Tài liệu Thiết kế mạch flyback

Lời Mở Đầầu Ngày nay với sự tếến bộ của khoa học công nghệ, các thiếết b ị đi ện t ử ngày càng đ ược ứng d ụng rộng rãi trong hầầu hếết các lĩnh vực Kinh tếế-Xã h ội, cũng nh ư trong đ ời sôếng hằầng ngày. Trong tầết c ả thiếết bị điện tử nói chung thì vầến đếầ nguôần luôn là vầến đếầ cầần ph ải quan tầm và xem xét c ẩn thần, vì nó quyếết định đếến tnh an toàn , ổn định và vận hành hi ệu qu ả c ủa h ệ thôếng. Hầầu hiếết các thiếết b ị đếầu s ử d ụng nguôần 1 chiếầu được ổn áp cẩn thần. Khi tnh toán thiếết kếế nguôần ổn áp cho m ột m ạch đi ện t ử thì ta có hai hướng thiếết kếế : một là thiếết kếế nguôần tuyếến tnh , hai là thiếết kếế nguôần xung. thì v ới trình đ ộ phát triển của kyỹ thuật hiện đại thì nguôần xung càng t ỏ rõ đ ược ưu thếế v ượt tr ội so v ới nguôần tuyếến tnh vếầ hiệu nằng, công suầết, tnh nhỏ gọn,… . Có rầết nhiếầu mô hình nguôần xung đ ể cho ta l ựa ch ọn : mô hình nguôần xung kiểu Buck , mô hình nguôần xung ki ểu Boost , hay mô hình nguôần fyback,… Đếầ tài này em chọn nguôần fyback để tm hiểu, vì tnh linh hoạt của nó, có th ể t ạo đ ược nhiếầu đầầu ra theo ý muôến, có thể thiếết kếế đầầu ra tằng áp hay giảm áp tùy theo thiếết kếế mong muôến. Em xin cảm ơn thầầy giáo TS. Nguyếỹn Hôầng Quang đã h ướng dầỹn giúp em hoàn thành đôầ án này, do kiếến thức bản thần còn hạn chếế, nến có nhiếầu thiếết xót, mong nh ận đ ược s ự góp ý c ủa thầầy và các bạn.Em xin chần thành cảm ơn. MỤC LỤC I.LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TOÁN MẠCH 1. Lý thuyết về mạch nguồn Flyback……..………………………………........................... 1.1. Chếế Độ Liến Tục………………………………………………………………………………………. 1.2. Chếế Độ Gián Đoan…………………………………………………………………………………… 2. Thiết kế Mạch Flyback……………………………………………………... 2.1. Nhiệm Vụ Thiếết Kếế……………………………………………………………………………………. 2.2. Tính Toán Phầần Mạch Lực…………………………………………………………………………… 2.3. Tính Toán Phầần Mạch Điếầu Khiển………………………………………………………………….. 3. Mô phỏng………………………………………………………………….... II.KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ PHÂN TÍCH LỖI Mô ta chi tếết các vầến đếầ găp phai, cách giai quyếết, có thê bao gôầm moi hình anh đê minh hoa……………………………………………………………………………………………………… III.KIẾN NGHỊ ĐỂ DỰ ÁN CÓ THỂ MỞ RỘNG Đưa ra các ý kiếến đóng góp cho dư án có thê đươc mơ rông trong tương lai, giúp sinh viến có thê hoàn thiên hơn thiếết kếế này……………………………….................... IV. KẾT QUẢ. V. TÀI LIỆU THAM KHẢO. I. LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TOÁN MẠCH 1. Lý thuyếết vếầ mạch nguôần Flyback. Mô hình nguôần fyback thường dùng có dạng nh ư hình d ưới. Hình 1: Mô hình Flyback Tuy nhiến khi phần tch ta giả sử biếến áp là biếến áp lý t ưởng và nằng l ượng t ừ tr ườngtrong nó được mô tả bằầng cuộn cảm Lm như hình veỹ d ưới : Hình 2: Mô hình biếến áp xung Nguyến lý hoạt động của mạch fyback được mô tả nh ư hình d ưới : Như hình veỹ ta thầếy nó gôầm : 1 MOSFET công suầt ho ạt đ ộng nh ư m ột khóa đóng cằết,1 điode công suầết, môt tụ lọc ngõ ra C, một biếến áp xung, có nhi ệm v ụ cách ly đầầu vào và đầầu ra, và tch lũy nằng lượng từ trường. Mạch nguôần fyback thường dùng cho các b ọ nguôần có công suầết t ừ 20W đếến 200W. nó có hai chếế độ hoạt động : CCM (dòng liến tục) và DCM (dong gián đo ạn). sau đầu ta seỹ phần tch qua từng chếế độ một. Hình 3: Nguyến lý hoạt động 1.1. Chếế độ dòng điện liến tục (CCM). a. xét trong khoảng thời gian 0 dòng điện sơ cầếp là: VLm  Vi  Lm điện áp 2 đầầu cuộn cảm là i2 0 n diLm dt . từ đó ta xác định được dòng điện chảy qua cu ộn cảm và qua Mosfet là dòng điện max chảy qua cuộn cảm và Mosfet là: v2   điện áp thứ cầếp MBA là: v1 n v D  ( điện áp hai đầầu Diode là: V1  V0 ) n Hình 5: dạng sóng dòng điện và điện áp mạch nguôần fyback chếế đ ộ gián đo ạn (DCM) b. Xét trong khoảng DT < t < (D+D1)T . Trong khoảng thời gian này Mosfet khóa còn Diode m ở , khi đó dòng ch ảy chuy ển m ạch Mosfet bằầng 0, v2  V0 và điện áp 2 đầầu diode bằầng 0. Khi đó v1  vLm  nv2  nV0  Lm điện áp 2 đầầu cuộn cảm và cuộn sơ cầếp MBA là: iLm   diLm dt nV0 V DT (t  DT )  1 Lm Lm từ đó dòng chảy qua cuộn cảm là: iLm  nV0 D1 f s Lm dòng đỉnh cực đại chảy qua cuộn cảm là: i1  iLm  nV0 nV D (t  DT )  1 Lm f s Lm dòng điện chảy qua cuộn sơ cầếp MBA là: n 2V0 nV D iD  i2  ni1  (t  DT )  1 Lm f s Lm dòng điện chảy qua cuộn thứ cầếp MBA là: iDM  nI SM  dòng đỉnh cực đại chảy qua diode là: v1  nv2  nV0 do: , nV1 D f s Lm vs  VSM  V1  v1  V1  nV0 điên áp đỉnh cưc đại chay qua Mosfet là:  VSMmax  V1max  nV0 với: ( D  D1 )T  t �T c. khoảng thời gian : . Trong khoang thời gian này ca Diode và Mosfet đếầu khóa. Khi đó dòng điên chay qua cuôn th ứ cầếp va iD  i2  0 Diode là: i1  iS  0 Và dòng điên chay qua Mosfet và cuôn sơ cầếp là: iLm  0 Khi đó dòng qua cuôn cam là vs  V1 . suy ra v1 = 0 = v2 , diên áp qua Mosfet là , Và vD  V0 điên áp 2 đầầu điode là 2. Thiếết Kếế Mạch Flyback. 2.1. Nhiệm Vụ Và yếu Cầầu Thiếết Kếế. Flyback là môt dạng của mạch nguôần xung đươc dùng phổ biếến nhầết hiên nay, với ưu điêm là hiêu xuầết chuyên đổi rầết cao (từ 75-85%, thậm chí còn hơn ), ngoài ra nó còn cho phép thiếết kếế v ới nhiếầu đầầu ra khác nhau và có cưc tnh khác nhau. Yếu cầầu thiếết kếế : bài này em seỹ thiếết kếế mạch fyback với dai điên áp đầầu vào là 15-32V (nguôần láy từ sạc laptop), và yếu cầầu là ổn định áp đầầu ra ơ 5V, và dòng tôếi đa cung cầếp là 1A. từ yếu cầầu bài toán, chếế đô làm viêc của mô hình fyback seỹ đươc lưa chon trong đếầ tài này là chếế đô không liến tục vì : +giam đươc kích thước của biếến áp xung. +Lm nhỏ, do đó giam đươc điên áp ngươc tác đông lến MOSFET, không phai chếế tạo mạch khóa diode, do đó đơn gian trong công viêc thiếết kếế hơn. + đá ứng nhanh với thay đổi đầầu ra. + tuy nhiến nhươc điêm của chếế đô không liến tục là gai điên áp đầầu ra l ớn, tuy nhiến do đếầ tài mang tnh chầết tm hiêu, do đó có thê chầếp nhận và khằếc phục đươc bằầng tụ loc đầầu ra. 2.2. Tính Toán Phầần mạch Lực. Sơ đôầ nguyến lý mạch DC-DC Flyback Converter như hình dưới. Như trến sơ đôầ ta thầếy, phầần mạch đươc chia thành 2 phầần là phầần l ưc và phầần điếầu khiên. sau đầy ra seỹ đi tnh toán chi tếết từng thành phầần cho mạch fyback. a. tnh toán và chọn MOSFET và diode. M vdc  Ta goi V0 Vi là hàm thể hiệ n môếi quan hệ giữa áp đầầu ra và áp đầầu vào. Vi  15  32V theo như yếu cầầu bài toán : và đầầu ra Vo 15V, do đó ở chếế độ định mức, ta có th ể tnh M vdc được max và min như sau: M vdcmax  Vo 5  Vi min 15 M vdc min  Vo 5  Vi m ax 32 Như đã phần tch ở trến thì ta thầếy, ở chếế độ không liến t ục thì nến có môt kho ảng th ời gian đ ể c ả MOSFET và DIODE đếầu khóa, và theo nh ư kinh nghi ệm thì kho ảng th ời gian này th ường lầếy là 0.2T. gi ả s ử Dmax = 0.4, khi đó ta có thể tnh toán tỷ sôế vòng dầy cu ộn s ơ cầếp và th ứ cầếp theo công th ức sau: n Dmax (Vin min  1) 0.8(Vo  1)  Dmax (Vo  1) = 2.33  chọn n=2.5 (chú ý là n là tỷ sôế sôế vòng dầy cu ộn s ơ cầếp và th ứ cầếp của biếến áp xung). Chọn tầần sôế đóng cằết : f = 10Khz. Từ đó ta có th ể tnh giá tr ị max c ủa Lm đ ể m ạch ho ạt đ ộng ở chếế độ DCM như sau: Lm  Vin min 2 Dmax 2 2 Pomax f = 306 uH.  chọn Lm = 300uH. Từ đó ta có thể tnh toán lại giá trị Dmax và Dmin nh ư sau: Dmin  M vdc min 2 fLm  RL min = 0.1875 Dm ax  M vdcmax 2 fLm  RL min = 0.3961 Dòng đỉnh cực đại chẩy qua MOSFET và Diode có th ể tnh toán đ ược theo công th ức sau: I SM max  DminVi max fLm = 1.9808 A I DM max  nI SM max = 4.95 A Và điện áp ngược cực đại đặt lến MOSFET và Diode có th ể tnh đ ược nh ư sau : VSM max  Vi max  nVo = 45 V VDM max  Vi max  Vo n = 18 V Do vậy ta có thể chọn MOSFET là IRFZ530N và diode là diode shotky U860 (ch ọn diode xung cho phép I lớn hơn 5A ). Vripple  Tính toán tụ lọc đầầu ra: giả sử mong muôến điện áp đ ập m ạch đầầu ra 300mV. Khi đó ta tnh I D Co � o max max Vripple f được giá trị của tụ C cầần thiếết theo công th ức sau: = 622.67uF, thật ra tụ C chọn càng lớn càng tôết, ngoài thị trường có tụ 1000uF/50V. do đó t ụ C ch ọn có giá tr ị 1000uF/50V. b. Tính toán mạch bảo vệ snubber cho MOSFET . như ta biếết thì khi MOSFET đóng đột ngột thì dòng qua nó gi ảm rầết nhanh, và trong m ạch có cuộn cảm , do đó mà điện áp ngược đặt lến MOSFET seỹ rầết l ớn và có th ể làm h ỏng MOSFET, do đó ta cầần phải có mạch bảo vệ mosfet: Giả sử ta gọi Vmt là điện áp cực đại “mong muôến” đặt lến mosfet. Do đó ta cầần ph ải có VMpeak  Vmt  VSM max VMpeak ( tra trong datasheet của IRFZ530N thì ta có = 100) Vmt  Chọn = 80V. Có một đại lượng ta cầần quan tầm tới khi đóng cằết mosfet là đi ện c ảm “giò” c ủa biếến áp, ta g ọi là : Lk. Thông thường Lk thường lầếy là 0.3Lm (nếếu thiếết kếế biếến áp xung tôết thì Lk = 0.1Lm ho ặc nh ỏ h ơn n ữa). Lk  0.3Lm = 3uH. Ps  0.5 Lk I 2 f công suầết max tếu tán trến điện trở Rs c ủa m ạch snubber là : = 0.161 w . Rs  Điện áp rơi trến điện trở Rs (mạch snubber) là Vs = Vt-Vin = 48V -- > Vs 2 Ps = 5.6 kohm chon điện trở Rs là 15k/0.25W T Cs � s Rs Tụ điện mạch snubber được xác định nhờ vào công th ức sau : = 17857,14 pF chọn tụ điện là 20pF, tương ứng là 3 con 104 ghép song song v ới nhau. Biếến trở RV1 trong mạch có nhiệm vụ tạo phần áp để phản hôầi đi ện áp vếầ khôếi m ạch điếầu khi ển, đ ể đ ỡ lãng phí công suầết trến RV1 thì ta chon RV1 là biếến tr ở 50K. c. Tính toán biếến áp xung. Để chọn được kiểu lõi ferit seỹ dung thì ta dung công th ức sau đ ể áng ch ừng ki ểu loi: Ap  Ae . Aw  Po Dcma f .B.k . Ae , Aw tương ứng là diện tch vùng lõi quầến, và diện tch