2. Giới thiệu về sơ đồ điều khiển bộ nguồn đĩng cắt ngày nay
2.2 Giới thiệu cấu tạo các khối của IC TL494
Nhữn năm trước đây, người ta thường sử dụng các khối mạch tích phân trong sơ đồđiều khiển bộ
nguồn đĩng cắt. Nhưng những năm gần đây người ta thường sử dụng IC để điều khiển, tiêu biểu là IC TL494. IC TL494 được sử dụng để điều khiển sơ đồ đẩy kéo. IC này cĩ cấu tạo rất đơn giản nhưng nĩ cĩ những ưu điểm vượt trội.
IC TL494 khơng chỉ là một khối cơ bản được tạo thành nhờ sự kết hợp chặt chẽ giữa các khối riêng lẻ để đáp ứng được yêu cầu điều khiển bộ nguồn mà nĩ cịn đưa ra nguyên lý điều khiển cơ bản và giúp giảm đi số lượng mạch cần phải cĩ để cấu tạo nên IC TL494. Hình 5.10 biểu diễn sơ đồ khối của IC TL494: Khối tạo tần số Khối điều chỉnh độ rộng xung Khối so sánh Khối khuếch đại xung
Hình 5.10: Sơđồ khối của IC-TL494
2.2.2 Nguyên lý hoạt động của IC-TL494
IC TL494 là một mạch điều khiển độ rộng xung (PWM) với tần số khơng đổi. Việc điều chỉnh xung đầu ra được thực hiện bằng cách so sánh xung răng cưa được phát ra từ mạch tạo dao động với hai tín hiệu điều khiển. Đầu ra được kích hoạt trong suốt khoảng thời gian điện áp răng cưa lớn hơn tín hiệu
điện áp điều khiển. Trong khoảng thời gian tín hiệu điều khiển tăng lên thì xung răng cưa giảm xuống, vì vậy độ lớn của xung ở đầu ra sẽ giảm xuống. Flip-flop cĩ nhiệm vụ điều chỉnh độ rộng xung và đưa tới một trong hai khĩa cơng suất transistor ở đẩu ra. Hình 5.11 biểu diễn mối quan hệ giữa xung răng cưa và tín hiệu điểu khiển:
Hình 5.11: Quan hệ giữa xung răng cưa và tín hiệu điều khiển.
Tín hiệu điều khiển được tạo ra từ hai nguồn: thứ nhất là mạch điều khiển thời gian chết (dead- time control circuit), thứ hai là bộ khuyếch đại sai lệch (error amplifier). Tín hiệu ở đầu vào được so sánh trực tiếp ở bộ dead-time control comparator. Bộ so sánh này cĩ điện áp khơng đổi là 100mV. Đầu vào điều khiển được nối với đất. Tín hiệu đầu ra bị giới hạn trong khoảng thời gian xung răng cưa nhỏ
hơn 110 mV. Bộ này cĩ khả năng tạo ra giá trị thời gian chết cho trước xấp xỉ bằng 3%, đây là thời gian chết nhỏ nhất cĩ thể đạt được. Bộđiều khiển độ rộng xung PWM so sánh tín hiệu điều khiển được phát ra từ bộ khuyếc đại sai lệch. Nhiệm vụ của bộ khuyếch đại sai lệch là kiểm sốt điện áp ở đầu ra và tạo ra hệ số chính xác tới từng mV. Ngồi ra nĩ cịn kiểm sốt dịng điện ra và giới hạn dịng điện được đưa tới tải.
2.2.3 Cấu tạo của IC-TL494 gồm các khối sau
1. Khối điều chỉnh với điện áp chuẩn 5V.
Hình 5.12: Sơđồ khối điều chỉnh với điện áp chuẩn là 5V.
2. Mạch tạo dao động.
Mạch tạo dao động của IC-TL494 được biểu diễn trong hình 5.13. Mạch tạo dao động tạo ra xung răng cưa dương đưa tới bộ dead-time và bộđiều chỉnh độ rộng xung (PWM comparator) để so sánh với từng tín hiệu điều khiển khác nhau. Tần số của mạch tạo dao động được xác định nhờ việc chọn thời gian kết hợp giữa RT và CT. Mạch tạo dao động được nạp nhờ tụ điện thời gian ở bên ngồi là CT, với dịng điện khơng đổi; giá trị của dịng điện được xác định nhờ điện trở thời gian ở bên ngồi RT. Từ đĩ tạo ra một sĩng điện áp dạng răng cưa. Khi điện áp qua CT đạt 3V mạch tạo dao động sẽ phĩng điện và chu kỳ nạp được bắt đầu trở lại.
Hình 5.13: Sơ đồ cấu tạo mạch tạo dao động
Dịng điện nạp được xác định nhờ cơng thức sau:
T nap R I 3 = (96) Trong đĩ: Inap: là dịng điện nạp. RT: là điện trở thời gian. Chu kỳ của sĩng răng cưa là: nap T I C T 3. = (97) Trong đĩ: T: là chu kỳ của sĩng răng cưa. CT: là tụđiện thời gian.
Tần số của mạch tạo dao động được tính theo cơng thức: T T osc C R f . 1 = (98)
Tuy nhiên, tần số mạch dao động bằng tần sốđầu ra chỉ trong trường hợp ứng dụng cho mạch một đầu ra. Cịn khi áp dụng cho sơ đồ đẩy-kéo thì tần số ra chỉ bằng 1/2 tần số của mạch tạo dao động.Tần số
của mạch tạo dao động nằm trong khoảng từ 1kHz tới 300kHz. Thực tế giá trị của RT và CT tương ứng nằm trong khoảng từ 1kΩ÷300kΩ và từ 470pF÷10µF. Đồ thị biểu diễn tần số của mạch tạo dao động tỷ
lệ nghịch với RT và CTđược cho trong hình 5.14.
Hình 5.14: Đồ thị biểu diễn tần số mạch tạo dao động tỷ lệ nghịch với RT/CT.
3. Bộđiều khiển dead-time/Bộ so sánh PWM.
Bộ so sánh dead-time và bộ so sánh độ rộng xung PWM được kết hợp để tạo thành mạch so sánh (trong hình 5.15). Hai bộ này hồn tồn độc lập với nhau. Vì vậy ta sẽ đi giới thiệu riêng lẻ từng bộ:
Hình 5.15: Dead-time control/PWM comparator.
a. Dead-time control.
Đầu vào của bộđiều khiển dead-time sẽ tạo ra thời gian chết là nhỏ nhất. Đầu ra của bộ so sánh sẽ kiểm sốt khĩa cơng suất Q1 và Q2 khi điện áp tại đầu vào lớn hơn điện áp răng cưa của mạch tạo dao
động (xem trong hình 5.16) .Với điện áp đồng dạng là 110mV đảm bảo cho thời gian chết đạt giá trị
nhỏ nhất là 3% khi đầu vào của bộđiều khiển dead-time được nối đất. Đặt tín hiệu điện áp lên đầu vào của bộđiều khiển dead-time cĩ thểđiều chỉnh được thời gian chết tăng thêm. Từ đĩ ta cĩ thểđiều khiển tuyến tính thời gian chết bắt đầu từ giá trị nhỏ nhất là 3% đến 100% tương ứng với điện áp đầu vào thay THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
khơng phá hủy các bộ khuyếch đại sai lệch. Đầu vào của bộ điều khiển dead-time cĩ giá trị trở kháng vào cao (Il < 10µA). Tuy nhiên, đểđiều khiển theo quy tắc thì đầu vào phải được giới hạn.
