Nghiên cứu và thiết kế mạch DC-DC ( 10-24V)

CHƯƠNG 1
NGHIÊN CỨU CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC –DC
VÀ CÁC PHẦN MỀM HỖ TRỢ
1.1.
1.1.1.

Nghiên cứu các bộ biến đổi DC-DC
Khái quát các bộ biến đổi DC -DC
Mục đích của bộ biến đổi DC–DC là tạo ra điện áp một chiều được điều

chỉnh để cung cấp cho các phụ tải biến đổi. Trong một số trường hợp điện áp
một chiều được tạo ra bằng cách chỉnh lưu từ lưới điện có điện áp biến thiên
liên tục. Bộ biến đổi DC-DC thường được sử dụng trong các yêu cầu điều chỉnh
được công suất nguồn một chiều, ví dụ như máy tính, thiết bị đo lường, thông
tin liên lạc, nạp điện cho ắc quy ngoài ra bộ biến dởi DC –DC còn được sử dụng
để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều.
Các bộ biến đổi DC –DC là các bộ biến đổi xung nó có thể là các bộ biến
đổi một góc phần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư. Bộ giảm áp Buck và
tăng áp Boost là các cấu trúc biến đởi một góc phần tư cơ bản. Bộ biến đổi xung
hai góc phần tư là bộ biến đổi xung đảo chiều dòng điện. Ở bộ biến đổi xung
một góc phần tư, giá trị trung bình điện áp một chiều đầu ra luôn được giữ ở
một mức cần thiết kể cả khi có sự thay đổi bất thường điện áp đầu vào và điện
áp đầu ra tải, các bộ biến đổi xung này chỉ làm việc ở góc phần tư thứ nhất của
mặt phẳng tải. Điện áp ra và dòng điện luôn có giá trị dương. Vì vậy bộ biến đổi
này gọi là bộ biến đổi xung một góc phần tư. Bộ biến đổi xung hai góc phần tư
có khả năng hoạt động ở hai góc phần tư của mặt phẳng tải. Do vậy điện áp vào
và điện áp ra luôn dương, tuy nhiên dòng điện đầu vào và dòng điện đầu ra có
thể dương hoặc âm. Do đó một số bộ biến đổi còn có tên là bộ biến đổi xung
đảo dòng. Bộ biến đổi xung hai góc phần tư bao gồm hai bộ biến đổi xung cơ
bản là bộ biến đổi xung tang áp và bộ biến đổi xung giảm áp.

1


Hình 1.1: Bộ biến đổi xung đảo dòng
Bộ giảm áp thì bao gồm S1 và D1, công suất thì được cung cấp từ nguồn đến
tải. Bộ tăng áp thì gồm S2 và D2 công suất thì được chảy ngược về nguồn. Các
bộ biến đổi xung đảo dòng có thể chuyển từ chế độ nguồn cung cấp sang chế độ
tái sinh rất thuận lợi và rất nhanh chóng chỉ bằng các tín hiệu điều khiển cho
S1và S2 mà không cần bất cứ chuyển mạch cơ khí nào. Trong bộ biến đổi xung
bốn góc phần tư không chỉ dòng điện ra có thể âm hoặc dương mà điện áp ra
cũng có thể âm hoặc dương .Bộ biến đổi xung này là bộ biến đổi cầu DC-DC
Full-bridge, như ở hình 1.2 . Ưu điểm chính của bộ biến đổi này là điện áp trung
bình đầu ra có thể điều chỉnh được độ lớn cũng như cực tính . Một bộ biến đổi
xung bốn góc phần tư là sự kết hợp của hai bộ biến đổi xung hai góc phần tư để
có được điện áp trung bình là âm hay dòng điện trung bình là âm .

Hình 1.2: Bộ biến đổi xung bốn góc phần tư

2


Bộ biến đổi DC-DC là bộ biến đổi công suất bán dẫn, có hai cách để thực
hiện các bộ biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch: dùng các tụ điện chuyển mạch
và dùng các điện cảm chuyển mạch. Dùng các tụ điện chuyển mạch thì
chúng ta phải tạo được nguồn dòng là tín hiệu đầu vào còn với việc
dùng điện cảm chuyển mạch thì đầu vào là nguồn áp ta thấy dùng điện
cảm chuyển mạch sẽ đơn giản hơn vì tạo ra một nguồn áp dẽ dàng hơn
tạo ra một nguồn dòng, giải pháp dùng điện cảm chuyển mạch có ưu thế
hơn ở các mạch công suất lớn.
Các bộ biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch bao gồm:

