Chức năng cơ bản của bộ chuyển đổi Buck
Tính toán mạch buck converter : Trước khi đi đến hướng dẫn thiết kế bộ chuyển đổi buck, mình sẽ thảo luận trước về cách hoạt động của bộ chuyển đổi buck để hiểu đầy đủ về hướng dẫn sau. Bộ chuyển đổi buck là bộ chuyển đổi chuyển mạch có đầu ra điện áp thấp hơn đầu vào điện áp. Nó cũng được gọi là một bộ chuyển đổi chuyển đổi bước xuống.
Một bộ chuyển đổi 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 chuyển đổi buck. Hãy tham khảo với Hocwiki nhé.
Một bộ chuyển đổi buck hoạt động như một bộ điều chỉnh điện áp nhưng sử dụng hành 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 điều chỉnh Buck là bộ điều chỉnh điện áp tổn thất thấp và có hiệu suất hơn 90% khi được thiết kế phù hợp.
Hướng dẫn thiết kế bộ chuyển đổi Buck – Thao tác cơ bản của bộ chuyển đổi Buck
Bộ chuyển đổi 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 nhiệm vụ lý tưởng của một bộ chuyển đổi buck chỉ đơn giản là
Chu kỳ nhiệm vụ = VOUT / VIN
Buck Converter Hoạt động cơ bản – 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 lại 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 mặt chấm sẽ có tiềm năng cao hơn. Dòng điện của L1 sẽ tăng tuyến tính.
Buck Converter Hoạt động cơ bản – 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 của 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 chuyển đổi Buck
Chức năng và hoạt động cơ bản của bộ chuyển đổi buck đã được giải quyết. Vì vậy, ở đây mình đi đến chủ đề chính của mình, đó là hướng dẫn thiết kế bộ chuyển đổi buck. Dưới đây là phác thảo của hướng dẫn thiết kế bộ chuyển đổi buck này.
- Nguồn gốc dòng điện của cuộn cảm Ripple
- Khởi tạo chu kỳ nhiệm vụ
- Nguồn gốc dòng điện RMS cuộn cảm
- Nguồn gốc dòng điện một chiều cuộn cảm
- Chuyển đổi nguồn gốc dòng điện RMS
- Chuyển đổi nguồn gốc dòng điện DC
- Diode RMS Nguồn gốc dòng điện
- Diode DC Nguồn dòng điện
- Công tắc và xác định điện áp diode
- Chuyển nguồn mất điện
- Cân nhắc chuyển đổi nhiệt
- Diode mất điện nguồn gốc
- Cân nhắc về nhiệt của Diode
- Suy hao nguồn điện dẫn
- Tụ điện Ripple Nguồn gốc dòng điện
- Hiệu quả phương trình Derivation
- Thiết kế mẫu với lựa chọn linh kiện
- Mẫu thiết kế
1. Nguồn gốc dòng điện gợn cuộn cảm
Để suy ra các phương trình dòng điện dẫn, điều quan trọng là phải biết dạng sóng của nó. Nhân tiện, một bộ chuyển đổi 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 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 vận hành bộ chuyển đổi buck ở chế độ DCM. Điều này sẽ dẫn đến một khoản lỗ rất cao và không thực tế.
Tuy nhiên, có lúc bộ chuyển đổi buck sẽ vào chế độ DCM và đây là lúc tải rất nhẹ. Vì vậy, điểm thiết kế hoặc lựa chọn linh kiện sẽ dựa trên tải trọng nặng và điều này chủ yếu là ở CCM. Vì vậy, trong phần dẫn xuất này, mình sẽ xem xét một hoạt động 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 là:
Cả di_Ton và di_Toff sẽ cho cùng một kết quả.
2. Dutycycle Derivation
Nếu bạn kiểm tra dạng sóng dòng điện dẫn, 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 mình suy ra chu kỳ nhiệm vụ cuối cùng.
3. Nguồn gốc dòng điện RMS cuộn cảm
Ở đây, mình sẽ dạy cho bạn tất cả công thức thiết kế cuộn cảm của bộ chuyển đổi buck. mình sẽ bắt đầu với dòng điện dẫn RMS là tổng RMS của di và Imin ở dạng sóng dưới đây. mình sẽ thực hiện tích hợp ở đây, nhưng đừng lo lắng, mình 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 chuyển đổi buck tiếp theo sẽ dành cho dòng điện một chiều. Nhưng nếu bạn xem kỹ trên sơ đồ bộ chuyển đổi buck, cuộn cảm mắc nối tiếp với tải đầu ra. Do đó, mức DC của dòng điện dẫn giống với mức DC của tải. Đây là cách dẫn xuất dễ dàng nhất trong hướng dẫn thiết kế bộ chuyển đổi buck này ?.
5. Chuyển đổi nguồn gốc dòng điện RMS
Công tắc trên bộ chuyển đổi buck có thể là BJT, MOSFET hoặc IGBT. Trong hướng dẫn này, mình 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. Chuyển đổi nguồn gốc dòng điện một chiều
Dòng điện RMS của MOSFET luôn cao hơn dòng DC và nó là giá trị sử dụng để tính toán công suất tiêu tán đề phòng trường hợp hư nhất. Tuy nhiên, mức DC có thể cần thiết vì các lý do gì mà một nhà thiết kế đưa ra. Vì vậy, hãy để mình đưa nó vào hướng dẫn thiết kế bộ chuyển đổi 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 chuyển đổi Buck – Diode RMS dòng điện
Tham khảo dạng sóng dưới đây, mình có thể tính toán dòng điện RMS của diode. Diode sẽ chỉ dẫn khi MOSFET không dẫn.
