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 trở nên linh hoạt hơn. Những ưu điểm của sơ đồ flyback so với sơ đồ điều chỉnh boost hay buck-boost: Một nguồn đầu vào cho nhiều đầu ra. Điện áp ra có thể là điện áp âm hay điện áp dương. Độ lớn điện áp đầu ra không phụ thuộc điện áp đầu vào. Có cách điện một chiều tốt giữa đầu vào và đầu ra. Trên thực tế sơ đồ flyback làm việc tương tự như sơ đồ boost và sơ đồ buck-boost, điện áp đầu vào có thể được điều chỉnh để có bất kì điện áp đầu ra nào mà không làm ảnh hưởng đến hoạt động của nguồn. Hình 3.4: Sơ đồ và dạng sóng của sơ đồ Flyback Transistor votage VT: điện áp trên khóa transistor. Secondary voltage Vs: điện áp trên cuộn dây thứ cấp. Primary current IL: dòng điện trên cuộn sơ cấp. Diode current ID: dòng điện qua diode. Hoạt động của sơ đồ flyback: Trong khoảng thời gian khóa công suất dẫn, điện áp đầu vào được đưa tới cuộn dây sơ cấp của MBA. Điều này dẫn đến độ dốc dòng điện tuyến tính đi qua cuộn sơ cấp tăng lên với giá trị là +Vin/Lpri. Hiện tượng này tiếp tục xảy ra cho tới khi khóa công suất ngừng dẫn. Khi đó điện áp ra sẽ bằng điện áp trên cuộn thứ cấp trừ đi sụt áp trên diode. Trong thời gian khóa công suất ngừng dẫn, chỉnh lưu đầu ra dẫn, nhờ vậy năng lượng dự trữ trong lõi cuộn dây của MBA được chuyển hết tới tụ điện đầu ra và tải. Hiện tượng này diễn ra cho tới khi: hoặc là lõi xả hết năng lượng do điện áp khóa công suất phản hồi về đầu vào tạo ra, hoặc là khóa công suất dẫn trở lại. Dòng điện trong cuộn dây thứ cấp trong thời khoảng thời gian khóa công suất ngừng dẫn có độ dốc tuyến tính bị giảm xuống với giá trị là –Vout/Lsec. Một điều ta dễ dàng nhận thấy là nếu điện áp đầu vào và điện áp đầu ra không bằng nhau và số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp cũng không bằng nhau, thì thời gian khóa công suất dẫn và ngừng dẫn cũng không bằng nhau. Khi xem xét các cuộn dây ta nhận thấy: điện áp của cuộn dây trong khoảng thời gian khóa công suất dẫn và trong khoảng thời gian khóa công suất ngừng dẫn là bằng nhau (xem hình 3.4). Sơ đồ flyback có thể hoạt động hoặc là ở chế độ gián đoạn, hoặc là ở chế độ liên tục. Ở chế độ gián đoạn, năng lượng dự trữ trong lõi MBA được tích lũy trong khoảng thời gian khóa công suất dẫn sẽ được xả hoàn toàn trong thời gian khóa công suất ngừng dẫn. Ta dễ dàng nhận ra hiện tượng này nhờ việc kiểm tra điện áp khóa công suất và lượng điện áp phản hồi tới đầu vào có còn hay không trước khi một chu kỳ làm việc khác được lặp lại. Trong khoảng thời gian kiểm tra này, cả khóa công suất và diode đều ngừng dẫn, cho phép MBA xả hoàn toàn năng lượngdự trữ. Còn ở chế độ liên tục, khóa công suất dẫn trước khi lõi giải phóng hoàn toàn năng lượng (xem hình 3.5). Sơ đồ flyback có thể hoạt động ở một chế độ khác phụ thuộc vào tải đầu ra và độ lớn điện áp đầu vào. Sơ đồ này hoạt động ở chế độ liên tục với điều kiện điện áp nguồn đầu vào ở mức thấp, thì khi tăng thời gian dẫn của khóa công suất lên sẽ làm cho lõi MBA không có đủ thời gian để xả hết năng lượng dự trữ. Với mức điện áp đầu vào thấp, nếu sử dụng MBA phù hợp với tải nặng thì sơ đồ flyback sẽ ngừng hoạt động ở bất kỳ thời điểm nào trong chu kỳ (chế độ gián đoạn) cho đến khi tải nhận đủ công suất đã được phân phối. Hình 3.5: (A) Sơ đồ Flyback hoạt động ở chế độ liên tục. (B) Sơ đồ Flyback hoạt động ở chế độ gián đoạn. Power switch voltage: điện áp của khóa công suất. Power switch current: dòng điện của khóa công suất. Hoạt động của sơ đồ flybackcó nhiều phức tạp hơn so với sơ đồ forward, nhưng về mặt toán học thì khá là đơn giản. Không giống như MBA của sơ đồ forward, trong sơ đồ flyback, cuộn dây sơ cấp và thứ cấp được quấn lệch pha nhau vì vậy mà dòng điện sơ cấp và thứ cấp không đồng pha. Do đó cuộn dây sơ cấp và thứ cấp được coi như cuộn cảm trong suốt chu kỳ dẫn tương ứng của chúng. Vì vậy, dòng điện đầu vào(sơ cấp) có thể được mô tả như dưới đây: Vin là hằng số. (23) Hay (24) Tương tự, dòng điện thứ cấp là: (25) Trong trường hợp cuộn dây thứ cấp đóng vai trò là cuộn cảm, nó nạp điện và đưa tới tải một điện áp không đổi. Nguồn năng lượng đưa vào cuộn dây sơ cấp được cho bởi công thức sau: (26) Hay (27) Công thức này cho biết mức độ nguồn năng lượng được đưa vào lõi trong mỗi chu kỳ làm việc. Để so sánh năng lượng này với yêu cầu của tải, thì nhà thiết kế phải tăng công suất lên gấp nhiều lần nhờ tần số hoạt động của nguồn. Kết quả công suất được đo bằng W và được so sánh với yêu cầu của tải, cũng là đại lượng được đo bằng W. Ta nhận thấy một điều là những phương trình này rất có sức thu hút các nhà thiết kế sơ đồ flyback, vì nó có khả năng phân phối lượng công suất lớn hơn tới tải và giảm kích thước MBA bằng cách giảm giá trị điện cảm của cuộn sơ cấp và chấp nhận dòng điện giới hạn cao hơn. Nhưng như thế thì trạng thái làm việc ổn định chỉ diễn ra tốt đẹp tới một thời điểm nhất định. Với giá trị dòng điện giới hạn cao hơn, thì độ tin cậy của chất bán dẫn trong sơ đồ điều chỉnh là không còn. Vì vậy, không cần giảm kích thước của MBA đến mức nhỏ nhất. Sơ đồ flyback sử dụng MBA bởi vì một cực của nó sử dụng đường cong B-H, thể hiện độ chênh lệch từ thông là rất cao dễ dàng dẫn tới sự bão hòa trong lõi cuộn dây. Khi điều này xảy ra, dòng điện tuyến tính dốc của sơ đồ flyback trong khoảng thời gian khóa công suất dẫn nhanh chóng trở thành không tuyến tính và có độ dốc gần như là vô hạn. Có