THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

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

định. Việc lựa chọn bộ nguồn đã không được người tiêu dùng Việt Nam quan tâm
đúng trong một thời gian dài ngay cả đối với những người am hiểu về kỹ thuật máy
tính. Hoặc người tiêu dùng chỉ lựa chọn sản phẩm qua nhãn mác, cảm tính của
mình cũng như hình thức bề ngoài mà chưa thực sự nắm bắt được những thông số
kỹ thuật của nhà sản xuất cung cấp kèm theo sản phẩm (tất nhiên còn tuỳ thuộc độ
trung thực vào nhà cung cấp hoặc sản xuất – được đảm bảo chắc chắn từ những sản
phầm và nhà sản xuất có tên tuổi..).
Với những lý do trên tôi đã chọn lọc và sưu tầm tổng hợp các thông tin bài
viết trên các diễn đàn phần cứng, tạp trí tin học uy tín trong và ngoài nước cũng
như tham khảo các thông tin trên Internet các vần đề liên quan đến bộ nguồn của
máy tính để người sử dụng tiện cho việc tham khảo tra cứu…
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
2
Khóa luận tốt nghiệp
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ BỘ NGUỒN
1. Tổng quát.
Bộ nguồn cho các thiết bị điện tử xách tay như máy ảnh, điện thoại di động,
máy tính xách tay... có chức năng chuyển điện xoay chiều AC thành điện một chiều
DC, thường được gọi là các AC adapter, để cung cấp cho các vi mạch điện tử bên
trong máy cũng như các bộ phận ngoại vi. Một bộ nguồn làm việc ổn định và cung
cấp đủ công suất rất quan trọng đối với một máy tính cá nhân. Tùy theo chủng loại,
cấu hình của mỗi máy tính, chúng ta cần công suất nguồn khác nhau.
Bộ nguồn được chia theo nguyên tắc hoạt động thành hai loại: Bộ nguồn
tuyến tính và bộ nguồn ổn áp theo nguyên tắc băm áp 1 chiều.
a) Bộ nguồn tuyến tính cổ điển bao gồm: một biến thế để hạ điện áp, một mạch
chỉnh lưu không điều khiển (thường dùng sơ đồ cầu 1 pha với 4 điôt công suất và
một bộ ổn định điện áp (có thể biến đổi từ 5V đến 12V). Vì làm việc ở tần số thấp
(50-60Hz) nên biến áp của bộ nguồn tuyến tính có khối lượng sắt và đồng rất lớn,
tổn thất công suất nhiều. Hơn nữa bộ ổn định điện áp làm việc theo nguyên tắc
tuyến tính nên năng lượng điện không được tiêu thụ sẽ được giải phóng trên một

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

inverter) giữ vai trò chính, nó bao gồm có bộ chỉnh lưu kết hợp với bộ băm làm
việc ở dải tần số cao (từ 20kHz đến 200kHz). Điện áp nguồn AC được biến đổi,
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
4
Khóa luận tốt nghiệp
giảm xuống bằng giá trị điện áp đầu ra DC nhờ mạch điện tử hoặc mạch logic.
Những khối còn lại hỗ trợ cho khối cơ bản này. Tần số nguồn đầu vào 50Hz được
đưa tới khối chỉnh lưu và lọc, sau đó được đưa tới bộ biến đổi để giảm điện áp
xuống, và điện áp ở đầu ra của bộ biến đổi lại tiếp tục được đưa tới một khối khác
cũng chứa chỉnh lưu và bộ lọc. Điều chỉnh, ổn định điện áp đầu ra nhờ mạch phản
hồi để đưa tới mạch điều khiển bộ biến đổi (inverter). Mạch điều khiển sẽ phát ra
một tần số không đổi và ứng dụng kỹ thuật điều chỉnh độ rộng xung để đạt được
quá trình điều chỉnh như mong muốn. Ví dụ như để ổn định điện áp ra: khi không
tải hoặc điện áp vào tăng lên, thì tín hiệu phản hồi sẽ làm cho mạch điều khiển phát
ra xung điều khiển tới bộ biến đổi có độ rộng xung hẹp, và ngược lại khi tăng tải
lên hoặc điện áp vào giảm thì xung đưa tới bộ biến đổi sẽ rộng hơn. Chúng ta cần
lưu ý là điện áp ra 1 chiều có giá trị được tính theo giá trị trung bình của xung điện
áp.
Cấu trúc của các bộ biến đổi dùng trong bộ nguồn ngày nay được phát triển
từ bộ băm song song – băm tăng áp (boost) và bộ băm nối tiếp – băm giảm áp
(buck). Hai bộ băm này được biểu diễn trong hình 1.2a và 1.2b. Từ hai sơ đồ cơ
bản boost và buck khi có thêm một MBA để cách điện giữa nguồn và tải chúng ta
sẽ nhận được các các bộ băm khác nhau: Họ sơ đồ biến đổi forward gồm có sơ đồ
đẩy kéo (push-pull) và sơ đồ cầu nửa chu kỳ được phát triển từ sơ đồ điều chỉnh
buck; họ sơ đồ flyback được phát triển từ sơ đồ điều chỉnh boost. Bộ nguồn hiện
đại nhất ngày nay sử dụng sơ đồ flyback.
Với giả thiết là dòng điện liên tục trên cuộn kháng L, chúng ta có quan hệ
giữa điện áp vào (U
in
) và điện áp ra (U

