Thiết kế mạch ổn áp Boost

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ỔN ÁP .................................................................................. 1
1.1 Giới thiệu chương: ..................................................................................................... 1
1.2 Ổn áp: ......................................................................................................................... 1
1.2.1 Ổn áp xoay chiều: ................................................................................................ 1
1.2.2 Ổn áp một chiều (DC): ........................................................................................ 2
1.2.2.1 Phân loại ổn áp một chiều (DC) ....................................................................... 2
1.2.3 Ổn áp tuyến tính................................................................................................... 4
1.2.4 Ổn áp xung ........................................................................................................... 5
1.2.5 Ổn áp xung Buck: ................................................................................................ 7
1.2.5.1Sơ đồ khối: ......................................................................................................... 7
1.2.5.2 Nguyên lí làm việc: ........................................................................................... 7
1.2.6 Ổn áp xung kiểu Boost: ....................................................................................... 8
1.2.6.1 Sơ đồ khối: ........................................................................................................ 8
1.2.6.2 Nguyên lí hoạt động: ........................................................................................ 8
1.3 Phương pháp tính toán ổn áp Boost ........................................................................... 9
1.4 Kết luận chương ....................................................................................................... 12
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................. 13
2.1 Mạch nguyên lí ......................................................................................................... 13
2.2 Các khối điều khiển trong mạch .............................................................................. 14
2.2.1 Khối tạo xung. ................................................................................................... 14
2.2.2 Khối điều chế độ rộng xung............................................................................... 17
2.2.3 Khối điều khiển.................................................................................................. 19
2.2.4 Khối hồi tiếp ...................................................................................................... 20
2.2.5 Khối mạch lọc .................................................................................................... 23
2.2.6 Khối nguồn ........................................................................................................ 24
CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ................................... 25
3.1 Giới thiệu chương .................................................................................................... 25
3.2 Tính toán thiết kế từng khối trong mạch ổn áp ........................................................ 25
3.2.1 Tính toán thiết kế khối mạch lọc ....................................................................... 25

3.2.2 Tính toán thiết kế phần tử chuyển mạch ............................................................ 28


3.2.3 Tính toán khối tạo dao động ( ASTABLE ) ...................................................... 29
3.2.5 Tính toán khối điều chế độ rộng xung ............................................................... 30
3.3 Tính toán mạch hồi tiếp ........................................................................................... 31
3.3.1 Tính toán mạch so sánh ..................................................................................... 31
3.3.2 Tính toán mạch điện áp chuẩn ........................................................................... 31
3.3.3 Tính toán mạch lấy mẫu .................................................................................... 32
3.4 Kết quả đo xung thực tế ........................................................................................... 33
3.5 Kết luận chương ....................................................................................................... 34
KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 35
Tài liệu tham khảo ............................................................................................................. 36
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 37


LỜI NÓI ĐẦU
Là sinh viên theo học khối kỹ thuật nói chung và ngành cơ điện tử nói riêng,
được học và thừa hưởng các kiến thức khoa học mà các thế hệ đi trước đã để lại,
ngoài việc phải nắm vững các kiến thức sẵn có thông qua việc học lí thuyết, các
sinh viên kỹ thuật còn phải đưa các kiến thức đó vào thực tiễn thông qua việc tự tạo
ra các sản phẩm có khả năng ứng dụng vào thực tiễn vì vậy Đồ án Điện tử ứng
dụng chính là cơ hội cho chúng em vận dụng các kiến thức được học ở trường và
giúp chúng em rèn luyện thêm nhiều kỹ năng khác.
Với đề tài “Thiết kế mạch ổn áp Boost ” thì đây là một cơ hội rất tốt để chúng
em đi sâu vào tìm hiểu và áp dụng những kiến thức của các học phần lý thuyết liên
quan vào việc thiết kế, chế tạo một mạch điện tử. Là lần đầu thực hiện một sản
phẩm mạch điện tử không thể tránh khỏi được những sai sót, khuyết điểm mong
nhận được sự chỉ bảo của các thầy cô.
Qua đây, em cũng xin cảm ơn thầy Lê Hồng Nam đã giúp chúng em thực hiện

đề tài này.
Đà Nẵng, ngày 25 tháng 05 năm 2018
Sinh viên thực hiện
Lê Bá Thi
Hứa Bạch Long
Phạm Văn Tuấn


