Mạch nguồn DC to DC

Cơ bản về mạch nguồn DC-DC

Lê Thành Nhân - BME Laboratory Page 1

Bài viết không đặt nặng vấn đề nghiên cứu học thuật ,mà chủ yếu là mang đến cho

người mới học những khái niệm cơ bản nhất về mạch điện tử .

Do quá trình biên soạn còn thiếu nhiều kinh nghiệm , nên không thể tránh khỏi

những sai sót.Mọi đóng góp mong các bạn gửi về :

Email : [email protected]

FB :

Các ví dụ minh họa được thiết kế trên Altium designer .Giải tích và mô phỏng

mạch trên Proteus và Pspice 9.2 .

Xin chân thành cảm ơn mọi sự đóng góp từ các bạn .

Lê Thành Nhân!

mailto:[email protected]



Mạch nguồn DC to DC .

Chapter 1 : Intruductions

I. Mở đầu :

Trong tất cả các hệ thống mạch điện tử , các máy móc thì mạch nguồn là phần

quan trọng nhât . Một hệ thống tốt khi và chỉ khi mạch nguồn phải hoạt động tốt và

ổn định .

Chính vì vậy mà mạch nguồn được dùng rất rộng rãi và trong tất cả các thiết bị

điện tử .

Mạch nguồn cung cấp năng lượng cho toàn hệ thống : Để tạo ra nguồn điện hợp lý

, tích trữ , …



DC to DC convert là 1 loại chuyển đổi dòng điện có hướng từ nguồn cung cấp

sang dòng điện có hướng khác với mức điện áp có thể điều khiển được .

Ngày nay , chúng ta dễ dàng sử dụng các linh kiện đã được thiết kế sẵn để tính

toán mức áp cần cung cấp ,chúng có rất nhiều giá trị với các mức áp / dòng ra

khác nhau , có loại nguồn có thể dao động trong khoảng rất nhỏ có khả năng ổn

định cao .

Phân loại : Dựa trên ứng dụng hoạt động , mà người ta chia DC- DC covert thành

nhiều loại dc –dc khác nhau , nhưng tựu chung lại thì chúng ta có 2 loại nguồn

chính sử dụng rộng rãi là : DC – DC linear và DC – DC switcher .

Với mạch nguồn switcher chúng ta lưu ý là nó hoạt động theo kiểu bùng phát theo

từng giai đoạn , như vậy nguồn năng lượng của nó cần đươc tích tụ trong các linh

kiện như tụ điện (capacitor) và cuộn dây (Inductor ).



Đối với mạch ổn áp tuyến tính thì kích thước khi thiết kế rất nhỏ gọn , ít bị nhiễu

,giá thành rẻ , nhưng hiệu suất lại thấp , sự tiêu hao lớn .Ngược lại mạch ổn áp kiểu

switcher thì hiệu suất lại rất cao , nhưng đi kèm theo đó là việc thiết kế mạch khá

khó khăn, kích thước lơn , lại rất dễ bị nhiễu tìn hiệu nếu sử dụng những linh kiện

có chất lượng kém .

Trong mạch linear thì chia thành 2 loai : DVR (Divided into Voltage Referrence )

chia áp dựa trên mức áp tham chiếu và LDO (Low drop output ) có nghĩa là áp

đầu vào và đầu ra có sự chênh lệch thấp .

Ổn áp theo kiểu switch cũng được chia thành 2 loại chính : dựa trên hiện tượng

điện cảm (Inductor Based) và kiểu nạp xả Charge Pump (capacitive or Inductor

less ) .

Thông thường với những chip IC mà được tích hợp sẵn chuyển mạch FETs thì

được gọi là mạch ổn áp (regulators) , còn nếu sử dụng FETs bên ngoài thì gọi là

điều khiển áp (Controllers).

II. Các thông số kỹ thuật :

1. Hiêu suất (Efficiency) :

Hiệu suất là tỉ số giữa công suất đầu và công suất tại đầu ra . Đây là thông số để

đánh tiêu chuẩn của 1 mạch nguồn convert .Tuy rằng công nghệ càng ngày càng

tiến bộ song vẫn chưa có 1 hệ thống nào đạt được hiệu suất 100% .



Phát biểu trên chỉ đúng khi mà điện áp đầu vào và điện áp tải (output ) phải hoạt

động ổn định .Lúc đó thông số mới chính xác .Tuy nhiên , với những mạch

nguồn ổn áp thì điện áp ra vẫn tồn tại 1 điện áp gợn sóng (bị nhiễu do nhiều

nguyên nhân) – Ripples Voltage .