buck (giảm áp) boost (tăng áp), và buck-boost/inverting (đảo dấu điện áp).
Hình 1.3 thể hiện sơ đồ nguyên lý của các bộ biến đổi này. Với những cách
bố trí điện cảm, khóa chuyển mạch, và diode khác nhau, các bộ biến đổi này
thực hiện những mục tiêu khác nhau, nhưng nguyên tắc hoạt động thì đều dựa
trên hiện tượng duy trì dòng điện đi qua điện cảm. Các bộ bộ biến đổi DC-DC
thường được sử dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo như các hệ thống
quang điện, pin nhiên liệu ắc quy và cá hệ thống gió và bánh đà để chuyển đổi
điện áp một chiều thành điện áp phù hợp cho các ứng dụng hoặc có biên độ
thích hợp để chuyển đổi thành điện áp xoay chiều trược khi đưa vào lưới, các
bộ DC-DC cách ly có tác dụng cách ly và giảm tổn thất do ta sử dụng biến áp
xung.
1.1.2.

Phân loại sơ đồ biến đổi DC –DC

Về nguyên lý, sơ đồ biến đổi DC- DC có thể được phân thành 2 nhóm cơ bản
sau:
1.1.2.1. Sơ đồ biến đổi DC- DC không cách ly
Với nhóm sơ đồ này, điện áp một chiều được tạo ra nhờ việc phóng nạp tụ
điện từ dòng điện qua cuộn cảm L được cung cấp bởi nguồn cấp. Điện áp một
3


chiều đầu ra thay đổi nhờ có việc phóng nạp được thay đổi bởi van công suất
được mắc hợp lý tuỳ thuộc vào từng sơ đồ. Các sơ đồ phổ biến theo nguyên lý
này gồm có:
- Sơ đồ biến đổi Buck.
- Sơ đồ biến đổi Boots.
- Sơ đồ biến đổi Buck- Boots.
Sơ đồ biến đổi DC- DC không cách ly có ưu điểm là mạch đơn giản, giá

thành thấp nhưng do không cách ly giữa nguồn đầu vào và nguồn đầu ra nên có
nhược điểm là dễ bị nhiễu tải tác động ngược lại nguồn đầu vào và các thiết bị
trong mạch, công suất hạn chế, chất lượng đầu ra không cao. Vì vậy, sơ đồ biến
đổi DC- DC được sử dụng trong các ứng dụng công suất nhỏ, không cần chất
lượng cao.
1.1.2.2. Sơ đồ biến đổi DC- DC có cách ly
Với nhóm sơ đồ này, điện áp một chiều đầu vào được biến đổi thành điện áp
xoay chiều cao tần và biên độ điện áp xoay chiều được nâng lên qua biến áp
xung. Sau khi qua hệ thống lọc LC sẽ cho ta điện áp một chiều với biên độ
mong muốn. Các sơ đồ phổ biến theo nguyên lý này gồm có:
- Sơ đồ biến đổi FlyBack.
- Sơ đồ biến đổi Push- Pull.
- Sơ đồ biến đổi Half- Bridge.
- Sơ đồ biến đổi Full- Bridge.
Do nguồn đầu vào và nguồn đầu ra có cách ly nhờ sử dụng biến áp xung nên
có ưu điểm là hạn chế được nhiễu tải tác động ngược lại nguồn đầu vào và các
thiết bị trong mạch, có thể tăng/ giảm mức điện áp đầu ra một cách dễ dàng,
4


công suất lớn. Tuy nhiên nó cũng có một số nhược điểm như làm tăng kích
thước mạch, tang giá thành, vấn đề điều khiển trở nên khó khăn hơn, tránh xảy
ra hiện tượng bão hòa từ biến áp xung. Vì vậy, sơ đồ biến đổi DC- DC có cách
ly được sử dụng cho các ứng dụng có công suất lớn, chất lượng cao, yêu cầu
phải có cách ly.
1.1.3. Một số bộ biến đổi DC-DC
1.1.3.1.
Bộ biến đổi BUCK

thường dùng

Nguyên tắc hoạt động:
Bộ giảm áp tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào, việc điều
khiển các khóa chuyển mạch rất đơn giản, chỉ đóng và mở các khóa theo chu kỳ
kết quả là tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn đầu vào. Bộ buck converter thông
thường để điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp chất lượng cao như mạch nguồn
máy tính và các thiết bị đo lường. Bộ buck converter còn được sử dụng để điều
chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng.

Hình 1.3: (a) Bộ biến đổi Buck

(b) Điện áp và dòng qua cuộn cảm

Bộ biến đổi buck hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa (van) đóng,
điện áp chênh lệch giữa ngõ vào và ngõ ra đặt lên điện cảm, làm dòng điện
trong điện cảm tăng dần theo thời gian. Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có
khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode
phân cực thuận. Điện áp đặt vào điện cuộn cảm lúc này ngược dấu với khi
khóa (van) đóng và có độ lớn bằng điện áp ngõ ra cộng với điện áp rơi trên
diode, khiến cho dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian. Tụ điện ngõ
ra có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn cho
5


phép. Ở trạng thái xác lập, dòng điện đi qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hoàn,
với giá trị của dòng điện ở cuối chu kỳ trước bằng với giá trị của dòng điện ở
đầu chu kỳ sau. Xét trường hợp dòng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng điện
qua điện cảm là liên tục. Vì điện cảm không tiêu thụ năng lượng (điện cảm lý
tưởng), hay công suất trung bình trên điện cảm là bằng 0, và dòng điện trung
bình của điện cảm là khác 0, điện áp rơi trung bình trên điện cảm phải là 0. Gọi

T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa (van), và
T2 là thời gian ngắt khóa (van). Như vậy, T = T 1 + T2. Giả sử điện áp rơi trên
diode, và dao động điện áp ngõ ra là khá nhỏ so với giá trị của điện áp ngõ vào
và ngõ ra. Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa (van) là
(T1/T)×(Vin − Vout), còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt
khóa (van) là−(T2/T)×Vout.
Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn
là:
(T1/T)×(Vin − Vout) − (T2/T)×Vout = 0
Hay : (T1/T)×Vin − ((T1 + T2)/T)×Vout = 0,
(T1/T)×Vin = Vout
Giá trị D = T1/T thường được gọi là chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle). Như
vậy, Vout = Vin×D. D thay đổi từ 0 đến 1 (không bao gồm các giá trị 0 và 1),
do đó 0 < V out < Vin.
Với các bộ biến đổi buck, vấn đề thường được đặt ra như sau: cho biết
phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ ra V out, độ dao
động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xác định giá
trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ
nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra.
Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định
phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: Dmin = Vout/Vin,max, và Dmax =
6


Vout/Vin,min
Bộ biến đổi có hai chế độ hoạt động là chế độ hoạt động liên tục và chế độ
gián đoạn, chế độ liên tục là dòng điện qua cuộn cảm luôn lớn hơn không do đó
yêu cầu cuộn cảm phải có giá trị lớn, còn chế độ gián đoạn là chế độ mà dòng
điện qua cuộn cảm có thể lớn hơn hoặc bằng không.
Thông thường, các bộ biến đổi buck chỉ nên làm việc ở chế độ dòng điện

liên tục qua điện cảm. Tại biên của chế độ dòng điện liên tục và gián đoạn,
độ thay đổi dòng điện sẽ bằng 2 lần dòng điện tải. Như vậy, độ thay đổi dòng
điện cho phép bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu. Điện cảm phải đủ lớn để giới
hạn độ thay đổi dòng điện ở giá trị này trong điều kiện xấu nhất, tức là khi D =
Dmin (vì thời gian giảm dòng điện là T2, với điện áp rơi không thay đổi là
Vout). Một cách cụ thể, chúng ta có đẳng thức sau:
(1 − Dmin)×T×Vout = Lmin×2×Iout,min
Hai thông số cần được lựa chọn ở đây là Lmin và T. Nếu chúng ta chọn
tần số chuyển mạch nhỏ, tức là T lớn (T = 1/f, f là tần số chuyển mạch), thì
Lmin cũng cần
phải lớn.
Thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm sẽ đi qua tụ điện ngõ
ra. Với dòng điện qua điện cảm có dạng tam giác, điện áp trên tụ điện ngõ ra
sẽ là các đoạn đa thức bậc hai nối với nhau (xét trong một chu kỳ chuyển
mạch). Lượng điện tích được nạp vào tụ điện khi dòng điện qua điện cảm lớn
hơn dòng điện trung bình sẽ là ΔI×T/2. Nếu biểu diễn theo điện dung và điện
áp trên tụ điện thì lượng điện tích này bằng C×ΔV. Trong đó, ΔI là biên độ
của thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm, còn ΔV là độ thay
đổi điện áp trên tụ khi nạp (cũng như khi xả, xét ở trạng thái xác lập). Như
7


