Luận văn Nghiên cứu giải pháp thiết kế bộ nguồn chất lượng cao dùng trong thiết bị điện tử

më nh©n víi chu kú lµm viÖc më. V× vËy Qdc ®−îc tÝnh theo c«ng thøc sau: onpftonpftdc VIT TVIQ 4.02/8.0 == (3. 20) V×: Ipft = 1.56 (min) 0 dcV P ⇒ (min) 0624.0 dc V PQdc = (3. 21) Tõ biÓu thøc (3.19) vµ (3.21) tÝnh ®−îc tæng tæn hao cho transistor lµ: (min) 0 (max) (min) 0 )( 624.012.3 dc s dc dc dcact V P T TV V PQQQ +=+= (3. 22) §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 50 Qua c«ng thøc trªn dÔ dµng nhËn thÊy tæn hao chuyÓn m¹ch lín h¬n nhiÒu so víi tæn hao mét chiÒu. Tuy nhiªn, nÕu sö dông transistor MOSFET lo¹i c«ng suÊt cã thêi gian chuyÓn m¹ch nhá th× cã thÓ gi¶m ®−îc lo¹i tæn hao nµy. Chän sè vßng vµ tiÕt diÖn cña cuén s¬ cÊp vµ thø cÊp Sè vßng cña cuén s¬ cÊp ®−îc x¸c ®Þnh bëi ®Þnh luËt Faraday, sè vßng Np ®−îc x¸c ®Þnh bëi ®iÖn ¸p cùc tiÓu trªn cuén s¬ cÊp (Vdc(min) -1) vµ thêi gian më cùc ®¹i kh«ng lín h¬n 2 8.0 T . dBA TV N e dc P . 10) 2 8.0)(1( 8(min) −= (3. 23) Víi Ae lµ diÖn tÝch s¾t cña lâi (cm2) dB lµ ®é biÕn thiªn tõ th«ng cña lâi (®¬n vÞ Gauss), cã dÊu phô thuéc vµo chiÒu cña ®iÖn ¸p qua cuén d©y. V× mçi nöa cuén s¬ cÊp chØ cã mét xung dßng Ipft trong mét chu kú vµ cã ®é réng 0.8T/2 nªn gi¸ trÞ hiÖu dông cña Ipft lµ: (min) 0 (min) 0 986.056.1632.0632.04.0 dcdc pftpftrms V P V PIII ==== Gi¶ thiÕt sö dông cuén d©y cã mËt ®é dßng lµ 500 mil trßn / Ampe(rms), sè mil trßn cÇn thiÕt cña nöa cuén s¬ cÊp lµ: Sè mil trßn = 500 x Irms = (min) 0493 dcV P Khi ®ã cã thÓ chän chÝnh x¸c tiÕt diÖn d©y tõ b¶ng tra d©y theo c¸c mil trßn. Tõ c«ng thøc (3.23) thÊy Np tØ lÖ nghÞch víi dB, v× vËy, dB cùc ®¹i th× Np nhá nhÊt, khi Êy víi sè vßng d©y nhá th× cã thÓ t¨ng tiÕt diÖn d©y ®Ó chÞu dßng lín, ®iÖn dung ký sinh thÊp vµ gi¸ thµnh gi¶m. Nh−ng nÕu chän dB lín th× dßng tõ ho¸ t¨ng vµ lµm t¨ng tæn hao cña lâi. H×nh d−íi ®©y biÓu diÔn vßng tõ trÔ cña mét vËt liÖu lâi s¾t tiªu biÓu (Ferroxcube 3C8). Sù thay ®æi cña tõ th«ng th−êng ®−îc giíi h¹n trong kho¶ng , t¹i tÇn sè 30KHz, n»m trong phÇn tuyÕn tÝnh cña vßng. Khi tÇn sè t¨ng lªn tõ 100KHz – 300KHz th× sù biÕn thiªn tõ th«ng ph¶i gi¶m xuèng hay v× tæn hao lâi ë c¸c tÇn sè nµy cao h¬n. Nãi chung, víi tÇn sè chuyÓn m¹ch d−íi 50KHz, ng−êi ta th−êng chän sè vßng G2000± G1200± G800± §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 51 d©y cña cuén s¬ cÊp tõ biÓu thøc (3.23) víi dB = 3200G mµ tæn hao cã thÓ ë møc chÊp nhËn ®−îc. §Ó x¸c ®Þnh sè vßng d©y thø cÊp cho c¸c ®Çu ra chÝnh vµ phô, sö dông biÓu thøc (3.17), víi gi¶ thiÕt c¸c diode sö dông lµ c¸c diode Schottky (sôt ¸p thuËn 0.5V). Trong biÓu thøc nµy, c¸c th«ng sè ®· ®−îc x¸c ®Þnh: ®iÖn ¸p ngâ ra, Vdc(min), T vµ Ton = 0.8T/2. Sè vßng d©y cña c¸c ®Çu ra thø cÊp ®−îc tÝnh nh− sau: )1(8.0 4.0 )1(8.0 4.0 )1(8.0 4.0 (min) 2 2 (min) 1 1 (min) − += − += − += dc S PS dc S PS dc m Pm V VNN V VNN V VNN (3. 24) V× xung dßng qua mçi nöa cuén thø cÊp chØ tån t¹i trong 0.4 chu kú nªn gi¸ trÞ hiÖu dông cña dßng nµy ®−îc tÝnh b»ng biÓu thøc sau: dcdcrmsS III 632.04.0)( == TiÕt diÖn cña cuén thø cÊp còng ®−îc x¸c ®Þnh nhê b¶ng tra d©y theo mil trßn víi gi¶ thiÕt mËt ®é 500mil trßn /Ampe(rms) Sè mil trßn = 500 x 0.632 Idc = 316 Idc e. ThiÕt kÕ bé läc ra C¸c cuén c¶m ®−îc chän ®Ó ®¶m b¶o kh«ng ®i vµo chÕ ®é ho¹t ®éng kh«ng liªn tôc ®Õn khi ngâ ra mét chiÒu gi¶m xuèng tíi gi¸ trÞ cùc tiÓu (th−êng x¸c ®Þnh b»ng 1/10 gi¸ trÞ danh ®Þnh). ChÕ ®é kh«ng liªn tôc b¾t ®Çu khi §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 52 phÇn ®Çu cña xung r¨ng c−a dßng ®iÖn c¶m dI gi¶m xuèng 0 vµ ®iÒu nµy x¶y ra khi dßng mét chiÒu gi¶m xuèng nöa biªn ®é cña dßng r¨ng c−a dI. V× vËy: L TVVI L TVdI ondconL )(2 01(min) −=== Víi: )2/8.02()2( 110 T TV T TVV on == 01 25.1 VV =⇒ vµ: 1 0 2V TVTon = Th«ng th−êng dßng mét chiÒu cùc tiÓu ®−îc chän b»ng 1/10 gi¸ trÞ danh ®Þnh: Idc(min) = 0.1Ion Tõ ®ã x¸c ®Þnh ®−îc L theo biÓu thøc sau: onondc on I TV VI TVVV I TVVL 0 0 000 (min) 01 05.0 )25.1(2)1.0(2 )25.1( 2 )( =−=−= (3. 25) Gi¸ trÞ cña tô ®iÖn C vµ gi¸ trÞ ®iÖn c¶m L ®−îc chän ®Ó ®¸p øng ®iÖn ¸p gîn sãng ë ngâ ra víi gi¸ trÞ cho tr−íc Vr. §iÖn ¸p gîn ®Ønh - ®Ønh ®−îc x¸c ®Þnh b»ng: Vr = RdI Nh− ®· nãi ë phÇn tr−íc, tÝch sè RC cña tô ®iÖn ph©n b»ng nh«m lµ h»ng sè víi ph¹m vi tõ 50 ®Õn 80x10-6 VÝ dô, chän C cã gi¸ trÞ: Vr dIx R xC 6 6 10801080 − − == (3. 26) 3.2.4. Bé chuyÓn m¹ch cÇu b¸n phÇn 3.2.4.1. Ho¹t ®éng c¬ b¶n S¬ ®å m¹ch vµ d¹ng sãng ®Æc tr−ng cña bé chuyÓn m¹ch cÇu b¸n phÇn ®−îc cho trong h×nh 3.6 d−íi ®©y. . .. . . V2 V1 220VAC 120VAC A B 120-220 VAC Co2 Co1 Lo2 Lo1 Ns2 Ns1 NpCbS1 Q1 Q2 C1 C2D4 D3 D2 D1 §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 53 +Vdc/2 Q1 on TÇn sè chuyÓn m¹ch Q2 on -Vdc/2 §iÖn ¸p s¬ cÊp 0 H×nh 3. 6: S¬ ®å m¹ch vµ d¹ng sãng ®Æc tr−ng ¦u ®iÓm chÝnh cña m¹ch nµy lµ khi transistor ng¾t chØ cã ®iÖn ¸p Vdc ®Æt lªn nã chø kh«ng ph¶i chÞu ®ùng ®iÖn ¸p 2Vdc nh− trong s¬ ®å m¹ch ®Èy kÐo. Khi ®ã, m¹ch cã thÓ sö dông c¸c transistor lo¹i rÎ tiÒn h¬n víi møc chÞu ®ùng ®iÖn ¸p nhá h¬n, vµ chóng ®−îc sö dông réng r·i trªn thÞ tr−êng ch©u ¢u vµ Mü víi ngâ vµo xoay chiÒu t−¬ng øng lµ 220VAC vµ 120VAC. Khi S1 ë vÞ trÝ 220VAC (hë m¹ch), m¹ch lµ bé chØnh l−u toµn sãng cã tô C1 vµ tô C2 m¾c nèi tiÕp, t¹o ra ®iÖn ¸p mét chiÒu ®Ønh ®· chØnh l−u kho¶ng 308VDC. Khi S1 ë vÞ trÝ 120VAC (ng¾n m¹ch) th× m¹ch ho¹t ®éng nh− mét bé nh©n ®«i ®iÖn ¸p nhê tô C1 n¹p ®iÖn ¸p d−¬ng qua D1 vµ C2 n¹p ®iÖn ¸p d−¬ng qua D2, t¹o ra ®iÖn ¸p mét chiÒu 336VDC. §iÖn ¸p ngâ vµo mét chiÒu cùc ®¹i chÝnh lµ ®iÖn ¸p mµ transistor ng¾t ph¶i chÞu ®ùng khi transistor cßn l¹i dÉn. 3.2.4.2. TÝnh to¸n th«ng sè cña m¹ch D¹ng sãng t¹i c¸c ®Çu ra cña m¹ch cÇu b¸n phÇn gièng nh− trong m¹ch ®Èy kÐo nªn cã sù t−¬ng øng khi chän th«ng sè cña m¹ch cÇu b¸n phÇn víi c¸c biÓu thøc tÝnh to¸n nh− cña m¹ch ®Èy kÐo. Chän thêi gian më cùc ®¹i cho transistor Mçi transistor lµm viÖc ë mét b¸n kú nh−ng nÕu t¹i mét thêi ®iÓm nµo ®ã c¶ Q1 vµ Q2 cïng më th× sÏ cã hiÖn t−îng ng¾n m¹ch ®iÖn ¸p cung cÊp vµ g©y ph¸ háng c¸c transistor, do ®ã thêi gian më cña mçi transistor chØ ®−îc phÐp tèi ®a lµ 80% b¸n kú (Ton = 0.8T/2) §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 54 Chän sè vßng vµ tiÕt diÖn d©y s¬ cÊp Sè vßng cña cuén s¬ cÊp ®−îc chän ®Ó ®¶m b¶o ®iÖn ¸p ngâ ra nhËn ®−îc trong thêi gian më kh«ng qu¸ 0.8T/2. NP ®−îc tÝnh theo biÓu thøc (3.23) Dßng hiÖu dông s¬ cÊp cña m¹ch T TII pftrms 8.0= Víi Ipft lµ dßng ®Ønh cuén s¬ cÊp. Cã thÓ tÝnh gi¸ trÞ cña nã nhê gi¶ thiÕt hiÖu suÊt cña m¹ch lµ 80%, cã 2 xung dßng trong mét chu kú T víi ®é réng b»ng thêi gian më cùc ®¹i cña mçi b¸n kú lµ 0.8T/2 vµ ®iÖn ¸p lµ Vdc(min)/2. NghÜa lµ, cã mèi quan hÖ sau: pft dc in IT TVPP 8.0 2 25.1 (min)0 == (min) 0125.3 dc pft V PI =⇒ (3. 