điều này xảy ra là do độ từ thẩm trong lõi cuộn dây thuộc miền bão hòa nhanh chóng bị giảm xuống, là nguyên nhân dẫn tới giá trị điện cảm mất đi, vì vậy mà chỉ có khóa công suất được nối tới đường dây đầu vào. Rõ ràng, khóa công suất được thiết kế không thể chịu được sự cố này. Có thể phát sinh một vấn đề là khi sơ đồ điều chỉnh hoạt động ở mức điện áp dây đầu vào cao thì ngay lập tức yêu cầu của tải cũng tăng lên đây là nguyên nhân gây ra sai số của bộ khuyếch đại lỗi đòi hỏi độ rộng xung phải đạt được giá trị cực đại. Với điều kiện điện áp đầu vào thấp nếu xuất hiện khoảng thời gian chết(deadtime), thì lõi có thể bị bão hòa. Trong khoảng thời gian vô cùng nhỏ khóa công suất có thể bị hỏng. Để tình trạng này không xảy ra, nhà thiết kế nên tạo ra khe hở không khí bên trong lõi nhằm ngăn ngừa lõi khỏi tình trạng bão hòa. 3.2 Sơ đồ bộ điều chỉnh đẩy kéo Sơ đồ đẩy-kéo là sơ đồ forward sử dụng MBA cách ly. Vì là sơ đồ điều chỉnh forward nên nó có một bộ Buck kiểu mạng lọc L-C ở đầu ra. MBA sử dụng trong trường hợp này có chức năng tăng và giảm điện áp băm ở đầu vào trước khi được đưa đến đầu ra của bộ lọc L-C. Không như MBA của sơ đồ flyback, MBA của sơ đồ đẩy-kéo không tích trữ năng lượng và dòng điện ra không đổi ngay cả khi khóa công suất đang dẫn. Sơ đồ này sử dụng một cuộn sơ cấp có đầu ra ở giữa. Đường dây lấy điện từ nguồn vào được nối tới điểm giữa của cuộn dây sơ cấp, hai khóa công suất được nối vào hai đầu của cuộn dây sơ cấp. Điện áp ở cuộn thứ cấp có dạng sóng chỉnh lưu cả chu kỳ và sau đó được đưa đến đầu ra của bộ lọc L-C. Sơ đồ điều chỉnh đẩy kéo được gọi là sơ đồ đầu ra kép, ở đây hai khóa công suất cùng làm nhiệm vụ chuyển mạch. Hai khóa công suất này không dẫn đồng thời nhưng chúng dẫn xen kẽ nhau trong bốn chu kỳ xen kẽ. Hai bên của cuộn sơ cấp được quấn giống nhau về cực tính(hoặc về chiều). Nhưng dòng điện chạy trong chúng có chiều ngược nhau. Điều này làm cho từ thông được sinh ra trong lõi MBA gồm cả từ thông phân cực âm và dương. Nếu lựa chọn vật liệu làm lõi MBA một cách thích hợp thì sẽ giảm được kích thước MBA so với yêu cầu. Vì vậy, ta có thể thiết kế được lõi MBA của sơ đồ đẩy-kéo nhỏ hơn so với lõi của MBA có một đầu vào nếu nó không chập đôi cuộn dây của MBA. Ưu điểm thứ hai của lại MBA này là nó có thể cung cấp công suất đầu ra gấp hai lần so với loại một đầu đơn trong cùng tần số hoạt động. Hai khóa công suất đều có nhiệm vụ tản nhiệt được tạo ra trong chúng. Đặc điểm này khiến cho sơ đồ đẩy-kéo có thể hoạt động được với yêu cầu công suất ở đầu ra lên đến hàng trăm W. Nguyên lý hoạt động của sơ đồ điều chỉnh đẩy-kéo rất dễ hiểu (hình 3.6). Chỉ có một transistor được phép dẫn trong một khoảng thời gian nhất định. Khi transistor dẫn, dòng điện bắt đầu chạy trong các phần của cuộn sơ cấp. Đồng thời, một nửa cuộn thứ cấp có đầu nối ở giữa bắt đầu dẫn, vì vậy điện áp thuận được chỉnh lưu trong từng phần. Dòng điện này sau đó chạy vào bộ lọc L-C và được tích trữ trong cuộn cảm và tụ điện. Điện áp xuất hiện trong bộ lọc L-C có giá trị giới hạn bằng điện áp vào nhân với tỷ số giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp. Quá trình này cứ tiếp tục diễn ra cho tới khi MOSFED bị khóa do lệnh điều khiển. Sau đó bắt buộc phải có một khoảng thời gian mà không có transistor nào được phép dẫn. Có ỷêu cầu này là vì khóa công suất cần một khoảng thời gian ngắn để dừng hẳn việc dẫn dòng điện. Nếu khóa công suất đó là transistor công suất lưỡng cực, thì thời gian nghỉ ngơi cho phép là khoảng 2 micro giây, và nó còn phụ thuộc vào mạch điều khiển. Còn nếu là MOSFED công suất thì thời gian này nhỏ hơn nhiều, thông thường là từ 50 đến 400 nanô giây. Trong sơ đồ này cả hai khóa không được phép dẫn đồng thời chính là nguyên nhân gây ra hiện tượng ngắn mạch trong MBA làm xuất hiện dòng điện rất lớn chạy qua khóa công suất, là nguyên nhân trực tiếp hay gián tiếp gây ra sự cố. Khi khóa công suất đối diện dẫn sẽ làm xuất hiện một điện áp gấp hai lần điện áp đầu vào ở khóa công suất còn lại. Nguyên nhân là do dòng điện chạy ngược chiều trong nửa cuộn dây đang dẫn của cuộn sơ cấp. Cũng trong khoảng thời gian này, bộ chỉnh lưu ở phía thứ cấp đối diện sẽ dẫn. Vì vậy mà mỗi khóa công suất và bộ chỉnh lưu làm việc ở một nửa tần số hoạt động của bộ nguồn, nhưng đặc tính chuyển mạch sẽ tốt hơn nếu chúng làm việc với cả tần số hoạt động. MBA phải có giá trị điện cảm đủ lớn và lõi của nó phải được đặt trong vùng từ trường không bão hòa. Tại thời điểm bão hòa của MBA, năng lượng không được tạo ra để cung cấp cho cuộn thứ cấp và năng lượng được lấy ra từ MBA đưa qua bộ khóa công suất sẽ làm chúng bị phá hủy. Cuộn thứ cấp của MBA, nguồn điện áp có vai trò tương tự như khóa công suất trong bộ điều chỉnh buck. Và dạng sóng của dòng điện ở đầu ra của cuộn cảm lọc có công thức giống của bộ điều chỉnh buck: (0 - aT): (28) (aT – T) : (29) Giống như bộ điều chỉnh buck, trong cuộn cảm phải xuất hiện từ thông. Thông thường, dòng điện nhỏ nhất phải có giá trị bằng 50% giá trị dòng điện tải. Vì thế, sóng dòng điện thứ cấp có dạng dốc, tựa trên nền xung dòng điện có độ lớn bằng một nửa dòng điện ra. Lấy giá trị sóng dòng điện này nhân với nghịch đảo tỷ số MBA được giá trị sóng dòng điện của cuộn sơ cấp. Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng của sơ đồ Forward. Mặc dù sơ đồ này có thể đưa ra công suất có giá trị đến vài KW, nhưng nó gây ra những sự cố nghiêm trọng. Mặt khác, trên thực tế không thể có hai khóa công suất giống hệt nhau và không thể chia một cuộn dây thành hai nửa giống hệt nhau được. Điều này có nghĩa là một nửa cuộn dây sơ cấp sẽ biến đổi khác (nhỏ hơn) so với nửa kia hoặc là một khóa công suất sẽ ngắt chậm hơn khóa kia một chút hay có điện áp bão hòa thấp hơn. Từ đó làm cho lõi của MBA không thể làm việc theo dạng đường cong bão hòa B-H. Kết quả này dẫn tới một nửa cuộn sơ cấp có dòng điện giới hạn cao hơn và gần bão hòa hơn so với nửa kia. Điều này sẽ không làm ảnh hưởng cho đến khi dòng điện tải tăng. Bộ khuếch đại lỗi sẽ điều chỉnh khóa công suất đến khi đạt được độ rộng xung lớn nhất, đây là nguyên nhân gây ra dòng điện lớn hơn cả dòng bão hòa, và dẫn đến kết quả khóa công suất bị hỏng. Trường hợp này là hiện tượng lõi không cân bằng. Chỉ có một cách duy nhất để khắc phục hiện tượng này là tăng mật độ dòng cảm ứng lên và tách mạch khỏi phần điều khiển. Bộ khuếch đại hoạt động ở trạng thái bình thường không thể đáp ứng điều đó một cách kịp thời, nên yêu cầu mạch điện này phải được hợp thành từ các phần tử độc lập. Nhưng như thế sẽ làm tăng chi phí của bộ nguồn và dẫn tới sơ đồ đẩy – kéo không phải là sự lựa chọn tối ưu. Chế độ điều chỉnh dòng có thể làm giảm hiện tượng mất cân bằng của lõi khi nó cảm ứng dòng sơ cấp tức thời. Các nhà thiết kế giàu kinh nghiệm thường sử dụng sơ đồ cầu nửa chu kỳ hoặc sơ đồ cả chu kỳ để thay thế cho sơ đồ đẩy kéo. 3.3 Sơ đồ bộ điều chỉnh cầu nửa chu kỳ. Sơ đồ cầu nửa chu kỳ là một dạng khác của sơ đồ Forward sử dụng máy biến áp cách ly. Như trong hình 4.8, các phần tử của mạch sơ cấp được bố trí khác rất nhiều so với sơ đồ đẩy kéo. Sơ đồ cầu nửa chu kỳ chỉ có một cuộn dây sơ cấp có một đầu được nối giữa hai đầu pull-up/pull-down của hai khóa công suất( giống như bộ điều khiển cực to-tem) và đầu còn lại được nồi với điểm giữa của hai bộ tụ mắc nối tiếp nhau trong khoảng giữa điện áp đầu vào và đất. Giống như sơ đồ đẩy kéo, sơ đồ này hoạt động với lõi máy biến áp có từ thông phân cực. Điện áp nút cân bằng giữa hai tụ có giá trị xấp xỉ bằng ½ điện áp vào, và khóa công suất đưa đến đầu còn lại của cuộn sơ cấp một điện áp vào xoay chiều và tín hiệu báo nối đất. Điều này có nghĩa là chỉ có một nửa điện áp vào xuất hiện ở cuộn sơ cấp. Kết quả là dòng điện trung bình và dòng điện giới hạn cao gấp hai lần dòng điện của sơ đồ đẩy-kéo với cùng công suất đầu ra. Vì thế, sơ đồ cầu nửa chu kỳ không phù hợp khi hoạt đông ở công suất rất cao như sơ đồ đẩy-kéo. Tuy nhiên, sơ đồ cầu nửa chu kỳ có một ưu điểm là nó sử dụng lõi thép tự cân bằng. Lõi được cân bằng là nhờ các tụ điện. Điện áp nút cân bằng sẽ điều chỉnh hướng có mật độ từ thông lớn hơn trong máy biến áp. Điều này làm giảm điện áp ở cuộn sơ cấp theo chiều giảm độ bão hòa, vì thế nó làm dịch chuyển điểm cân bằng của đường cong B-H của máy biến áp, loại bỏ được mạch cảm ứng quá dòng high-speed. Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý của sơ đồ cầu nửa chu kỳ. Hoạt động của cuộn thứ cấp và mạch lọc đầu ra giống trong sơ đồ đẩy-kéo. Tỷ số vòng dây của máy biến áp sẽ khác đi khi chỉ có 1/2 điện áp vào xuất hiện ở cuộn dây sơ cấp. Một khó khăn trong việc sử dụng sơ đồ cầu nửa chu kỳ là làm thế nào để điều khiển cực phát emitơ của khóa công suất ở phía trên hay nguồn để nó đưa ra dạng sóng điện áp xoay chiều lớn. Tín hiệu đưa vào điều chỉnh phải được quy chuẩn với dạng sóng AC này. Cách thức thông thường là điều chỉnh khóa công suất phía trên cùng với máy biến áp xung cách ly và cân bằng cuộn thứ cấp bằng sóng AC. Điều này sẽ làm tăng chi phí của bộ nguồn nhưng có thể giảm chi phí này bằng cách thêm vào một đầu ra thứ hai trong cuộn dây của máy biến áp điều chỉnh và điều chỉnh khóa công suất phía dưới cùng với máy biến áp giống như ở trên. Từ đó có thể bỏ qua mạch điều khiển quy chuẩn-đất và mạch điều khiển động cho cả hai khóa công suất. Nó cũng cho phép mạch điều khiển trở thành máy biến áp cách ly với đường dây đầu vào nếu thấy cần thiết. Hình 3.8: Dạng sóng của sơ đồ cầu nửa chu kỳ. Transistor voltage VT: là điện áp trên khóa transistor. Transformer current I1: là dòng điện sơ cấp của MBA. Diode current ID: là dòng điện trên diode. Diode voltage VD: là điện áp trên diode. Khi chỉ có 1/2 điện áp vào xuất hiện trên cuộn dây sơ cấp, dòng điện cho phép trong sơ đồ này sẽ cao gấp hai lần so với sơ đồ đẩy-kéo. Điều này có nghĩa là khóa công suất sẽ đạt được giá trị lớn nhất ở một nửa công suất đầu ra của sơ đồ đẩy-kéo. Sơ đồ cầu nửa chu kỳ chỉ dùng với dải công suất đầu ra từ 150W đến 500W. Với mức công suất dưới 150W dùng sơ đồ flyback sẽ có giá trị kinh tế hơn, còn với mức công suất trên 500W thì hoạt động của khóa công suất vẫn là câu hỏi. Với ưu thế có lõi tự cân bằng thì sơ đồ cầu nửa chu kỳ là sơ đồ tồt nhất với dải công suất từ 150W đến 500W. 3.4. Cấu tạo sơ đồ điều chỉnh cầu cả chu kì. Sơ đồ cầu cả chu kì là sơ đồ điều chỉnh độ rộng xung(PWM) sử dụng MBA cách ly rất dặc biệt. Giống như những sơ đồ điều chỉnh có đầu ra kép khác, từ thông của MBA được truyền theo cả chiều phân cực âm và dương. Sơ đồ này cho giá trị công suất đầu ra lớn hơn sơ đồ cầu nửa chu kì. Đây là nguyên nhân dẫn đến việc thay thế tụ điện cân bằng bằng một cặp khóa công suất có dạng giống hệt cặp ban đầu trong sơ đồ cầu nửa chu kỳ đầu. Trong một khoảng thời gian sẽ có hai trong bốn khóa công suất dẫn đồng thời. Trong một chu kì dẫn thì hoặc là khóa công suất bên trái phía trên và bên phải phía dưới hoặc là bộ khóa công suất bên trái phía dưới và bên phải phía trên sẽ cùng dẫn. Mỗi cặp khóa công suất liên kết dẫn những chu kì xen kẽ nhau. Điều này dẫn tới điện áp đầu vào có dạng sóng cả chu kỳ được đưa tới cuộn dây sơ cấp, vì vậy mà làm giảm dòng điện giới hạn trong cuộn sơ cấp dẫn tới công suất đầu ra lớn hơn so với công suất của sơ đồ cầu nửa chu kỳ. Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng của sơ đồ cầu cả chu kỳ. Một lần nữa, vấn đề điều khiển khóa công suất phía trên là thật sự cần thiết trong sơ đồ cầu cả chu kì. Chi phí của MBA điều chỉnh trở nên không quan trọng khi nó phân phối những giá trị công suất cao như thế tới tải. Hơn nữa, từ việc khóa công suất được điều chỉnh trong cùng một cặp, giúp nhà thiết kế chỉ cần bổ sung thêm hai cuộn dây thứ cấp vào MBA điều chỉnh trong sơ đồ cầu nửa chu kỳ để hỗ trợ cho cặp khóa công suất vừa mắc thêm vào. Còn lại mạch điều khiển không thay đổi. Sự cân bằng của lõi đạt được là nhờ đặt một tụ điện nhỏ không phân cực mắc nối tiếp với cuộn dây sơ cấp. Giá trị trung bình của điện áp DC đưa tới tụ điện giảm xuống bằng điện áp đi qua cuộn dây sơ cấp theo chiều giảm độ bão hòa. Độ bão hòa của lõi tại giá trị công suất mà sơ đồ cầu cả chu kỳ làm việc có thể làm hỏng các khóa công suấtđang dẫn. Đây là một ý tưởng hay để thiết kế MBA cí từ thông tản cực đại thấp hơn so với loại bình thường. Sơ đồ điều chỉnh cầu cả chu kỳ được sử dụng trong các ứng dụng có yêu cầu công suất đầu ra từ 300W đến nhiều KW. CHƯƠNG III. TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ ĐỘNG LỰC Qua những phân tích về các sơ đồ bộ nguồn đóng cắt ở trên. Dựa vào những ưu điểm và nhược điểm của chúng, với yêu cầu thiết kế bộ nguồn cho máy tính xách tay có điện áp đầu vào là 220(V-AC) điện áp đầu ra là 16(V-DC). Ta chọn sơ đồ mạch động lực là sơ đồ đẩy-kéo có sơ đồ nguyên lý như sau: Hình 4.1: Sơ đồ mạch động lực. 1.Thiết kế tụ điện đầu vào Tính toán tụ điện ở đầu vào. Lưới điện có các thông số sau: Điện áp lưới: U = 220±5% (V) Tần số hoạt động của lưới: f = 50 (Hz) Dòng điện vào: I = 1 (A) Điện áp ra: Vout = 16 (V) Dòng điện ra: Iout = 4,5 (A) Điện áp sau khi qua bộ chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển được tính theo công thức dưới đây: Vin = 0,9.U (30) Trong đó: Vin là điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển. K = 0,9 là hệ số điện áp của bộ chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển. U = 220V là điện áp lưới. Thay các thông số trên vào công thức ta tính được điện áp ở đầu ra như sau: Vin = 0,9.220 = 198 (V) Công suất ở đầu ra của bộ nguồn được tính theo công thức: Pout = Vout.Iout (31) = 16.4,5 = 72 (W) Trong đó: Vout = 16V là điện áp ra. Iout = 4,5A là dòng điện ra. Từ đó ta có thể tính được công suất đầu vào của bộ biến đổi đẩy-kéo như sau: (32) Trong đó: = 70% là hiệu suất của bộ biến đổi. Ta có: Pin = Vin.Iin (33) Trong đó: Iin là dòng điện đầu ở đầu vào của sơ đồ đẩy-kéo (A) Suy ra: (34) Ta có công thức tính điện dung của tụ điện đầu vào của bộ biến đổi như sau: (35) Trong đó: Cin là giá trị điện dung của tụ điện đầu vào (F) I là dòng điện DC tại đầu vào của bộ biến đổi (A) ∆V là độ sai lệch điện áp cho phép (V) ∆t là thời gian tụ điện phóng () Với: I = 0,52 (A) ∆t là thời gian tụ điện phóng sẽ bằng thời gian mà khóa công suất ngừng dẫn. Nên ta phải đi tính chu kỳ làm việc của khóa công suất theo công thức sau: (36) f = 50(kHz) là tần số hoạt động của khóa công suất. Vậy (37) Công thức thể hiện mối quan hệ giữa điện áp ra và điện áp vào của bộ biến đổi đẩy-kéo là: (38) Với (39) Trong đó: α là hệ số dẫn của khóa MOSFED. ton là thời gian khóa MOSFED dẫn. T là chu kỳ làm việc của khóa MOSFED. Từ biểu thức trên ta có thể tính được thời gian dẫn của khóa MOSFED theo công thức sau: (40) Làm tròn ton = 2(s) Vậy thời gian tụ điện phóng là: ∆t = T - ton (41) = 20 – 2 = 18 () Độ sai lệch điện áp cho phép là: ∆V = 5%.Vin = 0,05.198 = 9,9(V) (42) Thay các thông số vào công thức ta tính được giá trị điện dung cần thiết của tụ điện đầu vào: (43) 2. Thiết kế MBA cho sơ đồ đẩy - kéo Bước 1: Các thông số kỹ thuật đã biết. MBA có các thông số sau: Điện áp đầu vào: 198V DC, phạm vi dao động từ: 188-208V. Tần số hoạt động: 50kHz. Điện áp đầu ra: 16V. Dòng điện đầu ra: 4,5A. Phạm vi nhiệt độ hoạt động: 0-55oC. Hiệu suất: 90%. Bước 2: Lựa chọn kích thước của MBA. Lõi MBA được lựa chọn để đảm bảo cho độ tăng nhệt độ phù hợp và có hiệu suất cao nhất. Độ tăng nhiệt độ cho phép lớn nhất của MBA là 40 oC. Khi đó nhiệt độ bề mặt lớn nhất của MBA là 95 oC với nhiệt độ môi trường là 55 oC. Dựa vào trạng thái hoạt động ổn định của sơ đồ đẩy-kéo với công suất đầu ra của nó là Pout = 72(W) và tần số hoạt động là 50kHz, tra hình 4.1 ta có thể lựa chọn dạng lõi EC41. Lõi EC41 có các thông số sau (được tra từ bảng 4.1: tham số MBA EC và tổn hao của lõi): Số catalogue: 4312 020 52510. Loại lõi: EC42/19/12. Hình 4.2: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa dạng lõi phụ thuộc vào công suất đầu ra của bộ nguồn và tần số hoật động của khóa công suất. Bảng 4.1: Thông số lõi MBA và tổn hao của lõi. Bước 3: Tổn hao công suất của MBA Với giá trị điện trở nhiệt là Rth = 16oC/W và độ tăng nhiệt độ cho phép lớn nhất là: 40oC, khi đó tổng tổn hao của MBA có thể tính theo công