ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG ĐỀ TÀI MẠCH ỔN ÁP XUNG BUCK

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG ĐỀ TÀI: MẠCH ỔN ÁP XUNG BUCK GVHD: ThS. Nguyễn Văn Phòng. Đà Nẵng 12/2020 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay điện là nguồn năng lượng quan trọng bậc nhất đối với văn minh loài người. Với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, dân số ngày càng gia tăng dẫn đến nhu cầu sử dụng điện càng cao. Nguồn điện ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của các thiết bị sử dụng điện. Để hoạt động được bình thường chúng cần phải có một nguồn đầu vào không đổi. Các thiết bị sử dụng nguồn DC cũng không ngoại lệ. Đó là lý do cần đến các bộ biến đổi DC-DC để ổn đinh được nguồn và cung cấp các mức điện áp khác nhau cho các thiết bị khác nhau. Trong đồ án này nhóm chúng em được sự phân công của thầy thực hiện đề tài: Thiết kế mạch ổn áp Buck. Qua quá trình thực hiện đã ôn lại lý thuyết các môn học như Kĩ thuật điên, Kĩ thuật điện tử, Điện tử công nghiệp, Kĩ thuật xung số. Ngoài ra còn nâng cao khả năng thi công mạch, kĩ năng sử dụng phần mềm Proteus hỗ trợ quá trình tính toán mô phỏng và vẽ mạch in. Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý ổn áp zenner Hình 1.2. Ổn áp tuyến tính dùng linh kiện bán dẫn Hình 1.3 IC ổn áp 78xx, 79xx Hình 1.4. Sơ đồ khối ổn áp xung Hình 1.5. Sơ đồ mạch Buck Hình 1.6. Sơ đồ mạch Boost Hình 1.7. Sơ đồ mạch Buck-Boost. Hình 1.8. Sơ đồ mạch Cuk Hình 2.1 Sơ đồ Buck khi transistor đóng Hình 2.2 Sơ đồ Buck khi transistor mở Hình 2.3 Sơ đồ dạng sóng của mạch ổn áp xung BUCK Hình 2.4 Cấu tạo cuộn cảm L Hình 2.5 phạm vi làm việc của các linh điện điện tử theo tần số và điện áp Hình 2.6 phạm vi làm việc của các linh điện điện tử theo tần số và dòng điện Hình 2.7 Ký hiệu MOSFET cảm ứng và đặt sẵn Hình 2.8 đặc tuyến làm việc của MOSFET Hình 2.9 Cấu tạo MOSFET kênh n có sẵn Hình 2.10 Cấu tạo MOSFET kênh n cảm ứng Hình 2.11 Sơ đồ mạch điều khiển MOSFET Hình 2.12 Sơ đồ mach và dạng sóng Astable dùng ic555 Hình 2.13 Sơ đồ mach và dạng sóng Monostable dùng ic555 Hình 2.14 Sơ đồ mach hồi tiếp Hinh 2.15 Mạch phân áp lấy mẫu Hình 2.16 Sơ đồ mạch tạo điên áp chuẩn Hình 2.17 Mạch so sánh khếch đại vi sai Hình 2.18 Mạch Opam đêm Hình 3.1 Sơ đồ mạch tổng thể Hình 3.2 Sơ đồ mạch lọc LC

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay điện là nguồn năng lượng quan trọng bậc nhất đối với văn minh loàingười Với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, dân số ngày càng gia tăngdẫn đến nhu cầu sử dụng điện càng cao Nguồn điện ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt độngcủa các thiết bị sử dụng điện Để hoạt động được bình thường chúng cần phải có mộtnguồn đầu vào không đổi Các thiết bị sử dụng nguồn DC cũng không ngoại lệ Đó là lý

do cần đến các bộ biến đổi DC-DC để ổn đinh được nguồn và cung cấp các mức điện ápkhác nhau cho các thiết bị khác nhau

Trong đồ án này nhóm chúng em được sự phân công của thầy thực hiện đề tài:Thiết kế mạch ổn áp Buck Qua quá trình thực hiện đã ôn lại lý thuyết các môn học như