27) Vµ dßng hiÖu dông s¬ cÊp (min) 0795.28.0 dc pftrms V P T TII == Víi 500 mil trßn / Ampe(rms), sè mil trßn cÇn thiÕt ®−îc tÝnh b»ng: Sè mil trßn = (min) 0 (min) 0 5.1397795.2500 dcdc V P V Px = Tra b¶ng theo sè mil trßn cÇn thiÕt ®Ó x¸c ®Þnh tiÕt diÖn d©y s¬ cÊp. Chän sè vßng vµ tiÕt diÖn d©y thø cÊp T−¬ng tù nh− trong m¹ch ®Èy kÐo, sè vßng cuén thø cÊp ®−îc chän tõ biÓu thøc (3.24). Nh−ng do mçi transistor chØ chÞu ®iÖn ¸p khi ng¾t lµ Vdc(min)/2 vµ diode sö dông lµ diode chØnh l−u th«ng th−êng thay cho diode Schottky nªn cã thÓ tÝnh sè vßng NS nh− sau: )1 2 (8.0 8.0 )1 2 (8.0 8.0 (min) 2 2 (min) 1 1 − += − += dc PS dc PS V VNN V VNN (3. 28) Giíi h¹n c«ng suÊt ngâ ra C«ng thøc (3.27) cho phÐp x¸c ®Þnh dßng ®Ønh s¬ cÊp theo c«ng suÊt ngâ ra vµ ®iÖn ¸p ra cùc tiÓu. Víi c¸c gi¸ trÞ cho tr−íc ®ã x¸c ®Þnh ®−îc Ipft ®Ó tõ ®ã lùa chän lo¹i transistor phï hîp. Khi c«ng suÊt P0 v−ît qu¸ 500W th× tÝnh to¸n cho thÊy lo¹i transistor sö dông cÇn chÞu ®−îc dßng rÊt lín vµ ph¶i §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 55 lµ lo¹i MOSFET rÊt ®¾t tiÒn, v× vËy ng−êi ta sö dông m¹ch cÇu toµn phÇn nh− sÏ tr×nh bµy ë phÇn sau ®©y. TÝnh to¸n cho bé läc ngâ ra C¸c gi¸ trÞ ®iÖn c¶m vµ ®iÖn dung cña c¸c bé läc ngâ ra ®−îc tÝnh theo biÓu thøc (3.25) vµ (3.26) Chän tô chÆn ®Ó tr¸nh tõ th«ng kh«ng c©n b»ng Tô nhá Cb ®−îc m¾c nèi tiÕp víi cuén s¬ cÊp nh− h×nh 3.6. NhiÖm vô cña nã lµ ®Ó tr¸nh tõ th«ng kh«ng c©n b»ng x¶y ra khi tÝch sè v«n-gi©y trªn cuén s¬ cÊp kh¸c víi tÝch sè v«n-gi©y khi nã dÞch chuyÓn ng−îc l¹i. Tr−êng hîp nµy cã thÓ lµm lâi dÞch chuyÓn lªn hay xuèng däc theo vßng tõ trÔ vµ nÕu ®i vµo vïng b·o hoµ sÏ g©y háng transistor. Tô Cb sÏ ng¨n thµnh phÇn mét chiÒu ch¹y trong cuén s¬ cÊp, dßng s¬ cÊp n¹p ®iÖn tÝch vµo tô g©y ra ®é gi¶m biªn ®é dV trªn d¹ng sãng ®iÖn ¸p s¬ cÊp. TrÞ sè cña Cb ®−îc chän nh− sau: dV TI C pft b 2 8.0 = 3.2.5. Bé chuyÓn m¹ch cÇu toµn phÇn 3.2.5.1. Ho¹t ®éng c¬ b¶n H×nh 3.7 biÓu diÔn s¬ ®å m¹ch vµ d¹ng sãng ®Æc tr−ng cña bé chuyÓn m¹ch cÇu toµn phÇn. ¦u thÕ cña m¹ch cÇu toµn phÇn lµ ®iÖn ¸p t¸c dông lªn cuén s¬ cÊp lµ sãng vu«ng cã biªn ®é dcV± so víi 2 dcV± cña m¹ch cÇu b¸n phÇn (xem l¹i h×nh 3.6). Tuy vËy, ®iÖn ¸p chÞu ®ùng lín nhÊt cña transistor khi ng¾t còng chØ lµ Vdc(max) nh− trong m¹ch cÇu b¸n phÇn. Do ®ã, nÕu c¸c transistor ho¹t ®éng víi cïng gi¸ trÞ dßng ®Ønh vµ ®iÖn ¸p danh ®Þnh th× m¹ch cÇu toµn phÇn cã c«ng suÊt ngâ ra gÊp hai lÇn so víi m¹ch cÇu b¸n phÇn. 220VAC 120VAC A B 120-220 VAC . .. . . Vo1 Vom + C2 + C1 Q4 Q3 Co2 Co1 Lo2 Lo1 Nsm Ns1 Np Q1 Q2 Cb S1 D4 D3 D2 D1 §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 56 Τ TÇn sè chuyÓn m¹ch Xung §kh Q1,Q4 -Vdc Q2,Q3 on Ton Q1,Q4 on Ton Xung §kh Q2,Q3 +Vdc 0 §iÖn ¸p s¬ cÊp T1 H×nh 3. 7: S¬ ®å m¹ch vµ d¹ng sãng ®Æc tr−ng C¸c cÆp transistor (Q1 vµ Q4), (Q2 vµ Q3) thay phiªn nhau lµm viÖc trong hai nöa chu kú. Cuén s¬ cÊp ®−îc ®iÒu khiÓn bëi sãng vu«ng ph©n cùc tuÇn tù cã biªn ®é . Thêi gian më Ton ®−îc x¸c ®Þnh bëi vßng håi tiÕp ®Ó ®iÒu khiÓn c¸c cùc gèc cña c¸c transistor nh»m gi÷ cho Vom kh«ng ®æi chèng l¹i sù thay ®æi cña ®iÖn ¸p ngâ vµo. C¸c ngâ ra phô còng ®−îc gi÷ kh«ng ®æi nh−ng chØ trong kho¶ng 5% ®Õn 8%. Còng gièng nh− bé biÕn ®æi ®Èy kÐo, khi cã sù thay ®æi ë dßng t¶i chÝnh th× c¸c ®iÖn ¸p ngâ ra ®−îc gi÷ æn ®Þnh nh−ng nÕu ë dßng t¶i phô th× kh«ng ®iÒu chØnh ®−îc v× vßng håi tiÕp chØ c¶m øng tõ ngâ ra chÝnh. dcV± Gi¶ sö sôt ¸p më trªn mçi transistor lµ 1V, sôt ¸p thuËn cña diode Schottky trong bé chØnh l−u chÝnh lµ 0.5V vµ sôt ¸p thuËn cña diode chØnh l−u th«ng th−êng trong bé chØnh l−u phô lµ 1V, ®iÖn ¸p t¹i c¸c ngâ ra ®−îc tÝnh theo c«ng thøc sau: T T N NVV T T N NVV on P S dco on P Sm dcom 21)2( 25.0)2( 1 1 ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −−= ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −−= (3. 29) 3.2.5.2. TÝnh to¸n c¸c th«ng sè trong m¹ch Chän thêi gian më cùc ®¹i §Ó tr¸nh hiÖn t−îng cã thêi ®iÓm c¶ hai transistor (Q1 vµ Q2) hay (Q3 vµ Q4) cïng më mét lóc g©y ng¾n m¹ch nguån cung cÊp, thêi gian më cùc ®¹i §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 57 cña transistor, x¶y ra khi ®iÖn ¸p ngâ vµo ë gi¸ trÞ cùc tiÓu, kh«ng qu¸ 80% cña nöa chu kú T. Sè vßng cuén s¬ cÊp vµ tiÕt diÖn d©y Sè vßng cuén s¬ cÊp ®−îc chän theo biÓu thøc (3.23) nh−ng sè h¹ng (Vdc(min)-1) ®−îc thay b»ng sè h¹ng (Vdc(min)-2). Gi¸ trÞ cña dB ®−îc chän ë 3200G víi tÇn sè chuyÓn m¹ch nhá h¬n 50KHz NÕu gi¶ thiÕt hiÖu suÊt cña m¹ch ®¹t 80%, khi ®ã c«ng suÊt ngâ vµo Pin=1.25P0 V× thêi gian më cùc ®¹i cña transistor lµ 0.8T/2 khi ngâ vµo ë gi¸ trÞ cùc tiÓu vµ trong mét chu kú T cã 2 xung dßng trªn cuén s¬ cÊp víi biªn ®é Vdc nªn cã mèi quan hÖ sau: pftdcin IT TVPP 2/8.0225.1 (min)0 == (min) 056.1 dc pft V PI =⇒ (3. 30) Víi Ipft lµ dßng s¬ cÊp t−¬ng ®−¬ng cã ®Ønh nhän bÞ mÐo d¹ng. Tõ biÓu thøc (3.30) tÝnh ®−îc Ipft, qua ®ã x¸c ®Þnh ®−îc dßng hiÖu dông cña nã Irms (min) 04.18.0 dc pftrms V P T TII == Víi 500mil trßn /Ampe(rms), Sè mil trßn cÇn thiÕt = (min) 0 (min) 0 7004.1500 dcdc V P V Px = Tra b¶ng ®Ó x¸c ®Þnh tiÕt diÖn d©y s¬ cÊp Chän sè vßng vµ tiÕt diÖn d©y thø cÊp Tõ biÓu thøc (3.29) x¸c ®Þnh ®−îc sè vßng thø cÊp v× c¸c gi¸ trÞ kh¸c ®· ®−îc x¸c ®Þnh. )2(8.0 4.0 )2(8.0 4.0 (min) 1 1 (min) − += − += dc o PS dc om PSm V VNN V VNN (3. 31) Dßng hiÖu dông vµ tiÕt diÖn d©y cña cuén thø cÊp ®−îc chän gièng nh− m¹ch ®Èy kÐo, nghÜa lµ x¸c ®Þnh theo c¸c biÓu thøc: dcdcrmsS III 632.04.0)( == §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 58 Sè mil trßn = 500 x 0.632 Idc = 316 Idc Chän bé läc ngâ ra C¸c bé läc ngâ ra ®−îc chän nh− trong m¹ch ®Èy kÐo vµ m¹ch cÇu b¸n phÇn, sö dông biÓu thøc (3.25) vµ (3.26) 3.3. ThiÕt kÕ khèi ®iÒu khiÓn 3.3.1. Giíi thiÖu chung Nh− ®· nãi ë c¸c phÇn trªn, ®iÖn ¸p ®Çu ra cña bé nguån cã rÊt nhiÒu yÕu tè t¸c ®éng lµm cho gi¸ trÞ bÞ thay ®æi (sù kh«ng æn ®Þnh cña ®Çu vµo, sù thay ®æi dßng t¶i, nhiÔu …). §Ó gi÷ cho ®iÖn ¸p ®Çu ra thay ®æi trong kho¶ng dung sai cho phÐp (vÝ dô: %1± quanh gi¸ trÞ danh ®Þnh) ng−êi ta sö dông ph−¬ng ph¸p håi tiÕp ©m ®Ó ®iÒu chØnh l¹i ®Çu vµo. Th«ng sè cÇn ®iÒu chØnh chÝnh lµ Ton mµ chóng ta ®· ®Ò cËp th−êng xuyªn ë c¸c phÇn trªn. ViÖc ®iÒu chØnh Ton cã thÓ thùc hiÖn theo hai c¸ch lµ gi÷ nguyªn tÇn sè T vµ thay ®æi gi¸ trÞ cña Ton (khi ®ã Toff còng thay ®æi theo); hoÆc gi÷ nguyªn Toff vµ thay ®æi tÇn sè ®Ó thay ®æi gi¸ trÞ cña Ton. KhuÕch ®¹i sai lÖch §iÒu khiÓn PWM C«ng suÊt, Läc ®Çu ra Vref + - H×nh 3. 8: HÖ thèng ®iÒu khiÓn håi tiÕp ©m Mét trong c¸c ph−¬ng ph¸p lµm thay ®æi Ton ®Ó ®iÒu chØnh thêi gian më cña chuyÓn m¹ch nh»m gi÷ cho ®Çu ra kh«ng ®æi lµ ph−¬ng ph¸p ®iÒu chÕ ®é réng xung. Ph−¬ng ph¸p nµy kh¸ ®¬n gi¶n vµ cho t¸c ®éng nhanh nªn ®−îc sö dông réng r·i trong c¸c bé nguån chuyÓn m¹ch. Tuy nhiªn, viÖc t¹o ra xung cã ®é réng biÕn ®æi ®Ó ®iÒu khiÓn transistor c«ng suÊt nh− tr×nh bµy chØ mang tÝnh nguyªn lý v× yªu cÇu dßng ¸p cô thÓ cho xung ®ã nh− thÕ nµo cßn phô thuéc vµo viÖc transistor sö dông lµ lo¹i BJT hay MOSFET, do ®ã c¸c phÇn tiÕp theo sÏ chØ giíi thiÖu nguyªn lý ®iÒu chÕ ®é réng xung (PWM – Pulse Width Modulation). §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 59 3.3.2. Nguyªn lý ®iÒu chÕ ®é réng xung (PWM) Sö dông m¹ch cã cÊu tróc c¬ b¶n nh− sau h×nh 3.9 ®Ó hiÓu vÒ nguyªn lý ®iÒu chÕ ®é réng xung. Uht Uo + - U1U2 Up Rt + -Uch R2 R1 + PWM + EA H×nh 3. 9: M¹ch ®iÒu chÕ ®é réng xung §iÖn ¸p mét chiÒu ra trªn t¶i qua bé ph©n ¸p lÊy ®iÖn ¸p håi tiÕp Uht ®−a vÒ ®Çu ®¶o cña bé khuÕch ®¹i sai lÖch (EA). §iÖn ¸p nµy sÏ ph¶n ¸nh ®Çy ®ñ sù thay ®æi cña Ur, cßn ®iÖn ¸p chuÈn Uch ®−îc ®−a vµo ®Çu kh«ng ®¶o cña bé khuÕch ®¹i sai lÖch. Nguån Uch lµ cè ®Þnh, kh«ng phô thuéc vµo Ur. Khi ®ã ®iÖn ¸p ®Çu ra cña bé khuÕch ®¹i sai lÖch ®−îc tÝnh theo biÓu thøc: htch UR RU R RU 1 2) 1 21(1 −+= Tõ biÓu thøc nhËn thÊy ®iÖn ¸p U1 biÕn ®æi tuyÕn tÝnh theo Uht nh−ng theo chiÒu ng−îc l¹i. §iÖn ¸p nµy ®−îc gäi lµ tÝn hiÖu ®iÒu chÕ vµ ®−a tíi ®Çu vµo kh«ng ®¶o cña bé ®iÒu chÕ ®é réng xung, tÝn hiÖu sãng mang Up lµ xung tam gi¸c ®−a vµo ®Çu vµo ®¶o cña bé ®iÒu chÕ. Bé ®iÒu chÕ sÏ so s¸nh 2 biªn ®é cña sãng mang Up vµ tÝn hiÖu ®iÒu chÕ U1, d¹ng sãng ra cña bé ®iÒu chÕ U2 lµ sãng vu«ng cã tÇn sè lµ tÇn sè cña sãng mang nh−ng cã ®é réng xung biÕn ®æi theo tÝn hiÖu ®iÒu chÕ U1 (xem h×nh 3.10). §é réng xung chÝnh lµ kho¶ng thêi gian mµ ®iÖn ¸p U1 nhá h¬n ®iÖn ¸p Up. Gäi ®é réng xung ®iÒu biÕn lµ Ton, nã sÏ biÕn thiªn trong kho¶ng tõ 0 tíi T. Xung nµy ®−îc ®−a ®Õn ®iÒu khiÓn transistor chuyÓn m¹ch vµ transistor sÏ dÉn trong kho¶ng thêi gian Ton. TØ sè k = T Ton gäi lµ hÖ sè ®iÒu chÕ, cã gi¸ trÞ biÕn ®æi tõ 0 ®Õn 1 §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 60 T on Up U2 U1 T t t 0 0 H×nh 3. 10: Nguyªn lý ®iÒu chÕ ®é réng xung NÕu chuyÓn m¹ch lµ c¸c transistor m¾c theo s¬ ®å ®Èy kÐo th× cÇn t¹o ra hai chuçi xung ng−îc nhau ®Ó ®iÒu khiÓn chóng. Cã thÓ thùc hiÖn ®¶o pha b»ng c¸ch sö dông biÕn ¸p, hoÆc dïng c¸c cæng logic nh− h×nh 3.11. Up U1 1 2 + PWM D CPQ _Q H×nh 3. 11: M¹ch t¹o hai chuçi xung ng−îc pha §iÖn ¸p xung tam gi¸c lµ tÝn hiÖu sãng mang Up ®−a tíi bé ®iÒu chÕ PWM ®ång thêi ®−a ®Õn kÝch më m¹ch flip-flop. Hai ®Çu ra cña m¹ch FF cã d¹ng hai chuçi xung vu«ng cùc tÝnh ng−îc nhau ®−îc ®−a tíi ®Çu vµo hai cæng AND, hai ®Çu vµo cßn l¹i cña hai cæng AND ®−îc kÝch bëi ®iÖn ¸p ®Çu ra cña bé ®iÒu chÕ ®é réng xung U2 lµ chuçi xung cã ®é réng Ton thay ®æi. Khi ®ã, ®Çu ra cña hai cæng AND chÝnh lµ hai chuçi xung ng−îc nhau cã ®é réng thay ®æi. PhÇn ®iÒu chÕ ®é réng xung trong c¸c bé nguån chuyÓn m¹ch ngµy nay ®−îc cÊu tróc trong mét vi m¹ch tÝch hîp (gäi lµ chip PWM). Víi c¸c bé nguån c«ng suÊt nhá d−íi 100W vµ chuyÓn m¹ch lµ tÇng ®¬n th× cã khi c¶ transistor chuyÓn m¹ch còng ®−îc cÊu tróc trong vi m¹ch ®iÒu chÕ ®é réng xung. §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 61 KÕt luËn: Cã rÊt nhiÒu ph−¬ng ¸n ®Ó chän lùa khi muèn thiÕt kÕ mét nguån chuyÓn m¹ch. V× vËy, cÇn dùa vµo yªu cÇu cña bé nguån vÒ c«ng suÊt, ®iÖn ¸p ®Çu ra, sè l−îng ®Çu ra, hiÖu suÊt, ®é phøc t¹p cña m¹ch, ®é æn ®Þnh …. ®Ó sö dông s¬ ®å m¹ch nµo cho cã hiÖu qu¶ nhÊt. Cã thÓ tæng kÕt l¹i mét sè ®Æc ®iÓm cña c¸c d¹ng m¹ch æn ®Þnh chuyÓn m¹ch c¬ b¶n trong b¶ng sau: D¹ng m¹ch §iÖn ¸p ®Çu ra Cuén d©y BiÕn ¸p Diode Transistor C«ng suÊt, W S¬ ®å m¹ch Buck Gi¶m Cã Kh«ng 1 1 0 - 150 §¬n gi¶n Boost T¨ng Cã Kh«ng 1 1 0 - 150 §¬n gi¶n Buck- Boost T¨ng/gi¶m Cã Kh«ng 1 1 0 - 150 §¬n gi¶n Håi tiÕp T¨ng/gi¶m Kh«ng Cã 1 1 0 - 150 B×nh th−êng ThuËn T¨ng/gi¶m Cã Cã 1 1 0 - 150 B×nh th−êng §Èy kÐo T¨ng/gi¶m Cã Cã 2 2 100-1000 Phøc t¹p B¸n cÇu T¨ng/gi¶m Cã Cã 4 2 100-500 Phøc t¹p Toµn cÇu T¨ng/gi¶m Cã Cã 4 4 400-2000 RÊt phøc t¹p Víi c¸c m¹ch ®iÒu khiÓn bé chuyÓn m¹ch c«ng suÊt, hiÖn nay ®Òu ®−îc thiÕt kÕ s½n d−íi d¹ng c¸c IC ®iÒu khiÓn. Do ®ã, còng rÊt cÇn xem kü catalog cña tõng lo¹i IC ®Ó lùa chän cho phï hîp vµ viÖc tÝnh to¸n c¸c th«ng sè cña m¹ch nhiÒu khi cÇn thay ®æi theo th«ng sè