Hiện nay, bộ nguồn xung (switch-mode power supply - SMPS) đang có vai trò vô cùng quan trọng trong thế giới điện tử nhờ phạm vi ứng dụng ngày càng rộng rãi của nó. Điều này có thể quan sát từ các thiết bị sạc cho điện thoại, các bộ chuyển đổi nguồn cho laptop hay các nguồn cấp nội bộ trong hệ thống công nghiệp, tất cả các thiết bị này đều có điểm chung là hiệu suất ngày càng cao và đồng thời ngày càng nhỏ gọn. Để đáp ứng được nhu cầu phát triển này, mạch flyback converter được xem là một giải pháp hàng đầu nhờ tính đơn giản, khả năng cách ly tốt và yêu cầu ít linh kiện. Bài viết này tập trung về phương pháp chuyển mạch bán cộng hưởng (quasi-resonant switching), thông qua đặc tính tự nhiên của mạch để hạn chế các vấn đề tổn hao và nhiễu.

Cấu trúc của mạch flyback truyền thống

Trong phần đầu tiên của bài viết, chúng ta cùng tìm hiểu về cấu trúc của mạch flyback truyền thống. Về nguyên lý hoạt động, mạch flyback dựa trên nguyên lý lưu trữ năng lượng trong cuộn cảm để giải phóng năng lượng. Hiểu một cách đơn giản, quá trình này được chia làm hai riêng biệt là “on” và “off”, trong đó, khi pha on, năng lượng sẽ được tích trữ trong lõi biến áp và ngược lại, năng lượng sẽ được truyền qua diode chỉnh lưu khi pha off. Nguyên lý này là cơ sở rõ ràng để chứng minh flyback hoạt động như một dạng biến áp lưu trữ năng lượng mà không chỉ là một phần tử truyền năng lượng tức thời đơn thuần.

Bên cạnh các đặc tính mang lại nhiều ưu điểm đột phá, flyback truyền thống vẫn tồn tại một số các nhược điểm, một trong số đó là quá trình chuyển mạch cứng. Điều này là do trong quá trình đóng mở của transistor, điện áp và dòng điện thay đổi gần như đồng thời, từ đó dẫn đến tổn hao công suất lớn dẫn đến nhiễu EMI khi chúng hoạt động ở tần số cao. Không chỉ vậy, nhiễu EMI gây ra nhiều tác động tiêu cực không chỉ đối với mạch điện mà nó còn có thể gây nhiễu cho các hệ thống xung quanh khi chúng được truyền qua dây nguồn.

Phân tích về EMI

Khi tần số chuyển mạch vượt quá hàng chục hoặc hàng trăm kilohertz, các cạnh xung điện áp trở nên rất dốc (dv/dt cao), tạo ra phổ nhiễu rộng. Đồng thời, trường điện và từ sinh ra tại khu vực transistor, diode và biến áp phát tán vào không gian, tạo ra cả nhiễu bức xạ (radiated EMI) và nhiễu dẫn (conducted EMI). Trong thiết kế nhỏ gọn, nơi các linh kiện được đặt sát nhau, sự ghép điện dung và cảm giữa các đường mạch càng lớn, khiến EMI trở nên khó kiểm soát hơn.

Trong phần tiếp theo, bài viết này tập trung phân tích về tác động của nhiễu EMI khi hoạt động ở tần số cao. Trong đó, khi tần số chuyển mạch đạt đến ngưỡng hàng trăm kHz thì các cạnh xung điện áp của mạch sẽ trở nên rất dốc và đồng thời tạo ra nhiều phổ nhiễu rộng. Khi đó, trường điện từ sẽ được sinh ra trong khu vực transistor, diode và máy biến áp để phát tán vào không gian, từ đó tạo ra nhiều bức xạ và nhiễu EMI. 

Không chỉ vậy, hiện nay các ứng dụng thực tế đang đặt ra nhiều yêu cầu với mật độ công suất cao, từ đó khiến tần số chuyển mạch bắt buộc phải tăng để giảm kích thước của biến áp và tụ lọc. Điều này kéo theo việc năng lượng nhiễu sẽ tập trung ở vùng khó lọc do tần số tăng cao trong khi bộ lọc EMI truyền thống đã không còn phát huy tính hiệu quả nữa. Chính vì vậy, việc cải tiến kỹ thuật chuyển mạch đang được xem là một giải pháp hàng đầu để giải quyết vấn đề nhiễu.

Nguyên lý hoạt động và lợi ích của mạch bán cộng hưởng – Quasi-Resonant Switching

Về nguyên lý hoạt động, việc chuyển mạch bán cộng hưởng dựa trên việc sử dụng các linh kiện ký sinh như điện dung của transistor hay cảm kháng ký sinh trong cuộn sơ cấp để tạo ra mạch dao động tự nhiên. Trong đó, quá trình truyền năng lượng từ biến áp sang điện dung sẽ tạo ra sóng dao động điện áp khi MOSFET cắt. Chính vậy, việc chuyển mạch sẽ gây ra mức tổn hao nhỏ nhất khi các kỹ sư điều khiển transistor bật đúng thời điểm điện áp giảm về mức nhỏ nhất – kỹ thuật này được gọi là Valley Switching. 

Một trong những ưu điểm nổi bật của mạch bán cộng hưởng là hiệu suất cao, EMI thấp và khả năng hoạt động linh hoạt theo tải. Về mặt hiệu suất, tổn hao chuyển mạch của mạch bán cộng hưởng được giảm xuống đáng kể nhờ chúng chuyển mạch mạch tại thời điểm điện áp thấp. Một trong những ưu điểm khác xuất phát từ việc transistor và diode chịu ít tổn hao hơn nên chúng sẽ hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn. Ưu điểm này tưởng chừng nhỏ bé nhưng lại vô cùng quan trọng do chúng có thể kéo dài được tuổi thọ của linh kiện nhờ hoạt động ở mức nhiệt độ thấp.

Tác động và xu hướng phát triển của mạch bán cộng hưởng đến nhiễu và kích thước của hệ thống

Hiện nay, không gian cho bộ lọc EMI trong các mạch flyback cỡ nhỏ như adapter điện thoại thường rất hạn chế. Tuy nhiên, mạch bán cộng hưởng giúp giảm giá thành của tụ lọc và cuộn cảm EMI nhờ biên độ xung nhiễu của chúng giảm khá nhiều so với phương pháp hard-switch. Ngoài ra, các thiết bị sẽ đạt được tiêu chuẩn về EMC và độ yên tĩnh nhờ dạng sóng điện áp trong mạch bán cộng hưởng thường ít tạo dao động khó chịu và mềm mượt hơn.

Trong xu thế hiện nay, các đơn vị thường tập trung hướng đến các giải pháp có mức độ tích hợp cao như gom các thiết bị MOSFET, mạch điều khiển và mạch bảo vệ vào trong cùng một chip. Điều này sẽ góp phần giảm độ dài dây dẫn, loop area để từ đó giảm EMI ký sinh ở với mức độ lớn hơn. Những sự thay đổi nhỏ ở từng yếu tố sẽ cùng nhau tạo ra những cải thiện rõ rệt đối với  hoạt động của cả hệ thống.

Kết luận chung

Nhìn chung, mạch bán cộng hưởng đang được xem là một giải pháp ưu tiên hàng đầu để giải quyết vấn đề EMI trong các thiết kế nhỏ gọn. Dù đây không phải là một giải pháp quá mới mẻ nhưng chúng lại vô cùng phù hợp trong bối cảnh kích thước của các thiết bị ngày càng được tối ưu và đồng thời nâng cao được hiệu suất của chúng.