Lý thuyết và tính toán mạch

Lời Mở Đầu Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, các thiết bị điện tử ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực Kinh tế-Xã hội, cũng như trong đời sống hằng ngày. Trong tất cả thiết bị điện tử nói chung thì vấn đề nguồn luôn là vấn đề cần phải quan tâm và xem xét cẩn thân, vì nó quyết định đến tính an toàn , ổn định và vận hành hiệu quả của hệ thống. Hầu hiết các thiết bị đều sử dụng nguồn 1 chiều được ổn áp cẩn thân. Khi tính toán thiết kế nguồn ổn áp cho một mạch điện tử thì ta có hai hướng thiết kế : một là thiết kế nguồn tuyến tính , hai là thiết kế nguồn xung. thì với trình độ phát triển của kỹ thuật hiện đại thì nguồn xung càng tỏ rõ được ưu thế vượt trội so với nguồn tuyến tính về hiệu năng, công suất, tính nhỏ gọn,… . Có rất nhiều mô hình nguồn xung để cho ta lựa chọn : mô hình nguồn xung kiểu Buck , mô hình nguồn xung kiểu Boost , hay mô hình nguồn flyback,… Đề tài này em chọn nguồn flyback để tìm hiểu, vì tính linh hoạt của nó, có thể tạo được nhiều đầu ra theo ý muốn, có thể thiết kế đầu ra tăng áp hay giảm áp tùy theo thiết kế mong muốn. Em xin cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Hồng Quang đã hướng dẫn giúp em hoàn thành đồ án này, do kiến thức bản thân còn hạn chế, nên có nhiều thiết xót, mong nhận được sự góp ý của thầy và các bạn.Em xin chân thành cảm ơn. MỤC LỤC I.LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TOÁN MẠCH Lý thuyết về mạch nguồn Flyback……..………………………………........................... Chế Độ Liên Tục………………………………………………………………………………………. Chế Độ Gián Đoan…………………………………………………………………………………… Thiết kế Mạch Flyback……………………………………………………... 2.1. Nhiệm Vụ Thiết Kế……………………………………………………………………………………. 2.2. Tính Toán Phần Mạch Lực…………………………………………………………………………… 2.3. Tính Toán Phần Mạch Điều Khiển………………………………………………………………….. Mô phỏng………………………………………………………………….... II.Kết quả đạt được và phân tích lỗi Mô tả chi tiết các vấn đề gặp phải, cách giải quyết, có thể bao gồm mọi hình ảnh để minh họa……………………………………………………………………………………………………… III.Kiến nghị để dự án có thể mở rộng Đưa ra các ý kiến đóng góp cho dự án có thể được mở rộng trong tương lai, giúp sinh viên có thể hoàn thiện hơn thiết kế này……………………………….................... IV. Kết Quả. V. Tài liệu tham khảo. I. LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TOÁN MẠCH 1. Lý thuyết về mạch nguồn Flyback. Mô hình nguồn flyback thường dùng có dạng như hình dưới. Hình 1: Mô hình Flyback Tuy nhiên khi phân tích ta giả sử biến áp là biến áp lý tưởng và năng lượng từ trườngtrong nó được mô tả bằng cuộn cảm Lm như hình vẽ dưới : Hình 2: Mô hình biến áp xung Nguyên lý hoạt động của mạch flyback được mô tả như hình dưới : Như hình vẽ ta thấy nó gồm : 1 MOSFET công suât hoạt động như một khóa đóng cắt,1 điode công suất, môt tụ lọc ngõ ra C, một biến áp xung, có nhiệm vụ cách ly đầu vào và đầu ra, và tích lũy năng lượng từ trường. Mạch nguồn flyback thường dùng cho các bọ nguồn có công suất từ 20W đến 200W. nó có hai chế độ hoạt động : CCM (dòng liên tục) và DCM (dong gián đoạn). sau đâu ta sẽ phân tích qua từng chế độ một. Hình 3: Nguyên lý hoạt động 1.1. Chế độ dòng điện liên tục (CCM). a. xét trong khoảng thời gian 0<t<DT. MosFet đóng và Diode khóa như trên Hình 3_a, dạng sóng của dòng điện và điện áp như trên Hình 4. -điện áp hai đầu diode là : ; dòng qua diode và cuộn thứ cấp à dòng điện sơ cấp : - điện áp hai đầu cuôn cảm Lm là : . từ đó ta xác định được dòng chẩy qua cuộn cảm Lm và khóa MOSFET là : (ở đây là dòng chẩy qua cuộn cảm ở thời điểm t=0 ). Từ đó ta tính được dòng điện lớn nhất chẩy qua cuộn cảm và khóa MOSFET là : . Và giá trị dòng điện đập mạch : Hình 4: Giả sử hiệu xuất là : , từ đó ta có mỗi quan hệ giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra là : -điện áp hai đầu diode là : à điên áp cực đại trên diode . - dòng điện đỉnh chẩy qua MOSFET là : à dòng điện đỉnh cực đại chẩy qua MOSFET là : b. xét trong khoảng thời gian TD < t < T. Trong khoảng thời gian này MOSFET khóa, diode dẫn (hình vẽ 3_b). -khi đó điện áp hai đầu diode bằng 0, dòng chẩy qua chuyển mạch MOSFET bằng 0; -điện áp hai đầu cuộn cảm Lm là : à dòng chẩy qua cuộn cảm Lm là : -ta có : dòng chẩy qua cuộn sơ cấp biến áp là : = à dòng chẩy qua diode thứ cấp là : Ta có : à điện áp cực đại đặt lên MOSFET : . -dòng điện đỉnh chẩy qua diode là : à dòng điện đỉnh cực đại chẩy qua diode là : Cần chú ý rằng trong chế độ liên tục này, giữa điện áp vào và điện áp ra có một mối quan hệ: c. Biên giới giữa hai chế độ CCM và DCM. Hình 5: Mô tả mạch Flyback ở biên giới giữa chế độ CCM và DCM Hình vẽ trên mô tả dạng sóng dòng điện ở biên giới giữa hai chế độ CCM và DCM. Từ đó ta dễ dàng tính được dòng điện qua cuôn cảm Lm: với : à à . -từ dó ta có dòng 1 chiều chẩy qua cuộn cảm ở ranh giới giữa 2 chế độ DCM và CCM là : à năng lượng tích trữ trong cuộn cảm ơ chế độ này là : à công suất đầu ra : Mắt khác ta có : . 1.2. Chế độ dòng gián đoạn. a. Xét trong khoảng thời gian 0<DT<T. Mosfet mở và điode khóa như trên hình 3_b, dạng song của dòng điện và điện áp như trên hình 5. Dòng điện chay qua diode là id=i2=0,  -> dòng điện sơ cấp là: điện áp 2 đầu cuộn cảm là . từ đó ta xác định được dòng điện chảy qua cuộn cảm và qua Mosfet là àdòng điện max chảy qua cuộn cảm và Mosfet là: điện áp thứ cấp MBA là: điện áp hai đầu Diode là: Hình 5: dạng sóng dòng điện và điện áp mạch nguồn flyback chế độ gián đoạn (DCM) b. Xét trong khoảng DT < t < (D+D1)T . Trong khoảng thời gian này Mosfet khóa còn Diode mở , khi đó dòng chảy chuyển mạch Mosfet bằng 0, và điện áp 2 đầu diode bằng 0. Khi đó điện áp 2 đầu cuộn cảm và cuộn sơ cấp MBA là: từ đó dòng chảy qua cuộn cảm là: dòng đỉnh cực đại chảy qua cuộn cảm là: dòng điện chảy qua cuộn sơ cấp MBA là: dòng điện chảy qua cuộn thứ cấp MBA là: dòng đỉnh cực đại chảy qua diode là: do: , à điện áp đỉnh cực đại chảy qua Mosfet là: với: c. khoảng thời gian : . Trong khoảng thời gian này cả Diode và Mosfet đều khóa. Khi đó dòng điện chảy qua cuộn thứ cấp va Diode là: Và dòng điện chảy qua Mosfet và cuộn sơ cấp là: Khi đó dòng qua cuộn cảm là . suy ra v1 = 0 = v2 , diện áp qua Mosfet là , Và điện áp 2 đầu điode là Thiết Kế Mạch Flyback. 