Nguồn Switching hiện nay được sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày do có ưu điểm hiệu suất cao, ít tỏa nhiệt và kích thước nhỏ hơn nhiều so với các nguồn tuyến tính khác có cùng công suất.

Định nghĩa ban đầu

Bộ biến đổi DC-DC hay DC-DC converter hay bộ biến đổi điện áp một chiều DC-DC là một mạch điện tử hoặc thiết bị cơ điện dùng để chuyển đổi nguồn dòng điện một chiều (DC) từ mức điện áp này sang mức điện áp khác. Nó là một loại bộ chuyển đổi năng lượng điện. Mức năng lượng từ rất thấp (pin nhỏ) đến rất cao (truyền tải điện cao áp).

Bộ chuyển đổi DC-DC sử dụng chuyển đổi tần số cao và cuộn cảm, máy biến áp và tụ điện để làm mịn nhiễu chuyển đổi thành điện áp DC điều chỉnh. Các vòng phản hồi kín duy trì đầu ra điện áp không đổi ngay cả khi thay đổi điện áp đầu vào và dòng điện đầu ra. Với hiệu suất 90%, nó thường hiệu quả hơn và nhỏ hơn nhiều so với bộ điều chỉnh tuyến tính. Nhược điểm của nó là nhiễu và phức tạp.

Bộ chuyển đổi DC-DC được chia ra làm loại cô lập và loại không cô lập. Cô lập được xác định bằng cách nối đất đầu vào với đất đầu ra hay không.

Bốn cấu trúc liên kết phổ biến là bộ chuyển đổi buck, boost, buck-boost và SEPIC.

Bộ chuyển đổi buck giảm điện áp xuống, tạo ra điện áp thấp hơn điện áp đầu vào. Bộ chuyển đổi buck có thể được sử dụng để sạc pin lithium ion đến 4,2V, từ nguồn 5V USB.

Bộ chuyển đổi boost nâng điện áp lên, tạo ra điện áp cao hơn điện áp đầu vào. Bộ chuyển đổi boost có thể được sử dụng để điều khiển chuỗi đèn LED từ pin lithium hoặc cung cấp đầu ra USB 5V từ pin lithium.

Bộ chuyển đổi buck-boost nâng điện áp lên hoặc xuống, tạo ra điện áp bằng hoặc cao hơn hoặc thấp hơn điện áp đầu vào. Bộ chuyển đổi buck-boost có thể được sử dụng để cung cấp đầu ra 12V từ pin 12V. Điện áp của pin 12V có thể thay đổi trong khoảng từ 10V đến 14,7V. Bộ chuyển đổi buck-boost cũng có thể cung cấp năng lượng cho đèn LED từ một tế bào. Điện áp rơi thuận của LED cao tới 3 V. Tế bào pin lithium có thể thay đổi trong khoảng từ 2,5 đến 4,2 V. Buck-boost tạo ra điện áp dương và âm.

Bộ chuyển đổi SEPIC cũng nâng điện áp lên hoặc xuống, tạo ra điện áp bằng hoặc cao hơn hoặc thấp hơn điện áp đầu vào. SEPIC được sử dụng cho các ứng dụng tương tự như buck-boost, nhưng cung cấp một số lợi thế trong một số ứng dụng.

Mạch Buck

Buck converter là một mạch đơn giản. Hình 1 là một sơ đồ đơn giản của mạch buck. MOSFET bên cao MOSFET bật và tắt. Một vi mạch điều khiển, không có trong hình, sử dụng một vòng phản hồi kín để điều khiển điện áp đầu ra. Hàm truyền DC là một phương trình liên quan đến điện áp đầu vào, điện áp đầu ra và chu kỳ làm việc của mạch buck hạ áp.  Vout = Vin * D , trong đó Vout là điện áp đầu ra, Vin là điện áp đầu vào và D là chu kỳ làm việc hoặc phần trăm thời gian MOSFET được bật. Cuộn cảm và tụ điện trong hình 1 tạo thành một bộ lọc thông thấp. Bộ lọc thông thấp này làm mịn hoạt động chuyển mạch MOSFET và tạo ra điện áp DC êm ái, mượt mà.

Hình 2 là một biến thể phổ biến của buck converter: mạch buck đồng bộ. Trong mạch buck đồng bộ, diode tự do được thay thế bằng MOSFET. Sử dụng MOSFET cũng cho phép truyền điện hai chiều. Nếu mạch buck chạy ngược, nó có thể hoạt động như mạch boost. Lúc này cần một IC chuyển đổi đặc biệt. Nó được sử dụng trong các ứng dụng như USB On-the-Go cho phép bạn sử dụng điện thoại thông minh để cấp nguồn cho các thiết bị điện tử cầm tay nhỏ.

Hai MOSFET trong cách mắc này được gọi là một nửa cầu (half bridge). Nửa cầu cũng là mạch rất hữu ích có nhiều ứng dụng.

Cấu tạo

Cấu tạo của mạch Buck rất đơn giản với MOSFET bên cao và tắt. Sẽ có một vi mạch điều khiển trong mạch Buck sử dụng một vòng phản hồi kín có chức năng điều chỉnh điện áp ở đầu ra. Trong mạch Buck còn hàm truyền DC liên quan đến điện áp đầu vào, điện áp đầu ra và chu kỳ làm việc của mạch Buck.