Hình 5.16: Đặc tính của bộ dead-time control.
b. So sánh (Comparator)
Bộ này tạo ra cách điện với nguồn vào đểđạt được tuổi thọ cao hơn. Đầu vào của bộ so sánh khơng xuất hiện hiện tượng trễ, vì vậy yêu cầu phải cĩ thiết bị bảo vệ để tránh khi hoạt động đạt đến các giá trị
ngưỡng. Bộ so sánh hoạt động trong khoảng thời gian là 400ns kể từ lúc tín hiệu điều khiển đạt lên đầu vào tới lúc đưa tới đầu ra của khĩa transistor, chỉ cần tăng thêm 100mV.
4. Bộđiều chỉnh độ rộng xung (PWM).
Bộ so sánh này cũng làm nhiệm vụ điều khiển độ rộng xung. Trong sơ đồ này, điện áp răng cưa qua tụđiện thời gian C được so sánh với tín hiệu điều khiển ở đầu ra của bộ khuyếch đại sai lệch. Việc THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
yêu cầu tín hiệu điều khiển phải lớn hơn điện áp qua CT xấp xỉ bằng 0,7V để hạn chế tín hiệu đầu ra của bộ logic và đảm bảo được cho chu kỳ hoạt động đạt giá trị lớn nhất khơng phụ thuộc vào điện áp điều khiển nhận được từđiện thếđất. Độ rộng xung ở đầu ra thay đổi từ 97%÷0 trong một chu kỳ tương ứng với điện áp đầu ra của bộ khuếch đại sai lệch thay đổi từ 0,5V÷3,5V.
5. Bộ khuếch đại sai lệch (error amplifier).
Cấu trúc của mạch khuếch đại sai lệch được cho trong hình 5.16. Bộ khuếch đại sai lệch hệ số
cao nhận điện áp từ nguồn V1. Từ đĩ tạo ra điện áp đầu vào ở chế độ chung nhỏ hơn V1 từ -0,3V÷2V. Cả hai bộ khuếch đại đều cĩ đường đặc tính giống như của bộ khuếch đại nguồn đơn một đầu ra, bởi vì mỗi đầu ra chỉđược kích họat ở mức cao. Từ đĩ cho phép mỗi bộ khuếch đại hoạt động độc lập để giảm yêu cầu vềđộ rộng xung ở đầu ra.
Hình 5.16: Bộ khuếch đại sai lệch.
6.Output-control logic.
Trong cấu trúc của IC-TL494 cĩ khối output-control logic nhằm tăng thêm nhiều ứng dụng cho mạch điều khiển. Trong ứng dụng cho sơ đồ đẩy-kéo hoặc sơ đồ một đầu ra, thì khả năng làm việc của mạch sẽ đạt mức tối ưu nhờ việc lựa chọn điều kiện thích hợp đểđặt vào các đầu vào khác nhau.
• Output-control input.
Mạch output-control input xác định trạng thái làm việc của khĩa cơng suất transistor là hoạt động song song hay hoạt động đẩy-kéo. Đầu vào này là nguồn cấp cho flip-flop điều chỉnh độ rộng xung (hình 5.17). Bộ output-control input là bộ khơng đồng bộ và cĩ điều khiển một chiều trên đầu ra, khơng phụ
thuộc vào mạch tạo dao động hay flip-flop điều chỉnh độ rộng xung. Trong chế độ hoạt động song song, thì output-control input phải được nối đất. Điều này sẽ phá hủy flip-flop điều khiển xung và hạn chếđầu ra của nĩ. Trong chế độ này, những xung đầu ra của bộ điều khiển độ rộng dead-time và bộ so sánh PWM được truyền đi nhờ cả hai khĩa transistor đầu ra hoạt động song song. Cịn trong chế độ hoạt THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Với điều kiện này, mỗi khĩa cơng suất ởđầu ra được kích hoạt nhờ flip-flop điều khiển độ rộng xung.
Hình 5.17: Đặc tính điều khiển đầu ra.
