Nhƣ thấy trong phần trƣớc mọi mạch nguồn chuyển mạch cơ bản bao gồm 5 thành phần tiêu chuẩn sau đây:
Mạch điều khiển xung điều hòa
Chuyển mạch transitor (chuyển mạch chủ động) Cuộn cảm
Tụ điện
Diode (chuyển mạch thụ động)
Bây giờ chúng ta sẽ đi vào chi tiết việc lựa chọn và chức năng của các thành phần này.
2.1.2.1. Chuyển mạch
Ở dạng thô sơ nhất một chuyển mạch có thể là một chuyển mạch dạng công tắc chuyển đổi giữa điện áp nguồn và đất. Nhƣng đối với tất cả các ứng dụng thực tế chúng ta sẽ xem xét các transitor. Các transtor đƣợc chọn để sử dụng trong chuyển mạch nguồn phải có thời gian chuyển nhanh và có thể chịu đƣợc điện áp phóng bởi cuộn cảm. Đầu vào của transitor thƣờng là tín hiệu điều hòa chiều rộng xung, tín hiệu này xác định thời gian On và OFF. Kích thƣớc của chuyển nguồn xác định bởi dòng tại và khả năng chịu điện áp ở trạng thái ngắt.
Chuyển mạch công suất (transitor) có thể là loại MOSFET, IGBT, JFET hay BJT. Nguồn loại MOSFET là thành phần then chốt của hệ thống công suất tần số cao nhƣ mạch nguồn mật độ cao (high-density power supply). Do đó MOSFET hiện nay đƣợc thay bằng loại BTJ trong các thiết kế mới cho các hoạt động ở tần số cao hơn nhiều nhƣ điện áp thấp hơn. Ở điện áp cao loại MOSFET vẫn có hạn chế. Các đặc tính cố hữu của MOSFETS là nội trở lớn, trở kháng này tăng quá mức khi điện áp hỏng của thiết bị tăng. Do đó nguồn loại MOSFET chỉ có thích hợp với điện áp 500V và bị hạn chế ở ứng dụng điện áp thấp hay ở các mạch chuyển đổi 2 transitor và mạch cầu hoạt động off-line. Ở điện áp hỏng cao (>200V) sụt áp mở của nguồn loại MOSFET trở lên cao hơn loại thiết bị 2 cực có kích thƣớc tƣơng tự với cùng điện áp. Điều này làm cho transitor lƣỡng cực đƣợc sử dụng trong những ứng dụng có điện áp cao. Vì những tiến
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ bộ trong kỹ thuật chế tạo, vật liệu mới, các đặc tính của BJT làm cho nó có xu hƣớng thay thế MOSFET.
Thiết bị mới khác có thể thay BJT trong nhiều ứng dụng có điện áp cao là transitor cực điều khiển cách ly (IGBT). Thiết bị này kết hợn đặc tính công suất thấp của MOSFET với tổn hao dẫn điện thấp và đặc tính điện áp khối cao của BJT. Do đó thiết bị này rất phù hợp với các ứng dụng công suất lớn, điện áp cao. Tuy nhiên, do dòng điện trong thiết bị chạy giống nhƣ BJT, tốc độ chuyển mạch của nó nhỏ hơn nhiều so với MOSFET, do đó IGBT lúc này bị giới hạn ở các ứng dụng có tần số thấp hơn (<50kHz).
Tần số hoạt động: Tần số hoạt động quyết định khả năng làm việc của chuyển mạch. Lựa chọn tần số chuyển mạch thông thƣờng xác định bởi các yêu cầu về hiệu quả. Hiện nay xu hƣớng ngày càng tăng trong nghiên cứu và thiết kế nguồn mới là tăng tần số chuyển mạch. Tần số chuyển mạch càng tăng, kích thƣớc vật lý và giá trị chi tiết càng giảm. Lý do cho điều này là giảm kích thƣớc tổng cộng của mạch nguồn cùng với xu hƣớng tiểu hình hóa trong các hệ thống điện tử và máy tính.
Tuy nhiên, xuất hiện một tần số giới hạn trần mà tại đó hoặc là tổn hao từ tính trong cuộn cảm hay tổn hao chuyển mạch trong mạch điều chỉnh và nguồn MOSFET làm giảm hiệu suất đến mức không áp dụng đƣợc trong thực tế. Ví dụ, điện dung yêu cầu là 67µF tại 500 kHz, nhƣng chỉ 33µF tại 1 MHz. Đặc tính sóng của dòng điện không đổi.