cña IC ®ã chø kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i theo ®óng tr×nh tù ®· nãi ë c¸c phÇn trªn. VÝ dô nh− cã IC chøa s½n chuyÓn m¹ch c«ng suÊt th× viÖc lùa chän transistor lµ ®iÒu kh«ng cÇn thiÕt, hoÆc cã IC l¹i cã bé t¹o xung víi tÇn sè cè ®Þnh cho biÕt tr−íc nªn còng kh«ng cÇn x¸c ®Þnh th«ng sè nµy mµ cÇn lùa chän c¸c linh kiÖn cho phï hîp. §iÒu nµy sÏ thÓ hiÖn râ h¬n trong mét vÝ dô thiÕt kÕ thùc tÕ ®−îc tr×nh bµy trong ch−¬ng 4. §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 62 Ch−¬ng 4 M« pháng 4.1. Giíi thiÖu chung vÒ c¸c phÇn mÒm m« pháng 4.1.1. PhÇn mÒm m« pháng Matlab/Simulink Simulink lµ phÇn ch−¬ng tr×nh më réng cña Matlab nh»m môc ®Ých m« h×nh ho¸, m« pháng vµ kh¶o s¸t c¸c hÖ thèng ®éng häc. PhÇn mÒm m« pháng nµy cho phÐp x©y dùng c¸c m« h×nh ®iÒu khiÓn mét c¸ch nhanh chãng vµ chÝnh x¸c còng nh− kh¶ n¨ng quan s¸t vµ ®iÒu chØnh th«ng sè linh ho¹t ®Ó tõ ®ã cã thÓ ®−a vµo s¶n xuÊt thùc tÕ víi ®é tin cËy cao. Th− viÖn cña Simulink cung cÊp cho ng−êi sö dông rÊt nhiÒu c¸c khèi chøc n¨ng c¬ b¶n cña c¸c hÖ tuyÕn tÝnh, phi tuyÕn vµ gi¸n ®o¹n ë nhiÒu lÜnh vùc kh¸c nhau nh−: hÖ thèng ®iÒu khiÓn, ®iÖn tö c«ng suÊt, viÔn th«ng, xö lý tÝn hiÖu, ®éng lùc häc, tèi −u ho¸ … H¬n n÷a, b¶n th©n mçi ng−êi sö dông cã thÓ t¹o riªng c¸c khèi cña m×nh. Víi nh÷ng kh¶ n¨ng to lín cña Simulink c¸c nhµ thiÕt kÕ ®· tiÕt kiÖm ®−îc mét c¸ch ®¸ng kÓ thêi gian, kinh phÝ còng nh− lµ tr¸nh ®−îc nh÷ng rñi ro trong qu¸ tr×nh thö nghiÖm c¸c m« h×nh trªn thùc tÕ. ChÝnh v× vËy, cã thÓ nãi phÇn mÒm nµy ngµy cµng ®−îc −a chuéng vµ sö dông réng r·i. Trong lÜnh vùc ®iÖn tö c«ng suÊt, Simulink thùc sù ®· hç trî ®¾c lùc cho viÖc x©y dùng c¸c vßng ®iÒu khiÓn mét c¸ch tèi −u. PhÇn th− viÖn dµnh c¸c khèi chøc n¨ng cña ®iÖn tö c«ng suÊt - Simpower system – chøa hÇu hÕt c¸c khèi c«ng suÊt c¬ b¶n, do ®ã viÖc x©y dùng m« h×nh ®−îc ®¬n gi¶n ®i rÊt nhiÒu. C¬ së cña viÖc x©y dùng m« h×nh m« pháng trong Simulink lµ t¹o ra c¸c khèi cã m« t¶ to¸n häc, sau ®ã ghÐp c¸c khèi cÇn thiÕt ®ã thµnh s¬ ®å cÊu tróc cña hÖ, vµ khëi ®éng qu¸ tr×nh m« pháng ®Ó kh¶o s¸t. Nh− ®· nãi, nguån chuyÓn m¹ch gåm hai phÇn c¬ b¶n lµ phÇn m¹ch ®iÖn c«ng suÊt vµ phÇn ®iÒu khiÓn. Khi m« h×nh ho¸ toµn bé m¹ch nguån b»ng c¸c ch−¬ng tr×nh vÏ m¹ch ®iÖn th«ng th−êng th× c«ng viÖc trë nªn cùc kú phøc t¹p ®èi víi phÇn ®iÒu khiÓn. Së dÜ vËy lµ do c¸c thuËt to¸n ®iÒu khiÓn khi biÓu diÔn d−íi d¹ng c¸c phÇn tö ®iÖn tö th× cÇn sè l−îng linh kiÖn lín vµ viÖc chuyÓn ®æi ®«i khi kh«ng ®−îc chÝnh x¸c. KÕt qu¶ lµ, sè l−îng linh §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 63 kiÖn lín sÏ gia t¨ng x¸c suÊt x¶y ra lçi, qu¸ tr×nh m« pháng tèn rÊt nhiÒu thêi gian ®Ó ph©n tÝch vµ cã thÓ kh«ng thùc hiÖn ®−îc. Trong khi ®ã, phÇn mÒm m« pháng Matlab/Simulink l¹i cho phÐp m« h×nh ho¸ tÊt c¶ c¸c phÇn tö trong s¬ ®å ®iÖn víi m« t¶ to¸n häc chÝnh x¸c. Do ®ã, cã thÓ thÊy ngay r»ng viÖc thiÕt kÕ phÇn ®iÒu khiÓn nhê Simulink lµ ®¬n gi¶n vµ hiÖu qu¶ nhÊt. Víi môc ®Ých ®iÒu khiÓn vµ ph−¬ng thøc ®iÒu khiÓn nh− ®· nãi ë ch−¬ng 3, phÇn ®iÒu khiÓn ®−îc chia thµnh nhiÒu khèi, x©y dùng hµm truyÒn cho tõng khèi, kÕt nèi chóng l¹i vµ ®iÒu chØnh thªm c¸c th«ng sè ®Ó ®¹t ®é æn ®Þnh vµ ®é chÝnh x¸c theo yªu cÇu. H×nh 4.1 d−íi ®©y lµ vÝ dô vÒ mét m« h×nh cña phÇn ®iÒu khiÓn ®−îc x©y dùng b»ng Simulink. H×nh 4. 1: M« h×nh bé ®iÒu khiÓn PWM Trªn c¬ së cña m« h×nh m« pháng võa ®−îc t¹o ra cã thÓ t¹o ra c¸c IC mét c¸ch hoµn chØnh. ViÖc nµy ®· ®−îc c¸c h·ng thiÕt kÕ IC ®iÒu khiÓn lµm tõ l©u vµ ®· th−¬ng m¹i ho¸ víi gi¸ thµnh cã thÓ chÊp nhËn ®−îc nªn hiÖn nay viÖc thiÕt kÕ khèi ®iÒu khiÓn ®· trë nªn kh«ng cÇn thiÕt. VÊn ®Ò quan träng h¬n lµ lùa chän lo¹i IC nµo phï hîp cho yªu cÇu cô thÓ cña tõng øng dông. XuÊt ph¸t tõ thùc tÕ ®ã trong luËn v¨n nµy sÏ giíi thiÖu mét sè lo¹i IC ®iÒu khiÓn khèi c«ng suÊt cña mét sè h·ng kh¸c nhau thay cho phÇn thiÕt kÕ cô thÓ khèi nµy. Sau khi thiÕt kÕ riªng phÇn m¹ch ®iÖn tö nhê c¸c phÇn mÒm m« pháng m¹ch ®iÖn, thiÕt kÕ phÇn ®iÒu khiÓn nhê Simulink, cã thÓ x©y dùng m« h×nh ®Çy ®ñ vµ ch¹y m« pháng trªn Simulink nh− trong vÝ dô ë h×nh 4.2 sau ®©y. §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 64 H×nh 4. 2: M« h×nh ®Çy ®ñ cña SMPS m« pháng b»ng Simulink HoÆc cã thÓ coi IC ®iÒu khiÓn nh− mét linh kiÖn cña m¹ch ®iÖn tö vµ ch¹y m« pháng b»ng ch−¬ng tr×nh cña phÇn mÒm thiÕt kÕ m¹ch. §©y còng chÝnh lµ h−íng ®i cña luËn v¨n nµy vµ sÏ ®−îc thÓ hiÖn râ trong c¸c phÇn tiÕp theo. 4.1.2. PhÇn mÒm thiÕt kÕ m¹ch ®iÖn tö ViÖc m« pháng c¸c m¹ch ®iÖn ®Ó x¸c ®Þnh c¸c th«ng sè cña m¹ch mét c¸ch ®¬n gi¶n, trùc quan vµ chÝnh x¸c cã thÓ thùc hiÖn nhê rÊt nhiÒu c¸c phÇn mÒm kh¸c nhau, vÝ dô: Circuitmaker, Protel, Orcad, PSpice … Mçi phÇn mÒm nµy cã nh÷ng −u thÕ riªng nh−: ®¬n gi¶n trong c¸ch sö dông, th− viÖn nhiÒu linh kiÖn cña c¸c h·ng kh¸c nhau, t¹o m¹ch in nhanh vµ chÝnh x¸c, tÝnh to¸n vµ hiÓn thÞ ®−îc nhiÒu th«ng sè cña m¹ch … Cã thÓ sö dông tÊt c¶ c¸c lo¹i phÇn mÒm trªn ®Ó thiÕt kÕ phÇn m¹ch ®iÖn cña nguån chuyÓn m¹ch nh−ng khi kÕt hîp l¹i víi IC ®iÒu khiÓn th× cã mét khã kh¨n ®ã lµ trong th− viÖn cña c¸c phÇn mÒm nµy cã thÓ kh«ng chøa lo¹i IC ®iÒu khiÓn cÇn dïng. V× nh÷ng nh−îc ®iÓm nh− trªn cña c¸c phÇn mÒm m« pháng m¹ch ®iÖn th«ng th−êng, trong phÇn m« pháng cña luËn v¨n nµy, t¸c gi¶ ®· thö sö dông mét sè phÇn mÒm thiÕt kÕ m¹ch cña chÝnh c¸c h·ng s¶n xuÊt IC ®iÒu khiÓn PWM nh− c¸c h·ng Linear Technology Cor., Texas Instrument, Power Integration …. Sau khi dïng mét thêi gian, t¸c gi¶ ®· lùa chän phÇn mÒm Ltspice/SwicherCad III vµ BodeCad cña h·ng Linear Technology Corporation ®Ó thùc hiÖn cho c«ng viÖc cña m×nh. PhÇn mÒm nµy cã th− §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 65 viÖn linh kiÖn rÊt lín, cho phÐp lùa chän lo¹i IC cña h·ng Linear vµ c¸c lo¹i linh kiÖn ®iÖn tö cña c¸c h·ng kh¸c víi m« t¶ th«ng sè cô thÓ vµ cËp nhËt model míi nhÊt lÊy tõ Internet. Vµ quan träng h¬n c¶, qu¸ tr×nh m« pháng cña phÇn mÒm nµy kh¸ nhanh, cho kÕt qu¶ râ rµng vµ ®¹t ®é chÝnh x¸c t−¬ng ®−¬ng nh− c¸c phÇn mÒm kh¸c. Tuy nhiªn, nÕu so víi phÇn mÒm cña h·ng Texas th× nã kh«ng cho phÐp x¸c ®Þnh hiÖu suÊt cña m¹ch theo sù thay ®æi cña t¶i. (kh¶ n¨ng nµy cña phÇn mÒm cña h·ng Texas thËt tuyÖt vêi nh−ng nã l¹i cã nh−îc ®iÓm lín ®ã lµ kh«ng cho phÐp x©y dùng l¹i m¹ch b»ng c¸ch thªm hay bít linh kiÖn vµ chØ thiÕt kÕ cho mét ®Çu ra). PhÇn tiÕp theo cña luËn v¨n sÏ giíi thiÖu mét sè hä IC ®iÒu khiÓn c«ng suÊt th«ng dông cña c¸c h·ng kh¸c nhau vµ sau ®ã sÏ x©y dùng m« h×nh m« pháng b»ng phÇn mÒm LTspice Cad III (dùa trªn c¸ch tÝnh c¸c th«ng sè ®· nãi ë phÇn lý thuyÕt). 4.1.3. Giíi thiÖu mét sè hä IC ®iÒu khiÓn c«ng suÊt th«ng dông HiÖn nay cã nhiÒu h·ng trªn thÕ giíi s¶n xuÊt IC ®iÒu khiÓn c«ng suÊt víi rÊt nhiÒu c¸c hä kh¸c nhau ®Ó phôc vô cho rÊt nhiÒu øng dông ®a d¹ng. C¸c øng dông cã thÓ cã c«ng suÊt tõ thÊp (vµi W) tíi cùc cao (hµng ngh×n W), dßng rÊt nhá ( Aµ ) ®Õn rÊt lín (hµng chôc A) hay ®iÖn ¸p thÊp (vµi V) ®Õn ®iÖn ¸p rÊt cao (hµng tr¨m V). §Ó cã thÓ ®¸p øng cho mét d¶i réng c¸c th«ng sè nh− vËy th× c¸c h·ng ®Òu cã tíi hµng ngh×n c¸c s¶n phÈm kh¸c nhau. Do ®ã viÖc lùa chän lo¹i IC nµo cho phï hîp cÇn ®−îc thùc hiÖn víi sù t×m hiÓu thËt kü c¸c hä IC ®ã. Mét trong nh÷ng h·ng s¶n xuÊt IC ®iÒu khiÓn c«ng suÊt thÊp cã uy tÝn trªn thÕ giíi lµ PI, Linear vµ Maxim. Sau ®©y ®Ó phôc vô cho viÖc m« pháng thiÕt kÕ SMPS trong luËn v¨n nµy, t¸c gi¶ xin giíi thiÖu mét sè c¸ch lùa chän IC th«ng dông (theo c¸c tiªu chÝ kh¸c nhau) dïng trong øng dông ®iÖn ¸p thÊp cña h·ng Linear Technology. Chän hiÖu suÊt cao víi ®iÖn ¸p ®Çu ra lµ 3.3V hoÆc 5V Model Dßng t¶i Dßng t¾t HiÖu suÊt LTC1174-3.3 200mA-400mA 1µ A 90% LTC1433 450mA 15µ A 93% LTC1147-3.3 0.5mA – 2A 10µ A 92% LTC1148-3.3 1A – 5A 10µ A 94% §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 66 S¬ ®å ch©n cña c¸c IC trong b¶ng trªn ®−îc cho trong h×nh sau: Chän theo ®iÖn ¸p ngâ vµo: Model §iÖn ¸p ngâ vµo min §iÖn ¸p ngâ vµo max Ghi chó LT1074 8 40 ChuyÓn m¹ch ®ång bé LTC1142HV 5 20 Gåm hai bé ®iÒu khiÓn m¹ch Buck víi c¸c FET m¾c bªn ngoµi LTC1148 4 16 HiÖu suÊt > 90%, chuyÓn m¹ch ®ång bé LTC1158 5 30 HiÖu suÊt 90% víi dßng t¶i 15A S¬ ®å ch©n cña c¸c IC trong b¶ng trªn ®−îc cho trong h×nh sau: C¸c th«ng tin chi tiÕt vÒ tõng IC cã thÓ tham kh¶o thªm trong catalog cña nhµ s¶n xuÊt. §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 67 4.2. X©y dùng m« h×nh m« pháng 4.2.1. Giíi thiÖu chung Trong khu«n khæ cã h¹n cña ®Ò tµi, t¸c gi¶ xin tr×nh bµy m« h×nh m« pháng vµ c¸c kÕt qu¶ ®¹t ®−îc trong qu¸ tr×nh thiÕt kÕ nguån chuyÓn m¹ch dïng cho c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö x¸ch tay. C¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö x¸ch tay víi yªu cÇu nhá gän, cÊp nguån b»ng pin trong mét thêi gian dµi … ®· thùc sù t¹o ra mét h−íng ph¸t triÓn míi cho lÜnh vùc ®iÖn tö c«ng suÊt. Cã thÓ thÊy øng dông cho phÇn nµy rÊt phong phó víi nhiÒu yªu cÇu kh¸c nhau, xem h×nh 4.3 d−íi ®©y: H×nh 4. 3: Mét sè thiÕt bÞ cÇm tay yªu cÇu sö dông nguån chÊt l−îng cao §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 68 Trong øng dông cÊp nguån cho c¸c thiÕt bÞ cÇm tay cã thÓ nhËn ngay ra r»ng c¸c thiÕt bÞ nµy yªu cÇu ®iÖn ¸p thÊp cÊp b»ng pin. V× ho¹t ®éng b»ng pin nªn ®iÓm nèi ®Êt cña ngâ ra kh«ng cÇn c¸ch ly víi ®iÓm nèi ®Êt ngâ vµo. §iÒu nµy cho phÐp lo¹i bá biÕn ¸p xung hay bé ghÐp quang lµm cho viÖc thiÕt kÕ trë nªn ®¬n gi¶n trong khi tiÕt kiÖm ®−îc chi phÝ s¶n xuÊt vµ ®¹t ®−îc hiÖu suÊt cao. C¸c phÇn chÝnh cña c¸c bé nguån dïng ë ®©y hÇu nh− n»m hoµn toµn trong mét IC vµ chØ yªu cÇu bªn ngoµi mét ®iÖn c¶m, vµi tô ®iÖn vµ vµi ®iÖn trë ®Ó thiÕt lËp mét sè th«ng sè riªng cña m¹ch. TÇn sè ho¹t ®éng n»m trong kho¶ng tõ 60KHz ®Õn 500KHz còng lµ nguyªn nh©n khiÕn cho c¸c linh kiÖn bªn ngoµi nµy kh¸ nhá vµ m¹ch còng gi¶m ®−îc kÝch th−íc ®¸ng kÓ, khi ®ã ph−¬ng ¸n thiÕt kÕ nguån tèi −u lµ ®¹t ®−îc hiÖu suÊt cao chø kh«ng ph¶i lµ tiªu chÝ nhá gän. Mçi thiÕt bÞ x¸ch tay th−êng yªu cÇu nhiÒu ngâ ra víi c¸c th«ng sè kh¸c nhau. Nh− ®· nãi ë ch−¬ng 3, khi ®ã cÇn sö dông biÕn ¸p nhiÒu ®Çu ra nh− h×nh 4.4 d−íi ®©y. Tuy nhiªn, ph−¬ng ph¸p nµy cã nh−îc ®iÓm lín ®ã lµ viÖc ®iÒu khiÓn nhê vßng håi tiÕp chØ ®−îc dïng cho ®Çu ra chÝnh, nghÜa lµ c¸c ®Çu ra cßn l¹i kh«ng ®−îc ®iÒu chØnh chÝnh x¸c vµ æn ®Þnh tèt. Vs2 Vs1 Vm PWM Vac + H×nh 4. 4: S¬ ®å th«ng dông cã nhiÒu ®iÖn ¸p ngâ ra §Ó kh¾c phôc nh−îc ®iÓm cña s¬ ®å trªn, ng−êi ta sö dông s¬ ®å ph©n phèi c«ng suÊt nh− trong h×nh 4.5. Khi nµy nã t¹o ra mét ®iÖn ¸p chung (kh«ng cÇn ®iÒu chØnh tèt) vµ nhiÒu bé biÕn ®æi Buck, Boost, ®¶o pha … chuyÓn nã tíi c¸c ®iÖn ¸p yªu cÇu. Nh− vËy, mçi ngâ ra cã bé æn ®Þnh riªng vµ nh− thÕ tÊt c¶ ®Òu ®−îc æn ®Þnh tèt. §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 69 PWM PWM PWM V2 V3 V1 Vac + + + H×nh 4. 5: S¬ ®å ph©n phèi c«ng suÊt Th«ng th−êng ngâ ra chÝnh cã dßng lín nhÊt ë ®iÖn ¸p 5V ®−îc nhËn trùc tiÕp tõ biÕn ¸p c«ng suÊt chÝnh. Nã ®−îc ®iÒu khiÓn b»ng vßng håi tiÕp tõ mét mÉu ®iÖn ¸p trªn ngâ ra ®Ó ®iÒu khiÓn thêi gian më cña transistor c«ng suÊt cña ngâ vµo. C¸c ngâ ra cßn l¹i ®−îc nhËn tõ c¸c bé biÕn ®æi víi c¸c vßng håi tiÕp riªng. Khi ®ã, m¹ch sÏ cã c¸c −u ®iÓm sau: ƒ BiÕn ¸p c«ng suÊt chÝnh ®¬n gi¶n h¬n vµ gi¸ thµnh rÎ h¬n. ƒ Gi¶m thiÓu ¶nh h−ëng cña c¸c th«ng sè cña biÕn ¸p. ƒ Sù thay ®æi cña dßng ®iÖn hay ®iÖn ¸p ngâ ra Ýt ¶nh h−ëng tíi thiÕt kÕ biÕn ¸p chÝnh. ƒ ViÖc thªm hay bít mét vµi ®iÖn ¸p ngâ ra dÔ dµng h¬n. ƒ Kh«ng x¶y ra kh¶ n¨ng lµm mÊt vßng håi tiÕp toµn bé cña hÖ thèng nh− ®èi víi phÇn sö dông biÕn ¸p nhiÒu ®Çu ra. Tuy nhiªn kiÓu ph©n phèi c«ng suÊt nh− trªn th−êng kh«ng cho hiÖu suÊt cao v× cã nhiÒu tæn hao khi sö dông nhiÒu bé æn ®Þnh. Nh−ng do cã c¸c −u ®iÓm nh− ®· nãi nªn h−íng ph¸t triÓn nguån cung cÊp nhiÒu ngâ ra theo c¸ch nµy ngµy cµng ®−îc quan t©m nhiÒu. Tõ nh÷ng ph©n tÝch nh− trªn, phÇn tiÕp theo sÏ tr×nh bµy thiÕt kÕ cña mét bé nguån chÊt l−îng cao dïng cho thiÕt bÞ x¸ch tay nh− Notebook hoÆc Palm víi 3 ®Çu ra (3.3V, 5V vµ 12V) víi ph−¬ng ph¸p ph©n phèi c«ng suÊt. 4.2.2. TÝnh to¸n th«ng sè vµ lùa chän linh kiÖn cho tõng ®Çu ra Yªu cÇu cña bé nguån: §iÖn ¸p vµo: dïng nguån pin cã Vi(min) = 6V vµ Vi(max) = 9V, gi¸ trÞ danh ®Þnh lµ 7.5V §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 70 Ngâ ra: 1. Ngâ ra 3.3V, 2A 2. Ngâ ra 5V, 2A 3. Ngâ ra 12V, 150mA HiÖu suÊt: > 90% Lùa chän IC ®iÒu khiÓn: VÒ nguyªn t¾c cã thÓ lùa chän c¸c IC ®iÒu khiÓn riªng cho tõng ®Çu ra. §iÖn ¸p vµo sÏ cÊp cho IC ®Çu tiªn (th−êng lµ IC cho phÐp lÊy ra ®Çu ra 5V), ®Çu ra cña m¹ch nµy sÏ ®−a tíi ®Çu vµo cña c¸c IC tiÕp theo ®Ó ®−îc c¸c ®iÖn ¸p ra theo yªu cÇu. Trong bµi to¸n ®Æt ra ë ®©y cã 3 ®Çu ra, t¸c gi¶ chän IC LTC1142HV víi hai bé æn ®Þnh riªng biÖt bªn trong ®Ó lÊy ra ®−îc ®iÖn ¸p 5V vµ 3.3V cßn IC thø hai lµ LT1070 ®Ó lÊy ra ®iÖn ¸p 12V. ViÖc lùa chän LTC1142HV víi hai ®Çu ra sÏ lµm cho m¹ch ®¬n gi¶n vµ æn ®Þnh h¬n, cßn IC thø hai cã thÓ chän IC ®iÒu khiÓn cho m¹ch Boost bÊt kú (LT1070, LT1074, LT1121 …). S¬ ®å cÊu t¹o bªn trong vµ b¶ng chøc n¨ng cña c¸c ch©n cña hai IC LTC1142HV vµ LTC1070 ®−îc giíi thiÖu tãm t¾t trong phÇn tiÕp theo ®©y. H×nh 4. 6: S¬ ®å cÊu tróc cña IC LTC1142HV Chó ý: lµ ch©n sè 2 ®èi víi LTC1142 vµ lµ ch©n 16 ®èi víi LTC1142HV. IC nµy chØ lµ IC ®iÒu khiÓn kh«ng chøa chuyÓn m¹ch c«ng suÊt. §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 71 ViÖc thay ®æi Ton trong IC LTC1142HV ®−îc thùc hiÖn b»ng c¸ch gi÷ cho Toff kh«ng ®æi trong khi thay ®æi tÇn sè chuyÓn m¹ch. Gi¸ trÞ tÇn sè chuyÓn m¹ch danh ®Þnh ®−îc x¸c ®Þnh bëi CT nh−ng trÞ sè thùc cña tÇn sè nµy phô thuéc vµo sù thay ®æi cña ®iÖn ¸p ®Çu vµo Vin. H×nh 4. 7: S¬ ®å cÊu tróc cña IC LT1070 Chó ý: TÇn sè chuyÓn m¹ch ®−îc x¸c ®Þnh bëi bé dao ®éng néi víi tÇn sè danh ®Þnh lµ 40KHz. IC LT1070 lµ IC ®iÒu khiÓn cã s½n chuyÓn m¹ch c«ng suÊt bªn trong. B¶ng chøc n¨ng c¸c ch©n cña IC LTC1142HV §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 72 Ch©n sè Tªn gäi Chøc n¨ng 1 Sense+3 §Çu vµo + cña bé so s¸nh dßng ë phÇn 3.3V. §iÖn trë Rs3 nèi gi÷a ch©n 1 vµ ch©n 28 sÏ x¸c ®Þnh gi¸ trÞ dßng ®Çu ra. 2 Shdn3 Khi nèi ®Êt th× phÇn 3.3V ho¹t ®éng b×nh th−êng, khi nèi víi ®iÖn ¸p cao th× c¶ hai MOSFET sÏ kh«ng ho¹t ®éng vµ phÇn 3.3V v× vËy kh«ng cã tÝn hiÖu ra. 3 Sngd3 Nèi ®Êt ®èi tÝn hiÖu nhá cña phÇn 3.3V. §iÓm nèi ®Êt cña ch©n nµy ph¶i c¸ch ly khái ®iÓm nèi ®Êt cña tô ®Çu ra 4 Pngd3 Ch©n nèi ®Êt cña phÇn ®iÒu khiÓn c«ng suÊt cho 3.3V, nã ®−îc nèi ®Êt víi cùc nguån cña N-MOSFET vµ cùc – cña tô ®Çu ra 5 NC Kh«ng cÇn nèi 6 Ndrive3 §iÒu khiÓn dßng lín cho N-MOSFET cña phÇn 3.3V 7 NC Kh«ng cÇn nèi 8 NC Kh«ng cÇn nèi 9 Pdrive5 §iÒu khiÓn dßng lín cho P-MOSFET cña phÇn 5V 10 Vin5 Ch©n nguån cung cÊp cho phÇn 5V 11 Ct5 Nèi víi tô ngoµi CT5 víi ®Êt ®Ó x¸c ®Þnh tÇn sè ho¹t ®éng cña phÇn 5V 12 Intvcc5 §iÖn ¸p cung cÊp bªn trong cho phÇn 5V, danh ®Þnh lµ 3.3V 13 Ith5 Dßng ng−ìng trong bé so s¸nh dßng cña phÇn 5V sÏ t¨ng theo ®iÖn ¸p ®Æt t¹i ch©n nµy 14 Sense-5 Nèi víi bé chia ®iÖn trë bªn trong ®Ó ®−a ®iÖn ¸p 5V ra ngoµi. Ch©n nµy còng lµ ch©n – cña bé so s¸nh dßng cña phÇn 5V 15 Sense+5 §Çu vµo d−¬ng cña bé so s¸nh dßng cña phÇn 5V. §iÖn trë Rs5 nèi gi÷a ch©n 14 vµ 15 sÏ x¸c ®Þnh gi¸ trÞ dßng ®Çu ra. 16 shdn5 Khi nèi ®Êt th× phÇn 5V ho¹t ®éng b×nh th−êng, nÕu nèi víi ®iÖn ¸p cao th× phÇn nµy coi nh− ho¹t ®éng ë chÕ ®é t¾t. 17 Sngd5 Nèi ®Êt ®èi tÝn hiÖu nhá cña phÇn 5V. §iÓm nèi ®Êt cña ch©n nµy ph¶i c¸ch ly khái ®iÓm nèi ®Êt cña tô ®Çu ra 18 Pngd5 Ch©n nèi ®Êt cña phÇn ®iÒu khiÓn c«ng suÊt cho 5V, nã ®−îc nèi ®Êt víi cùc nguån cña N-MOSFET vµ cùc – cña tô ®Çu ra 19 NC Kh«ng cÇn nèi 20 Ndrive5 §iÒu khiÓn dßng lín cho N-MOSFET cña phÇn 5V 21 NC Kh«ng cÇn nèi 22 nc Kh«ng cÇn nèi 23 Pdrive3 §iÒu khiÓn dßng lín cho P-MOSFET cña phÇn 3.3V 24 Vin3 Ch©n nguån cung cÊp cho phÇn 3.3V 25 Ct3 Nèi víi tô ngoµi CT3 víi ®Êt ®Ó x¸c ®Þnh tÇn sè ho¹t ®éng cña phÇn 3.3V 26 Intvcc3 §iÖn ¸p cung cÊp bªn trong cho phÇn 3.3V, danh ®Þnh lµ 3.3V 27 Ith3 Dßng ng−ìng trong bé so s¸nh dßng cña phÇn 3.3V sÏ t¨ng theo ®iÖn ¸p ®Æt t¹i ch©n nµy 28 Sense-3 Nèi víi bé chia ®iÖn trë bªn trong ®Ó ®−a ®iÖn ¸p 3.3V ra ngoµi. Ch©n nµy còng lµ ch©n – cña bé so s¸nh dßng cña phÇn 3.3V §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 73 B¶ng chøc n¨ng c¸c ch©n cña IC LT1070 Ch©n sè Tªn gäi Chøc n¨ng 1 VC §−îc sö dông ®Ó bï tÇn sè, giíi h¹n dßng, khëi ®éng vµ t¾t mÒm. Nã thùc chÊt lµ ®Çu ra cña bé so s¸nh sai sè vµ lµ ®Çu vµo cña bé so s¸nh dßng 2 Fb Ch©n håi tiÕp lµ ®Çu vµo cña bé so s¸nh sai sè (®Çu vµo kh«ng ®¶o cña bé so s¸nh sai sè cã ®iÖn ¸p chuÈn 1.244V) 3 gNd Ch©n nèi ®Êt 4 Vsw Ch©n ®Çu ra, nã thùc chÊt lµ colecto cña transistor c«ng suÊt chuyÓn m¹ch bªn trong. 5 vin §Çu vµo cÊp nguån víi ®iÖn ¸p tõ 3V ®Õn 40V TÝnh to¸n gi¸ trÞ cña c¸c linh kiÖn cho ®Çu ra 5V/ 2A §iÖn ¸p ®Çu vµo cã gi¸ trÞ tõ 6V ®Õn 20V víi gi¸ trÞ danh ®Þnh 12V nªn ®Ó lÊy ®−îc ®iÖn ¸p 5V ®Çu ra ta sÏ sö dông s¬ ®å m¹ch gi¶m ¸p (Buck) nh− ®· nãi trong ch−¬ng 3. S¬ ®å m¹ch nh− sau: Vdc Vo IC ®iÒu khiÓn LTC1142HV D1 SCHOTTKY NEMOS PEMOS Rs1 C L H×nh 4. 8: S¬ ®å dïng IC LTC1142HV ®iÒu khiÓn m¹ch Buck + §iÖn trë c¶m biÕn dßng Rs1 dïng ®Ó x¸c ®Þnh gi¸ trÞ dßng ®Çu ra nªn ®−îc tÝnh theo c«ng thøc: ][50 2 100100 max0 1 Ω=== mA mV I mVRS (4. 1) §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 74 + X¸c ®Þnh Toff Do m¹ch Buck cã ®iÖn ¸p ®Çu ra ®−îc tÝnh theo c«ng thøc (3.1) T TVV oni=0 mµ T = Ton + Toff Suy ra: )1( i o off V VTT −= (4. 2) Gi¶ sö m¹ch cã tÇn sè chuyÓn m¹ch lµ 200KHz nªn theo (4.2) sÏ x¸c ®Þnh ®−îc: Toff = ][67.1) 5.7 51( 200 1 s KHz µ=− + X¸c ®Þnh tô CT5 Gi¸ trÞ cña tô CT sÏ x¸c ®Þnh tÇn sè chuyÓn m¹ch theo c«ng thøc: f CT *10*6.2 1 4= (4. 