Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
I
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
***** SONEXAY PHANTHAVONG
NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ
BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
N
N
g
g
ư
ư
ờ
ờ
i
ih
h
ư
ư
ớ
ớ
n
n
g
T
T
S
S
.
.N
N
g
g
u
u
y
y
ễ
ễ
n
nD
D
u
u
y
y
T
T
h
h
á
á
i
iN
N
g
g
u
u
y
y
ê
ê
n
n
,
,n
n
ă
Đề tài:
NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ
BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK
Học viên
:
SONEXAY PHANTHAVONG
Lớp
:
Cao học - K13 KTĐT
Chuyên ngành
:
Kỹ thuật điện tử
Ngƣời HD khoa học
:
TS. Nguyễn Duy Cƣơng
Ngày giao đề tài
:
02 tháng 01 năm 2012
Ngày hoàn thành
:
30 tháng 11 năm 2012
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA
HỌC TS. Nguyễn Duy Cƣơng
HỌC VIÊN
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
V
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN IV
MỤC LỤC V
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VII
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ VIII
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU X
LỜI NÓI ĐẦU XI
MỞ ĐẦU 13
CHƢƠNG I. GIỚI THIỆU 15
1.1. Giới thiệu 15
1.2. Kỹ thuật chuyển mạch 16
1.3. Bộ chuyển đổi DC-DC 18
1.3.1. Giới thiệu 18
1.3.2. Bộ nguồn SMPS 19
1.3.3. Phân loại các bộ chuyển đổi DC 20
1.3.4. Lý do sử dụng các bộ chuyển đổi Buck 21
CHƢƠNG II. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK 21
2.1. Nguyên lý bộ chuyển đổi Buck 22
2.1.1. Sự phát triển của mạch chuyển đổi Buck 22
2.1.2. Mục đích của các thành phần khác nhau của bộ chuyển đổi Buck 25
2.1.3. Các trạng thái hoạt động 29
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
VII
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BJT
Bipolar Junction Transistor
CCM
Continuous Conduction Mode
CMC
Current Mode Control
CMOS
Complementary MOS
DC
Direct Current
DCM
Discontinuous Conduction Mode
VIII
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Stt
Tên hình vẽ
Trang
1
Hinh 1.1. Mối liên hệ giữa điện tử, công suất, điều khiển
3
2
Hình 1.2. Lƣu đồ các hệ thống nguồn một chiều
4
3
Hình 1.3. Bộ nguồn tuyến tính
4
4
Hình 1.4. Bộ nguồn chuyển mạch
5
5
Hình 1.5. Sơ đồ khối bộ nguồn chuyển mạch
8
6
Hình 1.6. Vị trí bộ chuyển đổi Buck trong hệ thống
9
7
Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát bộ nguồn chuyển mạch
10
8
Hình 2.2. Mạch điện gồm chuyển mạch đơn cực 2 tiếp điểm với tải
Hình 2.12. Trạng thái ON/OFF của chuyển mạch
23
19
Hình 2.13. Dòng điện qua cuộn cảm
25
20
Hình 2.14. Nguồn dòng
26
21
Hình 2.15. Dòng điện qua chuyển mạch MOSFET thời gian đóng
26
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
IX
22
Hình 2.16. Độ gợn sóng của điện áp ra trong bộ chuyển đổi từng
bƣớc
27
23
Hình 2.17. Tín hiệu PWM
29
24
Hình 2.18. Bộ so sánh sử dụng điện áp chuẩn
29
25
Hình 2.19. Tín hiệu so sánh điều chế độ rộng xung
30
26
Hình 2.20. Hệ thống điều khiển phản hồi
Hình 2.30. Đặc điểm mạng bù loại II
44
37
Hình 2.31. Mạch bù loại III
46
38
Hình 2.32. Đặc điểm mạng bù loại III
46
39
Hình 2.33. Sơ đồ nguyên lý điều khiển chế độ điện áp
48
40
Hình 2.34. Sơ đồ nguyên lý điều khiển chế độ dòng điện
49
41
Hình 3.1. Sơ đồ bộ chuyển đổi Buck
52
42
Hình 3.2. Đồ thị Bode của bộ chuyển đổi Buck
53
43
Hình 3.3. Đồ thị Bode cho mạch bù loại III
54
44
Hình 3.4. Đồ thị Bode cho bộ chuyển đổi Buck mạch vòng hở
54
45
Hình 3.5. Chuyển tải từ 5Ω lên 19Ω
57
55
7
Bảng 3.5: Kết quả với R
L
= 19Ω, ESR = DCR = 1, R
1
= 60 kΩV
56
8
Bảng 3.6: Kết quả với ESR = 30E-3, DCR = 1, R
1
= 60 kΩC
56
9
Bảng 3.7: Điều kiện tải lớn nhất
57 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
XI
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
XII
Sonexay Phanthavong
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
13
MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài
Bộ nguồn chuyển mạch SMPS (Switch Mode Power Supplies) là một bộ phận
rất quan trọng trong kỹ thuật điện tử hiện đại vẫn đã và đang tiếp tục đƣợc phát triển và
hoàn thiện trong suốt 25 năm qua. Luận văn này tập trung vào việc nghiên cứu mối liên
quan đặc biệt giữa SMPS với bộ chuyển đổi chỉnh lƣu đồng bộ Buck (SRBC -
Synchronous Rectifier Buck Converter). Luận văn này cũng thảo luận về tiềm năng to
lớn, làm tiền đề cho lý thuyết thiết kế các ứng dụng khác dựa xung quanh SRBC. Nội
dung chính của luận văn này là nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho phép giảm nhỏ
kích thƣớc, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của bộ chuyển đổi nguồn trong các thiết bị
di động nhƣ điện thoại di động hoặc PDA (Personal Digital Assistants). Để đạt đƣợc
các yêu cầu trên, luận văn nghiên cứu dựa vào kỹ thuật bán dẫn 90nm với điện áp đầu
vào là 1,55V và điện áp đầu ra là 1V, công suất tiêu hao vào khoảng 200mW.
