[100daysTIL] Day 9 - Type of DC/DC Converter

Yo yo :3 Hế lô mọi người, mình đã quay lại rồi đây. Sau mấy ngày luyên thuyên về bản thân mình, hôm nay mình sẽ quyết định quay trở lại với chủ đề chính đó là "sự học" của bản thân. Giới thiệu sơ bộ về lĩnh vực mà mình theo đuổi - Hardware design (Thiết kế phần cứng cho các thiết bị điện tử). Ví dụ điển hình thì các bạn có thể nhìn qua chiếc điều khiển ti vi, hoặc là điện thoại, máy vi tính mà mình sở hữu. Nó nhỏ bé và tiện lợi, nhưng lại được tạo thành từ cả một tập thể trí tuệ từ các ông trùm công nghệ trên thế giới đấy :v Và mình thì chắc chắn là chưa đủ trình để thiết kế ra những vi mạch như vậy rồi. Nhưng tương lai không xa mình sẽ làm được thôi =))) Trước tiên thì mình cần đi từ những bước nhỏ cái đã, và bước nhỏ ngày hôm nay sẽ là nguồn chuyển đổi DC/DC.

------

Cảnh báo: Bài viết mang tính hàn lâm và học thuật nên chứa nhiều từ ngữ chuyên ngành lắm :v Mọi người cân nhắc trước khi đọc nhé :v

Đầu tiên thì DC/DC converter là tên của bộ nguồn chuyển đổi các mức điện áp một chiều với nhau: Ví dụ như hạ áp, hoặc tăng áp . . . Để một thiết bị có thể hoạt động ổn định và chơn chu, cần có một bộ nguồn ổn định để duy trì nhịp sống cho nó. Có rất nhiều mô hình thiết kế nguồn thông dụng phù hợp cho nhiều mức năng lượng khác nhau, đa dạng về giá thành và hiệu năng sử dụng. 

Các thông số của mạch DC/DC (như hiệu suất, độ gợn sóng, và đáp ứng tải) có thể thay đổi được thông qua các linh kiện bên ngoài. Để lựa chọn được các linh kiện phù hợp nhất, thì cần biết rõ về các thông số đầu vào, đầu ra và điều kiện hoạt động của mạch.

Hiện nay trên thị trường có nhiều nhà sản xuất đã phân phối các dòng IC tối ưu về hiệu năng, kích thước cũng như các linh kiện đi kèm cũng được refer sẵn trong datasheet. Do đó, chúng ta chỉ cần hiểu sơ bộ về nguồn và nắm được các từ khóa chính bằng tiếng anh là có thể tự thiết kế cho mình được một bộ nguồn phù hợp với các thông số kỹ thuật đã đề ra rồi. Nhưng vấn đề phát sinh khi chúng ta ghép nối khối nguồn này với các thiết bị khác trong mạch. Để có thể hoạt động ổn định và tối ưu về mặt hiệu suất thì cần rất nhiều chuyên môn và kinh nghiệm. Còn mình mới ở trình gà mờ nên bài viết này chỉ mang tính chất tham khảo thôi nha :v

Phân loại nguồn DC/DC

Các mạch chuyển đổi DC/DC được chia thành 2 loại sau:
Non-Isolated (Không độc lập):
- Basic (1 cuộn cảm): Buck (Hạ áp), Boost (Tăng áp)
- Capacity Coupling (2 cuộn cảm): SEPIC, Zeta, etc
- Charge Pump (Sử dụng tụ để chuyển mạch, và không dùng cuộn cảm)

Isolated Type (Độc lập)

- Forward transformer type

- Fly-back transformer type

Dưới đây là đặc điểm riêng của từng loại mạch:

1) Isolated Fly-back Converter

Bộ chuyển đổi này thường được sử dụng trong các ứng dụng có công suất lên đến 150W. Mô hình này chỉ sử dụng một linh kiện từ tính chính, đó là một cặp cuộn cảm cung cấp khả năng lưu trữ năng lượng và cách ly điện áp. Năng lượng được truyền tới cuộn thứ cấp và tải xuất hiện trog suốt thời gian T_off-time.

