Thiết kế vi mạch buck converter trên công nghệ CMOS 180NM

Sơ đồ khối của hệ thống chuyển đổi điện áp một chiều Nguyên lý biến đổi điện áp: Chuyển từ công suất ngõ vào thành công suất ở ngõ ra với biến đổi về dòng Lut và áp ngõ ra Vout.. Từ đó

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Công trình được hoàn thành tại: trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS HOÀNG TRANG

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Trương Quang Vinh

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Minh Sơn

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày 05 tháng 01 năm 2017 Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 Chủ tịch hội đồng: GS TS Lê Tiến Thường

2 Thư ký: TS Trương Công Dung Nghi

3 Phản biện 1: TS Trương Quang Vinh

4 Phản biện 2: TS Nguyễn Minh Sơn

5 ủy viên: TS Bùi Trọng Tú Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên nghành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

iii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Phạm Phú Cường MSHV: 13141116

Ngày, tháng, năm sinh: 12/12/1985 Nơi sinh: Cần Thơ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số : 60520203

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH BUCK CONVERTER TRÊN NỀN CÔNG

NGHỆ 180NM

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu các phương pháp giảm áp dành cho bộ sạc pin hiện nay Từ đó chọn được một

bộ giảm áp phù hợp với điều kiện công nghệ CMOS tại Việt Nam

- Khảo sát cấu hình của bộ buck hiệu suất cao, công suất tiêu thụ thấp Đề xuất cấu trúc bộ buck converter và các khối chức năng của bộ buck converter

- Nghiên cứu, thiết kế sơ đồ nguyên lý và tính toán thông số lý thuyết của các khối chức năng trong bộ giảm áp chuyển mạch

- Mô phỏng toàn bộ hệ thống bằng phần mềm Matlab Simulink

- Thiết kế mạch buck converter công nghệ 180nm trên phần mềm Cadence Virtuoso Analog Design

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/07/2015

IV

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin gửi lòi cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy Hoàng Trang, người

đã tận tình và hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này Không chỉ hỗ trợ về mặt kiến thức và ủng hộ tinh thần, thầy còn tạo điều kiện về trang thiết bị máy móc, phần mềm để em

có thể thực hiện mô phỏng kết quả luận văn một cách tốt nhất

Xin chân thành cảm ơn thầy Trương Quang Vinh và các bạn là thành viên tại IC Design LAB 116 đã đồng hành và hỗ trợ em trong suốt quá trình nghiên cứu tại lab

Cám ơn bạn Nguyễn Minh Hiếu đã hỗ trợ trong những ngày đầu làm quen với thiết kế vi mạch

Anh xin cảm ơn vợ và con gái đã cổ vũ và ủng hộ nhiệt tình để anh yên tâm học tập và nghiên cứu Cảm ơn ba mẹ và người thân đã nhiệt tình giúp đỡ và hỗ trợ trong thời gian học tập xa nhà Mặc dù luận văn đã được hoàn thành với tất cả mọi nỗ lực của bản thân, song không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn

Tp Hồ Chi Minh, ngày thảng năm

Tác giả

Phạm Phú Cường

5

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Tiếng Việt:

Ngày nay các thiết bị di động như điện thoại di động, máy tính xách tay, hay các thiết bị y sinh cầm tay ngày càng trở nên phổ biến và một phần tất yếu trong cuộc sống Bộ chuyển đổi điện

áp DC sang DC, hay bộ ổn áp DC (DC/DC converter hay DC regulator) được sử dụng rất rộng rãi trong các bộ sạc của thiết bị di động, biến đổi các nguồn năng lượng sạch thành điện năng Không chỉ có độ ổn định điện áp và dòng điện mà nó còn có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao Sự biến đổi năng lượng từ các bộ chuyển đổi DC DC cấp điện cho một thiết bị hoạt động với điện áp thấp hơn thường thông qua các nguồn điện như nguồn adaptor; usb port; pin năng lượng mặt trời hoặc xe điện Việc sử dụng bộ mạch điều chỉnh điện áp DC nhằm tạo ra nhiều mức điện

áp khác nhau phục vụ cho các mạch module chức năng, thiết bị và các ứng dụng trong cùng một

hệ thống Yêu cầu bộ điều chỉnh điện áp, điện áp sau khi được điều chỉnh phải có độ gợn áp thấp

để đảm bảo điện áp ra không đổi và ổn định theo tải ngõ ra cho phép

Luận văn này trình bày các vấn đề liên quan đến bộ chuyên đổi buck giảm áp điện một chiều bằng phương pháp xung, thực hiện trên mô phỏng hoạt động vi mach trên nền công nghệ 180nm Trong báo cáo này, Chương 3 được trình bày tổng quan so sánh kỹ thuật chuyển đổi điện

áp LDO và SMPS , hoạt động bộ chuyển đổi buck, trình bày phương pháp tính toán các các linh kiện chính, ổn định tần số Chương 4, trình bày tính toán các thông số mạch lọc buck theo yêu cầu đặt ra Chương 5 thực hiện mô phỏng dạng khối bộ buck với mô hình bù loại 3, với mục tiêu định hướng các tham số trước khi thiết kế khối chức năng vi mạch cần thiết trong Chương 6 Chương 7 trình bày quá trình mô phỏng và kết quả thực hiện Chương 8, kết luận của tác giả và hướng phát triển đề tài

Luận văn đã thực hiện thành công mô phỏng bộ chuyển đổi buck trên hai cấp độ dạng khối trên Matlab và mô phỏng vi mạch bằng phần meemftn Cadence sử dụng mạch bù tần số loại

3 Mô phỏng thực hiện trên thư viện vi mạch 180nm CMOS TSMC 1P6M cho hiệu suất 80% có khả năng chuyển đổi điện áp từ 5V đến 40V thành 3.3V ± 6mV, với tải đạt 500mA ± lmA Tần

số chuyển mạch của bộ chuyển đổi 2MHz, phần lõi vi mạch điều khiển hoạt động điện áp 1.8V

