Khóa luận tốt nghiệp
MỤC LỤC
Lời mở đầu
Các thiết bị điện tử gia dụng hay chuyên dùng không thể sử dụng trực tiếp
dòng điện xoay chiều (AC) từ lưới điện được mà phải thông qua bộ chuyển đổi
nhằm hạ thế và chuyển thành dòng điện một chiều (DC) cung cấp cho các linh kiện
điện tử trong thiết bị đó. Các bộ chuyển đổi này được gọi chung là bộ nguồn của
thiết bị. Không ngoại lệ, máy vi tính cũng có bộ nguồn riêng của mình, vậy bộ
nguồn máy tính có gì khác biệt so với các bộ nguồn thông thường?
Bộ nguồn là một thiết bị phần cứng quan trọng, cung cấp năng lượng hoạt
động cho toàn hệ thống. Với hàng loạt công nghệ mới chạy đôi hoặc "2 trong 1"
như RAM Dual Channel, đĩa cứng RAID, đồ họa SLI/CrossFire, CPU DualCore...
Bộ nguồn càng trở nên quan trọng hơn bao giờ hết bởi nó quyết định sự ổn định
của hệ thống, tuổi thọ của các thiết bị phần cứng khác. Gánh nặng này đã vượt quá
khả năng "chịu đựng" của những bộ nguồn không tên tuổi trên thị trường, kể cả
những bộ nguồn noname được dán nhãn công suất lên đến “600 - 700W”.
Nếu không cung cấp đủ công suất điện cho hệ thống, bạn sẽ phải thưởng
thức vô số các lỗi… từ trên trời rơi xuống! Nhẹ thì máy chạy ì ạch, các game yêu
thích bị đứng hình liên tục,… Nặng một chút thì máy đang chạy, tự nhiên khởi
động lại hoặc khởi động không được,... trường hợp xấu nhất là cả hệ thống ”đi toi”
kéo theo nhiều thiết bị “yêu quí” khác phải đi “nằm viện”. Dễ thấy nhất và các ví
dụ điển hình là các tụ trên các mainboard thường phồng rộp lên, hoặc VGA cạc của
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
1
Khóa luận tốt nghiệp
bạn bị vỡ hình xuất hiện các ký tự lạ... Nguyên nhân chẩn đoán được lúc này là một
phần do thủ phạm bộ nguồn gây ra. Chính vì vậy, việc lựa chọn một bộ nguồn thích
hợp với hệ thống là điều bạn cần xem xét và tính toán khi chọn mua máy tính. Đặc
biệt đối với những linh kiện cao cấp như phần cứng máy tính những bộ nguồn chất
lượng kém ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến độ bền và tuổi thọ linh kiện, đây là
những tác hại mà người dùng chỉ nhận biết được sau một thời gian sử dụng nhất
điện trở phụ làm tổn thất điện năng càng lớn, càng làm cho bộ nguồn phát nóng
nhiều. Vì những nhược điểm trên nên bộ nguồn tuyến tính ngày nay hầu như không
dược sử dụng trong máy tính sách tay và chúng được thay thế chỗ bởi bộ nguồn ưu
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
3
Khóa luận tốt nghiệp
việt hơn: Bộ nguồn ổn áp theo nguyên tắc băm áp, ta thể gọi chúng là bộ nguồn
đóng - cắt (switching regulator).
b) Bộ nguồn đóng - cắt là một bộ nguồn rất nhẹ và có hiệu suất cao. Năng lượng
điện được điều tiết theo nguyên tắc đóng – mở vì vậy chúng rất tiết kiệm năng
lượng so với bộ nguồn tuyến tính. Nhược điểm duy nhất của chúng là rất khó tìm ra
lỗi hỏng hóc để sửa chữa mà chỉ có thể thay thế cả bloc hay cả bộ nguồn, tuy nhiên
nhược điểm này cũng không gây phiền hà nhiều cho người sử dụng do giá thành
của các bộ nguồn này cũng càng ngày càng giảm do công nghệ điện tử càng ngày
càng phát tiển. Trong một bộ nguồn đóng cắt, nguồn xoay chiều AC được chỉnh lưu
ngay thành dòng một chiều DC, tiếp đó dòng một chiều này được băm với tần số
cao (20-40KHz) nhờ các phần tử bán dẫn cao tần như các transistor MOS hay
IGBT, kết hợp với biến áp cao tần để điều chỉnh điện áp 1 chiều ở đầu ra. Biến áp
cao tần này sẽ nhỏ hơn nhiều so với biến áp tần số thấp. Do công suất nguồn được
hiệu chỉnh theo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width
Modulation) nên năng lượng điện thất thoát cũng nhỏ hơn rất nhiều.
2. Cấu trúc cơ bản của bộ nguồn đóng - cắt
Bộ nguồn này có mạch điện tương đối phức tạp được biểu diễn bằng bốn
khối cơ bản như trong hình 1.1.
Trong đó:
- Input Rectifier and Filter: Khối chỉnh lưu và lọc đầu vào
- Hight Frequency Inverter: Khối biến đổi cao tần
- Output Rectifier and Filter: Khối chỉnh lưu và lọc đầu ra
- Khối điều khiển theo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM
Trong sơ đồ này chúng ta nhận thấy là bộ biến đổi tần số cao (high frequency
out
) như sau:
Sơ đồ buck: V
out
= V
in
.α (1)
Sơ đồ boost : V
out
= V
in
/(1-α) (2)
Trong đ ó: α = t
đ
/T
Với t
đ
là khoảng thời gian dẫn dòng của khoá bán dẫn, T là chu kỳ băm
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
5
Khóa luận tốt nghiệp
Hình 1.1 : Cấu trúc cơ bản của bộ nguồn đóng cắt
Trong sơ đồ buck, để điều chỉnh điện áp ra, chúng ta dễ dàng thay đổi giá trị
α, chỉ có tỷ số vòng dây MBA (trong sơ đồ Forward) là sẽ phải thay đổi để bù các
sụt áp trên điôt và điện áp bão hòa của transistor.
Còn trong sơ đồ boost, ban đầu năng lượng phải được dự trữ trong cuộn
kháng và sau đó năng lượng này cộng với năng lượng của nguồn đầu vào được
phân phối tới tải. Tuy nhiên sơ đồ flyback được phát triển lên từ sơ đồ này chỉ phân
phối năng lượng dự trữ trong cuộn cảm tới tải. Đây là phương thức hoạt động cơ
bản của sơ đồ băm áp có tích lũy điện cảm (sơ đồ buck-boost) được cho trong hình
đặc trưng của các máy tính sách tay. Đối với một tải có dạng mạch điện tử thì giá
trị điện trở tải phải được biết để xác định điện áp đầu ra:
V
o
=
2
..
..
Lo
Lo
RfL
IRP
=
(4)
Trong đó: R
L
là giá trị điện trở tải.
Trong trường hợp này, dòng điện cuộn trở kháng có giá trị tương ứng với
thời gian dẫn hoặc chu kỳ làm việc của khóa, và sự điều chỉnh đối với tải cố định
đòi hỏi phải có sự thay đổi α.
Đối với cả hai sơ đồ điều chỉnh, trong chế độ quá độ khi tải có tính chất
dung, sẽ xảy ra hiện tượng dòng điện thay đổi đột biến, vì vậy cần thiết phải đưa ra
yêu cầu là năng lượng phải được dự trữ sẵn trong cuộn cảm hoặc trong bộ lọc để
đưa đến tải khi tải đột ngột gặp sự cố.
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
7
Khóa luận tốt nghiệp
Hình 1.2: Các sơ đồ cơ bản của bộ nguồn đóng cắt
3. Sơ đồ trong tương lai
An toàn
Độ ồn
Độ tin cậy
Độ ồn
Sóng hài
Độ ồn
An toàn
Các bộ nguồn đóng cắt càng ngày càng được hoàn thiện theo hướng đơn giản
hơn, chi phí giảm xuống và độ tin cậy tăng lên. Ví dụ khi sử dụng chip VLSI cho
bộ chỉnh lưu đầu ra thì yêu cầu phải có nguồn điện áp 2V hoặc 3V cung cấp cho nó,
trong trường hợp này chỉ có một cách duy nhất để giảm tổn thất hay tăng hiệu suất
của bộ biến đổi là phải làm cho sụt áp trên các phần tử khoá bán dẫn giảm đi khi
dẫn dòng (V
f
). Yêu cầu các giá trị sụt áp V
f
và nguồn cấp cho các khoá đóng cắt V
R
được cho trong bảng 2 với điện áp ra là 3V và 5V.
Bảng 2. Yêu cầu V
f
và V
R
của bộ chỉnh lưu đầu ra.