2.1.2.2. Cuộn cảm
Chức năng của cuộn cảm là hạn chế sự xoay chiều của dòng điện (hạn chế sự thay đổi của dòng điện) chạy qua chuyển mạch công suất khi mạch ở trạng thái ON. Dòng điện đi qua cuộn cảm không thể thay đổi một cách đột ngột. Khi dòng điện qua cuộn cảm có xu hƣớng giảm, cuộn cảm có xu hƣớng duy trì dòng điện bằng cách hoạt động nhƣ một nguồn điện. Điều này hạn chế dòng điện có đỉnh cao hạn chế bởi riêng trở kháng chuyển mạch. Ƣu điểm mấu chốt là khi cuộn cảm đƣợc dùng để giảm áp, nó chứa năng lƣợng. Cũng nhƣ vậy, cuộn cảm điều mức nhấp nhô và xác định liệu mạch này có hoạt động ở chế độ liên tục hay không.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Dòng điện đỉnh qua cuộn cảm xác định dòng điện bão hòa yêu cầu của cuộn cảm, nó khi đó cho thấy kích thƣớc gần đúng của cuộn cảm. Độ bão hòa của lõi cuộn cảm giảm hiệu quả chuyển đổi, trong khi tăng nhiệt độ của cuộn cảm, của MOSFET và diode. Kích thƣớc của cuộn cảm và tụ điện có thể giảm bằng cách áp dụng tần số chuyển mạch cao, chuyển mạch nhiều pha xen kẽ và mạch điều khiển fast hysteric.
Một giá trị điện cảm nhỏ hơn cho phép đáp ứng quá độ nhanh hơn; nó cũng dẫn đến sóng của dòng lớn hơn, nó gây ra tổn áp cảm ứng cao hơn trong chuyển mạch, cuộn cảm và trở kháng tạp. Cuộn cảm nhỏ hơn cũng yêu cầu tụ điện lọc lớn hơn để giảm nhấp nhô của điện áp ra. Cuộn cảm sử dụng trong nguồn chuyển mạch đôi khi quấn trên lõi hình xuyến, thông thƣờng làm từ ferrite hay bột sắt có khe hở khí để chứa năng lƣợng.
Một mạch chuyển đổi DC-DC chuyển đổi năng lƣợng ở tỉ lệ điều khiển từ nguồn vào sang tải đầu ra và khi tần số chuyển mạch tăng, thời gian để chuyển năng lƣợng giảm xuống. Ví dụ, xem xét hoạt động của mạch chuyển đổi Buck ở tần số 500 kHz với cuộn cảm 10µH. Với phần lớn mạch chuyển đổi DC-DC, việc thay đổi tần số về 1 MHz cho phép sử dụng chính xác điện cảm bằng một nửa 5 μH.
2.1.2.3. Tụ điện
Tụ điện có khả năng lọc do việc nó cho một đƣờng đi cho dòng điều hòa riêng so với tải. Điện dung cấp ra (song song với tải) cần phải có để giảm quá áp và nhấp nhô có ở đầu ra của mạch chuyển đổi buck. Tụ điện đủ lớn sao cho điện áp không có thay đổi đáng kể trong thời gian chuyển mạch ở trạng thái đóng. Quá áp gây ra bởi điện dung ra không đủ, độ gợn sóng của điện áp gây ra bởi điện dung không đủ và trở kháng nối tiếp tƣơng đƣơng cao (ESR) trong tụ điện ra. Quá áp và độ gợn sóng của dòng ra lớn nhất cho phép thƣờng đƣợc thiết lập khi thiết kế. Do đó, để đáp ứng đặc tính nhấp nhô của mạch chuyển đổi Buck, chúng ta phải xét đến cả tụ điện đầu ra với điện dung dƣ và ESR thấp.