thức sau: (44) Trong đó: Pid là tổng tổn hao của MBA (W) Rth là điện trở nhiệt (oC/W) Tr là độ tăng nhiệt (oC) Để đạt được hiệu suất tối ưu, thì tổn hao của lõi là Pc nên chọn bằng 60% tổng tổn hao Pid. Vậy tổn hao của lõi có giá trị là: Pc = 44%.Pid = 2,5.44% 1,1(W) (45) Bước 4: Lựa chọn mật độ từ thông tối ưu Ta có thể xác định được từ thông đỉnh (peak flux) tối ưu theo phương pháp tổn hao vật liệu (material loss) nếu biết khối lượng của lõi, tần số hoạt động và tổn hao công suất trên gram của vật liệu ferrit. Khối lượng của lõi 41/17/10là 52g. Mà ta có tổng công suất tổn hao của lõi là 1,1(W). Vậy công suất tổn hao trên 1 gram là: (46) Dựa vào hình 4.2 và tần số hoạt động là 50kHz ta có mật độ từ thông đỉnh xấp xỉ bằng 117mT. Từ đó ta có biên độ mật độ từ thông là ∆B có giá trị là: ∆B = 234mT p-p. Hình 4.4: Hình 4.4: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa từ thông phụ thuộc vào tổn hao công suất lõi và tần số hoạt động của khóa công suất. Từ hình 4.4 với tổn hao công suất của lõi là Pc = 1,1(W) ta có thể tra được biên độ từ thông tổng (biên độ từ thông tổng) là ф = 32(µWb). Diện tích của lõi là Ae =135 (mm2). Từ đó ta có thể tính được biên dộ mật độ từ thông ∆B bằmg công thức cho dưới đây: (47) Ta tính được ∆B = 237(mT) so sánh với giá trị ∆B = 234(mT) đã tra được, hai kết quả này tương đối chính xác so với nhau. Vì vậy mà các thông số đã chọn là tương đối hợp lý. Vậy tổn hao đồng nên chọn bằng 56% tổng tổn hao: Pcu = 56%.Pid (48) =0,56.3,8=2,13(W) Bước 5: Thiết kế số vòng dây của MBA Trong trường hợp này, yêu cầu sơ đồ chỉ gồm một cuộn dây thứ cấp và số vòng dây thứ cấp phải là số nguyên. Bước đầu của công việc thiết kế là ta đi tính toán số vòng dây của cuộn thứ cấp. Số vòng dây tối ưu trên 1 voltage điện áp có thể được tính bằng công thức cho dưới đây: Trong đó: N/V là số vòng day tối ưư trên 1 voltage điện áp. ton là thời gian dẫn lớn nhất của khóa công suất, (µs). ∆B là biên độ mật độ từ thông tối ưu, (T). Ae là diện tích của lõi, (mm2). Trong biểu thức tính toán này, biên độ mật độ từ thông ∆B gấp 2 lần mật độ từ thông đỉnh B, bởi vì chỉ có 1/4 cung đặc tính B-H được sử dụng cho sơ đồ đẩy-kéo. Thời gian dẫn lớn nhất của mỗi khóa bằng 50% thời gian của một chu kỳ. Vậy với tần số hoạt động của khóa công suất là f =50kHz thì T = 1/f = 1/50 = 20(µs). Do vậy, ta có tonmax = 10(µs). Diện tích của lõi là Ae = 135(mm2). Và biên độ mật độ từ thông tối ưu là ∆B = 234(mT). Từ các thông số trên ta thay vào công thức ta có thể tính được giá trị như sau: (49) Trước khi muốn xác định số vòng dây của cuộn thứ cấp thì ta phải biết được điện áp qua cuộn thứ cấp Vs. Nhưng ta không thể xác định được một cách chính xác độ lớn điện áp của cuộn dây thứ cấp cho tới khi hoàn thành công việc thiết kế và giá trị điện trở của cuộn dây thứ cấp sẽ được tính toán ở bước cuối cùng. Vì vậy, tại thời điểm này ta chỉ có thể xác định được các giá trị gần đúng của chúng. Ta chọn hiệu suất thiết kế bộ nguồn này là =70% Với điện áp Vout = 16(V) Dòng điện ra là Iout = 4,5(A) Từ đó ta có thể xác định được giá trị công suất đầu ra của bộ nguồn là: Pout = Vout.Iout = 16.4,5 = 72(W) (50) Vậy công suất đầu vào được tính là: (51) Vậy phần công suất bị tổn hao qua bộ biến đổi là: pth = Pin – Pout = 103 – 72 = 31(W) (52) Nếu như 75% tổn hao này là tổn hao của mạch điện thứ cấp, thì với dòng điện ra là Iout = 4,5(A) ta có thể tính được điện áp tổn hao rơi trên mạch điện thứ cấp (bao gồm tổn hao của diode chỉnh lưu, cuộn cảm, điện trở MBA (trong sơ đồ này ta chọn diode Schottky)). Ta có công suất tổn hao trên mạch điện thứ cấp là: P2th = 75%.p (53) = 0,75.31 = 23,25(W) Vậy điện áp tổn hao của mạch điện thứ cấp là: (54) Theo lý thuyết yêu cầu thiết kế bộ nguồn có điện áp ra là: Vout = 16(V), nhưng thực tế khi thiết kế sẽ không đạt được 16(V), vì vậy ta phải tạo ra một khoảng dao động có thể chấp nhận được (chọn khoảng dao động là 5%). Vậy thực tế phải thiết kế bộ nguồn có điện áp ra là 17(V) để đảm bảo tải luôn hoạt động ở mức điện áp không đổi là 16(V). Do MBA và độ tự cảm của cuộn dây thứ cấp đã quy định thời gian dẫn hiệu quả của một khóa công suất không được vượt quá giới hạn 50% thời gian dẫn của một chu kỳ làm việc. Dòng điện tăng lên khá chậm tại mỗi nửa chu kỳ làm việc. Kết quả là chu kỳ dẫn hiệu quả chỉ đạt được 46% (sẽ đạt được 92% sau khi chỉnh lưu bởi vì cộng cả hai khóa công suất lại), và điện áp cuộn thứ cấp phải được tăng lên để đạt được kết quả này. Do đó trong trường hợp này điện áp cuộn dây thứ cấp được tính gần đúng theo công thức dưới đây: (55) Số vòng dây của cuộn thứ cấp được tính theo công thức: Ns = Vs.N/V = 24,1.0,32 = 7,712(vòng) (56) Ta làm tròn số vòng dây của cuộn thứ cấp lên thành: Ns = 8(vòng) Dẫn tới kết quả là mật độ từ thông sẽ bị giảm đi một lượng nhỏ so với mật độ từ thông tối ưu. Bước 6: Tính toán cuộn dây sơ cấp Số vòng dây của cuộn sơ cấp sẽ được tính toán với nức điện áp đầu vào là nhỏ nhất và tổn hao cho phép rơi trên điện trở cuộn sơ cấp và khóa công suất là 10%. Điều này sẽ đảm bảo cho điện áp ra đạt yêu cầu với giá trị điện áp đầu vào là nhỏ nhất. Giá trị nhỏ nhất của điện áp nguồn là: Vcc = 188(V) (với độ dao động là 5%) Với độ tổn hao công suất qua khóa công suất và điện trở của cuộn sơ cấp là 10% thì ta sẽ xác định được giá trị điện áp hữu ích đi vào cuộn sơ cấp của MBA Vp là: Vp = 70%.Vcc = 0,7.188 = 131,6(V) (57) Từ đó ta có thể xác định được số vòng dây trên 1V điện áp sẽ thay đổi so với giá trị đã xác định ở bên trên do ta làm tròn số vòng dây của cuộn thứ cấp lên thành 5 vòng. Bây giờ ta có thể tính được chính xác số vòng dây trên 1V điện áp là: (58) Từ đó ta có thể xác định được số vòng dây của cuộn sơ cấp theo công thức dưới đây: Np = Vp.N/V = 131,6.0,38 = 50,008(vòng) (59) Ta làm tròn Np lên thành Np = 50(vòng), khi đó tổn hao điện áp đầu ra sẽ giảm đi một chút. Bây giờ số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp đã xác định được, việc còn lại là ta phải đi lựa chọn kích cỡ dây quấn phù hợp cho cuộn sơ cấp. Bước 7: Lựa chọn kích thước dây quấn, và sơ đồ dây quấn. 3.Thiết kế cuộn cảm lọc ở đầu ra. Chọn cuộn cảm lọc là cuộn cảm Graphical (tức là cuộn cảm dùng lõi Ferrite Gapped). Một số yêu cầu khi dùng lõi loại này: Độ nhấp nhô dòng điện không được vượt quá 20% giá trị dòng điện tải lớn nhất. Ta sử dụng lõi dạng này là vì nó có độ tổn hao rất nhỏ do đó ta có thể bỏ qua. Nó có độ tăng nhiệt độ lớn nhất là 30oC so với nhiệt độ môi trường. Mật độ từ thông không được vượt quá 0,25T khi sơ đồ hoạt động ở trạng thái ổn định. Cho các thông số sau: Điện áp ra Vout = 16(V) Dòng điện ra Iout = 4,5(A) Tần số hoạt động là f = 50kHz Độ nhấp nhô dòng điện là = 5%.Iout = 0,05.4,5 = 0,225(A) Độ tăng nhiệt độ lớn nhất = 30oC Bước 1: Tính giá trị điện cảm Trong thời gian khóa công suất ngừng dẫn thì dòng điện tải giảm xuống rất nhiều. Vì vậy, cần phải có cuộn cảm dự trữ năng lượng để bù vào phần năng lượng đã mất đi giúp tải luôn hoạt động ở trạng thái ổn định. Do đó, ta phải đi xác định giá trị điện cảm của cuộn cảm lọc theo công thức cho dưới đây: (60) Trong đó: L là giá trị điện cảm theo yêu cầu. VL là điện áp đi qua cuộn cảm trong thời gian khóa công suất dẫn. ton là thời gian khóa công suất dẫn. là độ nhấp nhô dòng điện khi khóa công suất dẫn. Giá trị điện áp đi qua cuộn cảm bằng điện áp cuộn thứ cấp trừ đi điện áp ở đầu ra, ta có công thức: VL = Vs – Vout = 24,1 – 16 = 8,1(V) (61) Với Vs = 24,1(V) đã tính được ở phần thiết kế MBA ở trên. Vout = 16(V) ton = 2() đã tính được ở phần thiết kế MBA. Thay các thông số vào công thức trên ta tính được giá trị điện cảm L như sau: (62) Bước 2: Tính toán diện tích dẫn AP(area product AP) Từ đồ thị biểu diễn trong hình 3.1.2 ta có thể xác định được diện tích dẫn AP khi biết độ lớn dòng điện tải và giá trị điện cảm. Trong trường hợp này với Iout = 4,5(A) L = 72() ta tra được từ đồ thị 3.1.2 giá trị của vùng AP là: AP = 0,2(cm4) Dựa vào thông số này ta chọn lõi của cuộn dây dạng EC35. Bước 3: Tính số vòng dây. Số vòng dây nhỏ nhất được quấn trên lõi để tạo ra giá trị điện cảm theo yêu cầu mà mật độ từ thông B không vượt quá giới hạn cho phép sẽ được tính toán bởi công thức cho dưới đây: (63) Trong đó: Nmin là số vòng dây tối thiểu. L là giá trị điện cảm đã xác định được ở bước 1. L = 72.10-6(H) Ipm là dòng điện ra lớn nhất Ipm = 4.8(A) với phạm vi dao động là 5%. Điện trở nhiệt Rth (oC/W) Dòng điện đầu ra (A) Hình 4.5: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa diện tích dẫn phụ thuộc vào dòng điện ra và giá trị điện cảm của cuộn dây. Bmax là giá trị mật độ từ thông lớn nhất (250mT) Ae là diện tích lõi. Ae = 84,3 mm2 = 84,3.10-2 cm2 Thay các thông số trên vào công thức ta được: (64) Bước 4: Tính toán kích thước tối ưu của dây quấn. Để giá trị tổn hao là thấp nhất thì kích thước dây quấn phải đạt mức nhỏ nhất trong phạm vi có thể chấp nhận được. Kích thước dây quấn có thể được tính theo công thức cho dưới đây, cụ thể là diện tích của phần dây quấn được quấn trên ống dây là: (65) Trong đó: Ax là diện tích phần dây quấn (mm2). Aw là tổng diện tích cửa sổ dây quấn (mm2). Ku là hệ số dây quấn. Ku = 0,6 đối với dây tròn. N là số vòng dây. N = 16 vòng (đã tính được ở trên). Aw được xác định dựa vào công thức cho dưới đây: AP = Acp.Aw (66) Suy ra (67) Trong đó: AP = 0,2(cm4) (đã xác định được ở trên) là diện tích dẫn. Acp là diện tích của cực trung tâm của lõi (mm2). Với lõi EC35 ta tra được trong bảng 2.19.1 được giá trị của Acp = 66,5(mm2) = 0,665(cm2) Thay các thông số vào công thức ta tính được giá trị Ax: (68) Dựa vào hình 3.1.3 với số vòng dây là N = 16 vòng và lõi EC35 ta có thể lựa chọn loại kích thước của dây quấn. Ta tra được dây quấn có loại kích thước là: #11AWG. Hình 4.6: Đồ thị mối quan hệ giữa kích thước dây quấn và số vòng dây quấn Dựa vào bảng 4.2 ta có thể tra được kích thước loại dây quấn #11AWG (Bảng các thông số của dây quấn AWG). Dây quấn #11AWG có các thông số sau: Đường kính dây đồng: 0,231cm. Diện tích dây đồng: 0,041729cm2. Đường kính cách điện: 0,244cm. Diện tích cách điện: 0,046738cm2. Bước 5: Tính toán khe hở của lõi. Giả sử phần lớn từ trở là trong khe hở không khí, thì chiều dài khe hở không khí lg (bỏ qua ảnh hưởng của các yếu tố xung quanh) được tính theo công thức dưới đây: (69) Trong đó: lg là tổng chiều dài khe hở không khí (mm). = 1 (đối với không khí). N = 16 (vòng) là số vòng dây quấn. Ae = 84,3.10-2(cm2) là diện tích lõi. L = 720.10-6 (H) là giá trị điện cảm. Thay các thông số vào công thức ta tính được lg: (70) Bước 6: Kiểm tra độ tăng nhiệt độ. Độ tăng nhiệt độ chủ yếu phụ thuộc vào tổn hao công suất (gồm có tổn hao của lõi cộng với tổn hao của dây đồng), diện tích bề mặt và độ phát xạ, và lưu lượng không khí. Độ tăng nhiệt độ sẽ được kiểm tra sau khi ta đã xác