Đồ án điện tử dụng

GVHD: LÊ HỒNG NAM

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ỔN ÁP
1.1 Giới thiệu chương:
Hầu hết mọi thiết bị, mạch điện hay hệ thống điện điều cần một nguôn điện đáp
ứng tốt để không làm ảnh hướng tới mọi hoạt động của nó, để biết rỏ hơn về vài trò
cũng như phân loại và đặc điểm của từng loại ổn áp thì ở chương này sẻ làm rỏ các
vấn đề đó. Đặc biệt là ổn áp xung Boost.
1.2 Ổn áp:
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và kỹ thuật điện
tử nói riêng thì ngày nay các thiết bị điện tử đã được sử dụng một cách rộng rải và
ngày càng hiện đại, áp dụng vào nhiều lỉnh vực khác nhau trong đời sống hàng ngày,
từ các thiết bị gia dụng, dây chuyền sản xuất, các thiết bị điện tử hiện đại..vv Một
trong những thành phần không thể thiếu và nó ảnh hưởng trực tiếp đến đến sự hoạt
động của một hệ thống hay mạch điện đó chính là nguồn điện. Đa phần hiện nay các
mạch điện hay hệ thống điện đòi hỏi các nguồn điện áp khác nhau cung cấp cho nó từ
một nguồn cố định hay đã có sẳn, do vậy cần có một hệ thống đảm bảo cung cấp đúng
nguồn điện cho các mạch điện hay hệ thống hoạt động một cách tốt nhất và đảm bảo
duy trì tuổi thọ cho các thiết bị điện.
Ổn áp là một hệ thống được thiết kế để cung cấp và duy trì ổn định một mức điện

áp đầu ra với một điện áp đầu vào có thể thay đổi, cung cấp nguồn hoạt động cho các
mạch điện hoặc hệ thống điện.
Trên thực tế có nhiều loại ổn áp khác nhau hoạt động trên nguyên lí không giống
nhau, về cơ bản ổn áp được chia làm ổn áp xoay chiều và ổn áp một chiều, tùy thuộc
vào đặc điểm hoạt động khác nhau thì ổn áp một chiều lại được chia làm nhiều loại
khác nhau nữa.
1.2.1 Ổn áp xoay chiều:
Ổn áp xoay chiều là một thiết bị có thể tự động duy trì điện áp ra xoay chiều thay
đổi trong một phạm vi nhỏ khi điện áp vào thay đổi trong một phạm vi lớn. Do vậy ổn
áp xoay chiều không có khả năng sinh ra năng lượng mà chỉ có nhiệm vụ ổn áp và giử
điện ra ổn định. Ổn áp xoay chiều được chia làm ổn áp xoay chiều một pha và ổn áp
xoay chiều ba pha. Tùy thuộc vào lưới điện sử dụng để người ta chọn loại ổn áp phù
hợp.
SVTH: LÊ BÁ THI – HỨA BẠCH LONG – PHẠM VĂN TUẤN

1


Đồ án điện tử dụng

GVHD: LÊ HỒNG NAM

1.2.2 Ổn áp một chiều (DC):
Mọi ổn áp DC đều có nhiệm vụ đó là biến đổi điện áp vào DC (một chiều) thành
điện áp ra DC xác định, ổn định và duy trì điện áp đó không đổi trên một tầm rộng của
các điều kiện điện áp vào và dòng tải. Để làm được điều đó thì một ổn áp thường có :
1. Phần tử chuẩn : để cung cấp một mức điện áp ra biết trước.
2. Phần tử lấy mẫu : để lấy mẫu điện áp ra.
3. Phần tử khuếch đại sai lệch: để so sánh mẫu điện áp chuẩn và cho sai tín hiệu
sai lệch.

4. Phần tử điều khiển: để biến đổi điện áp ra thành điện áp mong muốn khi điều
kiện tải thay đổi và được điều khiển bằng tín hiệu sai lệch.
Tùy vào kiểu ổn áp khác nhau thì sẻ có các thành phần khác nhau, nhưng cơ bản
các kiểu ổn áp điều có 4 thành phần trên.

Hình 1.1: sơ đồ khối của một nguồn ổn áp cơ bản
1.2.2.1 Phân loại ổn áp một chiều (DC)
Ổn áp DC được chia làm 2 nhóm chính : ổn áp tham số và ổn áp theo nguyên lí
bù.
a) Ổn áp Zener ( Ổn áp tham số)
Là loại ổn áp dùng để ổn định điện áp một chiều sử dụng đi ốt bán dẫn Zener, loại
ổn áp này có nhược điểm là dòng qua tải nhỏ, không có hồi tiếp.
SVTH: LÊ BÁ THI – HỨA BẠCH LONG – PHẠM VĂN TUẤN