Nội dung chính của luận văn này là tìm hiểu lý thuyết về bộ chuyển đổi Buck
kéo theo các vấn đề về thiết kế bộ chuyển đổi này với các ứng dụng khác nhau, riêng
biệt, các chế độ hoạt động, thiết kế bộ điều khiển và phần quan trọng nhất là việc thiết
kế cơ cấu bù (Compensator). Các tính toán ở mức hệ thống sẽ sử dụng phần mềm
MATLAB và mô phỏng với thƣ viện 90nm.
II. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của luận văn là tìm hiểu phƣơng pháp và ứng dụng để thiết kế bộ
CHƢƠNG I
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
15
GIỚI THIỆU
1.1. Giới thiệu
Trong suốt quá trình phát triển công nghiệp điện tử, đối với điện thoại di động
những vấn đề đặt ra vẫn là tăng tuổi thọ pin, phát triển hệ thống nhỏ gọn và giảm giá
thành, bộ phận hiển thị sáng hơn, nhiều màu sắc hơn, thời gian đàm thoại lâu hơn.
Trong đó, những yêu cầu về hệ thống nguồn luôn đƣợc đánh giá cao. Để đạt đƣợc
những yêu cầu này, các kỹ sƣ đã làm việc dựa trên việc nâng cao hiệu suất của các kỹ
thuật chuyển đổi và đã đạt đƣợc các kết quả có ý nghĩa chuẩn mực về lý thuyết của
điện tử công suất. Tuy nhiên điều này hiển nhiên dẫn tới những thách thức cần giải
quyết khi kết hợp ba ngành chính của kỹ thuật điện tử: điện tử, công suất và điều khiển.
toán
Vật lý
trạng
Thái rắn
Mạnh lý
Thuyết
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
16 Hình 1.2. Lƣu đồ các hệ thống nguồn một chiều
1.2. Kỹ thuật chuyển mạch
Việc điều chỉnh điện áp theo lẽ thông thƣờng đƣợc thực hiện bằng các bộ điều
chỉnh tuyến tính đang dần đƣợc thay thế bằng các bộ điều khiển chuyển mạch hay các
bộ tạo xung. Để hiểu đƣợc tầm quan trọng của các bộ nguồn tạo xung, trƣớc hết chúng
ta so sánh về hiệu suất của bộ nguồn này với các bộ nguồn tuyến tính. Trở kháng của
các bộ nguồn tuyến tính thay đổi theo tải với cùng một điện áp không đổi ở đầu ra.
100KHz).
Hình 1.4. Bộ nguồn chuyển mạch
Tỷ lệ xung nhịp đƣợc quyết định bởi công thức:
out
in
V
DutyCycle
V
(1.2)
Thời gian chuyển mạch đóng trong một chu kỳ quyết định giá trị điện áp đầu ra.
Bộ điều khiển chuyển mạch đạt hiệu suất cao hơn bộ điều khiển tuyến tính, thậm chí có
thể đạt hiệu suất tới 80% đến 95%. Trong khi đó bộ nguồn tuyến tính chỉ đạt hiệu suất
khoảng 50% đến 60%. Và với hiệu suất cao hơn nhƣ vậy, việc nhiệt năng tỏa ra cũng
sẽ nhỏ hơn. Và với bộ nguồn SMPS, kích cỡ cũng sẽ nhỏ hơn bộ nguồn tuyến tính rất
nhiều.
