Nghiên cứu và thiết kế bộ chuyển đổi Buck

Số hóa bởi trung tâm học liệu

I

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


SONEXAY PHANTHAVONG



NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ
BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK



LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Thái Nguyên, năm 2012



Số hóa bởi trung tâm học liệu

II

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



SONEXAY PHANTHAVONG




NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ
BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: TNU 108625270033

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ






N
N
g
g
ư
ư
ờ
ờ
i
i


h
h
ư
ư
ớ
ớ
n
n
g

g


d
d
ẫ
ẫ
n
n


k
k
h
h
o
o
a
a


h
h
ọ
ọ
c
c
:
:

T
T
S
S
.
.


N
N
g
g
u
u
y
y
ễ
ễ
n
n


D
D
u
u
y
y

C
C
ư
ư
ơ
ơ
n
n
g
g

T
T
h
h
á
á
i
i


N
N
g
g
u
u
y
y
ê
ê
n
n
,
,


n
n
ă

ă
m
m


2
2
0
0
1
1
2
2





Số hóa bởi trung tâm học liệu

III
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc


Thuyết minh
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Đề tài:
NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ
BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK

Học viên
:
SONEXAY PHANTHAVONG
Lớp
:
Cao học - K13 KTĐT
Chuyên ngành
:
Kỹ thuật điện tử
Ngƣời HD khoa học
:
TS. Nguyễn Duy Cƣơng
Ngày giao đề tài
:
02 tháng 01 năm 2012
Ngày hoàn thành
:
30 tháng 11 năm 2012

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA
HỌC


TS. Nguyễn Duy Cƣơng
HỌC VIÊN

SONEXAY PHANTHAVONG
BAN GIÁM HIỆU
KHOA SAU ĐẠI HỌC


Số hóa bởi trung tâm học liệu

IV


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Ngoài các
tài liệu tham khảo đã đƣợc trích dẫn, các số liệu tính toán thiết kế và kết quả mô
phỏng trong luận văn là trung thực, không trùng lặp và chƣa từng đƣợc ai công bố
trong các công trình nghiên cứu nào khác.
Thái Nguyên, ngày 11 tháng 03 năm 2013
Tác giả luận văn


SONEXAY PHANTHAVONG

Số hóa bởi trung tâm học liệu

V

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN IV
MỤC LỤC V
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VII
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ VIII
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU X
LỜI NÓI ĐẦU XI
MỞ ĐẦU 13
CHƢƠNG I. GIỚI THIỆU 15
1.1. Giới thiệu 15
1.2. Kỹ thuật chuyển mạch 16
1.3. Bộ chuyển đổi DC-DC 18
1.3.1. Giới thiệu 18
1.3.2. Bộ nguồn SMPS 19
1.3.3. Phân loại các bộ chuyển đổi DC 20
1.3.4. Lý do sử dụng các bộ chuyển đổi Buck 21
CHƢƠNG II. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK 21
2.1. Nguyên lý bộ chuyển đổi Buck 22
2.1.1. Sự phát triển của mạch chuyển đổi Buck 22
2.1.2. Mục đích của các thành phần khác nhau của bộ chuyển đổi Buck 25
2.1.3. Các trạng thái hoạt động 29

2.1.4. Mạch chuyển đổi Buck đồng bộ 31
2.2. Tính toán thiết kế bộ chuyển đổi Buck thực tế 34
2.2.1. Tính toán tần số chuyển mạch 34
2.2.3. Tính toán cho Tụ 38
2.2.4. Bộ điều khiển điều chế độ rộng xung 40
2.2.6. Tuyến tính hóa mô hình trạng thái 44
2.2.7 Tiêu chuẩn ổn định 51
2.2.8. Mạch bù 53
2.2.9. Điều khiển truyền thẳng 59
2.2.10. Điều khiển chế độ điện áp/dòng điện 59
CHƢƠNG III. THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK 62
3.1. Thông số ban đầu 63
3.2. Tham số đầu vào 63

Số hóa bởi trung tâm học liệu

VI
3.3. Sơ đồ bộ chuyển đổi Buck 63
3.4. Tính toán các tham số 64
3.5. Đánh giá 68
3.5.1. Tải lớn nhất 68
3.5.2. Tải thay đổi 69
3.5.3. Hiệu suất 69
3.5.4. Tiết diện linh kiện bán dẫn 69
KẾT LUẬN 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

Số hóa bởi trung tâm học liệu

VII

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BJT
Bipolar Junction Transistor
CCM
Continuous Conduction Mode
CMC
Current Mode Control
CMOS
Complementary MOS
DC
Direct Current
DCM
Discontinuous Conduction Mode

DCR
Direct Current Resistance
ESL
Equivalent Series Inductance
ESR
Equivalent Series Resistance
MOSFET
Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
NFET
Negative Channel Field Effect Transistor
PDA
Personal Digital Assistants
PFM
Pulse Frequency Modulation
PWM
Pulse Width Modulation
SMPS
Switch Mode Power Supplies
SRBC
Synchronous Rectifier Buck Converter
VLSI
Very Large Scale Integration
VMC
Voltage Mode Control





Số hóa bởi trung tâm học liệu

VIII

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Stt
Tên hình vẽ
Trang
1
Hinh 1.1. Mối liên hệ giữa điện tử, công suất, điều khiển
3
2
Hình 1.2. Lƣu đồ các hệ thống nguồn một chiều
4
3
Hình 1.3. Bộ nguồn tuyến tính
4
4
Hình 1.4. Bộ nguồn chuyển mạch
5
5
Hình 1.5. Sơ đồ khối bộ nguồn chuyển mạch
8
6
Hình 1.6. Vị trí bộ chuyển đổi Buck trong hệ thống
9
7
Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát bộ nguồn chuyển mạch
10
8
Hình 2.2. Mạch điện gồm chuyển mạch đơn cực 2 tiếp điểm với tải

là điện trở
11
9
Hình 2.3. Mạch điện có bổ xung thêm cuộn cảm
11
10
Hình 2.4. Mạch điện lắp mạch lọc LC
12
11
Hình 2.5. Mạch chuyển đổi Buck với tải điện trở
12
12
Hình 2.6. Mạch nguồn chuyển mạch giảm áp
12
13
Hình 2.7. Sơ đồ tổng quát bộ chuyển đổi BUCK
17
14
Hình 2.8. Trạng thái ON
18
15
Hình 2.9. Trạng thái OFF
18
16
Hình 2.10. Chế độ liên tục và không liên tục
19
17
Hình 2.11. Chuyển mạch bù
20
18

Hình 2.12. Trạng thái ON/OFF của chuyển mạch
23
19
Hình 2.13. Dòng điện qua cuộn cảm
25
20
Hình 2.14. Nguồn dòng
26
21
Hình 2.15. Dòng điện qua chuyển mạch MOSFET thời gian đóng
26

Số hóa bởi trung tâm học liệu

IX
22
Hình 2.16. Độ gợn sóng của điện áp ra trong bộ chuyển đổi từng
bƣớc
27
23
Hình 2.17. Tín hiệu PWM
29
24
Hình 2.18. Bộ so sánh sử dụng điện áp chuẩn
29
25
Hình 2.19. Tín hiệu so sánh điều chế độ rộng xung
30
26
Hình 2.20. Hệ thống điều khiển phản hồi

31
27
Hình 2.21. Cấu trúc hệ thống điều khiển phản hồi tuyến tính hóa
32
28
Hình 2.22. Mạch chuyển đổi Buck
35
29
Hình 2.23. Chuyển đổi Buck (a) on; (b) off
35
30
Hình 2.24. Hệ số khuếch đại vòng hở
38
31
Hình 2.25. Điều chế độ rộng xung
38
32
Hình 2.26. Định nghĩa tần số cắt, biên hệ số khuếch đại, biên hệ số
pha
41
33
Hình 2.27. Mạch khuếch đại vi sai có bù
41
34
Hình 2.28. Mạch bù loại I
43
35
Hình 2.29. Mạch bù loại II
43
36

Hình 2.30. Đặc điểm mạng bù loại II
44
37
Hình 2.31. Mạch bù loại III
46
38
Hình 2.32. Đặc điểm mạng bù loại III
46
39
Hình 2.33. Sơ đồ nguyên lý điều khiển chế độ điện áp
48
40
Hình 2.34. Sơ đồ nguyên lý điều khiển chế độ dòng điện
49
41
Hình 3.1. Sơ đồ bộ chuyển đổi Buck
52
42
Hình 3.2. Đồ thị Bode của bộ chuyển đổi Buck
53
43
Hình 3.3. Đồ thị Bode cho mạch bù loại III
54
44
Hình 3.4. Đồ thị Bode cho bộ chuyển đổi Buck mạch vòng hở
54
45
Hình 3.5. Chuyển tải từ 5Ω lên 19Ω
57

Số hóa bởi trung tâm học liệu

X

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Stt
Tên bảng biểu
Trang
1
ng 1.1. So sánh giữa bộ nguồn tuyến tính và bộ nguồn chuyển mạch
6
2
2.1: So sánh chế độ điều khiển điện áp và chế độ điều khiển
dòng điện
50
3
3.1: Thông số kỹ thuật của bộ chuyển đổi Buck thiết kế
51
4
Bảng 3.2: Thông số đã đƣợc tính toán
53
5
Bảng 3.3: Kết quả
55
6
Bảng 3.4: Kết quả với R
L
= 5Ω, ESR = DCR = 1, R
1
= 60 kΩ

55
7
Bảng 3.5: Kết quả với R
L
= 19Ω, ESR = DCR = 1, R
1
= 60 kΩV
56
8
Bảng 3.6: Kết quả với ESR = 30E-3, DCR = 1, R
1
= 60 kΩC
56
9
Bảng 3.7: Điều kiện tải lớn nhất
57