2.1. Nhiệm Vụ Và yêu Cầu Thiết Kế. Flyback là một dạng của mạch nguồn xung được dùng phổ biến nhất hiện nay, với ưu điểm là hiệu xuất chuyển đổi rất cao (từ 75-85%, thậm chí còn hơn ), ngoài ra nó còn cho phép thiết kế với nhiều đầu ra khác nhau và có cực tính khác nhau. Yêu cầu thiết kế : bài này em sẽ thiết kế mạch flyback với dải điện áp đầu vào là 15-32V (nguồn láy từ sạc laptop), và yêu cầu là ổn định áp đầu ra ở 5V, và dòng tối đa cung cấp là 1A. - từ yêu cầu bài toán, chế độ làm việc của mô hình flyback sẽ được lựa chọn trong đề tài này là chế độ không liên tục vì : +giảm được kích thước của biến áp xung. +Lm nhỏ, do đó giảm được điện áp ngược tác động lên MOSFET, không phải chế tạo mạch khóa diode, do đó đơn giản trong công việc thiết kế hơn. + đá ứng nhanh với thay đổi đầu ra. + tuy nhiên nhược điểm của chế độ không liên tục là gai điện áp đầu ra lớn, tuy nhiên do đề tài mang tính chất tìm hiểu, do đó có thể chấp nhận và khắc phục được bằng tụ lọc đầu ra. 2.2. Tính Toán Phần mạch Lực. Sơ đồ nguyên lý mạch DC-DC Flyback Converter như hình dưới. Như trên sơ đồ ta thấy, phần mạch được chia thành 2 phần là phần lực và phần điều khiển. sau đây ra sẽ đi tính toán chi tiết từng thành phần cho mạch flyback. a. tính toán và chọn MOSFET và diode. Ta gọi là hàm thể hiện mối quan hệ giữa áp đầu ra và áp đầu vào. theo như yêu cầu bài toán : và đầu ra Vo 15V, do đó ở chế độ định mức, ta có thể tính được max và min như sau: Như đã phân tích ở trên thì ta thấy, ở chế độ không liên tục thì nên có môt khoảng thời gian để cả MOSFET và DIODE đều khóa, và theo như kinh nghiệm thì khoảng thời gian này thường lấy là 0.2T. giả sử Dmax = 0.4, khi đó ta có thể tính toán tỷ số vòng dây cuộn sơ cấp và thứ cấp theo công thức sau: = 2.33 à chọn n=2.5 (chú ý là n là tỷ số số vòng dây cuộn sơ cấp và thứ cấp của biến áp xung). Chọn tần số đóng cắt : f = 10Khz. Từ đó ta có thể tính giá trị max của Lm để mạch hoạt động ở chế độ DCM như sau: = 306 uH. à chọn Lm = 300uH. Từ đó ta có thể tính toán lại giá trị Dmax và Dmin như sau: = 0.1875 = 0.3961 Dòng đỉnh cực đại chẩy qua MOSFET và Diode có thể tính toán được theo công thức sau: = 1.9808 A = 4.95 A Và điện áp ngược cực đại đặt lên MOSFET và Diode có thể tính được như sau : = 45 V = 18 V Do vậy ta có thể chọn MOSFET là IRFZ530N và diode là diode shottky U860 (chọn diode xung cho phép I lớn hơn 5A ). Tính toán tụ lọc đầu ra: giả sử mong muốn điện áp đập mạch đầu ra 300mV. Khi đó ta tính được giá trị của tụ C cần thiết theo công thức sau: = 622.67uF, thật ra tụ C chọn càng lớn càng tốt, ngoài thị trường có tụ 1000uF/50V. do đó tụ C chọn có giá trị 1000uF/50V. b. Tính toán mạch bảo vệ snubber cho MOSFET . như ta biết thì khi MOSFET đóng đột ngột thì dòng qua nó giảm rất nhanh, và trong mạch có cuộn cảm , do đó mà điện áp ngược đặt lên MOSFET sẽ rất lớn và có thể làm hỏng MOSFET, do đó ta cần phải có mạch bảo vệ mosfet: Giả sử ta gọi Vmt là điện áp