6

English

In the 21st century, the fast growing demand of portable and battery-operated electronic systems has driven the efforts to reduce power consumption or to improve the efficiency of these electronic equipments Regulators are essential for most electrically powered systems which include the prevalent chargeable equipments and DC power converter Regulators are required to reduce the voltage variations from USB port, solar cell, lead acid battery, etc Besides, regulators are often utilized to provide a lower voltage from a higher input voltage for power reduction Current trend in portable or battery-powered electronics demands high operating efficiency to prolong the service time of these battery-operated equipments Switched Mode Power Supply (SMPS) is the most prevailing architecture for DC power supply in the systems, primarily for its capability to handle variable loads Thank to development of integrated circuit technology, the power stages converter are driven by a low power consumption controller in CMOS level for small design, high speed and efficiency

In this work, the buck converter system using compensation type 3 is implemented in both Matlab/Simulink and Virtuoso Cadence with nearly the same results Simulations are done

on 180nm CMOS TSMC 1P6M and show the efficiency with 80%, the converter generate output voltage 3.3V ± 6mV and max load current 500mA ± 1mA from 5 - 40V input at the switching frequency of 2MHz The controller work with power supply 1.8V voltage

viii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng:

Mọi số liệu và kết quả trình bày trong luận văn thạc sĩ này là hoàn toàn trung thục và chua từng đuợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Phạm Phú Cường

viii

MỤC LỤC

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu: 3

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 3

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu: 3

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu: 3

1.4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 3

1.4.1 Ý nghĩa khoa học 3

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn 4

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 10

2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 10

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 11

2.3 Nhiệm vụ của luận văn: 12

2.3.1 Mục tiêu luận văn 12

2.3.2 Nhiệm vụ luận văn 13

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT MẠCH ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU 3.1 Các phương pháp chuyển đổi điện áp một chiều 15

3.1.1 Giảm áp tuyến tính (LDO) 15

3.1.2 Bộ nguồn xung (SMPS) 17

3.2 Bộ chuyển đổi buck 18

3.2.1 Hoạt động: 18

3.2.2 Các thành phần cơ bản của mạch chuyển đổi buck: 21

3.2.3 Ôn định tần số và mạch bù tần số loại 3 31

3.3 Đặc tả kỹ thuật cho đề tài 36

3.3.1 Điện áp nguồn cấp 36

3.3.2 Công nghệ CMOS 180nm 37

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THÔNG SỐ TẦNG CÔNG SUẤT 33

4.1 Thông số đề xuất: 33

4.1.1 Duty cycle (D): 33

4.1.2 Gợn dòng qua cuộn dây (AI L ): 34

4.1.3 Chọn cuộn dây 34

4.1.4 Chọn tụ điện ngõ ra 35

IX

4.2 Khảo sát đáp ứng tần số 36

4.2.1 Khảo sát đáp ứng bước 36

4.2.2 Khảo sát độ ổn định của bộ lọc buck: 37

CHƯƠNG 5 MÔ HÌNH CHUYÊN ĐỔI BUCK TRÊN MATLAB/SIMULINKS 40

5.1 Mô phỏng khối công suất 40

5.2 Mô phỏng khối điều chế xung 42

5.3 Phân tính đặc tính tần số của bộ lọc buck: 43

5.4 Thiết kế mạch bù loại 3 44

CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ VI MẠCH CÁC KHỐI MẠCH ĐIỀU KHIÊN 49

6.1 Mạch tạo xung dao động: 49

6.2 Mạch lọc răng cưa 51

6.3 Comparator 52

6.4 Mạch dịch mức (Level Shifter) 55

6.5 Thiết kế mạch chống chồng lấp xung: 56

6.6 Thiết kế MOSFET công suất dạng ngăn xếp 58

6.7 Mạch điệm: 60

6.8 Thiết kế mạch vi sai và mạch bù loại 3: 61

6.8.1 Thiết kế Opam 61

6.8.2 Thiết kế mạch bù loại 3: 63

CHƯƠNG 7 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 66

7.1 Đánh giá độ bù pha của hệ thống vòng hở trước và sau khi qua bộ bù 3 66

7.2 Đánh giá độ ổn định hệ thống chuyển đổi buck với các giá trị điện áp vào khác nhau 68

7.2.1 Đáp ứng ngõ ra vout theo thời gian: 68

7.3 Line Regulation: 72

7.4 Load Regulation 72

CHƯƠNG 8 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIÊN 74

8.1 Kết luận: 74

8.2 Hướng phát triển trong tương lai 75

X

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1 Sự phân bố điện áp một chiều trong hệ thống SOCs

Hình 1-2 Sơ đồ khối của hệ thống chuyển đổi điện áp một chiều

Hình 2-1 Mạch chuyển đổi Buck dùng trong biến đổi điện áp cao thành 3.3V cho ứng dụng di động, hoặc cấp nguồn khối vi điều khiển

Hình 2-2 Qui trình thiết kế vi mạch tương tự

Hình 3-1.: Giản đồ của mạch ổn áp tuyến tính dạng vccs

Hình 3-2 Dạng mạch cơ bản của bộ ổn áp tuyến tính sau chỉnh lưu

Hình 3-3: Mạch buck converter

Hình 3-4: Mạch buck cơ bản

Hình 3-5: Dòng điện qua cuộn dây IL ở trạng thái xác lập

Hình 3-6 Dòng điện qua cuộn dây qui định trạng thái CCM(a) hay DCM (b)

Hình 3-7 Sơ đồ mạch bộ chuyển đổi buck dùng MOSFET

Hình 3-8 Dòng dẫn qua hai MOSFET tăng vọt khi Q1 và Q2 đều dẫn

Hình 3-9 Mạch lái dùng cổng NOT có dạng Taper Buffer

Hình 3-10: Dòng qua cuộn dây ở trạng thái xác lập

Hình 3-11: Mạch buck khi Q1 đóng, Q2 ngưng dẫn

Hình 3-12: Mạch Buck khi Q1 ngưng dẫn, Q2 dẫn

Hình 3-13 Đồ thị biểu diễn dòng điện qua cuộn dây (a) và dòng điện qua tụ điện (b)

Hình 3-14: Sự vọt lố và gợn áp ở ngõ ra khi thay đổi tải

Hình 3-15: Mạch Buck converter trong trạng thái Q1 mở có tụ điện ngõ vào

Hình 3-16 Dùng cầu phân áp lấy mẫu điện áp ngõ ra

Hình 3-17 Mạch khuếch đại vi sai và mạch điều chế xung

Hình 3-18 Nguyên lí điều chế xung

Hình 3-19 Sơ đồ dạng khối bộ chuyển đổi buck

Hình 3-20 Đáp ứng tần số của khối mạch lọc buck

Hình 4-5 Testbench khảo sát độ ổn định của bộ lọc

Hình 4-6 Dạng sóng lần lượt dòng qua cuộn dây; dòng qua tải; gọn áp; xung tác động; dòng điện do chuyển mức