8. Diode Nguồn DC dòng điện
mình sẽ vẫn sử dụng dạng sóng trên trong việc xác định dòng điện một chiều của diode.
9. Công tắc và xác định điện áp 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 chuyển đổi Buck – Chuyển đổi nguồn điện mất mát
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, mình nhấn mạnh sử dụng MOSFET. Vì vậy, các phương trình belo là hợp lệ cho MOSFET.
Mất dẫn điện
Mất chuyển mạch
Tổng tổn thất điện năng MOSFET
11. Cân nhắc về ứng suất điện và cân nhắc nhiệt khi chuyển đổi
Ứng suất công suất của công tắc chỉ là công suất tiêu thụ thực tế chia cho khả năng công suất.
Pstress = kể phiếm thực tế / Khả năng tán gẫu
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):
Khả năng tán gẫu = (Tjmax – Tamax) / Rthjc
Ở đâu;
Tjmax – nhiệt độ mối nối 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 mối nối thực tế của thiết bị, nó có thể được thực hiện như sau:
Tjactual = (Khả năng tán gẫu X Rthjc) + Tamax
Đối với với bộ tản nhiệt (công tắc được gắn trên bộ tản nhiệt):
Khả năng tán gẫu = (Tjmax – Tcmax) / (Rthjc + Rthchs + Rthhsa)
Ở đâu;
Tjmax – nhiệt độ mối nối 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 điện trở 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 mối nối thiết bị thực tế có thể được tính như sau:
Tjactual = [Khả năng tán gẫu X (Rthjc + Rthchs + Rthhsa)] + Tcmax
12. Tổn thất điện năng Diode Derivation
Diode Ploss = Irms X VF
13. Căng thẳng 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 = kể phiếm thực tế / Khả năng tán gẫu
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):
Khả năng tán gẫu = (Tjmax – Tamax) / Rthjc
Ở đâu;
Tjmax – nhiệt độ mối nối 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 mối nối thực tế của thiết bị, nó có thể được thực hiện như sau:
Tjactual = (Khả năng tán gẫu X Rthjc) + Tamax
Đối với với bộ tản nhiệt (diode được gắn trên bộ tản nhiệt):
Khả năng tán gẫu = (Tjmax – Tcmax) / (Rthjc + Rthchs + Rthhsa)
Ở đâu;
Tjmax – nhiệt độ mối nối 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 điện trở 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 mối nối thiết bị thực tế có thể được tính như sau:
Tjactual = [Khả năng tán gẫu 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 do 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 loạt tương đương
di – dòng điện cuộn cảm
Fsw – tần số chuyển mạch
Vripple – điện áp gợn đầu ra cho phép
Ripple dòng điện
Tụ điện đầu ra được chọn phải có đánh giá dòng gợn sóng cao hơn kết quả của phương trình dưới đây.
Ở đâu;
Irms_inductor – dòng điện dẫn RMS
I_load – tải dòng điện
16. Công cụ chuyển đổi Buck Hiệu quả Phương trình Derivation
Hiệu suất bộ biến đổi Buck có thể được tính toán bằng cách sử dụng phương trình dưới đây.
Hiệu quả = (Pout / Pin) X 100%
Pout = Iout X Vout
Tổng số Pin = Pout + Ploss
Hiệu quả = [Iout X Vout / (tổng số Pout + Ploss)] X 100%
Ở đâu;
Iout – tải dòng điện
Vout – điện áp đầu ra
Bĩu môi – tổng tổn thất điện năng
17. Hướng dẫn thiết kế bộ chuyển đổi Buck – Thiết kế mẫu với lựa chọn linh kiện
mình đã thực hiện với tất cả các phương trình cần thiết. Hãy để mình áp dụng hướng dẫn thiết kế bộ chuyển đổi 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 chuyển đổi đang ở chế độ chuyển tiếp hoặc chế độ biên. Nhưng trong thiết kế mẫu này, mình sẽ chỉ đặt thành 10% có nghĩa là hoạt động CCM.
Tính toán chu kỳ
Tính toán điện cảm
Nguồn gốc dòng điện của cuộn cảm Ripple
Tính toán dòng điện cao nhất
MOSFET Q1, Diode D1 và cuộn cảm L1 sẽ có cùng dòng điện đỉnh.
Dòng điện dẫn RMS
Lưu ý thiết kế 1: Chọn cuộn cảm có giá trị L1_selected, với định mức dòng điện RMS cao hơn Irms_inductor và xếp hạng 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.
MOSFET Mất nguồn Q1
Để biết tổn thất điện năng, phải biết thông tin dưới đây:
Mất dẫn điện
Mất 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 DC dòng điện
Lưu ý thiết kế 3: Diode được chọn phải có định mức dòng điện liên tục dòng điện cao hơn Irms_diode. Định mức dòng điện đỉnh cao phải cao hơn Imax. Định mức điện áp nghịch đảo đỉnh 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.
Mất nguồn 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 chuyển đổi Buck
Cuối cùng, hiệu quả của bộ chuyển đổi buck là
Kiểm tra chế độ hoạt động
Bộ chuyển đổi 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 không.