cực đại “mong muốn” đặt lên mosfet. Do đó ta cần phải có ( tra trong datasheet của IRFZ530N thì ta có = 100) à Chọn = 80V. Có một đại lượng ta cần quan tâm tới khi đóng cắt mosfet là điện cảm “giò” của biến áp, ta gọi là : Lk. Thông thường Lk thường lấy là 0.3Lm (nếu thiết kế biến áp xung tốt thì Lk = 0.1Lm hoặc nhỏ hơn nữa). = 3uH. àcông suất max tiêu tán trên điện trở Rs của mạch snubber là : = 0.161 w . Điện áp rơi trên điện trở Rs (mạch snubber) là Vs = Vt-Vin = 48V -- > = 5.6 kohm àchon điện trở Rs là 15k/0.25W Tụ điện mạch snubber được xác định nhờ vào công thức sau : = 17857,14 pF àchọn tụ điện là 20pF, tương ứng là 3 con 104 ghép song song với nhau. Biến trở RV1 trong mạch có nhiệm vụ tạo phân áp để phản hồi điện áp về khối mạch điều khiển, để đỡ lãng phí công suất trên RV1 thì ta chon RV1 là biến trở 50K. c. Tính toán biến áp xung. Để chọn được kiểu lõi ferit sẽ dung thì ta dung công thức sau để áng chừng kiểu loi: tương ứng là diện tích vùng lõi quấn, và diện tích cung cấp để ta quấn dây. Hai thông số này cho ở catalog của lõi ferit. Po là công suất đầu ra. Dcma lấy 250 mA F la tần số đóng cắt. là cảm ứng điện từ bão hòa . lấy là 150 Guass K là hệ số phụ thuộc mạch : đối với flyback lấy là 0.00025 ; và là hiêu xuất của mạch. (ngoài ra để chọn lõi ferit thì ta có thể dựa vào công suất ngõ ra yêu cầu mà linh hoạt chọn lựa cho phù hợp). Hiện tại mình có lõi EE25, tính toán ra thì nó đáp ứng khá tốt chỉ tiêu của công thức trên. Để tính số vòng dây thì ta dựa vào công thức sau : = 42.56 --> chọn số vòng cuộn sơ cấp là 43 vòng. -->số vòng cuộn thứ cấp là 18 vòng. Để tính kích thước lõi dây thì ta phải tính dòng điện hiệu dụng chậy qua biến áp. = 0.7198 A Giả sử mong muốn mật độ dòng điện là 5A/mm2 -- >đường kính lõi dây quấn cuộn sơ cấp là 40mm. Tính toán tương tự ta tính chọn đường kích lõi thứ cấp là 40mm, nhưng là 2 sợi dây. 2.3. tính toán phần mạch điều khiển. a. tìm hiểu về IC TL494. Hình dạng của chip TL494 : Sơ đồ khối của IC Tl494 được mô tả như hình dưới : Chức năng của các chân được mô tả như sau (so sánh với sơ đồ khối để dễ hiểu): -Pin 5 và Pin 6 : đây là 2 chậy tạo dao động xung rang cưa, bằng cách mắc thêm điện trở và tụ để tạo ra xung rang của có tần số : Ta có đồ thị đặc tính sau để chọn R và C -PIN 4 : chân thiết lập chế độ khởi động mềm , nó giúp mạch ổn định khi khởi động -Pin 1 và Pin 2: đây tương ứng là đầu vào đương và âm của mạch so sánh mà ta dung để phản hồi đầu ra về để điều khiển. - Pin15 và Pin 16 : hai chân này có chức năng tương tự Pin 1 và Pin 2, nó nhằm mục đính giới hạn dòng cho mạch nguồn. tuy nhiên trong đề tài này để đơn giản thì ta tạm ko dung chức năng này, do đó hai chân này sẽ được nối tương ứng với hai chân 1 và 2. - Pin3 : chân phản hồi, như ta biết thì mạch OPAM có hệ số khuếch đại rất lớn, nó có thể làm mất ổn định mạch nguồn, do đó để đk được mạch nguồn thì ta cần phải điều khiển được hệ số khuếch đại của OPAM. - Pin 7 và Pin 12 tương ứng là 2 chân nối đất và cấp nguồn cho TL494. -Pin 14 : đây là chân tạo điện áp chuẩn 5V. - Pin 