Tìm hiểu nguyên lý ổn dòng của mạch buck converter

Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU................................................................................................... 2
CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT................................................................. 3
1. Tìm hiểu nguyên lý ổn dòng của mạch buck converter........................... 3
2. Tìm hiểu về IC UC3842........................................................................... 5
3. Thiết kế và tính toán mạch nguyên lý nguồn ổn dòng
sử dụng UC3842...................................................................................... 11
CHƯƠNG II : PHẦN THỰC NGHIỆM........................................................... 20
1. Tìm hiểu và lắp ráp mạch thử IC UC3842.............................................. 20
2. Hoàn thiện mạch ổn dòng sử dụng IC UC3842...................................... 21
3. Kết quả thực nghiệm............................................................................... 23
CHƯƠNG III : KẾT LUẬN............................................................................ 25
Page 1
Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
LỜI MỞ ĐẦU.
Ngày nay, trong hầu hết các ngành kinh tế, kĩ thuật, nhất là các ngành công
nghiệp đều áp dụng kĩ thuật tự động hoá. Có thể nói, tự động hoá đã làm thay
đổi diện mạo nhiều ngành sản xuất, dịch vụ. ở nhiều nước đã xuất hiện những
nhà máy không có người, văn phòng không có giấy... Khắp nơi đã bắt gặp
những thuật ngữ như Thương mại điện tử, Chính phủ điện tử, Máy thông minh,
Thiết bị thông minh...
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật và công nghệ bán dẫn điện,
ngày nay Điện tử công suất đã giữ một vai trò quan trọng trong kỹ thuật điện
nói chung. Môn học Điện tử công suất đã trở thành môn học bắt buộc đối với
sinh viên các ngành kỹ thuật điện, Tự động hoá.
Điện tử công suất là công nghệ biến đổi điện năng từ dạng này sang dạng
khác trong đó các phần tử bán dẫn công suất đóng vai trò trung tâm.
Bộ biến đổi điện tử công suất còn được gọi là bộ biến đổi tĩnh (static
converter) để phân biệt với các máy điện truyền thống (electric machine) biến
đổi điện dựa trên nguyên tắc biến đổi điện từ trường. Điện tử công suất được

ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại. Có thể kể đến
các ngành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của các bộ biến
đổi bán dẫn công suất như truyền động điện, giao thông đường sắt, nấu luyện
thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ, các quá trình điện phân
trong công nghiệp hóa chất, trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng
khác nhau...Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn
công suất đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đến
việc chế tạo các bộ biến dổi ngày càng nhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng
ngày càng dễ dàng hơn.
Trong thời gian thực tập tại trường ĐHBK Hà Nội với nội dung :“ Thiết kế
nguồn DC-DC ổn dòng có điện áp đầu vào 24 V-DC, đầu ra có dòng điện I=350
(mA), P=7 W“. Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Trung Kiên đã hướng
dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành thực tập với kết quả tốt nhất.
Hà nội ,ngày 09 tháng 04 năm 2011.
Sinh viên thực hiện
Page 2
Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
Hà Thế Tài
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1. Tìm hiểu về nguyên lý ổn dòng của mạch buck converter.
* Nguyên lý làm việc của mạch buck converter.
U i n
1
2
R s
U o u t
1
2
M O S F E T
U 1

D 1
L 2
I N D U C T O R
Hình 1: mạch nguyên lý buck converter
*/ Buck converter là bộ biến đổi mà điện áp đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào hay
còn được gọi là bộ biến đổi giảm áp ( step-down converter). Hình 1 là sơ đồ
nguyên lý của buck converter, Mosfet hoạt động như một công tắc(van) nó đóng
cắt bằng xung điều khiển ( xung vuông ) với một bộ điều khiển tạo ra xung điều
khiển có tần số đóng cắt lớn cấp cho mosfet.Ở đây ta sử dụng bộ điều chế PWM
( Pulse Width Modutlation).
Gọi T là một chu kỳ chuyển mạch,t
1
là thời gian van đóng mạch (on-time) và
t
2
là thời gian van mở mạch ( off-time). T=t
1
+t
2
. Hệ số (giữa thời gian đóng
mạch ( on-time) và chu kỳ chuyển mạch T ) được gọi là chu kì nhiệm vụ ( duty
cycle). ( H2)
+/ trong khi on-time của van thì điện áp V
1
bằng V
in
, Điot D sẽ bị phân cực
ngược và khóa lại,khi đó dòng điện I
v
sẽ qua cuộn cảm và cuộn cảm L sẽ nạp

