I (A) U,E (V) t (h)n
2.3.1.Nguyờn lý chuyển đổi điện ỏp DC/DC giảm ỏp (buck converter)
Đõy là kiểu biến đổi nguồn cho điện ỏp DC đầu ra nhỏ hơn so với điện ỏp đầu vào tức là Vin> Vout. Xột một mạch nguyờn lý sau :
Hỡnh 2.15 Nguyờn lý chuyển đổi DC-DC giảm ỏp
Bộ chuyển đổi điện ỏp DC/DC giảm ỏp (buck) hoạt động theo nguyờn tắc như sau: khi khúa (van) đúng, điện ỏp chờnh lệch giữa cửa vào và cửa ra đặt lờn điện cảm, làm dũng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian. Khi khúa (van) ngắt, điện cảm cú khuynh hướng duy trỡ dũng điện qua nú sẽ tạo điện ỏp cảm ứng đủ để Diode phõn cực thuận. Điện ỏp đặt vào điện cảm lỳc
này ngược dấu với lỳc khúa (van) đúng, và cú độ lớn bằng điện ỏp cửa ra cộng với điện ỏp rơi trờn Diode, khiến cho dũng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian. Tụ điện cửa ra cú giỏ trị đủ lớn để dao động điện ỏp tại cửa ra nằm trong giới hạn cho phộp.
Hỡnh 2.16 Biểu đồ mụ tả nguyờn lý làm việc của bộ chuyển đổi DC-DC giảm ỏp
Ở trạng thỏi xỏc lập, dũng điện đi qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hoàn, với giỏ trị của dũng điện ở cuối chu kỳ trước bằng với giỏ trị của dũng điện ở đầu chu kỳ sau. Xột trường hợp dũng điện tải cú giỏ trị đủ lớn để dũng điện qua điện cảm là liờn tục. Vỡ điện cảm khụng tiờu thụ năng lượng (điện cảm lý tưởng), hay cụng suất trung bỡnh trờn điện cảm là bằng 0, và dũng điện trung bỡnh của điện cảm là khỏc 0, điện ỏp rơi trung bỡnh trờn điện cảm phải là 0. Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đúng khúa (van), và T2 là thời gian ngắt khúa (van). Như vậy, T = T1 + T2. Giả sử điện ỏp rơi trờn Diode, và dao động điện ỏp cửa ra là khỏ nhỏ so với giỏ trị của điện ỏp cửa vào và cửa ra. Khi đú, điện ỏp rơi trung bỡnh trờn điện cảm khi đúng khúa (van) là (T1/T)ì(Vin − Vout), cũn điện ỏp rơi trung bỡnh trờn điện cảm khi ngắt khúa (van) là −(T2/T)ìVout.
Điều kiện điện ỏp trung bỡnh trờn điện cảm bằng 0 cú thể được biểu diễn là: (T1/T)ì(Vin − Vout) − (T2/T)ìVout = 0
Giỏ trị D = T1/T thường được gọi là độ rộng xung (duty cycle). Như vậy, Vout = VinìD. D thay đổi từ 0 đến 1 (khụng bao gồm cỏc giỏ trị 0 và 1), do đú 0 < Vout < Vin.
Với cỏc bộ biến đổi buck, vấn đề cần quan tõm là: phạm vi thay đổi của điện ỏp cửa vào Vin, giỏ trị điện ỏp cửa ra Vout, độ dao động điện ỏp cửa ra cho phộp, dũng điện tải tối thiểu Iout,min, xỏc định giỏ trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện ỏp cửa ra.
Phạm vi thay đổi của điện ỏp cửa vào và giỏ trị điện ỏp cửa ra xỏc định phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: Dmin = Vout/Vin,max, và Dmax = Vout/Vin,min.
Thụng thường, với cỏc bộ biến đổi buck chỉ nờn làm việc ở chế độ dũng điện liờn tục qua điện cảm. Tại biờn của chế độ dũng điện liờn tục và giỏn đoạn, độ thay đổi dũng điện sẽ bằng 2 lần dũng điện tải. Như vậy, độ thay đổi dũng điện cho phộp bằng 2 lần dũng điện tải tối thiểu. Điện cảm phải đủ lớn để giới hạn độ thay đổi dũng điện ở giỏ trị này trong điều kiện xấu nhất, tức là khi D = Dmin (vỡ thời gian giảm dũng điện là T2, với điện ỏp rơi khụng thay đổi là Vout). Một cỏch cụ thể, chỳng ta cú đẳng thức sau:
(1 − Dmin)ìTìVout = Lminì2ìIout,min
Hai thụng số quan trọng được lựa chọn ở đõy là Lmin và T. Nếu chỳng ta chọn tần số chuyển mạch nhỏ, tức là T lớn (T = 1/f, f là tần số chuyển mạch), thỡ Lmin cũng cần phải lớn.
Hỡnh 2.17 Nguyờn lý chuyển đổi DC-DC giảm ỏp ứng dụng tạo ra nguồn 3,3V trong mỏy tớnh
Thành phần xoay chiều của dũng điện qua điện cảm sẽ đi qua tụ điện cửa ra. Với dũng điện qua điện cảm cú dạng tam giỏc, điện ỏp trờn tụ điện cửa ra sẽ là cỏc đoạn đa thức bậc hai nối với nhau (xột trong một chu kỳ chuyển mạch). Lượng điện tớch được nạp vào tụ điện khi dũng điện qua điện cảm lớn hơn dũng điện trung bỡnh sẽ là ΔIìT/8. Nếu biểu diễn theo điện dung và điện ỏp trờn tụ điện thỡ lượng điện tớch này bằng CìΔV. Trong đú, ΔI là biờn độ của thành phần xoay chiều của dũng điện qua điện cảm, cũn ΔV là độ thay đổi điện ỏp trờn tụ khi nạp (cũng như khi xả, xột ở trạng thỏi xỏc lập). Như vậy, chỳng ta cú thể xỏc định giỏ trị của tụ điện dựa vào đẳng thức sau:ΔIìT/8 = CìΔV, ΔI đó được xỏc định ở trờn, bằng 2 lần dũng điện tải tối thiểu, và T đó được chọn ở bước trước đú. Tựy theo giỏ trị độ dao động điện ỏp cửa ra cho phộp ΔV mà chỳng ta chọn giỏ trị C cho thớch hợp. Hỡnh 2.17 là vớ dụ cụ thể về một ứng dụng của nguồn buck trong việc tạo ra nguồn 3.3V.