BÁO cáo đồ án 1 tên đề tài MẠCH BUCK SYNCHRONOUS DC DC

Bộ chuyển đổi chế độ đã chuyển đổi có thể được tìm thấy trong bộ nguồn và mạch sạc pin cho máy tính, dụng cụ điện, tivi, máy tính bảng, thông minh điện thoại, ô tô và vô số thiết bị điện

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG HÀNG KHÔNG

Thành phố Hồ Chí Minh – 5/2022

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIẸT NAM

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG HK

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN 1

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN ĐÌNH CHIẾN

MSSV: 1953020078

Lớp: 19ĐHĐT02

1 Tên đồ án môn học: Mạch BUCK SYNCHRONOUS DC-DC

2 Nhiệm vụ của đồ án: Sử dụng mạch trong việc biến đổi điện áp dòng điện

3 Ngày giao đồ án môn học: ……/……/……

4 Ngày hoàn thành đồ án môn học: ……/……/……

5 Họ tên người hướng dẫn: Thầy Nguyễn Hữu Châu Minh

T/p Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Phần đánh giá:

 Ý thức thực hiện:

 Nội dụng thực hiện:

 Hình thức trình bày:

 Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

(Quy định về thang điểm và lấy điểm tròn theo quy định của trường)

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI NÓI ĐẦU

Bộ chuyển đổi nguồn chế độ chuyển đổi rất nổi bật trong ngành công nghiệp ngày nay và cung cấp các giải pháp hiệu quả cao để ứng dụng rộng rãi

Bộ chuyển đổi chế độ đã chuyển đổi có thể được tìm thấy trong bộ nguồn và mạch sạc pin cho máy tính, dụng cụ điện, tivi, máy tính bảng, thông minh điện thoại, ô tô và vô số thiết bị điện tử khác Một trong những bộ chuyển đổi phổ biến nhất cho người tiêu dùng ngành công nghiệp điện tử là bộ chuyển đổi bước xuống DC: DC, cũng được gọi là bộ chuyển đổi buck

Bộ chuyển đổi buck đồng bộ được sử dụng để bước một điện áp từ cấp cao hơn xuống cấp thấp hơn Với ngành chuyển sang các nền tảng hiệu suất cao hơn, hiệu quả của bộ chuyển đổi điện là rất quan trọng Thiết kế của sức mạnh

bộ chuyển đổi phải được tối ưu hóa để tối đa hóa hiệu suất và để đáp ứng yêu cầu của khách hàng Bởi vì điều này, nó là quan trọng là hiểu các nguyên tắc

cơ bản của bộ chuyển đổi buck đồng bộ và cách chọn thích hợp

các thành phần mạch

Do tính khả dụng rộng rãi của tính năng tích hợp cao Thiết bị chuyển đổi

chế độ chuyển DC sang DC, thiết kế hệ thống các kỹ sư không còn phải nỗ

lực nhiều vào thiết kế của bộ chuyển đổi công suất thấp cho nhiều ứng dụng Tuy nhiên, phân tích có thể cho phép nhà thiết kế hệ thống thực hiện hắc chắn rằng một bộ điều chỉnh chuyển mạch IC đang được sử dụng đầy đủ khả năng

Thiết kế mạch buck không quá phức tạp nhưng vẫn đạt được hiệu suất chuyển đổi cao và đảm bảo ổn định luôn là mục tiêu của công trình nghiên cứu

3 Nội dung nghiên cứu

Báo cáo gồm 5 chương:

• Phân tích nhiệm vụ

• Tổng quan về mạch buck sync

• Tính toán mạch lực

2

• Thi công và lắp ráp

• Kết quả thực nghiệm và nhận xét kiến nghị

4 Phương pháp nghiên cứu:

Tham khảo , tìm hiểu kiến thức qua internet và các tài liệu sách vở, các bài luận văn về liên quan đến đề tài

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về mạch buck synchronous DC-DC

Q1, MOSFET phía cao, được kết nối trực tiếp với điện áp đầu vào của mạch Khi Q1 bật, dòng điện là cung cấp cho tải thông qua MOSFET phía cao Suốt trong lúc này, Q2 tắt và dòng điện qua cuộn cảm tăng, sạc bộ lọc

LC Khi Q1 tắt, Q2 bật và dòng điện được cung cấp cho tải qua mức thấp MOSFET bên Trong thời gian này, dòng điện qua cuộn cảm giảm, xả bộ lọc

