Nghiên cứu thiết kế bộ nguồn chuyển mạch chất lượng cao cho ứng dụng thiết bị điện tử

Bộ nguồn tuyến tính

Nếu điện áp ngõ ra tăng (do tăng điện áp ngõ vào hoặc do giảm dòng tải) thì điện áp cực phát của BJT tăng, trong khi điện áp cực gốc giảm vì tín hiệu hồi tiếp đ−a tới bộ so sánh là hồi tiếp âm, do đó nội trở của BJT tăng lên, sụt áp trên BJT tăng và điện áp ngõ ra giảm xuống. Khi điện áp DC thô lấy ra từ cuộn thứ cấp của biến áp đã được chỉnh lưu, và sử dụng tụ lọc đủ lớn để lọc độ gợn sóng vô nghĩa, thường chọn số vòng dõy cuộn thứ cấp để điện ỏp thứ cấp đó chỉnh lưu là Vo + 2.5V khi ngừ vào AC ở mức dung sai nhỏ.

Bộ nguồn chuyển mạch

Vi mạch tích hợp đ−ợc sử dụng trong các bộ nguồn ổn định tuyến tính thực chất là một mạch bao gồm đầy đủ các thành phần của một sơ đồ ổn áp có hồi tiếp, có mạch hạn chế dòng và bảo vệ quá áp. Hơn nữa, trong dải tần 10KHz – 500KHz, biến ỏp dựng lừi ferit cú độ từ thẩm hiệu dụng lớn, nờn số vòng dây sẽ giảm đi rất nhiều, tức là giảm đ−ợc kích th−ớc và trọng l−ợng của biến áp, cuộn chặn so với bộ nguồn thông th−ờng có cùng công suÊt.

Phương pháp biến đổi điện áp DC/DC

Nh− vậy có thể sử dụng thêm bộ lọc thông thấp để lấy ra đ−ợc điện áp DC ở đầu ra với giá trị tuỳ chọn. Mạch ngắt quãng chế độ A chính là mạch cơ sở để xây dựng bộ ổn định Buck (bộ ổn định giảm áp), sẽ nói chi tiết t.

Bộ biến đổi thế hệ thứ nhất Các bộ biến đổi thế hệ thứ nhất là các

Người ta quãng, chúng không chỉ đ−ợc ứng dụng trong việc thiết kế nguồn chuyển mạch mà còn là cơ sở để xây dựng các mạch điều khiển động cơ (một xu hướng phát triển không kém phần quan trọng của bộ biến đổi DC/DC). Trong khuôn khổ có hạn của một luận văn thạc sỹ kỹ thuật, ở đây sẽ chỉ trình bày những vấn đề cơ bản nhất, cụ thể là về bộ biến đổi DC/DC thế hệ thứ nhất (phân tích hoạt động và thiết kế chi tiết).

Bộ biến đổi thế hệ thứ t−

Các bộ biến đổi DC/DC thế hệ thứ t− đ−ợc gọi là các bộ biến đổi chuyển mạch mềm (bộ biến đổi chuyển mạch cộng hưởng). Hầu hết các bộ biến đổi này hoạt động ở chế độ đơn nh−ng chúng cũng có thể hoạt động ở 2 hoặc 4 chế độ với dải công suất đầu ra cao (hàng nghìn Watt). Kỹ thuật chuyển mạch cộng hưởng cho phép giải quyết vấn đề mất mát năng l−ợng trong suốt quá trình chuyển mạch đóng và chuyển mạch ngắt.

Bộ biến đổi thế hệ thứ sáu

Các sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi DC/DC gồm rất nhiều loại nh−ng xét cho cùng chúng đều xuất phát từ các sơ đồ cơ bản thuộc bộ biến đổi thế hệ thứ nhất. Nhằm mục đích nâng cao hiệu suất của mạch mà người ta liên tục cải tiến với cấu trúc ngày càng phức tạp và đi sâu vào nghiên cứu các phản ứng của các phần tử có tính chất cộng h−ởng là tụ điện và cuộn dây. Trên cơ sở hiểu rõ các mạch cơ bản này việc nghiên cứu và cải tiến để tạo ra các mạch thế hệ sau sẽ thuận lợi và mang tính tất yếu.

Thiết kế khối công suất

Nếu dòng qua diode không giảm xuống 0 tại thời điểm kết thúc thời gian tắt thì dòng Q1 lúc đóng tiếp sẽ có dạng bậc thang vì dòng trong L1 không thể thay đổi ngay đ−ợc (nói cách khác là cuộn dây L1 ch−a xả hết năng. l−ợng đ−ợc tích trữ trong nó khi tới chu khi dẫn tiếp theo của Q1). Vì vậy, bộ ổn định Boost đ−ợc thiết kế để hoạt động ở chế độ không liên tục, tức là dòng qua D1 giảm xuống 0 trước khi Q1 mở tiếp, tất cả năng lượng tích trữ trong thời gian mở trước đó được cung cấp cho tải ra và tụ Co. Bộ ổn định Boost không đ−ợc sử dụng rộng rãi nh− bộ ổn định Buck vì có ít trường hợp cần điện áp cao từ nguồn điện áp thấp (khi đó có nhiều cách lựa chọn để có hiệu suất cao và đơn giản hơn nhiều, ví dụ nh− dùng biến áp với nhiều cuộn thứ cấp có nhiều ngõ ra).