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

1.2c. Thực tế thì sơ đồ boost chỉ điều chỉnh để đạt điện áp ra lớn hơn điện áp vào,
trong khi đó sơ đồ buck-boost hoặc sơ đồ flyback lại có thể điều chỉnh để đạt được
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
6
Khóa luận tốt nghiệp
điện áp ra tăng hoặc giảm so với điện áp đầu vào (với giả thiết là dòng trên cuộn
cảm là liên tục:
Uout = Uin. α/(1-α)).
Việc phân tích sơ đồ boost bắt đầu từ việc phân tích cuộn cảm, chẳng hạn
như năng lượng dự trữ trong cuộn cảm phát ra một giá trị công suất không đổi để
đưa tới tải:
P
o
=

o
fIL ...
2
1
(3)
trong

đó: I: dòng điện giới hạn của cuộn cảm kháng.
f
o
: tần số hoạt động.
L: giá trị điện cảm.
Do nó phát ra một lượng công suất không đổi để đưa tới tải mà không cần để ý đến
trở kháng của tải (ngoại trừ hiện tượng ngắn mạch), nên sơ đồ boost là sự lựa chọn
đầu tiên của các nhà thiết kế khi tải có tính chất điện áp (tải điện dung, R//C), tải

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

Trong tương lai bộ nguồn đóng-cắt có nhiều tiềm năng phát triển lớn mạnh
và dải công suất của chúng được mở rộng nhiều cho các ứng dụng cụ thể khác nhau
nhằm mục đích để đáp ứng cho sự phát triển lớn mạnh của các thiết bị sử dụng
trong mạch vi xử lý.
Với cấu tạo như của bộ nguồn ngày nay thì việc tăng độ làm việc tin cậy là
cần thiết như làm giảm tiếng ồn của bộ nguồn, tăng độ tin cậy của các khoá bán
dẫn…, nhưng sẽ làm cho giá thành tăng lên. Mặt khác, ta phải tạo ra tần số làm
việc của khóa bán dẫn cao hơn để giảm kích thước, điều này cũng làm tăng giá
thành. Công nghệ hiện nay cho phép các transistor lưỡng cực hoạt động với tần số
100kHz, còn với các transistor MOSFET thì tần số làm việc nằm trong khoảng từ
200kHz đến 500kHz.
Trước đây với các bộ nguồn có những quy định về tiếng ồn và độ an toàn
theo tiêu chuẩn MIL và VDE ở châu Âu, nhưng ngày nay các tiêu chuẩn này đựơc
quy định quốc tế đưa ra một số quy định phù hợp với hệ thống thiết bị điện tử là hệ
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
8
Khóa luận tốt nghiệp
thống bao gồm nhiều khoá bán dẫn làm việc ở chế độ đóng cắt (trong bảng 1). Tuy
nhiên những kỹ sư thiết kế hệ thống hoặc những nhà thiết kế bộ nguồn sẽ phải bổ
sung thêm một số bộ lọc tạp âm cần thiết có thể bảo đảm các tiêu chuẩn này mà
không cần tốn thêm một khoản chi phí khác.
Bảng 1. Một số tiêu chuẩn quốc tế đối với bộ nguồn đóng cắt
Tiêu chuẩn Phạm vi quy định
UL 478, VDE 0730, VDE 0806
VDE 0871, VDE 0875
MIL-STD-217D
MIL-STD-461A
DOD-STD-1399
FCC Class A & B
CSA C22,2; IEC380