năng lượng ( giữ lại thành phần xoay chiều ) .Khi van off-time thì cuộn cảm L
phóng điện chống lại sự giảm đột ngột dòng điện trong mạch và tiếp tục dẫn
dòng điện đi qua tải ,đi qua R
s
và diode, kết quả điện áp V
1
bằng 0. Trong thời
gian van off-time thì điện áp V
1
bằng 0 nhưng dòng điện I
L
vẫn không giảm về
0.Đây được gọi là chế độ continuous mode.
+/ ở chế độ này điện áp ra phụ thuộc vào thời gian đóng và mở của van
Page 3
Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
V
out
= *V
in
+/ dòng điện qua cuộn cảm có dạng xung tam giác giá trị trung bình của nó
được xác định bởi tải. Độ dao động dòng điện I
L
= I
max
-I
min
,phụ thuộc vào L,
và nó có thể tính toán nhờ định luật Faraday.
V=L => ∆i= *V*∆t => ∆I

L
= (V
in
-V
out
)*t
1
= V
out
(T-t
1
)
Với V
out
= *V
in
và chọn tần số f cho chế độ continuous mode ta có :
∆I
L
= (V
in
-V
out
)* (*)
*/ tính toán giá trị cho cuộn cảm L
- tính chọn cuộn cảm có một vấn đề xảy ra là nếu chọn ∆I
L
rất nhỏ thì cuộn cảm
L phải có giá trị rất lớn để có độ đập mạch tốt. Và để tạo ra cuộn cảm có giá trị
lớn thì sẽ nặng và đắt. Nếu chọn ∆I

L
nhỏ thì dòng điện điều khiển đóng mostfet
sẽ rất lớn . Bởi vậy người ta thường lấy ∆I
L
=10%I
out.
L= ( V
in
-V
out
)*
Page 4
Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
Hình 2: đồ thị điện áp và dòng điện của mạch buck converter
+/ Để điều khiển sự đóng mở của van thì ta có nhiều cách tạo ra xung vuông
điều khiển nhưng thông dụng nhất và ta sử dụng ở đây đó là giữ nguyên chu kì
T và thay đổi thời gian mở xung t
1
.
+/ Nguyên tắc ổn dòng sử dụng buck converter là ta tạo ra thời gian đóng và
mở van ( hay độ rộng xung điều khiển vào mostfet) sao cho khi dòng điện tăng
cao vượt giá trị ngưỡng thì ta phải đóng van lại ngắt dòng điện qua van,khi đó
thì cuộn cảm L sẽ phóng điện qua tải (Load)và R
s
và điốt => dòng không tăng
lên mà cũng không giảm về 0. Khi dòng giảm xuống giá trị I
min
thì ta phải mở
van cho dòng điện qua van vừa nạp phần xoay chiều lên cuộn cảm và tăng dòng
điện không cho giảm quá giá trị ngưỡng. Để làm được điều này ta sử dụng IC

UC3842.
2.Tìm hiểu về IC UC3842
- Họ UC 1842/3/4/5 cung cấp tối ưu nhất cho các thiết bị off-line và cố định tần
số ở chế độ ổn định dòng điện ( current mode) của các bộ biến đổi DC to DC
với số phần tử ở mạch ngoài là ít nhất. Mạch bên trong có phần khóa khi dưới
điện áp, dòng khởi động nhỏ hơn 1mA, bộ so sánh sai lệch dòng điện.
Hình 3: sơ đồ cấu trúc IC UC3842.
Page 5
Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
*/ Các đặc tính cơ bản của UC3842
1. Tối ưu hóa cho ngoại vi và bộ biến đổi DC-DC.
2. Dòng khởi động thấp cỡ < 1(1mA)
3. Tự động cấp phản hồi bù.
4. Sẽ khóa với trễ khi chưa đạt điện áp
5. Tăng tải theo đặc tính đáp ứng
6. Triệt tiêu xung kép
7. Dòng cao khuếch đại ở đầu ra
8. Sai lệch cường độ dòng điện thấp
9. Hoạt động với tần số tới 500 KHz
- Họ UC384x có 3 loại : loại 8 chân ; loại 14 chân và loại 20 chân
Hình 4: sơ đồ kết nối các chân của họ IC UC384X
Page 6
Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
*/ Cấu trúc của UC3842 và chức năng của các chân
*/ Chân 1 :( COMP) chân 1 là chân nhận điện áp so sánh, điện áp chân 1 tỉ lệ
thuận với điện áp ra, thông thường thì ta không đấu trực tiếp điện áp phản hồi
mà đấu vào chân 2 qua một điện trở R.
Hình 5: sơ đồ mắc chân 1 và chân 2 của IC
*/ chân 2 :(VFB) đây là chân nhận điện áp hồi tiếp, có thể hồi tiếp so quang hoặc
hồi tiếp trực tiếp từ cuộn hồi tiếp sau khi đi qua cầu phân áp, điện áp hồi tiếp về