3) th«ng th−êng Ton=Toff=T/2 nªn CT cã mèi quan hÖ víi Toff theo c«ng thøc: Toff = x 1.3 x 10TC 4 (4. 4) VËy ta tÝnh ®−îc: CT5 = 1.67 sµ /(1.3 x 104) = 128 [pF] + X¸c ®Þnh gi¸ trÞ cña cuén d©y Gi¸ trÞ cña cuén L ®−îc chän theo biÓu thøc (3.8) L = ondcn dcn IV TVVV 00 )(5 − = 0 05 I VToff (4. 5) Tõ ®ã tÝnh ®−îc víi phÇn m¹ch ngâ ra 5V cÇn dïng cuén d©y cã gi¸ trÞ: L1= ][30 2 5*10*67.1*5 6 Hµ= − + X¸c ®Þnh MOSFET Hai MOSFET c«ng suÊt m¾c bªn ngoµi gåm mét lo¹i P, ®ãng vai trß lµ chuyÓn m¹ch chÝnh vµ mét lo¹i N, ®ãng vai trß lµ chuyÓn m¹ch ®ång bé. Tiªu chÝ ®Ó lùa chän MOSFET c«ng suÊt lµ ®iÖn ¸p ng−ìng VGS vµ ®iÖn trë RDS khi MOSFET dÉn NÕu Vin > 8V th× chän VGS < 4V Khi m¹ch ho¹t ®éng ë chÕ ®é liªn tôc, gi¶ thiÕt r»ng mét trong hai MOSFET lu«n dÉn dßng t¶i trung b×nh. HÖ sè dÉn k khi ®ã ®−îc tÝnh cho mçi MOSFET lµ: §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 75 §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö Vµ cã δ N = δ P = 0.27 Khi ®ã tÝnh ®−îc RDS(dÉn) cho c¸c MOSFET ë ®Çu ra 5V lµ: Víi c¸ch chän c¸c linh kiÖn chÝnh nh− võa tr×nh bµy ë trªn, m« pháng b»ng phÇn mÒm LTSpice CadIII ®−îc s¬ ®å m¹ch vµ kÕt qu¶ nh− sau: §Çu ra 5V cã dßng max lµ 2A nªn chän diode MBRS130L ®Ó tho¶ m·n c¸c tiªu chÝ trªn. Diode Schottky chØ dÉn trong kho¶ng thêi gian “chÕt”, lµ kho¶ng thêi gian gi÷a c¸c kho¶ng dÉn cña hai MOSFET. Diode cã mét nhiÖm vô duy nhÊt lµ ng¨n kh«ng cho h¹t dÉn bÞ tÝch tr÷ trong N-MOSFET trong kho¶ng thêi gian chÕt. ViÖc lùa chän diode nµy dùa trªn th«ng sè sôt ¸p thuËn trªn nã nhá h¬n 0.6V khi nã dÉn dßng Imax vµ tiªu hao c«ng suÊt kh«ng qu¸ 1%. + X¸c ®Þnh diode Víi c¸c gi¸ trÞ trªn chän P-MOSFET lµ lo¹i Si9435DY vµ N-MOSFET lµ lo¹i Si4490DY suy ra: kN-MOSFET = RDS(dÉn) N-MOSFET = ][6.147*)55.7( *5.7 )1(**)( * 2 00 Ω=−=+− mIVV PV Ni Ni δ 27.1*2 250 2 RDS(dÉn) P-MOSFET = Gi¶ sö c¸c MOSFET cã tæn thÊt c«ng suÊt lµ PN = PP = 250 [mW] Gi¶ sö trong thêi gian dÉn víi gi¸ trÞ ®iÖn trë RDS(dÉn) th× MOSFET Q lµm tiªu t¸n ®i c«ng suÊt lµ PQ. Ta sÏ cã: Víi Qδ Suy ra: RDS(dÉn) = lµ hÖ sè phô thuéc vµo nhiÖt ®é cña RDS(dÉn) kP-MOSFET = ][8.73 27.1*2*5 250*5.7 )1(** * 22 00 Ω==+ mIV PV P Pi δ PQ = k*I 2 max*RDS(dÉn)*(1+δ Q) Vi Vo T Ton = Vi VoVi T Toff −= )1(** 20 Q Q Ik P δ+ (4. 6) 76 H×nh 4. 9: S¬ ®å m¹ch cho ®Çu ra 5V/2A §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 77 H×nh 4. 10: D¹ng ®iÖn ¸p t¹i ®Çu ra 5V/2A §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 78 §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö H×nh 4. 11: B¶ng thèng kª kÕt qña vµ linh kiÖn sö dông trong phÇn 5V/2A %72.94%100. 4.10 851.92 === W W P Pn in Rload Tõ b¶ng thèng kª kÕt qu¶ x¸c ®Þnh ®−îc hiÖu suÊt ®Çu ra 5V/2A: 79 §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö + §iÖn trë c¶m biÕn dßng Rs2 : ®−îc tÝnh theo c«ng thøc (4.1) VÉn gi¶ sö m¹ch cã tÇn sè chuyÓn m¹ch lµ 200KHz nªn theo (4.2) sÏ x¸c ®Þnh ®−îc: Toff = Gi¸ trÞ cña c¸c linh kiÖn ®−îc chän cô thÓ nh− sau (kh«ng gi¶i thÝch l¹i): PhÇn nµy ®−îc thiÕt kÕ theo tr×nh tù gièng hÖt nh− thiÕt kÕ cho ®Çu ra 5V/2A. S¬ ®å m¹ch vÉn sö dông m¹ch gi¶m ¸p cña h×nh 4.8. + X¸c ®Þnh tô CT3 : theo c«ng thøc (4.3) vµ (4.4) Vµ cã δ N = δ P = 0.27 Khi ®ã tÝnh ®−îc RDS(dÉn) cho c¸c MOSFET ë ®Çu ra 3.3V theo c«ng thøc (4.6) lµ: + X¸c ®Þnh Toff: theo c«ng thøc (4.2) TÝnh to¸n gi¸ trÞ cña c¸c linh kiÖn cho ®Çu ra 3.3V/ 2A Gi¶ sö c¸c MOSFET cã tæn thÊt c«ng suÊt lµ PN = PP = 250 [mW] + X¸c ®Þnh MOSFET RDS(dÉn) P-MOSFET = Víi c¸ch chän c¸c linh kiÖn chÝnh nh− võa tr×nh bµy ë trªn, m« pháng b»ng phÇn mÒm LTSpice CadIII ®−îc s¬ ®å m¹ch vµ kÕt qu¶ nh− sau: §Çu ra 3.3V cã dßng max lµ 2A nªn chän diode MBRS130L ®Ó tho¶ m·n c¸c tiªu chÝ trªn. ViÖc lùa chän diode Schottky dùa trªn th«ng sè sôt ¸p thuËn trªn nã nhá h¬n 0.6V khi nã dÉn dßng Imax vµ tiªu hao c«ng suÊt kh«ng qu¸ 1%. + X¸c ®Þnh diode Víi c¸c gi¸ trÞ trªn chän P-MOSFET lµ lo¹i Si9803DV vµ N-MOSFET lµ lo¹i Si9936DY RDS(dÉn) N-MOSFET = + X¸c ®Þnh gi¸ trÞ cña cuén d©y: L2 ®−îc chän theo biÓu thøc (4.5) ][50 2 100100 max0 2 Ω=== mA mV I mVRS ] *3 250*5.7 1(** * 22 00 Ω=+ mIV PV Pi ][88.87 27.1*2*)3.35.7( 250*5.7 )1(**)( * 22 00 Ω=−=+− mIVV PV Ni Ni δ CT3 = ][8.2) 5.7 3.31( 200 1 s KHz µ=− L2= ][215 10*3.1 8.2 4 pF s =µ ][1.23 2 3.3*10*8.2*5 6 Hµ= − .3) = Pδ 27.1*2 [89.33 80 H×nh 4. 12: S¬ ®å m¹ch phÇn ®Çu ra 3.3V/2A §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 81 H×nh 4. 13: D¹ng ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn t¹i ®Çu ra 3.3V/2A §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 82 §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö H×nh 4. 14: B¶ng kÕt qu¶ vµ thèng kª linh kiÖn sö dông cho ®Çu ra 3.3V/2A %03.93%100. 99.6 503.61 === W W P Pn in Rload Tõ b¶ng thèng kª kÕt qu¶ x¸c ®Þnh ®−îc hiÖu suÊt ®Çu ra 3.3V/2A: 83 TÝnh to¸n gi¸ trÞ cña c¸c linh kiÖn cho ®Çu ra 12V/ 150mA IC ®iÒu khiÓn sö dông LT1070 lµ lo¹i IC ®a n¨ng cã kh¶ n¨ng ®iÒu khiÓn cho nhiÒu kiÓu m¹ch kh¸c nhau tuú theo c¸ch m¾c. Transistor chuyÓn m¹ch c«ng suÊt n»m s½n trong IC nµy vµ cã ®Çu ra ë ch©n SW. VËy ta cã s¬ ®å m¹ch Boost ®Ó ®−a ®iÖn ¸p ®Çu vµo thÊp (kho¶ng tõ 6V ®Õn 10V) lªn ®iÖn ¸p 12V nh− sau: H×nh 4. 15: S¬ ®å m¹ch nguyªn lý cña bé æn ®Þnh Boost + Bé ph©n ¸p lÊy ®iÖn ¸p mÉu R1, R2 : §iÖn ¸p lÊy tõ bé ph©n ¸p ®−îc ®−a tíi ch©n FB cña IC. Ch©n håi tiÕp nµy chÝnh lµ ®Çu vµo ®¶o cña bé khuÕch ®¹i sai sè víi ®iÖn ¸p chuÈn lµ 1.24V. Do ®ã cã thÓ x¸c ®Þnh r»ng ®iÖn ¸p t¹i ch©n FB cÇn ®¹t 1.24V. Tõ ®ã x¸c ®Þnh ®−îc mèi quan hÖ cña R1 vµ R2 nh− sau: 021 2 V RR RVFB += Suy ra: )1 24.1 (21 0 −= VRR (4. 7) Chän c¸c gi¸ trÞ cña ®iÖn trë nµy sao cho dßng ch¹y qua bé chia ¸p kho¶ng 1mA. NghÜa lµ: R1 + R2 ≈ (Vo/1mA) = 12K Gi¶ sö chän R2 = 1.24K, khi ®ã theo c«ng thøc (4.7) tÝnh ®−îc R1 = 12 – 1.24 = 12 – 1.24 = 10.76K + X¸c ®Þnh gi¸ trÞ cña cuén d©y: Theo c¸c c«ng thøc (3.15) ta cã: 00 2 *2 ** IV VTkL ion= (4. 