Bài giảng điện tử thông tin

Chương VI. KHÁI QUÁT VỀ NGUỒN CẤP ĐIỆN TRONG CÁC HỆ
THỐNG THÔNG TIN

6.1 Vị trí và tầm quan trong của nguồn cấp điện

Nguồn điện (hay năng lượng điện) đóng vai trị hết sức quan trọng trong
mọi ngành kinh kế cũng như trong đời sống con người, đặc biệt là trong lĩnh
vực thông tin liên lạc, nguồn điện giữ vai trị càng quan trọng hơn, vì nếu mất
nguồn điện thì sẽ mất thơng tin, sẽ ảnh hưởng đến mọi ngành kinh tế và an ninh
quốc gia, vì vậy duy trì cấp nguồn điện liên tục cho các hệ thống thông tin là
yêu cầu vô cùng quan trọng. Hầu hết các thiết bị thông tin đều sử dụng năng
lượng của dòng điện 1 chiều, nguồn điện này phải bảo đảm yêu cầu về độ ổn
định, nếu phạm vi ổn định càng rộng, độ ổn định càng cao thì chất lượng thông
tin càng tốt, thiết bị làm việc càng tin cậy và thời gian làm việc càng kéo dài. Do
đó, khi tổ chức mạng cấp nguồn cho các hệ thống thông tin phải bảo đảm các
yêu cầu sau:

- Cần phải cung cấp công suất liên tục, ổn định với độ tin cậy cao trong
một thời gian dài và không phụ thuộc vào lưu lượng thông tin.

- Các thiết bị cấp nguồn phải có khả năng hoạt động độc lập cao trong suốt
thời gian làm việc của nó trong điều kiện khó khăn về mơi trường, thời tiết.

- Các thiết bị cấp nguồn phải có độ tin cậy cao, năng lượng dự trữ đủ lớn
và được sự giám sát hoạt động từ xa.

- Độ tin cậy và tuổi thọ của các thiết bị cấp nguồn nên tương thích với các
thiết bị thơng tin. Điều này có nghĩa là nên thiết kế các hệ thống cung cấp nguồn
sao cho sự cố do hệ thống nguồn cũng tương hợp với sự cố do các thiết bị khác
của trạm thông tin.

- Các thiết bị cấp nguồn phải được lắp đặt hệ thống bảo vệ sự cố có độ tin
cậy cao, đồng thời hệ thống cấp nguồn phải dễ lắp đặt, bảo dưỡng, thay thế khi
sửa chữa và giá thành hạ. Có thể cấp nguồn bằng dòng điện một chiều liên tục.
Nhưng trong một trạm thơng tin thường có máy vi tính, máy điều hồ nhiệt độ
và các yêu cầu khác cho nên hầu hết dùng dịng điện xoay chiều, khi có thiết bị
cần dịng điện một chiều thì người ta dùng các bộ nắn điện để cung cấp, sau đây
ta sẽ nghiên cứu phương thức cấp nguồn.

6.2 Các phương thức cấp nguồn cho trạm viễn thông
Phương thức cấp nguồn cho trạm viễn thơng phải bảo đảm được u cầu

về tính liên tục và về độ ổn định cao, do đó người ta thường dùng hệ thống cấp
nguồn tổ hợp, hộ thống cấp nguồn tổ hợp được phân làm hai loại, đó là hệ thống
cấp nguồn có điện lưới quốc gia và hệ thống cấp nguồn khơng có điện lưới quốc
gia.
6.2.1 Hệ thống cấp nguồn có mạng điện quốc gia

Đối với các hệ thống thông tin đặt ở nơi gần với đường dây điện lực thì
phương án tối ưu là sử dụng lưới điện quốc gia làm nguồn cung cấp chính cho
hệ thống thơng tin, đổng thời kết hợp với nguồn dự phòng là dùng tổ máy nổ
phát điện và tổ ắc qui, sơ đồ hệ thống cung cấp điện như hình 6.1.

Hình 6.1 Hệ thống cấp nguồn tổ hợp
Hệ thống này nhận năng lượng điện từ 2 nguồn. Nguồn điện chính là
nguồn do lưới điện quốc gia cung cấp, nguồn dự phòng là nguồn do tổ máy nổ
phát điện cung cấp và tổ ắc qui. Để điều khiển 2 nguồn này, người ta dùng cầu
dao hai ngả hoặc thiết bị tự động hốn chuyển đóng cắt, khi đóng cầu dao về vị
trí I thì hệ thống nhận năng lượng điện do lưới điện quốc gia, cịn khi đóng cầu
dao về vị trí II thì hộ thống sẽ nhận năng lượng điện do máy phát điện cung cấp,
khi cả 2 nguồn mất thì ắc qui sẽ cung cấp điện.