chân 2 tỷ lệ nghịch với điện áp ra, nếu một lý do nào đó làm điện áp đưa về
chân 2 tăng lên thì điện áp ra sẽ giảm thấp hoặc bị ngắt.
*/ Chân 3 ( CURRENT SENSE ) : chân cảm biến dòng, chân này theo dõi điện
áp ở chân S của đèn Mosfet, nếu dòng qua Mosfet tăng => điện áp chân S sẽ
tăng => điện áp chân 3 sẽ tăng, nếu áp chân 3 tăng đến ngưỡng khoảng 0,6V thì
dao động ra sẽ bị ngắt, điện trở chân S xuống mass khoảng 0,22 ohm , nếu điện
trở này tăng trị số hoặc bị thay trị số lớn hơn thì khi chạy có tải là nguồn bị ngắt.
Page 7
Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
-điện áp tối đa phản hồi về chân 3 là 1,1(V) thường ta tính 1 V
- chú ý đối với chân này ta mắc thêm mạch RC như hình vẽ để giảm dòng điện đi
vào chân 3 khi khởi động tăng quá cao.( Hình 7)
Hình 6: sơ đồ mắc chân 3 của IC
Hình 7: dạng sóng ở chân 3 khi không có R-C và khi có R-C.
*/ chân 4 : chân này nối với mạch tạo dao động R-C , điện áp cấp cho mạch dao
động này lấy từ chân 8 ( voltage reference 5 V), người ta thường đưa xung dòng
hồi tiếp về chân 4 để đồng pha giữa tần số dòng với tần số dao động nguồn, điều
đó đảm bảo khi sò dòng hoạt động tiêu thụ nguồn thì Mosfet nguồn cũng mở để
kịp thời cung cấp, điều đó làm cho điện áp ra không bị sụt áp khi cao áp chạy .
Page 8
Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
Hình 8: sơ đồ mắc chân số 4
*/ chân 5 : đây là chân nối đất ( mass)
*/ chân 6 : chân này là chân tạo ra xung điều khiển van ( xung vuông ), độ rộng
của xung có thể thay đổi được để phù hợp với yêu cầu của mạch.
Q 1
M O S F E T N
I s
U 1
U C 3 8 4 2

8
6
7
54
2
1
3
V R E F
O U T
V C C
G N DR T / C T
V F B
C O M P
I S E N S E
Hình 9: sơ đồ mắc của chân 6 vào mạch
*/ chân 7 : ( VCC) đây là chân nhận điện áp cung cấp cho IC khoảng từ : 20(V-
DC )đến 23 (V- DC). Điện áp cấp cho chân 7 ban đầu được mắc từ nguồn qua
một trở mồi. Khi mạch làm việc thì nó được cấp từ một cuộn phụ đã được chỉnh
lưu và lọc.
Page 9
Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
V c c
0
D 2
0
R 1
R
L O
D 3
U 1

U C 3 8 4 2
8
6
7
54
2
1
3
V R E F
O U T
V C C
G N DR T / C T
V F B
C O M P
I S E N S E
Hình 10: sơ đồ mắc cho chân 7
*/ chân 8 : đây là chân tạo ra điện áp chuẩn 5V cấp cho mạch dao động R-C và
khi điện áp cấp cho chân 7 không đủ thì mạch dao động có thể bị ngắt do điện
áp chân 8 tạo ra không đủ 5V ( H7). Người ta thường thiết kế mạch bảo vệ bám
vào chân 8 khi điện áp không đủ cấp hoặc có vấn đề gì xảy ra trên mạch thì điện
áp cấp cho chân 7 sẽ thay đổi trên hoặc dưới ngưỡng cho phép khi đó chân 8 sẽ
mất áp chuẩn 5 (V).
Page
10
Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
3.Thiết kế và tính toán mạch nguyên lý nguồn ổn dòng sử dụng IC UC3842
a. mạch nguyên lý nguồn ổn dòng điện áp vào 24 V-DC , dòng điện ra 350 mA.
Công suất 7 W.
0
R 5

C T
C 3
U i n
1
2
D 3
0
R 4
D 1
R 6
U 1
D 2
0
U o u t
1
2
R 3
0
R sM O S F E T
R 1
0
C 4
R T
0
R 2
U C 3 8 4 3
8
6
75
4

2
1
3
V R E F
O U T
V C CG N D
R T / C T
V F B
C O M P
I S E N S E
L 2
Hình 11 : Sơ đồ mạch nguyên lý nguồn ổn dòng sử dụng nguyên lý buck
converter được xây dựng trên cả lý thuyết và thực nghiệm
Với các thông số của mạch như sau :
R1=10KΩ; R2= 20 KΩ; R3=2 KΩ
R4= 10 KΩ ; R5=100 KΩ ;
R6= 1KΩ ; C3= 470pF
Page
11