I ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---*****--- SONEXAY PHANTHAVONG NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN T
Trang 1I
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
-***** -
SONEXAY PHANTHAVONG
NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ
BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Thái Nguyên, năm 2012
Trang 2II
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
-***** -
SONEXAY PHANTHAVONG
NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ
BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: TNU 108625270033
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Thái Nguyên, năm 2012
Trang 3III
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Thuyết minh
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Đề tài:
NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ
BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK
Học viên : SONEXAY PHANTHAVONG Lớp : Cao học - K13 KTĐT
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Người HD khoa học : TS Nguyễn Duy Cương Ngày giao đề tài : 02 tháng 01 năm 2012 Ngày hoàn thành : 30 tháng 11 năm 2012
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA
HỌC
TS Nguyễn Duy Cương
HỌC VIÊN
SONEXAY PHANTHAVONG
Trang 4IV
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Ngoài các tài liệu tham khảo đã đƣợc trích dẫn, các số liệu tính toán thiết kế và kết quả mô phỏng trong luận văn là trung thực, không trùng lặp và chƣa từng đƣợc ai công bố trong các công trình nghiên cứu nào khác
Thái Nguyên, ngày 11 tháng 03 năm 2013
Tác giả luận văn
SONEXAY PHANTHAVONG
Trang 5V
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN IV MỤC LỤC V DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ VIII DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU X LỜI NÓI ĐẦU XI
MỞ ĐẦU 13
CHƯƠNG I GIỚI THIỆU 15
1.1 Giới thiệu 15
1.2 Kỹ thuật chuyển mạch 16
1.3 Bộ chuyển đổi DC-DC 18
1.3.1 Giới thiệu 18
1.3.2 Bộ nguồn SMPS 19
1.3.3 Phân loại các bộ chuyển đổi DC 20
1.3.4 Lý do sử dụng các bộ chuyển đổi Buck 21
CHƯƠNG II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK 21
2.1 Nguyên lý bộ chuyển đổi Buck 22
2.1.1 Sự phát triển của mạch chuyển đổi Buck 22
2.1.2 Mục đích của các thành phần khác nhau của bộ chuyển đổi Buck 25
2.1.3 Các trạng thái hoạt động 29
2.1.4 Mạch chuyển đổi Buck đồng bộ 31
2.2 Tính toán thiết kế bộ chuyển đổi Buck thực tế 34
2.2.1 Tính toán tần số chuyển mạch 34
2.2.3 Tính toán cho Tụ 38
2.2.4 Bộ điều khiển điều chế độ rộng xung 40
2.2.6 Tuyến tính hóa mô hình trạng thái 44
2.2.7 Tiêu chuẩn ổn định 51
2.2.8 Mạch bù 53
2.2.9 Điều khiển truyền thẳng 59
2.2.10 Điều khiển chế độ điện áp/dòng điện 59
CHƯƠNG III THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK 62
3.1 Thông số ban đầu 63
3.2 Tham số đầu vào 63
Trang 6VI
3.3 Sơ đồ bộ chuyển đổi Buck 63
3.4 Tính toán các tham số 64
3.5 Đánh giá 68
3.5.1 Tải lớn nhất 68
3.5.2 Tải thay đổi 69
3.5.3 Hiệu suất 69
3.5.4 Tiết diện linh kiện bán dẫn 69
KẾT LUẬN 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO 72
Trang 7VII
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BJT Bipolar Junction Transistor
CCM Continuous Conduction Mode
CMC Current Mode Control
CMOS Complementary MOS
DC Direct Current
DCM Discontinuous Conduction Mode
DCR Direct Current Resistance
ESL Equivalent Series Inductance
ESR Equivalent Series Resistance
MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
NFET Negative Channel Field Effect Transistor
PDA Personal Digital Assistants
PFM Pulse Frequency Modulation
PWM Pulse Width Modulation
SMPS Switch Mode Power Supplies
SRBC Synchronous Rectifier Buck Converter
VLSI Very Large Scale Integration
VMC Voltage Mode Control
Trang 8VIII
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
1 Hinh 1.1 Mối liên hệ giữa điện tử, công suất, điều khiển 3
2 Hình 1.2 Lưu đồ các hệ thống nguồn một chiều 4
5 Hình 1.5 Sơ đồ khối bộ nguồn chuyển mạch 8
6 Hình 1.6 Vị trí bộ chuyển đổi Buck trong hệ thống 9
7 Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát bộ nguồn chuyển mạch 10
8 Hình 2.2 Mạch điện gồm chuyển mạch đơn cực 2 tiếp điểm với tải
9 Hình 2.3 Mạch điện có bổ xung thêm cuộn cảm 11
11 Hình 2.5 Mạch chuyển đổi Buck với tải điện trở 12
12 Hình 2.6 Mạch nguồn chuyển mạch giảm áp 12
13 Hình 2.7 Sơ đồ tổng quát bộ chuyển đổi BUCK 17
16 Hình 2.10 Chế độ liên tục và không liên tục 19
18 Hình 2.12 Trạng thái ON/OFF của chuyển mạch 23
21 Hình 2.15 Dòng điện qua chuyển mạch MOSFET thời gian đóng 26
Trang 9IX
22 Hình 2.16 Độ gợn sóng của điện áp ra trong bộ chuyển đổi từng
24 Hình 2.18 Bộ so sánh sử dụng điện áp chuẩn 29
25 Hình 2.19 Tín hiệu so sánh điều chế độ rộng xung 30
27 Hình 2.21 Cấu trúc hệ thống điều khiển phản hồi tuyến tính hóa 32
29 Hình 2.23 Chuyển đổi Buck (a) on; (b) off 35
32 Hình 2.26 Định nghĩa tần số cắt, biên hệ số khuếch đại, biên hệ số
39 Hình 2.33 Sơ đồ nguyên lý điều khiển chế độ điện áp 48
40 Hình 2.34 Sơ đồ nguyên lý điều khiển chế độ dòng điện 49
42 Hình 3.2 Đồ thị Bode của bộ chuyển đổi Buck 53
43 Hình 3.3 Đồ thị Bode cho mạch bù loại III 54
44 Hình 3.4 Đồ thị Bode cho bộ chuyển đổi Buck mạch vòng hở 54
Trang 10X
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
1 ng 1.1 So sánh giữa bộ nguồn tuyến tính và bộ nguồn chuyển mạch 6
2 dòng điện 2.1: So sánh chế độ điều khiển điện áp và chế độ điều khiển 50
3 3.1: Thông số kỹ thuật của bộ chuyển đổi Buck thiết kế 51
6 Bảng 3.4: Kết quả với RL= 5Ω, ESR = DCR = 1, R1= 60 kΩ 55
7 Bảng 3.5: Kết quả với RL= 19Ω, ESR = DCR = 1, R1= 60 kΩV 56
8 Bảng 3.6: Kết quả với ESR = 30E-3, DCR = 1, R1= 60 kΩC 56
Trang 11XI
LỜI NÓI ĐẦU
Bộ nguồn chuyển mạch (SMPS - Switch Mode Power Supplies) đã được nghiên cứu và ứng dụng rất rộng rãi trong các thiết bị điện tử Trong một thiết bị điện tử có thể có nhiều mức nguồn cấp khác nhau Để chuyển đổi thành các điện áp một chiều này, bộ chuyển đổi Buck được sử dụng Luận văn này nghiên cứu mối liên quan đặc biệt giữa SMPS với bộ chuyển đổi chỉnh lưu đồng bộ Buck (SRBC - Synchronous Rectifier Buck Converter), đồng thời tập trung vào việc nghiên cứu, thiết kế bộ chuyển đổi Buck cho các ứng dụng khác nhau
Được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS Nguyễn Duy Cương cùng
các thầy cô giáo giảng dạy các môn học khác, tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp
cao học “Nghiên cứu và thiết kế bộ chuyển đổi Buck” với các nội dung chính như
sau:
Chương 1: Giới thiệu – Tìm hiểu sơ lược về bộ nguồn một chiều sử dụng kỹ thuật
chuyển mạch, các kỹ thuật chuyển mạch và bộ chuyển đổi nguồn DC-DC
Chương 2: Nguyên lý hoạt động của bộ chuyển đổi Buck – Tìm hiểu về bộ chuyển
đổi Buck Phân tích các đặc điểm của bộ chuyển đổi Buck, tìm hiểu phương thức tính toán thiết kế các thông số cũng như đánh giá độ ổn định của bộ chuyển đổi
Chương 3: Thiết kế bộ chuyển đổi Buck – Thực hiện thiết kế bộ chuyển đổi Buck
thực tế, mô phỏng họat động với các điều kiện cụ thể, đánh giá độ ổn định của thiết
kế
Do đề tài được hòan thành với thời gian ngắn, điều kiện để tiếp cận cũng như năng lực của bản thân còn hạn chế nên luận văn không thể tránh khỏi các thiết sót Rất mong các thầy cô giáo và bạn đọc góp ý để đề tài được hoàn thiện hơn
Tôi xin chân thành cảm ơn
Thái Nguyên, ngày 15 tháng 3 năm 2013
Người thực hiện