Đôi khi trong thiết kế mạch nguồn convert thì nó cũng mang tính “Nghề nào

nghiệp nấy” hên xui , 1 thiết kế hoạt động tốt nhất lại không phải bản thiết kế

tốt nhất .Luôn có sự khác nhau rất nhiều giữa việc nghiên cứu lý thuyết và thiết

kế thực tế .

Ở đây chúng ta sẽ tập trung nghiên cứu về phần mạch nguồn tuyến tính .



Chapter 2 : Linear Regulator .

I. Khái niệm :

Mạch nguồn tuyến tính luôn cung cấp cho chúng ta 1 điện áp cố dịnh , điện áp

này là hằng số và không thay đổi theo thời gian .

Mạch tuyến tính được sử dụng rất rộng rãi trong những ứng dụng đơn giản , gọn

nhẹ và chi phí thấp , rất ít bị nhiễu từ tính và dễ thiết kế .

Mạch tuyến tính có hiệu suất không cao , và đăc biệt là không thể thiết kế thành

mạch boost (mạch tăng áp) . Mạch tăng áp có nghĩa là mức điện áp đầu ra lớn

hơn điện áp đầu vào .

Vout > Vin .

Trong mạch tuyến tính thì điện áp luôn được truyền 1 cách liên tục , điều này

gây nóng cho mạch điện ,vì vậy khi thiết kế phải tính đến phần giải nhiệt cho IC

nguồn .

Mạch tuyến tính có hiệu suất thấp do sự sụt áp qua mỗi phần tố của thiết bị

.Điện áp sụt này gây ra sự mất mát ,và gây ra nhiệt .Độ sụt áp ∆V

∆V = Vin - Vout .

Công suất tiêu hao ∆P = ∆V.I .

Tuy nhiên , mạch tuyến tính có những ưu điểm nổi bật như đơn giản , mức áp

ra có độ gợn sóng thấp , tốc độ đáp ứng dòng và áp nhanh, ít bị ảnh hưởng từ

tính (EMI) .

Bảng tóm tắt :



Fig 2.1

II . Nguyên lý làm việc :

Fig 2.2

Điện áp đầu ra được cố định bởi việc sử dụng 2 điện trở kháng thuần (Fig2.2 ).

Xem sơ đồ trên ta nhận thấy rằng mạch tuyến tính sử dụng kỹ thuật điều khiển hồi

tiếp vòng (Feedback Loop Control - FLC) .

III . Phân loại :



Trong các mạch nguồn tuyến tính thì người ta sử dụng :

+ BJT (Transistor lưỡng cực ) : Cho phép điện áp ngã vào cao , tốc độ đáp ứng

nhanh , nhưng lại có sự sụt áp lớn , hiệu suất làm việc thấp .

+ Mosfet : Có sự tối ưu trong hiệu suất làm việc , điện áp ngã vào nhỏ , tín hiệu

nhiễu thấp . Với mạch sử dụng Mosfet thì tựu chung được gọi là LDO (Low

droped output ) .Mạch này thường dùng trong những ứng dụng baseband ,

realtime clock …

1 số thông số đặc biệt khác , tham khảo :



Chapter 3 : Basic components and analysis .

I. Diode :

Ký hiệu : Trên mạch nguyên lý

Hình dáng thực tế :



Các diode trong những mach nguồn đa số là những diode chỉnh lưu .

Chịu được điện thế lớn .

Tiếp xúc mặt .

Hoạt động ở tần số thấp .

Khi làm việc với diode , chúng ta phải quan tâm tới các thông số như sau

: Điện áp ngược chịu được , dòng tiêu thụ, công suất tiêu hao , sụt áp qua

diode , và giá trị của tụ ký sinh .

Ví dụ : Thông số của 1 loại diode thường dùng : Có tài liệu đính kèm .





Ứng dụng :

Diode được dùng trong mạch nguồn với mục đích là để chỉnh lưu, chuyển dòng

AC thành dòng DC có gợn sóng .Có 2 cách mắc chỉnh lưu thường gặp đó là

chỉnh lưu bán chu kỳ và chỉnh lưu toàn chu kỳ .

1. Chỉnh lưu bán chu kỳ :

Chỉnh lưu bán chu kỳ có nghĩa là diode chỉ chỉnh lưu 1 nửa chu kỳ của nguồn

xoay chiều , phần dưới sẽ bị cắt (xén) .

------------------------------------------------------------------------------------------------

Điện áp ra trung bình của mạch :

Vavg =

.

Vpeak là điện thế đỉnh của nguồn vào .

Vavg là điện thế ra trung bình .