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

V
R
5.0V
3.0V
0,5V-1.0V
0,3V-0,6V
30V-60V
20V-40V

CHƯƠNG II. TỔNG QUAN VỀ BỘ NGUỒN ĐÓNG – CẮT
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
10
Khóa luận tốt nghiệp
1. Giới thiệu chung:
Bộ nguồn đóng cắt được sử dụng rộng rãi từ đầu những năm 1970, cùng với
sự ra đời của transistor lưỡng cực. Lý thuyết cơ bản về bộ nguồn chuyển mạch đã
được biết đến từ những năm 1930. Từ đó đến nay đã có nhiều thay đổi tiến bộ khi
nguồn đóng cắt có nhiều ứng dụng khác nhau. Và có nhiều thay đổi tiến bộ ra đời
để đáp ứng yêu cầu này, mỗi sự thay đổi với những ưu điểm đã làm cho nó trở nên
phù hợp hơn trong những ứng dụng cụ thể. Ví dụ như khi yêu cầu tăng hoặc giảm
điện áp đầu ra hoặc yêu cầu chi phí thấp nhất.
Bộ nguồn đóng cắt với các sơ đồ khác nhau sử dụng các khoá bán dẫn làm
việc ở tần số cao, chủ yếu là các transitor lưỡng cực và transitor MOS sẽ được giới
thiệu tổng quan để chúng ta lựa chọn sơ đồ thiết kế.
2. Sơ đồ bộ nguồn đóng cắt không sử dụng máy biến áp cách ly:
Dạng sơ đồ bộ nguồn chuyển mạch không sử dụng máy biến áp cách ly chỉ
được dùng khi có các thiết bị bên ngoài cung cấp cách điện một chiều hay có phần
tử bảo vệ thay cho nguồn chuyển mạch. Những thiết bị bên ngoài này thường là
máy biến áp có tần số từ 50-60Hz hay nguồn công suất cách điện lớn. Phạm vi ứng
dụng của chúng khi cần điều chỉnh giá trị điện áp ra DC. Những sơ đồ không sử

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

trị dòng qua cuộn cảm giảm dần.
Giá trị trung bình của dòng điện một chiều qua phụ tải chính là dòng qua
cuộn cảm. Như vậy chúng ta nhận thấy cuộn cảm có tác dụng tích lũy năng lượng
khi khóa bán dẫn dẫn dòng và xả năng lượng khi khóa bị khóa lại. Khi đó ta có các
quan hệ sau:
Điện áp trên diode:
CEind
VVV
−=
(0 - αT) (15)
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
12
Khóa luận tốt nghiệp
0
≈
d
V
(αT - T) (16)
trong đó V
CE
là điện áp rơi trên khóa khi dẫn dòng
Dòng điện trên cuộn cảm có thể được tính như sau:
(0 - αT):
( )
[ ]
L
TVVV
II
onoutCEin
L

.
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.

Transistor current I
T
: dòng điện của khóa transistor.
Diode current I
D
: dòng điện trên diode.
Choke current I
L
: dòng điện qua cuộn cảm.
Trên biểu đồ dạng sóng chúng ta có điện áp và dòng điện trên diode (V
D
; I
D
),
dòng điện qua transistor MOS (I
T
) và dòng điện qua cuộn cảm I
L
. Dòng điện trên
cuộn cảm là tổng dòng điện qua khóa bán dẫn và qua diode có dạng xung răng cưa.
Việc điều chỉnh điện áp đầu ra (V
out
) khi thay đổi thời gian dẫn của khóa bán
dẫn trong chu kỳ T.
V
out
=V
in
α (19)
Từ đó chúng ta nhận thấy điện áp đầu vào cao hơn điện áp đầu ra.

