2.5. Giới thiệu phần mềm Keil C
2.5.1. Tổng quan về phần mềm Keil C uvision 5
Hiện nay, trên thề giới có rất nhiều phần mềm dùng để lập trình C cho các vi điều khiển như IAR, Keil C,.... Chúng được gọi là môi trường phát triển tích hợp IDE (Integrated Development Environment). Và Keil C là một trong những phần mềm IDE tốt nhất dùng để lập trình cho các vi điều khiển lõi ARM do hãng ST phát hành. Phần mềm Keil C uvision 5 là một phiên bản của phần mềm Keil C.
2.5.2. Giao diện làm việc của phần mềm Keil C uvision 5
Sau khi hoàn thành chọn cấu hình trên phần mềm STM32CubeMX, ta mở project bằng phần mềm Keil uvision 5 để lập trình.
45
Hình 2.40 Cửa sổ làm việc chính của phần mềm Keil uvision 5
Giao diện chính của Keil uvision 5 có 3 vùng:
- Vùng 1: là vị trí của các cửa sổ project, tại đây chọn main.c để lập trình code tại vùng 2, đồng thời cũng có thể quàn lý các thư viện, chương trình con và các tập tin trong project.
- Vùng 2: người dùng sẽ lập trình code tại đây.
- Vùng 3: Build Output. Đây là vùng hiển thì quá trình biên dịch chương trình. Đồng thời vùng này cũng hiển thị cho ta biết số lỗi (Error) và cảnh bào (Warning) của project. Nội dung của chương trình tại vùng 2:
Vi điều khiển sẽ nhận tín hiệu ADC từ biến trở, chuyển đổi dữ liệu từ ADC sang xung PWM sau đó xuất ra tại chân PA8. Tín hiệu xung này là đầu vào của IR2103 điều khiển MOSFET nhịp xung với tần số 50KHz.
46 Tại giao điện chính của phần mềm có một số cơng cụ chính như sau:
Build: dùng để biên dịch chương trình mà vi điều khiển có thể hiểu từ chương trình mà người sử dụng viết.
Download: Nhấn giữ nút reset và bấm Load đồng thời để nạp chương trình cho vi điều khiển.
Option for Target: dùng để chọn vi điều khiển cần nạp chương trình và chọn mạch nạp cho vi điều khiển.
Trong đồ án này vi điều khiển được sử dụng là STM32F103C8 và mạch nạp là ST- Link V2. Phần mềm Keil C uvision 5 sẽ tự nhận vi điều khiển và mạch nạp khi cả hai đã liên kết với máy tính.
47
2.6. Giới thiệu phần mềm SIMetrix/SIMPLIS 2.6.1. Tổng quan phần mềm SIMetrix: 2.6.1. Tổng quan phần mềm SIMetrix:
Phần mềm SIMetrix-SIMPLIS được phát triển bởi các kỹ sư của công ty SIMetrix Technologies Ltd. Thuật tốn cốt lõi mơ phỏng tương tự trong SIMetrix dựa trên phần mềm Spice được phát triển bởi nhóm CAD / IC tại khoa Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính, đại học California tại Berkeley và trình mơ phỏng kỹ thuật số có nguồn gốc từ XSPICE được phát triển bởi Phịng thí nghiệm cơng nghệ thông tin và khoa học máy tính Viện Cơng nghệ Georgia.
Phần mềm SIMetrix-SIMPLIS tích hợp hai gói mơ phỏng: SIMetrix và SIMPLIS. Về cơ bản SIMPLIS simulator giống như SIMetrix nhưng nó được dùng để mơ phỏng các hệ thống chuyển mạch với tốc độ rất cao và khá chính xác.
Phát triển phần mềm SIMetrix-SIMPLIS đã đáp ứng nhu cầu về mô phỏng trong lĩnh vực điện tử về hệ thống số cũng như hệ thống chuyển mạch công suất.
2.6.2. Giao diện làm việc của phần mềm SIMetrix/SIMPLIS
Khởi động phần mềm và chọn chế độ mơ phỏng SIMetrix
48
Hình 2.43 Giao diện làm việc chính của phần mềm SIMetrix/SIMPLIS
Giao diện chính của phần mềm SIMetrix/SIMPLIS có các phần sau:
- Vùng 1: là nơi đặt các linh kiện, nối dây và hiện kết quả mô phỏng. - Vùng 2: là nơi quản lí các thành phần của một project.
- Vùng 3: là nơi hiển thị các lỗi và tiến độ mô phỏng project. Thanh tác vụ:
Thanh tác vụ có cơng dụng cơ bản như: mở bản mơ phỏng mới, mở bản mô phỏng đã lưu, lưu bản mơ phỏng, phóng to, thu nhỏ, xoay chiều linh kiện, ....
Thanh công cụ:
Thanh công cụ chứa các linh kiện như điện trở, tụ, cuộn cảm, nguồn, diode, MOSFET, Opamp, IGBT và JFET, cũng có thể tìm kiếm linh kiện trên thanh cơng cụ
49 Nút mô phỏng:
50
CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1. Mô tả hệ thống 3.1. Mô tả hệ thống
Trên xe máy điện, nguồn điện của xe là từ bộ pin Lithium-ion tạo ra nguồn điện môt chiều 240V. Bộ pin này được tạo thành từ 60 viên pin mắc nối tiếp nhau. Do đó, để sạc cho bộ pin này cần phải phải đáp ứng hai yêu cầu về điện áp và cường độ dịng điện. Bên cạnh đó, mỗi viên pin có điện áp tối đa là 4,2V với 60 viên mắc nối tiếp nên điện áp từ bộ sạc phải lớn hơn 252V và cường độ dòng điện trong khoảng 0,32A. Dưới đây là mạch sạc pin Lithium-ion dùng biến áp xung.
Hình 3.1 Mạch sạc pin Lithium-ion dùng biến áp xung
Mạch sạc pin Lithium-ion có nguồn điện đầu vào là dịng điện dân dụng xoay chiều 220V - 50Hz và được chỉnh lưu thành dịng điện một chiều 311V. Sau đó điện áp 311V được đưa qua biến áp xung, được điều khiển bởi mạch điều khiển, tạo ra dòng điện 320V – 0,32A để sạc cho bộ pin Lithium-ion.
Đây là mạch nạp cách ly kiểu Flyback. Mạch điện được cách ly bởi biến áp xung nên trong trường hợp có sự cố ở nguồn vào sẽ không ảnh hưởng đến bộ pin.
51
3.2. Nguyên lý hoạt động của mạch điện 3.2.1. Mạch chỉnh lưu 3.2.1. Mạch chỉnh lưu
Nguồn điện đầu vào của mạch sạc là nguồn điện xoay chiều 220V - 50Hz, do đó nguồn điện này sẽ được đưa vào mạch cầu chỉnh lưu tồn sóng để chỉnh lưu thành dịng điện một chiều. Tuy nhiên, điện áp một chiều ở ngõ ra có biên dạng sóng nhấp nhơ, khơng ổn định cho hệ thống. Vì thế, một tụ điện sẽ được mắc ở ngõ ra của cầu chỉnh lưu nhằm san phẳng điện áp này.
52
Hình 3.3 Đồ thị dịng xoay chiều 1 pha sau khi được chỉnh lưu [12] 3.2.2. Mạch snubber (mạch đập xung gai) 3.2.2. Mạch snubber (mạch đập xung gai)
Mạch snubber là một thiết bị bảo vệ mạch điện khỏi các xung đột điện áp và hiệu ứng dao động cịn sót lại. Khi MOSFET ngắt liên tục, điện áp tại cực Drain tăng vọt có thể làm MOSFET cháy [24]. Và mạch snubber làm giảm sự tăng vọt của điện áp mà không làm thay đổi tần số của mạch chính.
Đối với mạch điện sử dụng trong đề tài này là kiểu Flyback nên sử dụng mạch snubber kiểu Registor Capacitor Diode (RCD) bao gồm điện trở, diode và tụ được mắc vào mạch như hình sau:
53
Hình 3.5 Điện áp ở cực Drain của MOSFET khi khơng có mạch snubber [23]
54
3.2.3. Điện trở kích đóng, ngắt MOSFET
Tốc độ chuyển giữa hai trạng thái đóng, ngắt đầu ra của MOSFET có thể được điều khiển bởi điện trở kích đóng và ngắt. Tốc độ chuyển và thời gian đóng, ngắt có thể đạt được bởi giá trị của các điện trở của hai cổng điều khiển lần lượt là RDRp và RDRn. Dưới đây là cấu tạo của một MOSFET kênh N [25].
Hình 3.7 Mơ hình MOSFET kênh N [12]
Trong cấu tạo của MOSFET, có những tụ ký sinh và những tụ này ảnh hướng đến q trình đóng, ngắt của MOSFET. Do đó, chúng ta phải xem xét đến các tụ ký sinh này.
55 Q trình kích MOSFET gồm có ba phần chính.
Hình 3.9 Đồ thị VGS khi kích đóng [11]
Q trình từ T0 đến T1: tại thời điểm T0, cực G bắt đầu được cấp nguồn và điện áp VGS
bắt đầu tăng từ 0. Lúc này hầu hết dòng điện qua cực G đều nạp cho tụ CGS. Và cũng có một lượng nhỏ dòng nạp qua tụ CGD nhưng tụ này có giá trị điện dung CGD nhỏ hơn tụ CGS nên có thể xem đây là thời kỳ nạp cho tụ CGS. Giai đoạn này còn được gọi là ON_delay, bởi vì cả dịng điện và điện áp qua nguồn vẫn chưa thay đổi và MOSFET vẫn ở trạng thái ngắt.
Quá trình từ T1 đến T2: đây là giai đoạn MOSFET gần như dẫn hoàn toàn. Lúc này điện áp VGS tăng rất chậm hoặc thậm chí không tăng và điện áp VGD tăng nhanh.
Giai đoạn từ T2 sang T3: MOSFET hồn thiện chu kỳ kích đóng tại giai đoạn này. Tụ CGS và CGD được nạp và VGS tăng đến điểm cuối cùng.
56
a. Điện trở kích đóng
Như đã trình bày ở trên, dịng điện qua cực G và điện áp VGS khơng có phương trình nên khơng thể tính điện trở một cách chính xác. Trong thực tế, có nhiều cách khác để tính ra các giá trị này, nhưng hãng IR Rectifier đã đưa ra một phương pháp đơn giản nhưng lại có độ hiệu quả cao.
Hình 3.10 Q trình kích đóng [12]
Gọi Iav là dịng kích trung bình, tsw là thời gian chuyển mạch từ lúc bắt đầu q trình kích đóng đến khi MOSFET đóng hồn tồn, tương ứng với khoảng thời gian từ T1 đến T3
trong phân phân tích ở trên.
Có: Iavg = Qg
tsw (3.1)
Và RTOT = Vcc−Vgs
Iavg (3.2)
Với VGS là điện áp trung bình trong khoảng thời gian từ T2 đến T3 được nhà sản xuất cung cấp trong datasheet.
57 Một lưu ý là tsw lớn hay nhỏ phụ thuộc vào dịng kích , tsw càng nhỏ thì thời gian chuyển mạch càng nhanh và tổn hao trên linh kiện càng giảm. Do đó tsw thường được chọn theo tiêu chí thiết kế và phù hợp với tần số sóng mang. Thời gian chuyển mạch tsw tối ưu khi được kích bởi IC driver và thường được chọn là:
tsw = (3÷4)(td(on)+tr) (3.3)
Từ các biểu thức trên, ta có:
RTOT = (VCC−VGS)tsw
(QGD+QGS) (3.4)
Và RTOT = RG(on) + RDRp (3.5)
Vậy, giá trị điện trở kích đóng được xác định.
b. Điện trở kích ngắt
Với IC Driver, chúng được cung cấp chân kích đóng và chân kích ngắt riêng biệt. Khi đó điện trở kích ngắt được chọn với giá trị nhỏ hơn điện trở kích đóng bởi vì để việc kích ngắt xảy ra nhanh hơn, giúp giảm Dead Time.
58 Có: VGE = (RG(off) + RDRn).CRESoff 𝑑𝑉 𝑑𝑡 (3.6) Mà ta cần VGE < VT của khóa, do đó: RG(off) < Vth CRESoff.dVdt – RDRn (3.7)
Để thực hiện một mạch kích thì việc chọn các giá trị điện trở kích đóng và ngắt cần phải được tính tốn cẩn thận bởi vì chúng ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch và tránh được các hư tổn lên các linh kiện khác.
3.2.4. Mạch điều khiển MOSFET
Khi dùng MOSFET để điều khiển mạch, ta thường sẽ có hai cách cơ bản như hình sau [26]:
Hai kiểu kích MOSFET này phân biệt nhau ở vị trí trước hay sau tải. Với mạch kích phía cao, MOSFET sẽ nối đến nguồn cao áp và tải tiêu thụ nối đất, gọi là phía cao (high side).
Hình 3.12 Mạch kích N-MOSFET phía cao (bên trái) và phía thấp (bên phải)
Ngược lại, với mạch kích phía thấp, MOSFET sẽ nối giữa tải và đất, gọi là phía thấp (low side).
59 Trong mạch kích phía cao, để cho MOSFET đóng thì VGS phải lớn hơn VGE (với MOSFET 11N90 có VGE = 5V). Khi MOSFET đóng thì VDS = 0, tức là toàn bộ áp VDD sẽ
rơi trên tải, điều này có nghĩa là VS ≈ VDD = 310V. Mặt khác, VGS = VG - VS, nhưng VG có giá trị là 7,5V < 310V của VS nên MOSFET sẽ không mở được.
Trong mạch kích phía thấp, khi MOSFET đóng thì VDS ≈ 0V. Cực S nối đất nên VD ≈
VS = 0. Và toàn bộ áp VDD = 310 V sẽ rơi trên tải và không ảnh hưởng đến VS. Do đó, chỉ cần VGS > VGE là ta có thể điều khiển MOSFET dù cho VDD lớn hơn rất nhiều.
Vì vậy, để điều khiển cho mạch phía cao phức tạp hơn nhiều so với mạch phía thấp. Với nguồn vào của biến áp xung là 310V thì ta cần một điện áp VG lớn hơn 310V để có thể kích đóng MOSFET, ví dụ như tạo nguồn điện áp cách ly hay mạch Bootstrap. Vì thế nên nhóm sẽ chọn cách điều khiển MOSFET phía thấp để có thể đơn giản hóa q trình điều khiển.
3.3. Tính tốn thiết kế các thành phần trong mạch 3.3.1. Tính tốn điện trở kích đóng, ngắt MOSFET
Trong mạch kích đóng và ngắt MOSFET này, điện trở kích trong hai trường hợp cần công suất nhỏ 0,25W nhưng để đảm bảo tính an tồn của mạch, điện trở kích khóa bán dẫn này sẽ được chọn là loại điện trở 2W.
