Mạch Điện Lý Thú

Nguồn tuyến tính và nguồn switching: Các loại nguồn sử dụng cho hệ thống nhúng (Phần 2)

GIỚI THIỆU ()

1: Vì sao người ta lại sử dụng các loại nguồn ?

Câu trả lời đơn giản là hiệu năng cao, kích thước nhỏ hơn so với nguồn tuyến tính cùng công suất.
Với nguồn switching, được dùng để cấp dòng cho tải nhưng nó hoạt động ở chế độ đóng cắt theo chu kỳ thay vì dẫn dòng liên tục sau khi mở như nguồn tuyến tính. Điều này có ý nghĩa gì? mở trong thời gian rất ngắn rồi lại đóng lại theo chu kỳ nên điện áp rơi trên nó sẽ được giảm tối thiểu (trung bình cả chu kỳ).
Để các bạn dễ hình dung hơn ta sẽ tính toán đơn giản năng lượng tỏa ra ở MOSFET như sau:

– Công suất tỏa nhiệt của MOSFET là P=U*I trong đó U là điện áp đặt, I là dòng qua MOSFET. Năng lượng tỏa ra là W=P*t (t là thời gian duy trì mức điện áp U và dòng I)
– Với nguồn tuyến tính, sau khi ta mở MOSFET, năng lượng này sẽ liên tục tỏa ra theo thời gian. Còn với nguồn switching, ở mỗi chu kỳ đóng cắt năng lượng tỏa ra là W=P*t’ (t’ là thời gian ON trong 1 chu kỳ)
– Với nguồn switching, do việc đóng mở theo chu kỳ nên nhiệt lượng tỏa ra ở thời gian ON sẽ nguội đi trong thời gian OFF, cứ như vậy MOSFET của chúng ta không bị vấn đề về nhiệt!
Việc tính toán chi tiết tổn hao năng lượng sẽ bàn tới ở phần sau.
cao, tiêu hao năng lượng thấp và công suất cao so với nguồn tuyến tính có cùng kích cỡ là lí do người ta chọn sử dụng nguồn switching, đặc biệt là với ứng dụng đòi hỏi dòng đầu ra lớn.
Lấy một ví dụ, các nguồn switching buck converter với đầu vào 12VDC, đầu ra 3.3VDC có hiệu suất hoạt động cỡ 90%, so với 27.5% của nguồn tuyến tính tương đương. Điều này có nghĩa là với cùng kích thước, nguồn tuyến tính tiêu tốn năng lượng gấp 8 lần nguồn switching!
– Ở phần sau ta sẽ lấy một đại diện của nguồn switching để phân tích. Đó là Buck converter, mạch nguồn switching đơn giản và được sử dụng nhiều nhất.

2: Nguyên lý hoạt động mạch Buck converter

– Mạch có 2 chế độ hoạt động:

+ Khi MOSFET ON: Do chênh lệch điện thế giữa 2 điểm SW và V0, dòng qua cuộn dây (IL) tăng lên. Hình thứ 2 ở trên mô tả hoạt động của mạch ở chế độ ON, dòng ở nguồn cấp lúc này nuôi cả tải và sạc cho tụ C0. I(LOAD)=I(L)-I(C0)
+ Khi MOSFET OFF: Nguồn cấp bị ngắt ra khỏi tải. Cuộn dây L xả điện theo chiều ngược lại với lúc được nạp (hình số 3 ở trên). Lúc này dòng nuôi tải gồm cả dòng cuộn dây phóng ra và tụ C0 xả. I(LOAD)=I(L)-I(C0) (Vì khi phóng điện tụ phóng theo chiều ngược lại với khi sạc, cho nên dòng I(C0) lúc này âm)
Cuối cùng ta có I(LOAD)=I(L)-I(C0) trong cả 2 trường hợp. Trừ 2 đồ thị I(L) và I(C0) ở trên ta thấy đồ thị I(LOAD) có dạng gần như phẳng
Điện áp trung bình đầu ra V0 có thể tính theo công thức:

Trong đó Ton là thời gian MOSFET ở trạng thái ON trong 1 chu kỳ switching. Ts là chu kỳ switching. Bằng việc điều chỉnh Ton, ta có thể điều chỉnh được điện áp đầu ra!