Số hóa bởi trung tâm học liệu

XI

LỜI NÓI ĐẦU
Bộ nguồn chuyển mạch (SMPS - Switch Mode Power Supplies) đã đƣợc
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 đƣợc sử dụng. Luận văn này nghiên cứu mối
liên quan đặc biệt giữa SMPS với bộ chuyển đổi chỉnh lƣu 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.
Đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo

TS. Nguyễn Duy Cƣơng cùng
các thầy cô giáo giảng dạy các môn học khác, tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp
cao học “Nghiên cứu và thiết kế bộ chuyển đổi Buck” với các nội dung chính nhƣ
sau:
Chương 1: Giới thiệu – Tìm hiểu sơ lƣợc về bộ nguồn một chiều sử dụng kỹ thuật
chuyển mạch, các kỹ thuật chuyển mạch và bộ chuyển đổi nguồn DC-DC.
Chương 2: Nguyên lý hoạt động của bộ chuyển đổi Buck – Tìm hiểu về bộ chuyển
đổi Buck. Phân tích các đặc điểm của bộ chuyển đổi Buck, tìm hiểu phƣơng thức
tính toán thiết kế các thông số cũng nhƣ đánh giá độ ổn định của bộ chuyển đổi.
Chương 3: Thiết kế bộ chuyển đổi Buck – Thực hiện thiết kế bộ chuyển đổi Buck
thực tế, mô phỏng họat động với các điều kiện cụ thể, đánh giá độ ổn định của thiết
kế.
Do đề tài đƣợc hòan thành với thời gian ngắn, điều kiện để tiếp cận cũng nhƣ
năng lực của bản thân còn hạn chế nên luận văn không thể tránh khỏi các thiết sót.
Rất mong các thầy cô giáo và bạn đọc góp ý để đề tài đƣợc hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn.
Thái Nguyên, ngày 15 tháng 3 năm 2013
Người thực hiện

Số hóa bởi trung tâm học liệu

XII

Sonexay Phanthavong

Số hóa bởi trung tâm học liệu

13
MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài
Bộ nguồn chuyển mạch SMPS (Switch Mode Power Supplies) là một bộ phận
rất quan trọng trong kỹ thuật điện tử hiện đại vẫn đã và đang tiếp tục đƣợc phát triển và
hoàn thiện trong suốt 25 năm qua. Luận văn này tập trung vào việc nghiên cứu mối liên
quan đặc biệt giữa SMPS với bộ chuyển đổi chỉnh lƣu đồng bộ Buck (SRBC -
Synchronous Rectifier Buck Converter). Luận văn này cũng thảo luận về tiềm năng to
lớn, làm tiền đề cho lý thuyết thiết kế các ứng dụng khác dựa xung quanh SRBC. Nội
dung chính của luận văn này là nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho phép giảm nhỏ
kích thƣớc, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của bộ chuyển đổi nguồn trong các thiết bị
di động nhƣ điện thoại di động hoặc PDA (Personal Digital Assistants). Để đạt đƣợc
các yêu cầu trên, luận văn nghiên cứu dựa vào kỹ thuật bán dẫn 90nm với điện áp đầu
vào là 1,55V và điện áp đầu ra là 1V, công suất tiêu hao vào khoảng 200mW.
Nội dung chính của luận văn này là tìm hiểu lý thuyết về bộ chuyển đổi Buck
kéo theo các vấn đề về thiết kế bộ chuyển đổi này với các ứng dụng khác nhau, riêng
biệt, các chế độ hoạt động, thiết kế bộ điều khiển và phần quan trọng nhất là việc thiết
kế cơ cấu bù (Compensator). Các tính toán ở mức hệ thống sẽ sử dụng phần mềm
MATLAB và mô phỏng với thƣ viện 90nm.
II. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của luận văn là tìm hiểu phƣơng pháp và ứng dụng để thiết kế bộ

chuyển đổi Buck.
III. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan các lý thuyết liên quan và phƣơng pháp thiết kế bộ
chuyển đổi Buck.
- Xây dựng mô hình mô phỏng bộ chuyển đổi bằng phần mềm Matlab –
Simulink.
IV. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài có ý nghĩa thực tiễn trong việc nâng cao hiệu năng cũng nhƣ giảm nhỏ
kích thƣớc của bộ chuyển đổi, ứng dụng trong các thiết bị cầm tay, di động. Kết quả

Số hóa bởi trung tâm học liệu

14
nghiên cứu của đề tài là tin cậy và có tính khoa học vì nó đƣợc kiểm nghiệm, mô
phỏng bằng phần mềm Matlab-Simulink, đây là một phần mềm có độ tin cậy cao đƣợc
nhiều nhà khoa học và kỹ thuật sử dụng để mô phỏng hệ thống trƣớc khi tiến hành chế
tạo thực tế.