Ngoài ra bộ nguồn chuyển mạch còn có các ƣu điểm khác nhƣ lƣu trữ năng
lƣợng trong cuộn dây và tụ điện có thể cho phép tạo điện áp lớn hơn hoặc âm hơn đầu
vào, hoặc có thể sử dụng biến áp để thực hiện cách ly với đầu vào.
Không giống bộ nguồn tuyến tính, bộ nguồn chuyển mạch có thể thay đổi từng
bƣớc điện áp đầu vào.
Tất cả những ý kiến trên có thể đƣợc tóm tắt bằng bảng so sánh (bảng 1.1):
Bảng 1.1. So sánh giữa bộ nguồn tuyến tính và bộ nguồn chuyển mạch
Thông
Tuyến tính
Chuyển mạch
Thấp, với trƣờng hợp chỉ cần bộ điều
chỉnh và tụ điện.
Trung bình đến cao, thƣờng cần
có cuộn cảm, đi ốt, tụ lọc đi
kèm theo IC, trƣờng hợp cần
nguồn công suất lớn yêu cầu có
thêm các linh kiên bán dẫn FET
lắp thêm bên ngoài
Kích
thƣớc
Vừa và nhỏ với thiết kế thông thƣờng
công suất thấp, cồng kềnh nếu cần
thêm các bộ tản nhiệt ở nguồn công
suất cao
Kích thƣớc lớn hơn nguồn
tuyến tính ở công suất thấp, nhỏ
hơn nguồn tuyến tính với yêu
cầu công suất cao.
Chi phí
Thấp
Trung bình đến cao, chủ yếu do
các linh kiện lắp thêm bên ngoài
Độ gợn
sóng/
nhiễu
Thấp; không có gợn sóng, nhiễu
thấp, tốt hơn nếu có bộ lọc nhiễu
Trung bình đến cao, phụ thuộc
độ gợn sóng và tần số chuyển
dạng sóng ở đầu vào và đầu ra. Hình 1.5 chỉ ra các khối cơ bản của một bộ nguồn
SMPS. Sự khác nhau giữa tần số chuyển mạch và tần số của điện áp là tần số của bộ
chuyển mạch phải đủ lớn để cho phép các bộ lọc thông thấp loại bỏ các tần số thấp
không mong muốn. Các bộ chuyển phát xung tần cao đƣợc sử dụng thƣờng xuyên giữa
các hệ thống nguồn một chiều với nhiều mức điện áp khác nhau. Các bộ chuyển đổi
này đƣợc biết đến là bộ chuyển đổi DC/DC tần số cao, ví dụ nhƣ các bộ nguồn cấp cho
máy tính cá nhân và các thiết bị điện tử khác. Mặt khác các bộ chuyển đổi này cũng có
thể đƣợc sử dụng giữa các hệ thống DC và AC. Công
suất
xử lý
Loa
d
Điều khiển
Referen
ce
Đo lường
Công suất đầu
ra
Tín
hiệu
điều
ra, bộ chuyển đổi không cách ly có giá thành thấp hơn và ít linh kiện hơn đồng thời
chiếm ít diện tích trên mạch điện hơn bộ chuyển đổi cách ly. Với điện áp thấp hơn
(12V) bộ chuyển đổi buck không cách ly có thể đƣợc sử dụng.
1.3.3.2 Các bộ chuyển đổi cách ly
Để đảm bảo an toàn cần có sự cách ly giữa hệ thống điện áp AC đầu vào và DC
đầu ra. Sự cách ly này là cần đến với tất cả các hệ thống hoạt động với nguồn điện áp
lƣới, bao gồm việc cách ly trong các bộ nguồn chuyển đổi trực tiếp AC/DC thông qua
bộ chuyển đổi DC/DC cách ly. Điện áp cách ly cho các bộ nguồn AC/DC hoặc DC/DC
vào khoảng 1500 đến 4000V, phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể. Một bộ chuyển đổi cách
ly sử dụng một biến áp để cách ly giữa điện áp đầu vào và đầu ra tuy nhiên vẫn tạo ra
một đƣờng điện áp một chiều giữa đầu vào và đầu ra.