Fig 3.1



Tín hiệu của dòng AC .

Sau khi đã qua chỉnh lưu :

Các bạn có thể thấy phần chu kỳ kia đã bị diode xén mất .Như vậy ta đã có

được dòng điện gần như là DC (Vẫn còn gợn sóng ).Với tần số biến đổi đầu ra

và đầu vào là bằng nhau .

Giá trị điện áp DC đầu ra :

Vdc = Vac - 0.7V .



Lưu ý, trong các tài liệu nước ngoài thì người ta hay sử dụng ký hiệu Vrms thì

điều đó có nghĩa là : Đó chính là giá trị hiệu dụng , Vrms = V0 / sqrt(2) .

Thí nghiệm : Lắp mạch như hình trên , điện áp 12V ac được lấy thông qua biến

áp hạ áp .Đo giá trị điện ápvào - ra (điện áp trước và sau diode)của mạch trong

các trường hợp :

Chưa gắn tải .Tính mức sụt áp qua diode .

Sau khi gắn tải là điện trở 10k / P = ¼ W , tính dòng đi qua trước và sau

diode , tính áp trên trở , từ đó tính ra nội trở của diode .

Chỉnh lưu toàn kỳ thì chúng ta sẽ mắc thêm 1 con diode ở dây còn lại của

dòng điện AC .

2. Chỉnh lưu toàn kỳ với cầu diode :

Ký hiệu :

Hình dáng thực tế :



Khảo sát mạch sau :

Kết quả phân tích trên máy tính cho ra tín hiệu như sau :

Chưa gắn tải .Tính mức sụt áp qua diode .

Sau khi gắn tải là điện trở 10k / P = ¼ W , tính dòng đi qua trước và sau

diode , tính áp trên trở .



Dòng điện ra vẫn còn có những đường gợn sóng nhỏ , và chưa được thẳng

nhưng đã gần giống với dòng dc .

------------------------------------------------------------------------------------------------

Các thông số quan trọng :

Vavg =

.

Điện áp ra trung bình .

II. Mạch lọc :

Mục đích : Lọc phẳng dòng điện dc sau khi đã chỉnh lưu , giảm bớt độ gợn sóng

và ổn định dòng dc .

Có nhiều dạng mạch lọc như mạch lọc L-C ,R-L , R-C , R-L-C..

Các mạch lọc ở đây được khảo sát đối với mạch chỉnh lưu toàn chu kỳ sử dụng

cầu diode .

1. Mạch lọc sử dụng tụ điện :

+ Hệ số gợn sóng r :

Biểu thức :



Vr là giá trị điện thế gợn sóng ở đỉnh .

Vdc là điện áp dc đầu ra .

Hệ số r càng nhỏ thì mạch lọc càng tốt , điện áp ra sẽ ổn định hơn , để giảm r

thì chúng ta có thể tăng giá trị điện dung của tụ lên hoặc tăng nội trở của tải

Với Vr được xác định theo biểu thức :

Vp(in) là điện áp đỉnh sau khi đã qua chỉnh lưu của mạch cầu .

F tần số dòng điện xoay chiều .

C là giá trị điện dung của tụ .

Rload chính là trở kháng của tải tiêu thụ .

Với Vdc được xác định theo biểu thức :

Vdc là điện áp dc ra sau khi đã lọc .

Các đơn vị được sử dụng theo đơn vị chuẩn SI .

Xét ví dụ :

Cho mạch như hình vẽ :

r

dc

Vr

V

( )

1( )

. .r p in

load

V Vf R C

1(1 ) ( )

2dc p

load

V V infR C



Rload = 2.2k

Giải :

Điện áp đỉnh của nguồn :

Vp = 115.1,414 = 163V

Điện áp đỉnh của cuộn thứ cấp :

Điện áp đỉnh khi qua cầu diode Vp(in) :

Vp(in) = Vp – 1.4 = 14.9V

Điện áp dc sau khi đã qua lọc :

Điện thế gợn sóng ở đỉnh :

( )

1 .163 16.3

10p secV V

( ) 3 6

1 1 (1 ) (1 )14.9 14.3

2 2.60.2,2.10 .50.10dc p in

load

V V VfR C

( )

1( )

. .r p in

load

V Vf R C



=

Hệ số gợn sóng :

=

Dòng nạp – xả của tụ lọc : Do tính chất tích điện và xả điện của tụ . Khi

phóng điện , tụ sẽ sản sinh ra dòng điện , điều này có thể gây chạy cầu

diode nếu như cầu diode có dòng max nhỏ , vì vậy trong 1 số trường hợp

người ta còn mắc nối tiếp 1 trở từ chân + của cầu diode , rồi mới cho qua

tụ.Lưu ý là giá trị của R này phải nhỏ hơn trở kháng của tải .Dòng chạy

qua trở có thể tính theo công thức :

Với Ifsm là thông số dòng có trong datasheet của nhà sản xuất.