Trong mạch Buck còn có tụ điện và cuộn cảm, chúng được kết nối với nhau để tạo thành một bộ lọc thông thấp có nhiệm vụ làm mịn hoạt động chuyển mạch MOSFET và giúp điện áp DC trở nên mượt mà và ổn định hơn.

Công thức tính mạch Buck như sau:

Vout = Vin * D

Trong đó:

Vout là ký hiệu tương trưng cho điện áp đầu ra của mạch

Vin là ký hiệu tượng trưng cho điện áp đầu vào của mạch

D là chu kỳ làm việc hoặc % thời gian MOSFET được bật khi mạch vận hành

Mạch Buck còn có một biến thể khác gọi là mạch Buck đồng bộ. Cấu tạo sẽ có sự khác biệt hơn so với mạch Buck thông thường, đó là MOSFET sẽ được thay thế bằng DIODE, giúp mạch có thể truyền được tín hiệu 2 chiều dễ dàng hơn.

Nếu để mạch Buck chạy ngược, nó sẽ trở thành mạch Boost, khi đó bạn chỉ cần trang bị thêm một IC chuyển đổi là được.

Các chế độ dẫn liên tục và không liên tục

‍Có hai chế độ dẫn duy nhất mà bộ chuyển đổi buck-boost có thể hoạt động: chế độ dẫn liên tục (CCM) và chế độ dẫn gián đoạn (DCM). Các chế độ này dựa trên cách dòng điện cuộn cảm hoạt động trong chu kỳ chuyển mạch.

Chế độ dẫn liên tục (CCM): Dòng điện cuộn cảm trong CCM không bao giờ đạt đến 0 và luôn dương trong suốt chu kỳ chuyển mạch. Chế độ hoạt động này thường được chọn khi mong muốn có gợn điện áp đầu ra thấp hoặc trong các ứng dụng công suất cao. So với DCM, CCM có khả năng phản ứng nhanh hơn, dạng sóng mượt hơn và hiệu quả cao hơn. Tuy nhiên, để đảm bảo dòng điện không đổi, CCM cần giá trị cuộn cảm lớn hơn, điều này có thể dẫn đến tăng kích thước và chi phí.

Chế độ dẫn không liên tục (DCM): Trong DCM, có những khoảng thời gian trong chu kỳ chuyển mạch khi không có năng lượng truyền đến đầu ra vì dòng điện cuộn cảm giảm xuống bằng không. Khi dòng tải giảm mạnh hoặc trong các ứng dụng công suất thấp, chế độ DCM thường được quan sát thấy. Phương pháp vận hành này cho phép sử dụng các giá trị cuộn cảm nhỏ hơn và thiết kế gọn hơn bằng cách hợp lý hóa chiến lược điều khiển. DCM, mặt khác, gây ra gợn điện áp đầu ra lớn hơn, tổn thất chuyển mạch cao hơn và hiệu suất tổng thể thấp hơn.
Các yêu cầu ứng dụng riêng lẻ, các đặc tính hiệu suất mong muốn và các hạn chế thiết kế sẽ quyết định nên sử dụng CCM hay DCM. Một bộ chuyển đổi đôi khi có thể hoạt động ở cả hai chế độ, chuyển đổi giữa chúng khi dòng tải dao động. Sự ổn định và hiệu suất của hệ thống phải được duy trì trong chế độ dẫn biên (BCM) hoặc chế độ dẫn tới hạn (CrCM), đòi hỏi các kỹ thuật điều khiển phức tạp hơn.

Ứng dụng

USB On-The-Go

USB On-The-Go cho phép kết nối bàn phím, chuột và các thiết bị ngoại vi khác với điện thoại thông minh. Thiết bị ngoại vi lấy điện từ cổng USB trên điện thoại. Việc điều chỉnh công suất được xử lý bằng cách sử dụng mạch buck đồng bộ có thể truyền điện theo cả hai hướng. Khi điện thoại được cắm vào bộ sạc pin, thì mạch sẽ có tác dụng như buck converter để sạc pin lithium trong điện thoại. Khi một thiết bị ngoại vi được cắm vào, mạch buck chạy ngược lại như một mạch boost để tạo 5V từ pin lithium.

Bộ chuyển đổi POL cho PC và máy tính xách tay

Bộ chuyển đổi điểm tải, hoặc POL, là mạch buck không bị cô lập có khả năng truyền công suất hiệu quả đến tải dòng cao. Điều này đặc biệt hữu ích trong bo mạch chủ PC và máy tính xách tay. Các bộ vi xử lý hiện đại chạy ở điện áp rất thấp, thường là 1,8V. Mạch buck đồng bộ, đôi khi nhiều pha, được sử dụng cho mục đích này. POL này thường được gọi là module điều chỉnh điện áp, hoặc VRM trong thông số kỹ thuật của bo mạch chủ.

Bộ sạc pin

Chúng ta đều muốn điện thoại thông minh, máy tính bảng hoặc bộ pin di động sạc nhanh mà không làm nóng các thiết bị di động. Mạch buck đồng bộ là cách tốt nhất để làm điều này. Thông thường, cổng sạc cho thiết bị di động là cổng micro USB. Nó chấp nhận 5V quy định. Các mạch sạc nằm bên trong thiết bị di động, thường là mạch buck hạ áp. Một số bộ điều khiển buck có tích hợp bộ điều khiển pin thông minh.