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.

Nguyên lý hoạt động của sở đồ:
Khi khóa bán dẫn dòng trong khoảng thời gian từ 0 đến αT thì điện áp đầu vào
(V
in
) được đưa tới cuộn cảm, dòng điện trong cuộn cảm tăng dần và năng lượng
được dự trữ bên trong cuộn dây. Tại αT cho tín hiệu điều khiển khoá khoá bán dẫn
thì diode dẫn dòng trong khoảng thời gian từ αT đến T nhờ năng lượng cuộn cảm
được đưa tới tụ lọc đầu ra để đưa tới tải. Sơ đồ này bị hạn chế tới 50% công suất
trong một chu trình làm việc vì vậy cần có đủ thời gian để lõi đưa toàn bộ năng
lượng dự trữ của mình tới tụ điện đầu ra.
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
15
Khóa luận tốt nghiệp
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng sơ đồ Boost
Trên hình 3.2 cũng cho dạng sóng của điện áp trên khoá bán dẫn V
s
, dòng
điện trên khoá I
s
và dòng điện qua diode I
D
. Điện áp trong cuộn cảm trở về giá trị
bằng 0 khi lõi hoàn thành việc xả hết năng lượng. Đây là dạng dòng điện gián đoạn
trên cuộn cảm. Dạng dòng điện liên tục chỉ xảy ra khi lõi không thể xả hết năng
lượng trong khoảng thời gian khóa bán dẫn bị khoá. Lúc đó điện áp trong cuộn cảm
không thể trở về giá trị bằng 0 và dòng điện dốc tựa trên nền xung dòng điện có
một giá trị tương ứng với năng lượng dư tích trữ trong cuộn cảm. Tại giá trị điện áp
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
16
Khóa luận tốt nghiệp

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

đã được xác định ở trên luôn luôn lớn hơn công suất lớn nhất cần thiết
của phụ tải. Nếu điều đó không xảy ra, thì sơ đồ điều chỉnh sẽ phải hoạt động với
phụ tải bé hơn nhưng sẽ không thể duy trì được khả năng làm việc với phụ tải lớn.
Vì vậy giá trị điện cảm phải đủ nhỏ (nhưng không xảy ra hiện tượng ngắn
mạch) để có khả năng chịu được nguồn năng lượng tại giá trị điện áp định mức ở
đầu vào là thấp nhất. Điều này được biểu diễn ở dạng công thức sau:

L
TV
I
onin
pk
.
=
(22)
Tại giá trị điện áp đầu vào thấp để duy trì nguồn năng lượng này thì thời gian
dẫn dòng của khoá bán dẫn phải được tăng lên.
Nhược điểm chủ yếu của sơ đồ là công suất tổn hao lớn, vì vậy mức độ nguy
hiểm của khóa công suất bán dẫn cũng tăng lên.
Trong tất cả các sơ đồ biến đổi không sử dụng máy biến áp cách ly sơ đồ
boost có khả năng tránh được sự cố do nguồn gây ra nhưng chất lượng dòng tải
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
17
Khóa luận tốt nghiệp
kém do có hiện tượng dòng gián đoạn. Hiện tượng này sẽ được khắc phục trong sơ
đồ flyback: sơ đồ điều chỉnh boost + MBA cách ly.
2.3 Sơ đồ điều chỉnh buck-boost:
Sơ đồ điều chỉnh buck-boost và dạng sóng điện áp trên cuộn cảm, dòng điện
qua khoá bán dẫn và diode được biểu diễn trên hình 2.3. Sơ đồ này còn được gọi là
bộ băm áp 1 chiều có tích luỹ điện cảm khi nguồn và phụ tải đều có bản chất điện