Các bộ chuyển đổi DC/DC cách ly sử dụng một biến áp xung mà cuộn thứ cấp
có thể sử dụng hoặc đi ốt hoặc mạch chỉnh lƣu đồng bộ để tạo ra điện áp một chiều với
bộ lọc LC ở đầu ra. Cấu hình này có ƣu điểm là có thể tạo ra nhiều mức điện áp ở đầu
ra bằng cách thêm bớt các vòng dây cuộn thứ cấp. Với điện áp lớn hơn ở đầu vào
(48V) các bộ chuyển đổi với biến áp cách ly có thể đƣợc sử dụng.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
21
1.3.4. Lý do sử dụng các bộ chuyển đổi Buck
Bộ chuyển đổi buck là một sơ đồ chuyển đổi DC/DC đƣợc sử dụng rộng rã
trong quản lý năng lƣợng và các ứng dụng vi điều khiển điều chỉnh điện áp. Các ứng
dụng yêu cầu đáp ứng nhanh cho tải và đƣờng truyền đồng thời yêu cầu hiệu suất cao
trong phạm vi dòng điện thay đổi lớn. Ví dụ trong hệ thống máy tính, điện áp cần giảm
từng bƣớc để đạt đƣợc các giá trị thấp. Với mục đích này bộ chuyển đổi Buck có thể
đƣợc sử dụng. Hơn nữa các bộ chuyển đỏi Buck cho phép kéo dài tuổi thọ của
pin/acquy trong các hệ thống di động do phần lớn các thiết bị này ở trong trạng thái
"stand-by". Bộ điều chỉnh Buck thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ các bộ nguồn xung cho các
ứng dụng số ở băng tần cơ sở và các bộ khuếch đại RF.
thanh
Giao
diện
µP/DSP
core
Hiển
thị
D/
A
Pin
P
S
A/
D
PA P
S
P
S
P
S
P
S
P
S
P
S
P
2.1. Nguyên lý bộ chuyển đổi Buck
Tên gọi bộ chuyển đổi Buck ban đầu liên quan đến hiện tƣợng điện áp đầu vào
có dạng bị cắt hay tắt dần, độ lớn và biên độ điện áp thấp hơn ở đầu ra. Một mạch
chuyển đổi buck hay mạch điều chỉnh điện áp step-down, là bộ chuyển đổi không tách
biệt, chuyển đổi dc-dc với ƣu điểm đơn giản và chi phí thấp. Hình 2.1 biểu diễn một
mạch chuyển mạch chuyển đổi buck không tách biệt đơn giản có đầu vào dc và sử
dụng điều xung giải rộng (PWM) biến tần để điều khiển đầu ra của khối công suất
trong MOSFET. Một diot ngoại vi, cùng với cuộn cảm ngoài và tụ điện ra, tạo ra dòng
1 chiều điều đƣợc kiểm soát. Mạch chuyển mạch "Buck" hay "step down" cung cấp
một điện áp ra thấp hơn điện áp nguồn. Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát bộ nguồn chuyển mạch
2.1.1. Sự phát triển của mạch chuyển đổi Buck
Trong phần này chúng ta sẽ từng bƣớc tiếp cận với bộ chuyển đổi Buck. Xét
mạch điện ở Hình 2.2, có một mạch chuyển mạch hai tiếp điểm đơn cực.
. Với mạch trong hình 2.2 điện áp ra bằng điện áp vào khi chuyển mạch ở vị trí A
và bằng không khi chuyển mạch ở vị trí B. Bằng cách thay đổi thời gian chuyển mạch
ở vị trí A và B có thể thấy rằng điện áp trung bình có thể thay đổi, nhƣng điện áp ra
không hoàn toàn một chiều.
Hình 2.2. Mạch điện gồm chuyển mạch đơn cực 2 tiếp điểm
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/
23
với tải là điện trở
24
Với mạch ở hình 2.4 có thể sử dụng chuyển mạch bán dẫn công suất để đáp ứng
sự chuyển mạch ở vị trí A và một điốt ở vị trí B. Mạch điện cho kết quả nhƣ hình 2.5.
Khi chuyển mạch ở vị trí B, dòng điện đi qua đi ốt, điều quan trọng lúc này là điều
khiển chuyển mạch bán dẫn công suất. Hình 2.5. Mạch chuyển đổi Buck với tải điện trở
Mạch điện ở hình 2.5 có thể xét đết nhƣ là mạch chuyển đổi buck cơ sở không
có phản hồi. Mạch chuyển đổi Buck chuyển những phần năng lƣợng nhỏ giúp chuyển
mạch công suất, một đi ốt và một cuộn cảm và đi cùng với một tụ điện lọc đầu ra và
đầu vào. Tất cả các mạch chuyển đổi khác nhƣ Boost, Buck - Boost, vv, khác nhau về
cách sắp xếp các chi tiết cơ bản.
Mạch này có thể thay đổi thêm nữa bằng cách đƣa vào phần phản hồi đƣợc tích
hợp cho SMPS vì đƣợc dựa trên phản hồi mạch này ổn định đầu ra. Mạch nhƣ vậy
đƣợc biểu diễn ở hình 2.6.
Hình 2.6. Mạch nguồn chuyển mạch giảm áp
Mạch chuyển đổi PWM (Hình 2.6) so sánh một phần điện áp DC đầu ra với một
điện áp tham chiếu (V
ref
) và thay đổi hệ số làm đầy xung PWM bắt buộc để duy trì một
điện áp DC ra không đổi. Nếu điện áp ra có xu hƣớng tăng, mạch PWM giảm hệ số đầy
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
Copyright: Tài liệu đại học ©