Nguyên tắc chung về cài đặt:
- Nguồn năng lượng do lưới điện quốc gia cung cấp phải qua một máy biến
áp máy biến áp thường có điện áp ra là 380/220V, máy biến áp này phải có đủ
dung lượng để cung cấp cho các thiết bị thông tin hoạt động và các yêu cầu sử
dụng khác.

- Máy phát điện cũng phải có điện áp cùng cấp với điện áp của máy biên
áp, nghĩa là cũng có điện áp phát ra là 380/220V, ngồi ra máy phát điện cũng
phải có đủ công suất cung cấp cho các thiết bị thông tin và một phần cho các
nhu cầu sử dụng khác, nhưng cần phải tính tốn cấn thận, tránh cơng suất quá
lớn gây lãng phí vốn đầu tư.

- Tổ ắc qui: tổ ắc qui sử dụng để bảo hiếm trong hoàn cảnh lưới điện quốc
gia bị mất điện và hệ thống máy nổ phát điện gặp sự cố khơng phát điện được,
vì vậy tổ ắc qui phái có đủ dung lượng để cung cấp cho tải trong một thời gian
nhất định cần thiết cho việc sửa chữa ít nhất cũng phải là 10 giờ.
6.2.2.Hệ thống cấp nguồn khơng có điện lưới quốc gia

Đối với các trạm viễn thông đặt ở những nơi khơng có đường dây điện lực
đi qua (như rừng núi, hải đảo) thì người ta thường tổ chức hệ thống cấp nguồn
như hình 6.2.

Hình 6.2 Hệ thống cấp nguồn khơng có điện lưới quốc gia
Hệ thống này gồm có máy phát điện bằng sức gió, pin mặt trời và tổ máy
nổ phát điện, mục đích của hệ thống này là lợi dụng các ưu điểm của từng
nguồn riêng rẽ để thu được một hệ thơng có hiệu suất kinh tế nhất và có lợi
dụng triệt để các điều kiện địa lý tại nơi đặt trạm, bổ sung và hỗ trợ cho nhau.
Sử dụng hệ thống cấp nguồn tổ hợp này với bộ khởi động có độ tin cậy cao thì
sẽ giảm được cơng suất điều chỉnh cần thiết và giảm được dung lượng của bộ ắc
qui.

6.3 Nguồn cung cấp trong các thiết bị viễn thông

Mức độ tích hợp ngày càng cao do công nghệ bán dẫn mới mang lại đang
cho phép các hệ thống viễn thông ngày nay kết hợp ngày càng nhiều chức năng
với kích thước ngày càng nhỏ hơn. Với cấu hình nhỏ gọn đảm bảo tiêu thụ ít
điện năng hơn, điện áp làm việc thấp hơn và ít silicon trên mỗi chức năng. Các
bo mạch PC mới thường bao gồm các IC hoạt động ở điện áp 5V, 3,3V, 2,5V,
0.8V, v.v.

Yêu cầu về nguồn điện đối với IC thế hệ mới này nghiêm ngặt hơn về
mặt điều chỉnh tải, đường dây và điện áp tĩnh. Trong một số trường hợp (ví dụ:
những trường hợp được điều chỉnh bởi thông số kỹ thuật Intel VRM 8.2), điện
áp đầu ra được lập trình bằng bus kỹ thuật số cho các mức từ 1,8V đến 3,5V với
dòng tải từ 30A trở lên. Cơng nghệ cung cấp điện nói chung chưa theo kịp xu
hướng này, mặc dù công nghệ bán dẫn cho phép tích hợp cao hơn, lắp ráp bo
mạch tự động hoàn chỉnh và khoảng cách giữa các bo mạch nhỏ hơn.

Ngoại trừ một số trường hợp hiếm hoi, nguồn điện không thể được lắp
ráp tự động. Hầu hết đều có tản nhiệt lớn để quản lý nhiệt buộc phải lắp ráp thủ
công. Đối với phần lớn các hệ thống viễn thông, các kỹ thuật làm mát thơng
thường đã buộc phải tăng kích thước tản nhiệt. Bề mặt tản nhiệt được yêu cầu
liên quan trực tiếp đến hiệu suất cung cấp điện (Hình 6.3). Do đó, điện áp nguồn
mới (3V trở xuống) có ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước tản nhiệt. Hãy xem
xét một bộ chuyển đổi thuận, như minh họa trong Hình 6.3, hoạt động ở cơng
suất 100W:

- Với đầu ra 5V: P LOSS = 100(P OUT /eff.) - P OUT = 100×(100/83) - 100 =
20,5W

- Với đầu ra 3V: P LOSS = 100× (100/70) - 100 = 42,9W

Hình 6.3. Đối với bộ chuyển đổi DC-DC, hoạt động ở điện áp thấp sẽ gây ảnh
hưởng đến hiệu suất.

Việc chuyển điện áp nguồn từ 5V xuống 3V sẽ làm tăng công suất tiêu
tán từ 20,5W lên 42,9W, tạo ra thêm 22,4W công suất tiêu tán phải được tính
đến trong thiết kế nhiệt. Vấn đề đầu tiên của việc tiêu hao điện năng là sự gia
tăng nhiệt độ bên trong, làm giảm tất cả các thành phần của MTBF. Do đó, việc
thu hẹp kích thước và chi phí chế tạo vi mạch có tác động ngược lại đến nguồn
điện liên quan, trừ khi chúng ta xem xét một kiến trúc hoàn toàn mới để quản lý
nguồn điện.

Đối với một hệ thống viễn thông đơn giản, được giảm thiểu đến mức tối
thiểu để dễ hiểu (Hình 6.4), chúng tơi xem xét ba phương pháp khả thi để cung
cấp điện. Hệ thống này bao gồm một bảng giao diện cáp quang xử lý tốc độ dữ
liệu cao (như đối với cáp quang STM-1), một bảng nối đa năng bao gồm các
chức năng phụ trợ và quản lý hệ thống, cùng tối đa 10 thẻ đường truyền, mỗi thẻ
có tốc độ dữ liệu thấp. giao diện như ISDN'U', POTS, hoặc E1/T1. Các tải này
yêu cầu nhiều đầu ra có nguồn gốc từ -48V danh nghĩa, có pin dự phịng, có sẵn
trong phạm vi -42V đến -60V hoặc -36V đến -76V. Cách ly điện từ pin là bắt
buộc.

Hình 6.4 Các thành phần cơ bản tạo nên một hệ thống viễn thông đơn giản

Đầu tiên, giao diện cần nhân với 10 để chứa tối đa 10 bo mạch trong một
hệ thống. Tổng công suất cần thiết khi đó là 230W, được chia cho năm điện áp
đầu ra được điều chỉnh cố định cộng với một điện áp biến đổi được lập trình
bằng bus 5 bit. Dung sai tối đa đối với đầu ra thay đổi này là 1%, bao gồm cả
điều chỉnh đường truyền và tải. Ba kiến trúc phân phối điện đang được xem xét
là nguồn cung cấp tập trung, nguồn cung cấp phân tán và cách ly và một đầu ra

tập trung duy nhất với các đầu ra phân phối không cách ly phụ trợ.

6.3.1 Cung cấp điện tập trung

Thiết bị này tạo ra tất cả các điện áp cần thiết dưới dạng đầu ra thứ cấp
được cách ly với điện áp pin. Ở mức công suất đầu ra cần thiết cho ví dụ này
(230W), ví dụ cấu hình điển hình có thể là nửa cầu với vịng điều khiển đóng
trên đầu ra chính 3,3V. Các đầu ra khác phải được điều chỉnh sau để tuân thủ
các yêu cầu về dung sai chặt chẽ. Các bộ điều chỉnh sau này có thể là loại tuyến
tính hoặc loại chuyển mạch, mỗi loại độc lập với các loại khác và được điều
khiển bởi nhiều máy biến áp thứ cấp có cuộn cảm đầu ra được ghép nối (Hình
6.5).

Hình 6.5. Nguồn cung cấp nhiều đầu ra, mỗi nguồn thứ cấp có các kỹ thuật khác
nhau

Cách tiếp cận này có một số nhược điểm: Khó sản xuất các thành phần từ
tính được thiết kế tùy chỉnh, các phần tử ký sinh có thể có tác động đáng kể đến
hiệu suất và do đó hiệu suất của hệ thống thấp. Lưu ý rằng điện áp đầu ra thấp
hơn gây ra hiệu suất thấp hơn, bởi vì tổn thất được biểu thị bằng điốt chỉnh lưu
và bộ điều chỉnh tuyến tính (thậm chí cả loại LDO) chiếm tỷ lệ phần trăm lớn
hơn trong đầu ra.

Xét một phân tích đơn giản về đầu ra 1,5V (Hình 6.6). Giả sử chu kỳ làm
việc của dịng điện là 50% và dòng điện điốt chỉnh lưu bằng IOUT , tổn hao cuộn
cảm chỉ liên quan đến điện trở chứ không liên quan đến hiệu ứng từ do vật liệu
lõi, tần số chuyển mạch, v.v. Vì những lý do tương tự, chúng ta bỏ qua tổn thất
do ESR trong tụ điện:

P OUT = I OUT V OUT = 10(1.5) = 15W

PL = I OUT V OUT RL = 10(10)(0,01) = 1W
PD1 + D2 = VD(I OUT ) = 10(0.4) = 4W
PL LDO = I OUT V LDO = 10(0,6) = 6W
Hiệu suất = P OUT /(PL + PD1 + PD2 + PL LDO + P OUT ) = 15 / (1+ 4 + 6 + 15) = 58%

Hình 6.6 Do tổn thất cố định, điện áp đầu ra thấp hơn có nghĩa là hiệu
suất thấp hơn trong nguồn cung cấp được điều chỉnh tuyến tính này.

Do đó, với mỗi watt cung cấp cho tải, mạch sẽ mất 0,7W dưới dạng nhiệt
năng, đây không phải là cách sử dụng năng lượng hấp dẫn. Thú vị hơn là một hệ
thống dựa trên việc chuyển đổi các bộ điều chỉnh sau (Hình 6.7).

Hình 6.7. Các bộ điều chỉnh chế độ chuyển đổi (so với loại tuyến tính)
mang lại hiệu suất cao hơn cùng với độ phức tạp và độ ồn cao hơn.

Đầu ra 5V chính trong Hình 6.7 được điều chỉnh bằng bộ ghép quang
phản hồi và tất cả các đầu ra khác được điều chỉnh bởi IC chẳng hạn như các
loại step-down đồng bộ ( MAX1630 , MAX1637 , MAX1652 và MAX1638 )
hoặc loại nghịch đảo MAX774 cho điện áp đầu ra âm. Sử dụng các thành phần
từ tính tiêu chuẩn "có sẵn" từ nhiều nhà cung cấp khác nhau, đầu ra 1,5V được
tạo ra bởi bộ điều chỉnh giảm áp đồng bộ đạt được hiệu suất 87%, so với 58%
của phương pháp điều chỉnh tuyến tính.

IC điều chỉnh step-down, được hiển thị trong Hình 6.8, bao gồm đồng bộ
chỉnh lưu và của họ thiết bị lớn nhất. Nó có tính năng điều chỉnh giảm dần với
bảo vệ q áp và dưới áp, bảo vệ dòng điện và điện áp phụ aux.

Hình 6.8. IC điều khiển step-down cung cấp đầu ra kép với khả năng chỉnh lưu
đồng bộ.

Một khả năng khác là tạo ra điện áp âm từ điện áp dương, sử dụng bộ
điều khiển DC-DC nghịch đảo, như trong Hình 6.9. IC này và một số thành
phần bên ngoài (cuộn cảm, MOSFET nguồn và tụ điện đầu ra) cung cấp cách
đơn giản và dễ dàng nhất để tạo ra -5V, 2A cần thiết cho hệ thống này.

Hình 6.9. Các IC chế độ chuyển đổi này chuyển đổi điện áp đầu vào dương
thành đầu ra âm được điều chỉnh.

Trong hầu hết các trường hợp, bộ nguồn trung tâm là một thiết kế tùy
chỉnh được gắn ở vị trí giúp tiếp cận dễ dàng và quản lý nhiệt thuận tiện. Thông
số kỹ thuật được viết bởi các kỹ sư hệ thống hoặc thiết kế và được gửi đến bộ
phận cung cấp điện của công ty hoặc cho một trong nhiều công ty khác chuyên
thiết kế và sản xuất các bộ nguồn. Dù bằng cách nào, kết quả cuối cùng là cung
cấp một "hộp đen" được kiểm tra kỹ lưỡng và đủ tiêu chuẩn.

Điện áp cao từ pin chỉ ảnh hưởng đến phần đầu vào của nguồn điện. Vì lý
do an tồn và tn thủ các thông số kỹ thuật như EN60950, UL950, v.v., tất cả
các đầu ra thứ cấp đều được cách ly khỏi pin. Việc tuân thủ các thông số kỹ
thuật an toàn tiêu chuẩn này cũng đảm bảo rằng nguồn cung cấp tập trung có thể
phân phối điện áp được điều chỉnh trên tồn hệ thống mà khơng cần quan tâm
đến khoảng cách tới các bộ phận khác của thiết bị.

Để đạt được khả năng dự phịng, bạn có thể dễ dàng song song hai bộ
nguồn bằng cách sử dụng điốt nối tiếp để tạo kết nối OR giữa các đầu ra tương
ứng. Kiến trúc này làm tăng gấp đơi chi phí và quy mơ của nguồn cung cấp
điện, tuy nhiên nó thường được sử dụng với việc chuyển đổi hậu quy định trong
các hệ thống viễn thông vừa và nhỏ.

Đối với các hệ thống phức tạp hơn, chẳng hạn như ví dụ đã đề cập trước
đó, phương pháp này gây ra hai vấn đề: Thứ nhất, cần phải sử dụng dây cáp và

đầu nối tốn kém để tải dòng cao đến tất cả các bo mạch trong hệ thống. Thứ hai,
việc điều chỉnh điện áp giữa các bo mạch là một vấn đề; viễn thám có thể đảm
bảo khả năng điều chỉnh ở một bảng, nhưng nó khơng nhất thiết cung cấp đủ
dung sai ở các bảng khác để đảm bảo hoạt động bình thường cho các IC khác
nhau được gắn trên chúng. Điểm cuối cùng này thường loại trừ việc xem xét
nguồn cung cấp điện tập trung. Ngay cả đối với các hệ thống đơn giản, xu
hướng điện áp cung cấp thấp hơn và nhu cầu điều chỉnh chặt chẽ hơn khiến
phương pháp tập trung ngày càng khó thực hiện.

6.3.2 Nguồn điện phân tán và cách ly

Theo phương pháp này, điện áp pin (-48V) được cung cấp cho tất cả các bo
mạch trong hệ thống (Hình 6.10) và mỗi bo mạch bao gồm một hoặc nhiều
nguồn điện phù hợp với yêu cầu của bo mạch đó. Theo một nghĩa nào đó, nguồn
cung cấp tập trung đã được chia thành nhiều bộ chuyển đổi DC-DC nhỏ hơn,
mỗi bộ chuyển đổi này độc lập với nhau. Với mục đích này, thị trường ngày nay
cung cấp nhiều loại bộ chuyển đổi DC-DC một và nhiều đầu ra với cơng suất từ
vài watt đến hơn 600W. Ví dụ: một trong hai mạch có thể đáp ứng các yêu cầu
về nguồn điện của "giao diện điều khiển":

1. Ba bộ chuyển đổi DC-DC

2. Một bộ chuyển đổi DC-DC và ba bộ điều chỉnh sau chuyển mạch

Giải pháp đầu tiên rất dễ dàng; có thể mua ba mơ-đun "có sẵn" và gắn
chúng lên bo mạch theo thông số kỹ thuật của nhà sản xuất để lọc EMI, bảo vệ
ngắn mạch, quản lý nhiệt, v.v. Hạn chế là chi phí (trên mỗi watt), bởi vì mỗi
mơ-đun u cầu biến áp cách ly, vòng phản hồi và các thành phần khác
riêng. Chi phí được giảm thiểu trong mạch thứ hai vì sự cách ly và điện áp đầu
ra chính được cung cấp bởi một bộ chuyển đổi DC-DC và các bộ chuyển đổi

giảm áp đơn giản cung cấp cho các đầu ra được điều chỉnh khác. Yêu cầu về
công suất thường nằm trong khoảng từ 10W đến 30W, do đó, cấu trúc liên kết
chuyển đổi ngược hoặc chuyển đổi thuận có thể phục vụ cho giai đoạn đầu tiên.

Hình 6.10. Một cách tiếp cận để phân phối điện là định tuyến điện áp pin thô
(-48V) tới mỗi bo mạch và chuyển đổi xuống theo yêu cầu.

Trong sơ đồ đơn giản hóa của Hình 6.10, bộ điều khiển phía chính
(PFM MAX1771 hoặc PLC MAX668 ) cung cấp một số tính năng thú vị. Cả hai
đều là chip CMOS có mức tiêu thụ điện năng rất thấp và việc sử dụng tùy chọn
MOSFET chuyển mạch kênh p bên ngoài cho phép cả hai thiết bị cung cấp dải
điện năng rộng mà không cần thay đổi mạch điều khiển. Việc điều chỉnh sau đạt
được nhờ MAX1627, bộ điều chỉnh giảm dần PFM đơn giản với MOSFET
chuyển mạch bên ngoài. Ưu điểm lớn của điều khiển PFM là hiệu quả so với tải
đầu ra: trong trường hợp này, hơn 90% từ 2mA đến 2A!

Hình 6.11. Để thay thế cho phương pháp trong Hình 6.10, hãy chuyển đổi
xuống (và cách ly) điện áp pin một lần và phân phối điện áp thấp hơn này đến

các bộ chuyển đổi giảm áp đơn giản khác nhau.