Kĩ thuật điên, Kĩ thuật điện tử, Điện tử công nghiệp, Kĩ thuật xung số Ngoài ra còn nângcao khả năng thi công mạch, kĩ năng sử dụng phần mềm Proteus hỗ trợ quá trình tínhtoán mô phỏng và vẽ mạch in

Nhóm xin chân thành cảm ơn thầy: Th.s Nguyễn Văn Phòng đã tận tình hướng

dẫn và giúp đỡ chúng em hoàn thiện đồ án này

Trong quá trình tính toán thiết kế và thi công còn gặp nhiều sai sót, nhóm mongnhận được sự góp ý của thầy và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn nữa

SVTH Nhóm 4

Đà Nẵng, 12/2020

HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý ổn áp zenner

Hình 1.2 Ổn áp tuyến tính dùng linh kiện bán dẫn

Hình 2.1 Sơ đồ Buck khi transistor đóng

Hình 2.2 Sơ đồ Buck khi transistor mở

Hình 2.3 Sơ đồ dạng sóng của mạch ổn áp xung BUCK

Hình 2.4 Cấu tạo cuộn cảm L

Hình 2.5 phạm vi làm việc của các linh điện điện tử theo tần số và điện ápHình 2.6 phạm vi làm việc của các linh điện điện tử theo tần số và dòng điệnHình 2.7 Ký hiệu MOSFET cảm ứng và đặt sẵn

Hình 2.8 đặc tuyến làm việc của MOSFET

Hình 2.9 Cấu tạo MOSFET kênh n có sẵn

Hình 2.10 Cấu tạo MOSFET kênh n cảm ứng

Hình 2.11 Sơ đồ mạch điều khiển MOSFET

Hình 2.12 Sơ đồ mach và dạng sóng Astable dùng ic555

Hình 2.13 Sơ đồ mach và dạng sóng Monostable dùng ic555

Hình 2.14 Sơ đồ mach hồi tiếp

Hinh 2.15 Mạch phân áp lấy mẫu

Hình 2.16 Sơ đồ mạch tạo điên áp chuẩn

Hình 2.17 Mạch so sánh khếch đại vi sai

Hình 2.18 Mạch Opam đêm

Hình 3.1 Sơ đồ mạch tổng thể

Hình 3.2 Sơ đồ mạch lọc LC

Hình 3.3 Đặc tuyến –VDS, -ID của Mosfet IRF4905

Hình 3.4 Sơ đồ mạch Astable thiết kế

Hình 3.5 Sơ đồ mạch xén

Hình 3.6 Sơ đồ mạch Monostable

Hình 3.7 Sơ đồ mạch tính Vht từ điện trở nội ic555

Hình 3.8 Sơ đồ chân của LM358 Hình 3.11 Xung ra của khối AstableHình 3.9 Xung ra của khối Astable

