Buck converter là gì

Buck converter là gì

Trong các cấu trúc sau đây, các phần tử chuyển mạch được biểu diễn như một công tắc đơn giản. Trong thực tế, chúng có thể là transistor, P-FET hoặc N-FET, có hoặc không có trình điều khiển tùy theo yêu cầu thiết kế chi tiết.

Như tên cho thấy, bộ nguồn buck converter hoặc bộ nguồn giảm áp chuyển đổi điện áp đầu vào cao hơn thành điện áp đầu ra thấp hơn được ổn định. Sơ đồ mạch đơn giản và các dạng sóng dòng điện và điện áp chính được thể hiện trong Hình 1.10.

Cách đơn giản nhất để hiểu mạch này là tập trung vào L1 và C1 tạo thành một bộ lọc thông thấp. Khi đóng công tắc S1, điện áp trên tải tăng từ từ khi tụ C1 tích điện qua L1. Nếu S1 sau đó được mở, năng lượng tích trữ trong từ trường của cuộn cảm bị kẹp vào 0V ở đầu chuyển mạch của cuộn cảm bởi diode D1, vì vậy năng lượng không có lựa chọn nào khác ngoài phóng vào tụ điện và tải, gây ra điện áp trên tải từ từ dốc xuống. Điện áp đầu ra trung bình có tỷ lệ Mark-Space (Duty Cycle) của tín hiệu điều khiển PWM nhân với điện áp đầu vào.

VOUT = Vin x (ton/T) = δ VIN

Khi Vin>Vout

Bây giờ chúng ta sẽ phân tích sâu hơn một chút nha.

Một bộ nguồn Buck điển hình được hiển thị bên dưới.

Nguồn điện áp đầu vào được kết nối với một thiết bị trạng thái rắn có thể điều khiển được hoạt động như một công tắc. Thiết bị trạng thái rắn có thể là MOSFET công suất hoặc IGBT . Thyristor thường không được sử dụng cho bộ chuyển đổi DC-DC vì để tắt Thyristor trong mạch DC-DC yêu cầu một chuyển đổi khác liên quan đến việc sử dụng Thyristor khác , trong khi MOSFET và IGBT có thể được tắt bằng cách đơn giản là có điện áp giữa G và S và cực C của IGBT về không.

Công tắc và diode được kết nối với bộ lọc LC thông thấp được thiết kế thích hợp để giảm dòng điện và gợn sóng điện áp. Tải là tải thuần trở. Điện áp đầu vào không đổi và dòng điện qua tải cũng không đổi. Tải có thể xem nó như một nguồn dòng.

Công tắc chuyển mạch điều khiển được bật và tắt bằng cách sử dụng Điều chế độ rộng xung (PWM). PWM có thể dựa trên thời gian hoặc dựa trên tần số. Điều chế dựa trên tần số có những nhược điểm như một dải tần số rộng để đạt được quá trình điều khiển củ công tắc, do đó sẽ cung cấp điện áp đầu ra mong muốn. Điều này dẫn đến một thiết kế phức tạp cho bộ lọc LC thông thấp sẽ được yêu cầu để xử lý một dải tần số lớn.

Điều chế dựa trên thời gian chủ yếu được sử dụng cho bộ nguồn DC-DC . Nó rất đơn giản để xây dựng và sử dụng. Tần số không đổi trong loại điều chế PWM này.

Bộ nguồn Buck có hai chế độ hoạt động. Chế độ đầu tiên là khi công tắc bật và tắt.

Chế độ I: Switch là ON, Diode là OFF

Các điện áp trên tụ điện ở trạng thái ổn định và bằng với điện áp đầu ra.

Giả sử công tắc bật trong thời gian Ton và tắt trong thời gian Toff . Chúng ta xác định khoảng thời gian T :

và tần số chuyển mạch,

Bây giờ chúng ta hãy xác định một thuật ngữ khác, chu kỳ làm việc :

Hãy để chúng ta phân tích bộ  nguồn Buck ở trạng thái hoạt động ổn định : 

Vì công tắc được đóng trong một thời gian TON = DT nên ta có thể nói rằng Δt = DT.

Trong khi thực hiện phân tích bộ chuyển đổi Buck, chúng tôi phải ghi nhớ rằng

  1. Dòng điện dẫn là liên tục và điều này có thể thực hiện được bằng cách chọn một giá trị L thích hợp.
  2. Dòng điện dẫn ở trạng thái ổn định tăng từ giá trị có độ dốc dương đến giá trị lớn nhất trong trạng thái BẬT và sau đó giảm trở lại giá trị ban đầu với độ dốc âm. Do đó, sự thay đổi thực của dòng điện dẫn trong bất kỳ chu kỳ hoàn thành nào bằng không.

