chưa xem xét cải thiện nghiên cứu thiết kế mạch sạc pin Li-Ion công bố Những vấn đề nêu chứng tỏ rằng, thiết kế mạch sạc khơng u cầu cung cấp dòng điện điện áp phù hợp cho pin Li-Ion mà yêu cầu cải thiện vấn đề hiệu suất công suất, độ cách ly cho pin Li-Ion, đột biến xung nhọn dòng điện sạc chuyển tiếp chế độ sạc khơng ổn định Vì vậy, nghiên cứu thiết kế hệ thống mạch sạc pin Li-Ion hiệu cao phù hợp để áp dụng thiết bị điện tử di động hướng nghiên cứu có ý nghĩa khoa học thực tiễn Hướng nghiên cứu thật thách thức động lực mạnh mẽ thúc tác giả lựa chọn thực nội dung nghiên cứu luận án Mục tiêu, đối tƣợng, phƣơng pháp phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu đề xuất số giải pháp cải thiện hiệu mạch sạc pin Li-Ion hoạt động với dải điện áp cung cấp thay đổi thích ứng Đề xuất giải pháp thiết kế mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp cho mạch sạc hiệu cao Cấu trúc mạch DC-DC kiểu giảm áp đảm bảo cho hệ thống mạch sạc pin Li-Ion đạt hiệu suất cao cải thiện kích thước mạch thiết kế Đối tượng nghiên cứu: Nhằm đạt mục tiêu nghiên cứu luận án, đối tượng nghiên cứu luận án liên quan trực tiếp đến cấu trúc thiết kế mạch sạc pin Li-Ion kiểu tuyến tính, mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp phần tử mạch chức dựa công nghệ CMOS Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu sử dụng luận án nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thiết kế khảo sát mô máy tính Phạm vi nghiên cứu: Nội dung nghiên cứu luận án nhằm thực hệ thống mạch sạc pin Li-Ion hiệu cao dựa kết hợp mạch biến đổi DC-DC mạch sạc pin Li-Ion hoạt động với nguồn cung cấp thay đổi thích ứng Theo đó, phạm vi nghiên cứu luận án tập trung nghiên cứu chế điều khiển cấu trúc thiết kế mạch sạc pin Li-Ion, phân tích cấu trúc thiết kế mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp dựa điều chế độ rộng xung PWM, phân tích đặc tính hoạt động cấu trúc thiết kế mạch chức tương tự dựa công nghệ CMOS Các kết đạt đƣợc luận án  Mạch sạc pin Li-Ion thực đáp ứng yêu cầu dòng điện điện áp đầu theo phương thức sạc CC-CV đạt hiệu suất cao (hiệu suất trung bình đạt 88,6 % 92,1 % tương ứng với chế độ sạc TC LC) Các vấn đề đột biến xung nhọn dòng điện sạc chuyển tiếp chế độ sạc không ổn định cải thiện  Hệ thống mạch sạc pin Li-Ion đề xuất đạt hoạt động ổn định tiến trình sạc, đạt hiệu suất hiệu cao (hiệu suất trung bình đạt 86 % chế độ sạc TC LC), đạt độ cách ly tốt cho pin Li-Ion, cung cấp dòng điện điện áp phù hợp cho pin Li-Ion theo phương thức sạc CC-CV Cấu trúc luận án Chương trình bày ngắn gọn vấn đề pin sạc Li-Ion tổng quan cấu trúc thiết kế mạch sạc kiểu tuyến tính kiểu chuyển mạch Đây xem cở sở tảng cho q trình nghiên cứu phân tích thiết kế chương luận án Nội dung chương đưa cấu trúc mạch sạc pin Li-Ion kiểu tuyến tính bao gồm nguồn dòng song song, mạch cảm biến dòng điện, mạch điều khiển dòng điện sạc mạch tạo dòng điện/điện áp Nhằm mục đích nâng cao hiệu suất cơng suất hệ thống, cấu trúc mạch sạc thiết kế để hoạt động với dải điện áp cung cấp thay đổi thích ứng theo điện áp pin Trên sở nghiên cứu phân tích cơng trình khoa học cơng bố trước đó, vấn đề tồn giải pháp cải thiện hiệu đưa để thực cho khối chức mạch sạc pin Li-Ion Cuối cùng, kết mơ tin cậy đưa nhằm mục đích đánh giá kiểm chứng đặc tính hoạt động giải pháp cải thiện hiệu mạc sạc đề xuất Nội dung nghiên cứu trọng tâm chương đưa cấu trúc hệ thống mạch sạc pin Li-Ion hiệu cao dựa kết hợp cấu trúc mạch biến đổi DC-DC cấu trúc mạch sạc thực chương Theo đó, Giải pháp thực mạch bù tần số loại III với hướng phân tích thiết kế theo đặc tính hoạt động mạch sạc thực nhằm đảm bảo yêu cầu hoạt động ổn định đầu dải rộng cho mạch DC-DC Tính ổn định hệ thống mạch sạc xem xét dựa phân tích mơ hình hoạt động xoay chiều Cuối cùng, đặc tính hoạt động mạch DC-DC hệ thống mạch sạc đề xuất đánh giá thảo luận thông qua kết mô trung thực mạch DC-DC tương ứng với trường hợp tải điện trở tải mạch sạc pin Li-Ion CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠCH SẠC PIN LI-ION 1.1 Giới thiệu chƣơng 1.2 Sơ lƣợc pin sạc Li-Ion 1.2.1 Giới thiệu chung Ngày nay, loại pin sạc lại (pin sạc) giữ vai trò trọng yếu việc cung cấp nguồn cho số thiết bị điện tử dân dụng thiết bị đầu cuối viễn thông Một số loại pin sạc sử dụng phổ biến bao gồm: pin Chì-Axít (LA), Niken-Catmi (NiCd), Niken-Kim loại-Hydrua (NiMH) Lithi-Ion (Li-Ion) [40, 41] Mỗi loại pin sạc có tham số đặc tính phụ thuộc vào loại vật liệu cấu thành nên phần tử pin Trên sở lý thuyết loại pin sạc [1, 42], tham số đặc tính pin sạc liệt kê bảng 1.1 Trong đó, pin Li-Ion có nhiều ưu điểm bật mật độ lượng cao, lượng riêng lớn, độ tự xả thấp điện áp hoạt động cao Bảng 1.1 Đặc tính số loại pin sạc phổ biến Loại pin sạc LA NiCd NiMH Li-Ion1 30 – 40 40 – 60 30 – 80 120 – 150 Năng lượng riêng ( ⁄ ) 60 – 70 50 – 150 140 – 300 250 – 450 Mật độ lượng ( ⁄ ) 1,2 1,2 3,6 – 3,8 Điện áp trung bình ( ) Số chu kỳ sạc/xả 300 – 800 1000 – 2000 500 – 1500 > 500 ) 3–5 20 30 1–5 Tốc độ tự xả ( ⁄ Dải nhiệt độ hoạt động ( ) −20 – 60 −40 – 60 −20 – 60 −20 – 60 1.2.