định được tổn hao của lõi và tổn hao của dây đồng. Bước 7: Kiểm tra tổn hao lõi. Tổn hao lõi tạo thành do dòng điện xoáy (eddy-current) và tổn hao từ trễ, gồm có sự tăng tần số và độ sai lệch từ thông (flux excursion). Hệ số tổn hao phụ thuộc vào vật liệu. Thông thường, những sơ đồ được đưa ra thường có giả thiết là độ trệch mật độ từ thông bằng 0 (ví dụ sơ đồ đẩy-kéo), từ đó cho biết Bmax có giá trị bằng một nửa biên độ mật độ từ thông ∆B. Độ lệch mật độ từ thông được tính theo công thức sau đây: (71) Trong đó: = Vout + Vth (điện áp ra cộng với điện áp tổn hao). (72) = 16 + 5,17 = 21,17(V) (đã xác định được ở phần thiết kế MBA). ∆Bac là biên độ mật độ từ thông xoay chiều (T). toff = 18 là thời gian khóa công suất ngừng dẫn () N = 16 (vòng) là số vòng dây. Ae = 84,3 là diện tích lõi (mm2). Thay các thông số ở trên vào công thức tính toán ta được: (73) Với vật liệu lõi là ferrit, thì độ lớn mật độ từ thông này và tần số f = 50kHz, từ hình 4.2 ta tra được tổn hao của lõi xấp xỉ bằng 11mW/g. Với cân nặng của lõi là 36g, ta tính được tổn hao lõi là 0,396(W). Do đó tổn hao này có thể bỏ qua. Vậy đối với lõi làm bằng vật liệu là ferrit thì tổn hao của lõi là không đáng kể có thể bỏ qua được (ngoại trừ trường hợp tần số cao và độ nhấp nhô dòng điện là lớn hơn). Bước 8: Kiểm tra tổn hao đồng. Giá trị điện trở của cuộn cảm được xác định từ các thông số của ống dây, hoặc có thể tính toán từ đường kính chính của ống dây, số vòng dây và kích thước của dây quấn. Độ an toàn (tuổi thọ) của dây quấn và các hệ số của dây quấn phụ thuộc vào kỹ thuật quấn dây và nó sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ giá trị điện trở. Lưu ý, giá trị điện trở của Cu sẽ tăng lên gần 0,43%/oC khi nhiệt độ của nó là 20oC. Giá trị này lớn hơn 34% so với ở nhiệt độ là 100oC. Tổn hao công suất Cu được tính toán bởi công thức cho dưới đây (với độ nhấp nhô dòng điện là thấp): Pcu = I2.R (74) Trong đó: I = 4,5 (A) là dòng điện tải. R là điện trở của dây Cu. Độ dài của dây quấn và giá trị điện trở của nó có thể được tính toán từ đường kính ống dây và số vòng dây. Đường kính chủ yếu của ống dây EC35 là dm = 2(cm). Vậy tổng độ dài của cuộn dây được tính theo công thức sau đây: (cm) (75) Thay số vào công thức ta tính được chiều dài của dây quấn là: lt = .2.16 = 101(cm) Từ bảng 3.1.1 ta tra được giá trị điện trở của dây quấn #11AWG bằng 41 tại 20oC, và bằng 55 tại 100oC. Điện trở của cuộn dây được tính theo công thức: R = (4155).lt (76) = (4155).101 = 4,1415,555 (m) Vậy tổng điện trở của cuộn dây nằm trong khoàng 4,141 đến 5,555 (m). Từ đó ta có thể tính được giá trị tổn hao công suất theo công thức: Pcu = (4,1415,55).10-3.I2 (77) = (4,1415,55).10-3.4,52 = (0,0840,113) (W) Từ bảng 2.19.1 ta có thể tra được giá trị điện trở nhiệt của EC35 là: Rth = 17,4 (oC/W) Từ đó ta có thể tính được độ tăng nhiệt độ theo công thức: Pcu.Rth = (0,0840,113).17,4 = (1,472) (oC) (78) Vậy độ tăng nhiệt độ cho phép nằm trong khoảng (1,472) (oC). Và nhiệt độ của dây quấn phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường. Bước 9: Kiểm tra độ tăng nhiệt độ. 4. Tính toán lựa chọn tụ điện ở đầu ra Giá trị điện dung của tụ điện đầu ra được tính theo công thức sau đây: (79) Trong đó: C là giá trị điện dung của tụ điện đầu ra (). ∆I là độ nhấp nhô dòng điện trong thời gian khóa công suất dẫn (A). ton là thời gian khóa công suất dẫn (µs). ∆Vo là độ chênh lệch điện áp (V). Ta có các thông số như sau: ∆I = 0,225 (A) ton = 2 (µs) ∆Vo = 5%.Vout = 0,05.16 = 0,8 (V) (80) Thay các thông số vào công thức trên ta sẽ tính được giá trị điện dung của tụ điện đầu ra: (81) 5. Tính toán lựa chọn loại khóa công suất Trong sơ đồ này ta sử dụng khóa MOSFED công suất. Mặc dù khóa Transistor lưỡng cực dễ điều khiển hơn nhưng tổn hao công suất của nó lại lớn hơn, vì vậy để điều khiển khóa này ta cần phải cấp một lượng công suất lớn hơn. Trong khi đó, tổn hao của khóa công suất MOSFED lại nhỏ hơn, nên ta lựa chọn khóa MOSFED. Chọn khóa MOSFED có tần số hoạt động là f = 50kHz. Giá trị dòng điện và điện áp giới hạn mà khóa phải chịu được tính theo công thức dưới đây: (82) Trong đó: Ipk là giá trị dòng điện giới hạn (A). Pout là công suất ra của bộ nguồn (W). Pout = 72(W) đã tính được ở trên. Vin(min) là điện áp vào nhỏ nhất (V). Vin(min) = 188 (V) đã tính được ở trên. Điện áp giới hạn tính theo công thức sau: Vpk = 2.Vin(max) = 2.208 = 416(V) (83) Trong đó: Vpk là điện áp giới hạn (V). Vin(max) là điện áp đầu vào lớn nhất (V). Vin(max) = 208 (V) đã tính được ở trên. Ngoài ra ta còn lựa chọn khóa công suất theo điều kiện sau: (84) Trong đó: Vspike là điện áp giới hạn của khóa đã được tính ở trên (V). Vin = 198 (V) là điện áp đầu vào của bộ biến đổi (V) Np = 50 (vòng) là số vòng dây cuộn sơ cấp của MBA. Ns = 8 (vòng) là số vòng dây cuộn thứ cấp của MBA. VD = 5,17(V) là điện áp tổn hao ở mạch thứ cấp (V). Vout = 16 (V) là điện áp ở đầu ra của bộ nguồn (V). Thay các thông số trên vào công thức ta xác định được điều kiện đặt ra: (85) Nhằm tăng thêm độ dự trữ cho khóa để đảm bảo sự an toàn và trạng thái hoạt động ổn định thì ta phải chọn khóa có Vds = 800(V). 