Vấn đề quá áp, với điện áp vƣợt quá giá trị thiết lập khi tải bị tách khỏi đầu ra một cách đột ngột, yêu cầu tụ đầu ra đủ lớn để ngăn năng lƣợng chứa trong cuộn cảm tạo ra điện áp cao hơn điện áp lớn nhất đƣợc đặt trƣớc.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Do mạch điều chỉnh công suất chuyển mạch thƣờng đƣợc sử dụng ở các mạch nguồn công suất cao, dòng điện lớn, tụ điện thƣờng đƣợc chọn vì tổn nhất nhỏ nhất. Tổn thất ở tụ điện xuất hiện vì nội trở và điện cảm nối tiếp. Tụ điện dùng có mạch chuyển mạch đƣợc chọn một phần dựa trên cơ sở của trợ kháng nối tiếp hiệu quả (ESR). Tụ điện tantan thể rắn là loại tốt nhất xét theo khía cạnh này. Với các mạch nguồn yêu cầu chế độ làm việc rất cao, đôi khi cần phải lắp song song các tụ để nhận đƣợc trở kháng nối tiếp hiệu quả đủ thấp.
2.1.2.4 .Diode/transitor quán tính
Do dòng điện trong cuộn cảm không thể thay đổi một cách đột ngột, phải có một đƣờng đi cho dòng điện của cuộn cảm khi chuyển mạch ở chế độ tắt (mạch hở). Đƣờng đi này cung cấp bởi diode quán tính.
Mục đích của loại diode này không phải để chỉnh lƣu, mà dẫn dòng điện đi vào trong mạch và đảm bảo luôn có đƣờng đi cho dòng điện đi vào cuộn cảm. Loại diode này cũng cần phải tắt tƣơng đối nhanh. Do đó diode này cho phép mạch chuyển đổi chuyển năng lƣợng dự trữ trong cuộn cảm sang tải. Đây là lý do tại sao ta có hiệu suất cao trong mạch chuyển đổi DC-DC so với mạch điều chỉnh tuyến tính (linear regulator). Khi mạch chuyển mạch đóng, dòng điện tăng tuyến tính (dòng điện tăng theo hàm mũ nếu có trở kháng). Khi chuyển mạch mở, diode quán tính làm dòng điện giảm tuyến tính. Ở trạng thái ổn định (steady state) ta có đáp ứng răng cƣa với giá trị trung bình của dòng điện.
Trong nhiều mạch điện kể cả mạch điện sẽ đƣợc thảo luận dƣới đây tƣơng tự mạch chuyển đổi Buck đồng bộ chúng ta thấy rằng diode quán tính đƣợc thay bằng Transitor trƣờng nghịch (NFET Negative Field Efect Transistor). Lý do đơn giản là để tăng hiệu suất. Sụt áp 0,7V (hay nhỏ hơn một chút với diode Schottky) là nguyên nhân chính của tổn thất hiệu suất trong mạch điều chỉnh đẩy ở điện áp thấp. Một phƣơng pháp khác là sử dụng transistor ở trang thái bão hòa (0,2-0,3V) để cung cấp chế độ quán tính. Sơ đồ này làm tăng sự phức tạp vì mạch điều chỉnh đẩy phải bật đồng bộ thành phần quán tính đúng lúc để giữ dòng điện chạy êm ả. Diode tự tắt và bật, do đó nó cần tín hiệu quán tính đồng bộ. Mạch chủ động với transitor quán tính đồng bộ nói
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ cung đắt hơn loại mạch diode thụ động đơn giản nhƣng hiệu suất tăng (Pra/Pvào) đôi khi có chi phí cao hơn. Trong mọi trƣờng hợp chúng ta có diode Schottky lắp song song với transistor quán tính, chứ không phải là diode zener. Một transistor bão hòa sẽ cho Vds thấp hơn so với diode Schottky, nhƣng loại diode này cho quá trình chuyển mạch dễ dàng/ tin cậy hơn.
2.1.2.5. Phản hồi
Mạch phản hồi và điều khiển có thể đặt một cách cẩn thận gần cách mạch trên để điều chỉnh năng lƣợng chuyển qua và duy trì một nguồn ra trong điều kiện hoạt động bình thƣờng. Điều chế độ rộng xung là cần thiết trong trƣờng hợp phải điều chỉnh nguồn ra. Chuyển mạch transistor là trái tim của nguồn chuyển mạch và nó điều khiển nguồn cấp cho tải. Phần này sẽ đƣợc đề cập nhiều hơn ở phần 2.2.