MAX6501 cung cấp khả năng bảo vệ nhiệt độ trong một gói SOT23
nhỏ. Khi gói của nó đạt đến nhiệt độ ở mức bên trong đặt trước, trạng thái logic
đầu ra của nó sẽ thay đổi để cảnh báo về sự cố nhiệt có thể xảy ra. Do đó, bạn
có thể đạt được khả năng bảo vệ nhiệt tiết kiệm bằng cách lắp các thiết bị này
gần máy biến áp, MOSFET nguồn và các điểm nóng khác trong hệ thống.

Hai thiết bị hoàn thành vòng phản hồi: Tham chiếu điện áp vi điện có độ
chính xác, độ sụt thấp ( MAX6025 ) cung cấp hệ số nhiệt độ nhỏ hơn 20ppm/°C
và độ chính xác ban đầu tốt hơn 0,2%. Bộ khuếch đại thuật tốn vi cơng suất

( MAX4040 ) cung cấp sản phẩm có băng thơng khuếch đại 90kHz với dịng
điện chỉ 10µA. Cả hai đều có dạng gói SOT23 nhỏ.

Bởi vì hệ thống điện phân tán điều chỉnh nguồn điện gần với điểm sử
dụng nên nó dễ dàng tuân thủ các yêu cầu cục bộ về điều tiết đường dây, tải và
tĩnh. Một ưu điểm khác là các bộ chuyển đổi nhỏ trong hệ thống điện phân tán
(không giống như các bộ chuyển đổi của nguồn cung cấp trung tâm lớn, thường
do nhà thầu phụ bên ngồi phát triển) có thể dễ dàng điều chỉnh theo những thay

đổi về yêu cầu điện năng thường xảy ra trong quá trình phát triển thiết kế bảng
mạch.

Dự phịng khơng phải lúc nào cũng yêu cầu sao chép nguồn điện (dự
phòng 1+1); Dự phòng N+1 đôi khi là đủ. Ở đây, N là tổng của các điện áp
nguồn khác nhau đại diện cho toàn bộ nguồn điện cần thiết cho hệ thống và một
điện áp dự phịng chỉ được kích hoạt để thay thế đầu ra bị lỗi (sau đó bảo trì sẽ
thay thế bo mạch có đầu ra bị lỗi). Nếu nguồn cung cấp có khả năng trao đổi
nóng, bạn có thể sửa chữa lỗi này mà không cần tắt nguồn hệ thống. Việc bảo trì
dễ dàng hơn vì bạn có thể dễ dàng thay thế bảng mạch in hơn là một nguồn
cung cấp tập trung lớn có tất cả các đầu nối của nó.

Từ quan điểm điện từ, hệ thống phải tuân thủ tất cả các thông số kỹ thuật
do sự áp đặt các quốc gia khác nhau nơi hệ thống sẽ được lắp đặt. Do đó, để
triệt tiêu nhiễu điện từ do sự tương tác giữa các tần số chuyển đổi từ các nguồn
cung cấp khác nhau, bộ lọc EMI phải có ở đầu vào nguồn điện trên mỗi bo
mạch. Để ngăn chặn sự cố EMI từ nhiều bộ lọc này, bạn cũng có thể cần một bộ
lọc bổ sung trên bus -48V (Hình 6.12).

Hình 6.12. Để đảm bảo tn thủ các thơng số kỹ thuật EMI của mỗi quốc gia,
hãy lắp đặt bộ lọc EMI trên bộ chuyển đổi chính và tất cả các bộ chuyển đổi hạ

tần phụ.
Đồng bộ hóa tần số bộ chuyển đổi có thể khơng giải quyết được vấn
đề; đơi khi nó cịn làm cho vấn đề trở nên tồi tệ hơn. Nếu tất cả các bộ chuyển
đổi chuyển đổi ở cùng một tần số, các sóng hài bậc 1 có năng lượng lớn hơn và
yêu cầu bộ lọc EMI suy giảm nhiều hơn. Một khía cạnh kém hiệu quả của kiến
trúc này là sự cách ly và chuyển đổi hạ áp từ -48V xuống 3,3V. Ngoài ra, việc

lắp bộ chuyển đổi IC trên toàn hệ thống cũng gây ra vấn đề về quản lý
nhiệt. Điều này có thể thêm một bộ tản nhiệt cho mỗi cái, nhưng điều đó cũng
làm tăng thêm chi phí và khả năng xử lý cho hệ thống.

Chiều cao của các cụm trên bo mạch PC không thể lớn lắm và sự hiện
diện điện áp -48V đòi hỏi khoảng hở cụ thể giữa các linh kiện điện tử thứ cấp
trên bo mạch. Yêu cầu diện tích này có nghĩa là khơng thể sử dụng một lượng
diện tích bảo vệ nhất định trên bo mạch PC nhiều lớp đắt tiền. Sự thỏa hiệp
mang lại lợi ích từ việc tích hợp thơng qua cơng nghệ bán dẫn, các kiến trúc hệ
thống kết hợp các ưu điểm của nguồn cung cấp điện tập trung với các ưu điểm
của nguồn cung cấp điện phân tán và cách ly là mối quan tâm lớn đối với thiết
bị mới.