vậy, chúng ta có thể xác định giá trị của tụ điện dựa vào đẳng thức sau:
ΔI×T/2 = C×ΔV
ΔI đã được xác định ở trên, bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu, và T đã
được chọn ở bước trước đó. Tùy theo giá trị độ dao động điện áp ngõ ra cho
phép ΔV mà chúng ta chọn giá trị C cho thích hợp.
1.1.3.2.

Bộ biến đổi Boost

Nguyên tắc hoạt động:
Bộ boost converter có tác dụng điều chỉnh điện áp đầu ra lớn hơn điện áp
đầu vào. Vì vậy boost converter còn gọi là bộ tăng áp. Điện áp DC đầu vào mắc
nối tiếp với một cuộn cảm khá lớn có vai trò như một nguồn dòng. Một khóa
chuyển mạch mắc song song với nguồn dòng này và được đóng mở theo chu kỳ.
Năng lượng cung cấp từ cuộn cảm và nguồn làm cho điện áp đầu ra tăng lên.
Boost converter thường được sử dụng để điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp và
hãm tái sinh động cơ DC.

Hình 1.4: Mạch boost cơ bản

Hình 1.5: Mạch boost với khóa ở trạng thái đóng (a) và mở (b)
8


Hình 1.6: Điện áp và dòng điện của bộ biến đổi ở chế độ liên tục
Bộ biến đổi boost hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa (van) đóng, điện
áp ngõ vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời
gian. Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó
sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận. Ở điều kiện làm việc bình
thường, điện áp ngõ ra có giá trị lớn hơn điện áp ngõ vào, do đó điện áp đặt vào
điện cảm lúc này ngược dấu với với khi khóa (van) đóng, và có độ lớn bằng
chênh lệch giữa điện áp ngõ ra và điện áp ngõ vào, cộng với điện áp rơi trên
diode. Dòng điện qua điện cảm lúc này giảm dần theo thời gian. Tụ điện ngõ ra
có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn cho phép.
Tương tự như trường hợp của bộ biến đổi buck, dòng điện qua điện cảm sẽ
thay đổi tuần hoàn và điện áp rơi trung bình trên điện cảm trong một chu kỳ sẽ
bằng 0 nếu dòng điện qua điện cảm là liên tục (nghĩa là dòng điện tải có giá trị
đủ lớn).

Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa
(van), và T2 là thời gian ngắt khóa (van). Như vậy, T = T 1 + T2. Giả sử điện áp
rơi trên diode, và dao động điện áp ngõ ra là khá nhỏ so với giá trị của điện áp
ngõ vào và ngõ ra. Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa

9


(van) là (T1/T)×Vin, còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van)
là (T2/T)×(Vin − Vout).
Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn
là:
(T1/T)×Vin + (T2/T)×(Vin − Vout) = 0
Hay:

(T1/T + T2/T)×Vin − ( T2/T)×Vout = 0 ⇔ Vin = (T2/T)×Vout

Với cách định nghĩa chu kỳ nhiệm vụ D = T1/T, T2/T = 1 − D, ta có :
Vin = (1 − D)×Vout
Hay:

Vout = Vin/(1 − D)

D thay đổi từ 0 đến 1 (không bao gồm các giá trị 0 và 1), do đó 0 < Vin < Vout.
Tương tự như với bộ biến đổi buck, một trong những bài toán thường gặp là
như sau: cho biết phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào V in, giá trị điện áp ngõ
ra Vout, độ dao động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu I out,min, xác
định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của
chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra.
Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm

vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: D min = 1 − Vin,max/Vout, và Dmax = 1 −
Vin,min/Vout.
Lý luận tương tự như với bộ biến đổi buck, độ thay đổi dòng điện cho phép
sẽ bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu. Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn của
điện áp trung bình đặt vào điện cảm khi khóa (van) ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức
là hàm số Vin/Vout×(Vin − Vout) đạt giá trị nhỏ nhất khi D thay đổi từ D min đến
Dmax (chú ý là hàm số này có giá trị âm trong khoảng thay đổi của D). Gọi giá trị
10


của D và Vin tương ứng với giá trị nhỏ nhất đó là D th và Vin,th (giá trị tới hạn),
đẳng thức sau (chỉ xét về độ lớn) được dùng để chọn giá trị chu kỳ (hay tần số)
chuyển mạch và điện cảm:
(1 − Dth)×T×(Vout − Vin,th) = Lmin×2×Iout,min
Việc lựa chọn giá trị cho tụ điện ngõ ra hoàn toàn giống như đối với trường
hợp bộ biến đổi buck.
1.1.3.3.

Bộ biến đổi Buck – Boost

Nguyên tắc hoạt động:

Hình 1.7: Bộ biến đổi buck-boost
Bộ biến đổi buck-boost hoạt động dựa trên nguyên tắc: khi khóa (van) đóng,
điện áp ngõ vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo
thời gian. Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện
qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận. Tùy vào tỷ lệ giữa
thời gian đóng khóa (van) và ngắt khóa (van) mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ
hơn, bằng, hay lớn hơn giá trị điện áp vào. Trong mọi trường hợp thì dấu của
điện áp ra là ngược với dấu của điện áp vào, do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ

giảm dần theo thời gian.

11


Với các giả thiết tương tự như các trường hợp trên, ở chế độ dòng điện qua
điện cảm là liên tục, điện áp rơi trung bình trên điện cảm sẽ bằng 0. Với cách ký
hiệu T = T1 + T2 như trên, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa
(van) là (T1/T)×Vin, còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van)
là − (T2/T)×Vout.
Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn:
(T1/T)×Vin − (T2/T)×Vout = 0
Như vậy: (T1/T)×Vin = (T2/T)×Vout ⇔ D×Vin = (1 − D)×Vout
Khi: D = 0.5, Vin = Vout
Với những trường hợp khác:
0 < Vout < Vin khi 0 < D < 0.5, và 0 < V in < Vout khi 0.5 < D < 1 (chú ý là ở
đây chỉ xét về độ lớn, vì chúng ta đã biết Vin và Vout là ngược dấu). Như vậy, bộ
biến đổi này có thể tăng áp hay giảm áp, và đó là lý do mà nó được gọi là bộ
biến đổi buck-boost.
Xét cùng một loại bài toán thường gặp như những trường hợp trên, tức là:
cho biết phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào V in, giá trị điện áp ngõ ra Vout, độ
dao động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu I out,min, xác định giá trị
của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ
nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra.
Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm
vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D:
Dmin = Vout/(Vin,max + Vout)

và

Dmax = Vout/(Vin,min + Vout)

12


Lý luận tương tự như với bộ biến đổi buck, độ thay đổi dòng điện cho phép
sẽ bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu. Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn của
điện áp trung bình đặt vào điện cảm khi khóa (van) ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức
là khi D = Dmin. Như vậy đẳng thức dùng để chọn chu kỳ (tần số) chuyển mạch
và điện cảm L giống như của bộ biến đổi buck:
(1 − Dmin)×T×Vout = Lmin×2×Iout,min
Cách chọn tụ điện ngõ ra cho bộ biến đổi này cũng không khác gì so với
những trường hợp trên.
1.2. Các phần mềm hỗ trợ
1.2.1. Phần mềm TINA
1.2.1.1. Giới thiệu tổng quan

phần mềm

TINA là 1 trong những gói phần mềm mạnh nhất hiện nay để phân tích,
thiết kế, mô phỏng tín hiệu số, tương tự, VHDL và kết hợp các mạch điện tử
hay các mạch in của chúng. Bạn cũng có thể phân tích RF, các mạch quang
điện, kiểm tra và gỡ lỗi các ứng dụng vi điều khiển và vi xử lý. Một tính năng
đặc biệt của phần mềm là cho phép bạn đưa mạch ra thực tế thông qua cổng
USB được điều khiển bởi phần cứng TINAlabII. Các kỹ sư điện tử nhận thấy
rằng phần mềm TINA có nhiều ưu điểm như: dễ sử dụng, đây là 1 công cụ hiệu
quả cao, trong khi các giảng viên thì đáng giá cao những tính năng của phần
mềm trong môi trường đào tạo.
Phần mềm được xây dựng với nhiều Phần tương tác với nhau, người thiết kế
có thể vẽ mạch bằng sơ đồ nguyên lý và chuyển sang dạng mạch in, quan sát

mạch in dưới dạng 3D và xuất ra tập tin hình ảnh để gởi đến nhà sản xuất…
Sự tương tác cao, đầy đủ tính năng và dễ sử dụng đã làm cho phần mềm
TINA chiếm ưu thế hơn các phần mềm Thiết kế mạch khác hiện nay…