2. Mạch lọc LC :

------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------~~~~~~~~~~~~~~~~------------------

Chapter 4 : Thiết kế mạch nguồn

3 6

1)14.9 1.13

2,2.10 .60.50.10V

r

dc

Vr

V

1.130.079

14.3

7,9%r

(sec) 1.4p

surge

fsm

VR

I



1. Thiết kế mạch nguồn DC – DC linear convert :

Đây là phần trọng tâm của tài liệu ,từ những kết quả thí nghiệm trên ta đã có thể

thiết kế 1 mạch nguồn dc đơn giản,nhưng câu hỏi được đặt ra là vậy mức điện

áp có thực sự ổn định , ít gợn sóng hay không ?

Và ta thấy rằng nếu điện áp AC mà bị thay đổi tử 190 Vac – 220Vac thì mức áp

dc đầu ra cũng sẽ bị thay đổi theo .Vậy làm cách nào để có thể ghim áp dc ra cố

định ?

Ở đây chúng ta cần phải sử dụng đến mạch nguồn dc-dc convert , để thiết kế

mạch ổn áp cho mạch .

Vậy nên thiết kế mạch tuyến tính hay switcher ?

Việc lựa chọn nên thiết kế mạch nguồn gì là do tùy thuộc vào ứng dụng mà

chúng ta cần tính toán kỹ lưỡng .

Với những ứng dụng cần điện áp dc cung cấp liên tục , ít bị nhiễu , và giá thành

rẻ thì mạch nguồn tuyến tính là 1 lựa chọn hợp lý , bây giờ thì chúng sẽ bắt tay

vào thiết kế 1 mạch nguồn tuyến tính trước , các mạch nguồn switcher sẽ được

đề cập đến phần sau .

a. Thiết kế mạch nguồn tuyến tính sử dụng IC LM78xx :

Sơ đồ nguyên lý :



IC nguồn LM78xx là 1 IC ổn áp chuyên dụng , thuộc loại chuyển đổi DC –DC

Linear Voltage .Với mức chênh lệch giữa điện áp đầu ra và đầu vào lớn , có khả

năng cấp dòng lên đến 3A (mắc kết hợp với Transistor để kéo dòng ) .

Nếu bạn muốn thiết kế nguồn 9V thì dùng con LM7809 .

Ngã vào có thể thay đổi từ 9V đến 40V , nhưng đầu ra vẫn duy trì ở mức 5V dc.

(Thông số dành riêng cho IC LM7805) .

b. Các thông số tính toán quan trọng :

Thiết kế mạch điện trên phần mềm Altium Designer 2013.3

2. Thiết kế mach nguồn switch sử dụng LM2576 :

Mạch nguồn switch được xem như là bộ não của cả hệ thống, đây là 1 loại

mạch nguồn cực kỳ phức tạp , rất khó thiết kế , tính toán phức tạp .



Trong mạch nguồn switch , theo mức áp ra có thể phân thành 3 loại cơ bản như

sau :

Mạch Boost , Buck ,Boost và buck tích hợp .

Trong 2 mode : CCM (Continuos current mode) .

DCM ( Discontinuos current mode) .

Boost : Là mạch nâng áp . Có nghĩa là điện áp ngõ ra lớn hơn điện áp ngõ vào .

Nâng áp dựa trên sự thay đổi tần số đóng cắt tần số .

Sử dụng cuộn cảm và tụ điện làm kho chứa năng lượng .

Step up

Vout > Vin

Boost Step down

Vout < Vin

Buck



Buck :

Là mạch hạ áp .Lúc này điện áp ngõ vào nhỏ hơn điện áp ngõ ra .

Điều kiện : Khi tần số đóng cắt của mạch LC nhỏ hơn tần số đóng cắt của

switch .



Còn tiếp …

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

Tài liệu tham khảo :

Fundermentals of DC-DC converts ---------------------- Texas Instruments.

Power Electronic 2edition ---------------------- Dr. Jonh .

Kỹ thuật điều khiển mạch công suất ----------------------ĐHQG tp.HCM .

Giáo trình mạch điện tử ---------------------- ĐH Khoa Học Tự Nhiên .

Electronic Devices-fourth edition -----------------------Thomas L.Floyd

Documents

Mạch nguồn DC to DC