Đặc điểm cơ bản của bộ chuyển đổi nguồn DC-DC

Mọi thiết bị điện tử đều cần nguồn điện một chiều (DC) hoặc xoay chiều (AC). Trong khi các thiết bị được kết nối với nguồn điện lưới thường yêu cầu chỉnh lưu điện áp xoay chiều trước, thì các thiết bị chạy bằng pin lại hoạt động trực tiếp với điện áp một chiều.

Thông thường, điện áp DC khả dụng không khớp với mạch được cấp nguồn, do đó cần có bộ chuyển đổi DC/DC để cung cấp điện áp DC và điều chỉnh cần thiết. Các bộ chuyển đổi DC/DC này đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng khác nhau như bộ sạc pin, năng lượng tái tạo và thiết bị điện tử cầm tay, nơi cần các mức điện áp khác nhau để hoạt động bình thường.

Bộ chuyển đổi DC/DC về cơ bản có thể được chia thành hai trường hợp: Bộ chuyển đổi buck giảm điện áp đầu vào cao hơn xuống điện áp đầu ra thấp hơn, trong khi bộ chuyển đổi boost tạo ra điện áp đầu ra cao hơn từ điện áp đầu vào thấp hơn.

Ngoài ra, còn có các cấu trúc bộ chuyển đổi DC/DC có thể hoạt động với cả điện áp đầu vào cao hơn và thấp hơn, được gọi là bộ chuyển đổi buck-boost. Đại diện tiêu biểu của nhóm này là bộ chuyển đổi SEPIC và bộ chuyển đổi flyback. Điều quan trọng là bộ chuyển đổi DC/DC phải hoạt động hiệu quả năng lượng nhất có thể và đồng thời cung cấp điện áp đầu ra ổn định, được điều chỉnh, ngay cả khi điện áp đầu vào dao động hoặc tải đầu ra thay đổi. Tương thích điện từ (EMC) cũng cần được đặc biệt chú ý. Do đó, bộ chuyển đổi DC/DC không được dễ bị nhiễu hoặc gây nhiễu cho các mạch khác trong môi trường.

Để đáp ứng các yêu cầu này, trước tiên, nhà thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC nên xử lý các vấn đề cơ bản đã chọn. Một điểm khởi đầu tốt là xử lý chuyên sâu dòng điện định mức và dòng điện bão hòa khi lựa chọn Cuộn cảm Lưu trữ phù hợp cho Bộ chuyển đổi DC/DC . Vật liệu lõi được sử dụng trong

Cuộn cảm có ảnh hưởng lớn đến trạng thái bão hòa, tần số đóng cắt tối đa có thể và kích thước linh kiện. Tương tự, việc lựa chọn tụ điện cho bộ chuyển đổi DC/DC về dòng điện gợn sóng, trở kháng và xác định dòng nhiễu cũng rất quan trọng. Cuối cùng, bộ lọc đầu vào cho bộ chuyển đổi DC/DC và tiêu chí ổn định đầu vào cũng rất đáng được quan tâm.

Sau khi đã chuẩn bị kỹ lưỡng kiến thức cơ bản, bạn có thể chuyển sự chú ý sang các ví dụ thiết kế của bốn cấu trúc bộ chuyển đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi sau đây:

Bộ chuyển đổi Buck

Trong số các bộ nguồn chuyển mạch, bộ chuyển đổi buck (bộ chuyển đổi hạ áp) chắc chắn là cấu trúc được sử dụng rộng rãi nhất.

Bộ chuyển đổi buck về cơ bản chỉ là một máy phát sóng vuông với bộ lọc LC hạ lưu. Thoạt nhìn, rõ ràng là, về EMC, cần chú ý nhiều hơn đến phía đầu vào so với phía đầu ra. Về mặt chức năng, "chỉ" cần một tụ điện ở đầu vào. Tụ điện này đệm điện tích cần thiết cho dòng điện trong pha bật của FET phía cao và được nạp lại bởi nguồn trong pha tắt.

Nếu bộ chuyển đổi này hiện được đặt ở đầu vào của toàn bộ thiết bị điện tử (ví dụ: V in = 24 V), thì cần phải thực hiện các biện pháp phòng ngừa bổ sung liên quan đến phát xạ nhiễu (EN 55032) và khả năng miễn nhiễm nhiễu (EN 55035). Ngay cả một tụ điện đầu vào được lựa chọn phù hợp và đặt đúng vị trí  cũng không đủ để đệm dòng điện không liên tục đôi khi rất cao trên một dải tần số rộng.

Bộ chuyển đổi tăng cường

Bộ chuyển đổi tăng áp (bộ chuyển đổi tăng áp) được sử dụng khi điện áp đầu ra phải cao hơn điện áp đầu vào. Cuộn  cảm nằm trong mạch đầu vào, nghĩa là cấu trúc này không có dòng điện đầu vào không liên tục.

Do cuộn cảm lưu trữ tích hợp dòng điện theo thời gian, nó có dạng sóng gần như tam giác, nhưng điều này không có nghĩa là đầu vào của bộ chuyển đổi có thể bị bỏ qua về mặt nhiễu EMC. Do đó, các bộ lọc đầu vào cần thiết thường có thể được thiết kế nhỏ hơn một chút so với bộ chuyển đổi buck chẳng hạn. Ở đầu ra, một dòng điện hình thang không liên tục chạy trong bộ chuyển đổi boost.

Rõ ràng là đầu ra của bộ chuyển đổi tăng áp quan trọng hơn về mặt EMC so với cấu trúc bộ chuyển đổi buck. Diode giao hoán mạnh trên tụ điện đầu ra, do đó một dòng điện không liên tục được chồng lên. Tùy thuộc vào ứng dụng, tín hiệu RF thu được

Điện áp cũng như gợn sóng điện áp tần số thấp có thể gây nhiễu cho các thiết bị điện tử hạ lưu hoặc bị bức xạ dưới dạng nhiễu tần số cao. Điều này có nghĩa là có thể cần đến bộ lọc đầu ra hạ lưu.

Bộ chuyển đổi SEPIC

Nếu điện áp đầu vào (ví dụ: pin lithium-ion) lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp đầu ra trong quá trình hoạt động, thì cấu trúc SEPIC (Bộ chuyển đổi điện cảm sơ cấp một đầu) là một lựa chọn khả thi.

Ưu điểm của bộ điều khiển SEPIC là khả năng chống đoản mạch nhờ tụ ghép nối tiếp với MOSFET. Bộ chuyển đổi SEPIC cũng có thể được chế tạo với nhiều IC điều khiển tăng áp thông dụng, mang lại lợi thế về tính khả dụng và chi phí. Một ưu điểm khác của bộ điều khiển SEPIC là nó không sử dụng dòng điện không liên tục ở đầu vào, do đó không cần thiết phải nạp pin.

Tuy nhiên, dòng điện đầu ra cao cũng có những hạn chế. Vì hầu hết các bộ chuyển đổi SEPIC phổ biến đều được chế tạo với diode Schottky để chuyển mạch, nên cấu trúc này có hiệu suất thấp hơn ở dòng điện cao hơn. Một thành phần quan trọng khác là tụ ghép. Dòng điện xoay chiều rất cao chạy qua thành phần này từ đầu vào đến đầu ra. Do đó, cần phải sử dụng tụ điện có ESR rất thấp ; việc kết nối song song nhiều tụ điện cũng phù hợp để giảm tổng ESR. Tụ gốm MLCC với gốm X7R là lựa chọn lý tưởng cho mục đích này.

Trên 50 W, cấu trúc buck-boost đồng bộ hoàn toàn thường có lợi do RDS thấp trên tổn hao của FET được sử dụng. Tuy nhiên, với bộ chuyển đổi buck-boost đồng bộ hoàn toàn, tỷ lệ chi phí bán dẫn tương đối cao, do đó, SEPIC lên đến 50 W thường có lợi thế về mặt chi phí.

Bộ chuyển đổi Flyback

Nếu cần một hoặc nhiều điện áp đầu ra riêng biệt và được điều chỉnh, thì bộ chuyển đổi flyback lên đến khoảng 150 W thường là lựa chọn tốt nhất. Điều này chủ yếu là do nó yêu cầu tương đối ít linh kiện, do đó tiết kiệm chi phí và không gian.

Ở mức công suất cao hơn, các cấu trúc khác, chẳng hạn như bộ biến đổi thuận, có lợi thế hơn vì chúng cũng tận dụng tốt hơn thể tích lõi biến áp. Bộ biến đổi flyback có đường cong dòng điện gián đoạn hình thang ở đầu vào và đầu ra qua các tụ điện tương ứng.

Trên thực tế, do đó, thường cần hai bộ lọc EMC. Vì bộ chuyển đổi này có cấu trúc tách biệt, dòng điện chế độ chung cũng phải được dự kiến cao hơn tần số chuyển mạch. Điều này chủ yếu đến từ điện dung ghép ký sinh của máy biến áp giữa phía sơ cấp và thứ cấp. Do ΔV/Δt cao của nút chuyển mạch sơ cấp (nút nóng), dòng điện dịch điện môi được chồng lên phía thứ cấp thông qua điện dung ghép này, sau đó chạy qua đất (GND) đến phía sơ cấp và trong quá trình đo điện áp nhiễu bằng EMC, thông qua LISN.

Dòng điện chế độ chung cũng được tạo ra khi sử dụng MOSFET ngoài và được lắp trên tản nhiệt hoặc các bề mặt kim loại khác. Trong trường hợp này, điện dung ký sinh phát sinh giữa MOSFET và tản nhiệt, trên đó dòng điện dịch chuyển điện môi cũng xuất hiện. Nhiều ứng dụng flyback

Do đó, hãy sử dụng cuộn cảm bù dòng điện trong bộ lọc đầu vào, cũng như tụ điện an toàn Y2 nối đất. Bộ chia dòng điện dung cũng có thể được chế tạo từ phía sơ cấp sang phía thứ cấp với sự trợ giúp của các tụ điện phù hợp, dẫn một phần dòng điện chế độ chung trở về nguồn theo đường ngắn nhất. Nếu ứng dụng yêu cầu cách điện gia cố giữa đầu vào và đầu ra, tụ điện Y1 phải luôn được sử dụng vì lý do an toàn. Bộ lọc LC hạ lưu thường được yêu cầu để giảm gợn sóng điện áp ở đầu ra. Bộ lọc này cũng giảm nhiễu lên đến khoảng 30 MHz.

Công thức cơ bản của bộ chuyển đổi Buck và Boost

Bảng 1 sau đây cung cấp các công thức cơ bản của cấu trúc bộ chuyển đổi buck và boost.

Công thức cơ bản của SEPIC và Flyback Converter

Bảng 2 sau đây cung cấp các công thức cơ bản của cấu trúc bộ chuyển đổi SEPIC và flyback.

1) Những giả định này áp dụng cho bộ điều chỉnh chuyển mạch lý tưởng ở chế độ dẫn điện liên tục

(CCM), tức là hiệu suất của bộ chuyển đổi được coi là 100% (η = 1).

2) Đường cong dòng điện từ phương trình này gần như là hình chữ nhật (ΔI bị bỏ qua). Chính xác:

3) Các phương trình được xác định cho ΔV C,out áp dụng cho tụ điện lý tưởng. Do đó, C, out  xác định điện dung tối thiểu để đáp ứng yêu cầu về điện áp gợn sóng. Gợn sóng điện áp thực tế sẽ cao hơn do độ tự cảm ký sinh ESL (độ tự cảm nối tiếp tương đương) và ESR (điện trở nối tiếp tương đương) của tụ điện.

4) Các phương trình này chỉ áp dụng cho cuộn cảm ghép có tỷ lệ vòng dây là 1:1 (n=1).

5) L tương ứng với độ tự cảm chính (độ tự cảm sơ cấp) của máy biến áp.