Bảng 3.1 Thơng số cơ bản của mạch khóa dẫn động cơng suất IR2103
Tham số Kí hiệu
Giá trị
Đơn vị
Min Trung bình Max
Điện áp nổi phía cao VB VS+10 - VS+20
V
Điện áp bù phía cao VS - - 600
60
Điện áp nguồn VCC 10 - 20
Điện áp đầu ra phía thấp VLO 0 - VCC
Mức logic HIN&LIN VIN 0 - VCC
Dòng rò điện áp bù ILK - - 50
uA
Dòng tĩnh QBS IQBS - 30 55
Điện trở nội phía cao RDRp - 55 - Ω
Điện trở nội phía thấp RDRn - 32 - Ω
Bảng 3.2 Thông số cơ bản của MOSFET 11N90
Tham số Kí hiệu
Giá trị
Đơn vị
Min Trung bình Max
Điện áp D-S VDS - 900 -
V
Điện áp ngưỡng G-S VGE(th) 3,0 5,0
Điện áp kích G-S VGS ±30
Điện áp G-S đủ để mở cổng VGS(min) 5 - -
Điện áp thuận của diode VSD - - 1,4
Tốc độ biến thiên điện áp đầu ra dV/dt - 4 - V/ns
61 Điện tích cổng G QG - 60 80 nC Điện tích cổng G-D CGD - 23 30 pF Điện tích cổng G-S CGS - 15 - pF Điện dung cổng G-D CGD - 47 - pF Dòng rò G-E IGES - - 100 nA
Điện dung đầu vào Ciss - 2530 3290
pF
Điện dung đầu ra Coss - 215 280
Điện trở kích đóng RG(on) Ta có: tsw = (3÷4)(td(on)+tr) =3,5.(130+270).10−9 = 1400. 10−9 (s) RTOT = (VCC−Vp)tsw Qg = (20−16).1400.10 −9 80.10−9 = 70 (Ω) Từ công thức (3.5), suy ra RG(on) = RTOT - RDRp = 70 - 55= 15 (Ω) Chọn RG(on) = 13 Ω. Điện trở kích ngắt RG(off) RG(off) < Vth CRESoff.dVdt – RDRn = 5 30.10−12.4.109 – RDRn = 41,67 - 32 = 9,67 (Ω) Chọn RG(off) = 8 Ω.
62
3.3.2. Tính tốn biến áp xung
Ở Việt Nam, dòng điện dân dụng là dịng điện xoay chiều 1 pha có giá trị trong khoảng 85-220V với tần số 50Hz. Do đó, ta sẽ có VACmin = 85V và VACmax = 220V.
Ta sẽ dùng dòng điện một chiều được chỉnh lưu bởi cầu diode nên VDC sẽ được tính theo cơng thức như sau:
VDCmin = √2. (VACmin)2− Pin .(1−Dch)
CDC .f (3.8)
VDCmax = √2. VACmax (3.9)
Yêu cầu đầu ra để nạp cho pin Lithium-ion là 320V – 0,3A nên ta sẽ có cơng suất đầu ra sẽ là:
PO = VO.IO = 320 x 0,3 = 96 (W)
Giả sử hiệu suất của mạch ở mức 70%, Eff = 70%, ta sẽ xác định được công suất đầu vào:
Pin = PO
Eff = 96
0.7 = 137,14 (W)
Bên cạnh đó, điện áp của dịng điện xoay chiều cũng sẽ được làm phẳng nhờ tác dụng của tụ điện, với hai yếu tố CDC và Dch. Với:
CDC: giá trị của tụ điện đầu vào Cin tính trên một Wattage công suất đầu vào. Với dải điện áp xoay chiều đã xác định ở trên, CDC = 2 – 3 uF. Ta sẽ chọn CDC = 3uF.
Dch : tỉ số nạp điện của tụ điện đầu vào Cin. Tỉ số này được tham khảo như trong hình sau:
63
Hình 3.13 Đồ thị dạng sóng của điện áp một chiều sau tụ lọc đầu vào
Từ đó, ta có:
VDCmin = √2. (VACmin)2− Pin .(1−Dch)
CDC .f = √2. (85)2− 96.(1−0,2)
3.50 = 120 (V)
VDCmax = √2. VACmax = √2. 265 = 375 (V)
Xác định các yếu tố đầu vào và mục tiêu đầu ra của biên áp xung.
Bảng 3.3 Yếu tố đầu vào và mục tiêu đầu ra
VO 320V PO(max) 160W IO(max) 0,5A IO(min) 0,2A VDC(max) 311V