LC Mặt thấp MOSFET cung cấp một chức năng bổ sung khi cả hai MOSFET

đã tắt Nó kẹp điện áp nút chuyển đổi thông qua diode cơ thể để ngăn VSW đi

âm quá xa khi bóng bán dẫn phía cao lần đầu tiên tắt

2.1.3 Dạng sóng dùng trong mạch hạ áp đồng bộ

Hình dưới cho thấy các dạng sóng cơ bản cho đồng bộ bộ biến đổi buck ở chế độ dẫn liên tục Tổng số sự thay đổi trong dòng điện dẫn được gọi là đỉnh-đến-đỉnh dòng điện dẫn, IL Điện áp nút chuyển đổi được làm mịn ra bởi giai đoạn đầu ra LC để tạo ra một Điện áp DC ở đầu ra Các MOSFET được kiểm soát đồng bộ để ngăn chặn bắn xuyên qua Bắn qua xảy ra khi MOSFET bên cao và bên thấp đều đồng thời, cung cấp một đường ngắn

4

MOSFET bên cao về thời gian xác định nhiệm vụ chu kỳ của mạch, và được xác định trong công thức:

Nếu chu kỳ làm việc, D, bằng 1 thì cạnh cao MOSFET bật 100% thời gian

và điện áp đầu ra bằng điện áp đầu vào Chu kỳ nhiệm vụ 0,1 có nghĩa là MOSFET bên cao chiếm 10% thời gian, tạo ra một điện áp đầu ra xấp xỉ 10% điện áp đầu vào

2.1.4 Ƣng dụng

Bộ chuyển đổi nguồn chế độ buck rất nổi bật trong ngành công nghiệp ngày nay và cung cấp các giải pháp hiệu quả cao để ứng dụng rộng rãi Bộ chuyển đổi chế độ đã chuyển đổi có thể được tìm thấy trong bộ nguồn và mạch sạc pin cho máy tính, dụng cụ điện, tivi, máy tính bảng, thông minh

5

điện thoại, ô tô và vô số thiết bị điện tử khác Một trong những bộ chuyển đổi phổ biến nhất cho người tiêu dùng ngành công nghiệp điện tử là bộ chuyển đổi DC: DC, cũng được gọi là bộ chuyển đổi buck đồng bộ

2.2 Các khái niệm lý thuyết liên quan đến vấn đề nghiên cứu

2.2.1 Phần điều khiển mạch hạ áp đồng bộ (control)

* Khái niệm: Trong mạch này chúng ta cần một phần mạch để điều khiển nhằm thay đổi được điện áp đầu ra bằng cách điều chế xung, điều chỉnh độ rộng xung và sử dụng thêm các ic điều khiển FET để thay đổi được biên độ của xung giúp cho FET hoạt động một cách hiệu quả nhất

2.2.2 Các thành phần cấu tạo nên bộ điều khiển

a Arduino ONO R3:

Nhiệm vụ của Arduino ONO R3 là để điều chế xung với một tần số mong muốn để kết nối với IC điều khiển FET IR2112

Một vài thông số chính

Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động 16 MHz

Dòng tiêu thụ khoảng 30mA

Điện áp vào khuyên

Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Các chân năng lượng

 GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi

bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau

 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA

 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là

50mA

cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

 IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể

được đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn

 RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương

đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

b IC điều khiển FET IR2112:

7

IR2112 là một IC điện áp cao, điều khiển MOSFET và IGBT Có các kênh đầu ra tham chiếu high-side và low-side độc lập với điện áp ngưỡng 600 V Tính năng Bootstrap giúp nó tương thích với các ứng dụng của bộ điều khiển high-side

Ngoài ra, có đầu vào Schmitt Trigger tương thích với đầu ra chuẩn công nghệ CMOS và LSTTL IR2112 về cơ bản là một IC điều khiển high-side và low-side với dải điện áp từ 10V đến 20V Hơn nữa, nó ứng dụng cho mạch yêu cầu điều khiển cả high-side và low-side, ví dụ, mạch điều khiển nửa cầu (half-bridge) và toàn cầu (full-bridge)

1 LO Đầu ra điều khiển cực Gate low-side

2 COM Chân COM điều khiển low-side

3 VCC Điện áp cấp cho bộ điều khiển điện áp thấp và giá trị phải

nằm trong khoảng từ 10V đến 20V

4, 8,

14 NC Không kết nối cho các chân này và không sử dụng

5 VS Tín hiệu trả về floating low-side

8

6 VB Tín hiệu floating high-side

7 HO Đầu ra điều khiển cực Gate điều khiển high-side

9 Vdd

Nguồn cấp điện áp và giá trị nằm trong phạm vi từ + 3V đến + 20V tham chiếu giá trị với mass hoặc Vss Ở điều kiện hoạt động bình thường, chúng ta nên sử dụng +5V