Mô hình này cho phép chuyển đổi nguồn AC thành DC với mức chi phí thấp, do tính đơn giản của nó và sử dụng các linh kiện phổ biến. Mức năng lượng bị hạn chế bởi dòng điện có độ gợn lớn trong đầu ra của tụ lọc, thêm vào đó một khối năng lượng cũng bị lưu trữ bên trong cuộn cảm. Do đó mạch Fly-back được sử dụng trong các mạch chuyển đổi DC/DC nhưng chỉ ở công suất thấp (<50 W) do điện áp đầu vào thấp và độ gợn sóng của dòng điện cao. Dạng sóng ở trên là cho chế độ không liên tục.

2) Forward Converter (Bộ chuyển đổi chuyển tiếp)

Đây là bộ nguồn hoạt động trong phạm vi 100-300W. Mô hình này sử dụng 2 linh kiện từ tính chính là: 1 máy biến áp và 1 cuộn cảm đầu ra. Mạch được dùng trong cả nguồn AC và bộ chuyển đổi DC/DC.

Không có năng lượng được lưu trữ trong biến áp, năng lượng được lưu trữ ở đầu ra của bộ chuyển đổi, bên trong cuộn cảm và tụ điện của mạch. Cuộn cảm đầu ra giúp giảm độ gợn sóng của dòng điện đi ra khỏi tụ và thể tích của biến áp, phụ thuộc vào tần số chuyển mạch cũng như năng lượng tiêu hao. Ở đầu cao hơn của phổ công suất, 2 transistor có thể được sử dụng, lúc này điện áp sẽ giảm đi một nửa nhưng bù lại dòng điện rơi trên tải sẽ cao hơn.

3) Buck Converter

Bộ chuyển đổi này được sử dụng để hạ điện áp đầu vào và tạo ra một điện áp đầu ra thấp hơn. Cấu trúc này được sử dụng rộng rãi trong các bộ chuyển đổi NIPOL (Non-Isolated Point of Load) hoặc POL, nhằm chia nhỏ điện áp đầu vào thành nhiều mức điện áp thấp hơn.

Trong thời gian chuyển mạch ON, dòng điện đi qua cuộn cảm tăng lên khi điện áp đầu vào cao hơn điện áp đầu ra. Lúc này cuộn cảm sẽ tích trữ năng lượng ấy lại. Thời gian chuyển mạch OFF, dòng điện từ cuộn cảm được phóng trở lại và cung cấp năng lượng cho mạch hoạt động. 

4) Boost Converter

Bộ chuyển đổi này được sử dụng để tăng điện áp đầu vào và tạo ra mức điện áp cao hơn. Chúng được sử dụng để tăng điện áp cho các nguồn DC, nhưng lại thưởng được sử dụng trong các nguồn AC trên 100W để các ứng dụng PFC (Power Factor Correction) hoạt động. Sau đây là sơ đồ của một mạch boost tiêu chuẩn và bộ chuyển đổi boost trong ứng dụng PFC.

Năng lượng được lưu trữ trong cuộn cảm trong thời gian ON, điện áp của cuộn cảm cộng với điện áp đầu vào được chuyển tới tụ đầu ra trong thời gian OFF công tắc. Thực tế, điện áp đầu ra có thể gấp 5 lần điện áp đầu vào.

Trong các cấu hình PFC tích cực, độ rộng xung của dòng chuyển mạch được điều khiển sao cho giá trị trung bình của dòng đầu vào tỉ lệ thuận với cường độ của dòng xoay chiều AC. Điều này buộc dòng điện đầu vào phải có dạng hình sin. 

4 điểm quan trọng trong thiết kế mạch DC/DC

Trong số các yêu cầu kỹ thuật cho mạch chuyển đổi DC/DC, những điều sau đây được coi là quan trọng:

- Hoạt động ổn định (Không bị hỏng trong quá trình vận hành như lỗi chuyển mạch hoặc cháy do quá áp)

- Đáp ứng tốt cho tải

- Độ gợn đầu ra nhỏ

- Hiệu năng cao

Những đặc điểm này có thể được cải thiện khi sử dụng những IC chuyển đổi khác nhau và các linh kiện ghép nối khác nhau. Mức độ quan trọng của 4 thông số này sẽ thay đổi với các ứng dụng khác nhau, do đó cần cần nhắc cách chọn các linh kiện cải các thông số này.

---

P/s: Đọc bài này có vẻ hại não cơ mà đây là chuyên mục dành cho việc học nên là . . . =))) Thôi thì chúc mọi người một ngày cuối tuần vui vẻ nha :v Cảm ơn mọi người vì đã đọc tới những dòng này nhé :3