2


Đồ án điện tử dụng

GVHD: LÊ HỒNG NAM

Diode Zener gồm có 1 lớp tiếp xúc P-N và 2 chân cực là anốt và catốt, anốt được
nối với lớp bán dẫn P còn catốt được nối với lớp bán dẫn N được bọc trong võ kim loại
hoặc nhựa tổng hợp.
Đặc tuyến vôn-ampe của Diode:

Hình: 1.2 Đặc tuyến vôn-ampe
-

Phần thuận của đặc tuyến ( Khi U AK >0)

Khi Diode được phân cực thuận thì dòng tăng rất nhanh, ta phải chủ ý đến dòng

điện thuận cực đại Ith.max , diode không được làm việc với dòng điện cao hơn trị số
này. Khi U AK > 0 nhưng trị số nhỏ thì dòng điện thuận quá nhỏ nên diode chưa được
coi là phân cực thuận, chỉ khi U AK  U D thì diode mới được tính là phân cực thuận U D
được gọi là điện áp thuận ngưỡng của diode, khi U AK  U D thì dòng điện thuận có trị
số khoảng 0.1Ith.max và khi U AK  U D thì dòng tăng rất nhanh. U D có giá trị (0,1-0,3)V
đối với diode gecmani và (0,4-0,8)V đối với silic.
Điện trở của diode khi phân cực thuận:
RD 

VT
 RB
I

(1.1)

Với VT là điện thế nhiệt, I là dòng qua diode, RB điện trở gộp bao gồm điện trở
trơ của vật liệu bán dẫn và điện trở tiếp xúc.
SVTH: LÊ BÁ THI – HỨA BẠCH LONG – PHẠM VĂN TUẤN

3


Đồ án điện tử dụng

GVHD: LÊ HỒNG NAM

Ở nhiệt độ phòng :
RD 

0.026
 RB
I

(1.2)

Khi diode làm việc với dòng cao thì có thể bỏ qua RB
Phân tích mạch DC chứa Diode zener:

Hình: 1.3 Mạch DC chưa diode
Khi diode được phân cực thuận thì dòng qua diode sẻ là :
ID 

Vs  Vz
R

(1.3)

b) Ổn áp nguyên lí bù
Ổn áp nguyên lí bù được thực hiện bằng phương pháp hồi tiếp, khi điện áp ngõ ra
biến thiên, điện áp ngõ ra cũng biến thiên thì mạch sẻ tạo ra một tín hiệu điều khiển bù
lại sự biến thiên đó, gọi là mạch làm việc theo nguyên lí bù. Nếu phần tử điều chỉnh
làm việc chế độ tuyến tính gọi là ổn áp tuyến tính, nếu phần tử điều chỉnh hoạt động ở
chế độ xung gọi là ổn áp xung. Nếu phần tử điều chỉnh nối tiếp tải gọi là ổn áp nối
tiếp, ngược lại gọi là ổn áp song song.
1.2.3 Ổn áp tuyến tính
-

Nguyên lí hoạt động của ổn áp tuyến tính:

SVTH: LÊ BÁ THI – HỨA BẠCH LONG – PHẠM VĂN TUẤN

4


Đồ án điện tử dụng

GVHD: LÊ HỒNG NAM

Sự ổn định của điện áp điện thực hiện bằng phương pháp hồi tiếp. Khi điện áp
vào Vi biến thiên, điện áp ngõ ra Vo cũng biến thiên thì mạch sẽ tạo ra một tín hiệu
điều khiển để bù vào sự biến thiên đó. Đây là mạch làm việc dựa theo nguyên lí bù.

Hình 1.4 sơ đồ khối mạch ổn áp tuyến tính
-

Ưu điểm của ổn áp tuyến tính:
+ Ổn áp tuyến tính có độ ổn định cao.
+ Ít gây nhiễu.
+ Dể thiết kế và thi công.

-

Nhược điểm của ổn áp tuyến tính:
+ Có hiệu suất kém.
+ Kích thước lớn.
+ Giới hạn công suất.

1.2.4 Ổn áp xung

Ổn áp xung hay còn gọi là ổn áp đóng ngắt, là ổn áp hoạt động trên nguyên lý hồi
tiếp ( nguyên lí bù), trong đó phần tử điều chỉnh làm việc ở chế động xung.
-

Nguyên lí hoạt động của ổn áp xung:
Nguồn DC chưa ổn định được đưa đến phần tử điều chỉnh làm việc như một khóa

điện tử. Khi khóa dẫn nguồn DC được nối với một ngõ ra, khóa tắt cắt nguồn ra khỏi
mạch. Như vậy tín hiệu ra của khóa là một dãy xung. Muốn có điện áp một chiều cho
tải người ta sử dụng bộ lọc. Thông thường dung mạch lọc RLC, tùy thuộc vào tần số
SVTH: LÊ BÁ THI – HỨA BẠCH LONG – PHẠM VĂN TUẤN

5


Đồ án điện tử dụng

GVHD: LÊ HỒNG NAM

và độ rộng xung ngõ ra của khóa mà trị số điện áp một chiều ở trên tải có thể lớn hoặc
nhỏ. Để ổn định điện áp trên tải người ta thường so sánh nó với một mức điện áp
chuẩn. Sự sai lệch sẻ được biến đổi thành tín hiệu xung để điều khiển khóa điện tử.
Dưới đây là sơ đồ hoạt động của ổn áp xung:

Hình 1.5 sơ đồ hoạt động của ổn áp xung
-

Phân loại ổn áp xung :
+ Tùy thuộc vào phần tử điều chỉnh nổi tiếp hay song song với tải người ta chia
làm ổn áp xung nối tiếp và ổn áp xung song song.

+ Tùy thuộc vào điện áp ngõ vào và ngõ ra người ta chia làm ổn áp xung Buck,
ổn áp xung Boost, ổn áp xung Buck-Boost, ổn áp xung Cuk.
 Ổn áp Buck: là loại ổn áp có điện áp trung bình ngõ ra nhỏ hơn ngõ vào.
 Ổn áp Buck_Boost: là loại ổn áp có điện áp ngõ ra lớn hơn hoặc nhỏ hơn
điện áp ngõ vào.
 Ổn áp Cuk: là loại ổn áp có điện áp ngõ ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn
điện áp ngõ vào nhưng cực tính ngược với điện áp ngõ vào.
 Ổn áp Boost: là loại ổn áp có điện áp trung bình ngõ ra lớn hơn ngõ vào.

-

Ưu điểm của ổn áp xung:
+ Tổn hao ít nên hiệu suất cao ( thường trên 80%)
+ Độ ổn định cao cao do phần tử điều khiển làm việc ở chế độ xung
+ Thể tích và trọng lượng bộ nguồn nhỏ

SVTH: LÊ BÁ THI – HỨA BẠCH LONG – PHẠM VĂN TUẤN

6


Đồ án điện tử dụng
-

GVHD: LÊ HỒNG NAM

Nhược điểm của ổn áp xung:
+ Phân tích, thiết kế phức tạp
+ Bức xạ sóng, can nhiễu trong dải tần số rộng do đó cần bộ lọc xung ở ngõ vào

nguồn và bộ nguồn phải được bọc kim.
+ Tần số đong ngắt lớn sẽ gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh.
1.2.5 Ổn áp xung Buck:
Ổn áp xung Buck là loại ổn áp có điện áp trung bình ngỏ ra nhỏ hơn điện áp ngỏ
vào, hoạt động theo phương pháp điều chế độ rộng xung.
1.2.5.1Sơ đồ khối:

Hình 1.6 Sơ đồ khối ổn áp xung Buck
1.2.5.2 Nguyên lí làm việc:
Phần tử điều chỉnh đóng vai trò như một khóa điện tử, đóng hoặc mở với tần số
không đổi. Xung điều khiển với tần số f được tạo ra từ khối tạo dao động. Phần điều
khiển thực hiện việc so sánh điện áp ra với điện áp chuẩn, kết quả của sai lệch được
khuếch đại lên, mạch điều chế căn cứ vào sai lệch để điều chế động rộng xung, xung
vuông có độ rộng thay đổi được đưa tới phần tử điều chỉnh để điều khiển sự đóng ngắt
của nó. Trong thời gian không tồn tại xung điều khiển dòng ra được đảm bảo nhờ tự C
và cuộn cảm L.
Gọi t x là thời gian mở của phần tử chuyển mạch:
Điện áp trung bình trên tải:
SVTH: LÊ BÁ THI – HỨA BẠCH LONG – PHẠM VĂN TUẤN

7


Đồ án điện tử dụng

GVHD: LÊ HỒNG NAM
t

t
1 x

V0   Vi dt  x Vi
T0
T


V0 t x

Vi T

(1.4)
(1.5)

Vì:
0  tx  T  0  Vo  Vs

(1.6)

Do vậy điện áp ngõ ra của ổn áp Buck luôn nhỏ hơn điện điện áp ngõ vào. Để sử
dụng ổn áp vào đầu ra tăng áp thì t cần tìm hiểu mạch ổn áp xung kiểu Boost.
1.2.6 Ổn áp xung kiểu Boost:
Ổn áp Boost là loại ổn áp có điện áp trung bình ngỏ ra lớn hơn điện áp trung bình
ngỏ vào,hoạt động theo phương pháp điều chế độ rộng xung.
1.2.6.1 Sơ đồ khối:

Hình: 1.7 sơ đồ khối ổn áp Boost
1.2.6.2 Nguyên lí hoạt động:
Phần tử chuyển mạch làm việc như một khóa điện tử đóng và mở với tần số
không đổi. Xung điều khiển có tần số f được tạo ra bởi khối tạo dao động. Thời gian
đóng và ngắt của phần tử chuyển mạch phụ thuộc vào độ rộng cũng xung điều khiển,
độ rộng của xung được tạo ra bởi khối điều chế độ rộng xung, khối này nhận tín hiệu

SVTH: LÊ BÁ THI – HỨA BẠCH LONG – PHẠM VĂN TUẤN

8


Đồ án điện tử dụng

GVHD: LÊ HỒNG NAM

xung kích hướng âm được tạo ra bởi mạch xén và tín hiệu sai lệch để xác định độ rộng
của xung kích sao cho tín hiệu ra Vo ổn định. Dòng ra được bảo đảm nhờ tụ C và cuộn
cảm L. Tín hiệu ra được lấy một phần ( Lấy mẫu) đem so sánh với điện áp chuẩn tạo
ra tín hiệu sai lệch để điều chế độ rộng xung.
1.3 Phương pháp tính toán ổn áp Boost
Chế độ dòng liên tục: Nếu điện cảm rất lớn, thì dòng điện trong 1 chu kỳ điện
cảm sẽ không thay đổi nhiều mà chỉ dao động quanh giá trị trung bình.Chế độ liên tục
có hiệu suất và chất lượng bộ nguồn tốt hơn nhiều chế độ không liên tục, nhưng đòi
hỏi cuộn cảm có giá trị lớn hơn nhiều lần.
Trong thời gian (𝑡𝑜𝑛 ) Transistor đóng, điện áp nguồn được đặt hoàn toàn vào
cuộn cảm L1, khi đó sư thay đổi dòng điện chạy qua cuộn dây trong khoảng 𝑡𝑜𝑛 được
xác định theo công thức.

Hình 1.8 Nguyên lí hoạt động ổn áp Boost.
-

Thời gian ton ( khóa S đóng):

Hình 1.9 Ổn áp Boost chế độ ton .
Trong suốt trạng thái On của khóa S, điện áp đầu vào Vs đặt lên cuộn dây, tạo ra dòng
thay đổi xuyên qua cuộn dây:

I L Vi

t
L

(1.7)

Kết thúc trạng thái On:
LIon 

DT

 V dt 
i

0

DT
Vi
L

(1.8)

Với D là chu kỳ năng suất
SVTH: LÊ BÁ THI – HỨA BẠCH LONG – PHẠM VĂN TUẤN

9


Đồ án điện tử dụng

-

GVHD: LÊ HỒNG NAM

Thời gian toff ( khóa S mở):

Hình 1.10 Ổn áp Boost chế độ toff .

Trong khoảng thời gian này S mở, dòng cuộn dây chạy qua tải và tích điện cho tụ
điện.
Vi  Vo  L

dI L
dt

(1.9)

Vì vậy sự biến đổi dòng điện qua cuộn dây trong chu kỳ off:
I Loff 

(Vi  Vo )dt (Vi  Vo )(1  D)T

L
L
DT
T



(1.10)

Giả thuyết ổn áp làm việc ở chế độ xác lập. năng lượng tích lũy trong cuộc dây
trong mỗi chu kì tạo nên tạo nên các điểm dòng điện đầu và cuối chu kỳ, năng lượng
này được xác lập bởi biểu thức:
WL 

1 2
LI
2

(1.11)

Vì vậy có thể viết:
I Lon  I Loff  0

(1.12)

Thay (1.2) và (1.4) vào (1.6) ta có:
I Lon  I Loff 

Vi .D.T (Vi  Vo )(1  D)T

0
L
L

(1.13)

Từ (1.7) rút ra:
Vo

1

Vi (1  D)

Dể dàng nhận thấy

(1.14)

Vo
luôn lớn hơn 1 vì vậy Vo luôn lớn hơn Vi . Hay
Vi

D  1

Vi
Vo

SVTH: LÊ BÁ THI – HỨA BẠCH LONG – PHẠM VĂN TUẤN

(1.15)

10


Đồ án điện tử dụng

GVHD: LÊ HỒNG NAM

Chế độ dòng không liên tục: Nếu điện cảm của cuộn cảm quá nhỏ, thì trong một
chu kỳ đóng cắt, dòng điện sẽ tăng dần nạp năng lượng cho điện cảm rồi giảm dần,

phóng năng lượng từ điện cảm sang tải. Vì điện cảm nhỏ nên năng lượng trong điện
cảm cũng nhỏ, nên hết một chu kỳ, thì năng lượng trong điện cảm cũng giảm đến 0.
Tức là trong một chu kỳ dòng điện sẽ tăng từ 0 đễn max rồi giảm về 0.
Khi dòng điện trong cuộn dây tăng từ 0 đến cực đại (đến D.T)
VI .D.T

ILmax =

L

(1.16)
Dòng điện IL giảm về 0 sau khoảng thời gian δ. T:

ILmax +

(VI −Vo ).δ.T
L

=0

(1.17)
Suy ra:

𝛿=

𝑉𝑖 .𝐷
𝑉𝑜 −𝑉𝑖

(1.18)
Dòng điện tải IR bằng dòng điện chạy qua diod (ID), dòng điện chạy qua diod

bằng dòng điện chạy qua cuộn dây khi transistor mở. Vì vậy dòng điện ra được viết:
IR = ID =

ILmax
δ
2

Từ (1.16) và (1.18)

IR =

Vi .D.T

Vi .D

2L

Vo −Vi

→

Vo
Vi

=1+

=

2
V2

i .D .T

2L(Vo −Vi )

Vi .D2 .T
2L.IR

(1.19)
Từ biểu thức trên ta thấy, ở chế độ dòng điện không liên tục sự thay đổi điện áp
đầu ra không chỉ phụ thuộc vào độ rộng xung điện áp mà còn phụ thuộc giá trị điện
cảm, điện áp vào, tần số chuyển mạch, và dòng điện ra.
SVTH: LÊ BÁ THI – HỨA BẠCH LONG – PHẠM VĂN TUẤN

11


Đồ án điện tử dụng

GVHD: LÊ HỒNG NAM

1.4 Kết luận chương
Qua việc phân tích đặc điểm, đánh gia ưu nhược điểm cũng từng loại ổn áp,
chúng ta thấy rỏ được các lợi thế mà ổn áp xung Boost mang lại, để tìm hiểu rỏ hơn về
nó thì ở chương tiếp theo chúng ta sẻ đi sâu vào từng khối chức năng trong ổn áp xung
Boots.

SVTH: LÊ BÁ THI – HỨA BẠCH LONG – PHẠM VĂN TUẤN

12

Đồ án điện tử dụng

GVHD: LÊ HỒNG NAM

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Mạch nguyên lí

Hình 2.1 Sô đồ mạch nguyên lí

SVTH: LÊ BÁ THI – HỨA BẠCH LONG – PHẠM VĂN TUẤN

13


Đồ án điện tử dụng

GVHD: LÊ HỒNG NAM

2.2 Các khối điều khiển trong mạch
2.2.1 Khối tạo xung.

Hình 2.2 Khối tạo dao động.
– Chức năng: Tạo xung với tần số không đổi, và đồng thời tạo xung kích chân 2
cho mạch điều chế độ rộng xung.
– Nguyên lí hoạt động: Đây là mạch dao động đa hài có 2 trạng thái nhưng cả 2
trạng thái đều không bền. Nhờ có sự thay đổi điện áp trên tụ C mà mạch luôn tự động
chuyển đổi trạng thái và luôn tạo độ dài xung ra.
+ 0 ≤ t < t1: giả sử mạch ở trạng thái không bền ban đầu. Ngõ ra V0 = 1

 QRSFF  0 , BJT Q1 tắt: không có dòng đổ qua BJT  tụ C được nạp điện từ
nguồn Vcc qua điện trở với chiều như hình vẽ để hướng đến giá trị VCC . Tụ càng nạp
thì điện áp trên tụ càng tăng ( vC

vC = v(6) = v( 2) ≥

tăng ) cho đến khi áp trên tụ

2
V . Lúc đó:
3 CC
SS1 : v   v   R  0
SS 2 : v   v   S  1
 Q  1  v0  0

Mạch chấm dứt thời gian tồn tại trạng thái không bền ban đầu và chuyển sang
trạng thái không bền thứ 2.
SVTH: LÊ BÁ THI – HỨA BẠCH LONG – PHẠM VĂN TUẤN

14


Đồ án điện tử dụng

GVHD: LÊ HỒNG NAM

+ t1 ≤ t < t 2 :
Tại thời điểm t = t1: mạch tồn tại ở trạng thái không bền thứ 2. Q =1, v0 = 0. Vì Q
= 1 nên BJT Q1 dẫn  tụ C xả điện tích qua R2 → chân số 7 → BJT Q1 → mass. Tụ
càng xả thì điện áp trên tụ càng giảm → điện áp tại chân số 2 và chân số 6 cùng giảm

xuống. Khi điện áp trên tụ C giảm đến giá trị

1
2
VCC ≤ vC ≤ VCC thì ta có:
3
3

SS1 : v   v   R  0
SS 2 : v   v   S  0
 Q vẫn giữ nguyên trạng thái cũ trước đó (Q = 1)  do đó tụ C tiếp tục xả cho

đến khi vC ≤

1
V (điện thế ngưỡng của bộ SS1), mà vC = v(6) = v( 2) nên suy ra:
3 CC

SS1 : v   v   R  1
SS 2 : v   v   S  0

 Q  0  v0  1

Mạch chấm dứt thời gian tồn tại ở trạng thái không bền thứ 2 và bắt đầu chuyển sang
trạng thái không bền ban đầu. Vì Q = 0  BJT Q tắt  không có dòng đổ qua BJT Q
→ tụ C được nạp điện bổ sung (vì nó vẫn còn giữ

1
Vcc do điện thế ở chân số 2 chặn
3

trên) và quá trình cứ tiếp diễn như vậy để liên tục tạo độ dài xung ra

Hình 2.3 Đồ thì xung ngỏ ra
Tính toán độ dài xung ra: Gọi: T1 là thời gian ứng với ngõ ra vo = 1
SVTH: LÊ BÁ THI – HỨA BẠCH LONG – PHẠM VĂN TUẤN

15


Đồ án điện tử dụng

GVHD: LÊ HỒNG NAM

T2 là thời gian ứng với ngõ ra vo = 0
T là chu kì dao động của mạch : T = T1 + T2
* Tính T1 :
Phương trình nạp của tụ C:
t 

vC (t )  vC ()  vC (0)1  e 1   vC (0)



với vC (0) =

1
VCC , vC (∞) = VCC
3

t 

2

 vC (t )  VCC 1  e 1   1 VCC
3
3



2
3

Khi t = T1 : vC (T1 ) = VCC

 2 VCC
3

1 e

T1


T1 
 2 VCC 1  e 1   1 VCC
3
3






1

T

1
1
1
  e 1   T1  1 ln 2  CR1 ln 2
2
2

Vậy thời gian nạp của tụ là T1  0,7CR1
(2.1)
* Tính T2 :
Phương trình xả của tụ C:

vC (t )  vC (0)  vC () e
với vC (0) =

 t

2

 vC ()

2
VCC , vC (∞) = 0
3

 vC (t )  2 VCC e
3

t

T2

SVTH: LÊ BÁ THI – HỨA BẠCH LONG – PHẠM VĂN TUẤN

16


Đồ án điện tử dụng

GVHD: LÊ HỒNG NAM

Khi t = T2 thì vC (T2 )  1 VCC

3

T2


1
2
 VCC  VCC e
3
3

2

 T2  0,7CR2

Vậy thời gian xả của tụ C là T2  0,7CR2
(2.2)
T = T1 + T2 = 0,7C ( R1  R2 )
Vậy chu kỳ dao động là T = 0,7C ( R1  R2 )
(2.3)
2.2.2 Khối điều chế độ rộng xung

Hình 2.4 Khối điều chế độ rộng xung.
– Chức năng: tạo ra xung có tần số theo xung kích và có độ rộng theo yêu cầu ,
căn cứ vào sai lệch điện áp để điều chế độ rộng xung.
– Nguyên lí hoạt động:
 Tín hiệu xung quy định bởi tần số đưa vào chân số 2 .
SVTH: LÊ BÁ THI – HỨA BẠCH LONG – PHẠM VĂN TUẤN

17


Đồ án điện tử dụng

GVHD: LÊ HỒNG NAM

 Tụ C được nạp từ Vcc qua trở R3.
 Tụ bắt đầu nạp khi tín hiệu ở chân số 2 bằng 1/3 Vcc, thay vì tụ nạp đến điện áp
2/3 Vcc thì nó nạp cho đến bằng giá trị của điện áp hồi tiếp về ở chân số 5, do đó dải
điều chỉnh thời gian nạp xã tụ sẻ thay đổi được từ 1/3 Vcc đến Vcc ở chân 5. Điện áp
càng tiến về Vcc ở chân số 5 thì thời gian nạp tụ càng lâu, dân đến xung lên càng rộng

mà làm cho điện áp ngỏ ra càng tang.
 Tính toán mạch:

Io .t
 Vc (0)
C
Vc (0)  0 v
t  T0
 Vc (T0 )  Vht
I .T
 Vht  o o
C
V .C
 To  ht
Io
T .I
C  o
Vht

Vc (t) 

(2.4)

Chọn C tính I.

VR3  Vcc Vc (To )
V
R 3  R3
Io

SVTH: LÊ BÁ THI – HỨA BẠCH LONG – PHẠM VĂN TUẤN

18


Đồ án điện tử dụng

GVHD: LÊ HỒNG NAM

Hình 2.5 Giản đồ xung
2.2.3 Khối điều khiển

Hình 2.5 Khối điều khiển
 Chức năng: là phần tử chuyển mạch điện tử, có nhiệm vụ đóng ngắt trong mạch
ở tần số cao, chu kì đóng ngắt trùng với chu kì ở chân số 3 của mạch điều chế, qua đó
điều chỉnh điện áp tang hoặc giảm ở ngỏ ra.
SVTH: LÊ BÁ THI – HỨA BẠCH LONG – PHẠM VĂN TUẤN

19


Đồ án điện tử dụng

GVHD: LÊ HỒNG NAM

 Nguyên lí hoạt động: Khi đầu vào có xung lên thì làm cho Q2 dẫn, làm cho
mosfet dẫn, khi đầu vào có xung xuống thì làm cho Q2 tắt, lúc này Q3 dẫn, mosfet xã
dòng qua Q3 về maxx. Làm cho mạch đóng ngắt theo chu kỳ như mạch điều chế độ
rộng xung.
 Tính toán mạch:

ICQ2   .I BQ2

Vcc  VCEQ2
RB
VGQ1  Vcc VCEQ2
I BQ2 

(2.5)

2.2.4 Khối hồi tiếp

Hình 2. Sơ đồ mạch trừ

Đây là mạch giúp giá trị điện áp đầu ra được ổn định theo giá trị mong muốn.
Mạch này gồm hai mạch nhỏ là mạch trừ và mạch lấy mẫu:
a) Mạch trừ

SVTH: LÊ BÁ THI – HỨA BẠCH LONG – PHẠM VĂN TUẤN

20


Đồ án điện tử dụng

GVHD: LÊ HỒNG NAM

Mạch trừ có tác dụng so sánh điện áp rồi đưa tín hiệu về mạch điều chế để thay đổi
độ rộng xung nhằm ổn định điện áp ngõ ra.
 Nguyên lý hoạt đông:

Điện áp được lấy môt phần từ mạch phân áp cho ngõ ra được đưa vào chân trừ
của op-amp và điện áp đó được so sánh với điện áp đặt ở chân cộng (ở đây điện áp đặt
là 5V). Khi đó điện áp Vout của op-amp sẽ bằng hiệu của điện áp chân cộng với chân
trừ.
 Thiết lập công thức và tính toán mạch:
Giả sử Vlm = 0
Thì :
V+ =

R11
R11 +R10

Vđ

Khi đó :
Vo1 = ( 1 +

R8
R9

)(

R11
R11 +R10

) Vđ

Giả sử Vđ = 0
Khi đó :
Vo2 = −

R8
R9

Vlm

Điện áp ở ngõ ra
Vo = Vo1 + Vo2
R8

→ Vsl = ( 1 +

R9

)(

R11
R11 +R10

) Vđ −

R4
R3

Vlm

Chọn R8 = R11, R9 = R10
Nên :
Vsl =
Ở đây chọn hệ số khuếch đại

R8
R9

R8
R9

× (Vđ – Vlm)

bằng 1 nên giá trị của R8 và R9 = 100K.
Vsl = (Vđ – Vlm)

Để Vđ bằng 5V nên ở chân cộng sử dụng 1 con diode Zenner 1N4733A để ghim
mức điện áp vào ở mức 5V. Ta có
SVTH: LÊ BÁ THI – HỨA BẠCH LONG – PHẠM VĂN TUẤN

21


Đồ án điện tử dụng

GVHD: LÊ HỒNG NAM
Vsl = (5 – Vlm)

Chọn Vsl lớn nhất của mạch hồi tiếp là 3,5V ta có :
3,5 = (5 – Vlm)
→ Vlm = 5 – 3,5 = 1,5V

b) Mạch lấy mẫu
Mạch lấy mẫu có nhiệm vụ lấy một phần điện áp ở ngõ ra nhằm đưa vào mạch so

sánh để điểu chỉnh ổn định điện áp ra.
 Sơ đồ mạch

Hình 2. Sơ đồ mạch lấy mẫu
 Nguyên lý hoạt động
Mạch lấy mẫu hoạt động dựa trên nguyên lý của một mạch cầu phân áp.
 Thiết lập công thức và tính toán mạch
Ta có Vlm = 1,5V
Nên :

SVTH: LÊ BÁ THI – HỨA BẠCH LONG – PHẠM VĂN TUẤN

22