10 HIN Tín hiệu logic đầu vào pha cho đầu ra cực Gate điều khiển

high-side

11 SD Tín hiệu đầu vào để shut-down

12 LIN Tín hiệu logic đầu vào pha cho đầu ra cực Gate điều khiển

low-side

13 Vss Chân nối đất của mạch

IC có thể được sử dụng để điều khiển cả Mosfet và IGBT Các IC này thường

sử dụng trong các mạch điều khiển nữa cầu (half-bridge) để chuyển mạch các Mosfet Có thể sử dụng cho các ứng dụng có tần số cao do có độ trễ lan truyền thích hợp Các ứng dụng điện áp cao để chuyển mạch bật tắt các Mosfet công suất sử dụng đầu vào có điện áp thấp

c Sơ đồ mô phỏng cho phần mạch điều khiển

9

*Giai thích sơ đồ mạch:

+Xung pwm được tạo ra trên Arduino ono r3 với tần số 31372hz được xuất ra chân 3 và chân 11 nhưng hai xung này ngược pha nhau

+Xung từ arduino được kết nối với IC IR2112 và khi xung được xuất ra từ IC

IR 2112 biên độ sẽ được tăng lên nhằm mục đích làm cho MOSFET làm việc với đúng công suất

+ Cấp nguồn cho IC với nguồn DC khoảng 10-19v thì sẽ phù hợp với việc kết nối điều khiên MOSFET, cấp nguồn cho IC bao nhiêu thì khi xung được xuất

ra sẽ có biên độ xấp xỉ với nguồn DC cung cấp cho IC

* Ta quan sát dạng sóng vào và ra của IC 2112 sau khi kết nối với Arduino:

Từ dạng sóng ta quan sát được thì ta kết luận được phần mạch điều khiển MOSFET vô cùng quan trọng đối với mạch giảm áp đồng bộ

2.2.3 Phần mạch chính

a Khái niệm và sơ đồ mạch mô phỏng

Về phần mạch chính được kết nối với phần mạch điều khiển Phần mạch chính này được cấu tạo để nhận xung từ phần mạch điều khiển để giảm áp đồng bộ với điện áp vào giao động trong khoảng từ 2 đến 15 V

* Ta có sơ đồ nguyên lý như sau:

10

* Giải thích sơ đồ mạch : điện áp được cung cấp vào từ khoảng 2V đến 15V

DC , các MOSFET được kết nối với phần mạch phụ để nhận xung PWM từ phần mạch điều khiển Cạnh các MOSFET được gắn thêm điện trở và tụ điện nhằm cản trở và tiêu tán điện áp dội ngược khi các MOSFET làm việc Cuộn cảm có tác dụng thay đổi điện áp của mạch điện và gây ra cộng hưởng Tụ điện (C2) có tác dụng ổn định điện áp cho mạch

b Giới thiệu về các linh kiện và các thông số quan trọng

* MOSFET IRF3205

IRF3205 là một transistor MOSFET có khả năng điều khiển tải lên đến 110A với điện áp tối đa là 55V Nó là một transistor kênh N gói TO-220 Transistor này có thể được sử dụng cho cả mục đích công tắc và khuếch đại

Nó là một transistor chuyển mạch tốc độ cao do đó có thể được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao chuyển tải từ nguồn đầu vào này sang nguồn đầu vào khác và điện áp tối thiểu yêu cầu cho độ bão hòa là 2V đến 4V Nó

11

cũng có thể điều khiển tải lên đến 390A ở chế độ xung Hơn nữa, khi được sử dụng như một bộ khuếch đại, nó có khả năng cung cấp tối đa 200W do đó nó cũng là một transistor lý tưởng để sử dụng trong các bộ khuếch đại âm thanh công suất cao

Tính năng / Thông số kỹ thuật

 Loại gói: TO-220

 Loại transistor: Kênh N

 Điện áp tối đa từ cực cống đến cực nguồn: 55V

 Điện áp tối đa từ cực cổng đến cực nguồn phải là: ± 20V

 Dòng xả tối đa liên tục là: 110A

 Dòng xả tối đa xung là: 390A

 Công suất tiêu tán tối đa là: 200W

 Điện áp tối thiểu cần thiết để dẫn điện: 2V đến 4V

 Nhiệt độ lưu trữ và hoạt động phải là: -55 đến +170 độ C

Sơ đồ chân

Hướng IRF3205 phía trước mặt thì sơ đồ chân theo thứ tự từ trái qua phải lần lượt là: chân 1 (chân cổng G), chân 2 (chân máng D), chân 3 (chân nguồn S)

13

Cuộn cảm (hay cuộn từ, cuộn từ cảm) là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo từ một dây dẫn điện với vài vòng quấn, sinh ra từ trường khi có dòng điện chạy qua Cuộn cảm có một độ tự cảm (hay từ dung) L đo bằng đơn

vị Henry (H)

