Thiết Kế và Thi Công Mạch Ổn Áp Xung

• Đề tài: Thiết Kế và Thi Công Mạch Ổn Áp Xung

• 1. CHƯƠNG 1: CHUNG VỀ ỔN ÁP
• 1.1. LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ỔN ÁP
• 1.2. Các kiểu ổn áp
• 1.2.1. Ổn áp nối tiếp
• 1.2.2. Ổn áp song song
• 1.2.3. Ổn áp xung
• 2. CHƯƠNG II: ỔN ÁP XUNG
• 2.1. ỔN ÁP XUNG (NGUỒN ỔN ÁP NGẮT QUÃNG)
• 2.1.1. So sánh khái quát mạch ổn áp xung
• 2.1.2. Nguyên lý hoạt động của mạch
• 2.2. Phần ngé cào Zit AV thuật nhân đôi điện áp
• 2.3. Tụ lọc ngõ vào
• 2.4. Vấn đề bảo vệ ngõ vào
• 2.4.1. Kỹ thuật điện trở
• 2.4.2. Kỹ thuật Thermistor

I. Hướng dẫn tổng quan về thiết kế mạch ổn áp xung hiệu quả

Việc thiết kế và thi công mạch ổn áp xung là một kỹ năng then chốt trong lĩnh vực điện tử công suất. Khác với mạch ổn áp tuyến tính truyền thống, mạch ổn áp xung, hay còn gọi là mạch nguồn xung (Switched-Mode Power Supply - SMPS), hoạt động dựa trên nguyên tắc đóng-ngắt linh kiện bán dẫn công suất ở tần số cao. Nguyên tắc này cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra một cách hiệu quả thông qua phương pháp điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM). Một sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp xung cơ bản bao gồm các khối chính: khối chỉnh lưu và lọc đầu vào để biến đổi điện áp AC thành DC, khối công suất chứa phần tử chuyển mạch (thường là MOSFET hoặc BJT), khối biến áp xung để cách ly và biến đổi điện áp, khối chỉnh lưu và lọc đầu ra, và cuối cùng là khối điều khiển hồi tiếp để duy trì sự ổn định của điện áp ra. Như được nêu trong tài liệu gốc, "mạch ổn áp xung còn gọn nhẹ, giá thành hạ hơn mạch ổn áp tuyến tính", đồng thời khắc phục được các nhược điểm cố hữu về hiệu suất và dải điện áp hoạt động. Sự phát triển của các loại IC ổn áp xung tích hợp cao như LM2596, UC3842, hay STR41090 đã làm cho quá trình thiết kế trở nên đơn giản và đáng tin cậy hơn rất nhiều. Việc nắm vững các bước từ phân tích nguyên lý, tính toán linh kiện mạch nguồn xung, cho đến kỹ thuật layout mạch nguồn xung là yếu tố quyết định để tạo ra một bộ nguồn ổn định, hiệu suất cao và có độ bền tốt.

1.1. So sánh hiệu suất mạch ổn áp xung và mạch ổn áp tuyến tính

Sự khác biệt cơ bản giữa mạch ổn áp xung và mạch ổn áp tuyến tính nằm ở phương pháp điều chỉnh điện áp và hiệu suất năng lượng. Mạch ổn áp tuyến tính hoạt động như một điện trở thay đổi, phần chênh lệch điện áp giữa đầu vào và đầu ra bị tiêu tán hoàn toàn dưới dạng nhiệt trên phần tử điều khiển. Tài liệu gốc đã chỉ rõ khuyết điểm của mạch tuyến tính là "khoảng điện áp vào hẹp và hiệu suất thấp". Điều này đặc biệt bất lợi khi chênh lệch điện áp lớn hoặc dòng tải cao, gây lãng phí năng lượng và đòi hỏi hệ thống tản nhiệt cồng kềnh. Ngược lại, mạch nguồn xung sử dụng linh kiện chuyển mạch hoạt động ở hai trạng thái bão hòa (dẫn hoàn toàn) hoặc ngắt (không dẫn). Ở cả hai trạng thái này, công suất tiêu tán trên linh kiện là rất nhỏ, giúp hiệu suất nguồn xung có thể đạt trên 90%. Nhờ vậy, mạch ổn áp xung có kích thước nhỏ gọn hơn, ít tỏa nhiệt hơn và hoạt động được với dải điện áp đầu vào rộng, đáp ứng yêu cầu của các thiết bị điện tử hiện đại.