CHƢƠNG I

Số hóa bởi trung tâm học liệu

15
GIỚI THIỆU

1.1. Giới thiệu
Trong suốt quá trình phát triển công nghiệp điện tử, đối với điện thoại di động
những vấn đề đặt ra vẫn là tăng tuổi thọ pin, phát triển hệ thống nhỏ gọn và giảm giá
thành, bộ phận hiển thị sáng hơn, nhiều màu sắc hơn, thời gian đàm thoại lâu hơn.
Trong đó, những yêu cầu về hệ thống nguồn luôn đƣợc đánh giá cao. Để đạt đƣợc
những yêu cầu này, các kỹ sƣ đã làm việc dựa trên việc nâng cao hiệu suất của các kỹ
thuật chuyển đổi và đã đạt đƣợc các kết quả có ý nghĩa chuẩn mực về lý thuyết của
điện tử công suất. Tuy nhiên điều này hiển nhiên dẫn tới những thách thức cần giải
quyết khi kết hợp ba ngành chính của kỹ thuật điện tử: điện tử, công suất và điều khiển.

Hinh 1.1. Mối liên hệ giữa điện tử, công suất, điều khiển
Các kỹ thuật đƣợc chỉ ra trên hình vẽ bao gồm lý thuyết điều khiển, tổng hợp bộ
lọc, xử lý tín hiệu, điều khiển nhiệt độ và thiết kế dựa trên từ trƣờng. Luận văn này tập
trung vào các thiết kế liên quan tới các bộ chuyển đổi DC/DC (Hình 1.2).




Điện tử
Công suất
Hệ thống và
Lý thuyết điều
khiển
Xử lý tín
hiệu
Thiết bị
điện tử
Điện từ
Hệ thống
điện
Máy
điện
Mô phỏng
và
Tính

toán
Vật lý
trạng
Thái rắn
Mạnh lý
Thuyết

Số hóa bởi trung tâm học liệu

16











Hình 1.2. Lƣu đồ các hệ thống nguồn một chiều
1.2. Kỹ thuật chuyển mạch
Việc điều chỉnh điện áp theo lẽ thông thƣờng đƣợc thực hiện bằng các bộ điều
chỉnh tuyến tính đang dần đƣợc thay thế bằng các bộ điều khiển chuyển mạch hay các
bộ tạo xung. Để hiểu đƣợc tầm quan trọng của các bộ nguồn tạo xung, trƣớc hết chúng
ta so sánh về hiệu suất của bộ nguồn này với các bộ nguồn tuyến tính. Trở kháng của
các bộ nguồn tuyến tính thay đổi theo tải với cùng một điện áp không đổi ở đầu ra.

Hình 1.3. Bộ nguồn tuyến tính
Hình vẽ 1.3 chỉ ra một bộ nguồn tuyến tính đơn giản. Giả sử điện áp đầu vào là
V
in
=24 và chúng ta muốn có điện áp đầu ra V
out
=12, nhƣ vậy điện áp rơi trên bộ điều
chỉnh là 12V.
Dừa vào công thức tính công suất chuẩn ta có:
P = I.V (1.1)
Nếu dòng điện đầu ra = 10A, ta có công suất P = 10x12 = 120W.
Do vậy bộ điều chỉnh sẽ làm tiêu hao 120W dƣới dạng nhiệt năng. Nhƣ vậy hiệu suất
của bộ nguồn chỉ còn đạt 50% và một lƣợng lớn năng lƣợng sẽ tiêu hao dƣới dạng

V
out
V
in
R

Số hóa bởi trung tâm học liệu

17
nhiệt. Việc cố gắng giảm nhiệt độ tiêu hao để làm mát dẫn tới bộ nguồn sẽ cồng kềnh.
Nhƣ vậy nếu đặt vấn đề kích thƣớc và hiệu suất lên trên thì bộ nguồn tuyến tính sẽ
không đƣợc sử dụng.
Hình 1.4 là một bộ nguồn xung cơ bản. Bộ điều khiển chuyển mạch là một
chuyển mạch đơn giản dẫn tới trƣờng hợp lý tƣởng 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).




