CƠ SỞ THIẾT KẾ NGUỒN XUNG FLYBACK

Các loại nguồn xung hiện nay được dùng quá phổ biến và trong hầu hết các thiết bị điện tử vì một số ưu điểm nổi bật của chúng so với các loại nguồn truyền thống. Ba ưu điểm đáng kể phải nói đến là hiệu suất cao, kích thước nhỏ và giá thành thấp. Tuy nhiên vấn đề độ tin cậy của các nguồn loại này đòi hỏi chúng phải được thiết kế chặt chẽ và hiệu chỉnh chi tiết. Vấn đề này đã được các chuyên gia nhiều nước nghiên cứu và đưa ra các kết quả ứng dụng hiệu quả, tuy nhiên còn rất ít được đề cập trong các tài liệu kỹ thuật ở nước ta. Flyback là một kiểu nguồn xung được dùng rất phổ biến và đã được tác giả cùng các đồng nghiệp triển khai ứng dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực và trong nhiều năm qua, vì thế cơ sở thiết kế nó được chọn để giới thiệu trong bài báo này.

1. Cấu trúc mạch và nguyên lý làm việc của nguồn Flyback

Nguồn flyback có sơ đồ nguyên lý mạch điện trong hình 1. Về nguyên lý làm việc và các quá trình vật lý của nó đã được trình bày trong rất nhiều tài liệu [1, 2, 3]  nên ở đây chỉ đề cập tóm tắt về một số yếu tố cơ bản cần thiết cho việc tính  toán thiết kế.

Tranzistơ trường M làm việc như một chuyển mạch và được điều khiển bởi dãy xung chữ nhật có chu kỳ T không đổi, có bề rộng xung t_x thay đổi và biên độ xung nằm trong khoảng từ 10 đến 15V.

Ở chế độ xác lập, khi M mở điện áp dương trên cuộn sơ cấp và âm trên cuộn thứ cấp của máy biến áp, điốt D khóa và tải R nhận năng lượng từ tụ C. Trong giai đoạn này, trong thời gian t_x, cuộn sơ cấp biến áp làm việc như một điện cảm và tích năng lượng từ nguồn sơ cấp. Sau khi khóa tranzistơ, dòng điện trong cuộn sơ cấp có xu hướng giảm làm cho điện áp trên các cuộn dây đổi chiều, do điốt D mở và năng lượng tích lũy trong điện cảm nạp cho tụ C và tải.
 

Phân tích sơ bộ ở trên cho thấy năng lượng từ nguồn chuyển ra tải trong thời giam khóa của tranzistơ, và biến áp làm việc như một điện cảm tích phóng năng lượng, Nó nhận từ nguồn khi tranzistơ mở và cấp cho tải khi trazistơ khóa. Đặc điểm này của nguyên lý biến đổi làm khó đặt tên cho nó. Trong các tài liệu tiếng anh chúng được gọi theo phiên âm là flyback.

Các điốt D₁, điện trở R₁ và tụ điện C₁ có vai trò bổ trợ, nhằm chống quá áp cho tranzistơ, chúng không ảnh hưởng đến quá trình biến đổi vừa nêu nên có thể bỏ qua khi phân tích các quan hệ định lượng.

Để ổn định điện áp U_Z trên tải bộ điều khiển thay đổi tự động thời gian mở t_x theo dòng tải I_Z và theo điện áp vào U₁. Nếu dòng tải tăng hoặc điện áp vào giảm thì tăng t_x, ngược lại nếu dòng tải giảm hoặc điện áp vào tăng thì giảm t_x. Bộ điều khiển tạo ra t_x theo nguyên lý điều chế bề rộng xung trên cơ sở thông tin về dòng điện sơ cấp của biến áp xung BA (điện áp trên R_s) và điện áp ra U_Z của tải. Theo nguyên lý điều chỉnh tự động các bộ điều khiển của nguồn flyback được thực hiện theo cấu trúc hai vòng lệ thuộc, với vòng ngoài là điện áp và vòng trong là dòng điện.

Bộ nguồn có thể làm việc ở một trong hai chế độ, chế độ liên tục và chế độ gián đoạn, khái niệm về hai chế độ này sẽ được đề cập sau, và để nội dung bài báo không quá dài, ở đây chủ yếu đề cập chế độ gián đoạn.Các biểu đồ dòng điện và điện áp trong hình 2 minh họa khá rõ nguyên lý làm việc của nguồn flyback trong chế độ gián đoạn.