7. Flip-flop điều khiển độ rộng xung.
cơng suất đều dẫn cùng một lúc, đồng thời, trong khoảng thời gian chuyển tiếp đầu ra của flip-flop điều khiển xung. Cấu trúc của bộ flip-flop điều khiển xung được cho trong hình 5.17. Từ lúc flip-flop nhận
được tín hiệu từ đầu ra của bộ so sánh, khơng phải của bộ tạo dao động, thì đầu ra luơn hoạt động ở chế độ đẩy-kéo. Flip-flop khơng thay đổi trạng thái cho đến khi xuất hiện xung ở đầu ra của mạch tạo dao
động.
Hình 5.17: Flip-flop điều chỉnh xung.
8. Output transistor (khĩa cơng suất đầu ra).
Cĩ hai khĩa cơng suất đầu ra được sử dụng trong IC-TL494. Cấu trúc đầu ra được biểu diễn trong hình 5.18
Hình 5.18: Cấu trúc của transistor đầu ra.
CHƯƠNG V. NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ BỘ NGUỒN
Tất cả các loại BN khi xuất xưởng đều phải cĩ tem chứng nhận chất lượng với đầy đủ thơng số nhưđiện thế, cơng suất...
1. Cơng suất
Cơng suất nguồn điện, giá trịđược tính như sau:
Watt (W) = Voltage (V) x Ampere (A); với V là hiệu điện thế Và A là cường độ dịng điện.
2. Các đường điện
Bộ nguồn thường cĩ nhiều đường điện khác nhau, gồm: +3,3V, +5V, +12V, -5V, -12V. Ý nghĩa của chúng như sau:
-12V: Được sử dụng chính cho các mạch điện cổng Serial và hầu như rất ít được dùng trên các hệ thống mới. Mặc dù các BN mới đều cĩ tính tương thích ngược nhưng cơng suất các đường -12V chỉ chưa tới 1A.
-5V: Chủ yếu sử dụng cho các bộđiều khiển ổđĩa mềm và mạch cấp điện cho các khe cắm ISA cũ. Cơng suất đường -5V cũng chỉ dưới 1A.
0V: Đây là đường "mát" (Ground) của các hệ thống máy tính cá nhân.
+3,3V: Là một trong những mức điện thế mới trên các bộ nguồn hiện đại, xuất hiện lần đầu tiên khi chuẩn ATX ra đời và ban đầu được sử dụng chủ yếu cho bộ vi xử lý. Hiện nay, các bo mạch chủ (BMC) mới đều nắn dịng +3,3V để nuơi bộ nhớ chính.
+5V: Nhiệm vụ chính là cấp điện cho BMC và những thành phần ngoại vi. Ngồi ra, các loại bộ vi xử lý như Pentium III hay AthlonXP cũng lấy điện từđường 5V thơng qua các bước nắn dịng. Trên những hệ
thống mới, đa số các thành phần linh kiện đều dần chuyển qua sử dụng đường 3,3V ngoại trừ CPU và BMC.
+12V: Trong các hệ thống máy tính hiện đại, đây là đường điện đĩng vai trị quan trọng nhất, ban đầu nĩ được sử dụng để cấp nguồn cho mơ tơ của đĩa cứng cũng như quạt nguồn và một số thiết bị làm mát khác. Về sau, thiết kế mới cho phép các khe cắm hệ thống, card mở rộng và thậm chí là cả CPU cũng "ăn theo" dịng +12V.
thành phần trong nguồn xuất ra điện năng cho các thành phần máy tính hoạt động. Trước khi đĩ, nếu máy tính khởi động, các linh kiện sẽ dễ bị hỏng hĩc hoặc hoạt động khơng bình thường do đường điện chưa ổn định. Chính vì vậy trên các hệ thống mới, đơi khi phải mất tới 1-2 giây sau khi bạn nhấn nút cơng tắc máy thì hệ thống mới bắt đầu làm việc. Điều này là do hệ thống phải chờ tín hiệu đèn xanh cho biết điện thếđã sẵn sàng từ BN gửi tới BMC.
