Chuong 3-Nguon on AP Xung

Chương 3: Nguồn

ổn áp xung

Trong chương này chúng ta sẽ khảo sát các vấn đề: - Căn bản về ổn áp xung - Cuộn dây, biến áp trong ổn áp xung - Các giải pháp thiết kế 3.1 Căn bản về ổn áp xung 3.1.1: Các chức năng của nguồn ổn áp xung căn bản: Hình 3.1 mô tả sơ đồ khối của nguồn ổn áp xung căn bản. Chức năng căn bản của sơ đồ này chuyển ngõ vào DC chưa ổn định sang ngõ ra DC ổn định. Với hoạt động này có thể xem nguồn ổn áp xung là bộ chuyển đổi DC-DC (DC-DC converter).

Hình 3.1: Sơ đồ khối nguồn ổn áp xung căn bản Trong nguồn ổn áp xung, transistor công suất làm việc ở chế độ giao hoán on/off, không phải liên tục như trong ổn áp tuyến tính. Hơn nữa ổn áp xung có thể cung cấp áp ngõ ra cao hơn áp ngõ vào, trong khi ổn áp tuyến tính chỉ có thể cho áp ngõ ra thấp hơn áp ngõ vào. Ổn áp xung có thể đảo ngược cực tính ngõ ra so với ngõ vào mà ổn áp tuyến tính không thể được. Ổn áp xung tần số cao sẽ giảm được trọng lượng , kích thước và hiệu suất tốt hơn nhất là với nguồn công suất cao so với ổn áp tuyến tính. 1. Các vấn đề hạn chế của nguồn ổn áp xung: Nguồn ổn áp xung nói chung không có những điểm hạn chế nào đáng kể.Ngoài việc mạch điện phức tạp hơn , nguồn ổn áp xung còn tạo ra nhiễu giao thoa điện từ (EMI). Tuy nhiên với thiết kế thích hợp , có thể giảm EMI đến mức cho phép, bằng cách chon lõi ferrite mất mát thấp cho biến áp và cuộn dây, lõi có độ từ thẩm cao và có bọc giáp ngoài, thiết kế với các phần tử mạch điện tối thiểu. 2. Chu kỳ nhiệm vụ giao hoán: Trong hình 3.1 việc ổn định điện áp ngõ ra bằng cách giao hoán transistor mắc nối tiếp (khóa công suất) làm việc on/off. Chu kỳ nhiệm vụ của phần tử công suất này quyết định điện áp DC trung bình ngõ ra. Chu kỳ nhiệm vụ được điều chỉnh với phần hồi tiếp tỉ lệ với sai lệch điện áp ngõ ra và điện áp tham chiếu. 3. Tần số giao hoán: Tần số giao hoán hầu như cố định và trên tần số âm thanh, mặc dù có một số nguồn ổn áp xung sử dụng tần số thay đổi để chuyển đổi giữa nguồn và tải.Trong một số vi mạch ổn áp xung, có thể thay đổi tần số giao hoán bằng cách thay đổi tụ điện bên ngoài. Một số điều cần lưu ý là với tần số cao hiệu suất sẽ bị kém do mất mát của phần tử công suất và mất mát lõi tăng. Mặt khác, tần số giao hoán thấp trong vùng âm tần sẽ tạo nhiễu giao thoa âm tần. 4. Đặc tính của transistor và diode: Nguồn ổn áp xung phải sử dụng transistor có thông số tích số độ lợi khổ tần ít nhất là 4MHz mới hoạt động hiệu quả (fT ≈30MHz sẽ tốt hơn), BJT hoặc MOSFET đều có thể sử dụng Giáo trình Điện Tử Ứng Dụng 1

làm khóa công suất. Diode chỉnh lưu có thời gian phục hồi nhanh , hay diode schottky, được sử dụng làm diode kẹp trong thời gian khóa công suất tắt để giữ đường tải của transistor giao hoán nằm trong vùng hoạt động an toàn và tăng thêm hiệu suất. Một số dụng cụ bán dẫn khác sử dụng trong mạch ổn áp xung gồm cổng logic.FF, ổn áp, bộ định thì, chỉnh lưu. 3.1.2: Các mạch ổn áp xung tiêu biểu:

Hình 3.2: Bốn dạng mạch ổn áp xung tiêu biểu Hình 3.2 mô tả 4 dạng mạch ổn áp xung NPN/PNP tiêu biểu. Tất cả các mạch đều có các thành phần chung như sau:transistor giao hoán, diode kẹp, lọc LC và khối điều khiển logic. Không có dạng mạch nào cách ly hoàn toàn giữa nguồn và tải, trừ trường hợp có nhiều hơn một transistor nối tiếp được sử dụng, tuy nhiên thiết kế với 01 transistor thì đơn giản và kinh tế nhất. Giáo trình Điện Tử Ứng Dụng

2

Thông thường người ta hay chọn có ít nhất 1 đường chung giữa ngõ vào và ngõ ra để giảm vòng GND. Mạch 1 đường chung cũng để xác định ngõ ra có cực tính dương/âm. Tuy nhiên hầu hết các mạch điện làm việc với các đường chung cách ly, do ngõ vào và ngõ ra cách ly nhau. Thiết kế 1 transistor và 1 đường chung là dạng thiết kế thông dụng nhất. Trong mạch hình 3.2a và 3.2b,khối logic hoạt động từ điện áp tải. Các dạng mạch như thế không thể tự khởi động được, nên phải lấy áp từ nguồn cấp cho nó trong thời gian khởi động ( và trong các trường hơp ngắn mạch). Trong mạch hình 3.2c và 3.2d thông dụng trong mạch cấp nguồn từ cao áp do transistor công suất NPN cao áp dễ chọn và thông dụng hơn. Trong đó mạch 3.2d thông dụng hơn do khối logic ghép trực tiếp với transistor công suất nên tăng hiệu suất. Một số thiết kế sử dụng biến áp lái giữa logic và transistor giao hoán, transistor có thể là NPN hay PNP. Hình 3.3 minh họa 3 dạng mạch ổn áp xung MOSFET tiêu biểu, biểu diễn 3 cấu hình cơ bản ; buck, boost, buck-boost (hạ, nâng, hạ-nâng). Mỗi cấu hình có 01 ứng dụng riêng. Khi điện áp ra cao hơn điện áp vào, mạch hoạt động theo diện nâng điện áp (voltage-boost).Mạch buck hay hạ áp khi điện áp vào cao hơn điện áp ra. Mạch buck-boost đảo cực tính áp ngõ vào họat động với áp ngõ vào có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn áp ngõ ra. Do đó, mạch buck-boost còn gọi là mạch hoán năng (inverter).

+ + Vin

Điều khiển

-

+

Vout > Vin

a) Dạng Boost + + Vin

Điều khiển

+

Vout < Vin

b) Dạng Buck + Vin

Điều khiển

Vout

-

> Vin < Vin

+ + c) Dạng Boost-Buck

Hình 3.3 : Ba dạng mạch tiêu biểu sử dụng Mosfet Giáo trình Điện Tử Ứng Dụng

3

3.1.3 :Lý thuyết nguồn ổn áp xung: Hình 3.4 minh họa mạch ổn áp xung lý thuyết (dạng buck) và các dạng sóng liên quan. Hiệu suất cao của nguồn ổn áp xung là do hoạt động của transistor nối tiếp ở chế độ giao hoán. Khi transistor on, toàn bộ áp ngõ vào áp vào mạch lọc LC. Khi transistor off, áp ngõ vào mạch lọc LC bằng 0. trường hợp transistor on và off trong khoảng thời gian bằng nhau (50% chu kỳ nhiệm vụ) điện áp DC ngõ ra bằng phân nửa điện áp vào.Điện áp ngõ ra Vo bằng điện áp vào VIN nhân với chu kỳ nhiệm vụ D, Vo=DVIN. Thay đổi chu kỳ nhiệm vụ sẽ bù lại thay đổi điện áp ngõ vào. Nguyên lý này áp dụng để tạo điện áp ngõ ra hoạt động như sau.Hoạt động đóng/ mở của transistor ở chu kỳ nhiệm vụ cố định tạo dạng song ngõ ra xác lập như hình 3.4. Khi SW đóng,dòng IL qua cuộn dây chảy từ ngõ vào VIN sang ngõ ra qua tải. Điệp áp trên cuộn dây là V-Vo làm tăng dòng điện trong chu kỳ đóng. Khi SW hở, năng lượng tích trữ trong cuộn dây ép IL tiếp tục chảy qua tải và ghép qua diode, điện áp cuộn dây bị ngược cực tính và bằng Vo, IL giảm dần trong chu kỳ hở.