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng pin Li-Ion Pin Li-Ion xem loại pin sạc có thời gian sử dụng lâu dài Tuy nhiên, hoạt động điều kiện mức nhiệt độ chế độ hoạt động, dung lượng pin bị suy giảm nhanh dẫn đến thời gian sử dụng pin bị giảm theo Nghiêm trọng pin bị phá hỏng tượng nhiệt ngắn mạch bên [43, 44] Bởi dung lượng Pin Li-Ion với catôt hợp chất thời gian sử dụng pin Li-Ion phụ thuộc vào tính ổn định cấu trúc hợp chất cấu thành điện cực, đặc tính điện hóa điện cực độ ổn định cấu trúc bên pin Các yếu tố hoạt động ảnh hưởng đến chất lượng pin Li-Ion bao gồm điều kiện nhiệt độ mức, hoạt động sạc/xả mức điện áp tốc độ sạc /xả nhanh 1.3 Phƣơng thức sạc pin Li-Ion Các phương thức sạc điển hình cho pin Li-Ion bao gồm phương thức sạc dòng điện khơng đổi-điện áp khơng đổi (CC-CV) [73-75], phương thức sạc Boostcharging (BC) [76], phương thức sạc dòng điện không đổi nhiều pha (MSCC) [77, 78] phương thức sạc xung (PC) [83, 84] Với ưu điểm tính hiệu phương thức sạc khả thực thi phần cứng mạch tích hợp sử dụng công nghệ CMOS, phương thức sạc CC-CV xem phương thức sạc phổ biến áp dụng để sạc pin Li-Ion Theo đó, phương thức sạc CC-CV chia thành ba giai đoạn sạc tương ứng chế độ dòng điện nhỏ (TC), chế độ dòng điện lớn (LC) chế độ điện áp không đổi (CV) Chế độ sạc TC: điện áp pin VBatt nhỏ giá trị điện áp chuẩn VL = 2,9 V, nội trở pin Li-Ion có giá trị lớn Pin sạc với dòng điện khơng đổi, ICh-TC có giá trị nhỏ tối đa 0,1C (với C dung lượng pin tính theo đơn vị Ah) Chế độ sạc LC: nội trở pin Li-Ion có giá trị nhỏ điện áp pin VBatt đạt giá trị lớn điện áp chuẩn VL nhỏ VH = 4,2 V Trong trường hợp này, dòng điện khơng đổi ICh-LC có giá trị lớn (thơng thường 0,5C – 0,7C) sử dụng để sạc pin Li-Ion Chế độ sạc CV: thời điểm điện áp pin VBatt đạt giá trị xấp xỉ điện áp chuẩn VH, pin Li-Ion chuyển sang sạc chế độ CV Trong chế độ sạc này, điện áp pin VBatt có giá trị khơng đổi dòng điện sạc ICh-CV điều khiển giảm dần đạt giá trị dòng điện ngắt ICutoff (trong khoảng 0,02C – 0,07C) trình sạc kết thúc 1.4 Cấu trúc thiết kế mạch sạc pin Li-Ion Các thiết kế mạch sạc theo phương thức sạc CC-CV [87] thực sở cấu trúc ổn định kiểu tuyến tính (LR) gọi mạch sạc kiểu tuyến tính (Linear Charger) cấu trúc ổn định kiểu chuyển mạch (SWR) gọi mạch sạc kiểu chuyển mạch (Switching Charger) 1.4.1 Mạch sạc kiểu tuyến tính Nguyên lý mạch sạc kiểu tuyến tính hình 1.12 bao gồm hai khối mạch mạch nguồn dòng chế độ sạc dòng điện khơng đổi CC (bao gồm chế độ sạc TC LC) mạch nguồn áp chế độ sạc điện áp khơng đổi CV (a) (b) Hình 1.12 Nguyên lý mạch sạc kiểu tuyến tính (a) Mạch thực chế độ sạc CC (b) Mạch thực chế độ sạc CV Trong hình 1.12(a), cấu trúc mạch điều khiển vòng kín cấu thành từ phần tử OA1, M1 R1 đóng vai trò nguồn dòng điều khiển điện áp Theo đó, điện áp hồi tiếp điện trở R1 ổn định với giá trị điện áp tham chiếu VRef Với giá trị điện trở R1 cố định, dòng điện tham chiếu transistor M1 xem nguồn dòng phụ thuộc vào điện áp tham chiếu VRef Ngoài ra, transistor PMOS M1 M2 có kết nối điện áp cực cửa (G) cực nguồn (S) tương tự với cấu trúc mạch gương dòng điện Dòng điện sạc xác định dựa tỉ số kích thước thiết kế transistor M1 ⁄ Trong hình 1.12(b), phần tử OA2, M3, R2 R3 cấu M2 ( ⁄ ) ⁄( ⁄ ) thành mạch ổn áp tuyến tính LR Theo đó, điện áp hồi tiếp điện trở R3 điện áp VBatt ( ⁄ ) Trong chế độ sạc CV, đạt ổn định mức điện áp tương ứng điện áp pin VBatt tăng theo tiến trình sạc dẫn đến tăng điện áp hồi tiếp R3 Thông qua mạch điều khiển (phần tử OA3), dòng điện sạc ICh từ transistor M3 điều khiển theo hướng giảm cho mức suy giảm điện áp rơi nội trở RS bù lại mức tăng điện áp VBatt Rõ ràng, cấu trúc thiết kế mạch sạc tuyến tính có ưu điểm bật khả tích hợp chíp cao nhược điểm hiệu suất chuyển đổi cơng suất thấp (< 70 %) giai đoạn sạc với điện áp pin VBatt nhỏ nhiều so với điện áp vào VI Trong thiết kế mạch sạc, cấu trúc mạch sạc hình 1.12 cần có thêm mạch điều khiển để thực chế độ sạc tương ứng với trạng thái dung lượng pin Li-Ion 1.4.2 Mạch sạc kiểu chuyển mạch Nguyên lý mạch sạc pin Li-Ion kiểu chuyển mạch hình 1.17 thực dựa cấu trúc mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp Trong đó, CLK cung cấp tín hiệu đồng xác định tần số hoạt động (fS) mạch DC-DC VRef điện áp tham chiếu cho mức ổn định dòng điện điện áp đầu Mạch hồi tiếp dòng điện khơng đổi điện áp khơng đổi cấu thành mạch điều khiển vòng kín tương ứng với chế độ sạc dòng điện khơng đổi CC điện áp khơng đổi CV Hình 1.17 Ngun lý mạch sạc kiểu chuyển mạch Trong chế độ sạc CC, mạch hồi tiếp dòng điện khơng đổi đạt trạng thái tích cực Điện trở RSen mắc nối tiếp với pin Li-Ion đóng vai trò phần tử cảm biến dòng điện sạc ICh điện áp cảm biến RSen hồi tiếp cấu trúc điều khiển vòng kín mạch DC-DC Theo đó, điện áp cảm biến điều khiển để ổn định theo điện áp tham chiếu VRef, điều có nghĩa dòng điện sạc đầu có giá trị khơng đổi xác định ⁄ Như vậy, cấu hình mạch DC-DC chế độ sạc CC mạch ổn dòng Ngược lại, mạch hồi tiếp điện áp khơng đổi đạt trạng thái tích cực chế độ sạc CV Theo đó, cấu hình mạch DC-DC chế độ sạc mạch ổn áp Thông qua mạch phân áp R1R2, giá trị ( ⁄( )) điện áp VBatt hồi tiếp để so sánh với VRef