Bộ giáo dục và đào tạo
đại học giao thông vận tải
------------------------------------
Phạm thanh huyền Nghiên cứu giải pháp thiết kế
bộ nguồn chất lợng cao
dùng trong thiết bị điện tử Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Chuyên ngành: điện tử - viễn thông
M số: 60. 52. 70

Ngời hớng dẫn khoa học
:
Ts. Nguyễn thanh hải Chữ ký:


Xin chân thành cám ơn ! Tác giả
1

Mục lục
Danh mục một số từ viết tắt
Mở đầu

Chơng 1

Tổng quan chung và các yêu cầu của bộ nguồn trong
thiết bị điện tử

1.1. Tổng quan chung................................................................................... 7
1.1.1. Vị trí và tầm quan trọng của bộ nguồn trong hệ thống ...... 7

1.1.2. Các loại nguồn sử dụng trong thiết bị điện tử...................... 7

1.2. Đánh giá các phơng án thiết kế nguồn ổn định ............. 9
1.2.1. Bộ nguồn ổn định tuyến tính..................................................9

1.2.2. Bộ nguồn chuyển mạch ........................................................13

1.3. Các yêu cầu của bộ nguồn chuyển mạch ............................. 15
1.3.1. Khối lọc nhiễu đầu vào .........................................................15

1.3.2. Khối nắn và lọc sơ cấp ..........................................................16



2.2.5. Bộ biến đổi thế hệ thứ năm ..................................................36

2.2.6. Bộ biến đổi thế hệ thứ sáu .................................................... 36Chơng 3

Các giải pháp thiết kế bộ nguồn chuyển mạch

3.1. Mục đích và yêu cầu........................................................................... 38
3.2. Thiết kế khối công suất ................................................................. 39
3.2.1. Bộ chuyển mạch Buck .......................................................... 39

3.2.2. Bộ chuyển mạch Boost.......................................................... 42

3.2.3. Bộ chuyển mạch kiểu đẩy - kéo ........................................... 46

3.2.4. Bộ chuyển mạch cầu bán phần............................................ 52

3.2.5. Bộ chuyển mạch cầu toàn phần........................................... 55

3.3. Thiết kế khối điều khiển................................................................. 58
3.3.1. Giới thiệu chung.................................................................... 58

3.3.2. Nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM) .......................... 59Chơng 4


AC
Xoay chiều
AC/AC
Biến đổi điện áp xoay chiều sang xoay chiều
AC/DC
Biến đổi điện áp xoay chiều sang một chiều
BJT
Transistor lỡng cực
DC
Một chiều
DC/AC
Biến đổi điện áp một chiều sang xoay chiều
DC/DC
Biến đổi điện áp một chiều sang một chiều
EMI
Nhiễu điện từ
FET
Transistor hiệu ứng trờng
IC
Vi mạch tích hợp
PTHC
Phần tử hiệu chỉnh
PWM
Bộ điều chế độ rộng xung
RFI
Nhiễu cao tần
SMPS
Bộ mguồn chuyển mạch
Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử
4

Vấn đề nghiên cứu nguồn chuyển mạch là một vấn đề không mới nhng có
thể nói là rất khó vì chúng thay đổi rất nhanh nhằm đáp ứng những đòi hỏi
ngày càng phức tạp của thực tế. Mặc dù mang tính thực tiễn và ứng dụng rất
cao nhng nghiên cứu lý thuyết về nguồn chuyển mạch thì còn thiếu rất
nhiều. Mặt khác, do tính cạnh tranh về thơng mại mà các nhà sản xuất có
Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử
5
thể đa ra sản phẩm nhng không hề công bố lý thuyết kèm theo. Vì vậy,
những ngời dùng khi cần sửa chữa hoặc muốn tự thiết kế theo yêu cầu
riêng là rất khó khăn.
Các đề tài nghiên cứu trong nớc hầu nh không có, tất nhiên không kể
tới những tài liệu nói về điện tử công suất cơ bản.
Trên thế giới có rất ít ngời nghiên cứu chuyên sâu về vấn đề này. Tài
liệu chỉ ở dạng các bài báo đăng trên tạp chí IEEE về các kỹ thuật liên quan
tới bộ nguồn chuyển mạch nh kỹ thuật DC/DC, hoặc sơ đồ mang tính giới
thiệu của các hãng sản xuất (nếu lắp ráp nh vậy phần lớn mạch không hoạt
động và cũng không có cơ sở để lựa chọn linh kiện hay thay đổi cấu hình) .
Tuy vậy, cũng có tài liệu nói tới việc thiết kế nhng lại theo kinh nghiệm là
chủ yếu.

3. Mục đích, nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của luận văn
Mục đích:
Luận văn có mục đích tìm hiểu các kỹ thuật cơ bản để thiết kế nguồn
chuyển mạch chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử.
Nhiệm vụ:
Nghiên cứu góp phần làm rõ cơ sở lý thuyết của nguồn chuyển mạch chất
lợng cao.
Đa ra một số giải pháp thiết kế bộ nguồn chất lợng cao dùng trong
thiết bị điện tử.
Mô phỏng kết quả nghiên cứu lý thuyết bằng một số phần mềm mô

7. Kết cấu của luận văn
Luận văn gồm 4 chơng với 3 chơng lý thuyết và một chơng trình bày
phần mô phỏng. Ngoài ra còn có phần mở đầu và danh mục tài liệu tham
khảo.
Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử
7
Chơng
1
Tổng quan chung và các yêu cầu của bộ
nguồn trong thiết bị điện tử

1.1. Tổng quan chung
1.1.1. Vị trí và tầm quan trọng của bộ nguồn trong hệ thống
Nguồn điện trong các hệ thống điện tử đóng vai trò hết sức quan trọng. Đó
là nơi cung cấp năng lợng điện cho hệ thống hoạt động cũng nh trái tim
cung cấp máu đi nuôi cơ thể. Vì vậy có thể nói rằng việc tạo ra bộ nguồn
chất lợng cao có vai trò quyết định tới sự sống còn của cả hệ thống.
Các hệ thống điện tử ngày nay đều sử dụng năng lợng của dòng điện
một chiều, việc cấp nguồn một chiều có thể thực hiện bằng cách sử dụng
các nguồn pin, acquy, pin mặt trời nhng các nguồn này không có tính ổn
định (nguồn yếu đi sau một thời gian hoặc phụ thuộc quá nhiều vào điều
kiện bên ngoài). Do đó, với các hệ thống yêu cầu hoạt động tin cậy trong
một thời gian dài thì yêu cầu bộ nguồn phải đảm bảo về độ ổn định cao và
phạm vi ổn định rộng. Để đáp ứng đợc yêu cầu đó các bộ nguồn dùng
trong thiết bị điện tử đều sử dụng phơng án tối u là lấy nguồn cung cấp
chính từ đờng dây điện lực, đồng thời kết hợp với nguồn dự phòng là pin
hoặc máy phát điện.
Tuy nhiên, phần quan trọng nhất để quyết định tính ổn định của bộ
nguồn lại không phụ thuộc vào cách dùng nguồn chính hay nguồn dự phòng
vì sau đó chúng đều cần đi qua phần ổn định để đảm bảo đầu ra không đổi.

+
C2
+
C1
ac
Ui
TR
dc
ac
Ui
Uo
Rt
+
C2
+
C1
R
TR

Hình 1. 2: Sơ đồ mạch chỉnh lu và lọc nguồn
Đầu vào
ac

4
2
1
3

Đầu ra dc
ổn định

Vi

không ổn định
-

+
-
T
Vo
ổn định
Vi

không ổn định
+
-
Rt
D
ZENER
Rcb
+
R
Rt
Rdc
-
Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử
10
Trong sơ đồ thứ nhất, nội trở của diode Zene giảm theo sự gia tăng của
điện áp ngợc đặt vào, khi đó Uz = Iz . Rz const, tức là giữ cho điện áp
giữa hai đầu điện trở tải Rt ổn định.
Trong sơ đồ thứ hai, nhiệt trở R

Bộ
so sánh

Nguồn chuẩn
Ur
Điện áp
một chiều ổn định Uv
Điện áp một chiều
cha ổn định Tải
Hình 1. 4: Sơ đồ khối của bộ ổn định có hồi tiếp
PTHC đợc điều khiển bằng tín hiệu một chiều từ bộ khuếch đại. Trong
sơ đồ này PTHC là các BJT hoặc FET loại công suất làm việc ở chế độ
khuếch đại, khi đó nội trở của chúng biến đổi theo điện áp ra, nếu bằng
Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử
11
cách nào đó điều khiển đợc sự thay đổi của nội trở này ta sẽ làm cho điện
áp trên tải ổn định.
Mạch hồi tiếp lấy điện áp ra hoặc một phần điện áp ra đa về bộ so sánh.
Bộ so sánh thực hiện việc so sánh điện áp ra của mạch hồi tiếp với nguồn
điện áp chuẩn. Kết quả so sánh là điện áp một chiều đợc đa tới PTHC sau
khi qua bộ khuếch đại để tăng khả năng điều khiển.
Nguồn chuẩn tạo ra điện áp ổn định không phụ thuộc vào sự thay đổi của
điện áp vào hay điện áp ra để cung cấp cho bộ so sánh. Nguồn chuẩn
thờng dùng diode Zene để tạo điện áp chuẩn ổn định.

tạo ra lại tiếp tục đợc so sánh với điện áp mẫu tới khi đạt trạng thái cân
bằng với điện áp mẫu. Nhng khi điện áp ngõ ra giảm, quá trình trên lại
không diễn ra ngợc lại.
Nh vậy có thể thấy khuyết điểm rõ ràng của bộ ổn định tuyến tính có
hồi tiếp là:
Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử
12
Chỉ tạo đợc điện áp thấp từ điện áp cao hơn
Ngõ vào và ngõ ra không đợc cách ly về mặt một chiều
Toàn bộ dòng tải qua transistor, transistor này làm việc liên tục ở chế
độ tuyến tính nên tổn hao là quá lớn. Trong hầu hết các trờng hợp
sụt áp trên transistor là 2.5V đối với loại NPN và 1V đối với loại
PNP.
Khi điện áp DC thô lấy ra từ cuộn thứ cấp của biến áp đã đợc chỉnh lu,
và sử dụng tụ lọc đủ lớn để lọc độ gợn sóng vô nghĩa, thờng chọn số vòng
dây cuộn thứ cấp để điện áp thứ cấp đã chỉnh lu là Vo + 2.5V khi ngõ vào
AC ở mức dung sai nhỏ. Nhng khi điện áp AC có dung sai lớn thì sai lệch
sẽ lớn hơn và tổn hao trên PTHC sẽ lớn hơn và do vậy hiệu suất cấp nguồn
sẽ giảm đi.
Để chứng minh cho điều này có thể xem xét ví dụ sau:
Vo
V
Io
A
Vdc(min)
V
Vdc(max)
V
Vi sai(max)
V

Vi
không ổn định
Vo
ổn định
-
-
+
C2
+
C1
IN
COM
OUT
79L05
+
C2
+
C1
IN
COM
OUT
78L05

Hình 1. 6: Sơ đồ mạch ổn áp dơng và âm dùng IC ổn áp
Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử
13
Vi mạch tích hợp đợc sử dụng trong các bộ nguồn ổn định tuyến tính
thực chất là một mạch bao gồm đầy đủ các thành phần của một sơ đồ ổn áp
có hồi tiếp, có mạch hạn chế dòng và bảo vệ quá áp. Điều này khiến cho
việc ổn định nguồn trở nên đơn giản và thuận lợi cho ngời sử dụng. Tuy

Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử
14
(5)
(6)(9)
(8)
(7)
(1)
(2)
(3)
(4)
(10)
ốề ể
Hình 1. 7: Sơ đồ khối của bộ nguồn chuyển mạch
Trong đó:
1). Lọc nhiễu tần số cao
2). Bộ nắn và lọc sơ cấp
3). Phần chuyển mạch chính
4). Bộ nắn và lọc thứ cấp
5). Hồi tiếp để lấy mẫu điện áp ra
6). Khuếch đại sai lệch của điện áp lấy mẫu và điện áp chuẩn (thực chất là
bộ so sánh có khuếch đại)

Độ bền và tuổi thọ cao,
Kích thớc và trọng lợng nhỏ gọn.
Giá thành rẻ.
Tuy nhiên, có thể thấy ngay rằng SMPS có cấu trúc phức tạp và khi đo
lờng các thông số cần chú ý tới nhiễu điện từ EMI
Để đa ra những minh chứng sát thực hơn chúng ta sẽ phân tích kỹ cấu
trúc cũng nh hoạt động của SMPS ở các chơng tiếp theo. Tuy nhiên, qua
phân tích sơ bộ ở trên có thể khẳng định rằng SMPS là một bộ nguồn chất
lợng cao. Phần còn lại của luận văn sẽ chỉ đề cập tới loại nguồn này, loại
nguồn dùng trong thiết bị điện tử để đáp ứng đợc yêu cầu ngày càng khắt
khe về chất lợng cũng nh cạnh tranh về giá cả.

1.3. Các yêu cầu của bộ nguồn chuyển mạch
Nh đã nói ở phần trên, SMPS bao gồm nhiều khối, vì vậy để đa ra đợc
yêu cầu của cả bộ nguồn một cách chi tiết ta sẽ phân tích nó theo sơ đồ khối
để thấy đợc các yêu cầu riêng của từng khối.
1.3.1. Khối lọc nhiễu đầu vào
Cấu trúc:
C2
C1
Lch

Hình 1. 8: Khối lọc nhiễu đầu vào
Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử
16
Khối này có nhiệm vụ lọc bỏ các nhiễu cao tần. Trong không gian có rất
nhiều các nhiễu cao tần phát ra từ các thiết bị điện tử có nguồn phát xạ RFI.
Thêm nữa, bản thân nguồn xung cũng là nguồn tạo ra các thành phần tần số
cao gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh.
Bộ lọc sẽ chặn lại các tín hiệu nhiễu đó không đa ra đờng dây, đồng

càng tốt.
Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử
17
Để loại bỏ các thành phần gợn sóng của điện áp ra sau khi nắn, cần sử
dụng các mạch lọc nguồn. Nhng mạch lọc nguồn không đợc phá vỡ chế
độ hoạt động bình thờng của mạch chỉnh lu, không đợc gây méo thêm,
không đợc gây ra quá trình quá độ làm hỏng van chỉnh lu, tần số dao
động riêng của bộ lọc phải khác xa tần số của thành phần gợn sóng mà nó
phải lọc để tránh hiện tợng cộng hởng làm phá hỏng chế độ hoạt động
của mạch nắn, và tổn hao trên mạch lọc phải nhỏ.

1.3.3. Khối chuyển mạch tần số cao, nắn và lọc thứ cấp
Khối này còn đợc gọi là bộ biến đổi DC/DC vì đầu vào là một chiều và
đầu ra cũng là một chiều. Đây là khối cơ bản của nguồn chuyển mạch, việc
phân tích cấu trúc của khối này để tìm ra đợc phơng án tối u đợc trình
bày kỹ trong chơng 2 và chơng 3. ở đây, chỉ đề cập tới yêu cầu chất
lợng của bộ DC/DC:
Tiêu thụ công suất nhỏ trên phần tử chuyển mạch để tăng hiệu suất
của mạch.
Mật độ công suất tải ra đạt mức cao (loại phổ biến là 1 4W/inch
2
và
loại đặc biệt là 40 50W/inch
2
)
Mạch đơn giản nhng hiệu suất cao.
Công suất, điện áp và dòng điện đầu ra phù hợp với yêu cầu của từng
ứng dụng

1.3.4. Khối điều khiển

cấu hình mạch để đáp ứng đợc các yêu cầu đó.

Đề tài: Nghiên cứu giải pháp thiết kế nguồn chất lợng cao dùng trong thiết bị điện tử
19
Chơng
2

Bộ biến đổi điện áp DC/DC

Nh đã nói ở trên, bộ biến đổi DC/DC là một trong những phần quan trọng
nhất của một SMPS, vì vậy việc nghiên cứu kỹ thuật biến đổi DC/DC là rất
cần thiết. Có thể nói, kỹ thuật biến đổi DC/DC là một hớng nghiên cứu
quan trọng của lĩnh vực điện tử công suất với thời gian phát triển tơng đối
dài (từ đầu những năm 20 của thế kỷ 20). Các bộ biến đổi DC/DC đợc sử
dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử khác nhau và cả các bộ điều khiển
động cơ một chiều. Các bộ biến đổi DC/DC phát triển rất nhanh và chiếm
thị phần thậm chí còn lớn hơn cả các bộ AC/DC, theo hai hớng chính là
điện áp thấp và mật độ công suất cao.
Khi yêu cầu về nguồn cung cấp một chiều điện áp thấp ngày càng trở nên
cấp bách thì kỹ thuật biến đổi DC/DC đợc dịp phát triển nhanh với dạng
mạch sơ khai là các mạch ngắt quãng. Để hiểu đợc các xu hớng phát
triển của bộ DC/DC, phần tiếp theo đây sẽ giới thiệu các mạch ngắt quãng
là mạch nguyên lý để biến đổi điện áp DC/DC và các bộ DC/DC tiên tiến.
Sau đó sẽ đi vào chi tiết phân tích sự phát triển của kỹ thuật biến đổi
DC/DC và đa ra mô hình mạch lựa chọn.

2.1. Phơng pháp biến đổi điện áp DC/DC

Điện áp và dòng điện ra đều mang dấu dơng. Sơ đ
điện áp tơng ứng đợc cho trong hình 2.2. Chuyển mạch S có thể là các
linh kiện bán dẫn nh BJT, IGBT hoặc MOSFET.
Vi
Hình 2. 2: Sơ đồ mạch và dạng sóng của mạch ngắt quãng chế độ A
theo trạng thái đóng / mở của chuyển mạch S mà điện áp Vp có
liên tục / ngắt quãng tơng ứng. Giả sử tất cả các linh kiện trong mạch đều
lý tởng (cha có bộ lọc thông thấp LC) thì điện áp trung bình của Vp(t) là
Vo đợc tính theo công thức sau:

=+=
T
1
T
T
T
ip
on
on
dtdtV
T
dttV
T
00
)0(
1
)(
i
on
V

21
Trong đó: T = 1/f, f là tần số ngắt quãng của chuyển mạch S.
Ton là thời gian chuyển mạch dẫn, k đợc gọi là hệ số dẫn.
i theo và
nó nhỏ hơn điệ
kh
rong phần 2.2.
2.
ng của mạch ngắt quãng hoạt
Hình 2. 3: Sơ đồ mạch và dạng sóng của mạch ngắt quãng chế độ B
Trong mạch này điện áp đầu ra mang dấu dơng và dòng điện đầu ra
mang d ủa Vp
đ
Nh vậy, nếu thay đổi hệ số dẫn k thì điện áp đầu ra sẽ thay đổ
n áp đầu vào vì 0< k< 1. Tuy nhiên, điện áp trên tải có dạng
ông liên tục, để giảm thiểu độ gợn sóng của điện áp này ngời ta mắc
thêm một bộ lọc thông thấp LC nh hình vẽ và khi đó Vo có thể coi nh lý
tởng sẽ có dạng đờng thẳng không đổi.
Mạch ngắt quãng chế độ A chính là mạch cơ sở để xây dựng bộ ổn định
Buck (bộ ổn định giảm áp), sẽ nói chi tiết t

1.2. Mạch ngắt quãng hoạt động ở chế độ B
Sơ đồ mạch và các dạng điện áp đặc tr
động ở chế độ B đợc cho trong hình 2.3.
Vi
Vp
Io
-
+
-

on
T
0
+=
T
T
T
on
VidtdtdttV
T
0
)0(
1
)(
1
ii
off
VkV
T
T
)1(
= (2. 2)
Trong đó: T là thời gian mà chuyển mạch ngắt T
off
= T - T
on

on
/T
off

Vp
Io
-
+
+
+
Vi
S
D
L
+
C
R
ức tính điện áp đầu ra (giá trị tuyệt đối) giống ở mạch chế độ A. Tức là
giống biểu thức (2.1):
ii
on
o
VkV
T
T
V .==

Trong đó: Ton là thời gian dẫn của chuyển mạch trong chu kỳ T.

.1.4. Mạch ngắt quãng hoạt động ở chế độ D
h 2.5. Trong mạch này
đi
Vp(avr) =
k là hệ số dẫn, k = Ton/T

-
Io
Vp
+
Vi
L
+
C
S
D
+
Vo
Hình 2. 5: Sơ đồ mạch và dạng sóng của mạch t ãng chế độ D

ngắ qu
2.1.5. Mạch ngắt quãng hoạt động ở cả 4 chế độ
Mạch này có sơ đồ nh sau:
+
-
Vo
L
S3
S4
D3
D4
S2
S1
D2
D1
+