Đồ án môn Điện tử công suất: Thiết kế mạch DC - DC boost converter trình bày tổng quan mạch DC - DC boost converter; tính toán và lựa chọn phần tử mạch DC - DC boost converter; thiết kế nguyên lý và mạch in.
Trang 1TR ƯỜ NG Đ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ạ Ọ Ộ
VI N ĐI N Ệ Ệ
Gi ng viên hả ướng
d n:ẫ
GVC. THS. Đào Đ c Th nhứ ị Sinh viên th c hi n:ự ệ Nguy n Kh c Quânễ ắ 20174125
Hà N i, 1/2021ộ
Trang 2L i nói đ u ờ ầ
Trong lĩnh v c k thu t hi n đ i ngày nay, vi c ch t o ra các bự ỹ ậ ệ ạ ệ ế ạ ộ chuy n đ i ngu n có ch t lể ổ ồ ấ ượng đi n áp cao, kích thệ ước nh g n cho cácỏ ọ thi t b s d ng đi n là h t s c c n thi t. Quá trình x lý bi n đ i đi n ápế ị ử ụ ệ ế ứ ầ ế ử ế ổ ệ
m t chi u thành đi n áp m t chi u khác g i là quá trình bi n đ i DC – DC v iộ ề ệ ộ ề ọ ế ổ ớ các m ch bi n đ i ph bi n nh buck converter, boost converter, flybackạ ế ổ ổ ế ư converter… đã được h c trong h c ph n Đi n t công su t. Vi c đ a ki nọ ọ ầ ệ ử ấ ệ ư ế
th c vào th c ti n không còn là quá xa l đ i v i sinh viên đang theo h c t iứ ự ễ ạ ố ớ ọ ạ các trường đ i h c đ c bi t là các trạ ọ ặ ệ ường k thu t. Trong h c ph n đ án IIỹ ậ ọ ầ ồ này v i yêu c u thi t k m t m ch đi n t công su t, em đã l a ch n đ tài:ớ ầ ế ế ộ ạ ệ ử ấ ự ọ ề
“Thi t k m ch DC DC boost converter”.ế ế ạ
Em xin chân thành c m n th y Đào Đ c Th nh đã t n tình quan tâmả ơ ầ ứ ị ậ
hướng d n em trong su t th i gian qua. Do còn vi c h n ch v trình đẫ ố ờ ệ ạ ế ề ộ ngo i ng , chuyên môn và thi u kinh nghi m làm bài nên đ án c a em cònạ ữ ế ệ ồ ủ nhi u khi m khuy t, sai sót. Em mong nh n đề ế ế ậ ược nhi u ý ki n đóng góp cũngề ế
nh nh ng l i khuyên h u ích t th y có th th y rõ nh ng đi u c n nghiênư ữ ờ ữ ừ ầ ể ấ ữ ề ầ
c u b sung, giúp cho vi c xây d ng đ tài đ t đ n k t qu hoàn thi n h n vàứ ổ ệ ự ề ạ ế ế ả ệ ơ
t o ti n đ cho em sau này.ạ ề ề
Trang 3M C L C Ụ Ụ
Trang 4DANH M C HÌNH VỤ Ẽ
DANH M C B NGỤ Ả
Trang 5CHƯƠNG 1 PHÂN TÍCH NHI M VỆ Ụ
1.1 Đ tàiề
Thi t k m ch DC – DC boost converter v i yêu c u k thu t:ế ế ạ ớ ầ ỹ ậ
Vin = 2,7 – 4,2V
Vout = 5V, sai s 5%ố
Iout, max = 2A
Có b o v đi n áp đ u vàoả ệ ệ ầ
1.2 M c đích nghiên c uụ ứ
