Đề tài Bộ nguồn máy tính

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN -----------—&–----------- CÔNG TRÌNH DỰ THI SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM 2008 Tên đề tài: BỘ NGUỒN MÁY TÍNH Người hướng dẫn : TS. Trần Công Nhượng Sinh viên : Nguyễn Đăng Học Lớp : K54B_CNTT. HÀ NỘI – 2008 Lời mở đầu Các thiết bị điện tử gia dụng hay chuyên dùng không thể sử dụng trực tiếp dòng điện xoay chiều (AC) từ lưới điện được mà phải thông qua bộ chuyển đổi nhằm hạ thế và chuyển thành dòng điện một chiều (DC) cung cấp cho các linh kiện điện tử trong thiết bị đó. Các bộ chuyển đổi này được gọi chung là bộ nguồn của thiết bị. Không ngoại lệ, máy vi tính cũng có bộ nguồn riêng của mình, vậy bộ nguồn máy tính có gì khác biệt so với các bộ nguồn thông thường? Bộ nguồn là một thiết bị phần cứng quan trọng, cung cấp năng lượng hoạt động cho toàn hệ thống. Với hàng loạt công nghệ mới chạy đôi hoặc "2 trong 1" như RAM Dual Channel, đĩa cứng RAID, đồ họa SLI/CrossFire, CPU DualCore... Bộ nguồn càng trở nên quan trọng hơn bao giờ hết bởi nó quyết định sự ổn định của hệ thống, tuổi thọ của các thiết bị phần cứng khác. Gánh nặng này đã vượt quá khả năng "chịu đựng" của những bộ nguồn không tên tuổi trên thị trường, kể cả những bộ nguồn noname được dán nhãn công suất lên đến “600 - 700W”. Nếu không cung cấp đủ công suất điện cho hệ thống, bạn sẽ phải thưởng thức vô số các lỗi… từ trên trời rơi xuống! Nhẹ thì máy chạy ì ạch, các game yêu thích bị đứng hình liên tục,… Nặng một chút thì máy đang chạy, tự nhiên khởi động lại hoặc khởi động không được,... trường hợp xấu nhất là cả hệ thống ”đi toi” kéo theo nhiều thiết bị “yêu quí” khác phải đi “nằm viện”. Dễ thấy nhất và các ví dụ điển hình là các tụ trên các mainboard thường phồng rộp lên, hoặc VGA cạc của bạn bị vỡ hình xuất hiện các ký tự lạ... Nguyên nhân chẩn đoán được lúc này là một phần do thủ phạm bộ nguồn gây ra. Chính vì vậy, việc lựa chọn một bộ nguồn thích hợp với hệ thống là điều bạn cần xem xét và tính toán khi chọn mua máy tính. Đặc biệt đối với những linh kiện cao cấp như phần cứng máy tính những bộ nguồn chất lượng kém ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến độ bền và tuổi thọ linh kiện, đây là những tác hại mà người dùng chỉ nhận biết được sau một thời gian sử dụng nhất định. Việc lựa chọn bộ nguồn đã không được người tiêu dùng Việt Nam quan tâm đúng trong một thời gian dài ngay cả đối với những người am hiểu về kỹ thuật máy tính. Hoặc người tiêu dùng chỉ lựa chọn sản phẩm qua nhãn mác, cảm tính của mình cũng như hình thức bề ngoài mà chưa thực sự nắm bắt được những thông số kỹ thuật của nhà sản xuất cung cấp kèm theo sản phẩm (tất nhiên còn tuỳ thuộc độ trung thực vào nhà cung cấp hoặc sản xuất – được đảm bảo chắc chắn từ những sản phầm và nhà sản xuất có tên tuổi..). Với những lý do trên tôi đã chọn lọc và sưu tầm tổng hợp các thông tin bài viết trên các diễn đàn phần cứng, tạp trí tin học uy tín trong và ngoài nước cũng như tham khảo các thông tin trên Internet các vần đề liên quan đến bộ nguồn của máy tính để người sử dụng tiện cho việc tham khảo tra cứu… MỤC LỤC CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ BỘ NGUỒN 1. Tổng quát. Bộ nguồn cho các thiết bị điện tử xách tay như máy ảnh, điện thoại di động, máy tính xách tay... có chức năng chuyển điện xoay chiều AC thành điện một chiều DC, thường được gọi là các AC adapter, để cung cấp cho các vi mạch điện tử bên trong máy cũng như các bộ phận ngoại vi. Một bộ nguồn làm việc ổn định và cung cấp đủ công suất rất quan trọng đối với một máy tính cá nhân. Tùy theo chủng loại, cấu hình của mỗi máy tính, chúng ta cần công suất nguồn khác nhau. Bộ nguồn được chia theo nguyên tắc hoạt động thành hai loại: Bộ nguồn tuyến tính và bộ nguồn ổn áp theo nguyên tắc băm áp 1 chiều. a) Bộ nguồn tuyến tính cổ điển bao gồm: một biến thế để hạ điện áp, một mạch chỉnh lưu không điều khiển (thường dùng sơ đồ cầu 1 pha với 4 điôt công suất và một bộ ổn định điện áp (có thể biến đổi từ 5V đến 12V). Vì làm việc ở tần số thấp (50-60Hz) nên biến áp của bộ nguồn tuyến tính có khối lượng sắt và đồng rất lớn, tổn thất công suất nhiều. Hơn nữa bộ ổn định điện áp làm việc theo nguyên tắc tuyến tính nên năng lượng điện không được tiêu thụ sẽ được giải phóng trên một điện trở phụ làm tổn thất điện năng càng lớn, càng làm cho bộ nguồn phát nóng nhiều. Vì những nhược điểm trên nên bộ nguồn tuyến tính ngày nay hầu như không dược sử dụng trong máy tính sách tay và chúng được thay thế chỗ bởi bộ nguồn ưu việt hơn: Bộ nguồn ổn áp theo nguyên tắc băm áp, ta thể gọi chúng là bộ nguồn đóng - cắt (switching regulator). b) Bộ nguồn đóng - cắt là một bộ nguồn rất nhẹ và có hiệu suất cao. Năng lượng điện được điều tiết theo nguyên tắc đóng – mở vì vậy chúng rất tiết kiệm năng lượng so với bộ nguồn tuyến tính. Nhược điểm duy nhất của chúng là rất khó tìm ra lỗi hỏng hóc để sửa chữa mà chỉ có thể thay thế cả bloc hay cả bộ nguồn, tuy nhiên nhược điểm này cũng không gây phiền hà nhiều cho người sử dụng do giá thành của các bộ nguồn này cũng càng ngày càng giảm do công nghệ điện tử càng ngày càng phát tiển. Trong một bộ nguồn đóng cắt, nguồn xoay chiều AC được chỉnh lưu ngay thành dòng một chiều DC, tiếp đó dòng một chiều này được băm với tần số cao (20-40KHz) nhờ các phần tử bán dẫn cao tần như các transistor MOS hay IGBT, kết hợp với biến áp cao tần để điều chỉnh điện áp 1 chiều ở đầu ra. Biến áp cao tần này sẽ nhỏ hơn nhiều so với biến áp tần số thấp. Do công suất nguồn được hiệu chỉnh theo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) nên năng lượng điện thất thoát cũng nhỏ hơn rất nhiều. 2. Cấu trúc cơ bản của bộ nguồn đóng - cắt Bộ nguồn này có mạch điện tương đối phức tạp được biểu diễn bằng bốn khối cơ bản như trong hình 1.1. Trong đó: Input Rectifier and Filter: Khối chỉnh lưu và lọc đầu vào Hight Frequency Inverter: Khối biến đổi cao tần Output Rectifier and Filter: Khối chỉnh lưu và lọc đầu ra Khối điều khiển theo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM Trong sơ đồ này chúng ta nhận thấy là bộ biến đổi tần số cao (high frequency inverter) giữ vai trò chính, nó bao gồm có bộ chỉnh lưu kết hợp với bộ băm làm việc ở dải tần số cao (từ 20kHz đến 200kHz). Điện áp nguồn AC được biến đổi, giảm xuống bằng giá trị điện áp đầu ra DC nhờ mạch điện tử hoặc mạch logic. Những khối còn lại hỗ trợ cho khối cơ bản này. Tần số nguồn đầu vào 50Hz được đưa tới khối chỉnh lưu và lọc, sau đó được đưa tới bộ biến đổi để giảm điện áp xuống, và điện áp ở đầu ra của bộ biến đổi lại tiếp tục được đưa tới một khối khác cũng chứa chỉnh lưu và bộ lọc. Điều chỉnh, ổn định điện áp đầu ra nhờ mạch phản hồi để đưa tới mạch điều khiển bộ biến đổi (inverter). Mạch điều khiển sẽ phát ra một tần số không đổi và ứng dụng kỹ thuật điều chỉnh độ rộng xung để đạt được quá trình điều chỉnh như mong muốn. Ví dụ như để ổn định điện áp ra: khi không tải hoặc điện áp vào tăng lên, thì tín hiệu phản hồi sẽ làm cho mạch điều khiển phát ra xung điều khiển tới bộ biến đổi có độ rộng xung hẹp, và ngược lại khi tăng tải lên hoặc điện áp vào giảm thì xung đưa tới bộ biến đổi sẽ rộng hơn. Chúng ta cần lưu ý là điện áp ra 1 chiều có giá trị được tính theo giá trị trung bình của xung điện áp. Cấu trúc của các bộ biến đổi dùng trong bộ nguồn ngày nay được phát triển từ bộ băm song song – băm tăng áp (boost) và bộ băm nối tiếp – băm giảm áp (buck). Hai bộ băm này được biểu diễn trong hình 1.2a và 1.2b. Từ hai sơ đồ cơ bản boost và buck khi có thêm một MBA để cách điện giữa nguồn và tải chúng ta sẽ nhận được các các bộ băm khác nhau: Họ sơ đồ biến đổi forward gồm có sơ đồ đẩy kéo (push-pull) và sơ đồ cầu nửa chu kỳ được phát triển từ sơ đồ điều chỉnh buck; họ sơ đồ flyback được phát triển từ sơ đồ điều chỉnh boost. Bộ nguồn hiện đại nhất ngày nay sử dụng sơ đồ flyback. Với giả thiết là dòng điện liên tục trên cuộn kháng L, chúng ta có quan hệ giữa điện áp vào (Uin) và điện áp ra (Uout) như sau: Sơ đồ buck: Vout = Vin.a (1) Sơ đồ boost : Vout = Vin/(1-a) (2) Trong đ ó: a = tđ/T Với tđ là khoảng thời gian dẫn dòng của khoá bán dẫn, T là chu kỳ băm Hình 1.1 : Cấu trúc cơ bản của bộ nguồn đóng cắt Trong sơ đồ buck, để điều chỉnh điện áp ra, chúng ta dễ dàng thay đổi giá trị a, chỉ có tỷ số vòng dây MBA (trong sơ đồ Forward) là sẽ phải thay đổi để bù các sụt áp trên điôt và điện áp bão hòa của transistor. Còn trong sơ đồ boost, ban đầu năng lượng phải được dự trữ trong cuộn kháng và sau đó năng lượng này cộng với năng lượng của nguồn đầu vào được phân phối tới tải. Tuy nhiên sơ đồ flyback được phát triển lên từ sơ đồ này chỉ phân phối năng lượng dự trữ trong cuộn cảm tới tải. Đây là phương thức hoạt động cơ bản của sơ đồ băm áp có tích lũy điện cảm (sơ đồ buck-boost) được cho trong hình 1.2c. Thực tế thì sơ đồ boost chỉ điều chỉnh để đạt điện áp ra lớn hơn điện áp vào, trong khi đó sơ đồ buck-boost hoặc sơ đồ flyback lại có thể điều chỉnh để đạt được điện áp ra tăng hoặc giảm so với điện áp đầu vào (với giả thiết là dòng trên cuộn cảm là liên tục: Uout = Uin. a/(1-a)). Việc phân tích sơ đồ boost bắt đầu từ việc phân tích cuộn cảm, chẳng hạn như năng lượng dự trữ trong cuộn cảm phát ra một giá trị công suất không đổi để đưa tới tải: Po = (3) trong đó: I: dòng điện giới hạn của cuộn cảm kháng. fo: tần số hoạt động. L: giá trị điện cảm. Do nó phát ra một lượng công suất không đổi để đưa tới tải mà không cần để ý đến trở kháng của tải (ngoại trừ hiện tượng ngắn mạch), nên sơ đồ boost là sự lựa chọn đầu tiên của các nhà thiết kế khi tải có tính chất điện áp (tải điện dung, R//C), tải đặc trưng của các máy tính sách tay. Đối với một tải có dạng mạch điện tử thì giá trị điện trở tải phải được biết để xác định điện áp đầu ra: Vo = (4) Trong đó: RL là giá trị điện trở tải. Trong trường hợp này, dòng điện cuộn trở kháng có giá trị tương ứng với thời gian dẫn hoặc chu kỳ làm việc của khóa, và sự điều chỉnh đối với tải cố định đòi hỏi phải có sự thay đổi a. Đối với cả hai sơ đồ điều chỉnh, trong chế độ quá độ khi tải có tính chất dung, sẽ xảy ra hiện tượng dòng điện thay đổi đột biến, vì vậy cần thiết phải đưa ra yêu cầu là năng lượng phải được dự trữ sẵn trong cuộn cảm hoặc trong bộ lọc để đưa đến tải khi tải đột ngột gặp sự cố. Hình 1.2: Các sơ đồ cơ bản của bộ nguồn đóng cắt 3. Sơ đồ trong tương lai Trong tương lai bộ nguồn đóng-cắt có nhiều tiềm năng phát triển lớn mạnh và dải công suất của chúng được mở rộng nhiều cho các ứng dụng cụ thể khác nhau nhằm mục đích để đáp ứng cho sự phát triển lớn mạnh của các thiết bị sử dụng trong mạch vi xử lý. Với cấu tạo như của bộ nguồn ngày nay thì việc tăng độ làm việc tin cậy là cần thiết như làm giảm tiếng ồn của bộ nguồn, tăng độ tin cậy của các khoá bán dẫn…, nhưng sẽ làm cho giá thành tăng lên. Mặt khác, ta phải tạo ra tần số làm việc của khóa bán dẫn cao hơn để giảm kích thước, điều này cũng làm tăng giá thành. Công nghệ hiện nay cho phép các transistor lưỡng cực hoạt động với tần số 100kHz, còn với các transistor MOSFET thì tần số làm việc nằm trong khoảng từ 200kHz đến 500kHz. Trước đây với các bộ nguồn có những quy định về tiếng ồn và độ an toàn theo tiêu chuẩn MIL và VDE ở châu Âu, nhưng ngày nay các tiêu chuẩn này đựơc quy định quốc tế đưa ra một số quy định phù hợp với hệ thống thiết bị điện tử là hệ thống bao gồm nhiều khoá bán dẫn làm việc ở chế độ đóng cắt (trong bảng 1). Tuy nhiên những kỹ sư thiết kế hệ thống hoặc những nhà thiết kế bộ nguồn sẽ phải bổ sung thêm một số bộ lọc tạp âm cần thiết có thể bảo đảm các tiêu chuẩn này mà không cần tốn thêm một khoản chi phí khác. Bảng 1. Một số tiêu chuẩn quốc tế đối với bộ nguồn đóng cắt Tiêu chuẩn Phạm vi quy định UL 478, VDE 0730, VDE 0806 VDE 0871, VDE 0875 MIL-STD-217D MIL-STD-461A DOD-STD-1399 FCC Class A & B CSA C22,2; IEC380 An toàn Độ ồn Độ tin cậy Độ ồn Sóng hài Độ ồn An toàn Các bộ nguồn đóng cắt càng ngày càng được hoàn thiện theo hướng đơn giản hơn, chi phí giảm xuống và độ tin cậy tăng lên. Ví dụ khi sử dụng chip VLSI cho bộ chỉnh lưu đầu ra thì yêu cầu phải có nguồn điện áp 2V hoặc 3V cung cấp cho nó, trong trường hợp này chỉ có một cách duy nhất để giảm tổn thất hay tăng hiệu suất của bộ biến đổi là phải làm cho sụt áp trên các phần tử khoá bán dẫn giảm đi khi dẫn dòng (Vf). Yêu cầu các giá trị sụt áp Vf và nguồn cấp cho các khoá đóng cắt VR được cho trong bảng 2 với điện áp ra là 3V và 5V. Bảng 2. Yêu cầu Vf và VR của bộ chỉnh lưu đầu ra. Điện áp ra Giá trị yêu cầu VF VR 5.0V 3.0V 0,5V-1.0V 0,3V-0,6V 30V-60V 20V-40V CHƯƠNG II. TỔNG QUAN VỀ BỘ NGUỒN ĐÓNG – CẮT 1. Giới thiệu chung: Bộ nguồn đóng cắt được sử dụng rộng rãi từ đầu những năm 1970, cùng với sự ra đời của transistor lưỡng cực. Lý thuyết cơ bản về bộ nguồn chuyển mạch đã được biết đến từ những năm 1930. Từ đó đến nay đã có nhiều thay đổi tiến bộ khi nguồn đóng cắt có nhiều ứng dụng khác nhau. Và có nhiều thay đổi tiến bộ ra đời để đáp ứng yêu cầu này, mỗi sự thay đổi với những ưu điểm đã làm cho nó trở nên phù hợp hơn trong những ứng dụng cụ thể. Ví dụ như khi yêu cầu tăng hoặc giảm điện áp đầu ra hoặc yêu cầu chi phí thấp nhất. Bộ nguồn đóng cắt với các sơ đồ khác nhau sử dụng các khoá bán dẫn làm việc ở tần số cao, chủ yếu là các transitor lưỡng cực và transitor MOS sẽ được giới thiệu tổng quan để chúng ta lựa chọn sơ đồ thiết kế. 2. Sơ đồ bộ nguồn đóng cắt không sử dụng máy biến áp cách ly: Dạng sơ đồ bộ nguồn chuyển mạch không sử dụng máy biến áp cách ly chỉ được dùng khi có các thiết bị bên ngoài cung cấp cách điện một chiều hay có phần tử bảo vệ thay cho nguồn chuyển mạch. Những thiết bị bên ngoài này thường là máy biến áp có tần số từ 50-60Hz hay nguồn công suất cách điện lớn. Phạm vi ứng dụng của chúng khi cần điều chỉnh giá trị điện áp ra DC. Những sơ đồ không sử dụng máy biến áp cách ly rất đơn giản và dễ hiểu do đó chúng được nhiều nhà thiết kế sử dụng như một ví dụ mẫu nhưng những người thiết kế chưa có kinh nghiệm hay tận dụng quá mức. Những sơ đồ không cách ly ít khi được các nhà thiết kế bộ nguồn dày dạn kinh nghiệm sử dụng do không có phần cách điện ở khối một chiều làm giảm độ an toàn cho sơ đồ. Có 3 sơ đồ biến đổi cơ bản không sử dụng máy biến áp cách ly là: - Sơ đồ băm áp 1 chiều nối tiếp (buck) - Sơ đồ băm áp song song (boost) - Sơ đồ băm áp có tích lũy điện cảm (buck-boost). Mỗi sơ đồ tạo ra và điều chỉnh mức điện áp đầu ra lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào. Mỗi sơ đồ cũng chỉ có một đầu ra vì vậy mà nó không thực tế, yêu cầu phải tăng thêm nhiều đầu ra cho chúng. Những sơ đồ không sử dụng MBA cách ly cũng có những hạn chế xác định trong ứng dụng liên quan đến mối quan hệ giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra. Người thiết kế nên lưu ý những nhược điểm này trước khi quyết định dùng sơ đồ không có máy biến áp cách ly. 2.1 Sơ đồ điều chỉnh Buck: Sơ điều chỉnh buck là đơn giản nhất trong tất cả các sơ đồ của bộ nguồn chuyển mạch có điện áp ra DC nhở hơn điện áp vào DC. Nó cũng là sơ đồ dễ hiểu và dễ thiết kế nhất. Mặc dù việc điều chỉnh sơ đồ buck rất đơn giản, nhưng cũng là sơ đồ có nhiều nhược điểm nhất. Vì vậy chỉ nên sử dụng nó trong những trường hợp thật sự cần thiết. Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng được cho trên hình 2.1. Nguyên lý hoạt động cơ bản: Trong một chu kỳ băm T, ta cho khóa bán dẫn, MOSFED công suất, dẫn dòng trong khoảng thời gian từ 0 đến aT. Khi đó dòng qua cuộn cảm sẽ được cung cấp từ nguồn DC, dòng điện tăng dần. Trong khoảng thời gian còn lại (từ aT đến T) khóa bán dẫn bị khóa lại, khi đó diode sẽ duy trì dòng qua cuộn cảm nhờ năng lượng tích lũy của cuộn cảm, giá trị dòng qua cuộn cảm giảm dần. Giá trị trung bình của dòng điện một chiều qua phụ tải chính là dòng qua cuộn cảm. Như vậy chúng ta nhận thấy cuộn cảm có tác dụng tích lũy năng lượng khi khóa bán dẫn dẫn dòng và xả năng lượng khi khóa bị khóa lại. Khi đó ta có các quan hệ sau: Điện áp trên diode: (0 - aT) (15) (aT - T) (16) trong đó VCE là điện áp rơi trên khóa khi dẫn dòng Dòng điện trên cuộn cảm có thể được tính như sau: (0 - aT): (17) (aT – T) : (18) trong đó VD0 là sụt áp trên diode khi dẫn dòng 0 Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng sơ đồ Buck Diode voltage VD: điện áp trên diode. Transistor current IT: dòng điện của khóa transistor. Diode current ID: dòng điện trên diode. Choke current IL: dòng điện qua cuộn cảm. Trên biểu đồ dạng sóng chúng ta có điện áp và dòng điện trên diode (VD; ID), dòng điện qua transistor MOS (IT) và dòng điện qua cuộn cảm IL. Dòng điện trên cuộn cảm là tổng dòng điện qua khóa bán dẫn và qua diode có dạng xung răng cưa. Việc điều chỉnh điện áp đầu ra (Vout) khi thay đổi thời gian dẫn của khóa bán dẫn trong chu kỳ T. Vout=Vina (19) Từ đó chúng ta nhận thấy điện áp đầu vào cao hơn điện áp đầu ra. Sơ đồ điều chỉnh buck có một vài hạn chế sau đây: Điện áp đầu vào luôn lớn hơn điện áp đầu ra tối thiểu là từ 1 đến 2V để duy trì điện áp đầu ra theo yêu cầu. Điều đó sẽ làm phát sinh một yêu cầu nếu nguồn vào có giá trị xấp xỉ bằng điện áp ra giống như yêu cầu điều chỉnh tuyến tính mà ở đó điện áp đầu vào phải dược duy trì ở giá trị thích hợp trong mỗi ứng dụng cụ thể. Khi khóa công suất được điều khiển mở, diode vẫn đang dẫn dòng điện cảm ứng trong khoảng thời gian rất ngắn để chuyển sang trạng thái khoá, hiện tượng chuyển mạch của các khoá bán dẫn (Trr). Trong khoảng thời gian diode bị khóa, trên thực tế dòng điện sẽ vẫn tiếp tục chảy từ nguồn vào qua khóa công suất và diode để tới đất, đây là một hiện tượng ngắn mạch gây ảnh hưởng tới nguồn đầu vào và làm tăng thêm độ nguy hiểm cho khóa công suất và diode. Để khắc phục nhược điểm này chúng ta có thể lựa chọn loại diode có thời gian chuyển mạch nhanh. Transistors bán dẫn và MOSFETs thường bị hỏng khi có hiện tượng ngắn mạch xảy ra. Dẫn tới kết quả là toàn bộ mạch điện bị ngắn mạch. Yêu cầu nhà thiết kế phải lắp thêm một mạch ổn áp ở nguồn đầu ra và một cầu chì mắc nối tiếp với đầu vào. Thông thường mạch ổn áp sử dụng bộ chỉnh lưu điều khiển có trigơ SCR làm cho sơ đồ phức tạp hơn, đồng thời cũng làm cho thao tác vận hành phức tạp hơn. Mặc dù sơ đồ này có dải công suất khá rộng cung cấp cho tải, nhưng trong thực tế ít được sử dụng do những nhược điểm đã nói ở trên. 2.2 Sơ đồ điều chỉnh boost. Bộ điều chỉnh boost, đuợc biết đến như một bộ điều chỉnh tăng áp (step-up). Điện áp đầu ra của nó luôn lớn hơn điện áp đầu vào. Sơ đồ điều chỉnh boost được cho trên hình 2.2. Nguyên lý hoạt động của sở đồ: Khi khóa bán dẫn dòng trong khoảng thời gian từ 0 đến aT thì điện áp đầu vào (Vin) được đưa tới cuộn cảm, dòng điện trong cuộn cảm tăng dần và năng lượng được dự trữ bên trong cuộn dây. Tại aT cho tín hiệu điều khiển khoá khoá bán dẫn thì diode dẫn dòng trong khoảng thời gian từ aT đến T nhờ năng lượng cuộn cảm được đưa tới tụ lọc đầu ra để đưa tới tải. Sơ đồ này bị hạn chế tới 50% công suất trong một chu trình làm việc vì vậy cần có đủ thời gian để lõi đưa toàn bộ năng lượng dự trữ của mình tới tụ điện đầu ra. Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng sơ đồ Boost Trên hình 3.2 cũng cho dạng sóng của điện áp trên khoá bán dẫn Vs, dòng điện trên khoá Is và dòng điện qua diode ID. Điện áp trong cuộn cảm trở về giá trị bằng 0 khi lõi hoàn thành việc xả hết năng lượng. Đây là dạng dòng điện gián đoạn trên cuộn cảm. Dạng dòng điện liên tục chỉ xảy ra khi lõi không thể xả hết năng lượng trong khoảng thời gian khóa bán dẫn bị khoá. Lúc đó điện áp trong cuộn cảm không thể trở về giá trị bằng 0 và dòng điện dốc tựa trên nền xung dòng điện có một giá trị tương ứng với năng lượng dư tích trữ trong cuộn cảm. Tại giá trị điện áp đầu vào thấp kiểu hoạt động gián đoạn của sơ đồ điều chỉnh boost có thể trở thành kiểu hoạt động liên tục khi độ rộng xung trong khoảng thời gian khóa công suất dẫn trở nên rộng hơn để cung cấp đủ năng lượng cần thiết cho tải. Để thiết kế sơ đồ boost hoạt động ở trạng thái liên tục thì phải có điều kiện về ổn định. Một câu hỏi quan trọng cần được trả lời trong quá trình thiết kế sơ đồ điều chỉnh boost là cuộn cảm có cung cấp đủ năng lượng cho tải hoạt động ở trạng thái ổn định hay không? Phần năng lượng dự trữ trong lõi ở mỗi chu kì làm việc của khóa công suất là: = (20) và công suất trung bình được đưa tới đầu ra là: (21) Trong đó: Pout là công suất đầu ra lớn nhất của cuộn cảm. f là tần số băm (f = 1/T) Pout đã được xác định ở trên luôn luôn lớn hơn công suất lớn nhất cần thiết của phụ tải. Nếu điều đó không xảy ra, thì sơ đồ điều chỉnh sẽ phải hoạt động với phụ tải bé hơn nhưng sẽ không thể duy trì được khả năng làm việc với phụ tải lớn. Vì vậy giá trị điện cảm phải đủ nhỏ (nhưng không xảy ra hiện tượng ngắn mạch) để có khả năng chịu được nguồn năng lượng tại giá trị điện áp định mức ở đầu vào là thấp nhất. Điều này được biểu diễn ở dạng công thức sau: (22) Tại giá trị điện áp đầu vào thấp để duy trì nguồn năng lượng này thì thời gian dẫn dòng của khoá bán dẫn phải được tăng lên. Nhược điểm chủ yếu của sơ đồ là công suất tổn hao lớn, vì vậy mức độ nguy hiểm của khóa công suất bán dẫn cũng tăng lên. Trong tất cả các sơ đồ biến đổi không sử dụng máy biến áp cách ly sơ đồ boost có khả năng tránh được sự cố do nguồn gây ra nhưng chất lượng dòng tải kém do có hiện tượng dòng gián đoạn. Hiện tượng này sẽ được khắc phục trong sơ đồ flyback: sơ đồ điều chỉnh boost + MBA cách ly. 2.3 Sơ đồ điều chỉnh buck-boost: Sơ đồ điều chỉnh buck-boost và dạng sóng điện áp trên cuộn cảm, dòng điện qua khoá bán dẫn và diode được biểu diễn trên hình 2.3. Sơ đồ này còn được gọi là bộ băm áp 1 chiều có tích luỹ điện cảm khi nguồn và phụ tải đều có bản chất điện áp. Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng sơ đồ Buck-Boost Chúng ta có thể coi đây là sự kết hợp của hai sơ đồ buck và boost, vì vậy đi n áp ra được điều chỉnh lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào. Sự khác nhau giữa sơ đồ điều chỉnh boost và sơ đồ buck-boost là vị trí của khóa công suất và cuộn cảm bị đảo ngược. Giống như sơ đồ điều chỉnh boost, cuộn cảm dự trữ năng lượng trong lõi trong suốt thời gian khóa công suất dẫn. Năng lượng dự trữ này sau đó được giải phóng xuống đất (hay quay trở về đầu vào) đi qua diode tới tụ điện dự trữ ở đầu ra. Kết quả là giá trị điện áp đầu ra được điều chỉnh thông qua việc điều chỉnh chu kỳ làm việc của khóa công suất. Sơ đồ điều chỉnh buck-boost cũng bị hạn chế dưới 50% công suất của khóa công suất trong một chu kỳ làm việc vì vậy yêu cầu phải có đủ thời gian để xả hoàn toàn năng lượng dự trữ trong lõi. Những phương trình liên quan tới lõi và nhu cầu về năng lượng của sơ đồ này giống với những phương trình của sơ đồ điều chỉnh boost: cuộn cảm phải dự trữ đủ năng lượng trong mỗi chu kì hoạt động để giúp cho dòng tải được liên tục. Ta có thể thấy được điều này tại giá trị điện áp đầu vào thấp khi đó điện áp đi qua cuộn cảm có giá trị nhỏ nhất và do đó giá trị năng lượng được nạp vào là rất nhỏ, và lúc này mức độ tiêu thụ của tải là lớn nhất. Đây có thể là thời điểm hoạt động tồi tệ nhất và trong thời điểm này thì công suất cực đại nhận được trong một chu kì làm việc là 50%. Sơ đồ điều chỉnh buck-boost có các nhược điểm tương tự như nhược điểm của sơ đồ buck hay sơ đồ boost. Vì vậy đây không phải là sơ đồ tiêu biểu mà các nhà thiết kế giàu kinh nghiệm thường chọn bởi vì các khóa bán dẫn trong sơ đồ có khả năng cách ly kém, làm mất đi khả năng bảo vệ và xuất hiện những hiện tượng cảm ứng không tốt. Sơ đồ này chỉ được dùng khi có MBA cách ly đặt giữa đầu vào và nguồn công suất đầu ra. 3. Sơ đồ bộ nguồn chuyển mạch dùng máy biến áp cách ly. Một điều có thể thấy trong những sơ đồ điều chỉnh không dùng MBA cách ly là chỉ có các khóa bán dẫn để cách điện một chiều giữa đầu vào và đầu ra. Các khóa bán dẫn này có giá trị điện áp đánh thủng thấp dễ gây hư hỏng cho thiết bị khi có các xung áp ở đầu vào khi đóng cắt. Những sơ đồ về bộ nguồn chuyển mạch sử dụng MBA cách ly có độ tin cậy rất lớn có thể chịu được điện áp hàng nghìn vôn trước khi bị hỏng và tạo ra một hàng rào chất điện môi thứ hai trong những trường hợp chất bán dẫn gặp sự cố. Sơ đồ điều chỉnh sử dụng MBA cách ly hoạt động tương tự như sơ đồ không sử dụng MBA cách ly. Ngoài các chức năng tăng giảm điện áp giống như các sơ đồ không MBA, MBA cũng có chức năng tăng hoặc giảm điện áp. Dùng MBA còn có ưu điểm lớn nữa, đó là ta có thể dễ dàng chia thành nhiều nguồn công suất đầu ra mà không cần bổ sung thêm những sơ đồ điều chỉnh cụ thể cho từng đầu ra tương ứng. Tất cả những ưu điểm đó làm cho sơ đồ điều chỉnh dùng MBA cách ly trở thành sự lựa chọn hấp dẫn trong hầu hết các ứng dụng. 3.1 Sơ đồ điều chỉnh flyback Sơ đồ flyback là một dạng sơ đồ họ sơ đồ dùng MBA cách ly được cho trên hình 3.4. Nó cũng là sơ đồ điều chỉnh đơn giản nhất (bao gồm những phần tử đơn giản nhất) trong tất cả các sơ đồ điều chỉnh dùng MBA cách ly. Sơ đồ này gần giống sơ đồ điều chỉnh boost nhưng nó có nhiều ưu điểm hơn. Một điều cần phải lưu ý là việc thiết kế sơ đồ flyback tương tự như sơ đồ điều chỉnh boost ngoại trừ việc bổ sung thêm cuộn thứ cấp cho sơ đồ flyback. Khi đó, kích thước của sơ đồ flyback lớn hơn không đáng kể so với sơ đồ điều chỉnh boost. Việc bổ sung thêm cuộn dây thứ cấp làm cho sơ đồ flyback