13


1.2.1.2. Các đối tượng của phần mềm
- Với những ưu điểm trên, phần mềm

TINA là một công cụ vô cùng đắc

lực hỗ trợ cho các kỹ sư thiết kế mạch điện tử, và các nhà sản xuất mạch
-

in.
Phần mềm hỗ trợ mô phỏng tương tự và mô phỏng số nên được các giảng

-

viên đánh giá cao trong môi trường nghiên cứu ở các trường đại học.
Bên cạnh đó, phần mềm cũng là công cụ giúp cho sinh viên, nghiên cứu
sinh ngành điện tử viễn thông tiếp cận với việc mô phỏng mạch điện tử,

-

thiết kế mạch in một cách trực quan và dễ dàng.
Hiện nay, nhà sản xuất DesignSoft cũng đã thương mại hoá nhiều phiên
bản TINA khác nhau với giá thành khác nhau để phục vụ cho các đối

tượng khác nhau…
1.2.1.3.
Giao diện chính của phần mềm
Để bắt đầu chương trình TINA, bạn có thể làm theo các cách sau:



Từ thanh Start lần lượt chọn: Start -> Programs -> Tina -> Tina.exe.
Bấm vào Biểu tượng trên Desktop:

Sau khi khởi động, giao diện chính của chương trình sẽ xuất hiện:

Hình 1.16: Giao diện chính của chương trình
Chúng ta sẽ cùng đi vào chi tiết các lệnh trên Thanh công cụ.

14


Khi nút này được nhấn vào, bạn có thể sử dụng con trỏ để di chuyển các
linh kiện, dây nối hoặc các chữ, thuận lợi trong việc sắp xếp lại sơ đồ
nguyên lý theo ý muốn.
Lấy thêm 1 bản sao của linh kiện trước đó mà bạn đã chọn với cùng các
tham số.
Sử dụng nút lệnh này để vẽ dây nối cho sơ đồ nguyên lý
Thêm các chú thích vào sơ đồ nguyên lý hay kết quả phân tích.
Cho phép cắt 2 dây dẫn chéo qua hoặc nối với nhau.
Đảo chiều một góc 900 các linh kiện được lựa chọn.
Lấy đối xứng các linh kiện được lựa chọn. Phím tắt: [CTRL-L] hoặc [*].

Hiển thị cửa sổ chính ở dạng lưới hoặc không.

Phóng to sơ đồ nguyên lý để có thể nhìn rõ các linh kiện.
Bạn có thể thay đổi tỷ lệ phóng to theo ý muốn từ 10% đến 200%.
Lựa chọn danh sách các Chế độ Mô phỏng:
Chế độ DC.
Chế độ AC.
15


Chế độ mô phỏng tức thời lặp lại liên tục.
Chế độ mô phỏng tức thời không lặp lại. Bạn có thể điều chỉnh thời gian
mô phỏng trong phần Analysis Transient.
Chế độ Số.
Chế độ VHDL
Nếu nút lệnh này được chọn, chương trình sẽ cho phép hiển thị trình
trạng lỗi của linh kiện, ta có thể thay đổi tình trạng lỗi của từng linh kiện
trong bản Thuộc tính (Properties Editor).
Chuyển đổi sơ đồ nguyên lý sang dạng 3 chiều hoặc 2 chiều. Phím nóng:
[F6]. Đây là một đặc điểm nổi bật ở phần mềm TINA phiên bản 7 mà các
phiên bản cũ hay các phần mềm khác không thể thực hiện được. Ở chế độ
này, các linh kiện được hiển thị một cách sống động, giúp người sử dụng
quan sát mạch trực quan hơn.
Chuyển sơ đồ nguyên lý trực tiếp sang mạch in.
Tìm kiếm các linh kiện. Một hộp thoại Tìm kiếm sẽ hiện lên cho phép
bạn tìm các linh kiện theo tên như mong muốn. Tuy nhiên chương trình có
hạn chế là không thể hiện trước hình dạng linh kiện mà ta lựa chọn nên
gây rất nhiều khó khăn cho người sử dụng.
Bạn cũng có thể lựa chọn các linh kiện trong danh
sách này. Đây là danh sách các linh kiện đầy đủ nhất của chương trình.
1.2.2. SimPower Systems
1.2.2.1. Giới thiệu chung