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
19
Khóa luận tốt nghiệp
Một điều có thể thấy trong những sơ đồ điều chỉnh không dùng MBA cách ly
là chỉ có các khóa bán dẫn để cách điện một chiều giữa đầu vào và đầu ra. Các khóa
bán dẫn này có giá trị điện áp đánh thủng thấp dễ gây hư hỏng cho thiết bị khi có
các xung áp ở đầu vào khi đóng cắt.
Những sơ đồ về bộ nguồn chuyển mạch sử dụng MBA cách ly có độ tin cậy
rất lớn có thể chịu được điện áp hàng nghìn vôn trước khi bị hỏng và tạo ra một
hàng rào chất điện môi thứ hai trong những trường hợp chất bán dẫn gặp sự cố.
Sơ đồ điều chỉnh sử dụng MBA cách ly hoạt động tương tự như sơ đồ không
sử dụng MBA cách ly. Ngoài các chức năng tăng giảm điện áp giống như các sơ đồ
không MBA, MBA cũng có chức năng tăng hoặc giảm điện áp. Dùng MBA còn có
ưu điểm lớn nữa, đó là ta có thể dễ dàng chia thành nhiều nguồn công suất đầu ra
mà không cần bổ sung thêm những sơ đồ điều chỉnh cụ thể cho từng đầu ra tương
ứng. Tất cả những ưu điểm đó làm cho sơ đồ điều chỉnh dùng MBA cách ly trở
thành sự lựa chọn hấp dẫn trong hầu hết các ứng dụng.
3.1 Sơ đồ điều chỉnh flyback
Sơ đồ flyback là một dạng sơ đồ họ sơ đồ dùng MBA cách ly được cho trên
hình 3.4. Nó cũng là sơ đồ điều chỉnh đơn giản nhất (bao gồm những phần tử đơn
giản nhất) trong tất cả các sơ đồ điều chỉnh dùng MBA cách ly. Sơ đồ này gần
giống sơ đồ điều chỉnh boost nhưng nó có nhiều ưu điểm hơn. Một điều cần phải
lưu ý là việc thiết kế sơ đồ flyback tương tự như sơ đồ điều chỉnh boost ngoại trừ
việc bổ sung thêm cuộn thứ cấp cho sơ đồ flyback. Khi đó, kích thước của sơ đồ
flyback lớn hơn không đáng kể so với sơ đồ điều chỉnh boost. Việc bổ sung thêm
cuộn dây thứ cấp làm cho sơ đồ flyback trở nên linh hoạt hơn.
Những ưu điểm của sơ đồ flyback so với sơ đồ điều chỉnh boost hay buck-
boost:
1. Một nguồn đầu vào cho nhiều đầu ra.
2. Điện áp ra có thể là điện áp âm hay điện áp dương.

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

pri
. Hiện tượng này tiếp tục xảy ra cho tới
khi khóa công suất ngừng dẫn. Khi đó điện áp ra sẽ bằng điện áp trên cuộn thứ cấp
trừ đi sụt áp trên diode.
Trong thời gian khóa công suất ngừng dẫn, chỉnh lưu đầu ra dẫn, nhờ vậy
năng lượng dự trữ trong lõi cuộn dây của MBA được chuyển hết tới tụ điện đầu ra
và tải. Hiện tượng này diễn ra cho tới khi: hoặc là lõi xả hết năng lượng do điện áp
khóa công suất phản hồi về đầu vào tạo ra, hoặc là khóa công suất dẫn trở lại. Dòng
điện trong cuộn dây thứ cấp trong thời khoảng thời gian khóa công suất ngừng dẫn
có độ dốc tuyến tính bị giảm xuống với giá trị là –V
out
/L
sec
. Một điều ta dễ dàng
nhận thấy là nếu điện áp đầu vào và điện áp đầu ra không bằng nhau và số vòng
dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp cũng không bằng nhau, thì thời gian khóa
công suất dẫn và ngừng dẫn cũng không bằng nhau. Khi xem xét các cuộn dây ta
nhận thấy: điện áp của cuộn dây trong khoảng thời gian khóa công suất dẫn và
trong khoảng thời gian khóa công suất ngừng dẫn là bằng nhau (xem hình 3.4).
Sơ đồ flyback có thể hoạt động hoặc là ở chế độ gián đoạn, hoặc là ở chế độ
liên tục. Ở chế độ gián đoạn, năng lượng dự trữ trong lõi MBA được tích lũy trong
khoảng thời gian khóa công suất dẫn sẽ được xả hoàn toàn trong thời gian khóa
công suất ngừng dẫn. Ta dễ dàng nhận ra hiện tượng này nhờ việc kiểm tra điện áp
khóa công suất và lượng điện áp phản hồi tới đầu vào có còn hay không trước khi
một chu kỳ làm việc khác được lặp lại. Trong khoảng thời gian kiểm tra này, cả
khóa công suất và diode đều ngừng dẫn, cho phép MBA xả hoàn toàn năng
lượngdự trữ. Còn ở chế độ liên tục, khóa công suất dẫn trước khi lõi giải phóng
hoàn toàn năng lượng (xem hình 3.5). Sơ đồ flyback có thể hoạt động ở một chế độ
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
22