Chế độ II: Công tắc TẮT, Diode BẬT

Ở đây, năng lượng lưu trữ trong cuộn cảm được giải phóng và cuối cùng bị tiêu tán trong điện trở tải , và điều này giúp duy trì dòng điện chạy qua tải. Nhưng để phân tích, chúng tôi giữ các quy ước ban đầu để phân tích mạch sử dụng Định luận kirchhoff.

Bây giờ chúng ta hãy phân tích bộ chuyển đổi Buck ở trạng thái hoạt động ổn định cho Chế độ II sử dụng KVL(kirchhoff).

Vì công tắc mở trong một thời gian nên

ta có thể nói rằng Δt = (1- D) T.

Nó đã được thiết lập rằng sự thay đổi dòng điện dẫn trong bất kỳ chu kỳ hoàn thành nào bằng không.

Một mạch của bộ chuyển đổi Buck và các dạng sóng của nó được hiển thị bên dưới.

Cuộn cảm L là 20mH và C là 100µF, và tải trở là 5Ω. Tần số chuyển mạch là 1 kHz. Điện áp đầu vào là 100V DC và chu kỳ làm việc là 0,5.

Dạng sóng điện áp như hình trên và dạng sóng dòng điện như trong hình bên dưới.

Ứng dụng của Buck converter

Ưu điểm của bộ chuyển đổi buck là tổn thất rất thấp – có thể dễ dàng đạt được hiệu suất> 97%, đặc biệt là trong thiết kế đồng bộ , điện áp đầu ra có thể được đặt ở bất kỳ đâu từ VREF đến VIN và sự khác biệt giữa VIN và VOUT có thể rất lớn. Ngoài ra, tần số chuyển mạch có thể là vài trăm kHz để tạo ra một cấu trúc rất nhỏ gọn với các cuộn cảm nhỏ và đáp ứng nhất thời nhanh. Cuối cùng, nếu FET chuyển mạch bị vô hiệu hóa, đầu ra bằng không, do đó, mức tiêu thụ điện không tải trở nên không đáng kể. Vì tất cả những lý do này, bộ điều chỉnh buck là một sự thay thế rất hấp dẫn cho bộ điều chỉnh tuyến tính trong nhiều ứng dụng.

Dòng RECOM R-78xx là một sự thay thế tương thích với pin cho dòng 78xx tuyến tính. R-78xx là một mô-đun điều chỉnh buck hoàn chỉnh không yêu cầu bất kỳ thành phần bên ngoài nào để hoạt động bình thường. Nó cung cấp hiệu suất 97%, điện áp đầu vào lên đến 72Vdc và tiêu thụ tĩnh 20nA.

Một nhược điểm của bộ nguồn buck là mạch phản hồi bộ điều chỉnh PWM yêu cầu độ gợn sóng đầu ra tối thiểu để điều chỉnh đúng cách, vì quy định thường là chu kỳ theo chu kỳ. Ripple đầu ra cũng phụ thuộc vào chu kỳ làm việc, tối đa là 50% chu kỳ làm việc. Vì vậy không thể hạ R/N xuống mức µV mà bộ điều chỉnh tuyến tính đạt được. Nếu cần một nguồn cung cấp rất sạch, có thể theo sau một bộ điều chỉnh buck bằng một bộ điều chỉnh tuyến tính để có được điều tốt nhất từ cả hai cấu trúc liên kết. Trong ví dụ dưới đây, 24Vdc không được điều chỉnh được giảm xuống 15V bởi bộ điều chỉnh chuyển mạch với hiệu suất 95%. Sau đó, bộ điều chỉnh tuyến tính cung cấp một đầu ra 12V sạch với độ gợn sóng và nhiễu <5µV. Hiệu suất tổng thể của hệ thống là khoảng 76%, so với dưới 50% chỉ với bộ điều chỉnh tuyến tính.

Cuối cùng, bất kỳ mạch chuyển mạch nào cũng sẽ tạo ra dòng điện đầu vào dạng xung có thể gây ra EMI trừ khi được lọc đầy đủ (tham khảo đặc tính dòng điện đầu vào IS1 trong Hình 1.10). Do đó, một tụ điện 10µF nhỏ được đặt rất gần với các chân đầu vào được khuyến nghị.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.

Back to top button