cấu trúc hoạt động điều khiển vòng kín mạch DC-DC Điện áp hồi tiếp R2 trì ổn định theo điện áp tham chiếu VRef, dẫn đến kết điện áp ổn định giá trị ( ⁄ ) Như vậy, mức ổn định điện áp pin VBatt chế độ sạc CV thiết lập thơng qua điện áp VRef tỉ số R1/R2 Mức tăng điện áp pin VBatt tiến trình sạc CV bù mức giảm điện áp rơi nội trở RS dòng điện sạc ICh giảm Điều đảm bảo cho pin Li-Ion sạc với điện áp VBatt khơng đổi dòng điện sạc ICh giảm dần chế độ sạc CV Dựa ưu điểm hiệu suất cấu trúc SWR tổn hao truyền dẫn nhỏ chuyển mạch MPS MNS, thiết kế mạch sạc kiểu chuyển mạch thường đạt hiệu suất cao (> 80 %) Nhược điểm chung cấu trúc thiết kế khả cách ly cho pin LiIon Bởi vì, chuyển mạch điện tử dựa transistor MOS cho phép dòng điện chạy theo hai hướng Nên hoạt động mạch DC-DC rơi vào chế độ DCM, lượng pin Li-Ion thất thơng qua chế độ dẫn dòng chuyển mạch MNS CHƢƠNG THIẾT KẾ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HIỆU NĂNG CỦA MẠCH SẠC PIN LI-ION 2.1 Giới thiệu chƣơng 2.2 Sơ đồ khối chức Dựa theo thiết kế mạch sạc [8, 9, 32], cấu trúc mạch sạc hình 2.1 thiết kế với điện áp cung cấp VDC thay đổi thích ứng theo điện áp điện áp pin VBatt (VDC = VBatt + 0,3 V) Chức khối mơ tả sau: khối nguồn dòng song song thực chức cung cấp dòng điện sạc ICh cho pin Li-Ion Khối mạch cảm biến dòng điện tạo dòng điện cảm biến IS nhỏ chép từ dòng điện sạc theo hệ số tỉ lệ định, điều giúp giảm công suất tiêu thụ tĩnh cải thiện hiệu suất công suất cho mạch sạc Khối mạch điều khiển dòng điện sạc thực so sánh dòng điện tham chiếu IRef-ch với dòng điện IS để tạo điện áp VG1 VG2 điều khiển nguồn dòng song song Dựa giá trị điện áp pin VBatt suốt tiến trình sạc, khối mạch tạo dòng điện/điện áp đưa tín hiệu điều khiển logic VS1, VS2 dòng điện tham chiếu IRef-ch tương ứng cho chế độ sạc Hình 2.1 Sơ đồ khối chức mạch sạc pin Li-Ion Trong thiết kế này, mạch sạc pin Li-Ion theo phương thức sạc CC-CV thiết kế để hoạt động sạc pin Li-Ion với dung lượng giả định C = 2000 mAh dải điện áp sạc pin từ V đến 4,2 V Nội dung sau, khối chức mạch sạc thực dựa giải pháp thiết kế nhằm cải thiện hiệu hoạt động độ ổn định cho mạch sạc pin Li-Ion 2.3 Thiết kế hệ thống 2.3.1 Nguồn dòng song song mạch cảm biến dòng điện 2.3.1.1 Giải pháp thiết kế nguồn dòng song song Trong thiết kế mạch sạc hoạt động với nguồn cung cấp VDC thay đổi thích ứng theo điện áp pin VBatt [8, 9], transistor công suất loại PMOS đóng vai trò nguồn dòng điều khiển điện áp, transistor sử dụng để cung cấp dòng điện sạc cho pin Li-Ion Điều khó thực điều khiển xác cho dòng điện sạc lớn ICh-LC chế độ LC dòng điện sạc nhỏ ICh-TC chế độ TC Để cải thiện vấn đề này, cấu trúc nguồn dòng song song đưa hình 2.2 (khung liền nét) bao gồm hai transistor PMOS MP1 MP2 mắc song song Các transistor điều khiển độc lập điện áp VG1 VG2 theo nguyên lý điều khiển sau: chế độ sạc TC với điện áp cung cấp dòng điện sạc nhỏ, nguồn dòng transistor PMOS MP1 sử dụng để cung cấp dòng điện sạc nhỏ ICh-TC tương ứng giá trị 0,1C Cả hai transistor công suất MP1, MP2 điều khiển để cung cấp dòng điện sạc lớn ICh-LC tương ứng giá trị 0,5C lớn chế độ sạc LC Hình 2.2 Sơ đồ thiết kế mạch nguồn dòng song song Theo đó, cấu trúc nguồn dòng song song khơng đưa u cầu dải rộng điện áp điều khiển nguồn dòng song song Hơn nữa, trình điều khiển cấu trúc nguồn dòng song song gần khơng có ràng buộc lẫn hai dòng điện sạc ICh-TC ICh-LC Điều giúp tăng khả linh hoạt thiết kế mạch sạc, chẳng hạn như: cần thực thiết kế mạch sạc theo yêu cầu dòng điện sạc ICh-LC có giá trị lớn (chẳng hạn ICh-LC = 0,7C 1C), yêu cầu thiết kế tăng kích thước W/L transistor PMOS cơng suất MP2 mà khơng ảnh hưởng đến kích thước dòng điện sạc ICh-TC cung cấp transistor công suất MP1 Rõ ràng, cấu trúc nguồn dòng song song dễ dàng cung cấp dòng điện sạc pin hồn toàn phù hợp cho thiết kế mạch sạc pin Li-Ion dựa phương thức sạc CC-CV 2.3.1.2 Mạch cảm biến dòng điện Sơ đồ thiết kế mạch cảm biến dòng điện minh họa hình 2.3 (khung đứt nét) Theo đó, cặp transistor PMOS MS1-MP1 MS2-MP2 có cực nguồn (S) kết nối với nguồn cung cấp VDC, cực cửa G kết nối tương ứng với tín hiệu điện áp điều khiển VG1 VG2 Bên cạnh đó, mạch điều khiển vòng kín bao gồm khuếch đại thuật toán OA1 transistor PMOS M1 thực nhằm đạt mức cân điện áp điện áp cực máng VD1,2 MS1, MS2 với điện áp pin VBatt Khi đó, cặp transistor PMOS MS1-MP1 MS2-MP2 có mức điện áp cực tương ứng G, S cực máng D Hiển nhiên dòng điện cảm biến IS ( ⁄ ) ( ⁄ ) ⁄ tạo xác từ dòng điện sạc ICh theo hệ số tỉ lệ ⁄ Hình 2.3 Sơ đồ thiết kế mạch cảm biến dòng điện Mặc dù, thiết kế mạch cảm biến dòng điện với giá trị dòng điện IS nhỏ giảm công suất tiêu thụ tĩnh mạch điều khiển mạch sạc, điều giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi công suất tổng thể cho mạch sạc pin Trong thiết kế này, mạch biến đổi I-V thực transistor NMOS (M6 M7) cấu hình kiểu điơt mạch điều khiển dòng điện sạc (mục 2.3.2) Dòng điện cảm biến IS cần lựa chọn phù hợp để đảm bảo yêu cầu dải điện áp hoạt động cho mạch điều khiển mạch sạc pin Do đó, hệ số tỉ lệ dòng ⁄ ⁄ điện cảm biến IS dòng điện sạc ICh lựa chọn tương ứng ⁄ 2.3.2 Giải pháp