16


Sim Power Systems là công cụ thiết kế hiện đại cho phép chúng ta nhanh
chóng và dễ dàng mô phỏng hệ thống điện bằng các thao tác đơn giản nhấp và
kéo.
Sim Power Systems cho phép bạn xây dựng và mô phỏng các mạch điện có
các thành phần tuyến tính và phi tuyến.
Sử dụng môi trường Simulink đển mô phỏng điện, cơ,…
Tương tác với các môn kỹ thuật khác: cơ khí, điện, nhiệt,…
Thư viện chứa các thiết bị điện tiêu biểu: máy biến áp, đường dây, động cơ,
điện tử công suất, …
1.2.2.2. Chức năng
- Mô phỏng và tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện.
- Mô phỏng quá độ, làm gián đoạn mạch điện đơn giản.
- Mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ.
- Phân tích đáp ứng tĩnh và miền tần số.
- Phân tích trạng thái ổn định.
1.2.3. Một số thư mục thường dùng trong SimPower Systems
1.2.3.1.
Thư mục Power Electronics

Các van bán dẫn:

Điôt

1.2.3.2.

GTO

Thyristor

IGBT

Công tắc lý tưởng

MOSFET

Chỉnh lưu cầu

Nghịch lưu 3 mức

Thư mục nguồn Electrical Sources
17


Nguồn áp một chiều

Nguồn áp xoay chiều

Nguồn dòng xoay chiều
Nguồn áp 3 pha lập trình

Nguồn áp 3 pha

Nguồn dòng AC hoặc DC điều khiển được bằng tín hiệu đưa vào
cổng s của khối.
Nguồn áp AC hoặc DC điều khiển được bằng tín hiệu đưa vào
cổng s của khối.
1.2.3.3.

Thư mục Elements
Điểm trung tính
Tải RLC nối tiếp 1 pha

Tải RLC nối tiếp 3 pha

Tải RLC song song 1 pha

Tải RLC song song 3 pha

Biến áp 1 pha nhiều cuộn thứ cấp
Biến áp một pha có một hay hai cuộn thứ cấp tùy chọn
Biến áp ba pha ba trụ hai cuộn thứ cấp
Biến áp ba pha ba trụ một cuộn thứ cấp
3 biến áp một pha một cuộn thứ cấp
1.2.3.4.

Thư viện phần tử đo Measurements
Phần tử đo áp

Phần tử đo dòng

18


Phần tử đo tổng trở

Phần tử đo đa điểm

Phần tử đo ba pha
Thư viện máy điện Machines
Có đầy đủ các loại máy điện hiện nay với bộ tham số của máy và gài sẵn các

1.2.3.5.

đại lượng máy điện như: tốc độ, dòng điện các phần tĩnh và động, momen động
cơ…

CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ MẠCH LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

19


Áp dụng nguyên lí các bộ chuyển đổi DC ở trên, trong phạm vi đồ án này ta
sẽ thiết kế và tính toán mạch biến đổi từ điện áp một chiều 10(V) lên điện áp
một chiều 24(V). Yêu cầu về các thông số của mạch biến đổi như sau:
-

Điện áp vào: 10(V).
Điện áp ra: 24(V).

-

Phạm vi điều chỉnh = (0.2 - 0.8)
Dòng điện tải lớn nhất trong toàn dải điều chỉnh It = 5 A.

Với yêu cầu như vậy, em sử dụng mạch boost để tăng điện áp. Mạch boost
hoạt động theo chu kì của xung đưa vào đóng ngắt tranzito. Sơ đồ khối của

mạch như sau:
MẠCH TẠO XUNG

ĐIỆN ÁP VÀO

HìnhMẠCH
2.1. Sơ
đồ khối mạch
BOOST

ĐIỆN ÁP RA

2.1. Thiết kế khối tạo xung
Mạch tạo xung có nhiệm vụ tạo ra các xung để đóng ngắt transistor một cách
nhịp nhàng. Có nhiều phương án tạo xung vuông như dùng mạch đa hài, dùng
IC 555, dùng mạch dao động nghẹt… Trong đồ án, em lựa chọn mạch dao động
dùng IC 555 vì mạch này tương đối đơn giản, chỉ cần một IC 555 cùng với các
linh kiện khác là có thể tạo ở đầu ra các xung chữ nhật đáp ứng yêu cầu bài
toán.
2.1.1. Giới

thiệu về IC 555

IC thời gian 555 được du nhập vào những năm 1971 bằng công ty Signetics
Corporation bằng 2 dòng sản phẩm SE555/NE555 và được gọi là máy thời gian
và cũng là loại có đầu tiên. Nó cung cấp cho các nhà thiết kế mạch điện tử với
chi phí tương đối rẻ, ổn định và những mạch tổ hợp cho những ứng dụng cho
đơn ổn và không ổn định. Từ đó thiết bị này được làm ra với tính thương mại
20

hóa. 10 năm qua một số nhà sản suất ngừng sản suất loại IC này bởi vì sự cạnh
tranh và những lý do khác. Tuy thế những công ty khác lại sản suất ra những
dòng này. IC 555 hiện nay được sử dụng khá phổ biến ở các mạch tạo xung,
đóng cắt hay là những mạch dao động khác.
2.1.2. Cấu tạo và nguyên
2.1.2.1.
Sơ đồ chân

lý hoạt động IC 555

NE
555

Hình 2.2: Sơ đồ chân của IC định thời 555
2.1.2.2.

Sơ đồ khối

Hình 2.3: Sơ đồ khối của IC định thời 555

2.1.2.3.

Sơ đồ nguyên lí NE555:

21


Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lí của NE555
2.1.2.4. Chức năng từng chân của 555

+ Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là
chân chung.
+ Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được
dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần số áp.Mạch so sánh ở đây dùng các
transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3Vcc.
+ Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic. Trạng
thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1. 1 ở đây là mức cao nó tương
ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng
mà trong thực tế mức 0 này ko được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35 ->0.75V) .
+ Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối masse
thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra
tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động
thường hay nối chân này lên VCC.
+ Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong
IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND.
22


Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta
thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ
này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định.
+ Chân số 6(THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp
khác và cũng được dùng như 1 chân chốt.
+ Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu
điều khiển bỡi tầng logic của chân 3 .Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này
đóng lại.ngược lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC
555 dùng như 1 tầng dao động .
+ Chân số 8 (Vcc): Không cần nói cũng bít đó là chân cung cấp áp và dòng cho
IC hoạt động. Không có chân này coi như IC chết. Nó được cấp điện áp từ 2V
-->18V (Tùy từng loại 555 nhé thấp nhất là con NE7555)

2.1.3. Thiết kế mạch tạo xung
2.1.3.1.
Sơ đồ nguyên lí mạch

tạo xung dung IC555

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lí mạch tạo xung dùng IC 555
Dạng xung đầu ra của mạch:
T
T1

T2

23


Hình 2.4: Dạng xung đầu ra của mạch tạo xung
Công thức tính các thông số của xung:
Chu kì xung (T):

-

T=T1+T2

Trong đó:
T – Chu kì xung (s)
T1 – Thời gian tích cực của xung (s)
T2 – Thời gian xung bằng 0 (s)
Công thức tính T1 và T2:
T1 = 0.7×(R1+R2)×C1

T2 = 0.7×R2×C1

-

Suy ra:
Tần số xung (f):

-

(Hz)
2.2.
2.2.1.

Thiết kế và tính toán cho toàn mạch
Thiết kế mạch nguyên lý

Yêu cầu của bài toán là tăng điện áp DC từ 10V lên 24V, sử dụng mạch
boost. Mạch boost điều khiển bởi xung do mạch tạo xung tạo ra. Sơ đồ nguyên
lí toàn mạch như hình 2.5.

24


Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lí toàn mạch
2.2.2.

Tính toán cho mạch tạo xung
 Tính

toán độ rộng xung

Như đã phân tích ở trên, ta có mối liên hệ giữa điện áp ra và điện áp vào là:
Vout = Vin/(1 − D)
=> D = 1 - Vin/Vout
D - chu kì nhiệm vụ của xung đóng ngắt tranzito
Yêu cầu của đề tài là điện áp vào là Vin = 10V, Vout = 24V. Suy ra mạch tạo
xung tạo ra xung vuông có chu kì nhiệm vụ D = 1 - =

Chọn R1 = 2K, R2 = 5K
Tính toán tần số xung
Đối với mạch boost, xung liên hệ theo công thức:
25