Hình 3.10 Xung ra của mạch xén

Hình 3.11 Xung ra Monostable

Hình 3.12 Xung ra của mạch điều khiển Mosfet

Hình 3.13 Xung ra của chân D Mosfet

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

HÌNH VẼ 2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 5

1.1 Giới thiệu chương 5

1.2 Tổng quan về ổn áp 1 chiều 6

1.2.1 Ổn áp tham số (ổn áp zenner) 6

1.2.2 Ổn áp theo nguyên lý hồi tiếp 6

1.3 Kết luận chương 14

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15

2.1 Giới thiệu chương 15

2.2 Phương pháp tính toán mạch lọc LC 15

2.3 Tính cuộn dây L: 18

2.4, Lựa chọn Transistor 19

2.4.1 So sánh các loại transistor 19

2.4.2 Giới thiệu MOSFET 21

2.5 Mạch điều khiển MOSFET 24

2.6, Khối tạo xung (astable) 25

2.7 Khối điều chế độ rộng xung (Monotable) 28

2.8 Thiết kế mạch hối tiếp 30

2.8.1 Mạch phân áp 31

2.8.2 Mạch tạo điện áp chuẩn 32

2.8.3 Mạch so sánh khuyếch đại vi sai 33

2.8.4 Mạch đệm 34

2.9 Kết luận chương 35

CHƯƠNG III:,THIẾT THẾ, MÔ PHỎNG VÀ THI CÔNG MẠCH 36

3.1 Giới thiệu chương 36

3.2 Yêu cầu thiết kế 36

3.3 Sơ đồ mạch tổng thể 37

3.4, Tính toán mạch lọc LC 38

3.5 Tính chọn Mosfet 40

3.6 Tính toán mạch điều khiển Mosfet 42

3.7 Tính toán mạch tạo xung (Astable) 46

3.8 Tính mạch xén 48

3.9 Tính mạch điều chế đô rông xung (monostable) 50

3.10 Tính toán mach hồi tiếp 51

3.10.1 Tính giá trị Vht đưa về mạch Monostable 51

3.10.2 Tính mạch tạo điên áp chuẩn 53

3.10.3 Tính mạch so sánh khuyếch đại vi sai 53

3.10.4 Tính toán mạch lấy mẫu 54

3.11 Kết quả đo xung thưc tế 55

3.12 Kết luận chương 61

KẾT LUẬN 62

TÀI LIÊU THAM KHẢO 64

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu chương

Ở những nơi có nguồn điện áp không ổn định sẽ khiến các thiết bị điện hoạt độngchập chờn, không chính xác Vấn đề này để lâu sẽ làm giảm độ bền của các thiết bị sửdụng điện Do đó, ta cần một bộ biến đổi và ổn định điện áp ở đầu ra của mạch khi điện

áp ở đầu vào mạch thay đổi trong một phạm vi cho phép Trong chương này chúng ta sẽtìm hiểu về ổn áp 1 chiều

1.2 Tổng quan về ổn áp 1 chiều

Ổn áp một chiều là mạch có nhiệm vụ duy trì điện áp một chiều ở ngõ ra luônkhông đổi trong một tầm thay đổi của điện áp lưới khu vực hoặc của dòng tải, nhiệt độ.Mạch ổn áp một chiều thường đặt sau bộ chỉnh lưu và lọc

- Phân loại:

+ Ổn áp tham số

+ Ổn áp theo nguyên lý hồi tiếp

1.2.1 Ổn áp tham số (ổn áp zenner)

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý ổn áp zennerNguyên lý họat động: Nguồn Vi thông qua điện trở hạn dòng Ri và ghim trêndiode zenner D2 một điện áp cố định (điện áp đánh thủng) để lấy ra một điện áp cố địnhV0 cung cấp cho mạch

- Ưu điểm: Mạch đơn giản, dễ thực hiện

- Nhược điểm: Cho dòng ra nhỏ ( ≤20mA )

1.2.2 Ổn áp theo nguyên lý hồi tiếp

Nguyên lý hồi tiếp hay nguyên lý bù có khái niệm như sau : Khi dòng ngõ ra hoặcđiện thế ngõ vào hoặc nhiệt độ thay đổi đều làm cho điện thế ở ngõ ra thay đổi, mạch lấymột phần thay đổi của ngõ ra đưa ngược lại đầu vào để điều khiển ngõ vào nhằm giữ chođiện áp ngõ ra không đổi

1.2.2.1 Ổn áp tuyến tính.

Ổn áp tuyến tính là ổn áp dựa trên nguyên lý hồi tiếp (nguyên lý bù), trong đóphần tử làm việc ở chế độ khuếch đại

Có hai loại ổn áp tuyến tính chính:

+ Ổn áp tuyến tính dùng linh kiện bán dẫn

+ Ổn áp tuyến tính dùng vi mạch tích hợp

a) Ổn áp tuyến tính dùng linh kiện bán dẫn:

Việc sử dụng các khoá cơ khí, chẳng hạn như các công tắc cơ khí, khoá cơ điện,rơle cơ điện, rơle điện từ, có nhược điểm là cồng kềnh, độ tin cậy thấp, thời gianchuyển trạng thái chậm dẫn tới hệ thống có những khoá như vậy có độ tin cậy không cao,tốc độ đáp ứng chậm và khả năng ứng dụng rất thấp

Do vậy, chúng ta sử dụng các khóa bằng linh kiện bán dẫn như transistor,MOSFET, để khắc phục được những nhược điểm trên