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

L
V
i
0
V
in
là hằng số. (23)
Hay
pri
onin
pri
L
TV
i
.
=
(24)
Tương tự, dòng điện thứ cấp là:
sec
sec
.
L
TV
i
flbkout
=
(25)
Trong trường hợp cuộn dây thứ cấp đóng vai trò là cuộn cảm, nó nạp điện và đưa
tới tải một điện áp không đổi. Nguồn năng lượng đưa vào cuộn dây sơ cấp được
cho bởi công thức sau:

( )
∫
=
−=
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

hơn tới tải và giảm kích thước MBA bằng cách giảm giá trị điện cảm của cuộn sơ
Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
24
Khóa luận tốt nghiệp
cấp và chấp nhận dòng điện giới hạn cao hơn. Nhưng như thế thì trạng thái làm
việc ổn định chỉ diễn ra tốt đẹp tới một thời điểm nhất định. Với giá trị dòng điện
giới hạn cao hơn, thì độ tin cậy của chất bán dẫn trong sơ đồ điều chỉnh là không
còn. Vì vậy, không cần giảm kích thước của MBA đến mức nhỏ nhất.
Sơ đồ flyback sử dụng MBA bởi vì một cực của nó sử dụng đường cong
B-H, thể hiện độ chênh lệch từ thông là rất cao dễ dàng dẫn tới sự bão hòa trong lõi
cuộn dây. Khi điều này xảy ra, dòng điện tuyến tính dốc của sơ đồ flyback trong
khoảng thời gian khóa công suất dẫn nhanh chóng trở thành không tuyến tính và có
độ dốc gần như là vô hạn. Có điều này xảy ra là do độ từ thẩm trong lõi cuộn dây
thuộc miền bão hòa nhanh chóng bị giảm xuống, là nguyên nhân dẫn tới giá trị điện
cảm mất đi, vì vậy mà chỉ có khóa công suất được nối tới đường dây đầu vào. Rõ
ràng, khóa công suất được thiết kế không thể chịu được sự cố này. Có thể phát sinh
một vấn đề là khi sơ đồ điều chỉnh hoạt động ở mức điện áp dây đầu vào cao thì
ngay lập tức yêu cầu của tải cũng tăng lên đây là nguyên nhân gây ra sai số của bộ
khuyếch đại lỗi đòi hỏi độ rộng xung phải đạt được giá trị cực đại. Với điều kiện
điện áp đầu vào thấp nếu xuất hiện khoảng thời gian chết(deadtime), thì lõi có thể
bị bão hòa. Trong khoảng thời gian vô cùng nhỏ khóa công suất có thể bị hỏng. Để
tình trạng này không xảy ra, nhà thiết kế nên tạo ra khe hở không khí bên trong lõi
nhằm ngăn ngừa lõi khỏi tình trạng bão hòa.
3.2 Sơ đồ bộ điều chỉnh đẩy kéo
Sơ đồ đẩy-kéo là sơ đồ forward sử dụng MBA cách ly. Vì là sơ đồ điều chỉnh
forward nên nó có một bộ Buck kiểu mạng lọc L-C ở đầu ra. MBA sử dụng trong
trường hợp này có chức năng tăng và giảm điện áp băm ở đầu vào trước khi được
đưa đến đầu ra của bộ lọc L-C. Không như MBA của sơ đồ flyback, MBA của sơ
đồ đẩy-kéo không tích trữ năng lượng và dòng điện ra không đổi ngay cả khi khóa
công suất đang dẫn. Sơ đồ này sử dụng một cuộn sơ cấp có đầu ra ở giữa. Đường

Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT
25