ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
*****

SONEXAY PHANTHAVONG
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ Thái Nguyên, năm 2013
Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên.
Cán bộ HDKH : TS Nguyễn Duy Cương
Phản biện 1 : PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh
Phản biện 2 : PGS.TS Nguyễn Thanh Hà
Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao học, trường Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Vào 09 giờ 00 phút ngày 28 tháng 07 năm 2013.
Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và Thư viện trường Đại
học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
MỞ ĐẦU
Bộ nguồn chuyển mạch (SMPS - Switch Mode Power Supplies) đã được nghiên cứu và ứng dụng rất
rộng rãi trong các thiết bị điện tử. Trong một thiết bị điện tử có thể có nhiều mức nguồn cấp khác nhau. Để
chuyển đổi thành các điện áp một chiều này, bộ chuyển đổi Buck được sử dụng. Luận văn này nghiên cứu
mối liên quan đặc biệt giữa SMPS với bộ chuyển đổi chỉnh lưu đồng bộ Buck (SRBC - Synchronous
Rectifier Buck Converter), đồng thời tập trung vào việc nghiên cứu, thiết kế bộ chuyển đổi Buck cho các ứng
dụng khác nhau.
Được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo


chuyển mạch đơn giản dẫn tới trường hợp lý tưởng là không có nội trở hoặc nội trở của bộ nguồn rất nhỏ.
Chuyển mạch này đóng mở với tần số cố định (giữa 50KHz và 100KHz).
Tỷ lệ xung nhịp được quyết định bởi công thức:
out
in
V
DutyCycle
V
=
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 như 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 ưu điểm khác như lưu trữ năng lượng 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.
1.3 Bộ chuyển đổi DC-DC
Trong các thiết bị thực tế cần nhiều mức nguồn khác nhau với mong muốn công suất tổn hao nhỏ
nhất có thể, do đó bộ chuyển đổi DC-DC phải được sử dụng. Các bộ chuyển đổi này chỉ lấy năng lượng ở
đầu vào và chuyển đổi ở đầu ra, không trực tiếp tạo ra năng lượng. Các bộ chuyển đổi được thực hiện bởi
mạch điện tử, có thể có hoặc không có biến áp. Mạch chuyển đổi không có biến áp còn gọi là mạch không
cách ly, có biến áp là mạch chuyển đổi cách ly, tùy ứng dụng cụ thể mà có thể sử dụng một trong hai loại
chuyển đổi này
Chương II: NGUYÊN LÝ HỌAT ĐỘNG CỦA BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK
2.1 Nguyên lý bộ chuyển đổi BUCK
Là mạch chuyển đổi có điện áp đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào – hạ áp, có các linh kiện bán dẫn
được điều khiển đóng mở theo phương pháp điều chế độ rộng xung để thay đổi giá trị điện áp ở đầu ra. Sơ đồ
bộ chuyển đổi Buck đơn giản như sau:
Trạng thái ON

Những yếu tố cần xem xét khi sử dụng giải pháp nguồn điều chỉnh điện áp:
• Nguồn điện áp đầu vào có sẵn
• Điện áp đầu ra mong muốn
• Hiệu suất chuyển đổi DC/DC (công suất đầu ra/công suất đầu vào)
• Gợn sóng của điện áp đầu ra
• Đáp ứng tức thời trên tải
• Độ phức tạp của giải pháp
• Tần số chuyển đổi
Trước khi thực hiện bất kỳ một thiết kế, điều quan trọng là biết được các thông số nào là đáng quan
tâm nhất. Các mối quan tâm khác nhau có thể là việc tối ưu hóa hiệu suất mạch, chi phí linh kiện hoặc mật
độ năng lượng. Có thể ví dụ trường hợp coi thời gian đáp ứng nhanh và mật độ công suất (mật độ năng
lượng) cao là quan trọng hơn cả sẽ dẫn tới yêu cầu tiếp theo là tần số hoạt động phải cao. Mặt khác, nếu
hiệu suất là tham số quan trọng nhất thì việc lựa chọn một tần số thấp là tốt nhất.
Bước đầu tiên trong việc thiết kế bộ chuyển đổi Buck là xác định giá trị của cuộn cảm và tụ điện
trong các bộ lọc đầu ra dựa vào phương trình trong chương 2 chúng ta có thể đưa ra được tính toán sơ bộ.
Các thông số kỹ thuật cho của bộ chuyển đổi Buck được đưa ra như sau:
Bảng 3.1:Thông số kỹ thuật của bộ chuyển đổi Buck thiết kế
Điện áp đầu vào 1.55 V
Công suất đầu ra 200 mW
Điện áp đầu ra 1V
Tỷ lệ gợn sóng cho phép 1%
Gợn sóng của dòng cho phép với (p-p và nguồn lý tưởng) 20 mA
Hiệu suất tối thiểu 70%
3.1. Thông số ban đầu
Công suất cho tải là 200mW. Vì vậy giá trị của điện trở tải là 5 Ω, để đảm bảo mật độ đáng tin cậy,
giá trị cuộn cảm phải lớn hơn ít nhất 20% với giá trị tối thiểu và độ gợn sóng điện áp nhỏ hơn 1%.
3.2. Tham số đầu vào
Do tần số f
sw
= 100 KHz, ESR = DCR = 1. Việc lựa chọn các thông số này được chỉ ra theo bảng 3.

C
z3
297 pF
Dựa vào giá trị đã được tính toán, ta xây dựng được đồ thị Bode mạch vòng hở để đánh giá độ ổn
định như sau:
Hình 3.2. Đồ thị Bode của bộ chuyển đổi Buck
Hình 3.3. Đồ thị Bode cho mạch bù loại III
Hình 3.4. Đồ thị Bode cho bộ chuyển đổi Buck mạch vòng hở
Hình 3.4 cho thấy hệ số biên pha sau khi thêm vào mạch bù loại III là 61,6
0
, điều này đảm bảo tính
ổn định của mạch. Với kết quả trên, các giá trị mô phỏng trong Cadence cung cấp cho chúng tôi với kết quả
sau đây:
Bảng 3.3: Kết quả
Gợn sóng điện áp đầu ra 12.02 mV
Gợn sóng dòng điện đầu ra 15.1614 mA
Thời gian ổn định 329 µs
Điện áp trung bình(tình trạng ổn định) 995 mV
Hiệu suất 67.9%
Bảng 3.4:
Với R
L
=
5Ω, ESR
= DCR
= 1, R
1
=
60 kΩ
C 10 µ 5 µ 1 µ

Hiệu suất
67.7
67.8 67.9
Bảng 3.5: Với R
L
= 19Ω, ESR = DCR = 1, R
1
= 60 kΩ
Bảng 3.6 ESR = 30E-3, DCR = 1, R
1
= 60 kΩ
Từ
bảng 3.6 có thể thấy rằng với giá trị R
L
tăng lên tuy độ gợn sóng điện áp tăng lên nhưng hiệu suất cũng tăng
lên.
3.5. Đánh giá
Tải lớn nhất
Tải tối đa mà vẫn có thể điều khiển được liên tục là 19Ω. Nó cho chúng ta kết quả như sau:
Bảng 3.7: Điều kiện tải lớn nhất
Gợn sóng nguồn đầu ra 36.1538 mV
Gợn sóng dòng đầu ra 35.0889 mA
Thời gian ổn định 349 µs
C 10 µ 5 µ 1 µ
L 44.35 µH 88.7 µH 443.55 µH
R
z2
153kΩ 153 kΩ 153 kΩ
C
z2

R
z2
153.6 kΩ 153.6 kΩ
C
z2
274.1pF 274.1pF
C
p1
929 pF 929 pF
R
z3
10.683 kΩ 10.683 kΩ
C
z3
297.96 pF 297.96 pF
T
s
483.71 µs 411.507 µs
V
ripple
3.9373 mV 10.62 mV
I
ripple
14.81 mA 33.81 mA
Dòng điện ra 195 mA 44.63 mA
Dòng điện vào 189.8 mA 39.86 mA
Điện áp trung bình 998 mV 999.7 mV
Hiệu suất(%) 66.1 72.21
Điện áp trung bình(tình trạng ổn định) 1.0006 V
Hiệu suất 76.1%