Hình 1.2 Ổn áp tuyến tính dùng linh kiện bán dẫnKhi điện áp ngõ vào tăng thì điện áp ngõ ra tăng Khi đó điện áp chân E đèn Q2tăng nhiều hơn chân B (do có Dz gim từ chân E đèn Q2 lên Ura, còn điện áp lấy mẫu chỉlấy một phần điện áp ra )

Nên UBE giảm kéo theo Q2 dẫn giảm, làm Q1 dẫn giảm và điện áp ngõ ra giảmxuống Tương tự khi U vào giảm, thông qua mạch điều chỉnh, ta lại thu được điện áp ngõ

ra tăng

Thời gian điều chỉnh của vòng hồi tiếp rất nhanh khoảng vài µ giây và được các tụlọc đầu ra loại bỏ, không làm ảnh hưởng đến chất lượng của điện áp một chiều Như vậykết quả là điện áp ở ngõ ra tương đối phẳng

b) Ổn áp tuyến tính dùng vi mạch tích hợp:

Các vi mạch ổn áp một chiều tuyến tính được sử dụng rộng rãi do những ưu điểmnhư:

+ Tích hợp toàn bộ linh kiện trong một khối có kích thước nhỏ

+ Không cần hoặc chỉ cần thêm vài linh kiện ngoài để tạo mạch hoàn chỉnh

+ Các mạch bảo vệ quá dòng, quá nhiệt có sẵn bên trong vi mạch,

+ Một số họ vi mạch ổn áp một chiều tuyến tính thông dụng là họ 78XX (họ ổn ápdương) và họ 79XX (họ ổn áp âm)

Hình 1.3 IC ổn áp 78xx, 79xxĐối với họ 78XX: Ổn định điện áp dương XX là giá trị điện áp đầu ra, chẳng hạn 7805thì V0= +5V, 7812 thì V0= +12V

Đối với họ 79XX: Ổn định điện áp âm XX là giá trị điện áp đầu ra, chẳng hạn 7905 thìV0= -5V, 7912 thì V0= -12V

Với những ưu điểm nêu trên thì các vi mạch ổn áp này củng có những khuyết điểm sau: + Dòng điện tối đa ở đầu ra của vi mạch thấp (<1A)

+ Khi tải lớn vi mạch ổn áp này rất nóng và dễ hỏng vì vậy cần phải tản nhiệt tốt

Ưu điểm:

+ Có tổn hao ít nên hiệu suất cao (thường trên 80%)

+ Độ ổn định cao do phần tử điều khiển làm việc ở chế độ xung

+ Thể tích và trọng lượng bộ nguồn nhỏ

Nhược điểm:

+ Phân tích, thiết kế phức tạp

+ Bức xạ sóng, can nhiễu trong dải tần số rộng do đó cần có bộ lọc xung ở ngõ vào nguồn

và bộ nguồn phải được bọc kim

b) Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của ổn áp xung:

- Sơ đồ khối

Hình 1.4 Sơ đồ khối ổn áp xung

- Nguyên lý hoạt động: Nguồn DC chưa ổn định được đưa đến phần tử điều chỉnh làmviệc như một khóa điện tử Khi khóa dẫn thì nguồn nối đến ngõ ra Khi khóa tắt thì cắtnguồn DC ra khỏi mạch Như vậy tín hiệu ở ngõ ra của khóa là một dãy xung, do vậymuốn có tín hiệu DC ra tải phải dùng bộ lọc LC Tuỳ thuộc vào tần số và độ rộng củaxung ở ngõ ra của khóa mà trị số điện áp 1 chiều trên tải có thể lớn hay nhỏ Để ổn định

điện áp DC trên tải, người ta thường so sánh nó với mức điện áp chuẩn Sự sai lệch sẽđược biến đổi thành tín hiệu xung để điều khiển khóa điện tử Có 3 phương pháp thựchiện tín hiệu điều khiển:

+ Điều chế độ rộng xung: giữ tần số tín hiệu xung không đổi nhưng thay đổi độ rộngxung làm thay đổi điện áp ra

+ Điều chế tần số xung: giữ độ rộng xung không thay đổi nhưng thay đổi chu kỳ tín hiệuxung làm thay đổi điện áp ra

+ Điều chế xung: vừa thay đổi độ rông xung, vừa thay đổi độ rộng xung

c) Phân loại ổn áp xung

Có 4 loại ổn áp xung:

+ Ổn áp Buck: là loại ổn áp có điện áp trung bình ngõ ra nhỏ hơn ngõ vào

+ Ổn áp Boost: là loại ổn áp có điện áp trung bình ngõ ra lớn hơn ngõ vào

+ Ổn áp Buck_Boost: là loại ổn áp có điện áp ngõ ra lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện ápngõ vào

+ Ổn áp Cuk: là ổn áp có điện áp ngõ ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp ngõvào nhưng cực tính ngược với điện áp ngõ vào

* Ổn áp Buck

Ổn áp Buck là loại điện áp trung bình ngõ ra nhỏ hơn điện áp ngõ vào, hoạt độngtheo phương pháp điều chế độ rộng xung

Hình 1.5 Sơ đồ mạch BuckĐặc điểm của ổn áp Buck:

+ Dòng điện ngõ vào kiểu xung, yêu cầu bộ lọc ngõ vào

+ Dòng điện ngõ ra liên tục với điện áp ngõ ra ít nhấp nhô hơn

+ Điện áp ngõ ra luôn nhỏ hơn điện áp ngõ vào

*Ổn áp Boost

Ổn áp Boost là loại có điện áp trung bình ngõ ra lớn hơn điện áp ngõ vào, hoạtđộng theo phương pháp điều chế độ rộng xung

Hình 1.6 Sơ đồ mạch Boost

Đặc điểm của ổn áp Boost:

+ Dòng điện ngõ vào liên tục nên có thể bỏ bộ lọc ngõ vào

+ Dòng điện ngõ ra dạng xung với điện áp ngõ ra nhấp nhô lớn

+ Điện áp ngõ ra luôn lớn hơn điện áp ngõ vào

*Ổn áp Buck-Boost

Ổn áp Buck_ Boost là có loại điện áp ngõ ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp ngõvào, hoạt động theo phương pháp điều chế độ rộng xung

Hình 1.7 Sơ đồ mạch Buck-Boost

Đặc điểm của ổn áp Buck-Boost: + Dòng vào dạng xung, yêu cầu bộ lọc ngõ vào + Dòng

ra dạng xung, nhấp nhô lớn + Điện áp ngõ ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp ngõvào

* Ổn áp Cuk

Ổn áp Cuk là ổn áp có điện áp ngõ ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp ngõ vàonhưng cực tính ngược với điện áp ngõ vào

Hình 1.8 Sơ đồ mạch Cuk.

- Đặc điểm của ổn áp này là:

+ Dòng điện vào - ra ổn định với dòng gợn bé

+ Điện áp ngõ ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp ngõ vào

+ Cực tính ngược với điện áp ngõ vào

1.3 Kết luận chương.

Ổn áp Buck có nhiều ưu điểm như điều chỉnh điện áp ngõ ra với hiệu suất cao, cho dòngđiện ngõ ra ít nhấp nhô và giảm thiểu được hao tổn trên các thiết bị chuyển mạch

Do đó, nó được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống để biến đổi và ổn định điện

áp trong các hệ thống năng lượng, giao thông, máy công cụ, đồng hồ đo,

Thông qua những lý thuyết tổng quan của chương này để thực hiện việc đi sâu vào cơ sở

lý thuyết ở chương tiếp theo

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu chương

Trong chương này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về những kiến thức của những linhkiện điện tử, phương pháp tính toán của các phần mạch có trong ổn áp xung buck

2.2 Phương pháp tính toán mạch lọc LC

a) Khi transistor đóng

Hình 2.1 Sơ đồ Buck khi transistor đóngBắt đầu khi transistor đóng ở tại thời điểm bằng t = 0,

(có thể bỏ qua điện áp giữa hai đầu transistor vì khi dẫn bão hòa điện áp này khá nhỏ)

=> Dòng ngõ vào chạy qua cuộn cảm L, tụ C và tải

Điện áp qua L: eL = Ldi L

dt

Dòng qua cuộn dây tăng từ : ILmin -> ILmax

VL = Vin – VO = LI Lmax −I Lmin

Hình 2.2 Sơ đồ Buck khi transistor mởBắt đầu khi transistor mở tại t = t1.

Dòng qua cuộn cảm L giảm nên xuất hiện suất điện động tự cảm có chiều như hình vẽ, đểchống lại sự giảm Lúc này, Diode dẫn và cuộn cảm L đóng vai trò là nguồn xả nănglượng từ trường qua L, C, D và tải Dòng qua L giảm từ ILmax -> ILmin cho đến khitransistor đóng trở lại trong chu kì kế tiếp

Theo định luật Kirchoff’s với dòng điện tức thời: iC = iL – iO

=> △iC = △iL - △i0

Với △iO nhỏ ta xem △iC ≈ △iL

Dòng trung bình trên tụ trong nửa chu kỳ nạp:

VC(t)=C1 ∫i C(t)dt (2.7)Trong nửa chu kỳ xả tụ phóng ra một điện lượng tương đương.

2.3 Tính cuộn dây L:

Hình 2.4 Cấu tạo cuộn cảm L

Hệ số tự cảm L được tính theo công thức:

h: đường kính lõi ống dây

R: Bán kính ngoài lõi ống dây)

r: bán kính trong ống dây

μ: độ từ thẩm chất liệu làm lõi (H/m)

Tính tiết diện dây dẫn: S = J I (2.14)

Trong đó: I là dòng qua dây dẫn (A)

: J là mật độ dòng điện cho phép (A/mm2 )

2.4, Lựa chọn Transistor

Ưu điểm lớn nhất của transistor so với tiristor là có thể làm việc ở tần số cao và dễ điềukhiển, nên transistor được dùng cho các bộ băm áp một chiều là phổ biến

2.4.1 So sánh các loại transistor

Hình 2.5 phạm vi làm việc của các linh điện điện tử theo tần số và điện áp

Hình 2.6 phạm vi làm việc của các linh điện điện tử theo tần số và dòng điệnTrên thị trường ngày nay thường có ba loại transistor phổ biến đó là transistor lưỡng cựcBJT, transistor trường MOSFET và Transistor IGBT

Bảng 2.1 So sánh Transistor thông dụng

Khả năng chịu dòng,

áp

Căn cứ vào những ưu điểm, nhược điểm của các transistor từ bảng 2.1, hình 2.5, hình 2.6

Và dựa theo thông số của đề tài thiết kế ta chọn transistor là MOSFET

2.4.2 Giới thiệu MOSFET

a) Khái niệm

MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effec Transistor), còn gọi transistortrường với ba cực: Drain (D)- máng; Source (S) – nguồn và Gate (G)

Hình 2.7 Ký hiệu MOSFET cảm ứng và đặt sẵn MOSFET điều khiển bằng điện áp UGS thể hiện bằng đặc tính truyền đạt sau:

Hình 2.8 đặc tuyến làm việc của MOSFET

b) Phân loại

MOSFET chia làm 2 loại:

+ MOSFET kênh có sẵn (D – MOSFET = Depletion MOSFET)

Tức đã có sẳn một kênh loại n hay loại p nối thông 2 cực D và S Cực của cách ly qua 1 lớp điện mối SiO2 mỏng cỡ μm

Hình 2.9 Cấu tạo MOSFET kênh n có sẵn

+ MOSFET kênh cảm ứng (E – MOSFET = Enhancement MOSFET).

Khi chưa có điện áp điều khiển UGS thích hợp thì chưa có kênh dẫn nối D và S

Hình 2.10 Cấu tạo MOSFET kênh n cảm ứngd) Các thông số kỹ thuật của MOSFET

+ Rds(on): trở nội– Để tính sụt áp qua MOSFET khi dẫn bão hòa

+ Uds: Điện áp tối đa giữa 2 đầu D-S mà MOSFET

Uds ≥ (1,5 ~2)Vinmax (2.15)+ Id: Dòng điện tối đa mà MOSFET chịu được

Id ≥ (1,5 ~2) Itải (2.16)+ Tần số hoạt động tối đa

+ Đồ thị dòng Id theo Ugs (để cấp đủ áp mở MOSFET)

+ Công suất MOSFET: công suất tối đã MOSFET có thể làm việc

Pmosfet ≥ (1,5 ~2)Ptt = (1,5 ~2) Itải2 Rds(on) (2.17)+ Ugs điện áp tối đa giữa chân G và chân S s + Ugs(th) điện áp ngưỡng

e) Nguyên lý hoạt động

2.5 Mạch điều khiển MOSFET

Hình 2.11 Sơ đồ mạch điều khiển MOSFETNguyên lý hoạt động: Khi nhận tín hiệu mức 1 từ mạch Monostable làm cho Q7 dẫn -> Q6 dẫn -> Vgs vượt ngưỡng tính toán -> MOSFET dẫn.