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
9
Khóa luận tốt nghiệp
Điện áp ra Giá trị yêu cầu
V
F
dụng máy biến áp cách ly rất đơn giản và dễ hiểu do đó chúng được nhiều nhà thiết
kế sử dụng như một ví dụ mẫu nhưng những người thiết kế chưa có kinh nghiệm
hay tận dụng quá mức. Những sơ đồ không cách ly ít khi được các nhà thiết kế bộ
nguồn dày dạn kinh nghiệm sử dụng do không có phần cách điện ở khối một chiều
làm giảm độ an toàn cho sơ đồ.
Có 3 sơ đồ biến đổi cơ bản không sử dụng máy biến áp cách ly là:
- Sơ đồ băm áp 1 chiều nối tiếp (buck)
- Sơ đồ băm áp song song (boost)
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
11
Khóa luận tốt nghiệp
- Sơ đồ băm áp có tích lũy điện cảm (buck-boost).
Mỗi sơ đồ tạo ra và điều chỉnh mức điện áp đầu ra lớn hơn hoặc nhỏ hơn
điện áp đầu vào. Mỗi sơ đồ cũng chỉ có một đầu ra vì vậy mà nó không thực tế, yêu
cầu phải tăng thêm nhiều đầu ra cho chúng. Những sơ đồ không sử dụng MBA
cách ly cũng có những hạn chế xác định trong ứng dụng liên quan đến mối quan hệ
giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra. Người thiết kế nên lưu ý những nhược điểm
này trước khi quyết định dùng sơ đồ không có máy biến áp cách ly.
2.1 Sơ đồ điều chỉnh Buck:
Sơ điều chỉnh buck là đơn giản nhất trong tất cả các sơ đồ của bộ nguồn
chuyển mạch có điện áp ra DC nhở hơn điện áp vào DC. Nó cũng là sơ đồ dễ hiểu
và dễ thiết kế nhất. Mặc dù việc điều chỉnh sơ đồ buck rất đơn giản, nhưng cũng là
sơ đồ có nhiều nhược điểm nhất. Vì vậy chỉ nên sử dụng nó trong những trường
hợp thật sự cần thiết. Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng được cho trên hình 2.1.
Nguyên lý hoạt động cơ bản:
Trong một chu kỳ băm T, ta cho khóa bán dẫn, MOSFED công suất, dẫn
dòng trong khoảng thời gian từ 0 đến αT. Khi đó dòng qua cuộn cảm sẽ được cung
cấp từ nguồn DC, dòng điện tăng dần.
Trong khoảng thời gian còn lại (từ αT đến T) khóa bán dẫn bị khóa lại, khi
đó diode sẽ duy trì dòng qua cuộn cảm nhờ năng lượng tích lũy của cuộn cảm, giá
.
min
−−
+=
(17)
(αT – T) :
( )
[ ]
L
TVV
II
offDout
pkL
.
0
+
−=
(18)
trong đó V
D0
là sụt áp trên diode khi dẫn dòng
≈
0
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
13
Khóa luận tốt nghiệp
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng sơ đồ Buck
Diode voltage V
D
: điện áp trên diode.
Sơ đồ điều chỉnh buck có một vài hạn chế sau đây:
1. Điện áp đầu vào luôn lớn hơn điện áp đầu ra tối thiểu là từ 1 đến 2V để duy trì
điện áp đầu ra theo yêu cầu. Điều đó sẽ làm phát sinh một yêu cầu nếu nguồn vào
có giá trị xấp xỉ bằng điện áp ra giống như yêu cầu điều chỉnh tuyến tính mà ở đó
điện áp đầu vào phải dược duy trì ở giá trị thích hợp trong mỗi ứng dụng cụ thể.
2. Khi khóa công suất được điều khiển mở, diode vẫn đang dẫn dòng điện cảm
ứng trong khoảng thời gian rất ngắn để chuyển sang trạng thái khoá, hiện tượng
chuyển mạch của các khoá bán dẫn (T
rr
). Trong khoảng thời gian diode bị khóa,
trên thực tế dòng điện sẽ vẫn tiếp tục chảy từ nguồn vào qua khóa công suất và
diode để tới đất, đây là một hiện tượng ngắn mạch gây ảnh hưởng tới nguồn đầu
vào và làm tăng thêm độ nguy hiểm cho khóa công suất và diode. Để khắc phục
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
14
Khóa luận tốt nghiệp
nhược điểm này chúng ta có thể lựa chọn loại diode có thời gian chuyển mạch
nhanh.
3. Transistors bán dẫn và MOSFETs thường bị hỏng khi có hiện tượng ngắn
mạch xảy ra. Dẫn tới kết quả là toàn bộ mạch điện bị ngắn mạch. Yêu cầu nhà thiết
kế phải lắp thêm một mạch ổn áp ở nguồn đầu ra và một cầu chì mắc nối tiếp với
đầu vào. Thông thường mạch ổn áp sử dụng bộ chỉnh lưu điều khiển có trigơ SCR
làm cho sơ đồ phức tạp hơn, đồng thời cũng làm cho thao tác vận hành phức tạp
hơn.
Mặc dù sơ đồ này có dải công suất khá rộng cung cấp cho tải, nhưng trong
thực tế ít được sử dụng do những nhược điểm đã nói ở trên.
2.2 Sơ đồ điều chỉnh boost.
Bộ điều chỉnh boost, đuợc biết đến như một bộ điều chỉnh tăng áp (step-up).
Điện áp đầu ra của nó luôn lớn hơn điện áp đầu vào.
Sơ đồ điều chỉnh boost được cho trên hình 2.2.
đầu vào thấp kiểu hoạt động gián đoạn của sơ đồ điều chỉnh boost có thể trở thành
kiểu hoạt động liên tục khi độ rộng xung trong khoảng thời gian khóa công suất dẫn
trở nên rộng hơn để cung cấp đủ năng lượng cần thiết cho tải. Để thiết kế sơ đồ
boost hoạt động ở trạng thái liên tục thì phải có điều kiện về ổn định.
Một câu hỏi quan trọng cần được trả lời trong quá trình thiết kế sơ đồ điều
chỉnh boost là cuộn cảm có cung cấp đủ năng lượng cho tải hoạt động ở trạng thái
ổn định hay không? Phần năng lượng dự trữ trong lõi ở mỗi chu kì làm việc của
khóa công suất là:
W
=
( )
mmpk
IIL
−
.
2
1
(20)
và công suất trung bình được đưa tới đầu ra là:
fWP
out
.
=
(21)
Trong đó: P
out
là công suất đầu ra lớn nhất của cuộn cảm.
f là tần số băm (f = 1/T)
P
out
áp.
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng sơ đồ Buck-Boost
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
18
Khóa luận tốt nghiệp
Chúng ta có thể coi đây là sự kết hợp của hai sơ đồ buck và boost, vì vậy đi n
áp ra được điều chỉnh lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào. Sự khác nhau giữa sơ đồ
điều chỉnh boost và sơ đồ buck-boost là vị trí của khóa công suất và cuộn cảm bị
đảo ngược. Giống như sơ đồ điều chỉnh boost, cuộn cảm dự trữ năng lượng trong
lõi trong suốt thời gian khóa công suất dẫn. Năng lượng dự trữ này sau đó được giải
phóng xuống đất (hay quay trở về đầu vào) đi qua diode tới tụ điện dự trữ ở đầu ra.
Kết quả là giá trị điện áp đầu ra được điều chỉnh thông qua việc điều chỉnh chu kỳ
làm việc của khóa công suất. Sơ đồ điều chỉnh buck-boost cũng bị hạn chế dưới
50% công suất của khóa công suất trong một chu kỳ làm việc vì vậy yêu cầu phải
có đủ thời gian để xả hoàn toàn năng lượng dự trữ trong lõi.
Những phương trình liên quan tới lõi và nhu cầu về năng lượng của sơ đồ
này giống với những phương trình của sơ đồ điều chỉnh boost: cuộn cảm phải dự
trữ đủ năng lượng trong mỗi chu kì hoạt động để giúp cho dòng tải được liên tục.
Ta có thể thấy được điều này tại giá trị điện áp đầu vào thấp khi đó điện áp đi qua
cuộn cảm có giá trị nhỏ nhất và do đó giá trị năng lượng được nạp vào là rất nhỏ,
và lúc này mức độ tiêu thụ của tải là lớn nhất. Đây có thể là thời điểm hoạt động tồi
tệ nhất và trong thời điểm này thì công suất cực đại nhận được trong một chu kì
làm việc là 50%.