Hình 3.4: Mạch ổn áp xugn lý thuyết (dạng buck) Dòng trung bình qua cuộn dây bằng dòng tải. Do tụ điện giữ điện áp tải Vo cố định, dòng tải Io cũng cố định. Khi IL>Io, tụ điện nạp,và khi IL Lmax . Ví dụ : Trong hình 3.23 input=5V±10%, ouput =15v, sử dụng diode 1N5817 (VD=4V), IC MAX641 có sai số 10% trên chu kỳ dao động 50Hz ( ton=10µs với chu kỳ nhiệm vụ 50%). tải I LOAD  115mA Tính Lmax : sử dụng Vinmin=4.5V, Vswmax=0.75V, tonmin=9µs 15  0.4  4.5 Ipk min   15  4  174mA 4.5  0.75 4.5  0.25 L max  (9 s )  194 H 174 mA Tính Lmin : sử dụng dòng cực đại của MAX641=450mA=Ipk, Vinmax=5.5V tonmax=11µs, Vswmin=0.25V 5.5  0.25 L min  (11s )  128 H 450mA chọn giá trị L=150µH hay 160µH 5/Lựa chọn cuộn dây cho nguồn xung PWM : Hầu hết nguồn xung đều có dòng đỉnh cao khi ngõ vào áp thấp . Đó là do nguồn xung thường làm việc ở mode liên tục và chu kỳ nhiệm vụ cao (cao hơn 50%) . Giá trị điện cảm PWM chỉ giới hạn bởi số vòng dây, khởi động và thời gian đáp ứng quá độ hợp lý. Trong mode liên tục, dòng qua cuộn dây dao động nhưng không bao giờ giảm về 0 . Bởi vì dòng điện có thể tăng theo dạng bậc thang trong khoảng thời gian nhiều chu kỳ, tốc độ tăng (xác định bới giá trị điện cảm) không giới hạn mức dòng qua cuộn dây cực đại hay dòng tải trung bình . Nói cách khác giá trị chính xác của L không cần thiết cho PWM như đối với PFM, giá trị nhỏ nhất được tính dựa trên mất mát I 2 R và khả năng dòng cực đại qua transistor . Do những thông số trên, PWM được sử dụng thích hợp hơn ở công suất cao . Nguồn PFM thường được sử dụng với công suất10W. 6/ Ảnh hưởng bão hòa : Đỉnh dòng cao làm cuộn dây bão hòa dẫn đến hiệu suất thấp, tăng nhiễu ồn làm hỏng transistor sw . Khi lõi cuộn dây bão hòa, giá trị điện cảm hiệu dụng giảm đột biến làm dòng tăng nhanh theo quy luật hàm mũ . Mất mát I 2 R làm giảm hiệu suất và cuộn dây không tích trữ năng Giáo trình Điện Tử Ứng Dụng

16

lượng thêm . Với những lý do trên, dòng đỉnh cao nhất trên bất kỳ nguồn ổn áp xung nào cũng nhỏ hơn dòng đỉnh cho phép của cuộn dây để tránh lõi bão hòa. Lưu ý cuộn dây có dòng DC qua thường dễ bão hòa . Hình 3.25 minh họa các dạng sóng dòng điện trong các trường hợp hoạt động bình thường, bão hòa hoặc điện trở cuộn dây cao. Có thể quan sát dạng sóng dòng điện bằng cách mắc một điện trở công suất 10W có R40V.Diode zener ngoài ghim áp 39V(giới hạn nguồn cấp cho TL49440V. 3.22: Vẽ sơ đồ nguồn buck sử dụng IC UC3844. 3.23: Vẽ sơ đồ nguồn boost sử dụng IC UC3844. 3.24: Vẽ sơ đồ tạo nguồn âm từ ngõ vào Vin dương sử dụng IC TL494 3.25: Vẽ sơ đồ nguồn buck nâng dòng sử dụng IC TL494. 3.26: Vẽ sơ đồ nguồn flyback sử dụng IC TL494. 3.27: Thiết kế mạch ổn áp xung thỏa các yêu cầu sau:  Input 8VDC±20%  Output 5VDC/2A Giáo trình Điện Tử Ứng Dụng

40

 Bảo vệ quá dòng 2A  Tự chọn các linh kiện trong thiết kế 3.28: Thiết kế mạch ổn áp xung flyback thỏa các yêu cầu sau:  Input 90 – 260VAC  Output 5VDC/3A  Bảo vệ quá dòng 3A  Tự chọn các linh kiện trong thiết kế 3.29: Thiết kế mạch ổn áp xung thỏa các yêu cầu sau:  Input 12VDC±20%  Output -5VDC/2A  Bảo vệ quá dòng 2A  Tự chọn các linh kiện trong thiết kế 3.30: Thiết kế mạch ổn áp xung forward đẩy kéo thỏa các yêu cầu sau:  Input 90 – 260VAC  Output 5VDC/3A  Bảo vệ quá dòng 3A  Tự chọn các linh kiện trong thiết kế 3.31: Tìm hiểu hoạt động IC VIPER22A.Từ đó thiết kế nguồn ổn áp xung thỏa các yêu cầu sau:  Input 90 – 260VAC  Output1: 5VDC/1A,output2: +12VDC/0,5A. 3.32: Thiết kế mạch ổn áp xung thỏa các yêu cầu sau:  Input 24VDC±20%  Output1: 5VDC/10A,output2: 48VDC/2A  Tự chọn các linh kiện trong thiết kế

Giáo trình Điện Tử Ứng Dụng

41