Ở trong mạch này cuộn cảm được dùng có thông số 140 UF có tác dụng thay

đổi điện áp và và gây ra cộng hưởng cho mạch

 Loại: Điện dung cố định

- Tầm quan trọng : giup ổn định điện áp ra của mạch hạ áp

+ Tụ điện 470 Pf :

-Thông số:

PHẦN II NỘI DUNG VÀ KẾT

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN MẠCH LỰC 3.1 Sơ bộ về mạch hạ áp BUCK SYNC DC-DC

Mạch hạ áp đồng bộ được cấu tạo khá là phức tạp, vì là hạ áp đồng bộ nên khối nguồn cung cấp cho phần mạch điều khiển và phần mạch chính là riêng biệt hoàn toàn

Trên thiết kế ta chia làm hai phần mạch chính là:

+ Phần mạch điều khiển ( CON TROL)

+ Phần mạch chính( phần mạch hạ áp)

* Ta có sơ đồ mô phỏng như sau:

15

3.2 Thiết kế và tính toán cho phần mạch điều khiển

3.2.1 Tổng quan về phần mạch điều khiển

Phần mạch này là phần mạch tạo xung PWM nên ta chọn ARDUINO ONO R3 để thiết kế ra một tần số xung và duti cycle có thể thay đổi

Xung xuất ra sẽ được chuyển đổi qua IC điều khiển FET nhằm thay đổi được biên độ của xung mà ta thiết kế ở ARDUINO ONO R3, tần số sẽ vẫn được giữ nguyên

* Sau đây là sơ đồ thiết kế:

Các thành phần: arduino , biến trở , ic IR212 , nguồn cung cấp cho arduino

16

- Sử dụng Timer 2 trên arduino để lập trình: Tạo ra tần số 31372 Hz

- Tạo ra hai xung có biên độ và chu kỳ bằng nhau nhưng ngược pha nhau vì trên mach 2 MOSFET làm việc theo chu kỳ ngược nhau

Bước 2: Viết chương trình điều chế xung

3.2.3 Điều chế biên độ xung

Trong mạch hạ áp đồng bộ MOSFET khi làm việc cần một tần số xung rất lớn nhưng điều đó vẫn chưa đủ mà cần phải có một biên độ xung phù hợp Arduino UNO chỉ xuất xung với biện độ 5V nên ta cần điều chế ra một biên

độ xung lớn hơn khoảng 10-15V là phù hợp với mạch giảm áp đồng bộ

Để có được những yếu tố trên thì chọn một IC điều khiển FET và IC được chọn để phù hợp là IC IR2112

*Sau đây ta có kết quả mô phỏng từ mạch điều khiển :

17

Sau khi xung được đi qua IC điều khiển thì ta thấy biên độ đã được tăng lên , biên độ xung bằng với điện áp mà ta cấp cho IC , hình dưới là kết quả mô phỏng

*Nhận xét: chỉ cần ta cấp nguồn cho IC bằng bao nhiêu thì khi xung xuất ra

có biện độ bằng với điện áp đã cấp

3.2.4 Kết quả thiết kế phần mạch điều khiển

• Tần số xung : 31372 HZ

• Biên độ xung là:15V

• Và ta có thể điều khiển được duti cyle

3.3 Thiết kế và tính toán cho phần mạch chính ( phần mạch hạ áp)

3.3.1 Tổng quan về phần mạch chính

Sau khi điều chế xung thì phần mạch này là phần tiếp nhận xung để hạ áp

MOSSFET Q1 và Q2 có chu kỳ làm việc trái ngược nhau và xung được đưa vào ngược pha nhau

* Ta có sơ đồ mô phỏng :

18

3.3.2 Cơ sở lý thuyết cho việc tính toán :

* Ta có công thức tính DUTI CYCLE :

D=

=

= Ton * Fsw

=> L = ( )

Mà IL=( )

*Lựa chọn tụ điện đầu ra:

Việc lựa chọn tụ điện đầu ra được xác định bởi đầu ra độ gợn sóng điện áp

và yêu cầu đáp ứng quá độ của tải

Đối với dòng điện gợn sóng đỉnh-đỉnh nhất định trong cuộn cảm của bộ lọc đầu ra, điện áp đầu ra gợn sóng qua tụ điện đầu ra VOUT_PP là tổng của ba thành phần như hiển thị bên dưới:

• VOUT_PP (C) là điện áp gợn sóng của tụ điện

• VOUT_PP (ESR) là điện áp gợn sóng do ESR của tụ điện

• VOUT_PP (ESL) là điện áp gợn sóng được tạo ra bởi ESL của tụ điện

-Chúng ta có thể trích xuất cuộn cảm vàdòng điện của tụ điện và minh họa điện tích của tụ điện: