Mạch buck-boost DC-DC

Nguồn Switching hiện nay được sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày do có ưu điểm hiệu suất cao, ít tỏa nhiệt và kích thước nhỏ hơn nhiều so với các nguồn tuyến tính khác có cùng công suất.

Các loại nguồn xung thông dụng nhất hiện nay, bao gồm:

• Buck: biến đổi điện áp DC đầu vào thành nguồn đầu ra DC có điện áp nhỏ hơn
• Boost: ngược lại so với Buck, nó biến đổi điện áp đầu vào thành điện áp đầu ra lớn hơn
• Buck- Boost (invert): tạo ra điện áp âm có giá trị tuyệt đối lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào (có thể điều chỉnh được)
• Flyback: tạo điều kiện điện áp dương có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào (có thể điều chỉnh được).

I. Các thành phần chính của nguồn Switching:

Nguồn Switching hiện nay bao gồm 3 thành phần chính: Cuộn cảm, biến áp, PWM

Cuộn cảm

Điện áp trên cuộn dây và dòng điện đi qua nó được thể hiện theo phương trình sau: V = L(di/dt)

Từ phương trình trên ta có 2 đặc tính quan trọng của cuộn dây:

• Chỉ có điện áp rơi trên 2 đầu cuộn dây khi dòng điện đi qua nó biến thiên,
• Dòng đi qua cuộn dây không thể thay đổi đột ngột, bởi vì để làm được điều đó thì mức điện thế phải vô cùng lớn. Dòng đi qua cuộn dây thay đổi càng mạnh thì điện áp rơi trên nó càng lớn.

Biến áp

Biến áp được cấu tạo bởi 2 hoặc nhiều cuộn dây có quan hệ từ tính với nhau, nó hoạt động bằng cách biến điện áp xoay chiều đầu vào sơ cấp thành điện áp thứ cấp có giá trị lớn hơn hoặc nhỏ hơn tùy theo số vòng dây quấn. Biến áp không tự tạo thêm được năng lượng, cho nên năng lượng ở 2 đầu sơ cấp, thứ cấp phải bằng nhau (= const). Đây là lý do tại sao cuộn dây nhiều vòng quấn hơn có điện áp cao hơn những cuộn dây ít vòng quấn và ngược lại, cuộn dây có ít vòng dây quấn hơn có điện áp nhỏ hơn cuộn dây có nhiều vòng quấn.

Dấu chấm ký hiệu ở một trong hai đầu của cuộn dây gọi là cực tính, thể hiện sự liên hệ về dấu của điện áp và chiều dòng điện của 2 cuộn sơ cấp và thứ cấp.

Một số ứng dụng đơn giản của máy biến áp được sử dụng rộng rãi trong hệ thống đánh lửa của ôtô, xe máy, …

Theo sơ đồ nguyên lý trên, cuộn dây N2 có số vòng lớn hơn nhiều so với N1. Khi công tắc đóng (points closed – nút bấm khởi động) thì điện áp sẽ qua N1 là 12V, dòng qua N1 là dòng một chiều (giá trị bằng dòng qua trở hạn dòng) nên sẽ không có hiện tượng cảm ứng từ.

Khi công tắc mở ra (khởi động) thì dòng qua cuộn N1 giảm xuống rất nhanh, điện áp rơi trên nó cũng sẽ vọt lên rất lớn. Hiện tượng cảm ứng từ xảy ra khiến điện áp ở cuộn N2 tăng lên cỡ 30kV – 40kV sẽ gây ra phóng điện ở tiếp điểm “spark gap” đốt cháy nguyên liệu và động cơ bắt đầu hoạt động.

PWM – Pulse-Width Modulation

Tất cả các loại nguồn Switching đều có dạng điện áp đầu ra kiểu xung vuông với tần số xác định nào đó, được gọi là “Pulse-Width Modulation” (PWM) và thường được gọi là “băm xung”. Xét một ví dụ cơ bản sau:

Điện áp ở dụng xung vuông với chu kỳ T-p, độ rộng T-on là thời gian xung ở điện áp đỉnh V-pk (T-on ≤ T-p). Xung vuông này sau khi cho qua mạch lọc LC sẽ bị san phẳng thành điện áp một chiều có giá trị V-out như hình. Do đó, ta có thể điều chỉnh điện áp V-out theo ý mình bằng các điều chỉnh độ rộng xung T-on. T-on càng lớn thì V-out càng lớn, T-on càng nhỏ thì điện áp V-out càng nhỏ. Đây là nguyên lý hoạt động của các loại nguồn xung.

II. Các loại nguồn Switching

Buck converter

Buck converter là loại nguồn thông dụng nhất trong các loại nguồn Switching. Nguồn này thường được sử dụng trong các mạch với đầu vào DC lớn (24 – 48V) với các mức đầu ra 15V, 12V, 9V, 5V, … với hao phí điện năng thấp. Buck converter sử dụng một “transistor” để đóng cắt liên tục theo chu kỳ điện áp đầu vào qua một cuộn dây. Theo sơ đồ nguyên lý cơ bản sau:

Hai hình bên dưới mô tả hoạt động của mạch ở 2 trạng thái nạp và xả của cuộn dây. Ta sẽ tính dòng qua điện trở LOAD (TẢI) ở hai trạng thái:

• Trạng thái 1: Nạp – do chênh lệch điện thế giữa 2 điểm SW và V_0, dòng qua cuộn dây tăng dần lên, tụ C₀ đồng thời sẽ được nạp. Dòng điện qua LOAD tính theo công thức: I(LOAD) = I(L) – I(C₀).

• Trạng thái 2: Xả – nguồn “V-in” sẽ bị ngắt ra, lúc này dòng cấp cho tải LOAD sẽ là dòng xả của cuộn dây và của tụ C₀ .Với cuộn dây có điện cảm đủ lớn và tụ có điện dung đủ lớn, ta sẽ có điện áp ra tải V₀ gần như phẳng (gợn sóng cỡ mV) V₀ = I(LOAD) * R(LOAD)

Mạch Buck, mạch Buck hạ áp hay Buck Converter là tên gọi chung để chỉ một loại mạch chuyển đổi DC-DC phổ biến hiện nay. Trong mạch Buck cơ bản sẽ có 4 linh kiện điện tử cơ bản là diode, khóa chuyển mạch điện tử, cuộn dây và tụ điện. Mạch này có công dụng chuyển đổi điện áp sang điện áp thấp vô cùng hiệu quả. Đồng thời, mạch Buck còn giúp chuyển đổi năng lượng, kéo dài tuổi thọ của pin, giảm sinh nhiệt trong quá trình vận hành và cho phép xây dựng các tiện ích nhỏ hơn.

Cấu tạo

Cấu tạo của mạch Buck rất đơn giản với MOSFET bên cao và tắt. Sẽ có một vi mạch điều khiển trong mạch Buck sử dụng một vòng phản hồi kín có chức năng điều chỉnh điện áp ở đầu ra. Trong mạch Buck còn hàm truyền DC liên quan đến điện áp đầu vào, điện áp đầu ra và chu kỳ làm việc của mạch Buck.

Trong mạch Buck còn có tụ điện và cuộn cảm, chúng được kết nối với nhau để tạo thành một bộ lọc thông thấp có nhiệm vụ làm mịn hoạt động chuyển mạch MOSFET và giúp điện áp DC trở nên mượt mà và ổn định hơn.

Công thức tính mạch Buck như sau:

Vout = Vin * D

Trong đó:

• Vout là ký hiệu tương trưng cho điện áp đầu ra của mạch
• Vin là ký hiệu tượng trưng cho điện áp đầu vào của mạch
• D là chu kỳ làm việc hoặc % thời gian MOSFET được bật khi mạch vận hành

Mạch Buck còn có một biến thể khác gọi là mạch Buck đồng bộ. Cấu tạo sẽ có sự khác biệt hơn so với mạch Buck thông thường, đó là MOSFET sẽ được thay thế bằng DIODE, giúp mạch có thể truyền được tín hiệu 2 chiều dễ dàng hơn.

Nếu để mạch Buck chạy ngược, nó sẽ trở thành mạch Boost, khi đó bạn chỉ cần trang bị thêm một IC chuyển đổi là được.

Nguyên lý hoạt động

Mạch Buck hoạt động theo nguyên lý băm xung, nghĩa là sử dụng các khóa mạch thực hiện chuyển mạch điện tử MOSFET. Cũng có thể dùng BJT nhằm nối tải với nguồn trong một khoảng thời gian nhất định theo chu kỳ T. Lúc này, điện áp đầu ra của mạch sẽ thay đổi theo chu kỳ T và thời gian thực đóng cắt khóa chuyển mạch.

Yêu cầu khi vận hành mạch Buck là điện áp đầu ra DC phải luôn thấp hơn so với điện áp đầu vào DC. Với điện áp đầu ra có thể lấy trực tiếp từ nguồn AC thông qua bất kỳ nguồn cung cấp DC nào cũng được, ví dụ như cầu diode, tụ lọc,…

Cụ thể, nguyên lý hoạt động của mạch Buck như sau:

• Đưa dòng điện đi qua các linh kiện điện tử bán dẫn và cuộn cảm, cuộn dây điện để thực hiện việc nạp cho tụ điện, khi nạp xong, nó sẽ duy trì dòng qua tải.
• Dòng qua cuộn dây và dòng điện nạp vào tụ điện sẽ tăng từ từ, đồng thời kéo theo điện áp ở đầu ra trên tải cũng từ từ tăng lên. Lúc này, sẽ thấy diode sẽ không dẫn điện bởi nó bị phân cực ngược.
• Khi tắt dòng qua tải, diode sẽ tự động lập trình dòng qua tải chính, đảm bảo bảo vệ được linh kiện bán dẫn khỏi bị hỏng do điện áp ngược khi cắt dòng, hạn chế được tình trạng linh kiện bán dẫn bị chết ngay khi điện áp ngược do cuộn cảm sinh ra và nguồn điện tăng lên.

Ứng dụng

USB On The Go

Mạch Buck được ứng dụng trong USB On The Go. Đây là loại thiết vị lấy điện từ cổng USB trên điện thoại, nó cho phép kết nối bàn phím, chuột và các thiết bị ngoại vi khác với điện thoại thông minh.

Trong cấu tạo USB On The Go, mạch Buck đóng vai trò điều chỉnh công suất truyền điện theo cả hai hướng. Khi bạn để điện thoại cắm vào bộ sạc, mạch sẽ có tác dụng như một chuyển đổi thông thường để sạc pin lithium trong điện thoại. Nếu bạn để một thiết bị ngoại vi được cắm vào, mạch Buck sẽ biến thành mạch Boost để tạo 5V từ pin lithium.

Bộ chuyển đổi POE cho PC và laptop

Bộ chuyển đổi POL còn gọi là module điều chỉnh điện áp, bộ chuyển đổi điểm tải. Thông thường, các bộ vi xử lý của PC hay laptop đều chạy ở mức điện áp rất thấp nên việc ứng dụng mạch Buck trong bộ chuyển POL sẽ giúp truyền công suất hiệu quả đến tải dòng cao hơn.

Bộ sạc pin

Thường khi sử dụng bộ sạc pin nhanh, chắc chắn sẽ làm nóng các thiết vị cắm sạc vào. Để hạn chế làm nóng máy khi sạc, các nhà sản xuất đã ứng dụng mạch Buck trong chế tạo bộ sạc pin. Mạch Buck sẽ điều chỉnh lại điện áp, giảm sinh nhiệt trong quá trình sạc pin điện thoại.

Boost converter

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

Sơ đồ nguyên lý mạch Boost converter như sau:

Hoạt động cơ bản như sau: Khi công tắc đóng, dòng qua cuộn dây sẽ tăng dần lên. Khi công tắc được mở ra, dòng qua cuộn dây cảm (do có thêm tải) khiến điện áp cuộn dây tăng lên. Điện áp này đặt vào tụ khiến cho tụ được nạp với điện áp lớn hơn điện áp V-in.

Lưu ý rằng, năng lượng đầu ra chỉ có thể nhỏ hơn hoặc bằng năng lượng đầu vào, do đó ở mạch Boost converter dòng đầu ra phải nhỏ hơn dòng đầu vào (do điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào).

Mạch Buck-Boost (inverting)

Mạch tạo điện áp trái dấu, với đầu vào DC (âm hoặc dương) điện áp đầu ra trái dấu với điện áp đầu vào và nó có giá trị tuyệt đối có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào. Theo sơ đồ nguyên lý cơ bản như sau:

• Khi công tắc được đóng điện, điện áp vào V-in khiến dòng đi qua cuộn dây tăng lên, lúc này dòng cấp cho tải chỉ là dòng do tụ phóng ra.
• Khi công tắc mở, điện áp vào V-in ngắt ra, thì dòng đi qua cuộn dây giảm dần khiến điện áp trên nó tăng lên. Điện áp này nạp vào tụ đồng thời mở thông “Diode” dẫn dòng phóng ra từ cuộn dây cấp nguồn cho tải.

Flyback

Đây là nguồn khá linh hoạt trong các loại nguồn Switching, nó cho phép chúng ta thiết kế một hoặc nhiều đầu ra ở các mức điện áp khác nhau kể cả đầu ra điện áp âm. Mạch Flyback được sử dụng nhiều trong hệ thống cung cấp năng lượng (gió, năng lượng mặt trời, …) khi từ một đầu vào yêu cầu cho mức điện áp đầu ra theo yêu cầu hệ thống (thông thường sẽ là: +5V, +12V, -12V, …) với hiệu suất cao.

Sơ đồ của nguyên lý cơ bản của mạch nguồn Flyback như sau:

Đặc tính quan trọng nhất của mạch nguồn Flyback là cực tính 2 cuộn sơ cấp và thứ cấp. Muốn tạo điện áp dương thì cực tính 2 cuộn dây phải ngược như hình (phía trên), ngược lại muốn tạo điện áp âm cực thì cực tính 2 cuộn dây phải cùng chiều. Với nguyên tắc hoạt động như sau:

• Khi công tắc đóng, dòng qua cuộn sơ cấp sẽ tăng lên. Xét theo cuộn sơ cấp lúc này, điện thế ở đầu có dấu chấm nhỏ hơn so với đầu còn lại dẫn đến ở cuộn thứ cấp cũng có điệu tương tự. Điện thế ở đầu có dấu chấm của cuộn thứ cấp nhỏ hơn đầu kia của nó dẫn đến điện áp âm đặt lên Diode theo chiều thuận, Diode sẽ bị khóa. Nguồn cung cấp cho tải lúc này sẽ do tụ phóng ra.
• Khi công tắc mở, dòng qua cuộn sơ cấp giảm. Cuộn sơ cấp khi này có điện thế ở đầu có dấu chấm lớn hơn so với đầu còn lại, dẫn đến cuộn thứ cấp cũng có điều tương tự. Điện áp dương đặt lên Diode sẽ theo chiều thuận, khi Diode mở ra dẫn dòng từ cuộn thứ cấp nạp cho tụ đồng thời sẽ cấp cho tải.

Nói nguồn Flyback là loại linh hoạt nhất, ta xét sơ đồ sau:

Đây là sơ đồ của mạch Flyback với 3 mức điện áp đầu ra, có cả điện áp âm. Muốn tạo điện áp âm thì rất đơn giản, ta chỉ cần đảo chiều cực tính của cuộn dây, đảo chiều tụ đầu ra như (hình trên).

Một số đặc điểm của mạch Flyback nhiều đầu ra như sau:

• Phản hồi dòng điện để điều khiển PWM lấy từ đầu ra có dòng lớn nhất như trên là ở đầu ra +5V.
• Các IC nguồn LDO được sử dụng để đảm bảo các đầu ra ít nhiễu. Như với trường hợp trên, đầu ra +12V thì cuộn thứ cấp sẽ điều chỉnh cho điện áp khoảng +13V, chênh lệch điện áp nhỏ này đảm bảo tránh được các vấn đề về quá nhiệt. Do vậy, tương tự với đầu ra -12V sẽ là -13V ở cuộn thứ cấp.
• Do bảo toàn năng lượng nên cần chú ý các đầu ra điện áp càng lớn thì dòng điện càng nhỏ và tổng năng lượng đầu ra nhỏ hơn hoặc bằng đầu vào.
• Các đầu ra không có phản hồi dòng (như đầu ra +12V và -12V ở phần trên) có sụt áp khi phải kéo tải lớn cỡ 5% – 10%. Nhưng điều này là quá đủ với đa phần ứng dụng.

Ngoài ra còn các loại nguồn Switching khác nhau như: Push-Pull converter, Haft-Bridge converter, Full-Bridge converter

• Push-Pull converter là một bộ biến đổi được thiết kế theo kiểu DC-DC với việc sử dụng IC TL494 có độ lớn điện áp đầu ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào
• Haft-Bridge converter là mạch được sử dụng trong các nguồn xung cách ly với công suất lên tới 1kW
• Full-Bridge converter là loại mạch biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều có cách ly, chất lượng đầu ra khá cao và công suất đạt được vào khoảng hàng kW. Bộ biến đổi này được ứng dụng trong các bộ biến đổi nguồn công suất lớn, chất lượng yêu cầu cao.