Thiết kế mạch Buck converter

Chức năng cơ bản của Bộ nguồn Buck

Trước khi đi đến hướng dẫn Thiết kế mạch Buck converter, chúng ta sẽ thảo luận trước về cách hoạt động của Bộ nguồn buck để hiểu đầy đủ về hướng dẫn sau. Bộ nguồn buck là Bộ nguồn chuyển đổi có đầu ra điện áp thấp hơn đầu vào điện áp. Nó cũng được gọi là một Bộ nguồn giảm áp.

Bộ nguồn buck chỉ có bốn phần chính. Chúng là công tắc (Q1 trong hình bên dưới), diode (D1 trong hình bên dưới), cuộn cảm (L1 trong hình bên dưới) và bộ lọc tụ điện (C1 trong hình bên dưới). Điện áp đầu vào VIN phải cao hơn điện áp đầu ra VOUT để đủ điều kiện làm Bộ nguồn buck hoạt động.

Bộ nguồn buck hoạt động như một Bộ nguồn điện áp nhưng sử dụng hoạt động chuyển đổi của một phần bán dẫn như BJT, MOSFET hoặc IGBT. Q1 sẽ bật và tắt liên tục, D1 hoạt động như một diode freewheel, L1 sẽ sạc và xả năng lượng trong khi C1 sẽ tích trữ năng lượng. Bộ nguồn Buck là Bộ nguồn điện áp tổn thất thấp và có hiệu suất hơn 90% khi được thiết kế phù hợp.

Hướng dẫn thiết kế Bộ nguồn Buck 

Bộ nguồn Buck hoạt động bằng cách liên tục BẬT và TẮT một công tắc bán dẫn như BJT, MOSFET hoặc IGBT. Việc BẬT và TẮT của công tắc được xác định bởi chu kỳ làm việc. chu kỳ làm việc lý tưởng của một Bộ nguồn buck chỉ đơn giản là

Chu kỳ làm việc = VOUT / VIN

Buck Converter với hoạt động cơ bản – Khi PWM cao

Khi PWM ở trạng thái cao, Q1 sẽ dẫn ở trạng thái bão hòa (sụt áp rất thấp). D1 sẽ được phân cực ngược và không phải là một phần của vòng lặp dòng điện. Dòng điện sẽ đi từ VIN, đi đến kênh của Q1, sau đó nạp L1 và một phần sẽ nạp C1 và cuối cùng đường dẫn dòng chính sẽ đi đến tải.

Lúc này, L1 sẽ sạc và phía chấm của cuộn cảm có điện thế cao hơn. Dòng điện của L1 sẽ tăng tuyến tính.

Buck Converter Hoạt động cơ bảnKhi PWM thấp

Khi PWM ở mức thấp, Q1 sẽ tắt và không còn là một phần của vòng lặp dòng điện. Mặt chấm của cuộn cảm L1 sẽ trở thành điện thế âm vì L1 sẽ đảo ngược cực nhưng vẫn duy trì cùng chiều dòng điện. Đường dẫn dòng điện sẽ từ D1, đến L1 đang phóng điện tại thời điểm này, sau đó đến tải. Tại thời điểm này, năng lượng C1 sẽ giúp cung cấp nhu cầu của tải.

Hướng dẫn thiết kế toàn diện Bộ nguồn Buck

Chức năng và hoạt động cơ bản của Bộ nguồn buck đã được giải quyết. Vì vậy, ở đây chúng ta đi đến chủ đề chính của chúng ta, đó là hướng dẫn thiết kế Bộ nguồn buck. Dưới đây là phác thảo của hướng dẫn thiết kế Bộ nguồn buck này.

  1. Nguồn gốc dòng điện Ripple cuộn cảm
  2. Khởi tạo chu kỳ làm việc
  3. Nguồn gốc dòng điện RMS cuộn cảm
  4. Nguồn gốc dòng điện một chiều cuộn cảm
  5. Nguồn gốc dòng điện RMS công tắc chuyển đổi
  6. Nguồn gốc dòng điện DC công tắc chuyển đổi
  7. Nguồn gốc dòng điện RMS Diode
  8. Nguồn gốc dòng điện DC Diode
  9. Công tắc và xác định điện áp diode
  10. Năng lượng mất mát công tắc chuyển đổi
  11.      Nhiệt độ của công tắc chuyển mạch
  12. Tổn thất điện năng Diose
  13. Cân nhắc về nhiệt của Diode
  14. Suy hao nguồn điện dẫn
  15. Nguồn gốc dòng điện Ripple Tụ điện 
  16. Hiệu suất 

1. Nguồn gốc dòng điện gợn (Rippele) cuộn cảm

Để suy ra các phương trình dòng điện cuộn cảm, điều quan trọng là phải biết dạng sóng của nó. Nhân tiện, một Bộ nguồn buck có thể được phân loại là CCM, TM hoặc DCM. CCM là viết tắt của chế độ dẫn liên tục trong khi TM là viết tắt của chế độ chuyển tiếp hoặc đôi khi được gọi là chế độ biên. Mặt khác, DCM là viết tắt của chế độ dẫn không liên tục. CCM và TM đang có cùng một cách phân tích trong khi DCM yêu cầu một phân tích khác. Đối với các ứng dụng công suất cao, không có khả năng cố ý hoạt động Bộ nguồn buck ở chế độ DCM. Điều này sẽ dẫn đến một khoản thất thoát rất cao và không thực tế.

Tuy nhiên, có lúc Bộ nguồn buck sẽ vào chế độ DCM, và đây là lúc tải rất nhẹ. Vì vậy, điểm thiết kế hoặc lựa chọn thành phần sẽ dựa trên tải trọng nặng và điều này chủ yếu là ở CCM. Vì vậy, trong phần này, chúng tôi sẽ xem xét hoạt động ở trạng thái CCM. Bên dưới màu xanh lá cây là dạng sóng dòng điện của cuộn cảm hoạt động tại CCM. Nó tăng tuyến tính khi tín hiệu PWM cao. Sau đó nó giảm tuyến tính khi tín hiệu PWM ở mức thấp.

Khi PWM cao, phân tích sẽ là:

Phương trình quan trọng để sử dụng là điện áp trên một cuộn cảm là

VL = LX của / dt

Khi PWM thấp, phân tích sẽ như bên dưới:

Cả di_Ton và di_Toff sẽ cho cùng một kết quả.

2. Dutycycle 

Nếu bạn kiểm tra dạng sóng dòng điện cuộn cảm, sự tăng và giảm có độ lớn bằng nhau. Do đó, cả hai phương trình di_Ton và di_Toff ở trên có thể được coi là tương đương và chúng tôi suy ra chu kỳ làm việc cuối cùng.

3. Nguồn gốc dòng điện RMS cuộn cảm

Ở đây, Sẽ là tất cả các công thức thiết kế cuộn cảm của Bộ nguồn buck. Chúng ta sẽ bắt đầu với dòng điện cuộn cảm RMS là tổng RMS của di và Imin ở dạng sóng dưới đây. Chúng tôi sẽ thực hiện công thức tích phân ở đây, nhưng đừng lo lắng, tôi đã thực hiện phân tích cho bạn rồi.

4. Nguồn gốc dòng điện một chiều cuộn cảm

Công thức thiết kế cuộn cảm của Bộ nguồn buck tiếp theo sẽ dành cho dòng điện một chiều. Nhưng nếu bạn quan sát cẩn thận trên sơ đồ Bộ nguồn buck, cuộn cảm mắc nối tiếp với tải đầu ra. Do đó, mức DC của dòng điện cuộn cảm giống với mức DC của tải. Đây là cách dễ dàng nhất trong hướng dẫn thiết kế Bộ nguồn buck này 

.

5. Dòng điện RMS của công tắc

Công tắc trên Bộ nguồn buck có thể là BJT, MOSFET hoặc IGBT. Trong hướng dẫn này, chúng ta hãy sử dụng MOSFET vì nó là một trong những ứng dụng phổ biến nhất trong các ứng dụng công suất thấp đến trung bình. Dạng sóng dòng điện của MOSFET trông giống như bên dưới.

Dòng điện RMS của Q1 là tổng RMS của vùng A1 và A2. A1 là hình tam giác trong khi A2 là hình chữ nhật.

RMS của Khu vực A1

RMS của Khu vực A2

Vì vậy, RMS của dòng chuyển mạch sẽ là

Đơn giản hóa để loại bỏ Imax

6. Dòng điện một chiều của công tắc

Dòng điện RMS của MOSFET luôn cao hơn dòng điện một chiều và nó là giá trị sử dụng để tính toán công suất tiêu tán đề phòng trường hợp xấu nhất. Tuy nhiên, mức DC có thể cần thiết vì bất kỳ lý do gì mà một nhà thiết kế đưa ra. Vì vậy, hãy để chúng tôi đưa nó vào hướng dẫn thiết kế Bộ nguồn buck này.

Tổng mức DC cũng là tổng mức DC của A1 và A2 ở dạng sóng trên.

Viết lại phương trình để loại trừ Imax

7. Hướng dẫn thiết kế Bộ nguồn BuckDiode dòng điện RMS 

Tham khảo dạng sóng dưới đây, chúng ta có thể tính toán dòng điện RMS của diode. Diode sẽ chỉ dẫn khi MOSFET không dẫn.

8. Dòng điện Dc của Diode

Chúng tôi vẫn sẽ sử dụng dạng sóng trên trong việc xác định dòng điện một chiều của diode.

9. Điện áp của công tắc và diode

VQ1 max = VIN max + VSpike

Vspike là do cảm ứng ký sinh và nó có thể được giả định là 40-70% VIN.

VD1 max = VIN max + Vspike

Vspike là do cảm ứng ký sinh và nó có thể được giả định là 50-120% VIN.

10. Hướng dẫn thiết kế Bộ nguồn BuckMất mát trên công tắc

Tổn thất điện năng của công tắc bao gồm hai yếu tố. Đầu tiên là mất dẫn và thứ hai là mất chuyển mạch. Suy hao dẫn là do sụt áp cố định trên công tắc trong khi tổn hao khi đóng cắt là do hoạt động đóng cắt của công tắc. Trong hướng dẫn này, chúng tôi nhấn mạnh sử dụng MOSFET. Vì vậy, các phương trình belo là hợp lệ cho MOSFET.

Công suất tiêu tán

Công suất chuyển mạch

Tổng tổn thất điện năng MOSFET

11.Cân nhắc nhiệt

Ứng suất công suất của công tắc chỉ là công suất tiêu thụ thực tế chia cho khả năng công suất.

Pstress = Pdissipation actual / Pdissipation capability

Khả năng tiêu tán công suất có thể được lấy từ thông tin biểu dữ liệu.

Đối với trường hợp không có tản nhiệt (công tắc không được gắn trên tản nhiệt):

Pdissipation capability  = (Tjmax – Tamax) / Rthjc

Ở đâu;

Tjmax – nhiệt độ tiếp xúc tối đa của thiết bị

Tamax – nhiệt độ môi trường hoạt động tối đa

Rthjc – điện trở nhiệt từ đường giao nhau đến vỏ máy

Trong trường hợp cần thiết để tính toán nhiệt độ tiếp xúc thực tế của thiết bị, nó có thể được thực hiện như sau:

Tjactual = (Pdissipation capability X Rthjc) + Tamax

Đối với với bộ tản nhiệt (công tắc được gắn trên bộ tản nhiệt):

Pdissipation capability = (Tjmax – Tcmax) / (Rthjc + Rthchs + Rthhsa)

Ở đâu;

Tjmax – nhiệt độ tiếp giáp tối đa của thiết bị

Tcmax – nhiệt độ trường hợp tối đa cho phép

Rthjc – điện trở nhiệt từ đường giao nhau đến vỏ máy

Rthchs – điện trở nhiệt từ vỏ đến tản nhiệt. Đây là khả năng chịu nhiệt của vật liệu liên kết giữa tản nhiệt và vỏ máy.

Rthhsa – điện trở nhiệt từ tản nhiệt với không khí. Đây thực sự là điện trở nhiệt của bộ tản nhiệt được sử dụng.

Nhiệt độ tiếp xúc thiết bị thực tế có thể được tính như sau:

Tjactual = [Pdissipation capability X (Rthjc + Rthchs + Rthhsa)] + Tcmax

12. Công suất tổn thất Diode

Diode Ploss = Irms X VF

13. Ứng suất công suất diode  và những cân nhắc về nhiệt

Ứng suất công suất của diode chỉ là công suất tiêu thụ thực tế chia cho khả năng công suất.

Pstress = Pdissipation actual / Pdissipation capability

Khả năng tiêu tán công suất có thể được lấy từ thông tin biểu dữ liệu.

Đối với trường hợp không có tản nhiệt (diode không được gắn trên tản nhiệt):

Pdissipation capability = (Tjmax – Tamax) / Rthjc

Ở đâu;

Tjmax – nhiệt độ tiếp xúc tối đa của thiết bị

Tamax – nhiệt độ môi trường hoạt động tối đa

Rthjc – điện trở nhiệt từ đường giao nhau đến vỏ máy

Trong trường hợp cần thiết để tính toán nhiệt độ tiếp xúc thực tế của thiết bị, nó có thể được thực hiện như sau:

Tjactual = (Pdissipation capability X Rthjc) + Tamax

Đối với với bộ tản nhiệt (diode được gắn trên bộ tản nhiệt):

Pdissipation capability = (Tjmax – Tcmax) / (Rthjc + Rthchs + Rthhsa)

Ở đâu;

Tjmax – nhiệt độ tiếp xúc tối đa của thiết bị

Tcmax – nhiệt độ trường hợp tối đa cho phép

Rthjc – điện trở nhiệt từ đường giao nhau đến vỏ máy

Rthchs – điện trở nhiệt từ vỏ đến tản nhiệt. Đây là khả năng chịu nhiệt của vật liệu liên kết giữa tản nhiệt và vỏ máy.

Rthhsa – điện trở nhiệt từ tản nhiệt với không khí. Đây thực sự là điện trở nhiệt của bộ tản nhiệt được sử dụng.

Nhiệt độ tiếp xúc thiết bị thực tế có thể được tính như sau:

Tjactual = [Pdissipation capability X (Rthjc + Rthchs + Rthhsa)] + Tcmax

14. Suy hao nguồn điện dẫn

Tổn thất công suất của cuộn cảm gồm hai phần: tổn hao điện một chiều và điện áp xoay chiều. Ở tần số chuyển mạch thấp và công suất thấp, tổn thất AC là nhỏ và do đó đơn giản là không được đưa vào tính toán. Nhưng đối với tần số chuyển mạch rất cao, bạn có thể cho rằng tổn thất chuyển mạch gần giống với tổn thất DC. Tổn thất DC đôi khi còn được gọi là tổn thất đồng trong khi tổn thất chuyển mạch còn được gọi là tổn hao lõi.

15. Lựa chọn tụ điện đầu ra

Dưới đây là tính toán điện dung đầu ra (C1) chung chung. Tuy nhiên, các bộ điều khiển cụ thể có thể có phương trình riêng để tính giá trị của điện dung đầu ra vì điều này có liên quan đến phần bù vòng lặp. Xét không có ảnh hưởng của ESR, phương trình dưới đây có thể được sử dụng để xác định kích thước của tụ điện đầu ra.

C1 = di / (Fsw X Vripple)

Đối với tụ điện, ESR là rất lớn, vì vậy cần phải xem xét nó trong phân tích. Điện dung được tính toán ở trên phải có ESR không cao hơn phương trình dưới đây.

ESR = Vripple / di

Ở đâu;

             ESR – điện trở trong của tụ

             di – dòng điện cuộn cảm

             Fsw – tần số chuyển mạch

             Vripple – điện áp gợn đầu ra cho phép

Dòng Ripple

Tụ điện đầu ra được chọn phải có định mức dòng gợn cao hơn kết quả của phương trình dưới đây.

Ở đâu;

             Irms_inductor – dòng điện cuộn cảm RMS

             I_load – tải dòng điện

16. Hiệu suất

Hiệu suất của bộ biến đổi Buck có thể được tính bằng cách sử dụng phương trình dưới đây.

Hiệu suất = (Pout / Pin) X 100%

Pout = Iout X Vout

Tổng số Pin = Pout + Ploss

Hiệu suất = [Iout X Vout / (tổng số Pout + Ploss)] X 100%

Ở đây

             Iout – tải dòng điện

             Vout – điện áp đầu ra

  Bĩu môi – tổng tổn thất điện năng

17. Hướng dẫn thiết kế Bộ nguồn Buck – Thiết kế mẫu.

Chúng tôi đã thực hiện với tất cả các phương trình cần thiết. Hãy để chúng tôi áp dụng hướng dẫn thiết kế Bộ nguồn buck này vào kịch bản thiết kế thực tế.

Giá trị cho trước:

Bằng cách đặt% inductor_ripple thành 100% có nghĩa là hoạt động của Bộ nguồn đang ở chế độ chuyển tiếp hoặc chế độ biên. Nhưng trong thiết kế mẫu này, chúng tôi sẽ chỉ đặt thành 10% có nghĩa là hoạt động CCM.

Tính toán chu kỳ

Tính toán điện cảm

Dòng Ripple cuộn cảm

Tính toán dòng điện cao nhất

MOSFET Q1, Diode D1 và cuộn cảm L1 sẽ có cùng dòng điện đỉnh.

Dòng điện cuộn cảm RMS

Lưu ý thiết kế 1: Chọn một cuộn cảm có giá trị L1_selected, với định mức dòng điện RMS cao hơn Irms_inductor và đánh giá dòng điện bão hòa cao hơn Imax.

Tổn thất điện dẫn

MOSFET Q1 RMS và Dòng điện DC

Lưu ý thiết kế 2: Chọn MOSFET có dòng RMS hoặc dòng DC cao hơn Irms_Q1. Đánh giá dòng điện đỉnh phải cao hơn Imax. MOSFET được chọn phải có định mức điện áp cao hơn điện áp đầu vào tối đa. Quy tắc chung là chọn định mức điện áp gấp đôi điện áp đầu vào tối đa. Ví dụ: MOSFET định mức 30V có thể được sử dụng cho điện áp đầu vào tối đa là 12V.

Tổn thất MOSFET Q1

Để biết tổn thất điện năng, phải biết thông tin dưới đây:

Tổn thất dẫn

Tổn thất chuyển mạch

Tổng tổn thất điện năng của Q1

Khả năng cấp nguồn của MOSFET Q1 mà không cần tản nhiệt

Để biết liệu MOSFET Q1 đã chọn có thể xử lý Ploss_total_Q1 ở trên hay không, bạn nên biết thông tin sau.

Khả năng cấp nguồn của MOSFET Q1 với tản nhiệt

Diode D1 RMS và dòng điện DC

Lưu ý thiết kế 3: Diode được chọn phải có định mức dòng điện liên tục dòng điện cao hơn Irms_diode. Dòng điện đỉnh phải cao hơn Imax. Định mức điện áp ngược của diode phải cao hơn điện áp đầu vào tối đa. Ví dụ, một diode 50V phù hợp với điện áp đầu vào lên đến 24V.

Tổn thất Diode D1

Để biết liệu diode D1 được chọn có thể xử lý Ploss_diode ở trên hay không, bạn nên biết các thông tin sau.

Khả năng cấp nguồn của Diode D1 mà không cần tản nhiệt

Khả năng cấp nguồn của Diode D1 với tản nhiệt

Đối với tản nhiệt, thông tin bổ sung phải được biết.

Lựa chọn tụ điện đầu ra C1

Chọn tụ điện có giá trị tiêu chuẩn cao hơn giá trị được tính toán.

Tính toán hiệu suất của Bộ nguồn Buck

Cuối cùng, hiệu suất của Bộ nguồn buck là

Kiểm tra chế độ hoạt động

Bộ nguồn buck có thể là CCM, DCM hoặc chế độ chuyển tiếp. Trong CCM, dòng điện của cuộn cảm sẽ không chạm vào 0. Mặt khác, dòng điện trên DCM sẽ xuống dưới 0 trong khi dòng điện trên chế độ chuyển tiếp chỉ chính xác ở chế độ 0.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.

Back to top button