Mạch Buck Boost Là Gì? Nguyên Lý Làm Việc Nguồn Xung Buck Converter

Mạch buck-boost là gì? Nguyên lý hoạt động của mạch Buck trong nguồn xung như thế nào? Ứng dụng phổ biến hiện nay của nó ra sao? Trong bài viết này congdonginan.com sẽ tổng hợp kiến thức bổ ích cho bạn nhé!

Đang xem: Mạch buck boost? là gì

You are watching:: Mạch Buck Boost Là Gì? Nguyên Lý Làm Việc Nguồn Xung Buck Converter

1.Mạch Buck là gì?

Mạch Buck còn được gọi là mạch Buck hạ áp và tên tiếng Anh đầy đủ là Buck Converter. Đây là một bộ chuyển đổi DC-Dc phổ biến nhất hiện nay, nó thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi điện áp cao sang điện áp thấp cực hiệu quả đó nhé! Buck giúp chuyển đổi năng lượng một cách hiệu quả thông qua đó mà nói kéo dài tuổi thọ của pin, giảm sinh nhiệt trong quá trình vận hành và cho phép xây dựng các tiện ích nhỏ hơn.

Hiện nay, mạch Buck được đưa vào ứng dụng đa dạng và cực kỳ thú vị. Cùng tìm hiểu cụ thể hơn với những thông tin cơ bản được giới thiệu trong phần tiếp theo của bài viết này bạn nhé!

2. Thông tin cơ bản về mạch Buck bạn cần nắm được

Mạch Buck là một mạch cực đơn giản với Mosfet bên cao bật và tắt. Một bộ vi mạch điều khiển và nó được sử dụng một vòng phản hồi kín đều thực hiện nhiệm vụ điều khiển điện áp ở đầu ra. Hàm truyền DC là một phương trình có liên quan đến điện áp đầu vào, điện áp ở đầu ra của mạch và chu kỳ làm việc của nó.

Ta có công thức tính như sau: Vout = Vin * D.

Trong đó:
Vout biểu thị chi điện áp ở đầu ra của mạch.
Vin biểu thị cho điện áp ở đầu vào của mạch Buck.
D là chu kỳ làm việc hoặc % thời gian Mosfet được bật trong quá trình vận hành.
Trong cấu tạo của mạch Buck còn có cuộn cảm và tự điện được kết nối để tạo thành một bộ lọc thông thấp. Nhiệm vụ mà bộ lọc thông thấp này đảm nhận chính là làm mịn hoạt động chuyển mạch Mosfet và thực hiện tạo ra điện áp DC mượt mà và êm ái hơn.

Mạch Buck còn có biến thể của nó được gọi là mạch Buck đồng bộ. Trong bộ mạch này, diode được tự do thay thế bằng Mosfet, nhờ đó mà nó cho phép thực hiện việc truyền điện hai chiều qua mạch. Trong trường hợp mạch Buck chạy ngược, nó có thể thực hiện nhiệm vụ hoạt động tương tự mạch Boost. Khi đó nó chỉ cần có một IC chuyển đổi đặc biệt là được. Với trường hợp này khiến nó thường được đưa vào để ứng dụng như USB on the go, tức nó cho phép người dùng sử dụng điện thoại thông minh thực hiện việc cấp nguyên cho các thiết bị cầm tay loại nhỏ khác chẳng hạn như quạt mini,..

Các mắc của hai Mosfet trong trường hợp mạch Buck biến thể này được gọi là một nửa cầu hay Half Bridge và nó là mạch hữu ích cho nhiều ứng dụng khác nhau trong đời sống hiện nay đó nhé!

Mạch boost áp

Mạch boost hay mạch boost áp, boost converter là một trong những loại bộ chuyển đổi công tắc chế độ đơn giản nhất. Như tên gọi của nó, nó nhận một điện áp đầu vào và tăng điện áp đó lên. Mạch này gồm là một cuộn cảm, một công tắc bán dẫn (ngày nay là MOSFET), một diode và một tụ điện. Cũng cần có một nguồn sóng vuông tuần hoàn. Có thể đơn giản như bộ định thời 555 hoặc thậm chí là một vi mạch SMPS chuyên dụng như vi mạch MC34063A.

