Hầu hết các hệ thống điện tử cần một số loại chuyển đổi giữa điện áp nguồn và điện áp mạch được cung cấp. Khi pin mất điện, điện áp sẽ giảm. Một số chuyển đổi DC-DC có thể đảm bảo rằng nhiều năng lượng lưu trữ trong pin sẽ được sử dụng để cấp nguồn cho mạch điện. Ngoài ra, nếu sử dụng đường dây AC 110 V thì chúng ta không thể cấp nguồn trực tiếp cho các chất bán dẫn như vi điều khiển. Vì hầu hết mọi hệ thống điện tử đều sử dụng bộ chuyển đổi điện áp (còn được gọi là bộ nguồn) nên chúng đã được tối ưu hóa cho các mục đích sử dụng khác nhau trong nhiều năm qua. Tất nhiên, mục tiêu tối ưu hóa thường là quy mô giải pháp, hiệu quả chuyển đổi, EMI và chi phí.

Nguồn điện đơn giản: LDO

   

Một trong những hình thức cung cấp điện đơn giản là bộ điều chỉnh điện áp thấp (LDO). LDO là bộ điều chỉnh tuyến tính trái ngược với bộ điều chỉnh chuyển mạch. Bộ điều chỉnh tuyến tính đặt một điện trở có thể điều chỉnh giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra, có nghĩa là cho dù điện áp đầu vào thay đổi như thế nào, dòng điện tải nào đi qua thiết bị thì điện áp đầu ra vẫn cố định. Hình 1 cho thấy nguyên lý cơ bản của bộ chuyển đổi điện áp đơn giản này.

Hình 1. Bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính chuyển đổi điện áp này sang điện áp khác.

Trong nhiều năm, bộ chuyển đổi nguồn thông thường bao gồm một máy biến áp 50 Hz hoặc 60 Hz, được kết nối với lưới điện và tạo ra điện áp đầu ra không ổn định với tỷ số cuộn dây nhất định, cao hơn vài volt so với điện áp nguồn yêu cầu trong hệ thống. Sau đó, bộ điều chỉnh tuyến tính được sử dụng để chuyển đổi điện áp này thành điện áp điều chỉnh ổn định theo yêu cầu của các sản phẩm điện tử. Hình 2 thể hiện sơ đồ khối của khái niệm này.

2. Máy biến áp đường dây tiếp theo là bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính.

Vấn đề với thiết lập cơ bản trong Hình 2 là máy biến áp 50 Hz / 60 Hz tương đối cồng kềnh và đắt tiền. Ngoài ra, bộ điều chỉnh tuyến tính cũng thải ra nhiều nhiệt nên hiệu suất tổng thể của hệ thống thấp và khó loại bỏ nhiệt sinh ra do công suất hệ thống cao.

Chuyển đổi chế độ cung cấp điện giúp
   

Để tránh những nhược điểm của nguồn điện được thể hiện trong hình. 2, chế độ chuyển mạch cung cấp điện đã được phát minh. Chúng không phụ thuộc vào điện áp xoay chiều 50 Hz hay 60 Hz mà sử dụng điện áp một chiều, đôi khi điều chỉnh điện áp xoay chiều, tạo điện áp xoay chiều tần số cao hơn để sử dụng máy biến áp nhỏ hơn hoặc sử dụng bộ lọc LC để chỉnh lưu điện áp để tạo ra điện áp đầu ra DC trong hệ thống không cách ly. . Ưu điểm là giải pháp có kích thước nhỏ và chi phí tương đối thấp. Điện áp xoay chiều được tạo ra không nhất thiết phải là dạng sóng điện áp hình sin. Dạng sóng tín hiệuPWM đơn giản có thể hoạt động tốt và có thể được tạo dễ dàng bằng cách sử dụng bộ tạo và chuyển mạchPWM.

Cho đến năm 2000, bóng bán dẫn lưỡng cực là thiết bị chuyển mạch được sử dụng phổ biến. Chúng có hiệu suất tốt nhưng tốc độ chuyển đổi tương đối thấp. Hiệu suất không cao và tần số chuyển đổi bị giới hạn ở 50 kHz hoặc 100 kHz. Ngày nay, chúng ta sử dụng MOSFET chuyển mạch thay vì bóng bán dẫn lưỡng cực và tốc độ chuyển mạch nhanh hơn nhiều. Mặt khác, tổn thất chuyển mạch thấp hơn và tần số chuyển mạch cao tới 5 MHz. Tần số chuyển mạch cao như vậy cho phép tầng công suất sử dụng điện cảm và điện dung rất nhỏ.

Bộ điều chỉnh chuyển mạch mang lại nhiều lợi thế. Chúng thường cung cấp khả năng chuyển đổi điện áp hiệu suất cao, cho phép tăng và giảm điện áp, đồng thời cung cấp thiết kế tương đối nhỏ gọn và chi phí thấp. Nhược điểm là quá trình thiết kế và tối ưu hóa phức tạp, tần số chuyển đổi và chuyển đổi chuyển mạch cũng sẽ tạo ra EMI. Bộ điều chỉnh nguồn điện ở chế độ chuyển mạch và LTpowerCAD® Và LTspice® Sự sẵn có của các công cụ thiết kế nguồn điện đã đơn giản hóa rất nhiều quá trình thiết kế khó khăn này. Với những công cụ này, quá trình thiết kế mạch cung cấp điện ở chế độ chuyển mạch có thể được bán tự động.

Cách ly trong nguồn điện

   

Khi thiết kế nguồn điện, câu hỏi đầu tiên cần được trả lời là liệu có cần cách ly điện hay không. Cách ly điện được sử dụng vì một số lý do. Nó có thể cải thiện độ an toàn của mạch điện, cho phép hệ thống nổi hoạt động và ngăn dòng điện nối đất ồn lan truyền qua các thiết bị điện tử khác nhau trong mạch. Hai cấu trúc liên kết cách ly phổ biến là bộ chuyển đổi flyback và bộ chuyển đổi chuyển tiếp. Tuy nhiên, để có công suất cao hơn, các cấu trúc liên kết cách ly khác như kéo đẩy, nửa cầu và toàn cầu được sử dụng.

Nếu không cần cách ly điện thì cấu trúc liên kết không cách ly sẽ được sử dụng trong hầu hết các trường hợp. Cấu trúc liên kết luôn yêu cầu máy biến áp, loại thiết bị này thường đắt tiền và cồng kềnh, đồng thời khó có được thiết bị sẵn có đáp ứng chính xác các yêu cầu về nguồn điện tùy chỉnh.

Các cấu trúc liên kết phổ biến nhất khi không cần cách ly

   

Cấu trúc liên kết cung cấp điện ở chế độ chuyển mạch không cách ly phổ biến là bộ chuyển đổi Buck, còn được gọi là bộ chuyển đổi Buck, nhận điện áp đầu vào dương và tạo ra điện áp đầu ra thấp hơn điện áp đầu vào. Đây là một trong ba cấu trúc liên kết cung cấp điện ở chế độ chuyển mạch cơ bản và chỉ cần hai công tắc, một cuộn cảm và hai tụ điện. Hình 3 cho thấy nguyên tắc cơ bản của cấu trúc liên kết này. Công tắc cao cấp gửi dòng xung từ cực đầu vào và tạo ra điện áp chế độ chuyển mạch, luân phiên giữa điện áp đầu vào và điện áp nối đất. Bộ lọc LC thu được điện áp xung tại nút chuyển mạch và tạo ra điện áp đầu ra DC. Theo tỷ lệ nhiệm vụ của tín hiệuPWM của công tắc cao cấp, các mức điện áp đầu ra DC khác nhau sẽ được tạo ra. Bộ chuyển đổi DC-DC này có hiệu suất cao, tương đối dễ chế tạo và cần ít linh kiện.

Hình 3. Khái niệm về bộ chuyển đổi Buck đơn giản.

Bộ chuyển đổi Buck phát ra dòng xung ở đầu vào, trong khi đầu ra có dòng điện liên tục từ cuộn cảm. Đây là lý do tại sao tiếng ồn của bộ chuyển đổi Buck rất lớn ở đầu vào nhưng lại không lớn ở đầu ra. Điều quan trọng là phải biết điều này khi thiết kế một hệ thống có độ ồn thấp.

Bên cạnh cấu trúc liên kết Buck, cấu trúc liên kết cơ bản thứ hai là cấu trúc liên kết tăng cường. Cấu trúc liên kết tăng cường sử dụng năm phần tử công suất cơ bản giống như cấu trúc liên kết Buck, nhưng sau khi sắp xếp lại, cuộn cảm được đặt ở đầu vào và công tắc phía cao được đặt ở đầu ra. Cấu trúc liên kết tăng cường được sử dụng để tăng điện áp đầu vào lên điện áp đầu ra cao hơn điện áp đầu vào.

Hình 4. Khái niệm về bộ chuyển đổi tăng tốc đơn giản.

Khi chọn bộ chuyển đổi tăng áp, điều quan trọng cần lưu ý là dòng điện chuyển mạch định mức tối đa luôn được chỉ định trong bảng dữ liệu của bộ chuyển đổi tăng áp, thay vì dòng điện đầu ra tối đa. Trong bộ chuyển đổi Buck, dòng điện chuyển mạch tối đa có liên quan trực tiếp đến dòng điện đầu ra tối đa có thể đạt được và không liên quan gì đến tỷ số điện áp giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra. Trong bộ điều chỉnh tăng áp, tỷ số điện áp ảnh hưởng trực tiếp đến dòng điện đầu ra tối đa có thể dựa trên dòng chuyển mạch tối đa cố định. Khi chọn IC điều chỉnh tăng áp thích hợp, bạn không chỉ nên biết dòng điện đầu ra cần thiết mà còn cả điện áp đầu vào và đầu ra được thiết kế trong quá trình phát triển.

Tiếng ồn của bộ chuyển đổi tăng áp ở đầu vào rất thấp, vì độ tự cảm phù hợp với kết nối đầu vào có thể ngăn dòng điện thay đổi nhanh chóng. Tuy nhiên, ở đầu ra, nhiễu của cấu trúc liên kết này rất lớn. Chúng tôi chỉ nhìn thấy dòng xung chạy qua công tắc bên ngoài, vì vậy chúng tôi chú ý đến gợn sóng đầu ra hơn so với cấu trúc liên kết Buck.

Cấu trúc liên kết cơ bản thứ ba là bộ chuyển đổi Buck-Boost đảo ngược, chỉ bao gồm năm thành phần cơ bản. Bộ chuyển đổi này lấy điện áp đầu vào dương và chuyển nó thành điện áp đầu ra âm, do đó có tên như vậy. Ngoài ra, điện áp đầu vào có thể cao hơn hoặc thấp hơn giá trị tuyệt đối của điện áp đầu ra đảo ngược. Ví dụ: điện áp đầu ra–-12 V có thể được tạo ra từ 5 V hoặc 24 V ở đầu vào. Điều này có thể xảy ra mà không cần sửa đổi mạch đặc biệt nào. Hình 5 cho thấy khái niệm mạch của bộ chuyển đổi Buck-Boost đảo ngược.

Hình 5. Khái niệm về bộ chuyển đổi Buck-Boost đảo ngược đơn giản.

Trong cấu trúc liên kết tăng cường ngược, cuộn cảm được nối đất từ ​​nút chuyển mạch. Có các dòng xung ở đầu vào và đầu ra của bộ chuyển đổi nên độ nhiễu ở đầu vào và đầu ra của cấu trúc liên kết này cao. Trong các ứng dụng có độ ồn thấp, đặc tính này được bù bằng cách bổ sung thêm tính năng lọc đầu vào và đầu ra.

Một khía cạnh thuận lợi của cấu trúc liên kết tăng cường Buck ngược là bất kỳ IC điều chỉnh chuyển mạch Buck nào cũng có thể được sử dụng trong bộ chuyển đổi này. Miễn là điện áp đầu ra của mạch Buck được kết nối với mặt đất hệ thống. Việc nối đất của mạch giảm áp IC sẽ trở thành điện áp âm được điều chỉnh. Tính năng này làm cho sự lựa chọn IC điều chỉnh chuyển mạch trên toàn thị trường.

Cấu trúc liên kết đặc biệt

 

Bên cạnh ba cấu trúc liên kết cung cấp điện ở chế độ chuyển mạch không cách ly cơ bản đã thảo luận trước đó, còn có rất nhiều cấu trúc liên kết có sẵn. Tuy nhiên, tất cả chúng đều yêu cầu các thành phần nguồn bổ sung. Điều này thường làm tăng chi phí và giảm hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Mặc dù có một số trường hợp ngoại lệ, nhưng việc bổ sung thêm các thành phần bổ sung vào đường dẫn nguồn thường làm tăng tổn thất. Một số cấu trúc liên kết phổ biến bao gồm SEPIC, Zeta, UK và Buck-Boost 4 công tắc. Chúng đều có những chức năng mà ba cấu trúc liên kết cơ bản không có. Sau đây là danh sách các tính năng quan trọng của từng cấu trúc liên kết:

   

01

SEPIC:SEPIC có thể tạo ra điện áp đầu ra dương từ điện áp đầu vào dương cao hơn hoặc thấp hơn điện áp đầu ra. IC điều chỉnh tăng cường có thể được sử dụng để thiết kế nguồn điện SEPIC. Nhược điểm của cấu trúc liên kết này là nó yêu cầu cuộn cảm thứ hai hoặc cuộn cảm ghép và tụ điện SEPIC.

   

02

Zeta: Bộ chuyển đổi Zeta này tương tự như SEPIC, nhưng có thể tạo ra điện áp đầu ra dương hoặc âm. Hơn nữa, nó không có điểm 0 nửa mặt phẳng bên phải (RHPZ), do đó đơn giản hóa vòng điều chỉnh. IC chuyển đổi Buck có thể được sử dụng trong cấu trúc liên kết này.

   

03

Vương quốc Anh: Bộ chuyển đổi Vương quốc Anh có thể chuyển đổi điện áp đầu vào dương thành điện áp đầu ra âm. Nó sử dụng hai cuộn cảm, một ở đầu vào và một ở đầu ra nên độ nhiễu ở đầu vào và đầu ra rất thấp. Nhược điểm là không có nhiều IC chuyển đổi nguồn chế độ chuyển mạch hỗ trợ cấu trúc liên kết này, vì vòng điều chỉnh cần các chân phản hồi điện áp âm.

   

04

 4Switching Buck-Boost: Loại bộ chuyển đổi này đã trở nên rất phổ biến trong những năm gần đây. Nó cung cấp điện áp đầu ra dương từ điện áp đầu vào dương. Điện áp đầu vào có thể cao hơn hoặc thấp hơn điện áp đầu ra quy định. Bộ chuyển đổi này có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn và chỉ cần một cuộn cảm nên thay thế nhiều thiết kế SEPIC.Cấu trúc liên kết cách ly chung

   

Ngoài cấu trúc liên kết không cách ly, một số ứng dụng yêu cầu bộ chuyển đổi nguồn cách điện. Nguyên nhân có thể là vì lý do an toàn, cần nối đất nổi trong các hệ thống lớn có các mạch khác nhau kết nối với nhau hoặc cần ngăn chặn vòng dòng nối đất trong các ứng dụng nhạy cảm với tiếng ồn. Các cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi cách ly phổ biến là bộ chuyển đổi flyback và bộ chuyển đổi chuyển tiếp.

Bộ chuyển đổi Flyback thường được sử dụng cho các mức công suất lên tới 60 W. Chế độ làm việc của mạch là năng lượng điện được tích trữ trong máy biến áp trong thời gian dẫn điện. Khi ngắt kết nối, năng lượng điện được giải phóng sang phía thứ cấp của bộ chuyển đổi để cung cấp điện cho đầu ra. Bộ chuyển đổi này dễ chế tạo nhưng cần một máy biến áp tương đối lớn để lưu trữ toàn bộ năng lượng điện cần thiết cho hoạt động bình thường. Một mặt, cấu trúc liên kết này bị giới hạn ở mức năng lượng thấp hơn. Hình 6 cho thấy bộ chuyển đổi flyback ở phía trên và bộ chuyển đổi Forward ở phía dưới.

6. Bộ chuyển đổi Flyback (trên) và Bộ chuyển đổi Forward (dưới).

Bên cạnh bộ chuyển đổi flyback, bộ chuyển đổi chuyển tiếp cũng rất phổ biến. Nó sử dụng máy biến áp theo cách khác với bộ chuyển đổi flyback. Trong thời gian dẫn điện, dòng điện tuy chạy qua cuộn sơ cấp nhưng cũng có dòng điện chạy qua cuộn thứ cấp. Năng lượng điện không nên được lưu trữ trong cuộn dây máy biến áp. Sau mỗi chu kỳ chuyển mạch, chúng ta phải đảm bảo rằng toàn bộ từ hóa của cuộn dây được giải phóng về 0, để máy biến áp không bị bão hòa sau một số chu kỳ chuyển mạch. Một số công nghệ khác nhau có thể được sử dụng để giải phóng năng lượng điện từ cuộn dây. Một cách phổ biến là sử dụng kẹp hoạt động có thêm công tắc và tụ điện nhỏ.

Hình 7 thể hiện sơ đồ nguyên lý của môi trường mô phỏng LTspice với thiết kế chuyển tiếp kẹp chủ động sử dụng ADP1074. Trong bộ chuyển đổi thuận, có một điện cảm bổ sung trong đường dẫn đầu ra không có trong bộ chuyển đổi flyback, như trong Hình 6. Mặc dù thành phần bổ sung này có tác động đến không gian và chi phí nhưng nó giúp tạo ra điện áp đầu ra nhiễu thấp hơn so với bộ chuyển đổi flyback. Ngoài ra, ở cùng mức công suất với bộ chuyển đổi flyback, kích thước máy biến áp mà bộ chuyển đổi thuận yêu cầu có thể nhỏ hơn nhiều.

Hình 7. Mạch chuyển tiếp kẹp hoạt động sử dụng ADP1074 để tạo ra điện áp đầu ra cách ly, như thể hiện trong mô phỏng trong LTspice.

Cấu trúc liên kết cách ly nâng cao

   

Bên cạnh cấu trúc liên kết flyback và Forward, còn có nhiều khái niệm về bộ chuyển đổi cách ly điện dựa trên các máy biến áp khác nhau. Danh sách sau đây đưa ra một số giải thích cơ bản về các bộ chuyển đổi phổ biến:

• Kéo đẩy: Cấu trúc liên kết đẩy-kéo tương tự như cấu trúc liên kết của bộ chuyển đổi thuận. Tuy nhiên, cấu trúc liên kết này yêu cầu hai công tắc phía thấp đang hoạt động thay vì một công tắc phía thấp. Một máy biến áp sơ cấp có vòi trung tâm cũng được yêu cầu. So với bộ chuyển đổi thuận, bộ chuyển đổi kéo đẩy có ưu điểm là độ ồn thấp hơn và máy biến áp nhỏ hơn. Độ trễ của đường cong BH của máy biến áp được sử dụng trong hai góc phần tư thay vì một góc phần tư.
  

• Nửa cầu/toàn cầu: Hai cấu trúc liên kết này thường được sử dụng cho các thiết kế có công suất cao hơn, bắt đầu từ vài trăm watt cho đến vài kilowatt. Bên cạnh các công tắc phía thấp, chúng cũng cần các công tắc phía cao, nhưng chúng có thể truyền tải công suất cao thông qua các máy biến áp tương đối nhỏ.
  

• ZVS: Thuật ngữ này thường được đề cập khi thảo luận về các bộ chuyển đổi cách ly công suất cao. Nó là viết tắt của Chuyển mạch điện áp bằng không. Một thuật ngữ khác cho loại bộ chuyển đổi này là bộ chuyển đổi LLC (Điện cảm-Điện cảm-Điện dung). Mục đích của các kiến ​​trúc này là đạt được sự chuyển đổi hiệu quả. Chúng sẽ tạo ra các mạch cộng hưởng và chuyển đổi công tắc nguồn khi điện áp hoặc dòng điện trên công tắc gần bằng 0. Bằng cách này, tổn thất chuyển mạch được giảm thiểu. Tuy nhiên, kiểu thiết kế này khó thực hiện và tần số chuyển mạch không cố định, đôi khi gây ra sự cố EMI.

  
  

Bộ chuyển đổi tụ điện

   

Bên cạnh các bộ điều chỉnh tuyến tính và bộ cấp nguồn chế độ chuyển mạch, còn có nhóm bộ chuyển đổi điện thứ ba: bộ chuyển đổi tụ điện chuyển mạch. Còn được gọi là bơm sạc. Họ sử dụng công tắc và tụ điện để nhân hoặc đảo điện áp. Một lợi thế lớn là nó không cần bất kỳ điện cảm nào. Loại bộ chuyển đổi này thường được sử dụng cho các mức công suất thấp dưới 5 W. Tuy nhiên, tiến bộ đáng kể gần đây cho phép các bộ chuyển đổi tụ điện chuyển mạch mạnh hơn. Hình 8 cho thấy LTC7820 có hiệu suất 98.5% và thiết kế 120 W, chuyển đổi 48 V thành 24 V.

Hình 8. Bộ điều khiển DC-DC của bơm sạc công suất cao tỷ lệ cố định LTC7820.

Cung cấp điện kỹ thuật số

   

Tất cả các bộ nguồn được thảo luận trong bài viết này có thể được triển khai dưới dạng bộ nguồn analog hoặc kỹ thuật số. Chính xác thì nguồn điện kỹ thuật số là gì? Nguồn điện phải luôn đi qua các mức công suất analog của công tắc, cuộn cảm, máy biến áp và tụ điện. Các khía cạnh kỹ thuật số được giới thiệu bởi hai khối xây dựng kỹ thuật số:

• Đầu tiên là giao diện kỹ thuật số, qua đó hệ thống điện tử có thể giao tiếp với nguồn điện. Các thông số khác nhau có thể được đặt ngay lập tức để tối ưu hóa việc cung cấp điện cho các điều kiện làm việc khác nhau. Ngoài ra, bộ nguồn cũng có thể giao tiếp với bộ xử lý chính và gây ra dấu hiệu cảnh báo hoặc lỗi. Ví dụ: hệ thống có thể dễ dàng theo dõi dòng tải, vượt quá ngưỡng đặt trước hoặc nhiệt độ pin quá cao.
  

• Mô-đun tòa nhà kỹ thuật số thứ hai sử dụng vòng lặp kỹ thuật số thay vì vòng điều chỉnh tương tự. Điều này hoạt động tốt, nhưng đối với hầu hết các ứng dụng, tốt nhất nên áp dụng vòng phản hồi tương tự tiêu chuẩn có ảnh hưởng kỹ thuật số nhất định đến một số tham số, chẳng hạn như điều chỉnh mức tăng của bộ khuếch đại lỗi ngay lập tức hoặc thiết lập động các tham số bù vòng lặp để nhận ra tốc độ ổn định nhưng nhanh chóng. vòng lặp thông tin phản hồi.

Một ví dụ về thiết bị có vòng điều khiển kỹ thuật số thuần túy là ADP1046A của ADI. Một ví dụ về bộ điều chỉnh Buck giao diện kỹ thuật số được tối ưu hóa bằng ảnh hưởng kỹ thuật số và với vòng điều khiển tương tự là LTC3883.

Cân nhắc EMI

   

Nhiễu điện từ (EMI) luôn là vấn đề cần được quan tâm khi thiết kế nguồn điện chuyển mạch chế độ. Nguyên nhân là do nguồn điện ở chế độ chuyển mạch sẽ chuyển đổi dòng điện cao trong thời gian ngắn. Tốc độ chuyển đổi càng nhanh thì hiệu quả tổng thể của hệ thống càng tốt. Tốc độ chuyển đổi nhanh hơn có thể giảm thời gian bật công tắc một phần. Trong khoảng thời gian đúng giờ này, hầu hết các tổn thất chuyển mạch sẽ xảy ra. Hình 9 cho thấy dạng sóng của nguồn điện chế độ chuyển mạch tại nút chuyển mạch. Lấy bộ điều chỉnh Buck làm ví dụ. Điện áp cao được xác định bởi dòng điện qua công tắc phía cao, trong khi điện áp thấp được xác định bởi không có dòng điện chạy qua công tắc phía cao.

Hình 9. Tốc độ chuyển mạch và tần số chuyển đổi của nguồn điện chế độ chuyển mạch.

Như có thể thấy trong hình. 9, tiếng ồn do nguồn điện ở chế độ chuyển mạch tạo ra không chỉ đến từ tần số chuyển mạch được điều chỉnh mà còn đến từ tốc độ chuyển mạch cao hơn nhiều so với tần số. Mặc dù tần số chuyển mạch thường nằm trong khoảng từ 500 kHz đến 3 MHz nhưng thời gian chuyển mạch có thể kéo dài vài nano giây. Trong thời gian chuyển mạch 1 ns, tần số tương ứng trong phổ sẽ là 1 GHz. Ít nhất hai tần số này sẽ được coi là nhiễu loạn bức xạ điện từ và bức xạ dẫn. Sự dao động của vòng điều chỉnh hoặc sự tương tác giữa nguồn điện và bộ lọc cũng có thể mang lại các tần số khác.

Có hai lý do để giảm EMI. Lý do đầu tiên là để bảo vệ chức năng của hệ thống điện tử được cung cấp bởi một nguồn điện cụ thể. Ví dụ: ADC 16 bit được sử dụng trong đường dẫn tín hiệu hệ thống không được thu nhiễu chuyển mạch từ nguồn điện; Lý do thứ hai là để đáp ứng một số quy định EMI do chính phủ trên toàn thế giới xây dựng nhằm bảo vệ các chức năng đáng tin cậy của các hệ thống điện tử khác nhau cùng một lúc.

Có hai dạng EMI, EMI bức xạ và EMI tiến hành. Cách hiệu quả để giảm EMI bức xạ là tối ưu hóa cách bố trí PCB và áp dụng các công nghệ như Silent Switcher® của ADI. Công nghệ như vậy. Tất nhiên, việc đặt mạch điện vào một hộp kim loại được che chắn cũng có hiệu quả. Tuy nhiên, điều này có thể không thực tế và trong hầu hết các trường hợp, nó rất tốn kém.

EMI được tiến hành thường bị suy giảm bằng cách lọc bổ sung. Tiếp theo, việc lọc bổ sung để giảm bức xạ dẫn điện sẽ được thảo luận.

lọc sóng

   

Bộ lọc RC là bộ lọc thông thấp cơ bản. Tuy nhiên, trong thiết kế nguồn điện, mỗi bộ lọc là một bộ lọc LC. Nói chung, chỉ cần thêm một số cuộn cảm nối tiếp là đủ, vì nó sẽ tạo thành bộ lọc LC hoặc CLC cùng với điện dung đầu vào hoặc đầu ra của nguồn điện ở chế độ chuyển mạch. Đôi khi chỉ sử dụng tụ điện làm bộ lọc, nhưng xét đến độ tự cảm ký sinh của đường dây hoặc đường dây điện, chúng tôi kết hợp các tụ điện để tạo thành bộ lọc LC. Cuộn cảm l có thể là cuộn cảm có cuộn dây hoặc hạt ferit. Mục đích của bộ lọc LC thực chất là hiệu ứng thông thấp, cho phép nguồn DC đi qua và làm giảm nhiễu tần số cao ở mức độ lớn. Bộ lọc LC có một cực kép nên có thể đạt được mức suy giảm tần số cao 40 dB/quãng tám. Bộ lọc có thể đạt được mức giảm tần số tương đối rõ nét. Thiết kế bộ lọc không hề dễ dàng; Tuy nhiên, do các thành phần ký sinh của mạch (chẳng hạn như vết điện cảm) sẽ tạo ra hiệu ứng nên việc mô hình hóa bộ lọc cũng cần mô hình hóa các hiệu ứng ký sinh chính. Điều này làm cho bộ lọc analog khá tốn thời gian. Nhiều nhà thiết kế có kinh nghiệm trong thiết kế bộ lọc biết bộ lọc nào hoạt động tốt và có thể tối ưu hóa bộ lọc nhiều lần để có được thiết kế mới.

Khi thiết kế tất cả các bộ lọc, cần xem xét không chỉ hành vi của tín hiệu nhỏ, chẳng hạn như hàm truyền của bộ lọc trong sơ đồ Porter, mà còn phải xem xét hiệu ứng tín hiệu lớn. Trong bất kỳ bộ lọc LC nào, nguồn điện sẽ đi qua cuộn cảm. Nếu nguồn điện không còn cần thiết ở đầu ra, năng lượng điện tích trữ trong cuộn cảm cần được giải phóng đi đâu đó do tải đột ngột chuyển tiếp. Nó sẽ sạc tụ điện của bộ lọc. Nếu bộ lọc không được thiết kế cho trường hợp xấu nhất này, năng lượng điện được lưu trữ có thể gây ra hiện tượng vọt điện áp, có thể làm hỏng mạch điện.

Cuối cùng, bộ lọc có trở kháng nhất định. Trở kháng này tương tác với trở kháng của bộ chuyển đổi nguồn gắn với bộ lọc. Sự tương tác này có thể dẫn đến sự mất ổn định và dao động. Các công cụ mô phỏng thiết bị tương tự như LTspice và LTpowerCAD rất hữu ích để trả lời tất cả những câu hỏi này và thiết kế các bộ lọc tuyệt vời. Hình 10 hiển thị giao diện đồ họa người dùng của các nhà thiết kế bộ lọc trong môi trường thiết kế LTpowerCAD. Sử dụng công cụ này để thiết kế bộ lọc rất đơn giản.

Hình 10. Thiết kế bộ lọc đầu vào của bộ điều chỉnh Buck bằng LTpowerCAD.

Bộ chuyển đổi im lặng

   

Sự nhiễu điện từ khó có thể dừng lại. Cần có một tấm chắn đặc biệt làm bằng vật liệu kim loại nhất định. Chi phí để làm như vậy là rất cao. Trong một thời gian dài, các kỹ sư đã tìm cách giảm nhiễu bức xạ điện từ do chuyển đổi chế độ cung cấp điện. Cách đây vài năm, công nghệ Silent Switcher đã có bước đột phá lớn. Bằng cách giảm độ tự cảm ký sinh trong mạch nhiệt của nguồn điện ở chế độ chuyển mạch và chia mạch nhiệt thành hai mạch được bố trí theo kiểu đối xứng cao, các nhiễu loạn bức xạ điện từ hầu như triệt tiêu lẫn nhau. Ngày nay, nhiều thiết bị Silent Switcher cung cấp mức độ nhiễu bức xạ điện từ thấp hơn nhiều so với các sản phẩm truyền thống. Giảm nhiễu bức xạ điện từ có thể cải thiện tốc độ chuyển mạch mà không có EMI nghiêm trọng. Việc tăng tốc độ chuyển mạch có thể làm giảm tổn thất chuyển mạch, do đó làm tăng tần số chuyển mạch. Một ví dụ về sự đổi mới này là LTC3310S, có tần số chuyển đổi 5 MHz và sử dụng các bộ phận bên ngoài chi phí thấp để đạt được thiết kế rất nhỏ gọn.

Quản lý năng lượng là cần thiết, nhưng nó cũng có thể thú vị.

  

Trong bài viết này, chúng tôi thảo luận về nhiều khía cạnh của thiết kế nguồn điện, bao gồm các cấu trúc liên kết nguồn điện khác nhau cũng như những ưu điểm và nhược điểm của chúng. Thông tin này rất cơ bản đối với các kỹ sư điện, nhưng đối với các chuyên gia và người không chuyên, sẽ rất hữu ích khi sử dụng các công cụ phần mềm như LTpowerCAD và LTspice trong quá trình thiết kế. Với những công cụ này, bộ chuyển đổi nguồn có thể được thiết kế và tối ưu hóa trong thời gian ngắn.

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Bài viết này được sao chép từ "Liên minh R&D quyền lực". Bài viết này chỉ thể hiện quan điểm cá nhân của tác giả, không thể hiện quan điểm của Sacco Micro và ngành. Nó chỉ dành cho việc in lại và chia sẻ để hỗ trợ việc bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ. Vui lòng ghi rõ nguồn và tác giả khi tái bản. Nếu có vi phạm vui lòng liên hệ với chúng tôi để xóa.

Điện thoại công ty: +86-0755-83044319
Fax/fax:+86-0755-83975897
Email: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Quản lý Li
QQ: 332496225 Quản lý Qiu
Địa chỉ: Phòng 809, Khu C, Tòa nhà Công nghệ Zhantao, Số 1079 Đại lộ Minzhi, Quận Mới Long Hoa, Thâm Quyến