3: Năng lượng hao phí trong mạch Buck converter

– Hao phí năng lượng trong các mạch switching được chia thành 2 loại: Hao phí gây ra bởi thành phần DC và hao phí gây bởi thành phần AC.
+ Hao phí do thành phần DC là do các linh kiện như MOSFET Q, Diode D và cuộn cảm L luôn có điện áp rơi trên chúng (hay nói cách khác chúng có điện trở trong). Điện áp rơi này gây tác dụng nhiệt khi chúng dẫn dòng.
+ Hao phí do thành phần AC là do chuyển đổi mức điện áp và dòng điện trong khoảng thời gian chuyển trạng thái của MOSFET. Xét đồ thị sau:

Với điều kiện lý tưởng, ở trạng thái ON, dòng qua MOSFET lớn nhất, áp đặt trên nó gần như bằng 0. Trạng thái OFF thì ngược lại. Ta tạm coi hao phí của mỗi trạng thái khi đã xác lập đều bằng 0.
Nhưng ở thời gian chuyển tiếp, giá trị điện áp và dòng điện đều khác 0 (xem đồ thị trên) do đó có nhiệt lượng tỏa ra với công suất P=U*I
Ngoài ra còn có thất thoát từ ở cuộn dây…
Bây giờ ta sẽ tính cụ thể hao phí năng lượng ở từng trường hợp

a. Hao phí do thành phần DC

– Các thành phần như cuộn dây L, MOSFET Q1 và diode D1 khi dẫn dòng đều có điện áp rơi trên chúng, do mỗi thành phần đều có điện trở trong. Tổng năng lượng hao phí như sau (với D là tỉ số Ton/Ts):

Trong đó thành phần đầu tiên là rơi trên MOSFET, thành phần thứ hai là rơi trên diode và thành phần cuối cùng là rơi trên cuộn dây, R(DCR) là nội trở cuộn dây.
Lấy ví dụ, với điện áp đầu vào 12V, đầu ra 3.3V với dòng cực đại đầu ra 10A. MOSFET sử dụng có điện trở khi mở van hoàn toàn RDS(ON)=0.01R. Cuộn dây có điện trở trong R(DCR)=0.002R. Điện áp rơi trên diode là VD=0.5V. Năng lượng hao phí cực đại là:

Bỏ qua hao phí thành phần AC, hiệu suất hoạt động của mạch này là:

Cũng từ các tính toán ở trên ta thấy tổn hao trên diode lên tới 3.62W lớn hơn rất nhiều tổn hao trên MOSFET và cuộn dây. Để cải thiện hiệu suất người ta thay thế D1 bằng một MOSFET Q2 (Q1,Q2  có cùng nguồn tín hiệu điều khiển nhưng mức logic ngược nhau)

Coi như Q1 và Q2 giống nhau, tổn hao năng lượng toàn mạch bây giờ là:

Với RDS1(ON)=RDS2(ON)=0.01R, R(DCR)=0.002R thay số ta có P=1.2W. Hiệu suất mạch lúc này:

b. Hao phí do thành phần AC

– Tính toán phần này rất phức tạp. Hao phí do thành phần AC gồm có: hao phí do đóng cắt MOSFET, tổn hao từ trên cuộn dây… Với mạch buck converter đầu vào 12V, đầu ra 3.3V dòng max 10A thì tổn hao do thành phần AC khoảng 2%-5%
– Như vậy tổng kết lại hiệu suất của mạch buck converter vào khoảng 93% cao hơn rất nhiều nguồn tuyến tính cùng loại, đồng thời cho dòng cực đại lớn hơn rất nhiều.
– Với hao phí thấp như vậy, đồng nghĩa với việc khi ta nâng công suất của mạch lên, lượng nhiệt tỏa ra do hao phí cũng sẽ thấp, không dẫn đến quá nhiệt làm cháy linh kiện hay ảnh hưởng các thiết bị xung quanh, nếu có thì cũng ít hơn nhiều lần các nguồn tuyến tính cùng công suất. Do đó nguồn switching được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu công suất cao.