6.3.3 Kết hợp nguồn tập trung với nguồn phân tán, không cách ly

Vì bus -48V tiềm ẩn các vấn đề về an toàn và bus 3,3V gây ra khó khăn
trong việc điều chỉnh đường dây và tải, nên giải pháp tốt nhất có thể là điện áp
phân phối trung gian. Nguyên tắc là sử dụng nguồn điện tập trung một đầu ra để
cách ly điện với pin trong khi giảm điện áp đầu vào (36V xuống 76V) xuống
12V. Nguồn 12V đóng vai trị như một bus nội bộ cho hệ thống, từ đó các bộ
điều chỉnh khơng cách ly lấy ra các điện áp cung cấp khác theo yêu cầu.

Cách ly duy nhất là ở bộ chuyển đổi giảm từ -48V xuống 12V. Bởi vì
12V sẽ bị các cơ quan quản lý địa phương ở cấp hội đồng hạ bậc hơn nữa nên
quy định chặt chẽ về 12V là không cần thiết; dung sai từ ± 10% trở lên đều
được chấp nhận. Thông số kỹ thuật thoải mái này cho phép một vòng phản hồi
đơn giản để điều chỉnh, dựa trên cuộn dây phụ của máy biến áp chính. Cuộn dây
phụ cũng thường cung cấp năng lượng cho phía sơ cấp của bộ chuyển đổi, giúp
loại bỏ sự cần thiết của bộ điều khiển IC thứ cấp và bộ ghép quang.

Điện áp gần 12V là lý tưởng vì nó mang lại hiệu quả chấp nhận được mà
khơng có q mức dịng trong bus phân phối. Điều này cho phép quản lý nhiệt
hợp lý và với cầu chuyển tiếp hoặc cầu đầy đủ, nó dễ dàng đạt hiệu suất từ 82%
đến 85%. Nguồn điện 12V phải được lắp ở vị trí dễ tiếp cận, cho phép trao đổi
nhiệt tối đa giữa thế giới bên ngồi và bộ tản nhiệt của nguồn điện, nhưng
khơng hướng khí nóng vào các bộ phận nhạy cảm với nhiệt. Sau khi biết được
mức tiêu tán năng lượng này, nhà thiết kế cơ khí có thể thực hiện phân tích (việc

này đơn giản hơn nhiều so với hệ thống có nhiều nguồn nhiệt) để tối ưu hóa
luồng khơng khí bên trong thiết bị.

Nguồn 12V này sẽ chiếm hơn 3/4 lượng điện tiêu thụ của hệ thống. Đối
với mỗi 10W được cung cấp cho tải, giả sử hiệu suất là 83% cho giai đoạn này
và 95% cho các bộ điều chỉnh sau giai đoạn thứ hai, hệ thống sẽ tiêu hao 2W
trong lần chuyển đổi xuống 12V đầu tiên và chỉ 0,5W trong lần chuyển đổi
xuống thứ hai từ 12V xuống 3,3V. Do đó, phân tích nhiệt nên tập trung chủ yếu
vào khối đầu tiên (nguồn 12V) và ít hơn vào các bộ điều chỉnh sau. Thật vậy, vị
trí của chúng có thể được chọn để tối ưu hóa bố cục mạch in.

Lưu ý rằng hiệu suất của hai bộ chuyển đổi nối tiếp thường bằng hoặc cao
hơn hiệu suất của một bộ chuyển đổi đơn lẻ, chẳng hạn từ -48V đến +3,3V. Hai
hoặc nhiều điện áp đầu ra càng làm tăng thêm khoảng cách hiệu quả giữa

chuyển đổi đơn và chuyển đổi kép. Chúng ta có thể thêm bao nhiêu bộ điều
chỉnh sau vào bus 12V một cách hợp lý nếu cần, tuy nhiên, việc bổ sung trực
tiếp bộ chuyển đổi điện áp cao vào bus -48V sẽ cồng kềnh và tốn kém.

Với đầu vào của bộ chuyển đổi thứ nhất ở điện áp pin và đầu ra của nó
được cách ly để đảm bảo an tồn, khơng cần chú ý đặc biệt đến khoảng cách
khe hở hoặc đường rò khi định vị bộ chuyển đổi hoặc bus nguồn của nó. Hơn
nữa, bạn có thể giảm gợn sóng phản xạ bằng cách thêm bộ lọc ở đầu vào của
mỗi bộ điều chỉnh chuyển mạch cấp bảng mạch. Bộ lọc LC bậc một thường là
đủ vì bộ chuyển đổi từ pin sang 12V có bộ lọc EMI riêng.

Độ suy giảm của bộ lọc EMI này phải vượt quá giới hạn được chỉ định bởi
các tiêu chuẩn quốc tế liên quan, thường xem xét cả môi trường và loại thiết bị
cuối. Nhiễu được tạo ra bởi bộ chuyển đổi đầu tiên và bởi các bộ điều chỉnh sau
có ở đầu ra 12V.

Bộ chuyển đổi thuộc họ bơm sạc (Charge-pump converters) (Hình 6.13) có
thể tăng hoặc đảo điện áp đầu vào. Điện áp đầu ra có thể khơng được điều chỉnh
hoặc được đưa trở lại để cung cấp điều chỉnh. Đối với các thiết bị không được
điều chỉnh, mức đầu ra phụ thuộc vào điện áp đầu vào và dịng điện tải. Khơng
có bộ phận từ tính được u cầu. Các cơng tắc bên trong trước tiên kết nối một
tụ điện bên ngoài với đầu vào và sạc nó vào VIN . Sau đó, các cơng tắc bên trong
khác kết nối cùng tụ điện đó với phía đầu ra.

Hình 6.13. Bộ chuyển đổi bơm sạc có thể đảo ngược hoặc giảm điện áp đầu vào
và điều chỉnh đầu ra mà không cần sử dụng cuộn cảm.

Không sử dụng các bộ phận từ tính đã kích thích sự quan tâm đến loại bộ
chuyển đổi này để sử dụng trong các ứng dụng cấp bảng mạch. Với tần số
chuyển mạch cao hơn và điện trở trong công tắc thấp hơn, bộ chuyển đổi bơm

sạc như MAX682 cung cấp 5V @ 250mA trong không gian chỉ bằng 5mm x
8,6mm (43mm2).

Mức công suất cao hơn được quản lý bởi bộ điều chỉnh chế độ chuyển đổi
hoạt động với một cuộn cảm bên ngoài ở các cấu hình tăng, giảm dần và
lên/xuống. Khuyến nghị các cuộn cảm đã được thử nghiệm và chứng minh,
thường chỉ định số bộ phận từ hai nguồn cung cấp trở lên. Hầu hết đều là các bộ
phận tiêu chuẩn của SMD, có sẵn trên thế giới, giúp mua sắm dễ dàng và lắp ráp
hoàn toàn tự động.

Chúng ta có thể chọn trong số các thiết bị có MOSFET nguồn bên trong
và mạch điều khiển, như MAX887 , bộ điều chỉnh giảm áp có thể cung cấp
500mA trong gói SO hoặc MAX710, bộ chuyển đổi tăng cường có dịng điện
sụt áp thấp (LDO) cung cấp 500mA trong gói 16QSOP. Để quản lý dịng điện
đầu ra tới 35A, các thiết bị như MAX1638 sử dụng MOSFET nguồn điện bên
ngoài.

MAX1638 (Hình 6.14) là bộ điều khiển xuống đồng bộ có khả năng thay
đổi điện áp đầu ra được điều chỉnh bằng bus kỹ thuật số. Tuân thủ thông số kỹ
thuật VRM 8.2 của Intel, nó cung cấp dịng điện đầu ra lớn (hơn 35A) và yêu
cầu tụ điện đầu ra nhỏ hơn mức yêu cầu để đáp ứng mức dung sai động được

xác định để điều chỉnh tải. Để hạn chế hiện tượng quá mức và thiếu hụt do dòng
điện tải thay đổi nhanh, MAX1638 điều khiển mạch "glitch-catcher" bao gồm hai
MOSFET cơng suất nhỏ, giúp tiết kiệm chi phí và khơng gian bằng cách giảm
kích thước tụ điện.

Hình 6.14. Bộ điều khiển bước xuống cung cấp khả năng chỉnh lưu đồng bộ với
điện áp đầu ra có thể điều chỉnh bằng kỹ thuật số.

Khi điện áp đầu ra vượt quá mức quy định hơn ±2%, công tắc bắt trục
trặc kênh p hoặc kênh n sẽ bật, buộc đầu ra trở lại mức điều chỉnh bằng cách
bơm dòng điện trực tiếp từ đầu vào hoặc nối đất vào đầu ra. Hành động này hiệu
quả nhất đối với các đầu ra nhỏ hơn 2V trong các ứng dụng sử dụng tụ điện đầu
ra có giá trị tối thiểu.