Nguyên lý mạch boost

Đã đến lúc bạn phải hít thở thật sâu, chúng ta chuẩn bị đi sâu vào lĩnh vực điện tử công suất. Tôi sẽ nói ngay từ đầu rằng đó là một lĩnh vực rất bổ ích.

Để hiểu nguyên lý hoạt động của mạch boost, bạn bắt buộc phải biết cách hoạt động của cuộn cảm, MOSFET, diode và tụ điện.

BƯỚC 1

Ở đây, không có gì xảy ra. Tụ điện đầu ra được sạc đến điện áp đầu vào trừ đi một lần sụt giảm diode.

BƯỚC 2

Bây giờ, đã đến lúc bật công tắc. Nguồn tín hiệu của chúng ta tăng cao, bật MOSFET. Tất cả dòng điện được chuyển hướng qua MOSFET thông qua cuộn cảm. Lưu ý rằng tụ điện đầu ra vẫn được sạc vì nó không thể phóng điện qua diode phân cực ngược.

Tất nhiên, nguồn điện không bị đoản mạch ngay lập tức, vì cuộn cảm làm cho dòng điện tăng lên tương đối chậm. Ngoài ra, một từ trường hình thành xung quanh cuộn cảm. Lưu ý đến cực của điện áp đặt trên cuộn cảm.

BƯỚC 3

See more: : M Chất Tan Là Gì M Dung Dịch Là Gì, Nồng Độ Dung Dịch

MOSFET bị tắt và dòng điện đến cuộn cảm bị dừng đột ngột.

Bản chất của cuộn cảm là duy trì dòng điện trơn tru; nó không thích sự thay đổi đột ngột của dòng điện. Vì vậy nó không thích sự tắt đột ngột của dòng điện. Nó đáp ứng điều này bằng cách tạo ra một điện áp lớn có cực ngược lại với điện áp ban đầu cung cấp cho nó bằng cách sử dụng năng lượng được lưu trữ trong từ trường để duy trì dòng điện đó.

Nếu chúng ta quên phần còn lại của các phần tử mạch và chỉ chú ý đến các ký hiệu phân cực, chúng ta nhận thấy rằng cuộn cảm lúc này hoạt động giống như một nguồn điện áp mắc nối tiếp với điện áp cung cấp. Điều này có nghĩa là cực dương của diode bây giờ ở điện áp cao hơn so với cực âm (hãy nhớ rằng lúc đầu tụ điện đã được sạc để cung cấp điện áp) và được phân cực thuận.

Tụ điện đầu ra hiện đã được sạc đến điện áp cao hơn trước đây, điều đó có nghĩa là chúng ta đã nâng thành công điện áp DC thấp lên mức cao hơn!

Nguồn xung là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các loại nguồn xung.

Nguồn xung ngày càng được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử, các thiết bị vật dụng gia đình. Dễ thấy có thể kể đến như: bếp từ, lò vi sóng, nồi cơm điện,… Nguồn xung là bộ nguồn có tác dụng biến đổi từ nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện một chiều bằng chế độ dao động xung tạo bằng mạch điện tử kết hợp với một biến áp xung.

Nguồn switching được sử dụng ngày càng rộng rãi do có ưu điểm hiệu suất cao, ít tỏa nhiệt và kích thước nhỏ hơn nhiều so với nguồn tuyến tính có cùng công suất.
Bài viết này đề cập đến 4 loại nguồn switching thông dụng nhất là
  + Buck: biến đổi điện áp DC đầu vào thành đầu ra DC có điện áp nhỏ hơn
  + Boost: ngược lại so với Buck, điện áp đầu ra lớn hơn đầu vào
  + Buck-Boost (invert): Tạo điện áp âm có trị tuyệt đối lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào (điều chỉnh được)
  + Flyback: tạo điện áp dương có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào (điều chỉnh được)
Nhưng trước hết, ta sẽ điểm qua các thành phần chính của nguồn switching: Cuộn cảm, biến áp và PWM

 Các thành phần chính của nguồn switching

1. Cuộn dây.

 – Điện áp trên cuộn dây và dòng điện đi qua nó liên hệ theo phương trình sau: V= L(di/dt)
 – Từ phương trình trên ta rút ra được 2 đặc tính quan trọng của cuộn dây:
   + Chỉ có điện áp rơi trên 2 đầu cuộn dây khi dòng điện đi qua nó biến thiên.
   + Dòng đi qua cuộn dây không thể thay đổi đột ngột, bởi vì để làm được điều đó ta cần mức điện thế vô cùng lớn. Dòng qua cuộn dây thay đổi càng mạnh thì điện áp rơi trên nó càng lớn.