4: Một số lưu ý khi sửa chữa, thiết kế nguồn switching

a. Về tần số switching

– Nhìn chung tần số switching càng cao thì kích thước bộ lọc LC đầu ra càng nhỏ, đồng thời đáp ứng đầu ra khi tải thay đổi hoặc đầu vào thay đổi cũng nhanh hơn.
– Tuy nhiên tần số switching cao dẫn tới một nhược điểm là tổn hao thành phần AC càng lớn, ta phải tăng kích thước tản nhiệt của van bán dẫn.
– Ngày nay với ứng dụng nguồn step-down (áp ra < áp vào) với dòng đầu ra > 10A, tần số switching sử dụng là 100kHz tới 2MHz; còn với ứng dụng cần dòng < 10A thì tần số switching có thể lên tới vài MHz.
– Tùy theo kích thước, giá thành, hiệu năng và các yếu tố khác để lựa chọn tần số switching và các linh kiện cho phù hợp

b. Lựa chọn cuộn dây đầu ra

– Gợn sóng dòng điện là biên độ dao động của giá trị dòng điện quanh giá trị đặt của nó.

– Gợn sóng của dòng qua cuộn dây có thể tính theo công thức

Đồng thời từ công thức này ta cũng tính được giá trị của cuộn cảm L khi biết các thông số còn lại. Ví dụ với nguồn đầu vào 12V, đầu ra 5V, 2A ở tần số switching 400KHz và độ gợn sóng của dòng 0.6A (khi tính toán thường lấy=30% dòng max ra tải) thì giá trị cuộn cảm L cần ở đầu ra là: L= (12-5)*5/(12*0.6*400000)= 12.12uH
– Việc lựa chọn cuộn dây cần quan tâm tới 2 thông số: dòng hoạt động và dòng bão hòa.
+ Dòng hoạt động là giá trị dòng điện chạy qua cuộn dây mà tại đó, nhiệt độ cuộn dây đạt 40 độ C
+ Dòng bão hòa là giá trị dòng điện mà tại đó, điện cảm của cuộn dây bắt đầu giảm so với khi không có dòng chạy qua (từ 10%-60% giá trị ban đầu). Lúc này cuộn dây mất khả năng lưu trữ điện.
– Chọn cuộn dây có dòng hoạt động và dòng đỉnh lớn hơn hoặc bằng dòng điện hoạt động và dòng đỉnh đầu ra của mạch.

c. Lựa chọn MOSFET

– Với MOSFET, ta cần quan tâm đến các thông số:
+ Điện áp chịu đựng tối đa (khi MOSFET đóng, toàn bộ điện áp nguồn đặt lên 2 cực D,S)
+ Dòng điện tối đa chịu được (khi MOSFET mở hoàn toàn)
+ Điện áp ngưỡng giữa 2 cực G và S để mở van VGS(threshold) (thông số này đơn giản để chọn driver tương ứng)
+ Gate charge
+ Điện trở giữa cực D và cực S khi MOSFET mở hoàn toàn.
– Hai thông số đầu tiên cũng giống như khi ta chọn các linh kiện điện tử khác. Các bạn chọn linh kiện có mức điện áp và dòng điện chịu đựng lớn hơn hoặc ít nhất là bằng so với yêu cầu, không nên lớn hơn nhiều quá vì MOSFET điện áp càng cao thì càng đắt, kích thước lớn và càng nóng khi hoạt động. Tùy theo loại MOSFET mà điện áp làm van bắt đầu dẫn sẽ khác nhau. Thường điện áp làm FET mở hoàn toàn nằm trong khoảng -20V tới +20V (tùy loại).
Ta quan tâm nhiều hơn đến 2 thông số cuối cùng!
– Gate charge (đơn vị nC – Cu lông) là gì và có ý nghĩa gì? Thông số này rất quan trọng để bạn lựa chọn MOSFET driver phù hợp, nếu không FET của bạn sẽ nổ như pháo. Trước hết như các bạn đã biết, giữa các bản cực của MOSFET đều có tụ kí sinh. Để mở van MOSFET thì điện áp cực gate phải đủ lớn và duy trì trong thời gian đủ lâu để nạp đầy cho các tụ kí sinh này.