H c ph n đ án 2 đ nh họ ầ ồ ị ướng sinh viên làm m ch đi n t công su t đạ ệ ử ấ ể giúp sinh viên n m v ng ki n th c và bi t cách áp d ng vào th c ti n. Làmắ ữ ế ứ ế ụ ự ễ quen v i thi t k và làm m ch th t.ớ ế ế ạ ậ
Thi t k m ch boost converter không quá ph c t p nh ng v n đ đi uế ế ạ ứ ạ ư ấ ề ề khi n nh m đ t để ằ ạ ược hi u su t bi n đ i cao và đ m b o n đ nh luôn là m cệ ấ ế ổ ả ả ổ ị ụ tiêu c a các công trình nghiên c u.ủ ứ
1.3 Ph m vi nghiên c uạ ứ
Nghiên c u d a trên ki n th c đã h c trong h c ph n đi n t công su tứ ự ế ứ ọ ọ ầ ệ ử ấ Tìm hi u thêm ki n th c trên internet và th y giáo, b n bèể ế ứ ầ ạ
1.4 N i dung nghiên c uộ ứ
Báo cáo g m 6 chồ ương:
Phân tích nhi m vệ ụ
T ng quan m ch DC – DC boost converterổ ạ
Tính toán và l a ch n ph n t m ch boost converterự ọ ầ ử ạ
Thi t k nguyên lý và m ch inế ế ạ
K t qu th c nghi mế ả ự ệ
K t lu nế ậ
5
Trang 6CHƯƠNG 2 T NG QUAN M CH DCDC BOOST CONVERTERỔ Ạ
2.1 C u t o và s đ nguyên lýấ ạ ơ ồ
DCDC boost converter (hay DCDC stepup converter) là b chuy n đ i ngu n DCộ ể ổ ồ sang DC
có ch c năngứ tăng đi n áp (trong khi gi mệ ả dòng
đi n) t đ u vào (ngu n cung c p) đ n đ u ra (t i).ệ ừ ầ ồ ấ ế ầ ả
M ch này g m 4 linh ki n đi n t c b n đó là cu n dây L, khóa chuy nạ ồ ệ ệ ử ơ ả ộ ể
m ch Mosfet, diode D và t đi n C.ạ ụ ệ
Ngu n cho m ch tăng áp có th đ n t b t k ngu n DC phù h p nào,ồ ạ ể ế ừ ấ ỳ ồ ợ
ch ng h n nh pin lion, pin m t tr i, b ch nh l u và máy phát đi n m tẳ ạ ư ặ ờ ộ ỉ ư ệ ộ chi u.ề
2.2 Nguyên lý ho t đ ngạ ộ
Khi Mosfet d n (kích vào chân G) lúc này đi n áp trên L b ng Vẫ ệ ằ in, lúc này diode D ng t do b phân c c ngắ ị ự ược và nó s c t m ch t i ra kh i ngu n đ ngẽ ắ ạ ả ỏ ồ ồ
th i dòng trong cu n dây L s xu t hi n và tăng d n t giá tr ban đ u làờ ộ ẽ ấ ệ ầ ừ ị ầ IL,min,lúc này dòng qua t i đả ược duy trì nh t C đóng vai trò là ngu n (T Cờ ụ ồ ụ phóng)
Đ n th i đi m ta cho Mosfet ng t lúc này trên cu n dây L xu t hi n m tế ờ ể ắ ộ ấ ệ ộ
đi n áp t c m ch ng l i s gi m dòng Iệ ự ả ố ạ ự ả L. Đi n áp t c m này c ng v iệ ự ả ộ ớ ngu n Vồ in có chi u dề ương đ t v o chân Anot c a diode làm diode d n ngayặ ầ ủ ẫ
l p t c và nó n p b xung cho t C.ậ ự ạ ổ ụ