Hình 1.4. Bộ nguồn chuyển mạch
Tỷ lệ xung nhịp đƣợc quyết định bởi công thức:

out
in
V
DutyCycle
V
(1.2)
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 nhƣ 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 ƣu điểm khác nhƣ lƣu trữ năng
lƣợng 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.
Không giống bộ nguồn tuyến tính, bộ nguồn chuyển mạch có thể thay đổi từng
bƣớc điện áp đầu vào.
Tất cả những ý kiến trên có thể đƣợc tóm tắt bằng bảng so sánh (bảng 1.1):
Bảng 1.1. So sánh giữa bộ nguồn tuyến tính và bộ nguồn chuyển mạch
Thông
Tuyến tính
Chuyển mạch

Số hóa bởi trung tâm học liệu

18
số so
sánh
Chức
năng
Chỉ có chế độ giảm áp: điện áp vào
phải lớn hơn điện áp ra
Có thể giảm áp, tăng áp.
Hiệu
suất
Hiệu suất thấp hoặc trung bình, tuổi
thọ của pin (acquy) thực tế phụ thuộc
dòng điện tải và điện áp ra. Đạt hiệu
suất cao nếu điệp áp vào và điện áp
ra gần bằng nhau
Hiệu suất cao, ngoại trừ trƣờng
hợp dòng tải quá nhỏ, khi đó
dòng điện chế độ không hoạt
động luôn lớn hơn dòng tải.
Tổn hao
do nhiệt
Cao với trƣờng hợp dòng áp đầu
vào, đầu ra, tải chênh lệch lớn
Thấp, đặc biệt với nguồn công
suất dƣới 10W
Độ phức
tạp

Thấp, với trƣờng hợp chỉ cần bộ điều
chỉnh và tụ điện.
Trung bình đến cao, thƣờng cần
có cuộn cảm, đi ốt, tụ lọc đi
kèm theo IC, trƣờng hợp cần
nguồn công suất lớn yêu cầu có
thêm các linh kiên bán dẫn FET
lắp thêm bên ngoài

Kích
thƣớc
Vừa và nhỏ với thiết kế thông thƣờng
công suất thấp, cồng kềnh nếu cần
thêm các bộ tản nhiệt ở nguồn công
suất cao
Kích thƣớc lớn hơn nguồn
tuyến tính ở công suất thấp, nhỏ
hơn nguồn tuyến tính với yêu
cầu công suất cao.
Chi phí
Thấp
Trung bình đến cao, chủ yếu do
các linh kiện lắp thêm bên ngoài
Độ gợn
sóng/
nhiễu
Thấp; không có gợn sóng, nhiễu
thấp, tốt hơn nếu có bộ lọc nhiễu
Trung bình đến cao, phụ thuộc
độ gợn sóng và tần số chuyển

mạch
1.3. Bộ chuyển đổi DC-DC
1.3.1. Giới thiệu
Bộ chuyển đổi DC-DC là các thiệt bị điện tử đƣợc sử dụng khi chúng ta cần
thay đổi nguồn một chiều từ mức điện áp này sang mức điện áp khác. Trong chƣơng
trƣớc chúng ta đã đề cập đến mặt hạn chế của việc chuyển đổi khi sử dụng bộ nguồn
tuyến tính và đã đƣa ra bộ nguồn chuyển mạch SMPS- bộ nguồn có thể cho phép
chuyển đổi sang các mức khác nhau. Từ đây trở về sau, khái niệm bộ chuyển đổi DC-
DC sẽ đƣợc ngầm hiểu là bộ nguồn SMPS.
Một số ứng dụng liên quan đến bộ chuyển đổi DC-DC ví dụ trong bảng mạch
chính của máy tính cá nhân, điện áp 5V DC đƣợc chuyển đổi thành 3V, 2V hoặc nhỏ
hơn nữa là điện áp cấp nguồn cho chip vi xử lý…Trong tất cả ứng dụng này, chúng ta

Số hóa bởi trung tâm học liệu

19
đều muốn chuyển đổi năng lƣợng một chiều từ một mức điện áp sang mức điện áp
khác, với mong muốn giảm thiểu năng lƣợng hao phí vô ích càng nhiều càng tốt. Nói
một cách khác, chúng ta muốn thực hiện việc chuyển đổi này với hiệu suất cao nhất có
thể.
Các bộ chuyển đổi DC-DC phải cần đến bởi vì không giống nhƣ điện áp AC,
điện áp DC không thể tăng hoặc giảm chỉ thông qua một máy biến áp. Mặc dù trong
một số trƣờng hợp, một bộ chuyển đổi DC-DC tƣơng đƣơng với một máy biến áp. Về
cơ bản là phải thay đổi năng lƣợng đầu vào sang một mức trở kháng khác. Nhƣ vậy cho
dù ở bất cứ mức điện áp đầu ra nào, công suất ở đầu ra cũng đƣợc lấy từ đầu vào,
không có năng lƣợng đƣợc tạo ra trong bộ chuyển đổi. Việc chuyển đổi này đƣợc thực
hiện bởi các mạch điện và thiết bị đi kèm.
1.3.2. Bộ nguồn SMPS
Các bộ chuyển đổi với chuyển mạch tần số cao là các mạch điện công suất với
các chuyển mạch bán dẫn họat động đóng mở ở tần số lớn hơn nhiều so với sự thay đổi

dạng sóng ở đầu vào và đầu ra. Hình 1.5 chỉ ra các khối cơ bản của một bộ nguồn
SMPS. Sự khác nhau giữa tần số chuyển mạch và tần số của điện áp là tần số của bộ
chuyển mạch phải đủ lớn để cho phép các bộ lọc thông thấp loại bỏ các tần số thấp
không mong muốn. Các bộ chuyển phát xung tần cao đƣợc sử dụng thƣờng xuyên giữa
các hệ thống nguồn một chiều với nhiều mức điện áp khác nhau. Các bộ chuyển đổi
này đƣợc biết đến là bộ chuyển đổi DC/DC tần số cao, ví dụ nhƣ các bộ nguồn cấp cho
máy tính cá nhân và các thiết bị điện tử khác. Mặt khác các bộ chuyển đổi này cũng có
thể đƣợc sử dụng giữa các hệ thống DC và AC.








Công
suất
xử lý
Loa
d
Điều khiển
Referen
ce
Đo lường
Công suất đầu
ra
Tín
hiệu
điều

khiển
Công suất
vào
V
i

i
i
i
0

V
0

Số hóa bởi trung tâm học liệu

20

Hình 1.5. Sơ đồ khối bộ nguồn chuyển mạch
1.3.3. Phân loại các bộ chuyển đổi DC
Các bộ chuyển đổi DC/DC đƣợc chia làm 2 loại: Không cách ly và cách ly
1.3.3.1. Các bộ chuyển đổi DC/DC không cách ly
Các bộ chuyển đổi không cách ly thƣờng sử dụng một cuộn dây do đó không
cách ly về mặt điện áp giữa đầu vào và đầu ra. Một số lƣợng lớn các ứng dụng không
cần thiết phải cách ly về mặt điện áp giữa đầu vào và đầu ra. Các hệ thống nguồn sử
dụng pin/acquy mà không liên quan tới đƣợc cấp nguồn AC là một trong những ứng
dụng chính sử dụng bộ chuyển đổi không cách ly.
Hầu hết các vi mạch chuyển đổi DC/DC đƣợc sử dụng trong các bộ chỉnh lƣu
đồng bộ. Trong các bộ chuyển đổi này thƣờng sử dụng một cuộn cảm ở đầu ra do đó dễ
dẫn tới việc phát ra các tín hiệu nhiễu điện từ. Với cùng công suất và mức điện áp đầu

ra, bộ chuyển đổi không cách ly có giá thành thấp hơn và ít linh kiện hơn đồng thời
chiếm ít diện tích trên mạch điện hơn bộ chuyển đổi cách ly. Với điện áp thấp hơn
(12V) bộ chuyển đổi buck không cách ly có thể đƣợc sử dụng.
1.3.3.2 Các bộ chuyển đổi cách ly
Để đảm bảo an toàn cần có sự cách ly giữa hệ thống điện áp AC đầu vào và DC
đầu ra. Sự cách ly này là cần đến với tất cả các hệ thống hoạt động với nguồn điện áp
lƣới, bao gồm việc cách ly trong các bộ nguồn chuyển đổi trực tiếp AC/DC thông qua
bộ chuyển đổi DC/DC cách ly. Điện áp cách ly cho các bộ nguồn AC/DC hoặc DC/DC
vào khoảng 1500 đến 4000V, phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể. Một bộ chuyển đổi cách
ly sử dụng một biến áp để cách ly giữa điện áp đầu vào và đầu ra tuy nhiên vẫn tạo ra
một đƣờng điện áp một chiều giữa đầu vào và đầu ra.
Các bộ chuyển đổi DC/DC cách ly sử dụng một biến áp xung mà cuộn thứ cấp
có thể sử dụng hoặc đi ốt hoặc mạch chỉnh lƣu đồng bộ để tạo ra điện áp một chiều với
bộ lọc LC ở đầu ra. Cấu hình này có ƣu điểm là có thể tạo ra nhiều mức điện áp ở đầu
ra bằng cách thêm bớt các vòng dây cuộn thứ cấp. Với điện áp lớn hơn ở đầu vào
(48V) các bộ chuyển đổi với biến áp cách ly có thể đƣợc sử dụng.

Số hóa bởi trung tâm học liệu

21
1.3.4. Lý do sử dụng các bộ chuyển đổi Buck
Bộ chuyển đổi buck là một sơ đồ chuyển đổi DC/DC đƣợc sử dụng rộng rã
trong quản lý năng lƣợng và các ứng dụng vi điều khiển điều chỉnh điện áp. Các ứng
dụng yêu cầu đáp ứng nhanh cho tải và đƣờng truyền đồng thời yêu cầu hiệu suất cao
trong phạm vi dòng điện thay đổi lớn. Ví dụ trong hệ thống máy tính, điện áp cần giảm
từng bƣớc để đạt đƣợc các giá trị thấp. Với mục đích này bộ chuyển đổi Buck có thể
đƣợc sử dụng. Hơn nữa các bộ chuyển đỏi Buck cho phép kéo dài tuổi thọ của
pin/acquy trong các hệ thống di động do phần lớn các thiết bị này ở trong trạng thái
"stand-by". Bộ điều chỉnh Buck thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ các bộ nguồn xung cho các
ứng dụng số ở băng tần cơ sở và các bộ khuếch đại RF.

Hình 1.6. Vị trí bộ chuyển đổi Buck trong hệ thống


CHƢƠNG II
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK

Antenna




Analog/RF



I/O
Baseband kỹ thuật số
Âm

thanh
Giao
diện
µP/DSP
core
Hiển
thị
D/
A
Pin
P
S
A/
D
PA


P
S
P
S
P
S
P
S
P
S
P
S
P

S
LNA

Bộ
sạc
Buck SMPS
regulators
V
g
=2.8-5.5V
3.6
V
2.5
V
1-3.6V
1.5
V
2.7-
5.5V
2.5
V
2.5
V
2.5
V
LO

Số hóa bởi trung tâm học liệu

22

2.1. Nguyên lý bộ chuyển đổi Buck
Tên gọi bộ chuyển đổi Buck ban đầu liên quan đến hiện tƣợng điện áp đầu vào
có dạng bị cắt hay tắt dần, độ lớn và biên độ điện áp thấp hơn ở đầu ra. Một mạch
chuyển đổi buck hay mạch điều chỉnh điện áp step-down, là bộ chuyển đổi không tách
biệt, chuyển đổi dc-dc với ƣu điểm đơn giản và chi phí thấp. Hình 2.1 biểu diễn một
mạch chuyển mạch chuyển đổi buck không tách biệt đơn giản có đầu vào dc và sử
dụng điều xung giải rộng (PWM) biến tần để điều khiển đầu ra của khối công suất
trong MOSFET. Một diot ngoại vi, cùng với cuộn cảm ngoài và tụ điện ra, tạo ra dòng
1 chiều điều đƣợc kiểm soát. Mạch chuyển mạch "Buck" hay "step down" cung cấp
một điện áp ra thấp hơn điện áp nguồn.





Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát bộ nguồn chuyển mạch
2.1.1. Sự phát triển của mạch chuyển đổi Buck
Trong phần này chúng ta sẽ từng bƣớc tiếp cận với bộ chuyển đổi Buck. Xét
mạch điện ở Hình 2.2, có một mạch chuyển mạch hai tiếp điểm đơn cực.
. Với mạch trong hình 2.2 điện áp ra bằng điện áp vào khi chuyển mạch ở vị trí A
và bằng không khi chuyển mạch ở vị trí B. Bằng cách thay đổi thời gian chuyển mạch
ở vị trí A và B có thể thấy rằng điện áp trung bình có thể thay đổi, nhƣng điện áp ra
không hoàn toàn một chiều.

Hình 2.2. Mạch điện gồm chuyển mạch đơn cực 2 tiếp điểm

Số hóa bởi trung tâm học liệu

23
với tải là điện trở

Mạch trong 2.2 có thể đƣợc thay đổi nhƣ trong hình 2.3 bằng cách thêm một
cuộn cảm nối tiếp với trở kháng. Một cuộn cảm giảm sóng của dòng điện đi qua nó và
điện áp ra có thể có dạng sóng nhỏ hơn vì dòng điện đi qua trở kháng tải giống nhƣ ở
cuộn cảm. Khi chuyển mạch ở vị trí A, dòng điện đi qua cuộn cảm tăng lên năng lƣợng
chứa trong cuộn cảm tăng lên. Khi chuyển mạch ở vị trí B, cuộn cảm làm việc nhƣ một
nguồn và duy trì dòng điện đi trở kháng tải. Trong giai đoạn này, năng lƣợng chứa
trong cuộn cảm giảm xuống và dòng điện của nó giảm. Điều quan trọng cần chú ý là có
truyền dẫn liên tục qua tải đối với mạch này. Nếu hằng số thời gian do cuộn cảm và trở
kháng tƣơng đối lớn so với giai đoạn ở đó chuyển mạch ở vị trí A hay B. Khi đó sự
tăng và giảm dòng điện đi qua cuộn cảm lớn hay nhỏ hơn đƣờng trung bình nhƣ biểu
diễn ở hình 2.3.






Hình 2.3. Mạch điện có bổ xung thêm cuộn cảm
Bƣớc tiếp theo trong sự phát triển của mạch chuyển đổi buck là bổ sung một tụ
điện lắp song song với trở kháng và mạch này biểu diễn ở hình 2.4 Một tụ điện giảm
sóng điện áp khi đƣợc lắp song song với nguồn, trong khi một cuộn cảm giảm sóng
dòng điện đi qua nó. Sự kết hợp hoạt động của mạch lọc LC giảm sóng của dòng điện
ra ở mức rất nhỏ.




Hình 2.4. Mạch điện lắp mạch lọc LC

Số hóa bởi trung tâm học liệu

24
Với mạch ở hình 2.4 có thể sử dụng chuyển mạch bán dẫn công suất để đáp ứng
sự chuyển mạch ở vị trí A và một điốt ở vị trí B. Mạch điện cho kết quả nhƣ hình 2.5.
Khi chuyển mạch ở vị trí B, dòng điện đi qua đi ốt, điều quan trọng lúc này là điều
khiển chuyển mạch bán dẫn công suất.





Hình 2.5. Mạch chuyển đổi Buck với tải điện trở
Mạch điện ở hình 2.5 có thể xét đết nhƣ là mạch chuyển đổi buck cơ sở không
có phản hồi. Mạch chuyển đổi Buck chuyển những phần năng lƣợng nhỏ giúp chuyển
mạch công suất, một đi ốt và một cuộn cảm và đi cùng với một tụ điện lọc đầu ra và
đầu vào. Tất cả các mạch chuyển đổi khác nhƣ Boost, Buck - Boost, vv, khác nhau về
cách sắp xếp các chi tiết cơ bản.
Mạch này có thể thay đổi thêm nữa bằng cách đƣa vào phần phản hồi đƣợc tích
hợp cho SMPS vì đƣợc dựa trên phản hồi mạch này ổn định đầu ra. Mạch nhƣ vậy
đƣợc biểu diễn ở hình 2.6.




Hình 2.6. Mạch nguồn chuyển mạch giảm áp
Mạch chuyển đổi PWM (Hình 2.6) so sánh một phần điện áp DC đầu ra với một
điện áp tham chiếu (V
ref
) và thay đổi hệ số làm đầy xung PWM bắt buộc để duy trì một
điện áp DC ra không đổi. Nếu điện áp ra có xu hƣớng tăng, mạch PWM giảm hệ số đầy

xung bắt buộc để giảm điện áp ra, duy trì nó ở mức điện áp phù hợp. Ngƣợc lại, nếu
điện áp ra có xu hƣớng giảm, phản hồi làm cho hệ số đầy xung PWM bắt buộc tăng và
đảm bảo đầu ra phù hợp. Một mạch chuyển đổi Buck hay mạch nguồn chuyển mạch
giảm áp có thể dƣợc gọi là mạch điều hòa chuyển mạch (switch mode regulator).

Số hóa bởi trung tâm học liệu

25
2.1.2. Mục đích của các thành phần khác nhau của bộ chuyển đổi Buck
Nhƣ thấy trong phần trƣớc mọi mạch nguồn chuyển mạch cơ bản bao gồm 5
thành phần tiêu chuẩn sau đây:
Mạch điều khiển xung điều hòa
Chuyển mạch transitor (chuyển mạch chủ động)
Cuộn cảm
Tụ điện
Diode (chuyển mạch thụ động)
Bây giờ chúng ta sẽ đi vào chi tiết việc lựa chọn và chức năng của các thành
phần này.
2.1.2.1. Chuyển mạch
Ở dạng thô sơ nhất một chuyển mạch có thể là một chuyển mạch dạng công tắc
chuyển đổi giữa điện áp nguồn và đất. Nhƣng đối với tất cả các ứng dụng thực tế chúng
ta sẽ xem xét các transitor. Các transtor đƣợc chọn để sử dụng trong chuyển mạch
nguồn phải có thời gian chuyển nhanh và có thể chịu đƣợc điện áp phóng bởi cuộn
cảm. Đầu vào của transitor thƣờng là tín hiệu điều hòa chiều rộng xung, tín hiệu này
xác định thời gian On và OFF. Kích thƣớc của chuyển nguồn xác định bởi dòng tại và
khả năng chịu điện áp ở trạng thái ngắt.
Chuyển mạch công suất (transitor) có thể là loại MOSFET, IGBT, JFET hay
BJT. Nguồn loại MOSFET là thành phần then chốt của hệ thống công suất tần số cao
nhƣ mạch nguồn mật độ cao (high-density power supply). Do đó MOSFET hiện nay
đƣợc thay bằng loại BTJ trong các thiết kế mới cho các hoạt động ở tần số cao hơn

nhiều nhƣ điện áp thấp hơn. Ở điện áp cao loại MOSFET vẫn có hạn chế. Các đặc tính
cố hữu của MOSFETS là nội trở lớn, trở kháng này tăng quá mức khi điện áp hỏng của
thiết bị tăng. Do đó nguồn loại MOSFET chỉ có thích hợp với điện áp 500V và bị hạn
chế ở ứng dụng điện áp thấp hay ở các mạch chuyển đổi 2 transitor và mạch cầu hoạt
động off-line. Ở điện áp hỏng cao (>200V) sụt áp mở của nguồn loại MOSFET trở lên
cao hơn loại thiết bị 2 cực có kích thƣớc tƣơng tự với cùng điện áp. Điều này làm cho
transitor lƣỡng cực đƣợc sử dụng trong những ứng dụng có điện áp cao. Vì những tiến