Hình 4-7 Đặc tính mạch lọc buck khi điện áp vào thay đổi

Hình 4-8 Dòng điện qua MOSFET trong trường hợp chồng lấp xung của NMOS và PMOS(a)

và không chồng lấp (b)

Hình 5-1 Các khối mô phỏng trên SIMULINK

Hình 5-2 Mô hình toán học của chuyển đổi buck thông qua các khối

Hình 5-3 Tạo xung điều độ rộng PWM

Hình 5-4 Tạo xung dương tam giác

Hình 5-5 Tham số bộ bộ tạo răng cưa

Hình 5-6 Đáp ứng tần số theo độ lợi và pha

Hình 5-7 Đáp ứng dòng điện tải của bộ buck chưa có bộ bù (Vin =5V; D=0.66V; Vo=3.3V) Hình 5-8 Các tham số mạch bù được mô hình bằng hàm truyền bởi cực và zero

Hình 5-9 Đáp ứng tần số của mạch bù loại 3 và vòng lập hệ thống kín thông qua mô phỏng MATLAB/Simulink

Hình 5-10 Đáp ứng của bộ chuyển đổi buck khi có bù loại 3

Hình 5-11 Các đáp ứng do chuyển mức tải (lOmA đến 500mA và ngược lại)

Hình 5-12 Đáp ứng thay đổi điện áp (5*-> 40V)

Hình 5-13 Sự thay đổi gợn áp trong quá trình mô phỏng

Hình 5-14 Đo thời gian khởi động hệ thống đến khi ổn đinh

Hình 5-15 Khối điện áp tham chiếu được thay bằng khối soft-start

Hình 5-16 Điện áp ngõ ra tăng đều và giảm vọt lố so với Hình 5-14

Hình 6-1 Mạch dao động dạng vòng sử dụng N số lẻ cổng đảo

xiii

Hình 6-2 Bộ tạo xung dao động

Hình 6-3 Dạng sóng ngõ ra của bộ tạo xung

Hình 6-4 Kiến trúc mạch lọc tạo xung tam giác

Hình 6-5 Mạch lọc răng cưa

Hình 6-6 Testbench khảo sát thông số mạch lọc

Hình 6-7 Đáp ứng trans của mạch lọc với điện áp phân cực vbias = 900mV

Hình 6-8 Kiến trúc comparator tạo xung điều chế

Hình 6-9 Mô phỏng đáp ứng tần số và đặc tuyến DC của comparator

Hình 6-10 Testbench xác định giới hạn độ rộng xung

Hình 6-11 Xung điều chế với điện áp so sánh Vea = 914mV

Hình 6-12 Khoảng cách gần nhất hai xung rộng nhất và bề rộng xung hẹp nhất

Hình 6-18 Sự chồng lấp hai xung gây ra dòng vọt lố

Hình 6-19 Cấu hình mạch tạo xung không chồng lấp

Hình 6-20 Hai xung không chồng lấp từ thiết kế

Hình 6-21 Kiến trúc cổng NOT (a) và cổng NOR (b)

Hình 6-22 Khối mạch Stacked MOSFET Push Pull

Hình 6-23 Dạng sóng ngõ ra MOSFET công suất với điện áp cung cấp 5V, tải 100ÍÌ

Hình 6-24 Đáp ứng ngõ ra ứng với điện áp cung cap 40V, tải 6.6 Ohm

Hình 6-25 Thiết kế khối mạch đệm có dạng nhiều tầng cổng NOT

Hình 6-26 cấu hình OPAMP hai tầng

Hình 6-28 Mô phỏng đặc tuyến AC và đặc tuyến DC ngõ ra

Hình 6-29 Đáp ứng sin

Hình 6-30 Đặc tuyến bode của bộ lọc buck với điện áp vào 40V và dòng tải 500mA Hình 6-31 Đặc tuyến bode của bộ lọc buck với điện áp 40V và không dòng tải

Hình 7-1 Hệ thống mạch chuyển đổi buck với mạch bù loại 3

Hình 7-2 Testbench đánh giá độ bù pha và biên độ của bộ bù loại 3

Hình 7-7 Đặc tuyến hiệu suất theo điện áp cung cấp tương ứng các mức tải

Hình 7-8 Đặc tuyến hiệu suất theo tải tiêu thụ ứng với hai mức điện áp cấp là 7V và 24V Hình 7-9 Độ biến đổi gợn áp

Hình 7-10 Sự thay đổi chu kỳ tác vụ D, hay thời gian mở của PMOS công suất

Hình 7-11 Đáp ứng bước điện áp Vsupply (10V đến 20V tốc độ lV/us)

Hình 7-12 Đáp ứng bước ngõ ra phóng gần trong khoảng lOOus đến 170us

Hình 7-13 Đáp ứng ngõ ra vout khi thay đổi dòng trên tải

XIV

DANH MỤC BIỂU BẢNG

Bảng 3-1 Bảng so sánh ưu điểm và khuyết điểm giữa LDO và SMPS

Bảng 3-2 Các linh kiện MOSFET trong thư viện 180nm TSMC 1P6M Bảng 3-3 Một số tham

số của thư viện pmos phân bố theo w và L Bảng 4-1 Bảng thông số bộ chuyển đổi buck đề xuất thực hiện

Bảng 4-2 Tính thời gian bật và tắt của MOSFET công suất

Bảng 4-3 Xác định các giá trị cuộn dây theo diện áp

Bảng 4-4 Tham số tụ điện'

Bảng 4-5 Tham số bộ lọc buck

Bảng 5-1 Tham số yêu cầu của bộ buck

Bảng 5-2 Các giá trị được tính ở bộ lọc buck

Bảng 5-3 Các giá trị cực và zero của mạch bù loại 3

Bảng 6-1 Thông số bộ tạo dao động

Bảng 6-2 Bảng giá trị kích thước bộ tạo xung

Bảng 6-3 Bảng giá trị mạch lọc

Bảng 6-4 Thông số CMOS của bộ so sánh

Bảng 6-5 Độ biến thiên độ rộng xung của khối PWM

Bảng 6-6 Thông số mạch dịch mức

Bảng 6-7 Thông số cổng NOT và cổng NOR

Bảng 6-8 Thông số tầng MOSFET công suất

Bảng 6-9 Thông số mạch điệm

Bảng 6-10 Thông số kỹ thuật OPAMP

Bảng 6-11 Thông số của OPAMP 2 tầng

Bảng 6-12 Tham số cực và zero của mạch bù loại 3

Bảng 6-13 Các giá trị linh kiện trong mạch bù loại 3

XI

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CMOS

Complementary Metal-Oxide- Semiconductor

vccs Voltage Controlled Current Source

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay các thiết bị di động như điện thoại di động, máy tính xách tay, hay các thiết bị y sinh cầm tay ngày càng trở nên phổ biến và một phần tất yếu trong cuộc sống Bộ chuyển đổi điện áp DC sang DC, hay bộ ổn áp DC (DC/DC converter hay DC regulator) trở thành một bộ phận rất quan trọng chuyển hóa năng lượng pin cấp nguồn cho các thiết bị di động trên Bên cạnh đó, các pin cấp nguồn thường sử dụng pin sạc và được sạc từ các nguồn adaptor; usb port; pin năng lượng mặt trời hoặc xe điện thường có điện áp cao hơn so với điện áp cung cấp của pin

Adaptor/ USB port

Hình 1-1 Sự phân bổ điện áp một chiều trong hệ thong SOCs [1]

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

2

Việc sử dụng bộ mạch điều chỉnh điện áp DC nhằm tạo ra nhiều mức điện áp khác nhau phục vụ cho các mạch module chức năng, thiết bị và các ứng dụng trong cùng một hệ thống [2] Yêu cầu bộ điều chỉnh điện áp, điện áp sau khi được điều chỉnh phải có độ gọn áp thấp để đảm bảo điện

áp ra không đổi và ổn định theo tải ngõ ra cho phép

Một khối mạch điều chỉnh điện áp thường được mô tả bằng hình dưới:

Hình 1-2 Sơ đồ khối của hệ thống chuyển đổi điện áp một chiều

Nguyên lý biến đổi điện áp: Chuyển từ công suất ngõ vào thành công suất ở ngõ ra với biến đổi về dòng Lut và áp ngõ ra Vout Để giữ điện áp ngõ ra không đổi, trong hệ thống sử dụng mạch hồi tiếp về khối so sánh và bù theo điện áp tham chiếu Từ đó một tín hiệu điều khiển sẽ tác động vào mạch công suất, nơi thực hiện chuyển đổi điện áp và dòng sao cho đúng với yêu cầu của hệ thống Một bộ chuyển đổi điện áp có hiệu suất cao khi công suất ngõ ra gần bằng với công suất ngõ vào

Kỹ thuật điều chỉnh điện áp thường sử dụng 2 kỹ thuật chính là kỹ thuật điều chỉnh tuyến tính (LDO Linear dropout regulator) và kỹ thuật nguồn xung (SMPS Switching mode power supply) Trong đó kỹ thuật nguồn xung nổi trội hơn với hiệu suất cao

Ỏ Việt Nam, sự phát triển công nghệ vi mạch đang triển mạnh trong lĩnh vực gia công và thiết kế chip, bên cạnh các đề tài nghiên cứu về thiết kế chip xử lí âm thanh, hình ảnh Nhu cầu thiết kế bộ nguồn xung dạng vi mạch tích hợp trong các chip xử lí nhằm cung cấp năng luợng cho các hoạt động của vi mạch trên chip Xuất phát từ nhu cầu cấp thiết đó, tôi xin chọn đề tài: “Thiết

kế mạch giảm áp xung một chiều (buck converter) hiệu suất cao sử dụng công nghệ vi

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

hệ thống trên 80%

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu:

- Mô hình CMOS 180nm các tham số sử dụng để thiết kế

- Phần mềm Matlab: Hệ thống buck converter trên nền Matlab/Simulink

- Nguồn ổn áp xung dạng vi mạch: Khối công suất, hồi tiếp, bộ tạo dao động, bộ tạo răng cưa, bộ khuếch đại so sánh và các loại mạch bù, thiết kế MOS công suất

- Các phương pháp cải tiến hoặc khối chức năng nhằm cải tiến hiệu suất

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu:

- Bộ Buck Converter điều khiển thông qua hồi tiếp điện áp

- Các tham số cơ bản process CMOS 180nm dùng trong thiết kế

- Thiết kế và mô phỏng trên phần mềm Virtuoso Candence 6.15

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

4 trời, xe điện và điều khiển LED

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

22

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

Các mạch chuyển đổi điện áp bằng phương pháp xung được nghiên cứu rất sớm Trong [3],

M Cuk đã phân tích mô hình hoá và thiết kế các bộ chuyển đổi điện áp một chiều Từ đó nhiều

đề tài được thực hiện dựa trên việc phân tích không gian trạng thái và mô phỏng hệ thống chuyển đổi buck Bằng phương pháp mô hình hoá hệ thống dạng giải tích, phân tích không gian trạng thái khối công suất và các mạch điều khiển dùng áp hoặc dùng dòng điện [4], Kasat đã mô phỏng thành công trên Matlab với thông số hệ thống điện áp ngõ vào 15-25V, điện áp ngõ ra được điều chỉnh 5V, gợn áp <2%, mạch vi sai hoạt động ở tần số 250KHz Trong năm 2013, Cheng Peng và Chia JIU Wang dùng simscape MATLAB mô phỏng thành công hệ thống buck converter thông qua hai chế độ PWM/PFM [5] với mục đích so sánh hiệu suất chuyển mạch chế độ PWM và PFM cải thiện hiệu suất của bộ buck khi ở chế độ tải thấp

Bên cạnh việc khai thác triệt để các đặc tính của hệ thống chuyển đổi buck, các hệ thống vi mạch chuyển đổi buck cũng được phát triển mạnh mẽ với hiệu suất liên tục cải thiện Năm 2005 [6], Yoeng-Tsair Lin và cộng sự thiết kế thành công bộ chuyển đổi giảm áp DC-DC converter bằng kỹ thuật điều chế xung PWM được điều khiển bộ khuếch đại vi sai bù loại 2, kết quả đề tài thực hiện giảm áp 3.3V xuống 1.0 đến 2.0V sử dụng công nghệ CMOS 350nm với hiệu suất 85% khi công suất ngõ ra dao động trong khoảng 100 đến 900mW, tần số chuyển mạch 1MHz Năm

2007, [7] Edoardo Bonizzonil và cộng sự của mình đã mở rộng điện áp hiệu chỉnh 2.6V đến 5V trên vi mạch chuyển đổi buck sử dụng mạch khuếch đại vi sai và bù loại 1, cùng với chỉ dùng một cuộn dây tạo hai điện áp ngõ ra cố định có khả năng thay đổi từ 1.2V đến 5V hiệu suất có thể cực đại lên đến 93%, với tần số 1MHz, tuy nhiên tải mạch ngoài chỉ đạt 200mA, tụ điện và cuộn dây

sử dụng ngoài phần điều khiển Tiếp tục mở rộng điện áp điều chỉnh 5V đến 10V [8], Rosario Pagano và cộng sự phát triển thành công bộ chuyển đổi vi mạch buck dùng sạc pin Li-Ion dùng cho các thiết bị không dây dựa trên kỹ thuật hồi tiếp dòng điện và mạch hồi tiếp điện áp bù loại 3 cho điện áp ngõ ra thay đổi trong khoảng 2.IV đến 4.2V, hiệu suất đạt 86% trong tần số chuyển mạch 2.2MHz, dòng điện đạt 900mA sai lệch 9.4% ở 10V, sử dụng công nghệ 180nm Năm 2014, Yao Quian công bố bộ chuyển đổi của nhóm nghiên cứu có khả năng lụa chọn hoạt động điều khiển PWM bằng hồi tiếp điện áp bù loại 3 hay PFM bằng hồi tiếp dòng điện qua cuộn dây nhằm

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

22

cải thiện hiệu suất khi mạch hoạt động ở công suất thấp, hệ thống của tác giả có khả năng chuyển đổi điện áp từ 2.7V đến 5.5V ra điện áp 0.6V đến 5.5V hiệu suất cục đại đạt 94%, dòng điện cung cấp đạt 2000mA

Mạch giảm áp xung buck converter đã được nghiên cứu qua một số đề tài trong nước [9],

[10] các đề tài chủ yếu mô phỏng Matlab/Simulink hoặc được thiết kế bộ buck với linh kiện có

sẵn Trong những năm gần đây, khi ngành thiết kế vi mạch phát triển xuất hiện đề tài thiết kế vi

mạch điện áp thấp [11] sử dụng kết họp kỹ thuật PWM/PFM và bypass hoặc thiết kế bộ buck trong ứng dụng điều khiển LED công suất [12]

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

22

2.3.1 Mục tiêu luận văn

Hình 2-1 Mạch chuyển đổi Buck dùng trong biến đổi điện áp cao thành 3.3V cho ứng dụng

di động, hoặc cap nguồn khối vi điều khiển

Mạch chuyển đổi buck điều chỉnh điện áp cao thành điện áp thấp đuợc ứng dụng rất nhiều trong các khối vi mạch, là một thành phần quan trong trong khối nguồn của các của các thiết bị di động, mạch sạc pin điện thoại acquy Các bộ chuyển đổi buck đuợc sử dụng nhằm cải thiện hiệu suất giảm áp, tiết kiệm năng luợng bảo vệ môi trường Bên cạnh đó với sự phát triển ứng dụng từ nguồn năng lượng sạch và tiết kiệm như sặc pin từ năng lượng mặt trời, hệ thống chuyển đổi năng lượng trong các hệ thống xe điện, xe lai thì mạch giảm áp buck đóng vay trò quan trọng để chuyển đổi điện áp cao từ các nguồn điện áp này thành mức điện áp cho các thiết bị di động nhỏ gọn, hoặc cấp nguồn có các mạch ứng dụng trong hệ thống trên Sơ đồ Hình 2-1 mô tả các khối cơ bản của

hệ thống chuyển đổi buck, trong đề tài luận văn này sẽ tập trung thiết kế vi mạch (màu xanh) gồm

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

22

có: hệ thống điều khiển MOS SI và S2, đồng thời tích hợp hai MOS công suất này trong hệ thống

vi mạch, riêng phần mạch công suất chức năng buck (màu cam) sẽ được tính toán để mô phỏng

2.3.2 Nhiệm vụ luận văn

Nhiệm vụ của luận văn được xây dựng trên qui trình thiết kế vi mạch tương tự được mô

tả bởi Hình 2-2 Phần thiết kế có thể chia làm 2 qui trình tuần tự là thiết kế thông số hệ thống chung, sau đó thiết kế các module chức năng với các thông số phù hợp cho hệ thống, có thể thực hiện mô phỏng Matlab để tìm thông số lý tưởng hệ thống hoặc định hướng kiến trúc mạch thiết

kế Sau khi có thông số từng khối chức năng thì bắt đầu thực hiện tính toán bằng tay trên mô hình mạch thực tế tương ứng với từng chức năng của các khối (hand calculation) Trong giai đoạn này cần phải trích xuất các tham số của thư viện CMOS sử dụng để tính toán

Sau khi có thông số các khối tương ứng với các mô hình mạch thực tế sử dụng, bắt đầu

mô phỏng bằng các công cụ mô phỏng Spectre trong Cadence Virtuoso để kiểm tra các thông số

kỹ thuật thiết kế So sánh với thông số thiết kế và kết quả mô phỏng thông qua nguyên lý hoạt động của kiến trúc mạch sử dụng để thực hiện hiệu chỉnh Kết hợp thiết kế testbench và khảo sát lại đặc tuyến của các CMOS trong điều kiện hoạt động để có thể chọn được tham số phù hợp với thiết kế khối

Cuối cùng sau khi hoàn thành thiết kế mạch buck ở cấp độ CMOS thì thực hiện thiết kế layout hay còn gọi là thiết kế vật lý Tuy nhiên do hạn chế công cụ và kinh nghiệm layout mạch Nên luận văn chỉ dừng lại phần mô phỏng vi mạch ở cấp độ CMOS bằng phần mềm Virtuoso Cadence

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

22

Fabrication Tegt- jLìflcalijã Testing and Verification!

Product

Hình 2-2 Qui trình thiết kế vi mạch tương tụ [13]

Theo quỉ trình trên thì nhiệm vụ của luận văn sẽ gồm cỏ các phần sau:

- Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động của mạch chuyển đổi buck và mô phỏng hoạt động các khối cơ bản của bộ buck converter trên phần mềm Simulink/ Matlab

- Thiết kế CMOS level mạch buck trên công nghệ CMOS TSMC 180nm

- Bảng đặc tả thông số kỹ thuật mô phỏng của mạch buck

- Bảng so sánh với các thiết kế đã công bố

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT MẠCH ĐIỀU CHỈNH ĐỆN ÁP

4 Implementation

4

Si mulaiion

4 Physical Definition

Cùm parison with design specifications

I Parasitic ExtractionPhysical Verification II

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

22

Biến đổi điện áp một chiều DC có bản chất là sự chuyển đổi năng lượng một chiều thông qua điều chỉnh sự tương quan giữa mối quan hệ điện áp và dòng điện ở ngõ vào và ngõ ra Trong đó, SMPS và LDO là hai phương pháp được sử dụng chủ yếu trong các mạch biến đổi DC-DC

3.1.1 Giảm áp tuyến tính (LDO)

Mô hình điều chỉnh điện áp tuyến tính có cấu trúc như Hình 3-1, là một mạch phân áp để điều chỉnh điện áp ra bằng cách thay đổi giá trị biến trở Mạch ổn áp tuyến tính gồm có hai phần chính: phần điều chỉnh điện áp được sử dụng như là một biến trở (thường là transistor công suất được phân cực hoạt động trong vùng tuyến tính) nối tiếp với tải ngõ ra Khi điện áp vào Vin thay đổi sẻ ảnh hưởng đến giá trị điện áp ngõ ra vo Sự thay đổi điện áp ở ngõ ra vo sẽ được hồi tiếp dạng để điều khiển trạng thái dẫn của transistor, và cho dòng qua transistor vào mạch ngoài mạnh lên hay yếu đi Phương thức điều khiển này có dạng vccs (Voltage Controlled Current Source) điện áp ngõ ra Vo được so sánh với điện áp ngưỡng đặt trước vref để điều khiển nguồn dòng Is sao cho điện

áp ra bằng với điện áp ngưỡng

Hình 3-1 : Giản đồ của mạch ổn áp tuyến tính dạng KCCS [14]

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

22

Hình 3-2 Dạng mạch cơ bản của bộ ổn áp tuyến tỉnh sau chỉnh lưu [15]

Có thể mô tả hoạt động mạch giảm áp tuyến tính bằng Hình 3-2 nhu sau: Mạch khuếch đại vi sai (error amplifier) có ngõ vào đuợc nối với ngõ ra theo một tỉ lệ định trước bộ phân áp gồm hai điện trở R1 và R2 để so sánh với điện áp tham chiều vref thường có giá trị thấp mẫu Ngõ

ra của bộ khuếch đại dùng điều khiển transistor công suất Q1 nhờ bộ khuếch đại dòng Dòng điều khiển này có tác dụng làm thay đổi điện trở của Qb

Có thể dễ dàng nhận thấy Q1 đóng vay trò như một điện trở ở Hình 3-1, được mắc nối tiếp với điện trở RL mạch ngoài Nên dòng điện ngõ vào Is và dòng điện ngõ ra là như nhau Từ đây ta có thể tính được hiệu suất một chiều mạch điều chỉnh tuyến tính:

_ Pọut _ Vo lọ ~ Vo

rì ~~P^~Vn^ỉ S SÍ Vn

Ta thấy nếu như bỏ qua công suất mạch điều khiển thì hiệu suất mạch điều chỉnh tuyến tính phụ thuộc nhiều vào sự trên lệch điện áp giữa điện vào và điện áp điều chỉnh Do nguồn tuyến tính phải hoạt động chế độ liên tục, nếu tải lớn thì dòng qua Transistor điều chỉnh lớn dẫn đến công suất tiêu tán lớn và sinh ra nhiệt nhiều hom Khi đó, cần phải tốn nhiều chi phí lắp thêm các tản nhiệt để đảm bảo hoạt động của các transistor dẫn, cũng như làm giảm nhiệt độ trong mạch

Mạch chuyển đổi điện áp một chiều bằng cách điều khiển một xung đồng bộ đóng tác động vào khóa K như Hình 3-3 Một mạch chuyển đổi buck gồm có hai phần chính: Phần công suất và phần điều khiển công suất

3.1.2.1 Phần công suất

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

22

Khi khóa K đóng sẽ có dòng điện qua cuộn dây nạp điện vào tụ điện làm cho điện áp ngõ

ra Vo tăng lên Còn khi khóa K hở nhờ có diode và cuộn dây tích trữ năng lượng trước đó, có khả năng duy trì dòng điện không đổi trong mạch một phần nạp vào tụ điện, một phần cung cấp tải ngoài giữ ổn định điện áp và dòng điện mạch ngoài Để tăng tốc độ điều khiển và hiệu suất khóa

K và diode thường được thay bằng các transistor công suất có điện trở rất thấp Các linh kiện như cuộn dây và tụ điện được sử dụng ở tầng công suất yêu cầu ít tiêu thụ năng lượng và có điện trở nội thấp

Tùy theo cấu trúc của mạch SMPS bằng sự sắp xếp vị trí của cuộn dây và diode mà có thể làm chức năng tăng áp (chuyển đổi boost), giảm áp (chuyển đổi buck) hoặc có thể vừa tăng vừa giảm (chuyển đỏi Buck-Boost)

3.1.2.2 Phần điều khiển

Phát triển mạnh, được nghiên cứu cải tiến liên tục với các mục tiêu chính là cải thiện được hiệu suất chuyển đổi, nâng cao công suất, tăng độ chính xác giảm gọn áp và gọn dòng, giảm diện tích thi công, tốc độ đáp ứng tăng

Hình 3-3: Mạch buck converter [16]

Dựa vào đặc tính hoạt động trên ta có thể so sánh ưu điểm, khuyết điểm và ứng dụng của hai mạch nguồn này:

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

22

- Chỉ cấp được điện áp thấp ngõ vào

- Ngõ ra và vào luôn có một cực chung sẽ dẫn đến khó khăn khi thiết kế bảo vệ nguồn độc lập

Bảng 3-1 Bảng so sánh ưu điểm và khuyết điểm giữa LDO và SMPS [15]

SMPS

Hiệu suất cao hơn 90%

Có thể tăng hoặc giảm áp

Có thể bảo vệ độc lập nguồn cấp và nguồn biến đổi bằng biến thế xung

Khuyết điểm

- Hiệu suất thấp nếu chênh lệch điện áp điều chỉnh lớn

Sử dụng xung điều khiển nên dễ dẫn đến nhiễu hệ thống gây ra sai số

Mạch thiết kế phức tạp hơn

ứng dụng

Sử dụng trong các ứng dụng cần giảm

áp hoặc giảm áp bên trong vi xử lí

Sử dụng trong hầu hết cách mạch nguồn, hoặc chuyển đổi năng lượng yêu cầu hiệu suất cao

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

22

Khi khóa s đặt tại vị trí 1 trong khoảng thời gian D.T trên Hình 3-4 sẽ có dòng điện chạy qua cuộn dây, với D được định nghĩa là tỉ số giữa thời gian khoá s ở vị trí 1 trong một chu kỳ T Dòng điện chạy qua cuộn dây tăng tuyến tính nạp vào tụ điện, điện thế v0 tăng

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

22

Khi khóa s bật sang vị trí 2, dòng điện vẫn tiếp tục duy trì nhờ hiện tượng tự cảm trên cuộn dây, trong khoảng thời gian (1 - D)T thì:

Trong đó: 0 < D < 1 nên =>v 0< vin

Tuỳ thuộc vào tải tiêu thụ, mạch chuyển đổi buck có thể hoạt động một trong hai chế độ: chế

độ thường dẫn CCM và chế độ dẫn không liên tục DCM Ở chế độ CCM, cuộn dây luôn có dòng điện chạy qua được mô tả bởi hình 3-5 Chế độ DCM, có những khoảng thời gian dòng điện qua cuộn dây IL bằng 0

Hình 3-6 Dòng điện qua cuộn dãy qui định trạng thái CCM(a) hay DCM (b)

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

22

Trong thiết kế vi mạch thực tế, một MOSFET kênh p dùng thay cho khóa s dẫn mức cao, và một MOSFET kênh N dùng dẫn mức thấp thay cho diode D trong hình 3-3 nhằm cải thiện được hiệu suất mạch

Hình 3-7 Sơ đồ mạch bộ chuyển đổi buck dùngMOSFET

3.2.2.1 MOSFET công suất Qí và Q2

MOSFET Qí dùng dẫn điện áp cao Vin vào mạch cấp dòng qua cuộn dây nạp vào tụ, Q2 dùng dẫn thấp giữ ổn định dòng điện từ cuộn dây qua tải rồi qua Q2 Hai MOSFET Qí và Q2 được điều khiển tuần tự đồng bộ với tần số chuyển mạch fsw, tín hiệu điều khiển tác động độc lập lên Q1 và Q2 tránh trường hợp chồng lấp làm cả hai MOSFET QI, Q2 cùng dẫn sẽ dẫn Yêu cầu Q1 và Q2 phải có ông suất của phải đủ lớn để điện trở cực máng và cực nguồn Ton ở trạng thái dẫn phải thấp để giảm mất mát công suất trên Q1 và Q2

Hình 3-8 Dòng dẫn qua hai MOSFET tăng vọt khi Q1 và Q2 đều dẫn

3.2.2.2 Mạch lái MOSFET

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

22

Mạch lái là một phần quan trọng trong mạch chuyển đổi buck, đóng vay trò giống nhu một

bộ đệm dòng và làm cho dạng sóng PWM trở nên mượt mà hơn đóng mở PMOS và NMOS nhanh chóng, giảm công suất tiêu tán trong quá trình thay đổi trạng thái, cổng lái có thể gồm chuỗi các

bộ điệm là các cổng đảo vào các cổng đảo với các transistor đã được định kích thước trước để phù hợp với kích thước khóa công suất

Hình 3-9 Mạch lái dùng cổng NOT có dạng Taper Buffer

Vấn đề chính trong quá trình thiết kế mạch lái là công suất tiêu tán do tín hiệu chuyển trạng thái Do vậy để mở rộng hiệu suất chuyển đổi năng lượng của bộ buck cần tối ưu kích thước cho MOSFETs đảm bảo thông số kỹ thuật nhưng phải tiêu thụ công suất tối thiểu

Tính toán các giá trị cuộn dây ảnh hưởng trực tiếp độ biến đổi dòng trên cuộn dây &1 L,

cũng như khả năng cấp dòng của mạch buck Cuộn dây thông thường có giá trị điện trở nội R L,

việc giảm giá trị này sẽ cải thiện hiệu suất của bộ buck Đối với

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

Xét một mạch buck như hình 3-6 ở trạng thái xác lập thường dẫn, trong thời gian Q1 dẫn và Q2 ngưng:

Lượng tăng dòng bằng lượng giảm:

Hình 3-10: Dòng qua cuộn dây ở trạng thái xác lập

L MỊN : Giá trị tối thiểu của của cuộn dây được dùng to\: Thời gian Q1 bật

V L (ON): Điện áp trên cuộn dây khi Q1 dẫn, Q2tắt

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

22

Áp dụng định luật Kirchoff cho mạch hình 3-10, ta được:

VL(ON) = Vi - VQ1 - v0 VQ1: Giảm áp trên MOSFET Q1 khi Q1 dẫn, và:

Với AI L = LIR X I Oimax , LIR: Tỉ lệ gọn dòng so với dòng điện cực tải Io

Để giảm gọn dòng trên tải ta có thể tăng trị số cuộn dây, khi kích thước của cuộn dây càng lớn thì cường độ dòng cực đại và độ gọn của nó cũng sẽ giảm, từ đó có thể làm tăng hiệu suất chuyển đổi Nhưng phải chịu thiệt giữa kích thước thiết kế và hiệu suất bộ chuyển đổi DC-

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

22

V Q +VQ2 Vi-V Q1 +V Q2

Từ biểu thức (3-28) ta thấy có mối quan hệ giữa độ tự cảm L của cuộn dây và độ gọn

dòng àI L = LIR X /o max Trong thiết kế giá trị LIR thường được tối ưu hóa khoảng 20% đến 40% dòng điện cực đại trên tải [17]

3.2.2.4 Tụ điện ngõ ra Cout Bên cạnh cuộn dây tầng ngõ ra, điện dung tụ điện Cout lại ảnh hưởng đến thời gian đáp ứng của bộ buck, độ vượt lố điện áp ngõ ra khi thay tải mạch ngoài và gọn

(3.28)

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

22

áp ÙVpp ở ngõ ra Việc tăng giá trị điện dung c làm giảm độ gợn áp nhưng lại ảnh hưởng đến

thời gian đáp ứng của hệ thống Tương tự cuộn dây, tụ điện cũng có điện trở tương đương nối tiếp Rc, giá trị điện trở này sẽ ảnh hưởng đến gợn áp và hiệu suất hệ thống Do đó, các thiết kế chọn tụ chất lượng cao giảm được giá trị Rc, thực hiện kỹ thuật đơn giản là ghép nhiều tụ song song giảm giá trị điện trở

Tác dụng của tụ điện là ổn định điện áp ngõ ra và giảm thiểu độ gợn áp ÙVpp Gọi CVR

là tỉ số độ gợn áp và điện áp ngõ ra, một thông số đánh giá sự ổn định điện, khi đó ta được hệ thức bên dưới:

AVpp = CVR X vo

Giá trị cực đại của điện trở nối tiếp tụ điện có thể được tính dựa vào gợn áp cực đại àVpp,

và dòng tải cực đại

Nhìn vào biểu thức (3.30), muốn cho gợn áp thấp với dòng Lut,max không đổi thì Rc phải nhỏ

Ở trạng thái thường dẫn, dòng điện tăng trên tụ bằng dòng điện giảm qua tụ Khi ở trạng thái xác lập thì dòng qua tụ bằng không

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

22

Thay (3.32) vào (3.35) ta được:

_ LIR out,max MỈN ~ 8fswXCVRXV0

Biểu thức tính C MIN trên chỉ nói lên sự ảnh hưởng của tụ đến gọn dòng và gọn áp trên tụ điện ở ngõ ra Tuy nhiên tụ điện trong thực tế còn phải có khả năng đáp ứng sự thay đổi về tải tiêu thụ, tức khả năng đáp ứng sự thay đổi dòng tiêu thụ mà vẫn giữ được giá trị điện áp ngõ ra Khi tải tiêu thụ giảm từ cao xuống thấp, điện áp ngõ ra tăng lên trong một khoảng thời gian trong khi bộ biến đổi điều chỉnh chu kỳ tác động D nhằm trả điện áp ra về giá trị điều chỉnh ban đầu Điện áp tạm thời ở ngõ ra lúc bấy giờ chính là điện áp vượt lố Vov- Và trường hợp tệ nhất là khi tải tiêu thụ từ cao nhất về trạng thái không tải Do đó, tụ điện ngõ ra cũng phải có giá trị phù họp

và có thể xử lí được trạng thái biến đổi này

Hình 3-14: Sự vọt ỉố và gợn áp ở ngỗ ra khi thay đối tải.

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

Cả hai biểu thức (3.35) và (3.38) điều có thể dùng để lựa chọn tụ điện Tuy nhiên, cũng

có sự đánh đổi giữa độ gọn áp và thời gian đáp ứng biến đổi điện áp ngõ ra

3.2.2.5 Tụ điện ngõ vào Cin:

Chức năng tụ điện ngõ vào là lọc các các bất ổn dòng điện từ nguồn trước khi vào mạch buck Trong mạch lý tưởng nó dùng để ổn định dòng điện cho các điều kiện tải hoặc khi khởi động mạch

Ta có:

Pout

Trong đó:

T|: Hiệu suất bộ chuyển đổi

Pm: tổng công suất vào

Pout: Tổng công suất ra

V^in^in ^out^out

T _ D-Iout ' 1 ìn

(3.4Ọ)

(3.41) (3.42)

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

Hĩnh 3-15: Mạch Buck converter trong trạng thái Q1 mở có tụ điện ngõ vào

Thay Im và Isw theo lout ta đuợc sụ phụ thuộc điện tích nạp cho tụ điện ngõ vào:

Với n: số pha sử dụng, nếu mạch chỉ có một phase n =1

Từ đây ta có thể thấy đuợc giá trị tụ điện ngõ vào không thể thấp hơn:

C; > dQ '“ pmin = (D - D 2 )

dv in n-fsw-dv in

Trong đó:

dVin gợn áp cho phép trên tụ điện ngõ vào

Vì trên tụ điện ngõ vào cũng có điện trở nối tiếp nên cũng gây ra hao phí và tỏa nhiệt khi sử dụng

(3.47)

Với giá trị hiệu dụng của dòng điện trên tụ điện ngõ vào [18]:

—I, Ỉ—I— Iĩw ~~<

+

Vin 1

!

01 ễ ư -,Cin

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS TS Hoàng Trang

22

Một cách tương đối giá trị hiệu dụng của dòng:

IcinRMS — —

3.2.2.6 Bộ hồi tiếp điện áp:

Hầu hết các bộ chuyển đổi buck thường sử dụng chế độ điều

khiển điện áp, khi đó điện áp ra được nối với cầu chia áp, bộ hồi tiếp

cũng được tích hợp vi mạch nếu điện áp ra cố định

Dựa vào điện áp tham chiếu và điện áp ngõ ra được thiết kế ra có

được mối liên hệ giữa các giá trị điện trở R1 và R2 Ở cầu chia điện thế

(3.50) Hình 3-16 Dùng cầu phân áp lẩy mẫu điện

(3.51) áp ngõ ra

Tùy thuộc vào dòng điện ngõ vào phân cực của bộ khuếch đại vi sai mà dòng điện qua cầu chia thế phải có giá trị

tối thiểu 100 lần so với dòng điện phân cực Do đó, để tăng dòng điện trên

cầu chia điện thế ta có thể giảm giá trị điện trở R] và R2 làm tăng độ chính

xác của phép đo điện áp ở ngõ ra Tuy nhiên, điều này sẽ làm cho hao phí

ở cầu chia áp này tăng theo

3.2.2.7 Bộ điều khiển độ rộng xung (PWM):

Bộ điều chế xung PWM có tác dụng điều khiển thời gian mở

MOSFET nối với nguồn Vin Điều này được thực hiện bằng cách điều

chỉnh tỉ lệ D giữ cho điện áp ra bằng với giá trị ngưỡng

IcinRMS = - knlAVCì) 2 + X D + lỉníAVGÌ X (1 - B) (3.4S)

v out _ R Ị + R

2

V FB R Z