Quá trình nh v y c l p đi l p ra và có đi n áp c p cho t i. Hình bênư ậ ứ ặ ặ ệ ấ ả
di n t rõ h n quá trình này.ễ ả ơ
2.3 Ứng d ngụ
Làm m ch desunfat b o dạ ả ưỡng c quy,c p ngu n cho các thi t bắ ấ ồ ế ị đòi h i đi n áp cao c vài ch c Vôn nh ng ngu n c p có đi n áp th p c 1.5Vỏ ệ ỡ ụ ư ồ ấ ệ ấ ỡ hay 3.7V. Nâng áp trong các m nh ngu n xung nh TV, LED.ạ ồ ư
6
Trang 7CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ L A CH N PH N T M CH DCỰ Ọ Ầ Ử Ạ
DC BOOST CONVERTER 3.1 Tính toán và l a ch n ph n tự ọ ầ ử
đây ta tính toán cho m ch boost converter s d ng ic boost tích h p
mosfet ho t đ ng ch đ liên t c.ạ ộ ở ế ộ ụ
Hình : M ch boost converter ạ
3.1.1 Thông s yêu c uố ầ
Vi = 2,7 4,2V
Vo = 5V, sai s 5%ố
Io,max = 2A
3.1.2 Tính toán m ch l c ạ ự
Sau nhi u l n tính toán v i các t n s khác nhau thì f = 1,2MHz là gi i phápề ầ ớ ầ ố ả
được ch n.ọ
D = 1 = 1 = 0,46
T = 1/f = 0,83 (µs)
ton = T.D = 0,38 (µs)
Ch n cu n c mọ ộ ả
IL = = = 3,7A
Ch n ọ ∆IL = 10%IL = 0,37A
L = = = 2,77 µH
Ch n cu n c m có L = 4,7µHọ ộ ả
IL,max = IL + 0,5
= 3,7 + 0,5. = 3,8A
Ch n cu n c m 4,7µH, 4Aọ ộ ả
Ch n t đi nọ ụ ệ
Ch n Uọ C = Vo = 5.2% = 0,1V
C = = = 7,6 µF
Ch n t 106ọ ụ
7
Trang 8 Ch n diodeọ
ID = IL(1D) = 3,7.(10,46) = 2A
ID,max = IL + 0,5 = 3,7 + 0,5. = 3,8A
Ung,max = ksVo = 10V
Ch n diode Schottky 1N5824 10A, 40V. T c đ đóng c t nhanh c a Diodeọ ố ộ ắ ủ 1N5824 giúp cho m ch đi n ho t đ ng t t t i băng t n 200kHz~2MHz.ạ ệ ạ ộ ố ạ ầ
Đ phù h p v i ki n th c đã h c và đ n gi n hóa m ch, ta ch nể ợ ớ ế ứ ọ ơ ả ạ ọ
gi i pháp s d ng ic boost có tích h p s n mosfet.ả ử ụ ợ ẵ
IV = IL.D = 3,7.0,46 = 1,7 A
IV,max = IL + 0,5 = 3,7 + 0,5.= 3,8A
UDS.max = ksVo = 10V
Ch n ic SX1308 v i các thông s sau:ọ ớ ố
Tích h p Mosfet công su t 80mΩợ ấ
Ngu n vào : 2V đ n 24Vồ ế
T n s chuy n đ i : 1,2MHzầ ố ể ổ
Dòng gi i h n : 4Aớ ạ
Đi u ch nh đi n áp đ u ra : max 28Về ỉ ệ ầ
Tính b chi t ápộ ế
SX1308 có VFB = 0,6V
R1 = R2. = 7,33.R2
Ch n Rọ 2 = 2 k ; RΩ 1 = 15 kΩ
3.2 Mô ph ng trong Psimỏ
Hình :S đ mô ph ng psim ơ ồ ỏ
K t qu mô ph ng:ế ả ỏ
8
Trang 9Hình : K t qu mô ph ng psim ế ả ỏ
Đ i lạ ượng
(0.00030.0004s)
Giá tr trung bình ị Giá tr l n nh tị ớ ấ Giá tr nh nh tị ỏ ấ
Uout (V) 4.9977069e+000 5.0407876e+000 4.9579220e+000
IL (A) 3.7039492e+000 3.8068116e+000 3.5958934e+000
ID (A) 1.8509628e+000 3.7945108e+000
IV (A) 1.8529864e+000 3.8068121e+000
B ng : K t qu mô ph ng psim ả ế ả ỏ
Nh n xét:ậ k t qu tính toán không sai khác nhi u v i k t qu môế ả ề ớ ế ả
ph ngỏ
9
Trang 10CHƯƠNG 4 THI T K NGUYÊN LÝ VÀ M CH INẾ Ế Ạ
4.1 V m ch nguyên lý trong Altiumẽ ạ
Tìm ki m th vi n c a các thi t b và n i dây chúng.ế ư ệ ủ ế ị ố
Hình : S đ nguyên lý trong altium ơ ồ
4.2 V m ch PCB 2 l p trong Altiumẽ ạ ớ
T s đ nguyên lý ta v , đi dây và đ ng đ ng cho 2 l p PCB.ừ ơ ồ ẽ ổ ồ ớ
Hình : PCB Top Layer
Hình : PCB Bottom Layer
10
Trang 11CHƯƠNG 5 K T QU TH C NGHI MẾ Ả Ự Ệ
5.1 M ch in boost converterạ
T m ch PCB trong Altium, em đ t hàng m ch in.ừ ạ ặ ạ
Hình : M ch in boost converter ạ
5.2 Ngu n đ u vào ồ ầ
S d ng pin UltraFire 18650 1200mAH 3,7Vử ụ
Đi n Áp: DC 3.7Vệ (khi đ y pin có th lên đ n 4.2V)ầ ể ế
Khuy n cáo không s d ng pin < 2.5V, khi đó pin s b ch t vàế ử ụ ẽ ị ế không s d ng l i đử ụ ạ ược
Pin có th s d ng để ử ụ ược nhi u l nề ầ
Kích Thước: 65x18mm
Ki u 18650ể
Dung lượng: 1200mAH
Nhi t Đ : 20 ~ 45 ệ ộ ℃ ℃
Hình : Pin 3.7V
5.3 M ch b o v pinạ ả ệ
S d ng m ch s c và b o v pin 1S 3,7V 4Aử ụ ạ ạ ả ệ
Dùng đ s c và b o v cho Pin Lithium (18650, 26650, )ể ạ ả ệ
Đi n áp s c đ y: 4.2V +/ 0.05Vệ ạ ầ
11
Trang 12Đi n áp ng t x : 2.45 +/0.1Vệ ắ ả
Dòng x t i đa: 4Aả ố
Kích thước: 35x4x2.2mm
Hình : M ch b o v pin ạ ả ệ
5.4 K t qu đoế ả
Hình : K t qu đo đ u vào ế ả ầ
Hình : K t qu đo đ u ra ế ả ầ
12
Trang 13CHƯƠNG 6 K T LU NẾ Ậ
M ch đã đáp ng đạ ứ ược các yêu c u đ t ra, áp đ u ra tầ ặ ầ ương đ i n đ nh,ố ổ ị sai s kho ng 2,5% ch p nh n đố ả ấ ậ ược do ch n đi n tr ch a đúng hoàn toàn tọ ệ ở ư ỉ
l ệ
C n tìm hi u thêm ki n th c đ thi t k m ch boost converter s d ngầ ể ế ứ ể ế ế ạ ử ụ
b đi u khi n cho mosfet giúp c i thi n hi u su t c a m ch.ộ ề ể ả ệ ệ ấ ủ ạ
13
Trang 14Tài li u tham kh oệ ả
1 Giáo trình Đi n t công su t – Tr n Tr ng minhệ ử ấ ầ ọ
2 Basic Calculation of a Boost Converter's Power Stage – Texas Instrument
3 https://datasheetspdf.com/
4 https://banlinhkien.com/
5 Internet
14