Khi các tụ kí sinh được nạp đầy cũng là lúc FET bắt đầu mở dẫn dòng. Vậy thì có điều gì quan trọng ở đây?
+ Thứ nhất: nếu trong thời gian xả của các tụ kí sinh mà chúng tiếp tục nhận được xung ON ở cực G, tức là độ rộng xung OFF ở cực G nhỏ hơn thời gian tụ ký sinh xả hết, thì tụ sẽ lại được nạp, do đó FET luôn luôn dẫn! Nhiệt độ FET tăng cao và dễ gây cháy nổ.
+ Thứ hai. Nếu xung ON không duy trì đủ lâu thì FET sẽ không được mở dẫn hoàn toàn. Dòng qua FET lúc này nhỏ hơn yêu cầu thực tế.
+ Thứ ba: Các tụ ký sinh không phải là hằng số và điện dung của chúng thay đổi theo các điện áp V(GS), V(GD)… điện thế ở cực G càng cao so với 2 cực còn lại thì điện dung tụ ký sinh càng nhỏ. Vì lí do này người ta sử dụng một thông số khác là gate charge, năng lượng cần nạp vào các tụ ký sinh để FET mở hoàn toàn.
Ta lấy một ví dụ MOSFET SI4964: http://www.vishay.com/docs/70157/si4946ey.pdf
MOSFET có total gate charge =30nC
Điện áp điều khiển cực G ta chọn là 10V (U)
Thời gian chuyển trạng thái ON-OFF, OFF-ON của xung kích FET là 40ns (T) (chuyển từ ON sang OFF trong 40ns và ngược lại, xem hình bên dưới)

Ta có T=T_on+T_rise=T_off+T_fall=40ns (trong datasheet T_onTd(on), T_offTd(off))

Đây chính là thời gian để nạp (hoặc xả) các tụ ký sinh. Ta sẽ tính thông số của MOSFET driver cần sử dụng.
Với năng lượng Q ở trên thì thời gian để nạp hoặc xả tụ (coi như bằng nhau) là: T=Q/I (I là dòng điều khiển cực G).
Từ đó suy ra I=Q/T=30/40=0.75A. Ta sẽ chọn driver có điện áp max 12V, dòng max 1A.

  • Điện trở trong của MOSFET khi dẫn hoàn toàn RDS(ON) thường cỡ vài chục mili Ôm (lớn hơn nghĩa là hỏng rồi :D). Lưu ý là MOSFET công suất lớn chịu được dòng điện và điện áp rất lớn nhưng kích thước của lớp tiếp giáp cũng phải lớn hơn dẫn đến nội trở MOSFET khi dẫn hoàn toàn cũng lớn hơn. Các bạn chú ý khi lựa chọn MOSFET phù hợp, MOSFET công suất càng lớn thì càng đắt và càng yêu cầu chất lượng mạch kích, chất lượng PCB tốt, tản nhiệt lớn… Dễ nổ lắm nhé các bác 😀
  • Bonus thêm về MOSFET, khi sửa chữa hoặc sử dụng các MOSFET công suất lớn KHÔNG ĐƯỢC thả nổi cực Gate khi MOSFET vẫn đang ở trong mạch và đang có điện. Vì một lý do nào đó có thể do chất lượng MOSFET hoặc đơn giản là chạm tay vào cực Gate, các tụ ký sinh trong MOSFET có thể có điện. Và do không có điện trở xả ở cực Gate để xả năng lượng đó đi, FET của bạn sẽ liên tục dẫn gây cháy nổ. Đặc biệt nếu các bạn dùng cầu H có 4 con FET thì sẽ trùng dẫn và nổ như bom!

d. Lựa chọn các tụ điện đầu vào và đầu ra.

– Với một tụ điện bất kỳ, độ gợn sóng của điện áp đầu ra của nó được tính theo công thức

Trong đó: ESR, ESL là trở và cuộn cảm ký sinh trong tụ.
Delta I là độ gợn sóng của dòng điện.
Delta T là thời gian tụ được cấp điện áp(ở đây là thời gian ON trong chu kỳ switching)

Thường thành phần ESL (cuộn cảm ký sinh) coi như bằng 0. Thành phần này chỉ đáng kể khi tần số switching cỡ 1MHz trở lên. Ta tạm thời bỏ qua.

Như vậy giá trị của tụ điện có thể tính theo công thức:

– Thường khi tính toán lựa chọn tụ đầu vào, ta lấy độ gợn sóng của dòng điện đầu vào khoảng 50% dòng khi tải lớn nhất =1A; độ gợn sóng điện áp khoảng 200mV, điện trở trong của tụ ESR= 0.12R. Thay số ta có giá trị tụ đầu vào Cin=(1*5/(12*400000))/(12-5-1*0.12)=13uF.
– Với tụ đầu ra, độ gợn sóng dòng điện khoảng 30% dòng ra tải=0.6A; độ gợn sóng điện áp 0.05V; điện trở trong của tụ ESR=0.03R ta có Cout=(0.6*5/(12*400000))/(12-5-0.6*0.12)=19.5uF. Đây là giá trị tối thiểu cần thiết, muốn độ gợn sóng thấp hơn thì ta phải chọn tụ lớn hơn để có trở trong ESR nhỏ hơn.
– Ở đầu vào, tụ được chọn phải chịu được dòng xoay chiều (RMS ripple current tra trong datasheet) đủ lớn để tránh các ảnh hưởng về nhiệt. Người ta thường dùng một tụ nhôm và tụ gốm nội trở (ESR) thấp mắc song song nhau ở đầu vào.
– Tụ điện đầu ra không những quyết định mức gợn sóng điện áp đầu ra, mà còn quyết định khả năng đáp ứng đầu ra khi tải thay đổi. Người ta sử dụng các tụ tantalum, tụ polyme, tụ gốm nhiều lớp (MLCC – multilayer ceramic capacitor) có nội trở thấp ở đầu ra.

5. Ứng dụng của nguồn switching

– Sử dụng làm nguồn cấp cho đa số thiết bị ngày nay: Laptop, điện thoại, nguồn trong máy tính để bàn, trong các loại TV LCD, Plasma….
– Sử dụng trong LED quảng cáo do kích thước nhỏ gọn và công suất cao
– Sử dụng trong các ứng dụng dùng pin mặt trời (Boost converter)
– Sử dụng trong các thiết bị chạy bằng Pin như ô tô điện, xe đạp điện,… để tối ưu thời gian sử dụng.

6. Tài liệu tham khảo

http://cds.linear.com/docs/en/application-note/AN140fa.pdf
http://www.polyfet.com/mosartcl.pdf
http://intranet.ctism.ufsm.br/gsec/Applications/powermosfet.pdf
http://www.microsemi.com/document-portal/doc_view/14697-making-use-of-gate-charge-information-in-mosfet-and-igbt-data-sheets
http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00799b.pdf

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *