EN
Một cuộn cảm là thành phần thụ động phổ biến để lưu trữ năng lượng trong mạch, đóng vai trò như lọc tín hiệu, tăng áp và giảm áp trong thiết kế nguồn điện chuyển đổi. Ở giai đoạn đầu của việc thiết kế phương án, các kỹ sư không chỉ cần chọn giá trị cuộn cảm phù hợp mà còn phải xem xét dòng điện mà cuộn cảm có thể chịu được, DCR của cuộn dây, kích thước cơ học, tổn thất và nhiều yếu tố khác. Nếu họ không đủ quen thuộc với chức năng của cuộn cảm, họ sẽ thường bị động trong thiết kế và mất nhiều thời gian.
Hiểu về chức năng của cuộn cảm
Cuộn cảm là "L" trong mạch lọc LC ở đầu ra của nguồn điện chuyển đổi. Trong quá trình chuyển đổi giảm áp, một đầu của cuộn cảm nối với điện áp đầu ra DC, trong khi đầu kia chuyển đổi giữa điện áp đầu vào và GND theo tần số chuyển đổi.
Trong trạng thái 1, cuộn cảm được kết nối với điện áp đầu vào thông qua MOSFET. Trong trạng thái 2, cuộn cảm được kết nối với GND.
Do việc sử dụng loại bộ điều khiển này, có hai cách để nối đất cho cuộn cảm: nối đất thông qua điôt hoặc thông qua MOSFET. Nếu phương pháp đầu tiên được áp dụng, bộ chuyển đổi được gọi là chế độ bất đồng bộ. Trong trường hợp sau, bộ chuyển đổi được gọi là chế độ đồng bộ.
Trong trạng thái 1, một đầu của cuộn cảm được kết nối với điện áp đầu vào, và đầu còn lại được kết nối với điện áp đầu ra. Đối với bộ chuyển đổi buck, điện áp đầu vào phải cao hơn điện áp đầu ra, do đó tạo thành một hiệu điện thế thuận trên cuộn cảm.
Trong trạng thái 2, đầu của cuộn cảm ban đầu được kết nối với điện áp đầu vào hiện được kết nối với mass. Đối với bộ chuyển đổi buck, điện áp đầu ra chắc chắn là cực dương, do đó tạo thành một hiệu điện thế âm trên cuộn cảm.
Công thức tính điện áp cuộn cảm
V=L(dI/dt). Do dòng điện qua cuộn cảm tăng khi điện áp cuộn cảm dương (Trạng thái 1) và giảm khi điện áp âm (Trạng thái 2), hình dạng dòng điện cuộn cảm được hiển thị trong Hình 2:
Từ hình trên, ta có thể thấy rằng dòng điện tối đa qua cuộn cảm là dòng điện DC cộng với một nửa dòng điện đỉnh-đỉnh do chuyển mạch. Hình trên cũng cho thấy dòng điện gợn. Theo công thức đã đề cập ở trên, dòng điện đỉnh có thể được tính như sau: trong đó ton là thời gian ở Trạng thái 1, T là chu kỳ chuyển mạch, và DC là tỷ lệ chiếm không của Trạng thái 1.
Mạch Chuyển Đổi Đồng Bộ
Mạch Chuyển Đổi Không Đồng Bộ
Rs: Điện trở tổng hợp của điện trở cảm ứng dòng và điện trở dây quấn cuộn cảm. Vf: Hiệu điện thế thuận của điốt Schottky. R: Điện trở tổng cộng trong đường dẫn, được tính bằng R=Rs+Rm, trong đó là điện trở trạng thái bật của MOSFET.
Bão hòa lõi cảm
Từ dòng điện đỉnh cao của cuộn cảm được tính toán, chúng ta biết rằng khi dòng điện qua cuộn cảm tăng lên, độ tự cảm của nó sẽ giảm. Điều này được xác định bởi các đặc tính vật lý của vật liệu lõi. Mức độ giảm của độ tự cảm là quan trọng: nếu sự giảm quá nghiêm trọng, bộ chuyển đổi sẽ không hoạt động bình thường. Dòng điện tại thời điểm cuộn cảm bị hỏng do dòng điện quá lớn được gọi là dòng điện bão hòa, một tham số cơ bản của cuộn cảm.
Đường cong bão hòa của cuộn cảm công suất trong mạch chuyển đổi là rất quan trọng và đáng chú ý. Để hiểu rõ khái niệm này, bạn có thể quan sát đường cong thực tế được đo của L theo dòng điện DC.
Khi dòng điện tăng vượt quá một ngưỡng nhất định, độ tự cảm giảm đột ngột - một hiện tượng được gọi là bão hòa. Việc tăng dòng điện thêm có thể khiến cuộn cảm bị hỏng hoàn toàn.
Với đặc tính bão hòa này, chúng ta có thể hiểu tại sao tất cả các bộ chuyển đổi đều chỉ định phạm vi biến thiên của giá trị cảm kháng (△L ≤ 20% hoặc 30%) dưới dòng điện ra DC, và tại sao thông số cuộn cảm lại bao gồm tham số Isat. Vì sự thay đổi của dòng điện rung không ảnh hưởng đáng kể đến cảm kháng, nên trong mọi ứng dụng người ta luôn mong muốn giảm thiểu dòng điện rung càng nhiều càng tốt, vì nó ảnh hưởng đến độ rung của điện áp đầu ra. Đây là lý do tại sao luôn có sự quan tâm lớn về mức độ suy giảm của cảm kháng dưới dòng điện ra DC, trong khi cảm kháng dưới dòng điện rung thường bị bỏ qua trong các thông số kỹ thuật.
Chọn cuộn cảm thích hợp cho nguồn điện chuyển mạch
Bộ cảm là thành phần thường được sử dụng trong nguồn điện chuyển mạch. Do sự khác biệt về pha giữa dòng điện và điện áp, lý thuyết cho rằng tổn thất là bằng không. Bộ cảm thường đóng vai trò là phần tử lưu trữ năng lượng, có đặc điểm "chống lại khi đến và giữ lại khi đi," và thường được sử dụng cùng với tụ điện trong các mạch lọc đầu vào và đầu ra để làm mượt dòng điện.
Là các thành phần từ tính, cuộn cảm vốn dĩ phải đối mặt với vấn đề bão hòa từ. Một số ứng dụng cho phép cuộn cảm bị bão hòa, một số khác cho phép bão hòa bắt đầu từ một giá trị dòng điện nhất định, trong khi những ứng dụng còn lại nghiêm cấm điều này, yêu cầu sự phân biệt trong các mạch cụ thể. Trong hầu hết các trường hợp, cuộn cảm hoạt động trong "khu vực tuyến tính", nơi giá trị cảm kháng giữ nguyên và không thay đổi theo điện áp hoặc dòng điện tại hai đầu cuộn cảm. Tuy nhiên, nguồn điện chuyển mạch có một vấn đề không thể xem nhẹ: các cuộn dây của cuộn cảm giới thiệu hai thông số phân bố (hoặc ký sinh). Một là điện trở dây quấn không thể tránh khỏi, và cái kia là điện dung rò rỉ phân bố liên quan đến quá trình quấn dây và vật liệu. Điện dung rò rỉ có tác động tối thiểu ở tần số thấp, nhưng ảnh hưởng của nó ngày càng rõ ràng khi tần số tăng lên. Khi tần số vượt quá một giá trị nhất định, cuộn cảm có thể biểu hiện đặc tính của tụ điện. Nếu điện dung rò rỉ được "tập trung" như một tụ điện đơn lẻ, mạch tương đương của cuộn cảm sẽ cho thấy hành vi tụ điện vượt qua một tần số cụ thể.