Nếu khơng cĩ tín hiệu này, BMC sẽ khơng cho phép máy tính hoạt động.Trong số các đường điện chính, những đường cĩ giá trị dương (+) đĩng vai trị quan trọng hơn và bạn phải luơn để mắt tới chúng. Mỗi đường sẽ cĩ chỉ số Ampere (A) riêng và con số này càng cao càng tốt. Cơng suất tổng được tính bằng cơng thức W= VxA. Ví dụ đối với BN cĩ đường 3,3V là 30A, 5V là 30A và 12V là 25A thì các
đường điện và cơng suất được tính như sau:
+ Cơng suất đường điện 3.3V = 3.3V x 30A = 100W + Cơng suất đường điện 5V = 5V x 30A = 150W + Cơng suất đường điện 12V = 12V x 25A = 300W
Như vậy tổng cơng suất nguồn sẽ là 100W + 150W + 300W = 550W. Tuy nhiên trên thực tế cịn nhiều yếu tố khác ảnh hưởng tới con số tổng này và chúng ta sẽđề cập tới ở phần sau bài viết.
3. Chuẩn của bộ nguồn
Chuẩn thống trị hiện nay trên máy tính để bàn nĩi chung chính là ATX (Advanced Technology Extended) 12V, được thiết kế bởi Intel vào năm 1995 và đã nhanh chĩng thay thế chuẩn AT cũ bởi nhiều ưu điểm vượt trội. Nếu như với nguồn AT, việc kích hoạt chế độ bật được thực hiện qua cơng tắc cĩ bốn điểm tiếp xúc điện thì với bộ nguồn ATX bạn cĩ thể bật tắt bằng phần mềm hay chỉ cần nối mạch hai chân cắm kích nguồn (dây xanh lá cây và một trong các dây Ground đen). Các nguồn ATX chuẩn luơn cĩ cơng tắc tổng để cĩ thể ngắt hồn tồn dịng điện ra khỏi máy tính. ATX cĩ 5 nhánh thiết kế chính:
- WTX: jack chính 24 chân, dùng cho Pentium II, III Xeon và Athlon MP.
- ATX 12V: jack chính 20 chân, jack phụ 4 chân 12v (Pentium 4 hoặc Athlon 64).
- EPS12V: jack chính 24 chân, jack phụ 8 chân dùng cho các hệ thống Xeon hoặc Opteron.
- ATX12V 2.0: jack chính 24 chân, jack phụ 4 chân (Pentium 4 775 và các hệ thống Athlon 64 PCI-
Express).
Gần đây xuất hiện một chuẩn mới với tên gọi BTX (Balanced Technology Extended) cĩ cách sắp xếp các thành phần bên trong máy hồn tồn khác với ATX hiện nay, cho phép các nhà phát triển hệ thống cĩ thêm tùy chọn nhằm giải quyết vấn đề nhiệt lượng, độ ồn... Chuẩn BTX được thiết kế tối ưu cho những cơng nghệ mới hiện nay như SATA, USB 2.0 và PCI Express. Yếu tố xử lý nhiệt độ trong máy tính BTX được cải tiến rất nhiều: hầu hết các thành phần tỏa nhiệt chính đều được đặt trong luồng giĩ chính nên sẽ tránh việc phải bổ sung các quạt riêng cho chúng (sẽ gây tốn thêm năng lượng, tăng độ ồn và chật chội khơng cần thiết). Hiện tại bạn cĩ thể tìm thấy một vài bộ nguồn với tem chứng nhận hỗ trợ
BTX nhưng khơng nhiều vì chưa thơng dụng.
4. Các loại chân cắm
Dây cắm của nguồn điện máy tính được đánh mã màu rất chi tiết, màu đỏ là điện +5v, màu vàng là +12v, màu đen là dây "mát" (Ground)... Chúng được tập hợp lại thành những dạng chân cắm cơ bản sau
đây:
- Molex: Sử dụng cho các loại đĩa cứng và ổ đĩa quang, ngồi ra bạn cũng cĩ thể sử dụng để cắm quạt