2. Biến áp

 – Biến áp cấu tạo bởi 2 hoặc nhiều cuộn dây có quan hệ từ tính với nhau. Hoạt động của biến áp là biến điện áp xoay chiều đầu vào sơ cấp thành điện áp thứ cấp có giá trị to hơn hoặc nhỏ hơn tùy theo số vòng dây quấn. Biến áp không tạo thêm năng lượng, cho nên năng lượng ở 2 đầu sơ cấp, thứ cấp phải bằng nhau (=const). Đó là lí do tại sao cuộn dây nhiều vòng quấn hơn có điện áp cao hơn nhưng dòng nhỏ hơn, trong khi cuộn dây ít vòng dây quấn hơn có điện áp nhỏ hơn nhưng dòng điện lớn hơn.

 – Dấu chấm ký hiệu ở một trong hai đầu cuộn dây gọi là cực tính, thể hiện sự liên hệ về dấu của điện áp và chiều dòng điện của 2 cuộn sơ cấp và thứ cấp. Các bạn xem hình vẽ trên để biết thêm chi tiết.
 – Một ứng dụng đơn giản của máy biến áp được sử dụng rất nhiều trong hệ thống đánh lửa của oto, xe máy…

      Sơ đồ nguyên lý như trên. Cuộn dây N2 có số vòng lớn hơn rất nhiều so với N1. Khi công tắc (points closed – chính là nút bấm khởi động) đóng, điện áp qua N1 là 12V, dòng qua N1 là dòng một chiều (giá trị bằng dòng qua trở hạn dòng) nên không có hiện tượng cảm ứng từ.
      Khi công tắc mở ra (ấn công tắc khởi động) dòng qua cuộn N1 giảm xuống rất nhanh, điện áp rơi trên nó cũng vọt lên rất lớn. Hiện tượng cảm ứng từ xảy ra khiến điện áp ở cuộn N2 tăng lên đến cỡ 30kV-40kV theo (công thức ở trên) gây phóng điện ở tiếp điểm spark gap, đốt cháy nhiên liệu và xe bắt đầu hoạt động!

3. PWM

 – Tất cả các loại nguồn switching đều có dạng điện áp đầu ra kiểu xung vuông với tần số xác định nào đó, gọi là Pulse Width Modulation (PWM), dân ta hay gọi là băm xung :D. Xét một ví dụ cơ bản sau:

 – Điện áp ở dạng xung vuông với chu kỳ Tp, độ rộng Ton chính là thời gian xung ở điện áp đỉnh Vpk (Ton<=Tp). Xung vuông này sau khi cho qua mạch lọc LC sẽ bị san phẳng thành điện áp một chiều có giá trị Vout như hình vẽ. Ta có thể điều chỉnh điện áp Vout theo ý mình bằng cách điều chỉnh độ rộng xung Ton, Ton càng lớn thì Vout càng lớn và ngược lại. Đây chính là nguyên lý hoạt động chung của các loại nguồn xung.

Nguồn xung là bộ nguồn có tác dụng biến đổi từ nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện một chiều bằng chế độ dao động xung tạo bằng mạch điện tử kết hợp với một biến áp xung. Chúng ta biết rằng nguồn tuyến tính cổ điển sử dụng biến áp sắt từ để làm nhiệm vụ hạ áp rồi sau đó dùng chỉnh lưu kết hợp với ic nguồn tuyến tính tạo ra các cấp điện áp một chiều mong muốn như 3.3V, 5V, 6V, 9V, !2V, 18V, 24V…. Những bộ nguồn như trên thường rất công kềnh và tốn vật liệu lên không còn được sử dụng nhiều.

Cấu tạo của nguồn xung

Cấu tạo của nguồn xung

Nhìn vào board mạch trên ta thấy rằng một bộ nguồn xung sẽ bao gồm những linh kiện cơ bản sau (một số kiểu sẽ có thêm những thành phần khác hoặc không có những linh kiện trên nhưng hầu hết là giống nhau):

Biến áp xung: Cũng cấu tạo gồm các cuộn dây quán trên một lõi từ giống như biến áp thông thường chỉ có điều biến áp này sử dụng lõi ferit còn biến áp thường sử dụng lỗi thép kỹ thuật điện . Với cùng một kích thước thì biến áp xung cho công suất lớn hơn biến áp thường rất nhiều lần. Ngoài ra biến áp xung hoạt động tốt ở dải tần cao còn biến áp thường chỉ hoạt động ở dải tần thấp.Cầu chì: Bảo vệ mạch nguồn bị ngắn mạchCuộn chống nhiễu, tụ lọc sơ cấp, điode chỉnh lưu: Có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp một chiều tích trữ trên tụ lọc sơ cấp để cung cấp năng lượng cho cuộn sơ cấp của máy biến áp xungSò công suất/: Đây là một linh kiện bán dẫn dùng như một công tắc chuyển mạch , đó có thể là transistor, mosfet, IC tích hợp, IGBT có nhiệm vụ đóng cắt điện từ chân (+) của tụ lọc sơ cấp vào cuộn dây sơ cấp của biến áp xung rồi cho xuống mass.Tụ lọc nguồn thứ cấp: Dùng để tích trữ năng lượng điện từ cuộn thứ cấp của biến áp xung để cấp cho tải tiêu thụ. Chúng ta biết rằng khi cuộn sơ cấp của biến áp được đóng cắt điện liên tục bằng sò công suất thì xuất hiện từ trường biến thiên dẫn đến cuộn thứ cấp của biến áp cũng xuất hiện một điện áp ra. Điện áp này được chỉnh lưu qua một vài diode rồi đưa ra tụ lọc thứ cấp để san phẳng điện ápIC quang và IC TL431 : Có nhiệm vụ tạo ra một điện áp cố định để khống chế điện áp ra bên thứ cấp ổn định theo mong muốn. Chúng sẽ làm nhiệm vụ khống chế dao dộng đóng cắt điện vào cuộn sơ cấp của biến áp xung sao cho điện áp ra bên thứ cấp đạt yêu cầu.

Nguyên lý hoạt động nguồn xung

Nguyên lý hoạt động nguồn xung

Xem thêm: Btvv Là Gì – Flamingo Đại Lải Resort: Flamingobatdongsan

– Đây là loại thông dụng nhất trong các loại nguồn xung thông dụng. Người ta sử dụng nó trong các mạch với đầu vào DC lớn (24-48V) với các mức đầu ra 15V, 12V, 9V, 5V… với hao phí điện năng rất thấp. Buck converter sử dụng một transistor để đóng cắt liên tục theo chu kỳ điện áp đầu vào qua một cuộn dây. Sơ đồ nguyên lý cơ bản như sau:

Các loại nguồn xung:

Buck converter

Xem thêm: Bộ 5 Đũa Inox Nhật Bản – Đũa Inox Nội Địa Nhật Bản, Cao Cấp

– Mạch boost converter cho điện áp DC đầu ra cao hơn đầu vào (cùng dấu). Sơ đồ nguyên lý mạch boost converter như sau:

Boost converter

See more: : Giá Gà Màu Trắng Là Gà Gì – Cách Chọn Gà Chọi Hay Qua 13 Màu Lông

– Hoạt động cơ bản như sau: Khi công tắc đóng, dòng qua cuộn dây tăng dần lên. Khi công tắc mở ra, dòng qua cuộn dây giảm (do có thêm tải) khiến điện áp cuộn dây tăng lên. Điện áp này đặt vào tụ khiến cho tụ được nạp với điện áp lớn hơn điện áp Vin.

– Lưu ý rằng năng lượng đầu ra chỉ có thể nhỏ hơn hoặc bằng năng lượng đầu vào, do đó ở mạch boost converter dòng đầu ra phải nhỏ hơn dòng đầu vào (do áp đầu ra lớn hơn áp đầu vào).

Mạch Buck-Boost (inverting).

– Mạch tạo điện áp trái dấu, với đầu vào DC (âm hoặc dương) điện áp đầu ra trái dấu với điện áp đầu vào và có trị tuyệt đối có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào. Sơ đồ nguyên lý cơ bản như sau:

– Khi công tắc đóng, điện áp vào Vin khiến dòng đi qua cuộn dây tăng lên. Lúc này dòng cấp cho tải chỉ là dòng do tụ phóng ra.

– Khi công tắc mở, điện áp vào Vin bị ngắt ra. Dòng đi qua cuộn dây giảm dần khiến điện áp trên nó tăng lên. Điện áp này nạp vào tụ đồng thời mở thông diode D dẫn dòng phóng ra từ cuộn dây cấp nguồn cho tải.

Nguồn flyback.

– Đây là loại nguồn linh hoạt nhất trong các loại nguồn switching, nó cho phép ta thiết kế một hoặc nhiều đầu ra ở các mức điện áp khác nhau kể cả đầu ra điện áp âm. Mạch flyback được sử dụng nhiều trong hệ thống cung cấp năng lượng (mặt trời, gió…) khi từ một đầu vào yêu cầu cho nhiều mức điện áp đầu ra theo yêu cầu hệ thống (thường là +5V, +12V, -12V…) với hiệu suất cao. Sơ đồ nguyên lý cơ bản của mạch nguồn flyback như sau:

Đặc tính quan trọng nhất của mạch nguồn flyback là cực tính 2 cuộn sơ cấp và thứ cấp. Nếu ta muốn tạo điện áp dương thì cực tính 2 cuộn dây phải ngược nhau như trên hình, ngược lại nếu muốn tạo điện áp âm thì cực tính 2 cuộn dây phải cùng chiều. Ta sẽ bàn về vấn đề này sau. Nguyên tắc hoạt động như sau:

+ Khi công tắc đóng, dòng qua cuộn sơ cấp tăng lên. Xét cuộn sơ cấp lúc này, điện thế ở đầu có dấu chấm nhỏ hơn so với đầu còn lại dẫn đến ở cuộn thứ cấp cũng có điều tương tự. Điện thế ở đầu có dấu chấm của cuộn thứ cấp nhỏ hơn đầu kia của nó dẫn đến điện áp âm đặt lên diode theo chiều thuận, diode bị khóa. Nguồn cấp cho tải lúc này chỉ là do tụ phóng ra.

+Khi công tắc mở, dòng qua cuộn sơ cấp giảm. Cuộn sơ cấp lúc này có điện thế ở đầu có dấu chấm lớn hơn so với đầu còn lại, dẫn đến cuộn thứ cấp cũng có điều tương tự. Điện áp dương đặt lên diode theo chiều thuận. Diode mở ra dẫn dòng từ cuộn thứ cấp nạp cho tụ đồng thời cấp cho tải.

Đây là nguyên tắc hoạt động cơ bản của nguồn flyback.

– Vậy vì sao lại nói đây là loại nguồn linh hoạt nhất? Ta xét sơ đồ sau:

Đây là sơ đồ của một mạch flyback với 3 mức điện áp đầu ra, có cả điện áp âm. Muốn tạo điện áp âm rất đơn giản ta chỉ cần đảo chiều cực tính của cuộn dây, đảo chiều tụ đầu ra như hình trên.

– Một số đặc điểm của mạch flyback nhiều đầu ra như sau:

+ Phản hồi dòng điện để điều khiển PWM lấy từ đầu ra có dòng lớn nhất, như trên là ở đầu ra 5V.

+ Các IC nguồn LDO được sử dụng để đảm bảo các đầu ra ít nhiễu. Như với trường hợp trên, với đầu ra 12V thì cuộn thứ cấp sẽ được điều chỉnh cho điện áp khoảng 13V, chênh lệch điện áp nhỏ này đảm bảo tránh các vấn đề về quá nhiệt. Tương tự với đầu ra -12V sẽ là -13V ở cuộn thứ cấp.

+ Do bảo toàn năng lượng nên các bạn cần chú ý các đầu ra điện áp càng lớn thì dòng điện càng nhỏ và tổng năng lượng đầu ra nhỏ hơn hoặc bằng đầu vào.

+ Các đầu ra không có phản hồi dòng (như đầu ra +12V và -12V ở trên) có sụt áp khi phải kéo tải lớn cỡ 5%-10%. Nhưng điều này là quá đủ với đa phần ứng dụng.

Ngoài ra còn các loại nguồn switching khác như: PUSH-PULL converter, HAFT-BRIDGE converter, FULL-BRIDGE converter.

Hy vọng bài viết sẽ cung cấp cho các bạn những thông tin bổ ích.

Source:: https://congdonginan.com
Category:: Là gì