8) §Ó m¹ch ho¹t ®éng ë chÕ ®é kh«ng liªn tôc nh− ®· ph©n tÝch trong ch−¬ng 3 th× k ®−îc chän b»ng 0.8 vµ khi ®ã Ton(max) cã gi¸ trÞ nh− trong biÓu thøc (3.16) Vdc Vo IC ®iÒu khiÓn LT1070 . L D R1 Co R2 84 §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö ][003.0 12*10*40 )612(*8.0)(8.0 3 0 (min)0 (max) msV VVT T ion =−= −= Víi c¸ch chän c¸c linh kiÖn chÝnh nh− võa tr×nh bµy ë trªn, m« pháng b»ng phÇn mÒm LTSpice CadIII ®−îc s¬ ®å m¹ch vµ kÕt qu¶ nh− sau: §Çu ra 12V cã dßng ra lµ 150mA nªn chän diode MBRS340 ®Ó tho¶ m·n c¸c tiªu chÝ trªn. Diode ®−îc chän lµ diode t¾t nhanh vµ th−êng chän lµ lo¹i diode Schottky dùa trªn th«ng sè sôt ¸p thuËn trªn nã nhá h¬n 0.6V khi nã dÉn dßng Imax vµ tiªu hao c«ng suÊt kh«ng qu¸ 1%. Thay vµo (4.8) x¸c ®Þnh ®−îc gi¸ trÞ cña cuén d©y dïng trong m¹ch ®Çu ra 12V nh− sau: + X¸c ®Þnh diode V× chän Vi(min) = 6V vµ tÇn sè chuyÓn m¹ch cña LT1070 lµ 40KHz ][5.37 150*12*2 5.7*003.0*8.0 *2 ** (max)3 2 00 2 (max) H IV VTk L ion µ=== 85 H×nh 4. 16: S¬ ®å m¹ch cña m¹ch thiÕt kÕ cho ®Çu ra 12V/150mA §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 86 H×nh 4. 17: D¹ng ®iÖn ¸p ®Çu ra 12V/150mA §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 87 §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö H×nh 4. 18:B¶ng kÕt qu¶ vµ thèng kª linh kiÖn sö dông cho ®Çu ra 12V/150mA %92%100. 97.1 812.13 === W W P Pn in Rload Tõ b¶ng thèng kª kÕt qu¶ x¸c ®Þnh ®−îc hiÖu suÊt ®Çu ra 12V/150mA: 88 §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 4.3. §¸nh gi¸ vµ thÝ nghiÖm kÕt qu¶ trªn m« h×nh m« pháng 4.3.1. M« pháng cho m¹ch ®¬n C¸c m¹ch ®¬n thiÕt kÕ cho tõng ®Çu ra nh− trªn ®Òu cho kÕt qu¶ m« pháng t−¬ng tù nh− lý thuyÕt. C¸c gi¸ trÞ cña linh kiÖn lµ hoµn toµn dùa trªn kÕt qu¶ tÝnh to¸n lý thuyÕt mµ ch−a cã sù ®iÒu chØnh nµo. Trong ®iÒu kiÖn tÝnh to¸n nh− vËy ta thu ®−îc kÕt qu¶: + D¹ng ®iÖn ¸p ®Çu ra: C¸c m¹ch ®Òu cã d¹ng ®iÖn ¸p ®Çu ra gièng nh− trong lý thuyÕt ®· tr×nh bµy ë ch−¬ng 3. Cô thÓ lµ: M¹ch 5V vµ 3.3V thùc chÊt lµ m¹ch Buck, ®Çu ra cã d¹ng ®iÖn ¸p gièng d¹ng sãng ®Æc tr−ng cña bé chuyÓn m¹ch Buck cho trong h×nh 3.1 M¹ch 12V thùc chÊt lµ m¹ch Boost ho¹t ®éng ë chÕ ®é kh«ng liªn tôc, ®Çu ra cã d¹ng ®iÖn ¸p gièng d¹ng sãng ®Æc tr−ng cña bé chuyÓn m¹ch Boost trong h×nh 3.4. + HiÖu suÊt: C¸c m¹ch ®Òu ®¹t hiÖu suÊt trªn 90%, nghÜa lµ thÓ hiÖn ®−îc −u ®iÓm næi tréi cña SMPS lµ hiÖu suÊt rÊt cao. + Gi¸ trÞ trung b×nh cña ®iÖn ¸p ®Çu ra: Víi c¸c sè liÖu tÝnh trong lý thuyÕt th× gi¸ trÞ trung b×nh cña ®iÖn ¸p ®Çu ra cña m¹ch 1 vµ 2 vÉn ch−a ®¹t ®é chÝnh x¸c 100% . Cô thÓ lµ: M¹ch 5V cã ®iÖn ¸p trung b×nh Vo1 = 4.96V M¹ch 3.3V cã ®iÖn ¸p trung b×nh Vo2 = 3.33V M¹ch 12V cã ®iÖn ¸p trung b×nh Vo3 = 12V 4.3.2. M« pháng cho m¹ch tæng hîp: Sau khi thiÕt kÕ riªng cho tõng ®Çu ra ta ghÐp l¹i thµnh mét m¹ch thèng nhÊt vµ ®iÒu chØnh mét sè th«ng sè ®Ó ®−îc kÕt qu¶ tèt h¬n nh− sau: 89 H×nh 4. 19: S¬ ®å m¹ch bé nguån 3 ®Çu ra dïng cho Notebook §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 90 H×nh 4. 20: B¶ng thèng kª linh kiÖn vµ hiÖu suÊt ®¹t ®−îc §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 91 §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö H×nh 4. 21: D¹ng sãng cña c¶ ba ®Çu ra: 5V, 3.3V, 12V %49.93%100. 5.36 787.17839.9499.6123 =++=++= in RloadRloadRload P PPPn Tõ b¶ng thèng kª kÕt qu¶ x¸c ®Þnh ®−îc hiÖu suÊt cña m¹ch lµ: 92 KÕt luËn Khoa häc kü thuËt ngµy nay ®ang ph¸t triÓn rÊt nhanh nh»m ®em l¹i nh÷ng lîi Ých lín nhÊt cho con ng−êi. Trong sè c¸c lÜnh vùc cã nhiÒu thµnh c«ng víi nh÷ng b−íc tiÕn v−ît bËc ph¶i kÓ tíi lÜnh vùc ®iÖn tö. C¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö ngµy cµng cã nhiÒu tÝnh n¨ng linh ho¹t, chÊt l−îng cao, kÝch th−íc nhá gän, tuæi thä l©u vµ gi¸ thµnh th× liªn tôc gi¶m. Tuy nhiªn, ®Ó cã ®−îc nh÷ng thiÕt bÞ cã nh÷ng −u ®iÓm Êy th× mét nh¸nh nghiªn cøu rÊt quan träng ®ã lµ nghiªn cøu ®Ó t¹o ra c¸c bé nguån tèi −u phï hîp cho tõng thiÕt bÞ. Gi¶i ph¸p thùc hiÖn ë tÊt c¶ c¸c bé nguån dïng cho c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö hiÖn nay lµ thiÕt kÕ theo ph−¬ng ph¸p æn ¸p xung, cßn gäi lµ nguån chuyÓn m¹ch. Khèi nguån lo¹i nµy cho phÐp tèi −u ho¸ vÒ mÆt kÝch th−íc, mËt ®é tÝch hîp c«ng suÊt cao, chÊt l−îng ®Çu ra æn ®Þnh …. Thùc tÕ chØ ra r»ng, víi nh÷ng yªu cÇu cao ®Æt lªn bé nguån th× x¸c suÊt h− háng x¶y ra ë phÇn nµy so víi c¸c phÇn cøng kh¸c cña thiÕt bÞ lµ t−¬ng ®èi cao. V× vËy, yªu cÇu cÇn söa ch÷a nh÷ng h− háng nµy lµ lín. Thªm vµo ®ã, trong xu h−íng ph¸t triÓn cña ®Êt n−íc theo con ®−êng c«ng nghiÖp ho¸ - hiÖn ®¹i ho¸ th× viÖc tiÕn ®Õn mét nÒn s¶n xuÊt tiªn tiÕn lµ tÊt yÕu. V× vËy, qu¸ tr×nh chuÈn bÞ ®Çy ®ñ vÒ mÆt lý thuyÕt sÏ lµ b−íc ®i cã tÝnh chÊt quyÕt ®Þnh. Víi mong muèn ®ãng gãp mét phÇn nhá bÐ vµo viÖc bæ sung kiÕn thøc vÒ nguån chuyÓn m¹ch nh÷ng g× t¸c gi¶ tr×nh bµy trong quyÓn luËn v¨n nµy sÏ lµ tµi liÖu tham kh¶o cã Ých cho nh÷ng ai muèn thiÕt kÕ, l¾p r¸p vµ söa ch÷a bé nguån chÊt l−îng cao dïng trong c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö. §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö 93 Tµi liÖu tham kh¶o [1] – NguyÔn V¨n Nhê: §iÖn tö c«ng suÊt . §H BK HCM . 2005 [2] – Joseph Vithayathil: Power Electronics . 1995 [3] - Mohan, Undeland, Robin: Power Electronics . 1997 [4] - Fang Lin Luo, Hong Ye: Advanced DC/DC Converter . 2004 [5] - Abraham I. Pressman: Switching Power Supply Design . 2001 [6] - Hunt, Lipsman, Rosenberg: A guide to MATLAB . 2003 [7] - NguyÔn Phïng Quang: Matlab & Simulink . NXB KHKT . 2003 [8] - A. Dumitrescu, D. Fodor, M. Rosu: Modeling and simulation of electric drive systems using Matlab/Simulink environments . 1999 [9] – Linear Teachnology Corporation: Design Note, Application Note 51, 54, 57,66, 67, 76, 84. 1993 – 2006 [10] – Cybernet Systems Co., Switching Power Supply Design Utilizing / Pspice - 2002 §Ò tµi: Nghiªn cøu gi¶i ph¸p thiÕt kÕ nguån chÊt l−îng cao dïng trong thiÕt bÞ ®iÖn tö