2. Xây dựng các biểu thức tính toán

Trong khoảng thời gian t_x của mỗi chu kỳ chuyển mạch, khi tranzistơ M mở, điện áp trên cuộn sơ cấp biến áp bằng điện áp nguồn U₁. Coi điện áp rơi giữa máng và nguồn của tranzistơ bằng 1V thì quan hệ giữa dòng điện và điện áp của cuộn sơ cấp máy biến áp được xác định theo luật Pharađây:

U₁-1 = L₁di₁/dt              (1a)

Vì U₁ không đổi nên dòng điện i₁ trong giai đoạn mở của tranzistơ tăng tuyến tính, và ở chế độ gián đoạn dòng này tăng từ không đến I₁, ứng với biên độ dòng sơ cấp, xem biểu đồ thứ hai trong hình 2. Trong điều kiện đó biểu thức (1a) có dạng:

U₁-1 = L₁I₁/t_x (1b)

Kết thúc giai đoạn này năng lượng tích lũy E trong biến áp bằng:

E = 1/2L₁I_1² (2)

ở đây: E được tính bằng J, L được tính bằng H và I được tính bằng A.

Công suất cuộn sơ cấp, với điện cảm L₁, nhận từ nguồn vào là

P₁ = 1/2L₁I₁²/T                 (3)

trong đó I₁, T và f tương ứng là biên độ dòng sơ cấp, chu kỳ chuyển mạch của tranzistơ, và được tính theo hệ đơn vị chuẩn.

Vào thời điểm kết thúc giai đoạn dẫn, hay sau thời gian t_x, dòng I₁ được xác định theo (1b) và bằng

I₁= (U₁-1)t_x/L₁ (4)

Thay I₁ này vào (3) nhận được:

P₁ = [(U₁-1)t_x]²/(2TL₁)         (5)

Sau thời điểm khóa tranzistơ M điện áp thứ cấp của biến áp u₂ đổi chiều làm cho điốt D mở và năng lượng tích lũy trong điện cảm sơ cấp bắt đầu nạp cho tải R và tụ C. Quá trình này kéo dài trong khoảng thời gian t_sg, và kết thúc vào thời điểm dòng điện thứ cấp i₂ giảm đến không. Quá trình phóng năng lượng hay giảm dòng về không trong mỗi chu kỳ chuyển mạch được gọi là thời gian phóng hay suy giảm.

Giá trị ban đầu I₂ của dòng thứ cấp (biểu đồ thứ ba trong hình 2) phụ thuộc biên độ dòmg sơ cấp I₁ và hệ số biến áp theo luật bảo toàn dòng của mạch từ:

I₂ = I₁w₁/w₂ (6)

Trong giai đoạn tích lũy năng lượng nhận từ nguồn gồm phần tích cho điện cảm và phần làm phát nóng các phần tử của bộ nguồn. Tương tự như thế trong giai đoạn phóng năng lượng tích lũy mất một phần làm phát nóng các phần tử, phần còn lại chuyển hết cho tải R và tụ C. Đối với các bộ nguồn xung, trong đó có fli bách, năng lượng phát nóng trong cả hai giai đoạn được đặc trưng bởi công suất tổn hao, và công suất này thường chiếm khoảng 20% công suất ra P₂ [2,3]. Từ đó có quan hệ định lượng giữa công suất vào P₁ và công suất ra P_Z dạng:

P_z = 0,8P₁ (7)

Thay P₁ theo (5) vào (7) nhận được:

U_z²/R = 0,4[(U₁-1)t_x]²/(2TL₁)       (8)

Biểu thức trên cho thấy muốn duy trì điện áp ra U₂ không đổi thì bộ điều khiển phải điều chỉnh thời giam mở t_x của tranzistơ tương ứng với sự thay đổi của điện trở tải R_d hoặc điện áp vào U₁. Khi U₁ hoặc R tăng thì phải giảm t_x, và ngược lại khi U₁ hoặc R giảm thì phải tăng t_x.

Ngoài các quan hệ cơ bản được đề cập ở trên để có cơ sở thiết kế cần làm rõ khoảng thời gian t_hf. Đây là khoảng thời gian cần thiết đề đảm bảo chắc chắn rằng trong mọi điều kiện dòng điện sơ cấp bắt đầu tăng từ không ở đầu giai đoạn gia tăng, và dòng điện thứ cấp chắc chắn giảm đến không ở cuối giai đoạn suy giảm. Theo một số tài liệu về thiết kế flyback thì thời gian hồi phục t_hf nên chọn bằng 20% chu kỳ chuyển mạch T, tức là:

t_hf = 0,2T                                (7a)

Đến đây có thể làm rõ hai chế độ gián đoạn và liên tục. Gián đoạn là chế độ làm việc trong đó dòng điện sơ cấp bắt đầu tăng từ không, còn dòng điện thứ cấp bằng không ở thời điểm kết thúc suy giảm. Bộ nguồn cũng có thể làm việc với dòng điện sơ cấp bắt đầu tăng từ giá trị khác không, và khhi đó vào cuối giai đoạn gia tăng dòng thứ cấp cũng khác không. Chế độ này được gọi là liên tục.

Vì dòng điện tải I_Z bằng trị trung bình của dòng điện thứ cấp i₂ nên:

I_z = (I₂t_sg)/2T                           (8a)

hay

I₂ = (I_z2T)/t_sg (8b)

Từ các biểu đồ  và (7) có thể xác xác định được thời gian suy giảm hay thời gian phóng

t_sg = 0,8T - t_x (9)

Vì biểu thức (9) được rút ra từ yêu cầu của chế độ gián đoạn nên t_sg này cần được hiểu là thời gian mà mạch điện dành cho quá trình suy giảm, chứ không phải là thời gian suy giảm thực tế của dòng điện i₂. Nếu thời gian thực tế lớn hơn thời gian dành cho có nghĩa là dòng điện thứ cấp chưa về không vào thời điểm kết thúc giai đoạn suy giảm. Điều này dẫn đến dòng điện sơ cấp bắt đầu tăng từ giá trị khác không, tức là bộ nguồn làm việc ở chế độ liên tục.

Biểu thức (9) cũng cho thấy thời gian suy giảm dành cho càng giảm nếu thời giam mở càng t_x tăng. Trong khi đó thời gian suy giảm là thực tế lại tăng nếu t_x tăng. Thời gian suy giảm thực tế là khảng thời gian cần thiết để toàn bộ năng lượng tích lũy trước đó được phóng hết, do đó nếu t_x thì năng lượng tích tăng theo và thời gian suy giàm cần thiết cũng lớn theo.

Thời gian suy giảm thực tế được xác định trên cơ sở quá trình năng lượng trong điện cảm. Trong giai đoạn mở t_xđiện áp u₁ đặt trên cuộn sơ cấp biến áp bằng điện áp vào một chiều U₁ trừ đi sụt áp mở trên tranzistơ, coi sụt áp này bằng 1V ta có:

u₁ = U₁ - 1                       (10a)

Trong giai đoạn suy giảm điện áp này bằng điện áp thứ cấp U_2T quy đổi về sơ cấp

u₁ = U_2T w₁/w₂ (10b)

Vì điện áp trung bình trên cuộn dây biến áp bằng không nên

(U₁ - 1)t_x =  U_2T( w₁/w₂)t_sg (11)

Nếu coi sụt áp thuận trên điốt bằng 1V thì điện áp U_2T trên cuộn thứ cấp của biến áp trong thời gian suy giảm bằng điện áp trên tải cộng với 1V, do đó:

U_2T = U_z + 1

Để đảm bảo chế độ gián đoạn thì t_sg trong (11) phải thỏa mãn điều kiện (9) nên

(U₁ - 1)t_x = (U_z + 1)(w₁/w₂)(0,8T - t_x)           (12)

Cuối cùng nhận được

t_x = 0,8T(U_z + 1)/ [(U₁-1)(w₁/w₂) + (U_z + 1)]                  (13a)

Để duy trì điện áp ra không đổi bộ điều khiển sẽ tăng thời gian mở nếu điện áp vào hoặc điện trở tải giảm. Khi điện áp vào nhỏ nhất thì thời gian mở sẽ lớn nhất, do đó thời gian mở lớn nhất (t_x.max) được xác định theo điện áp vào nhỏ nhất (U₁.min) và:

t_xmax = 0,8T(U_z + 1)/ [(U_1min-1)(w₁/w₂) + (U_z + 1)]        (13b)

Nhiệm vụ cơ bản của việc thiết kế là xác định được công suất và tỷ số vòng dây của máy biến áp, chọn được điốt chỉnh lưu D và tranzistơ M theo điện áp và dòng điện cực đại. Để làm được điều đó tiếp theo cần xác định điện áp lớn nhất đặt giữa máng và nguồn tranzistơ.

Khi khóa nếu bỏ qua điện cảm tản của biến áp thì điện áp giữa máng và nguồn (U_DS) của tranzistơ bằng điện áp vào U₁ cộng với điện áp trên cuộn sơ cấp.  Điện áp này tương ứng với điện áp thứ cấp quy đổi về sơ cấp theo (10b). Thực tế điện cảm tản luôn khác không và gây nên quá áp ΔU cộng vào với hai điện áp nói trên. Khi đó:

U_DS = U₁ + U_zqd + ΔU                         (14)

ở đây

U_zqd = (U_z + 1)(w₁/w₂)

Để hạn chế lượng quá áp này có thể dùng mạch điện gồm điện trở R1, tụ điện C1 và điốt D1, tuy nhiên khi đó chỉ hạn chế được ΔU ở một mức nào đó chứ không thể loại trừ được, do đó ΔU phải được tính đến. Mặc dù có khác nhau về cách đặt vấn đề nhưng nhìn chung theo một số tài liệu thì có thể xác định ΔU theo biểu thức sau:

ΔU = 2,1(U_z + 1)(w₁/w₂)

Khi đó điện áp thực tế đặt giữa máng và nguồn của tranzistơ được xác định theo biểu thức:

U_DS = U₁ + 3,1(U_z + 1)(w₁/w₂)                                    (15)

Để tính đến ảnh hưởng của môi trường, các tài liệu khuyên nên chọn tranzistơ có điện áp cực đại U_DS.max cao hơn giá trị tính theo (15) một lượng khoảng hai chục vôn, khi đó:

U_DSmax = U_1max + 3,1(U_z + 1)(w₁/w₂) + 20                    (16)

3. Các bước tính toán thiết kế

Trên cơ sở các biểu thức nhận được ở tên có thể đưa ra các bước tính toán thiết kế như sau:

1) Chọn hệ số biến áp theo (16), trên cơ sở điện áp ra U_Z, điện áp vào lớn nhất và điện áp cho phép của tranzistơ.


2) Tính thời gian dẫn lớn nhất theo (13), trên cơ sở điện áp vào nhỏ nhất, hệ số biến áp tính được và tần số làm việc

3) Tính thời gian suy giảm từ chu kỳ T và thời gian mở lớn nhất ở trên

4)Tính biên độ dòng điện thứ và sơ cấp theo (8b) trên cơ sở dòng tải I_Z và thời gian suy giảm vừa nhận được

5) Tính biên độ dòng sơ cấp theo (6) từ biên độ dòng thứ cấp và hệ số biến áp

.

6) Tính điện cảm cuộn sơ cấp biến áp theo (4) trên cơ sở biên độ dòng sơ cấp, điện áp vào nhỏ nhất và thời gian mở lớn nhất

.

Các kết quả nhận được trong sáu bước trên là cơ sở để thiết kế máy biến áp, chọn tranzistơ và điốt theo dòng điện và điện áp cực đại. Và cũng từ đó tính được trị hiệu dụng của dòng điện tanzistơ và điốt chỉnh lưu.

Những phân tích ở trên không chỉ đơn thuần nhằm rút ra các cơ sở tính toán thiết kế mà còn đưa ra những căn cứ cho việc hiệu chỉnh thực tế vì việc này không thể dựa trên các biểu thức toán học khô cứng. Việc hiệu chỉnh thực tế bao giờ cũng phải xuất phát từ quan hệ nhân quả của các hiện tượng vật lý, và kinh nghiệm triển khai thực tế trong phòng thí nghiệm của chúng tôi đã chứng tỏ điều này. Hiện nay cũng khá phổ biến các phần mềm mô phỏng và thiết kế nguồn xung,  tuy nhiên chúng không thay được quá trình hiệu chỉnh thực tế mà chỉ giảm nhẹ công việc đó, và vì thế những phân tích ở trên, một lần nữa xin được nhắc lại, là rất cần thiết và rất bổ ích.

Theo ý tưởng trên chúng tôi đã triển khi nhiều ứng dụng thực tế, và dưới đây giới thệu mấy biểu đồ mô phỏng nhận được bằng Pspices trong thiết kế bộ nguồn với dòng điện áp vào một chiều 220V, điện áp và dòng điện ra tương ứng là 10A và 12V. Dòng sơ cấp, dòng thứ cấp và điện áp ra tương ứng minh họa bằng các biểu đồ thứ nhất, thứ hai và thứ ba.

PERAC

Tài liệu tham khảo

[1]- Abraham P.I,;  Switching power supply; Prentice Hall 1998

[2]- Π.Четти; Проектирование клчевых источников;

Электропитания; Москва Энергоатомиздат.

[3]-TOPSitch flybach design methodologi (application Note AN-16);

Power integration Inc.