Bộ chuyển đổi flyback thường được sử dụng trong các bộ nguồn chế độ chuyển mạch để chuyển đổi AC/DC và DC/DC, đặc biệt cho dải công suất từ thấp đến trung bình (khoảng 2W đến 100W). Trong dải công suất này, flyback mang lại tỷ lệ kích thước, chi phí và hiệu suất rất cạnh tranh. Nguyên lý hoạt động của bộ chuyển đổi flyback dựa trên cuộn cảm liên kết, vừa hỗ trợ chuyển đổi công suất vừa cung cấp cách ly giữa đầu vào và đầu ra. Các thành phần cơ bản gồm hai công tắc (MOSFET và diode) và một tụ điện đầu ra. Bộ chuyển đổi flyback có hai giai đoạn hoạt động, t_ON và t_OFF, được điều khiển bởi trạng thái đóng/ngắt của MOSFET.

CCM

Chế độ dẫn liên tục (CCM) là một trạng thái trong nguồn điện chuyển mạch, trong đó dòng điện trong cuộn cảm không bao giờ giảm xuống bằng không trong chu kỳ chuyển mạch. Đây là chế độ hoạt động được ưa thích vì nó cung cấp khả năng truyền năng lượng mượt mà hơn và giảm nhiễu và gợn sóng ở đầu ra. Ngược lại, ở chế độ dẫn không liên tục (DCM), dòng điện trong cuộn cảm giảm xuống bằng không giữa các chu kỳ, điều này có thể dẫn đến hành vi phức tạp hơn về mặt điều chỉnh điện áp và nhiễu.

Trong SMPS, chế độ dẫn điện ảnh hưởng đến cách cung cấp điện, lựa chọn linh kiện và bố cục PCB tổng thể. Hành vi dòng điện trong các chu kỳ chuyển mạch rất quan trọng để quản lý tính toàn vẹn của tín hiệu, giảm nhiễu và đảm bảo chuyển đổi điện năng hiệu quả

Tại sao CCM quan trọng

Điện áp đầu ra ổn định:
Trong CCM, điện áp đầu ra chủ yếu được điều khiển bởi chu kỳ làm việc điều chế độ rộng xung (PWM), cung cấp khả năng kiểm soát và ổn định tốt hơn. Điều này giúp quản lý điện áp đầu ra dễ dàng hơn ngay cả khi điện áp đầu vào dao động hoặc thay đổi theo điều kiện tải. Dòng điện ổn định giúp duy trì đầu ra có thể dự đoán được, đáng tin cậy, đảm bảo hiệu suất ổn định trong các môi trường hoạt động khác nhau.

Giảm tiếng ồn và EMI:
Hoạt động trong CCM làm giảm đáng kể tiếng ồn và nhiễu điện từ (EMI) so với Chế độ dẫn điện không liên tục (DCM). Vì dòng điện cảm ứng không giảm xuống bằng không trong CCM, dạng sóng dòng điện vẫn mượt mà, loại bỏ các chuyển đổi đột ngột thường thấy của DCM. Điều này dẫn đến ít EMI hơn và làm cho hệ thống phù hợp hơn với các ứng dụng nhạy cảm, nơi mà việc giảm tiếng ồn là rất quan trọng.

Cải thiện hiệu quả:
CCM tăng cường hiệu suất năng lượng bằng cách đảm bảo cuộn cảm liên tục truyền năng lượng giữa các giai đoạn đầu vào và đầu ra. Khác với DCM, nơi năng lượng được lưu trữ và xả, CCM giảm thiểu tổn thất trong quá trình này, giúp chuyển đổi năng lượng hiệu quả hơn. Điều này đặc biệt có lợi trong các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao liên tục, giảm lãng phí năng lượng và tản nhiệt.

Kiểm soát đơn giản hóa:
Trong CCM, dòng điện liên tục giúp đơn giản hóa thiết kế vòng điều khiển. Không có sự gián đoạn dòng điện, việc kiểm soát tần số chuyển mạch và chu kỳ nhiệm vụ trở nên đơn giản hơn. Sự đơn giản này chuyển thành một hệ thống ổn định hơn, nơi việc điều chỉnh dễ quản lý hơn và nguồn điện có thể thích ứng nhanh hơn với các điều kiện thay đổi mà không cần điều chỉnh phức tạp.

DCM

Trong DCM, dòng điện cảm ứng giảm xuống bằng không trong một phần của chu kỳ chuyển mạch. Chế độ này phổ biến trong các ứng dụng công suất thấp hoặc khi tải nhẹ. Mặc dù DCM có thể mang lại một số lợi thế về mặt vận hành đơn giản hơn cho tải nhẹ, nhưng nó lại tạo ra nhiều gợn sóng và EMI hơn do các chuyển đổi dòng điện đột ngột.

Tác động đến thiết kế PCB:

Thiết kế bố cục phức tạp: Đặc tính biến đổi của dòng điện trong DCM đòi hỏi một bố cục PCB linh hoạt hơn. Kích thước cuộn cảm, vị trí tụ điện và chiều rộng đường ray phải được lựa chọn cẩn thận để xử lý các đỉnh và đáy dòng điện mà không gây ra sự bất ổn hoặc tổn thất quá mức.

Tăng Ripple và EMI: Vì dòng điện giảm xuống bằng không, mạch DCM có thể bị gợn sóng và EMI lớn hơn do dòng điện thay đổi đột ngột. Để quản lý điều này, tụ điện tách ghép chất lượng cao và nối đất PCB chắc chắn là điều cần thiết. Ngoài ra, các kỹ thuật che chắn và mặt đất trở kháng thấp nên được tối ưu hóa để giảm thiểu tiếng ồn.

Thành phần lựa chọn: Trong DCM, việc lựa chọn linh kiện, đặc biệt là cuộn cảm và tụ điện, đóng vai trò quan trọng. Cuộn cảm nên được lựa chọn để xử lý các nhu cầu dòng điện thay đổi, trong khi tụ điện phải có kích thước đủ lớn để ngăn chặn gợn sóng hiệu quả. Các công cụ mô phỏng như SPICE có thể giúp xác định giá trị linh kiện tối ưu để tránh chuyển sang CCM khi không mong muốn.

Quyết định giữa CCM và DCM không chỉ ảnh hưởng đến hiệu quả và hiệu suất của SMPS mà còn ảnh hưởng đến chiến lược thiết kế PCB. CCM thường được ưu tiên cho các ứng dụng yêu cầu điều chỉnh điện áp chính xác, tiếng ồn thấp và hiệu quả được cải thiện, trong khi DCM thường được tìm thấy trong các thiết kế công suất thấp, tải nhẹ, chịu được gợn sóng và EMI cao hơn. Hiểu rõ chế độ hoạt động cho phép bạn tối ưu hóa bố cục PCB, chọn đúng linh kiện và áp dụng chiến lược quản lý tiếng ồn, nhiệt hiệu quả để đạt hiệu suất tối ưu.

Sự khác biệt

Hiệu quả

So với CCM, chế độ DCM thường có hiệu suất cao hơn do không xảy ra tổn thất phục hồi ngược trên diode và quá trình đóng của MOSFET diễn ra theo kiểu bật mềm. Tuy nhiên, nếu chu kỳ nhiệm vụ được chọn quá nhỏ, dòng điện nạp vào cuộn cảm sơ cấp sẽ tăng mạnh, từ đó làm suy giảm hiệu suất tổng thể của bộ chuyển đổi. Vì vậy, để khai thác được ưu điểm về hiệu suất của DCM, cần lựa chọn chu kỳ nhiệm vụ phù hợp.

Máy biến áp

Xét về kích thước máy biến áp, chế độ DCM yêu cầu giá trị tự cảm nhỏ hơn, điều này về mặt lý thuyết cho phép sử dụng máy biến áp có kích thước nhỏ hơn. Tuy nhiên, do dòng điện đỉnh ở cả phía sơ cấp và thứ cấp tăng cao, dây quấn của máy biến áp phải có đường kính lớn hơn. Điều này khiến kích thước tổng thể của máy biến áp trong DCM và CCM trở nên gần tương đương. Mặc dù vậy, DCM vẫn có lợi thế nhất định vì hiệu suất cao hơn cho phép tăng tần số chuyển mạch, từ đó có thể giảm kích thước máy biến áp so với CCM.

Sự ổn định

Về mặt ổn định, mạch flyback hoạt động ở chế độ DCM dễ thiết kế và cân bằng hơn so với chế độ CCM. Nguyên nhân là trong CCM xuất hiện điểm không mặt phẳng bên phải (Right Half-Plane Zero – RHPZ), gây mất ổn định ở dải tần thấp. Khi chuyển sang DCM, RHPZ được đẩy lên tần số cao hơn, giúp việc bù vòng lặp trở nên đơn giản hơn và cải thiện đáp ứng quá độ so với CCM. Ngoài ra, trong chế độ CCM, khi chu kỳ nhiệm vụ vượt quá 0,5, hiện tượng dao động hạ hài có thể xảy ra, buộc hệ thống phải áp dụng bù dốc để đảm bảo ổn định.

EMI

Trong DCM, cuộn cảm được nạp và xả hoàn toàn trong mỗi chu kỳ, khiến độ gợn dòng điện phía sơ cấp lớn hơn đáng kể so với CCM. Dòng điện biến thiên mạnh này tạo ra các tín hiệu thay đổi nhanh, dễ bị phát xạ ra môi trường do đặc tính giống ăng-ten của các phần tử trong vòng dòng chính, dẫn đến mức nhiễu điện từ (EMI) cao. Ngược lại, flyback DCM có ưu điểm là thực hiện chuyển mạch dòng bằng không (Zero Current Switching – ZCS), giúp giảm tổn thất phục hồi ngược của diode và cải thiện hiệu suất năng lượng. Tuy nhiên, các diode phục hồi nhanh thường được sử dụng để giảm tổn thất lại tạo ra các xung điện áp rất dốc ở phía thứ cấp, gây rung và trở thành nguồn nhiễu chế độ vi sai ở tần số cao. Để khắc phục vấn đề này, cần thiết kế các mạch dập xung phù hợp nhằm hạn chế đỉnh điện áp và đảm bảo đáp ứng các tiêu chuẩn tương thích điện từ (EMC).