Khi phân tích trạng thái hoạt động của một cuộn cảm trong mạch, các đặc điểm sau đây cần được xem xét:
1. Khi dòng điện I chảy qua cuộn cảm L, năng lượng được lưu trữ trong cuộn cảm là: E=0.5 × L× I2(1)
2. Trong một chu kỳ chuyển đổi, mối quan hệ giữa sự biến thiên dòng điện qua cuộn cảm (giá trị đỉnh-đỉnh của dòng điện gợn sóng) và điện áp trên cuộn cảm là:
V=(L × di)/dt(2), Điều này cho thấy rằng độ lớn của dòng điện gợn sóng có liên quan đến giá trị cảm kháng.
3. Cuộn cảm cũng trải qua quá trình nạp và xả. Dòng điện qua cuộn cảm tỷ lệ thuận với tích phân của điện áp (volt-giây) trên nó. Miễn là điện áp cuộn cảm thay đổi, tốc độ thay đổi dòng điện di/dt cũng sẽ thay đổi: một điện áp thuận làm dòng điện tăng tuyến tính, trong khi một điện áp ngược làm nó giảm tuyến tính.
Việc chọn tụ điện cho nguồn điện chuyển mạch loại Buck
Khi chọn tụ điện cho nguồn điện chuyển mạch loại Buck, cần xác định điện áp đầu vào tối đa, điện áp đầu ra, tần số chuyển mạch công suất, dòng ripples tối đa và chu kỳ làm việc. Phần sau đây mô tả cách tính giá trị của cảm kháng cho nguồn điện chuyển mạch loại Buck. Trước tiên, giả sử rằng tần số chuyển mạch là 300 kHz, dải điện áp đầu vào là 12 V ± 10%, dòng điện đầu ra là 1 A, và dòng ripples tối đa là 300 mA.
Sơ đồ mạch của nguồn điện chuyển mạch loại Buck
Điện áp đầu vào tối đa là 13.2V, và chu kỳ làm việc tương ứng là: D＝Vo/Vi＝5/13.2＝0.379(3), trong đó Vo là điện áp đầu ra và Vi là điện áp đầu vào. Khi transistor chuyển đổi được bật, điện áp qua cuộn cảm là: V = Vi - Vo = 8.2 V(4). Khi transistor chuyển đổi bị tắt, điện áp qua cuộn cảm là: V＝-Vo－Vd＝-5.3V(5).dt＝D/F(6).Thay các phương trình (2), (3) và (6) vào phương trình (2):
Lựa chọn cuộn cảm cho nguồn điện chuyển đổi loại tăng áp
Việc tính toán giá trị cảm kháng cho nguồn điện chuyển mạch kiểu boost, ngoại trừ việc công thức liên hệ giữa chu kỳ làm việc và điện áp cuộn cảm bị thay đổi, các quy trình khác giống như phương pháp tính toán của nguồn điện chuyển mạch kiểu buck. Giả sử tần số chuyển mạch là 300 kHz, dải điện áp đầu vào là 5 V ± 10%, dòng điện đầu ra là 500 mA, và hiệu suất là 80%, dòng điện dao động tối đa là 450 mA, và chu kỳ làm việc tương ứng là: D = 1 - Vi/Vo = 1 - 5.5/12 = 0.542 (7).
Sơ đồ mạch của nguồn điện chuyển mạch kiểu boost
Khi công tắc được bật, điện áp trên cuộn cảm là: V = Vi = 5.5 V (8), Khi công tắc tắt, điện áp trên cuộn cảm là: V = Vo + Vd - Vi = 6.8 V (9), Thay các công thức 6/7/8 vào công thức 2 ta có:
Lưu ý rằng, khác với bộ chuyển đổi hạ áp, bộ chuyển đổi tăng áp không cung cấp dòng điện tải liên tục từ cuộn cảm. Khi transistor chuyển mạch đang dẫn, dòng điện cuộn cảm chảy qua công tắc xuống đất, trong khi dòng điện tải được cung cấp bởi tụ điện đầu ra. Do đó, tụ điện đầu ra phải lưu trữ đủ năng lượng để cung cấp tải trong giai đoạn này. Tuy nhiên, khi công tắc tắt, dòng điện cuộn cảm không chỉ cung cấp tải mà còn sạc tụ điện đầu ra.
Thông thường, việc tăng giá trị cảm kháng làm giảm gợn đầu ra nhưng làm xấu đi phản hồi động của nguồn điện. Do đó, cảm kháng tối ưu nên được chọn dựa trên yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Tần số chuyển mạch cao hơn cho phép sử dụng các giá trị cảm kháng nhỏ hơn, giảm kích thước cuộn cảm và tiết kiệm không gian bo mạch PCB. Kết quả là, các nguồn điện chuyển mạch hiện đại có xu hướng hoạt động ở tần số cao hơn để đáp ứng nhu cầu về các sản phẩm điện tử nhỏ gọn hơn.
Phân tích và Ứng dụng Nguồn điện Mạch Chuyển đổi
Về Định luật Lenz: Trong một mạch được cấp nguồn DC, do tự cảm của cuộn dây, một điện động lực (EMF) được sinh ra để chống lại sự tăng lên của dòng điện. Do đó, tại thời điểm bật nguồn, dòng điện trong mạch thực tế là bằng không, và toàn bộ hiệu điện thế rơi vào cuộn dây. Dòng điện sau đó tăng dần khi điện áp cuộn dây giảm xuống đến không, đánh dấu sự kết thúc của trạng thái chuyển tiếp. Trong hoạt động của bộ chuyển đổi chuyển mạch, cuộn cảm không được phép đi vào trạng thái bão hòa để đảm bảo việc lưu trữ và truyền năng lượng hiệu quả. Một cuộn cảm bị bão hòa sẽ hành xử như một con đường DC trực tiếp, mất khả năng lưu trữ năng lượng, điều này làm suy yếu chức năng của bộ chuyển đổi. Khi tần số chuyển mạch được cố định, giá trị cảm kháng phải đủ lớn để ngăn ngừa bão hòa dưới các dòng điện đỉnh.
Xác định độ tự cảm trong nguồn điện chuyển mạch: Ở tần số chuyển mạch thấp hơn, do thời gian bật/tắt dài hơn, cần một giá trị độ tự cảm lớn hơn để duy trì đầu ra liên tục. Điều này cho phép cuộn cảm lưu trữ nhiều năng lượng từ trường hơn. Ngoài ra, chu kỳ chuyển mạch dài hơn dẫn đến việc bổ sung năng lượng ít thường xuyên hơn, gây ra dao động dòng điện tương đối nhỏ hơn. Nguyên tắc này có thể được giải thích bằng công thức: L = (dt/di) * uL, trong đó D = Vo/Vi (chu kỳ làm việc), dt = D/F (thời gian bật), F = tần số chuyển mạch, và di = dao động dòng điện. Đối với bộ giảm áp (buck converter), D = 1 - Vi/Vo; đối với bộ tăng áp (boost converter), D = Vo/Vi. Sắp xếp lại ta có: L = D * uL / (F * di). Khi F giảm, L phải tăng tỷ lệ thuận. Ngược lại, tăng L mà giữ các thông số khác không đổi sẽ giảm di (dao động dòng điện). Ở tần số cao hơn, tăng độ tự cảm làm tăng trở kháng, dẫn đến tổn thất công suất tăng và hiệu suất giảm. Thông thường, với tần số cố định, độ tự cảm lớn hơn làm giảm dao động đầu ra nhưng làm xấu đi khả năng đáp ứng động (chậm thích ứng với sự thay đổi tải). Do đó, độ tự cảm tối ưu nên được chọn dựa trên yêu cầu của ứng dụng để cân bằng giữa việc giảm dao động và hiệu suất tạm thời.