Ngược lại khi có tín hiệu mức 0 từ mạch Mono Q7 tắt -> Q2 dẫn -> lúc này Vg ≈Vs -> Vgs < Vgs(th) -> MOSFET tắt

2.6, Khối tạo xung (astable).

Hình 2.12 Sơ đồ mach và dạng sóng Astable dùng ic555-Chức năng: Tạo xung với tần số không đổi và đồng thời tạo xung kích chân 2 cho mạchđiều chế độ rộng xung

-Nguyên lý hoạt động: Đây là mạch dao động đa hài có 2 trạng thái nhưng đều không bền.Nhờ có sự thay đổi điện áp trên tụ C mà mạch luôn tự động tạo ra độ dài xung ra

+0≤ t<t1 : Giả sử mạch ở trạng thái không bền ban đầu Ngõ ra v0=1=>Q RSFF=0; BJT Q1

tắt: không có dòng đổ qua BJT =>tụ nạp điện từ nguồn V cc qua điện trở với chiều nhưhình vẽ để hướng đến giá trị V cc Tụ càng nạp thì giá trị điện áp trên tụ càng tăng cho đếnkhi V c =V(6)=V(2)≥ 23V cc Lúc đó:

=> Q vẫn giữ nguyên trạng thái cũ trước đó (Q=1)

=> Tụ C tiếp tục xả cho đến khi V c ≤ 13V cc (điện thế ngưỡng của bộ SS1) mà V c =V(6)=V(2)

nên suy ra:

SS1: v −¿<v + ¿ ¿

¿ R=1

SS2: v −¿>v + ¿ ¿

¿S=0

=> Q=0=> V0=1.

Mạch chấm dứt thời gian tồn tại ở trạng thái không bền thứ 2 và bắt đầu chuyển sangtrạng thái không bền ban đầu vì Q=0=>BJT tắt => không có dòng đổ qua BJT Q => tụ Cđược nạp điện bổ sung ( vì nó vẫn giữ 13V cc do điện thế ở chân số 2 chặn trên ) và quátrình cứ tiếp diễn liên tục tạo độ dài xung ra

-Tính toán độ dài xung ra :

Gọi T1và T2 lần lượt là thời gian ứng với ngõ ra V0=1 và V0=0

T: Chu kỳ dao động của mạch T=T1+T2

+0≤ t<t1: mạch ở trạng thái bền Ngõ ra v0=0;Q RSFF=1; v i =v cc => S=R=1.

 Trasistor dẫn bão hòa

Vì tụ C mắc song song với transistor nên V c =V(7)=V CES =0,2V ≈ 0.

 Tụ C không được nạp điện Mạch luôn tồn tại trạng thái bền

+t1≤ t<t1+T0: Mạch ở trạng thái không bền.

Khi t=t1,mạch được kích khởi bằng tín hiệu kích khởi v i< ¿ 1

3v cc đưa vào chân số 2 củaIC555 Ở bộ SS1 có v−¿<v + ¿ ¿ ¿ => R=1 => Q=0 =>v0=1 Mạch chấm dứt thời gian tồn tạitrạng thái bền và chuyển sang trạng thái không bền Lúc này vì Q=0 nên transistor tắt =>

tụ C được nạp điện từ nguồn v cc qua R Tụ càng nạp thì điện áp trên tụ càng tăng Mà

v C =v(6) nên khi v cc > 23v cc thì ở bộ SS2 có v−¿≤ v+¿¿¿ => S=1, lúc này R=0 vì thời gian tồn tạixung kích khá nhỏ

=>Q=1=>v0=0 Mạch chấm dứt thời gian tồn tại trạng thái không bền và chuyển sangtrạng thái phục hồi

+t ≥ t1+T0: Giai đoạn phục hồi.