8, Pin 9, Pin 11 và Pin 10: đây tương ứng là các chân C và E của transistor BJT. Từ sơ đồ khối trên ta có thể lựa chọn linh hoạt để được điều khiển cần thiết như mong muốn. Thông thương thì transistor NPN thì cực E được nối đất, và dung cực C để điều khiển (cực C trong trường hợp này là ở trạng thái cao trở.), do đó khi dung ta phải dùng thêm 1 điện trở kéo lên Vcc b. tính chọn thông số cho mạch điều khiển. - tính chọn tần số : chọn R = 10k , thày vào công thức =10kHz -> C = 0.01uF -> chọn tụ gốm 103. -tính chọn mạch phản hồi : thật ra mạch phản hồi trong bài toán chọn có dạng Theo mô hình mạch phản hồi trên ta dễ dàng xác định được biểu thước đầu ra của OPAM theo Vo như sau : gọi Kpa là hệ số phân áp , gọi điện áp đầu ra của OPAM là Vcut. Khi đó ta có biểu thức sau: . Giả sử ta có đầu vào Vin =32V -> D= 0.1857 . Để đơn giản thì ta chọn Kpa = 2. Hệ số khuếch đại thì ta đặt nhỏ, khi chậy mạch thì tăng hệ số khuếch đại lên dần. Mô Phỏng. Kết quả mô phỏng bằng PSIM được minh họa ở hình vẽ dưới, đầu ra đáp ứng khá tốt khi thay đổi tải. Sơ đồ nguyên lý mạch vẽ trên PSIM Đáp ứng đầu ra với tải 1A Đáp ứng đầu ra với tải 0.2A II. Kết Quả Đạt Được Và Phân Tích Lỗi. Sau đề tài này thì chúng em đã làm quen với công việc thiết kế, và đặc biệt là thiết kế mạch nguồn xung. từ đó có khả năng tự tìm hiểu và xây dựng các mô hình mạch nguồn xung thực tế thông dụng khác nữa như là : buck converter, boots converter, …. Bài thiết kế có khó khan ở chỗ, do chỉ dùng bộ điều khiển P đơn thuần và hệ số khuếch đại được tìm theo phương pháp dò, mất khá nhiều thời gian và ngoài ra chọn không cẩn thận thì mạch dễ dẫn đến trạng thái mất ổn định. III. Kiến Nghị Mở Rộng Đề Tài. Sau khi hoàn thành đề tài này thì ta có thể có một vài hướng mở rộng đề tài như sau: + Việc tìm kiếm một đầu vào DC đôi khi khá tốn kém, do đó ta có thể nghĩ đến hướng là lấy trực tiếp từ nguồn 220Vac, sau đó cho qua mạch chỉnh lưu để được áp DC, sau đó đưa vào mạch flyback. + Để cho linh hoạt cho các ứng dụng cần các đầu ra khác nhau, ví dụ cấp cho động cơ, cấp cho vđk, … thì ta có thể chế tạo để cho phép có nhiều đầu ra mong muốn. + Trong đề tài chưa tính đến việc bảo vệ quá dòng, do đó ta có thể mở rộng cho bài toàn chống quá dòng. Và mô hình điều khiển theo chế độ phản hồi dòng điện cũng là một bài toán để ta mở rộng cho mạch flyback. + Trong bài chỉ sử dụng bộ điều khiển P đơn thuần, và hệ số khuếch đại là do ta thay đổi trong thực nghiệm, khá mất thời gian, do đó để rút ngắn thời gian và được chất lượng tốt hơn thì ta nên mô hình hóa mạch flyback trước khi xây dựng bộ điều khiển. IV. Kết Quả. Sơ đồ mạch nguyên lý vẽ trong Altium designed : Sơ đồ mạch in vẽ trong Altium designed : Mạch thi công. Danh sách linh kiện. V. Tài Liệu Tham Khảo. 1. Pulse-width Modulated DC-DC Power Converters -Wiley 2008. 2. Transformer design example. 3. Switch Mode Power Supply (SMPS) Topologies_MicroChip_Part1 Switch Mode Power Supply (SMPS) Topologies_MicroChip_Part2 4. web : ti.com. microchip.com. reseach key : designed power supply flyback ,…