thiết kế mạch điều khiển dòng điện sạc Các thiết kế mạch sạc [8, 32] sử dụng cấu trúc mạch so sánh đơn giản để thực so sánh dòng điện tham chiếu IRef-ch với dòng điện cảm biến IS Cấu trúc so sánh có ưu điểm đơn giản đáp ứng tần số cao Tuy nhiên, cấu trúc lại có nhược điểm sai số cơng suất tiêu thụ tĩnh lớn Trong [33], cấu trúc mạch so sánh dòng điện kiểu Cascode áp dụng nhằm cải thiện độ xác cho mạch so sánh dòng điện Nhưng cấu trúc lại yêu cầu mức điện áp phân cực tối thiểu lớn, dẫn đến yêu cầu nguồn cung cấp VDC có giá trị lớn khơng phù hợp cho thiết kế mạch sạc hoạt động với dải điện áp nguồn cung cấp thay đổi thích ứng Để cải thiện vấn đề này, sơ đồ mạch điều khiển dòng điện sạc đưa hình 2.4, bao gồm hai phần mạch mạch so sánh dòng điện mạch cổng truyền dẫn Mạch so sánh dòng điện cấu thành từ hai transistor NMOS M6, M7 mắc theo cấu hình điơt phần tử khuếch đại OTA Trong đó, NMOS mắc kiểu điơt M6 M7 thực chức biến đổi IV cho dòng điện tương ứng IRef-ch IS Cấu trúc mạch so sánh sử dụng khuếch đại OTA đưa hệ số khuếch đại lớn đặc tuyến truyền đạt tuyến tính dẫn đến tăng độ phân giải đầu vào, điều có nghĩa độ xác mạch so sánh cải thiện Hai mạch cổng truyền dẫn thiết kế từ cặp transistor MOS M2-M3 (TG1) M4-M5 (TG2) Các cổng truyền dẫn TG1 TG2 thực chức tạo ngắt kết nối tương ứng VG với VG1 VG2 11 ( ) (2.1) Từ biểu thức (2.1), dòng điện tham chiếu tổng hợp ID16 xác định tương ứng cho chế độ sạc TC LC biểu thức (2.2) (2.3) Trong chế độ sạc CV, dòng điện ID16 dòng điện tổng hợp từ dòng tham chiếu thành phần ITC, ILC ICV (2.1) (2.2) (2.3) Trong thiết kế này, với mục đích giảm cơng suất tiêu thụ tĩnh mạch tạo dòng điện tham chiếu, dòng điện IRef-ch tham chiếu cho dòng điện sạc chép lớn lần từ dòng điện tham chiếu tổng hợp ID16 thông qua cấu trúc mạch gương dòng điện (M16 : M15) Như vậy, mạch tạo dòng điện tham chiếu sử dụng chế tổng hợp tương tự cung cấp dòng điện tham chiếu IRefch khơng bị ngắt thời điểm chuyển đổi chế độ sạc (TC-LC, LC-CV) liên tục suốt tiến trình sạc 2.3.3.2 Mạch tạo điện áp điều khiển Trên sở mạch tạo dòng điện tham chiếu mục 2.3.3.1 yêu cầu từ mạch điều khiển dòng điện sạc mục 2.3.2, mạch tạo điện áp điều khiển hình 2.9 xem mạch điều khiển logic Trong đó, điện áp pin VBatt ln so sánh với điện áp chuẩn VH VL để đưa tín hiệu điều khiển logic VTC, VLC, VS1 VS2 tương ứng theo chế độ sạc pin Mặc dù, nghiên cứu [13, 20, 24] rằng, mạch so sánh có trễ khơng thể áp dụng mạch điều khiển logic để khắc phục vấn đề ổn định nội trở pin Bởi giá trị điện áp trễ lớn mạch so sánh gây vấn đề ảnh hưởng đến tiến trình sạc pin Trong thiết kế này, vấn đề vừa nêu khắc phục cách giảm giá trị điện áp chuẩn VL VH Ngưỡng so sánh điện áp pin VBatt mạch tạo điện áp điều khiển xác định tương ứng , với Khi đó, vấn đề ảnh hưởng điện áp trễ đến tiến tình sạc pin loại bỏ mạch so sánh có trễ áp dụng mạch điều khiển logic nhằm cải thiện hiệu hoạt động mạch sạc pin Li-Ion Hình 2.9 Sơ đồ thiết kế mạch tạo điện áp điều khiển 2.4 Lựa chọn thiết kế phần tử chức Các phần tử chức sử dụng thiết kế mạch pin Li-Ion bao gồm khuếch đại thuật toán OA (OA1 mạch cảm biến dòng điện, OA2 OA3 mạch tạo dòng điện tham chiếu), khuếch đại OTA (trong mạch điều khiển dòng điện sạc), mạch so sánh điện áp có trễ phần tử logic (trong mạch tạo điện áp điều khiển) Các phần tử thực với cấu trúc thiết kế phù hợp đảm bảo điều kiện hoạt động mạch sạc đề xuất 12 2.5 Kết mơ thảo luận Dựa mơ hình mạch mô phỏng, kết mô tin cậy mạch sạc pin Li-Ion đưa nhằm mục đích đánh giá kiểm chứng đặc tính hoạt động hướng tiếp cận thiết kế cải thiện hiệu hoạt động mạch sạc pin Li-Ion Hình 2.21 Các tín hiệu điều khiển logic Kết mơ tín hiệu điều khiển logic bao gồm Vend, VTC, VLC, VS1 VS2 đưa hình 2.21 Trong suốt tiến trình sạc, Vend ln mức điện áp thấp, VTC trạng thái điện áp cao tương đương với nguồn cung cấp Tín hiệu điều khiển VLC chuyển sang trạng thái điện áp cao thời điểm bắt đầu chế độ sạc LC ln trì trạng thái tích cực Vend chuyển lên trạng thái kết thúc sạc Điều thể rõ, thời điểm chuyển đổi chế độ sạc, tín hiệu điều khiển VTC, VLC không bị chuyển trạng thái từ điện áp cao sang điện áp thấp để điều khiển ngắt dòng điện tham chiếu Tương tự, tín hiệu lựa chọn nguồn dòng VS1 ln trì mức điện áp cao tiến trình sạc, VS2 có mức điện áp thấp chế độ sạc TC chuyển sang trạng thái điện áp cao thời điểm chuyển đổi chế độ sạc TC-LC nhằm đáp ứng u cầu dòng điện sạc lớn Ngay tín hiệu kết thúc sạc Vend chuyển sang trạng thái điện áp cao, tín hiệu VS1 VS2 đạt mức điện áp thấp để điều khiển ngắt dòng điện sạc cho pin Li-Ion Qua cho thấy, transistor PMOS cơng suất MP1 MP2 khối nguồn dòng song song lựa chọn để hoạt động theo nguyên lý thiết kế tiểu mục 2.3.1.1 Hình 2.22 minh họa kết mơ dòng điện tham chiếu thành phần ITC, ILC ICV Rõ ràng, dựa sở tín hiệu điều khiển VTC, VLC chế tạo dòng điện tham chiếu tự động chế độ sạc CV, dòng điện tham chiếu ITC cung cấp suốt tiến trình sạc Tại thời điểm chuyển đổi chế độ sạc TC-LC LC-CV, dòng điện tham chiếu 13 tương ứng ILC ICV tạo tiếp tục trì thời điểm kết thúc sạc Kết mơ khẳng định rằng, khơng có dòng điện tham chiếu điều khiển ngắt mà mở thêm dòng điện tham chiếu tương ứng cho chế độ sạc thời điểm chuyển đổi chế độ sạc Mặc dù, vấn đề đột biến xung dòng điện nhỏ xuất dòng điện tham chiếu thành phần (điển hình ILC), kết ảnh hưởng từ việc mở/ngắt chuyển mạch điện tử mạch tạo dòng điện tham chiếu Quá trình đột biến diễn nhanh khoảng thời gian ngắn, nên khơng ảnh hưởng đến dòng điện tổng hợp IRef-ch (Hình 2.23) tham chiếu cho dòng điện sạc ICh Hình 2.22 Các dòng điện tham chiếu thành phần Hình 2.23 Dòng điện tham chiếu dòng điện cảm biến Trong hình 2.23, kết mơ dòng điện tham chiếu IRef-ch dòng điện tham chiếu tổng hợp từ dòng điện tham chiếu thành phần ITC, ILC ICV Do vậy, dòng điện IRef-ch tạo cách liên tục không bị ngắt thời điểm chuyển đổi chế độ sạc Bên cạnh đó, dòng điện ICV (Hình 2.22) tăng dần từ giá trị A, nên trình chuyển đổi chế độ sạc LC-CV dòng điện tham chiếu tổng hợp IRef-ch xem xét dòng điện liên tục theo thời gian Điều cho thấy rằng, giải pháp thiết kế mạch tạo dòng điện tham chiếu tiểu mục 2.3.3.1 không cải thiện vấn đề đột biến xung dòng điện thời điển chuyển đổi chế độ sạc mà giúp cải thiện hoạt động ổn định cho mạch sạc thời điểm chuyển đổi chế 14 độ sạc LC-CV Ngoài ra, hoạt động điều khiển xác mạch cảm biến dòng điện mạch điều khiển dòng điện sạc đưa dòng điện cảm biến IS ln có giá trị xấp xỉ với dòng điện tham chiếu IRef-ch Trong kết mơ này, dòng điện IS IRef-ch tương ứng với chế độ sạc TC, LC CV có giá trị xấp xỉ 42 A, 202 A 202 A – A (a) (b) Hình 2.24 Dòng điện điện áp sạc pin Li-Ion (a) Dòng điện sạc ICh (b) Điện áp sạc pin VBatt Các kết mơ dòng điện điện áp sạc pin Li-Ion đưa hình 2.24 Dựa kết mơ dòng điện sạc (Hình 2.24(a)), chế độ sạc TC LC, dòng điện sạc ICh đạt giá trị xấp xỉ 209 mA 1010 mA tương ứng với hệ số tỉ lệ dung lượng pin Li-Ion xấp xỉ 0,1C 0,5C Giá trị dòng điện sạc ICh chế độ sạc CV giảm dần từ 1010 mA thời điểm kết thúc sạc 43 mA Bên cạnh đó, vấn đề đột biến xung nhọn dòng điện sạc thời điểm chuyển tiếp chế độ sạc (TC-LC LCCV) cải thiện trình chuyển tiếp chế độ sạc từ LC sang CV dòng điện sạc ICh ổn định Trong hình 2.24(b), kết mô cho thấy điện áp pin VBatt sạc xác với giá trị từ V đến 4,2 V, điều có nghĩa pin Li-Ion sạc đầy dung lượng Mặc dù, điện áp tham chiếu để so sánh mạch tạo điện áp điều khiển lựa chọn với giá trị tương ứng 2,8 V 4,1 V Các thời điểm chuyển tiếp chế độ sạc TC-LC LC-CV mạch thiết kế diễn với giá trị điện áp pin VBatt ngưỡng giá trị tương ứng 2,901 V 4,203 V Như vậy, giải pháp áp dụng mạch so sánh điện áp có trễ thiết kế mạch sạc hồn tồn phù hợp khơng ảnh hưởng đến tiến trình sạc pin Li-Ion Cuối cùng, dựa kết mô hình 2.23 hình 2.24, tỉ số thiết kế dòng điện sạc ICh dòng điện cảm biến IS đảm bảo với giá trị xấp xỉ 1/5000 Bên cạnh đó, hiệu suất cơng suất trung bình mạch sạc đề xuất đạt mức 88,6 % chế độ sạc TC 92,1 % chế độ sạc LC 2.6 Kết luận chƣơng Mạch sạc pin Li-Ion hoạt động với dải điện áp cung cấp thay đổi thích ứng thực dựa thư viện công nghệ BCD 0,35 m Kết đạt dòng điện sạc điện áp pin phù hợp theo phương thức sạc CC-CV đảm bảo cho pin Li-Ion không bị ảnh hưởng điều kiện hoạt động sạc mức Bên cạnh đó, vấn đề đột biến xung nhọn dòng điện sạc chuyển tiếp chế độ sạc không ổn định cải thiện Hiệu suất trung bình mạch sạc đạt mức 88,6 % 92,1 % tương ứng với chế độ sạc TC LC 15 CHƢƠNG ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP THIẾT KẾ MẠCH BIẾN ĐỔI DC-DC KIỂU GIẢM ÁP CHO MẠCH SẠC HIỆU NĂNG CAO 3.1 Giới thiệu chƣơng 3.2 Giải pháp thiết kế hệ thống mạch sạc hiệu cao Giải pháp thiết kế cho hệ thống mạch sạc hiệu cao đưa hình 3.1 Mạch sạc pin Li-Ion kiểu tuyến tính thực chương giúp cải thiện khả cách ly cho pin Li-Ion đạt hiệu suất cao với dải điện áp cung cấp thay đổi thích ứng lớn 0,3 V so với điện áp pin Trong giải pháp thiết kế này, mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp đề xuất nhằm đạt hiệu suất cao giảm kích thước phần tử thiết kế ngồi chíp, điều giúp giảm kích thước tổng thể mạch thiết kế PCB tăng khả ứng dụng hệ thống mạch sạc thiết bị điện tử di động với kích thước thiết kế nhỏ gọn Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống mạch sạc pin Li-Ion 3.3 Thiết kế mạch biến đổi DC-DC áp dụng cho mạch sạc pin Li-Ion 3.3.1 Mạch biến đổi DC-DC với tải mạch sạc Kiến trúc mạch DC-DC áp dụng cho mạch sạc pin Li-Ion đưa hình 3.2 Các khối chức mạch DC-DC bao gồm mạch công suất, mạch bù tần số, mạch điều chế PWM mạch điều khiển chuyển mạch Mạch DC-DC thực chức cung cấp điện áp VDC ổn định tỉ lệ với điện áp tham chiếu VARV dựa hệ điều khiển vòng kín Các thông số thiết kế tổng thể mạch biến đổi DC-DC áp dụng cho mạch sạc pin Li-Ion đưa bảng 3.1 Nội dung thực tính tốn thiết kế khối chức mạch DC-DC nhằm đáp ứng yêu cầu mạch tải mạch sạc pin Li-Ion Quá trình phân tích thiết kế giá trị điện áp dòng điện mạch tải xem xét trường hợp thiết kế cho mạch biến đổi DC-DC có điện áp đầu ổn định Hình 3.2 Sơ đồ khối chức mạch DC-DC với tải mạch sạc 16 Bảng 3.1 Các thông số thiết kế tổng thể cho mạch biến đổi DC-DC Thư viện công nghệ BCD 0,35 m Điện áp vào (VI) Hệ số gợn sóng điện áp vào (ri) Điện áp (VDC) ( ) Hệ số gợn sóng điện áp (ro) Dòng điện (IDC) Điện áp tham chiếu thích ứng (VARV) Tần số chuyển mạch (fS  fRmp) Biên độ xung cưa (VM) ( ) ( ) 3.3.2 Tính tốn thiết kế hệ thống 3.3.2.1 Mạch cơng suất Trong nội dung này, phần tử mạch cơng suất hình 3.2 (khung đứt nét) tính tốn lựa chọn nhằm đảm bảo cho mạch DC-DC hoạt động chế độ CCM cung cấp đầu dải rộng cho mạch tải mạch sạc pin Li-Ion Xác định kích thước transistor chuyển mạch MPS MNS: transistor chuyển mạch MPS MNS thiết kế khảo sát lựa chọn với tỉ số kích thước W/L tương ứng 33000 m/0,5 m 11000 m/0,5 m, cho dòng điện cung cấp tối đa transistor chuyển mạch đạt mức giá trị lớn khoảng 1,5 lần so với dòng điện sạc Xác định giá trị cuộn cảm L: sở điều kiện hoạt động mạch biến đổi DC-DC chế độ CCM theo (1.19) tham số xác định bảng 1.5, giá trị điện cảm L xác định 22,5 H lựa chọn cho thiết kế với [96] Xác định giá trị tụ điện vào CI tụ điện CO: tụ điện vào/ra xác định dựa tham số gợn sóng điện áp xoay chiều bảng 3.1 với giả thiết thành phần xoay chiều phân bố tụ điện nội trở tương đương tụ điện vào/ra Dựa theo [97], tụ điện vào CI xác định lựa chọn với giá trị tương ứng 6,8 F (RC  m ) Dựa sở tham số xác định bảng 1.5 dải thay đổi đầu theo mạch tải, giá trị thiết kế tụ điện lựa chọn [98] Như vậy, với giá trị tính tốn lựa chọn cho thiết kế mạch công suất, mạch DC-DC đạt hoạt động chế độ dẫn dòng liên tục CCM với dải rộng dòng điện cung cấp cho mạch tải từ 50 – 1000 mA 3.3.2.2 Mạch điều chế độ rộng xung PWM Hình 3.4 minh họa sơ đồ mạch dạng sóng mơ tả hoạt động mạch điều chế PWM Trong đó, điện áp VC so sánh với điện áp xung cưa VRmp có tần số không đổi fS biên độ VM Độ rộng xung tín hiệu VPWM đầu mạch điều chế PWM xác định theo thay đổi biên độ điện áp VC, tức hệ số hoạt động D điều chế giá trị điện áp sai lệch VC Hàm truyền đạt mạch điều chế PWM xác định biểu thức (3.6) ( ) (3.6) ( ) ( ) Thiết kế mạch so sánh CM: kết mô mạch so sánh CM thực với tụ tải pF có thời gian trễ lan truyền trung bình đạt xấp xỉ 11 ns Kết phù hợp với yêu cầu mạch so sánh tốc độ cao trễ lan truyền nhỏ mạch điều chế độ rộng xung PWM 17 (a) (b) Hình 3.4 Điều chế độ rộng xung PWM (a) Mạch điều chế PWM (b) Dạng sóng tín hiệu PWM 3.3.2.3 Mạch bù tần số ( ) Hàm khuếch đại vòng mạch DC-DC xác định ( ) ( ) ( ) Trong đó, ( ) hàm truyền đạt vòng hở mạch công suất (3.3), ( ) hàm truyền đạt mạch điều chế PWM (3.6) ( ) hàm truyền đạt mạch bù tần số Trong thiết kế này, mạch bù tần số loại III hình 3.8 áp dụng để cải thiện độ dự trữ ( ) Điều nhằm mục đích cải thiện hoạt động ổn định pha PM cho hàm khuếch đại vòng cho hệ thống mạch DC-DC với tải mạch sạc pin Li-Ion Hàm truyền đạt miền s mạch bù tần số xác định theo biểu thức (3.7) Hình 3.8 Sơ đồ thiết kế mạch bù tần số loại III ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ( )( ) ( )( ) (3.7) ) ( ) ( ) 18 Trên sở phân tích thiết kế bù tần số cho mạch DC-DC [89, 99], giải pháp bù tần số thực với tần số cắt lựa chọn giá trị , tần số điểm không thiết lập giá trị tương ứng , tần số điểm cực lại xác định dải giá trị tương ứng ( ) Theo đó, tham số mạch bù tần số tính tốn lựa chọn dựa giá trị ( ) với trường hợp chuẩn thiết kế thực tế Kết mô hàm khuếch đại vòng o điển hình (VDC = V IDC = A) có độ dự trữ pha PM đạt xấp xỉ 59,4 tần số cắt giá trị dự trữ biên độ GM đạt 27 dB tần số 445 KHz Như vậy, kết thiết kế mạch bù tần số đảm bảo cho mạch DC-DC hoạt động ổn định dải tần số thiết kế Thiết kế mạch khuếch đại EA: nhằm đảm bảo yêu cầu hoạt động mạch bù tần số, cấu trúc thiết kế mạch khuếch đại OA dựa theo [100] thực với kết đạt Av = 70 dB, BW  538 KHz UBW  238 MHz 3.3.2.4 Mạch điều khiển chuyển mạch Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển chuyển mạch hình 3.12 bao gồm khối mạch đệm P, mạch đệm N mạch logic Các mạch đệm P mạch đệm N cấu thành từ chuỗi mạch đảo nối tiếp nhằm cung cấp tín hiệu điều khiển chuyển mạch VP VN Dựa tín hiệu điều khiển VP VN tạo trễ mạch đệm tạo chúng, mạch logic thực chức phân phối tín hiệu vào VPWM đến mạch đệm, cho tín hiệu VP VN tạo không bị chồng lấp thời điểm mở/ngắt chuyển mạch cơng suất Dựa phân tích lý thuyết thiết kế mạch điều khiển chuyển mạch [95, 101-103], thiết kế này, số tầng mạch đảo NI = hệ số nhân tăng cấp tầng liên tiếp U = lựa chọn cho thiết kế mạch đệm P mạch đệm N Hình 3.12 Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển chuyển mạch 3.3.2.5 Mạch tạo xung cưa Nhìn chung, mạch tạo tín hiệu điện áp xung cưa [101, 104, 105] thường dựa chế nạp/xả có điều khiển tụ điện Theo đó, sơ đồ thiết kế mạch tạo xung cưa đưa hình 3.13 Biên độ tín hiệu xung xác định dựa giá trị điện áp chuẩn V1 V2 (3.8) Chu kỳ tín hiệu xung xác định hàm theo thời gian nạp (tr) thời gian xả (tf) tụ CR Trong đó, thời gian nạp tr phụ thuộc vào tham số giá trị phần tử R1, CR xác định (3.9) Thời gian xả tf tụ CR có giá trị khơng 19 theo điều kiện lý tưởng Trong thiết kế, tf thường lựa chọn mức giá trị đủ nhỏ khoảng (5 – 10) % so với chu kỳ xung TRmp Kết đạt mạch tạo xung thiết kế với biên độ VM  3,06 V tần số xung fRmp đạt giá trị tương đương 500,5 KHz Kết phù hợp với yêu cầu thiết kế mạch DC-DC áp dụng cho mạch sạc pin Li-Ion bảng 3.1 Biên độ tín xung VRmp: (3.8) Thời gian nạp tụ điện CR: ( ) (3.9) Hình 3.13 Sơ đồ thiết kế mạch tạo xung cưa 3.3.2.6 Mạch dịch mức điện áp tham chiếu Sơ đồ thiết kế mạch dịch mức điện áp tham chiếu đưa hình 3.15 Trong đó, khuếch đại OA theo cấu hình lặp điện áp sử dụng nhằm cách li mạch tải pin Li-Ion mạch biến đổi DC-DC Trên sở thiết kế [8, 32], tỉ số kích thước W/L transistor M1, M2, M3 M4 thay đổi theo hệ số tỉ lệ nhằm đạt mức dịch điện áp 0,15 V Nghĩa điện áp đầu mạch dịch mức điện áp xác định ( ⁄ ) Điều khẳng định thông qua kết khảo sát mô Hình 3.15 Sơ đồ thiết kế mạch dịch mức điện áp tham chiếu 20 3.4 Tính ổn định hệ thống Tính ổn định hệ thống đánh giá dựa đáp ứng tần số mơ hình tín hiệu nhỏ cho hệ thống mạch sạc pin Li-Ion theo chế độ hoạt động dòng điện khơng đổi điện áp khơng đổi Hình 3.18 Sơ đồ khối mơ hình tín hiệu nhỏ mạch DC-DC với VARV thay đổi Hình 3.19 Mơ hình hoạt động mạch sạc chế độ dòng điện khơng đổi Hình 3.20 Sơ đồ khối mơ hình tín hiệu nhỏ hệ thống mạch sạc Trên sở mơ hình tín hiệu nhỏ mạch DC-DC mạch sạc pin Li-Ion hình 3.18 3.19, Sơ đồ khối mơ hình tín hiệu nhỏ hệ thống mạch sạc chế độ hoạt động dòng điện khơng đổi (dòng điện ICh khơng đổi, điện áp VDC, VBatt VARV thay đổi theo tiến trình sạc) đưa hình 3.20 Dựa hàm truyền đạt (3.13) (3.17) với tham số hoạt động bảng 3.8, đáp ứng tần số hệ thống mạch sạc đặc trưng hàm khuếch đại vòng ( ) ( ) ( ) minh họa đồ thị biên độ – pha với kết độ dự trữ pha PM đạt 90o Trong hoạt động hệ thống mạch sạc chế độ điện áp không đổi, điện áp VBatt VDC ổn định dẫn đến điện áp tham chiếu VARV có giá trị khơng đổi Khi đó, mạch biến đổi DC-DC đạt hoạt động ổn định theo phân tích thiết kế mục 3.3.2.3 Q trình phân tích ổn định hệ thống xem xét mơ hình xoay chiều tín hiệu nhỏ mạch sạc pin li-ion hình 3.22 (tương tự hình 3.19) Hàm khuếch đại vòng dòng điện mơ hình ⁄ ( ) Hàm có điểm cực tần số mạch sạc xác định ⁄ , nên mạch sạc đạt ổn định chế độ hoạt động với điện áp không đổi Như vậy, hệ thống mạch sạc thực đạt hoạt động ổn định tiến trình sạc pin 21 3.5 Kết mô thảo luận (a) Tương ứng với chế độ TC mạch sạc (b) Tương ứng với chế độ LC mạch sạc (c) Tương ứng với chế độ CV mạch sạc Hình 3.25 Dòng điện cuộn cảm IL điện áp VDC 22 Dựa kết mơ dòng điện cuộn cảm IL điện áp VDC mạch DC-DC hình 3.25 với mạch tải điện trở, mạch DC-DC thiết kế hoạt động ổn định chế độ dẫn dòng liên tục CCM tương ứng với ba chế độ hoạt động điển hình mạch tải đặc trưng cho mạch sạc pin Li-Ion Theo đó, giá trị trung bình IL dòng điện IDC mạch biến đổi DC-DC cung cấp cho mạch tải đạt mức giá trị tương ứng 200 mA mức điện áp VDC = V (Hình 3.25(a)), 1000 mA mức điện áp VDC = V (Hình 3.25(b)) 50 mA mức điện áp VDC = 4,5 V (Hình 3.25(c)) Kết cho thấy, mạch biến đổi DCDC thiết kế cung cấp đầu thay đổi dải rộng đáp ứng yêu cầu cho mạch tải mạch sạc hoạt động chế độ sạc TC, LC CV Ngoài ra, giá trị sai số hệ số gợn sóng xoay chiều điện áp mạch DC-DC đạt mức thấp %, điều đảm bảo đặc tính ổn định cho điện áp chiều VDC đầu Bên cạnh đó, kết mơ ra, hiệu suất trung bình mạch DC-DC đạt mức 97 % 94 % tương ứng với chế độ sạc TC LC mạch tải mạch sạc pin Li-Ion (a) (b) Hình 3.27 Dòng điện điện áp mạch DC-DC với tải mạch sạc pin Li-Ion (a) Dòng điện IDC (b) Điện VDC điện áp pin VBatt Kết mô cho hệ thống mạch sạc pin Li-Ion (thực mô mạch biến đổi DC-DC với mạch tải mạch sạc pin Li-Ion) đưa hình 3.27 Dòng điện đầu IDC mạch DC-DC (Hình 3.27(a)) cung cấp cho mạch sạc theo chế độ hoạt động TC, LC CV đạt giá trị xấp xỉ tương ứng 210 mA, 1010 mA 1010 mA – 45 mA Hơn nữa, thời điểm chuyển đổi chế độ hoạt động mạch tải, dòng điện cung cấp IDC ln đáp ứng ổn định theo đặc tính tải dòng điện sạc Điều cho thấy, hướng tiếp cận phân tích thiết kế vòng điều khiển đảm bảo cho hoạt động ổn định mạch DC-DC với đầu thay đổi dải rộng Tuy nhiên, điều kiện hoạt động này, mạch DC-DC chuyển sang chế độ hoạt động dẫn dòng khơng liên tục DCM dòng điện đầu IDC nhỏ 50 mA Điều gây tổn hao công suất không đáng kể mạch DC-DC thời điểm kết thúc sạc EOC không ảnh hưởng đến dung lượng sạc pin Li-Ion Trong Hình 3.27(b), kết mơ điện áp VDC điện áp pin VBatt thể rõ, dải điện áp 23 mạch DC-DC thay đổi thích ứng theo điện áp pin VBatt suốt tiến trình sạc cho pin Li-Ion Cụ thể dải điện áp VDC tăng từ 2,3 V đến 3,2 V chế độ sạc TC Tiếp theo, điện áp VDC tăng từ 3,2 V đến 4,5 V trì ổn định mức điện áp 4,5 V tương ứng chế độ sạc LC CV Rõ ràng, điện áp VDC mạch DC-DC điều khiển xác để thay đổi động thích ứng theo điện áp pin VBatt suốt tiến trình sạc Hơn nữa, điện áp VDC trì với mức giá trị xấp xỉ lớn 0,3 V so với điện áp pin VBatt Tại thời điểm biến động dòng điện tải chuyển tiếp chế độ sạc từ TC sang LC, mức suy giảm biên độ điện áp VDC xác định xấp xỉ 60 mV tương ứng tỉ lệ 1,8 % so với mức điện áp VDC 3,2 V Mức suy giảm biên độ tương đối thấp ảnh hưởng không đáng kể đến hoạt động mạch sạc pin Li-Ion với vai trò mạch tải 3.6 Đánh giá kết đạt đƣợc Nhằm đánh giá kết đạt luận án, hệ thống mạch sạc pin Li-Ion thiết kế đưa so sánh với thiết kế mạch sạc điển hình khác bảng 3.9 Bảng 3.1 So sánh hệ thống mạch sạc luận án với nghiên cứu khác Thiết kế [8] [21] [28] [29] luận án Flyback DC-DC DC-DC DC-DC kiểu Cấu trúc thiết kế LDO & LDO kiểu giảm áp kiểu giảm áp giảm áp & LDO TSMC TSMC VIS CMOS BCD Thư viện công nghệ 0,35 m 0,18 m 0,25 m 0,35 m 0,35 m Điện áp cung cấp 2,3 – 4,5 V 10 V 4,5 – 5,5 V 4,5 V 5,5 – V X X X Hiệu suất công suất trung bình 91,2 % 86 % 87 % @ 1A 82 % @ 2A 70,9 % 86 % Dòng điện sạc ICh-TC 300 mA 300 mA 210 mA Dòng điện sạc ICh-LC 698 mA 900 mA 2000 mA 700 mA 1010 mA Điện áp đầu VBatt – 4,2 V 2,1 – 4,2 V 2,1 – 4,2 V – 4,2 V – 4,2 V Chuyển tiếp chế độ sạc ổn định 3.7 Kết luận chƣơng Cùng với thiết kế mạch sạc chương luận án, hệ thống mạch sạc pin Li-Ion hiệu cao thực dựa thư viện công nghệ BCD 0,35 m Các kết đạt thể rõ, hệ thống mạch sạc hoạt động ổn định tiến trình sạc, đáp ứng yêu cầu phương thức sạc CC-CV đạt hiệu suất cao (hiệu suất trung bình đạt 86 % cho chế độ sạc TC LC) Bên cạnh đó, hệ thống mạch sạc đề xuất đạt độ cách ly cho pin Li-Ion tốt thiết kế mạch sạc kiểu chuyển mạch, sử dụng tối thiểu phần tử thiết kế ngồi chíp so với thiết kế sử dụng cấu trúc Flyback cấu trúc mạch DC-DC kiểu tăng điện áp Điều giúp cải thiện khả áp dụng hệ thống thiết bị điện tử di động cầm tay với kích thước nhỏ gọn 24 KẾT LUẬN Đóng góp khoa học luận án Các đóng góp khoa học luận án thể thơng qua nội dung phân tích thiết kế với kết đạt chương chương Để tường minh hơn, đóng góp khoa học đưa sau: Đề xuất ba giải pháp cải thiện hiệu mạch sạc pin Li-Ion, cụ thể là: − Áp dụng cấu trúc nguồn dòng song song nhằm cung cấp dòng điện phù hợp theo phương thức sạc dòng điện khơng đổi-điện áp không đổi − Áp dụng khuếch đại truyền dẫn (OTA) để đồng thời cải thiện khả điều khiển dòng điện sạc giảm cơng suất tiêu thụ tĩnh mạch điều khiển − Sử dụng giải pháp giảm điện áp tham chiếu cho mạch so sánh có trễ với đề xuất mạch tạo dòng điện tham chiếu liên tục nhằm giảm thiểu đột biến xung nhọn dòng điện sạc ảnh hưởng nội trở pin Li-Ion đến hoạt động ổn định hệ thống Đề xuất thực giải pháp thiết kế mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp cho mạch sạc hiệu cao Giải pháp bù tần số hướng phân tích thiết kế dựa đặc tính hoạt động mạch sạc pin Li-Ion thực nhằm đảm bảo cho mạch biến đổi DC-DC hoạt động ổn định chế độ dẫn dòng liên tục đáp ứng yêu cầu đầu dải rộng cho mạch sạc Hƣớng phát triển luận án Nhằm nâng cao khả ứng dụng thực tiễn, kết đạt luận án tiếp tục nghiên cứu thực thời gian sau: − Thực layout chế tạo chíp (IC sạc) nhằm đánh giá đặc tính hoạt động hệ thống mạch sạc thông qua kết đo lường thực tiễn − Nghiên cứu áp dụng kết đạt luận án cho hệ thống mạch sạc công suất lớn với nhiều phần tử pin Li-Ion − Nghiên cứu triển khai hệ thống mạch sạc đề xuất luận án hệ thống mạch sạc không dây, xem hướng phát triển tiềm thách thức thời gian DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Hao Nguyen-Van, Cuong Dao, Long Nguyen, Minh nguyen, Loan PhamNguyen (2014), "A Fast and Long-Life Li-Ion Battery Charger with Decoupled Current Source," International Conference on Integrated Circuits, Design, and Verification (ICDV), pp 123-128 Hao Nguyen-Van, Dat Nguyen, Minh Nguyen, Thang Nguyen, Loan PhamNguyen (2015), "A Li-Ion Battery Charger with Stable Charging Mode Controller in Noise Environments," International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), pp 270-274 Hao Nguyen-Van, Thang Nguyen, Vu Quan, Minh Nguyen, Loan PhamNguyen (2016), "A Topology of Charging Mode Control Circuit Suitable for Long-Life Li-Ion Battery Charger," International Conference on Communications and Electronics (ICCE), pp 167-171 Hao Nguyen-Van, Minh Nguyen, Loan Pham-Nguyen (2017), "A New Topology of Parallel Current Source Applied for Li-Ion Battery Charger," Journal of Science & Technology, No 120, pp 078-084 Hao Nguyen-Van, Minh nguyen, Loan Pham-Nguyen (2017), "An Adaptive DC-DC Converter for Loading Circuit of Li-Ion Battery Charger," International Conference on Integrated Circuits, Design, and Verification (ICDV), pp 100-103 Nguyễn Văn Hào, Nguyễn Đức Minh, Phạm Nguyễn Thanh Loan (2017), "Thiết Kế Mạch Sạc Pin Li-Ion Trên Cơ Sở Dòng Điện Tham Chiếu Liên Tục Nhằm Giảm Thiểu Dòng Đột Biến Chuyển Tiếp Mềm Chế Độ Sạc," Tạp Chí Nghiên Cứu Khoa Học Công Nghệ Quân Sự, Số 51, Trang 86-94 Nguyen Van Hao, Nguyen Duc Minh, Pham Nguyen Thanh Loan (2018), "An Adaptive and Wide-Range Output DC-DC Converter for Loading Circuit of Li-Ion Battery Charger," VNU Journal of Science: Comp Science & Com Eng, Vol 34, No 1, pp 10-18 ... điện trở tải mạch sạc pin Li- Ion CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠCH SẠC PIN LI- ION 1.1 Giới thiệu chƣơng 1.2 Sơ lƣợc pin sạc Li- Ion 1.2.1 Giới thiệu chung Ngày nay, loại pin sạc lại (pin sạc) giữ vai trò... tải mạch sạc pin Li- Ion (a) (b) Hình 3.27 Dòng điện điện áp mạch DC-DC với tải mạch sạc pin Li- Ion (a) Dòng điện IDC (b) Điện VDC điện áp pin VBatt Kết mô cho hệ thống mạch sạc pin Li- Ion (thực... sử dụng để sạc pin Li- Ion Chế độ sạc CV: thời điểm điện áp pin VBatt đạt giá trị xấp xỉ điện áp chuẩn VH, pin Li- Ion chuyển sang sạc chế độ CV Trong chế độ sạc này, điện áp pin VBatt có giá trị