Bộ ổn định Boost thường sử dụng ở mức công suất thấp (<10W), nó phù hợp cho những bo mạch công suất thấp của máy tính với mức điện áp logic 5V hoặc cho các bộ khuếch đại thuật toán với mức điện áp 12V hoặc 15V. Mỗi transistor làm việc ở một bán kỳ nh−ng nếu tại một thời điểm nào đó cả Q1 và Q2 cùng mở thì sẽ có hiện t−ợng ngắn mạch điện áp cung cấp và gây phá hỏng các transistor, do đó thời gian mở của mỗi transistor chỉ đ−ợc phép tối đa là 80% bán kỳ (Ton = 0.8T/2).

Thiết kế khối điều khiển

Hai đầu ra của mạch FF có dạng hai chuỗi xung vuông cực tính ng−ợc nhau đ−ợc đ−a tới đầu vào hai cổng AND, hai đầu vào còn lại của hai cổng AND đ−ợc kích bởi điện áp. Vì vậy, cần dựa vào yêu cầu của bộ nguồn về công suất, điện áp đầu ra, số l−ợng đầu ra, hiệu suất, độ phức tạp của mạch, độ ổn định …. Do đó, cũng rất cần xem kỹ catalog của từng loại IC để lựa chọn cho phù hợp và việc tính toán các thông số của mạch nhiều khi cần thay đổi theo thông số của IC đó chứ không nhất thiết phải theo đúng trình tự đã nói ở các phần trên.

Giới thiệu chung về các phần mềm mô phỏng

Với mục đích điều khiển và phương thức điều khiển như đã nói ở ch−ơng 3, phần điều khiển đ−ợc chia thành nhiều khối, xây dựng hàm truyền cho từng khối, kết nối chúng lại và điều chỉnh thêm các thông số để. Có thể sử dụng tất cả các loại phần mềm trên để thiết kế phần mạch điện của nguồn chuyển mạch nh−ng khi kết hợp lại với IC điều khiển thì có một khó khăn đó là trong th− viện của các phần mềm này có thể không chứa loại IC điều khiển cần dùng. Vì những nh−ợc điểm nh− trên của các phần mềm mô phỏng mạch điện thông thường, trong phần mô phỏng của luận văn này, tác giả đã thử sử dụng một số phần mềm thiết kế mạch của chính các hãng sản xuất IC điều khiển PWM nh− các hãng Linear Technology Cor., Texas Instrument, Power Integration ….

Xây dựng mô hình mô phỏng

Các phần chính của các bộ nguồn dùng ở đây hầu nh− nằm hoàn toàn trong một IC và chỉ yêu cầu bên ngoài một điện cảm, vài tụ điện và vài điện trở để thiết lập một số thông số riêng của mạch. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm lớn đó là việc điều khiển nhờ vòng hồi tiếp chỉ đ−ợc dùng cho đầu ra chính, nghĩa là các đầu ra còn lại không đ−ợc điều chỉnh chính xác và ổn định tốt. Từ những phân tích nh− trên, phần tiếp theo sẽ trình bày thiết kế của một bộ nguồn chất l−ợng cao dùng cho thiết bị xách tay nh− Notebook hoặc Palm với 3 đầu ra (3.3V, 5V và 12V) với ph−ơng pháp phân phối công suất.

Điện áp vào sẽ cấp cho IC đầu tiên (th−ờng là IC cho phép lấy ra đầu ra 5V), đầu ra của mạch này sẽ đ−a tới đầu vào của các IC tiếp theo để đ−ợc các điện áp ra theo yêu cầu. Diode đ−ợc chọn là diode tắt nhanh và th−ờng chọn là loại diode Schottky dựa trên thông số sụt áp thuận trên nó nhỏ hơn 0.6V khi nó dẫn dòng Imax và tiêu hao công suất không quá 1%.

Đánh giá và thí nghiệm kết quả trên mô hình mô

Tuy nhiên, để có đ−ợc những thiết bị có những −u điểm ấy thì một nhánh nghiên cứu rất quan trọng đó là nghiên cứu để tạo ra các bộ nguồn tối −u phù hợp cho từng thiết bị. Thực tế chỉ ra rằng, với những yêu cầu cao đặt lên bộ nguồn thì xác suất h− hỏng xảy ra ở phần này so với các phần cứng khác của thiết bị là tương đối cao. Với mong muốn đóng góp một phần nhỏ bé vào việc bổ sung kiến thức về nguồn chuyển mạch những gì tác giả trình bày trong quyển luận văn này sẽ là tài liệu tham khảo có ích cho những ai muốn thiết kế, lắp ráp và sửa chữa bộ nguồn chất l−ợng cao dùng trong các thiết bị điện tử.