cung cầếp đ ể ta quầến dầy. Hai thông sôế này cho ở catalog của lõi ferit. Po là công suầết đầầu ra. Dcma lầếy 250 mA F la tầần sôế đóng cằết. B là cảm ứng điện từ bão hòa . lầếy là 150 Guass  K là hệ sôế phụ thuộc mạch : đôếi với fyback lầếy là 0.00025 ; và là hiếu xuầết của mạch. (ngoài ra để chọn lõi ferit thì ta có thể dựa vào công suầết ngõ ra yếu cầầu mà linh ho ạt ch ọn l ựa cho phù hợp). Hiện tại mình có lõi EE25, tnh toán ra thì nó đáp ứng khá tôết ch ỉ tếu c ủa công th ức trến. Để tnh sôế vòng dầy thì ta dựa vào công thức sau : Np  Lp I pk B. Ae = 42.56 --> chọn sôế vòng cuộn sơ cầếp là 43 vòng. -->sôế vòng cu ộn thứ cầếp là 18 vòng. Để tnh kích thước lõi dầy thì ta phải tnh dòng đi ện hi ệu d ụng ch ậy qua biếến áp. I rms  I pk Dmax 3 = 0.7198 A Giả sử mong muôến mật độ dòng điện là 5A/mm2 -- >đ ường kính lõi dầy quầến cu ộn s ơ cầếp là 40mm. Tính toán tương tự ta tnh chọn đường kích lõi th ứ cầếp là 40mm, nh ưng là 2 s ợi dầy. 2.3. tnh toán phầần mạch điếầu khiển. a. tm hiểu vếầ IC TL494. Hình dạng của chip TL494 : Sơ đôầ khôếi của IC Tl494 được mô tả như hình d ưới : Chức nằng của các chần được mô tả như sau (so sánh với s ơ đôầ khôếi đ ể dếỹ hi ểu): -Pin 5 và Pin 6 : đầy là 2 chậy tạo dao động xung rang c ưa, bằầng cách mằếc thếm đi ện tr ở và t ụ đ ể f  tạo ra xung rang của có tầần sôế : 1 RC Ta có đôầ thị đặc tnh sau để chọn R và C -PIN 4 : chần thiếết lập chếế độ khởi động mếầm , nó giúp m ạch ổn đ ịnh khi kh ởi đ ộng -Pin 1 và Pin 2: đầy tương ứng là đầầu vào đ ương và ầm c ủa m ạch so sánh mà ta dung đ ể ph ản hôầi đầầu ra vếầ để điếầu khiển. - Pin15 và Pin 16 : hai chần này có ch ức nằng t ương t ự Pin 1 và Pin 2, nó nhằầm m ục đính gi ới hạn dòng cho mạch nguôần. tuy nhiến trong đếầ tài này đ ể đ ơn gi ản thì ta t ạm ko dung ch ức nằng này, do đó hai chần này seỹ được nôếi tương ứng với hai chần 1 và 2. - Pin3 : chần phản hôầi, như ta biếết thì m ạch OPAM có h ệ sôế khuếếch đ ại rầết l ớn, nó có th ể làm mầết ổn định mạch nguôần, do đó để đk được mạch nguôần thì ta cầần ph ải điếầu khi ển đ ược h ệ sôế khuếếch đại của OPAM. - Pin 7 và Pin 12 tương ứng là 2 chần nôếi đầết và cầếp nguôần cho TL494. -Pin 14 : đầy là chần tạo điện áp chuẩn 5V. - Pin 8, Pin 9, Pin 11 và Pin 10: đầy t ương ứng là các chần C và E c ủa transistor BJT. T ừ s ơ đôầ khôếi trến ta có thể lựa chọn linh hoạt để được điếầu khi ển cầần thiếết nh ư mong muôến. Thông thương thì transistor NPN thì c ực E đ ược nôếi đầết, và dung c ực C đ ể điếầu khi ển (c ực C trong tr ường hợp này là ở trạng thái cao trở.), do đó khi dung ta ph ải dùng thếm 1 đi ện tr ở kéo lến Vcc b. tnh chọn thông sôế cho mạch điếầu khiển. f  - tnh chọn tầần sôế : chọn R = 10k , thày vào công th ức gôếm 103. 1 RC =10kHz -> C = 0.01uF -> chọn tụ -tnh chọn mạch phản hôầi : thật ra mạch phản hôầi trong bài toán ch ọn có d ạng Theo mô hình mạch phản hôầi trến ta dếỹ dàng xác đ ịnh đ ược bi ểu th ước đầầu ra c ủa OPAM theo Vo nh ư sau : gọi Kpa là hệ sôế phần áp , gọi điện áp đầầu ra c ủa OPAM là Vcut. Khi đó ta có bi ểu th ức sau: Vcut  Rf Vref   Vref  Vo  K pa Ra K pa . Giả sử ta có đầầu vào Vin =32V -> D= 0.1857 .