Sơ đồ điều chỉnh buck-boost có các nhược điểm tương tự như nhược điểm
của sơ đồ buck hay sơ đồ boost. Vì vậy đây không phải là sơ đồ tiêu biểu mà các
nhà thiết kế giàu kinh nghiệm thường chọn bởi vì các khóa bán dẫn trong sơ đồ có
khả năng cách ly kém, làm mất đi khả năng bảo vệ và xuất hiện những hiện tượng
cảm ứng không tốt. Sơ đồ này chỉ được dùng khi có MBA cách ly đặt giữa đầu vào
và nguồn công suất đầu ra.
3. Sơ đồ bộ nguồn chuyển mạch dùng máy biến áp cách ly.
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
20
Khóa luận tốt nghiệp
3. Độ lớn điện áp đầu ra không phụ thuộc điện áp đầu vào.
4. Có cách điện một chiều tốt giữa đầu vào và đầu ra.
Trên thực tế sơ đồ flyback làm việc tương tự như sơ đồ boost và sơ đồ buck-
boost, điện áp đầu vào có thể được điều chỉnh để có bất kì điện áp đầu ra nào mà
không làm ảnh hưởng đến hoạt động của nguồn.
Hình 3.4: Sơ đồ và dạng sóng của sơ đồ Flyback
Transistor votage V
T
: điện áp trên khóa transistor.
Secondary voltage V
s
: điện áp trên cuộn dây thứ cấp.
Primary current I
L
: dòng điện trên cuộn sơ cấp.
Diode current I
D
: dòng điện qua diode.
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
21
Khóa luận tốt nghiệp
Hoạt động của sơ đồ flyback:
Trong khoảng thời gian khóa công suất dẫn, điện áp đầu vào được đưa tới
cuộn dây sơ cấp của MBA. Điều này dẫn đến độ dốc dòng điện tuyến tính đi qua
cuộn sơ cấp tăng lên với giá trị là +V
in
/L
Khóa luận tốt nghiệp
khác phụ thuộc vào tải đầu ra và độ lớn điện áp đầu vào. Sơ đồ này hoạt động ở
chế độ liên tục với điều kiện điện áp nguồn đầu vào ở mức thấp, thì khi tăng thời
gian dẫn của khóa công suất lên sẽ làm cho lõi MBA không có đủ thời gian để xả
hết năng lượng dự trữ. Với mức điện áp đầu vào thấp, nếu sử dụng MBA phù hợp
với tải nặng thì sơ đồ flyback sẽ ngừng hoạt động ở bất kỳ thời điểm nào trong chu
kỳ (chế độ gián đoạn) cho đến khi tải nhận đủ công suất đã được phân phối.
Hình 3.5: (A) Sơ đồ Flyback hoạt động ở chế độ liên tục.
(B) Sơ đồ Flyback hoạt động ở chế độ gián đoạn.
Power switch voltage: điện áp của khóa công suất.
Power switch current: dòng điện của khóa công suất.
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
23
Khóa luận tốt nghiệp
Hoạt động của sơ đồ flybackcó nhiều phức tạp hơn so với sơ đồ forward,
nhưng về mặt toán học thì khá là đơn giản. Không giống như MBA của sơ đồ
forward, trong sơ đồ flyback, cuộn dây sơ cấp và thứ cấp được quấn lệch pha nhau
vì vậy mà dòng điện sơ cấp và thứ cấp không đồng pha. Do đó cuộn dây sơ cấp và
thứ cấp được coi như cuộn cảm trong suốt chu kỳ dẫn tương ứng của chúng. Vì
vậy, dòng điện đầu vào(sơ cấp) có thể được mô tả như dưới đây:
∫
=
=
on
T
t
pri
in
pri
dt
( )
∫
=
−=
on
T
t
pk
dtiiLW
0
min
.
(26)
Hay
( )
2
min
..
2
1
iiLW
pk
−=
(27)
Công thức này cho biết mức độ nguồn năng lượng được đưa vào lõi trong
mỗi chu kỳ làm việc. Để so sánh năng lượng này với yêu cầu của tải, thì nhà thiết
kế phải tăng công suất lên gấp nhiều lần nhờ tần số hoạt động của nguồn. Kết quả
công suất được đo bằng W và được so sánh với yêu cầu của tải, cũng là đại lượng
được đo bằng W. Ta nhận thấy một điều là những phương trình này rất có sức thu
hút các nhà thiết kế sơ đồ flyback, vì nó có khả năng phân phối lượng công suất lớn
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
25
Copyright: Tài liệu đại học ©