1.2. Phân tích sơ đồ khối và các thành phần chính của nguồn xung

Một sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp xung hoàn chỉnh bao gồm nhiều khối chức năng phối hợp với nhau. Dựa trên phân tích từ "Hình 2-1" của tài liệu, các khối này bao gồm: 1) Khối chỉnh lưu và lọc ngõ vào: Biến đổi nguồn AC thành điện áp DC cao áp. 2) Khối công suất (Switching Element): Sử dụng MOSFET trong nguồn xung hoặc Transistor để đóng/ngắt dòng điện ở tần số đóng cắt cao (từ 20kHz đến MHz). 3) Khối cách ly và chuyển đổi: Thường là một biến áp xung, có nhiệm vụ hạ áp và cách ly điện giữa sơ cấp và thứ cấp. 4) Khối chỉnh lưu và lọc ngõ ra: Sử dụng các diode schottky (do thời gian phục hồi nhanh) và bộ lọc LC (cuộn cảm cho mạch xung, tụ lọc nguồn) để tạo ra điện áp DC ổn định cho tải. 5) Khối điều khiển và hồi tiếp: Đây là "bộ não" của mạch, thường dùng một IC ổn áp xung chuyên dụng. Nó lấy mẫu điện áp ngõ ra, so sánh với một điện áp chuẩn và điều chỉnh độ rộng xung (PWM) để giữ điện áp ra không đổi khi tải hoặc điện áp vào thay đổi.

II. Nguyên lý hoạt động cốt lõi của các mạch nguồn xung DC DC

Để thực hiện việc thiết kế và thi công mạch ổn áp xung, cần hiểu rõ nguyên lý hoạt động của các cấu trúc tô-pô (topology) cơ bản. Các cấu trúc này quyết định cách năng lượng được truyền từ đầu vào đến đầu ra. Ba cấu trúc phổ biến nhất là Buck (hạ áp), Boost (tăng áp), và Buck-Boost (đảo cực, tăng/hạ áp). Nguyên lý hoạt động nguồn xung của chúng đều dựa trên việc điều khiển trạng thái đóng/ngắt của một khóa chuyển mạch và khả năng tích trữ/phóng thích năng lượng của cuộn cảm. Trong mạch buck converter, năng lượng được truyền trực tiếp đến tải khi khóa đóng, và cuộn cảm sẽ duy trì dòng điện cho tải khi khóa mở. Mạch boost converter thì tích trữ năng lượng vào cuộn cảm khi khóa đóng, và phóng năng lượng này nối tiếp với nguồn vào để cung cấp cho tải khi khóa mở, tạo ra điện áp cao hơn. Ngoài ra, các cấu trúc cách ly như mạch flyback và forward cũng rất quan trọng. Mạch flyback hoạt động tương tự buck-boost, năng lượng được tích trữ trong từ trường của biến áp xung khi khóa đóng và được giải phóng sang phía thứ cấp khi khóa mở. Việc hiểu rõ các chu kỳ nạp-xả năng lượng này là nền tảng để tính toán linh kiện mạch nguồn xung một cách chính xác, đảm bảo mạch hoạt động ổn định và hiệu quả.

2.1. Phân tích cấu trúc mạch hạ áp DC DC Buck và tăng áp Boost

Mạch buck converter là cấu trúc mạch hạ áp DC-DC phổ biến nhất. Khi transistor công suất (khóa) dẫn, dòng điện từ nguồn chạy qua cuộn cảm, nạp năng lượng cho cuộn cảm và cung cấp cho tải. Khi transistor ngắt, cuộn cảm sẽ phóng năng lượng đã tích trữ, duy trì dòng điện liên tục qua tải thông qua một diode. Điện áp ra luôn nhỏ hơn điện áp vào và được điều khiển bởi tỉ lệ thời gian đóng/ngắt (duty cycle). Ngược lại, mạch boost converter là một mạch tăng áp DC-DC. Khi transistor dẫn, nguồn điện sẽ nạp năng lượng cho cuộn cảm. Khi transistor ngắt, cuộn cảm tạo ra một suất điện động cảm ứng có chiều cùng với chiều điện áp nguồn, làm cho tổng điện áp cấp cho tải lớn hơn điện áp nguồn. Cả hai mạch này đều là các cấu trúc không cách ly, thường được sử dụng trong các ứng dụng nội bộ thiết bị nơi không yêu cầu cách ly điện.

2.2. Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của mạch Flyback cách ly

Trong các bộ nguồn yêu cầu cách ly an toàn giữa đầu vào và đầu ra, mạch flyback là một lựa chọn phổ biến, đặc biệt ở dải công suất thấp và trung bình. Về bản chất, nó là một dạng của mạch buck-boost converter có thêm cuộn thứ cấp cách ly. Theo mô tả trong tài liệu, hoạt động của biến áp trong mạch này giống như một cuộn cảm-biến áp. "Khi Transistor Q1 dẫn, một dòng điện sơ cấp Ip trong cuộn sơ cấp của biến áp, lúc này là năng lượng được trữ". Trong pha này, diode ở phía thứ cấp bị phân cực ngược, không có năng lượng nào được truyền sang tải. "Khi Transistor ngắt, thì cực tính của các cuộn dây biến áp được đảo lại", lúc này diode thứ cấp phân cực thuận và năng lượng tích trữ trong lõi từ được phóng ra, nắn và lọc để cấp cho tải. Ưu điểm của mạch flyback là cấu trúc đơn giản, số lượng linh kiện ít.

III. Bí quyết tính toán và lựa chọn linh kiện cho mạch ổn áp xung

Giai đoạn tính toán linh kiện mạch nguồn xung là bước quan trọng nhất trong quy trình thiết kế. Việc tính toán sai có thể dẫn đến mạch hoạt động không ổn định, hiệu suất thấp, hoặc thậm chí gây hỏng hóc linh kiện. Quy trình bắt đầu bằng việc xác định các thông số đầu vào (dải điện áp Vin), đầu ra (Vout, Iout), và tần số hoạt động. Dựa trên đó, các giá trị của cuộn cảm cho mạch xung và tụ lọc nguồn được tính toán để đảm bảo chế độ dòng điện liên tục và giới hạn độ gợn sóng (ripple) ở mức cho phép. Ví dụ, tài liệu gốc cung cấp công thức tính dòng đỉnh cuộn sơ cấp trong mạch flyback: Ibp = 2*Pout / (Vimin*Smax). Việc lựa chọn IC ổn áp xung phù hợp cũng rất quan trọng, các IC như UC3842 hay TL494 cung cấp đầy đủ các khối chức năng như tạo dao động, khuếch đại sai, bảo vệ quá dòng. Các linh kiện công suất như MOSFET trong nguồn xung và diode schottky phải được chọn dựa trên điện áp và dòng điện đỉnh mà chúng phải chịu đựng, đồng thời cần có thời gian chuyển mạch nhanh để giảm tổn hao. Cuối cùng, việc thiết kế biến áp xung đòi hỏi tính toán số vòng dây, tiết diện dây và khe hở không khí (air gap) để tránh bão hòa lõi từ.

3.1. Hướng dẫn chọn IC ổn áp xung và Transistor công suất MOSFET

Việc lựa chọn IC ổn áp xung là điểm khởi đầu cho nhiều thiết kế. Các IC hiện đại tích hợp bộ tạo dao động, mạch so sánh, bộ khuếch đại lỗi, và các tính năng bảo vệ. Các IC phổ biến như LM2576 hay LM2596 phù hợp cho các mạch buck đơn giản, trong khi UC3842/3843 là lựa chọn tiêu chuẩn cho các mạch flyback và forward. Khi chọn IC, cần quan tâm đến dải điện áp hoạt động, tần số đóng cắt tối đa, và khả năng cung cấp dòng cho cực cổng của MOSFET. Đối với transistor công suất, MOSFET được ưa chuộng hơn BJT trong các thiết kế hiện đại do tốc độ chuyển mạch nhanh và điều khiển bằng điện áp. Các thông số quan trọng cần xem xét khi chọn MOSFET là điện áp đánh thủng Vds (phải lớn hơn điện áp đỉnh trên khóa), dòng điện liên tục Id, và điện trở khi dẫn Rds(on) (càng thấp càng tốt để giảm tổn hao).

3.2. Công thức tính toán cuộn cảm cho mạch xung và tụ lọc nguồn

Cuộn cảm (inductor) và tụ điện (capacitor) là hai linh kiện thụ động quyết định đến độ ổn định và độ gợn của điện áp ra. Giá trị của cuộn cảm cho mạch xung được tính toán để giới hạn độ nhấp nhô của dòng điện (current ripple). Theo tài liệu gốc, công thức tính điện cảm sơ cấp cho mạch flyback là Lp = Vimin * Smax / (Ibp * f). Một giá trị L quá nhỏ sẽ gây ra dòng đỉnh lớn và tổn hao cao, trong khi giá trị L quá lớn có thể làm giảm tốc độ đáp ứng của mạch. Tương tự, tụ lọc nguồn ở đầu ra được chọn để giảm thiểu độ gợn điện áp (voltage ripple). Giá trị điện dung cần thiết phụ thuộc vào độ gợn cho phép, dòng tải, và điện trở nối tiếp tương đương (ESR) của tụ. Tụ có ESR thấp là ưu tiên hàng đầu trong các ứng dụng nguồn xung để giảm tổn hao và tăng hiệu suất.

IV. Cách thiết kế PCB và mô phỏng mạch nguồn xung chống nhiễu

Quá trình thiết kế và thi công mạch ổn áp xung không chỉ dừng lại ở việc lựa chọn và tính toán linh kiện. Kỹ thuật thiết kế PCB cho nguồn xung đóng vai trò cực kỳ quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất nguồn xung và vấn đề nhiễu điện từ (EMI). Do dòng điện và điện áp thay đổi đột ngột ở tần số cao, một layout mạch nguồn xung kém có thể tạo ra các vòng lặp dòng điện lớn, gây ra bức xạ nhiễu và làm ảnh hưởng đến hoạt động của chính nó cũng như các thiết bị xung quanh. Nguyên tắc vàng là phải giữ cho các đường mạch công suất (power loop) có diện tích nhỏ nhất có thể. Các linh kiện như tụ lọc, diode, và khóa chuyển mạch phải được đặt gần nhau. Đường mạch điều khiển và hồi tiếp cần được đi tách biệt khỏi đường mạch công suất để tránh bị can nhiễu. Sử dụng mặt phẳng đất (ground plane) rộng giúp giảm trở kháng và cải thiện khả năng chống nhiễu EMI. Trước khi thi công, việc mô phỏng mạch nguồn xung bằng các phần mềm chuyên dụng như Proteus (cho các mạch đơn giản) hay LTspice là một bước không thể thiếu để kiểm tra nguyên lý hoạt động và tinh chỉnh các thông số thiết kế.

4.1. Kỹ thuật layout mạch nguồn xung để giảm thiểu nhiễu EMI

Để thực hiện một layout mạch nguồn xung tối ưu, cần tuân thủ một số quy tắc chính. Thứ nhất, xác định các vòng lặp dòng điện có cường độ cao và biến thiên nhanh (hot loops) và tối thiểu hóa diện tích của chúng. Ví dụ, trong mạch buck, vòng lặp bao gồm tụ đầu vào, transistor và diode phải được bố trí gần nhau nhất. Thứ hai, sử dụng các đường mạch (trace) rộng và ngắn cho các đường dẫn công suất để giảm điện cảm và điện trở ký sinh. Thứ ba, tách biệt rõ ràng giữa vùng đất công suất (power ground) và đất tín hiệu (signal ground), và nối chúng lại với nhau tại một điểm duy nhất. Thứ tư, đặt tụ bypass gần các chân nguồn của IC ổn áp xung để lọc nhiễu tần số cao. Việc áp dụng các kỹ thuật này khi thiết kế trên các phần mềm như Altium sẽ giúp giảm đáng kể nhiễu EMI và cải thiện độ ổn định của mạch.

4.2. Lợi ích của việc mô phỏng mạch nguồn xung bằng phần mềm

Việc mô phỏng mạch nguồn xung trước khi sản xuất PCB mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Nó cho phép kiểm tra tính đúng đắn của sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp xung, xác minh các giá trị linh kiện đã tính toán và quan sát dạng sóng tại bất kỳ điểm nào trong mạch mà không cần đến thiết bị đo đắt tiền. Các phần mềm như LTspice hay PSpice cung cấp các mô hình (model) chính xác của nhiều linh kiện như MOSFET, diode và IC, cho phép đánh giá các yếu tố như tổn hao công suất, hiệu suất nguồn xung, và độ ổn định của vòng lặp hồi tiếp. Sử dụng Proteus cũng là một lựa chọn để mô phỏng hoạt động logic của mạch điều khiển. Quá trình mô phỏng giúp phát hiện sớm các sai sót trong thiết kế, từ đó tiết kiệm thời gian, chi phí và công sức cho việc sửa lỗi trên mạch thật.