Báo cáo đồ án Tính toán thiết kế nguồn xung Boost converter

Mục tiêu trong Đồ án 2 này là giúp người học tích lũy thêm kiến thức về nguồn xung, trau dồi kinh nghiệm tính toán với các mạch điện tử nói chung và điện tử công suất nói riêng, cũng như làm quen với các linh kiện công suất, lựa chọn linh kiện phù hợp. Trên tinh thần đó, em đã lựa chọn đề tài “Thiết kế nguồn xung – boost converter, đầu vào pin AA 1,5VDC đầu ra 5VDC0.2A” để nghiên cứu và thực hiện trong phạm vi học phần này. Để thấy được tính ứng dụng của đề tài, trong phần thiết kế này em có bổ sung thêm phần tải cho đầu ra của nguồn theo yêu cầu của giảng viên hướng dẫn. Tải bao gồm một vi điều khiển sử dùng nguồn 5V0.2A điều khiển dải bóng led bậttắt

THIẾT KẾ NGUỒN XUNG – BOOST CONVERTER

ĐẦU VÀO PIN AA / 1,5V - ĐẦU RA 5V/0.2A

Giáo viên hướng dẫn : THS ĐÀO ĐỨC THỊNH Sinh viên thực hiện : PHÙNG TIẾN DŨNG Lớp : ĐK TĐH 03 – K61 MSSV : 20160706

Hà Nội, 1/2020

THIẾT KẾ NGUỒN XUNG – BOOST CONVERTER

ĐẦU VÀO PIN AA / 1,5V - ĐẦU RA 5V/0.2A

Giáo viên hướng dẫn : THS ĐÀO ĐỨC THỊNH Sinh viên thực hiện : PHÙNG TIẾN DŨNG Lớp : ĐK TĐH 03 – K61 MSSV : 20160706

Hà Nội, 1/2020

3

MỤC LỤC

PHẦN I – MỞ ĐẦU 4

PHẦN 2 – NỘI DUNG ĐỀ TÀI 5

I Tổng quan 5

1 Bộ băm xung áp một chiều 5

2 Phân loại nguồn xung 6

II Thiết kế nguồn Boost converter 8

1 Nguồn boost và nguyên lý hoạt động 8

2 Tính toán mạch nguyên lý theo yêu cầu 9

3 Lựa chọn linh kiện 12

4 Bố trí mạch in 17

5 Ghép nối với tải 18

III Kết quả, đánh giá 19

1 Kết quả 19

2 Ưu - nhược điểm: 21

PHẦN 3 – KẾT LUẬN, RÚT KINH NGHIỆM 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

4

PHẦN I – MỞ ĐẦU

Sự hoàn thiện của công nghệ vật liệu bán dẫn công suất và kỹ thuật điều khiển đã tạo điều kiện cho ngành Tự động hóa phát triển vượt bậc trong những thập kỷ gần đây Hiện nay các thiết bị điện tử công suất chiếm hơn 30% trong số các thiết bị của một xí nghiệp công nghiệp hiện đại Các ngành liên quan ngày càng dành sự quan tâm nhiều hơn đến vấn đfề tối ưu công suất trong sản xuất, chế tạo trang thiết bị điện Việc thay thế các phần tử động có tiếp điểm và kích thước lớn bằng những phần tử tĩnh không tiếp điểm, kích thước nhỏ, công suất lớn là nghiệm vụ không thể thay thế của điện tử công suất Điện tử công suất đã và đang góp phần giải quyết những bài toán kỹ thuật kỹ thuật phức tạp trong lĩnh vưc tự động hóa cũng như trong cuộc sống hằng ngày

Một trong những quan tâm của hướng nghiên cứu điện tử công suất là nguồn xung Nguồn xung được sử dụng ngày càng rộng rãi do có ưu điểm hiệu suất cao, ít tỏa nhiệt và kích thước nhỏ hơn nhiều so với nguồn tuyến tính có cùng công suất Nguồn xung ngày càng được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử, các thiết

bị vật dụng gia đình Dễ thấy có thể kể đến như: bếp từ, lò vi sóng, nồi cơm

điện,…

Mục tiêu trong Đồ án 2 này là giúp người học tích lũy thêm kiến thức về

nguồn xung, trau dồi kinh nghiệm tính toán với các mạch điện tử nói chung và điện

tử công suất nói riêng, cũng như làm quen với các linh kiện công suất, lựa chọn

linh kiện phù hợp Trên tinh thần đó, em đã lựa chọn đề tài “Thiết kế nguồn xung

– boost converter, đầu vào pin AA / 1,5VDC - đầu ra 5VDC/0.2A” để nghiên

cứu và thực hiện trong phạm vi học phần này Để thấy được tính ứng dụng của đề tài, trong phần thiết kế này em có bổ sung thêm phần tải cho đầu ra của nguồn theo yêu cầu của giảng viên hướng dẫn Tải bao gồm một vi điều khiển sử dùng nguồn 5V/0.2A điều khiển bóng led bật-tắt

Em xin chân thành cảm ơn thầy Đào Đức Thịnh đã định hướng cho em lựa chọn đề tài và hướng dẫn để em có thể hoàn thành được môn học

Để đóng cắt điện áp nguồn người ta thường dùng các kháo điện tử công suất

vì chúng có đặc tính tương ứng với khóa lý tưởng, tức là khi khóa dẫn điện (đóng) điện trở của nó không đáng kể; còn khí khóa bị ngắt (mở) điện trở của

nó vô cùng lớn làm cho điện áp trên tải sẽ bằng không

1 Bộ băm xung áp một chiều

Các bộ băm áp một chiều thường gặp hiện nay là các bộ băm áp nối tiếp Trong phần giới thiệu thiết kế này quan tâm nhiều đến các bộ băm áp loại đó

Sơ đồ nguyên lý băm áp một chiều nối tiếp giới thiệu trên hình 1.a Theo đó phần tử chuyển mạch tạo các xung điện áp mắc nối tiếp với tải Điện áp một chiều được điều khiển bằng cách điểu khiển thời gian đóng khoá K trong chu

kì đóng cắt Trong khoảng 0 – t1 (hình 1.b) khoá K đóng điện áp tải bằng điện

áp nguồn (Ud= U1), trong khoảng t1 -t2 khóa K mở, điện áp tải bằng 0

𝜏 - thời gian đóng khóa K

𝛾 – hệ số điều chỉnh

6

T = TCK – chu kỳ đóng cắt của khóa K

U =U1 - Điện áp nguồn

Biểu thức cho thấy, để thay đổi điện áp trên tải có hai cách:

- Cách 1: Thay đổi thời gian đóng khóa K, khi giữ chu kỳ đóng cắt không đổi (Phương pháp điều chế độ rộng xung)

- Cách 2: Thay đổi tần số đóng cắt (f=1/T), giữ thời gian đóng khóa K không đổi

Như vậy, BBĐXA có khả năng điều chỉnh và ổn định điện áp ra trên phụ tải

Nó có những ưu điểm cơ bản sau:

- Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi không đáng kể so với các bộ biến đổi liên tục

- Độ chính xác cao cũng như ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường, vì yếu tố điều chỉnh là thời gian đóng cắt khóa K mà không phải giá trị điện trở của các phần tử điều chỉnh thường gặp trong các bộ điều chỉnh liên tục

- Chất lượng điện áp tốt hơn so với các bộ biến đổi liên tục

- Kích thước nhỏ

Nhược điểm cơ bản của các BBĐXA là:

- Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính của bộ biến đổi khi làm việc trong hệ thống kín

- Tần số đóng cắt lướn sẽ tạo ra nhiễu cho nguồn cũng như các thiết bị điều khiển

Tuy nhiên, BBĐXA vẫn được ứng dụng rộng rãi, nhất là khi các yếu tố về

độ tin cậy, dễ điều chỉnh, độ ổn định cũng như kích thước là những tiêu chí được đặt lên hàng đầu

Đối với các bộ biến đổi công suất trung bình (hàng chục kW) và nhỏ (vài kW), người ta thường dùng các khóa điện tử là các bóng bán dẫn lưỡng cực IGBT Trong trường hợp công suất lơn vài trăm kW trở lên người ta sử dụng GTO hoặc tiristo

2 Phân loại nguồn xung

Nguồn xung (hay nguồn tổ ong, nguồn switching) được sử dụng ngày càng rộng rãi do có ưu điểm hiệu suất cao, ít tỏa nhiệt và kích thước nhỏ

Đây là loại thông dụng nhất trong các loại nguồn xung thông dụng

Người ta sử dụng nó trong các mạch với đầu vào DC lớn (24-48V) với các mức đầu ra 15V, 12V, 9V, 5V… với hao phí điện năng rất thấp Buck

converter sử dụng một transistor để đóng cắt liên tục theo chu kỳ điện áp đầu vào qua một cuộn dây

- Boost: ngược lại so với Buck, điện áp đầu ra lớn hơn đầu vào

Trong nguồn Boot thì điện áp đầu ra lớn hơn so với điện áp đầu vào do

đó công suất đầu vào phải lớn hơn so vói công suất đầu ra Công suất đầu ra phụ thuộc vào cuộn cảm L.Hiệu suất của nguồn Boot cũng khá cao nên được dùng nhiều trong các mạch nâng áp do nó truyền trực tiếp nên công suất của

nó rất lớn Ví dụ như mạch biến đổi từ nguồn 12VDC lên 310VDC chả hạn Nguồn boost có 2 chế độ:

+ Chế độ không liên tục: Nếu điện cảm của cuộn cảm quá nhỏ, thì trong một chu kỳ đóng cắt, dòng điện sẽ tăng dần nạp năng lượng cho điện cảm rồi giảm dần, phóng năng lượng từ điện cảm sang tải Vì điện cảm nhỏ nên năng lượng trong điện cảm cũng nhỏ, nên hết một chu kỳ, thì năng lượng trong điện cảm cũng giảm đến 0 Tức là trong một chu kỳ dòng điện sẽ tăng từ 0 đễn max rồi giảm về 0

+ Chế độ liên tục: Nếu điện cảm rất lớn, thì dòng điện trong 1 chu kỳ điện cảm sẽ không thay đổi nhiều mà chỉ dao động quanh giá trị trung bình.Chế độ liên tục có hiệu suất và chất lượng bộ nguồn tốt hơn nhiều chế độ không liên tục, nhưng đòi hỏi cuộn cảm có giá trị lớn hơn nhiều lần

- Buck-Boost (inverting):

Boost Converter là bộ biến đổi nguồn DC-DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào Nó chứa ít nhất hai chuyển mạch bán dẫn (một diode và một transistor) và ít nhất một phần tử tích lũy năng lượng, một tụ điện, một cuộn dây hoặc cả hai

II Thiết kế nguồn Boost converter

1 Nguồn boost và nguyên lý hoạt động

Mạch boost converter cho điện áp DC đầu ra cao hơn đầu vào (cùng dấu)

Sơ đồ nguyên lý mạch boost converter như sau:

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý mạch boost

Mạch điện này sẽ gồm 4 linh kiện điện tử cơ bản (hình 2a) đó là cuộn dây

L, khóa chuyển mạch Mosfet ( có thể là BJT) ,diode D và tụ điện C

Khi Mosfet dẫn (hình 2b) lúc này điện áp VL = Vg =L 𝑑𝑖𝐿

𝑑𝑡 (giả thiết van là

lý tường tức khi thông dòng trở CE bằng 0) lúc này diode D ngắt do bị phân cực ngược và nó sẽ cắt mạch tải ra khỏi nguồn E đồng thời dòng trong cuộn

Tùy thuộc vào khả năng tích lũy năng lượng của cuộn cảm và tụ điện mà

ta có hai chế độ dòng liên tục và dòng không liên tục (trở về 0 trong khi tụ xả hêt năng lượng)

2 Tính toán mạch nguyên lý theo yêu cầu

*) Giả thiết:

- Mạch hoạt động ở trạng thái xác lập

- Dòng qua cuộn cảm liên tục và luôn dương

- Tụ điện có giá trị đủ lớn

- Điện áp ngõ ra không đổi có giá trị UO = 5V

- Điện áp ngõ vào có giá trị Ug = 1.5V

- Dòng qua tải: IO = 0.2A

𝑇𝑠−𝑡𝑥 Ug Tại t = tx, ta có: Imin + Ug

𝐿 tx = Imax

Từ đây suy ra độ đập mạch dòng điện bằng:

∆IL = Imax – Imin = Ug

𝐿 tx = Ug

với D = tx /Ts là tham số điều chỉnh và 0<D<1

Vì 𝑇𝑠

tăng áp Về ý nghĩa vật lý, từ các hệ phương trình trên cũng có thể thấy rằng mạch chỉ có thể làm việc trong chế độ xác lập nếu như trong khoảng t ∈(tx,Ts) dòng trong cuộn cảm phải có tốc độ âm (dòng phải giảm), tức là:

𝑈𝑔−𝑈𝑜

𝐿 < 0, hay Uo > Ug

Có thể xác định dòng IL từ mối quan hệ về công suất giữa đầu ra với đầu vào Bỏ qua tổn hao trên các phần tử thì công suất trung bình lấy từ nguồn phải bằng công suất trên tải, nghĩa là:

UgIL = UoIo

Do đó: Io = IL (𝑇𝑠−𝑡𝑥

𝑇𝑠 ) = (1 − 𝑡𝑥

𝑇𝑠) IL = (1 – D)IL (1) Đối với điện áp ta cũng có mối quan hệ giữa điện áp đầu ra, đầu vào như sau:

Hình 3 Dạng xung dòng điện, điện áp của các phần tử trên sơ đồ

Áp dụng công thức (7.40), (7.41), (7.42), (7.43), (7.44) trang 208 của Giáo trình Điện Tử Công Suất - Trần Trọng Minh ta có:

- Dòng đỉnh qua van và diot:

IVmax = IDmax = IL + ∆IL /2 = IL + 1

2 DT𝑠 𝑈𝑔

𝐿

- Dòng trung bình qua van và diot:

IV = DTs IL ; ID = (1-D)TsIL Trong đó D = t/Ts là tham số điều chỉnh và và 0 < D < 1

3 Lựa chọn linh kiện

13

- IC tạo xung

Vì nguồn nuôi chỉ 1.5VDC nên đề tài này lựa chọn IC CE8301

IC CE8301 là bộ điều khiển PFM CMOS sử dụng trong chuyển đổi tăng

áp một chiều(DC / DC), chủ yếu bao gồm một điện áp tham chiếu nguồn, một

bộ tạo dao động và một bộ so sánh, ngoài ra còn có một khối bảo vệ quá dòng

Thông số như sau:

+ Vmin = 0.9V

+ Hiệu suất lớn nhất: 85% (typ) + Điện áp ra Vout đạt trong dải từ 1.8V-6.5V, bước 0.1V + Chu kỳ đóng cắt Ts = 10us

Hình 4 Sơ đồ nguyên lý của CE8301

Suy ra L1 = 52.5uH Chọn lại L1 = 47uH

Khi đó ∆IL = 22.3%, thỏa mãn điều kiện

Suy ra C2 = 140uF Chọn lại C2 = 100uF

Khi đó ∆UC = 1.4%, thảo mãn điều kiện

Lựa chọn linh kiện tụ nhôm 100uF -16V-VT

Hình 7 Tụ nhôm dán 100uF -16V -VT

16

- Lựa chon Diode xung D1

Lựa chọn đảm bảo tốc độ áp ứng nhanh, điện áp rơi trên điện áp

nhỏ.Trong đề tài này sử dụng Diode Schottky Barier là một diode xung với thông số:

Điện áp rơi = 0.47V (Ở nhiệt độ 25 ℃)

Điện áp đánh thủng = 40V

Dòng tối đa = 1A

Hình 8 Diode Schottky Barrier

- Đầu vào sử dụng pin AA 1.5VDC (Pin con thỏ) Một số thông số của pin:

17

Hình 9 Tụ dán 0.1uF

- Trong bố trí mạch thực tế ta luôn cần đặt một cơ cấu thông báo trạng thái thông mạch Để hạn dòng qua nhánh này tránh ảnh hưởng đến chất lượng dòng ra, cụ thể trong đề tài này sử dụng 1 led đỏ 2.2V và trở R1 =1000Ω Dòng qua nhánh này

18

Trên thực tế, các linh kiện công suất có các yếu tố nhạy cảm về mặt vật

lý mà không được thể hiện trên mạch nguyên lý như tỏa nhiệt linh kiện, sai số

- Các linh kiện Diode, tụ C2 và IC tạo thành vòng kín trên mạch

nguyên lý vì vậy trên bo mạch thật cũng cần bố trí chúng gần nhau nhất có thể

và cũng tạo thành vòng kín

- Cuộn cảm L và tụ C2 đóng vai trò quan trong trong chu trình phóng nạp vì vậy hai linh kiện này cùng với khóa mosfet cũng phải được bố trí

không quá xa nhau để qua trình phóng nạp xảy ra tức thì

Như vậy mạch cần được bố trí trong 1 không gian tối thiểu để hạn chế hở mạch không đáng có và tối ưu thời gian đáp ứng của cả mạch

5 Ghép nối với tải

Trong đề tài này, với đầu ra là 5V/0.2A, tải là Vi điều khiển diều khiển

cơ cấu bật – tắt là phù hợp

Tải gồm 8 bóng led 2V, mỗi bóng ghép nối tiếp với một điện trở hạn dòng có giá trị 200Ω

19

Như vậy dòng điện qua mỗi nhánh là: I nhánh = 5𝑉−2𝑉

200Ω = 0.015A Khi cả 8 bóng cùng sáng thì tổng dòng qua tải:

It = 8 * I nhánh = 0.12A < 0.2A Như vậy mạch đảm bảo không bị quá tải

Mạch nguyên lý ghép nối tải như hình dưới:

Hình 12 Mạch nguyên lý ghép nối vi điều khiển và tải

III Kết quả, đánh giá

1 Kết quả

Dựa vào các sơ đồ mạch điện và những tính toán thiết kế như trên, em đã tiến hành làm mạch in, lắp ráp mạch, cân chỉnh mạch, chạy thử nghiệm mạch sau đó chỉnh sửa các thông số trong mạch điện để có mạch điện ổn định, đáp ứng được các yêu cầu đề ra

Sử dụng đồng hồ vạn năng kiểm tra kết quả như hình dưới:

20

Hình 13.Tiến hành đo kết quả

Hình 14 Kết quả đo a) Điện áp ra khi có tải b) Điện áp ra khi không tải

- Mạch với đầu vào là pin AA 1.5V nên dòng đầu ra thấp, ít ứng dụng

- Nếu thiết kế mạch boost với đầu ra lớn thì mạch kém an toàn do không

có bảo vệ quá dòng, bên cạnh đó khi đầu ra càng lớn thì nhiễu của mạch cũng

càng lớn

22

PHẦN 3 – KẾT LUẬN, RÚT KINH NGHIỆM

Do nhu cầu chuyển đổi thông số mạch điện ngày càng nhiều khi mà lĩnh vực điện tử phát triển nên em nhận thấy việc nghiên cứu và thiết kế tối ưu các

bộ nguồn xung nói chung và nguồn boost nói riêng sẽ rất cần thiết Việc kết hợp bộ nguồn với bộ tạo xung cùng trên một thiết bị sẽ cũng rất phù hợp cho việc học tập cũng như nghiên cứu Đề tài ày cũng là tiền đề cho giúp em dễ dàng tiếp cận với lĩnh vực Điện tử công suất để hình thành những ý tưởng liên quan sau này

Với tất cả sự cố gắng trong thời hạn một học kỳ, em đã hoàn thành đề tài

“Thiết kế nguồn xung – boost converter, đầu vào pin AA / 1,5VDC - đầu

ra 5VDC/0.2A” được giao Tuy đã tạo ra sản phẩm chạy đúng theo yêu cầu

đề bài nhưng vì đây cũng là lần đầu em thực hiện một đề tài về Điện tử công suất , cụ thể là mạch nguồn xung nên không thể tránh khỏi sai sót và có thể bỏ qua những kiến thức cần thiết cho ứng dụng sau này Em rất mong nhận được

sự quan tâm và đóng góp ý kiến của thầy để có thể tiếp tục phát triển đề tài sau này

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy và chúc thầy sức khỏe!

23

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Giáo trình Điện tử công suất – Trần Trọng Minh, 2012

2 Phân tích và giải mạch điện tử công suất – Phạm Quốc Hải,

Dương Văn Nghi, 2002

3 Điện tử công suất – Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, 2004

4 Datasheet IC CE8301

5 Datasheet AT89S52