Do Q=1;v0=0 => transistor T dẫn => tụ xả qua T cho đến khi V c ≈ 0 Sau khi kết thúc giaiđoạn phục hồi mạch trở về trạng thái bền ban đầu

-Tính độ dài xung ra:

T0 là thời gian cần thiết để tụ C tăng từ 0 đến 23v cc

Phương trình nạp của tụ: v c(t)=[v c(∞)−v c(0)].¿) +v c(0)

Với V c(0)=0,V c(∞)=V cc

=>V c(t)=V cc .¿)

Khi t=T0 => v c(T0)= 23v cc

 23v cc =V cc .¿)

 T0=RC ln 3 ( 2.20)-Tính thời gian phục hồi:

2.8 Thiết kế mạch hối tiếp

Hình 2.14 Sơ đồ mach hồi tiếp

2.8.1 Mạch phân áp

Hinh 2.15 Mạch phân áp lấy mẫuGọi điên áp lấy mẫu là Vlm

Để cho điện áp lấy mẫu chuẩn thì dòng Ilm phải nhỏ hơn nhất nhiều so với dòng I1 Nên ta

có thể xem dòng I1 ≈ I2

=> V LC

R 11+R12 = V lm

R 12 (2.21)Gọi K1 là tỷ số cho trước của Vout mach loc LC (VLC ) và Llm

=> Vlm = K1.VLC Thay vào biết thức (2.30) ta được

1

R 11+R12 = k1

R 12

=> R12 = R 11 K 1 1−K 1 (2.22)

2.8.2 Mạch tạo điện áp chuẩn.

Hình 2.16 Sơ đồ mạch tạo điên áp chuẩn

Để tạo điện áp chuẩn ta sử dụng Diod zener Với chức năng ghim điên áp ở chân KCác giá trị R17 và R18 dùng để hạn dòng bảo vệ cho Diode

Với giá trị IDiode cho trước ta ta tính dòng đi qua diode thông qua R1

Với IR17 < 2Diode

Với IR17 = Vcc−Vdiode R 17 (2.23)

2.8.3 Mạch so sánh khuyếch đại vi sai

Hình 2.17 Mạch so sánh khếch đại vi saiGiả sử Opamp là lý tưởng:

2.9 Kết luận chương

Chương này cung cấp cho ta những kiến thức liên quan về các linh kiện được sử dụngtrong mạch Từ đó chúng ta vận dụng vào việc thiết kế mạch tối ưu dựa trên các thông sốcủa linh kiện, đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tiết kiệm tối đa chi phí làm mạch

CHƯƠNG III:,THIẾT THẾ, MÔ PHỎNG VÀ THI CÔNG MẠCH

3.1 Giới thiệu chương

Trên cơ sở chương 1 và 2 chúng ta đi vào thiết kế và thi công cụ thể toàn bộ các khối củamạch ổn áp xung buck

- Tính toán mạch lọc LC

- Tính chọn Mosfet

- Tính toán mạch điều khiển Mosfet

- Tính toán mạch tạo xung (Astable)

- Tính toán mạch xén

- Tính mạch điều chế đô rông xung (monostable)

- Tính toán mach hồi tiếp

3.2 Yêu cầu thiết kế

Yêu cầu: + Tần số làm việc f = 10Khz,

+ Điện áp trung bình đầu ra VO = 10 v

+ Điên áp đầu vào VIN = 12 ÷ 18 v

+ Dòng trung bình đầu ra IO = 5A

+ Độ gợn áp đỉnh △V o = 0,1 v

+ Độ gợn dòng đỉnh △ I o = 0,1 A

3.3 Sơ đồ mạch tổng thể

Hình 3.1 Sơ đồ mạch tổng thể

Theo công thứ (2.11) => Cmin = (1−

Điều kiện chọn Diode xung

Dòng qua Diode ID ≥ 1,5.Imax

Với Imax = Io + △ I o = 5+ 0,1 = 5,1 A

-> ID ≥ 1,5.5,1 = 7,65 A

Điện áp ngược cực đại trên Diode VD ≥ (3÷4)VInmax = 4.18 = 72 V

-> VKA ≥ 72 V