6. Tính toán lựa chọn diode ở đầu ra. Lựa chọn diode theo yêu cầu dòng điện theo điều kiện sau đây: ID > 1,5.Iin = 1,5.0,52 = 0,78 (A) (86) Điện áp cho phép đi qua diode chọn theo công thức sau: (87) Trong đó: VD là điện áp cho phép đi qua diode (V). Vout = 16 (V) là điện áp ở đầu ra của bộ biến đổi (V). Ns = 8(vòng) là số vòng dây của cuộn thứ cấp. Np = 50(vòng) là số vòng dây của cuộn sơ cấp. Vin(max) = 208 (V) là điện áp đầu vào lớn nhất của bộ biến đổi (V). Với giá trị dòng điện và điện áp như đã tính toán được ở trên, dựa vào đó giúp ta lựa chọn được loại diode nên sử dụng trong mạch này. Trong sơ đồ này ta chọn diode Schottky có các thông số sau: MBR 050 Schottky 50V,1A. hoặc MUR 110 100V,1A. CHƯƠNG IV. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 1. Giới thiệu về mạch điều khiển cổ điển cho băm áp một chiều. 1.1 Nguyên lí điều khiển. Mạch điều khiển băm áp một chiều có nhiệm vụ xác định thời điểm mở và khoá van bán dẫn trong một chu kì chuyển mạch. Như đã biết ở trên, chu kì đóng cắt van nên thiết kế cố định. Điện áp tải khi điều khiển được tính (88) Trong đó: (89) td, tk, T: Thời gian dẫn, khoá van bán dẫn, chu kì đóng cắt. U1: điện áp nguồn một chiều. t1 t2 t3 t4 t5 URC Uđk UTải t t α Hình 5.1: Nguyên lý điều khiển điện áp một chiều. Mạch điều khiển cần đáp ứng yêu cầu điều khiển α bằng các lệnh theo một nguyên tắc nào đó. Để điều khiển α với chu kì đóng cắt T không đổi cần phải điều khiển khoảng thời gian dẫn của van bán dẫn trong chu kì đóng cắt. Nguyên lí điều khiển thời gian dẫn của các van bán dẫn trong điều áp một chiều có thể thực hiện như sau. Tạo một điện áp tựa dạng điện áp răng cưa (hay điện áp tam giác) với một tần số f xác định khá cao. Dùng một điện áp một chiều (làm điện áp điều khiển) so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển thì phát lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn. Hình 5.1 trình bày nguyên lí điều khiển bộ điều áp một chiều. Điện áp tựa Urc so sánh với điện áp điều khiển Uđk. Tại các thời điểm 0, t1, t2..... Urc = Uđk sẽ phát lệnh mở hay khoá van bán dẫn. Tại các sườn lên của điện áp tựa Urc phát lệnh mở van bán dẫn, tại sườn xuống của Urc sẽ phát lệnh khoá van. Theo cách đó các van bán dẫn sẽ mở tại 0, t2, t4..., và khoá tại t1, t3 t5... Độ rộng xung điện áp tải được điều khiển khi điều chỉnh điện áp điều khiển Uđk. Trên hình 5.1 tăng Uđk sẽ giảm α và giảm điện áp ra. Nghĩa là trong trường hợp này Uđk và Utải nghịch biến. 1.2. Sơ đồ khối mạch điều khiển. Tạo tần số So sánh Tạo xung khuếch đại Van động lực Hình 5.2: Sơ đồ khối mạch điều khiển điện áp một chiều. Mạch điều khiển điều áp một chiều gồm 3 khâu cơ bản: Khâu tạo tần số có nhiệm vụ tao điện áp tựa răng cưa Urc với tần số theo ý muốn người thiết kế. Tần số của các bộ điều áp một chiều thường chọn khá lớn (hàng chục KHz). Tần số này lớn hay bé là do khả năng chịu tần số của van bán dẫn. Nếu van động lực là Tiristor tần số của khâu tạo tần số khoảng 1-5 KHz. Nếu van động lực là Tranzitor lưỡng cực, trường, IGBT tần số có thể hàng chục KHz. Khâu so sánh có nhiệm vụ xác định thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển. Tại các thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển thì phát lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn. Điện áp tựa dạng tam giác có hai sườn lên và xuống, lệnh mở van động lực ở giao điểm sườn lên, thì ở giao điểm sườn xuống sẽ phát lệnh khoá van và ngược lại. Khâu tạo xung, khuếch đại có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở van bán dẫn. Một xung được coi là phù hợp để mở van là xung có đủ công suất (đủ dòng điện và điện áp điều khiển), cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực khi nguồn động lực hàng chục vôn trở lên. Hình dạng xung điều khiển phụ thuộc loại van động lực được sử dụng. Van động lực là Tiristor, xung điều khiển cần có là xung kim với sườn trước dốc thẳng đứng như đã giới thiệu ở chương 1. Van động lực là Tranzitor, xung điều khiển có dạng xung chữ nhật độ rộng của các xung này bằng độ rộng xung điện áp tải. 1.3 Các khâu cơ bản 1.3.1 Khâu tạo tần số. Có nhiều cách tạo điện áp tựa có tần số theo ý đồ của người thiết kế. Những sơ đồ tạo điện áp tựa điển hình có thể tạo ra ba dạng điện áp như hình U t a α α α T T T b c Uđk U U t t Hình 5.3: Các dạng điện áp tựa của mạch điều khiển điện áp một chiều. Điện áp tựa dạng tam giác cân như hình 5.3a được tạo ra khi tần số f=1/T cố định. Độ rộng xung điện áp α có thể được điều chỉnh bằng việc thay đổi cả thời điểm mở van bán dẫn ở sườn lên điện áp tựa và cả thời điểm khoá van bán dẫn tại sườn xuống điện áp tựa. Sơ đồ mạch tạo điện áp tam giác cân như thế này được thực hiện tương đối đơn giản. Tuy nhiên việc tạo điện áp có cả hai cạnh lên và xuống cùng biến thiên như hình 5.3a thường được thực hiện bằng mạch RC, hình dạng các cạnh đó phụ thuộc vào việc nạp và xả tụ. Các đường nạp và xả tụ nhiều khi không hoàn toàn là đường thẳng tuyến tính. Các đường cong ấy có thể làm cho quan hệ giữa điện áp điều khiển với khoảng dẫn α không tuyến tính. Mặc dù vậy, điện áp tựa dạng tam giác cân thường hay được dùng hơn trong thực tế vì lí do dễ thực hiện. Điện áp tựa dạng tam giác vuông hình 5.3 b, c cũng được tạo với tần số cố định. Khi thay đổi điện áp điều khiển, có một cạnh của tam giác là cạnh góc vuông, nên thời điểm mở (hay khoá) theo cạnh đó sẽ cố định trong một chu kì. Van bán dẫn chỉ được mở (hay khoá) theo cạnh huyền của tam giác. Sơ đồ mạch điện tử tạo điện áp vuông như thế này thường khó thực hiện hơn, vì trên thực tế tạo cạnh góc vuông 900 không hoàn toàn chính xác. Chúng ta xét một số sơ đồ tạo điện áp tựa của khâu tạo tần số. Tạo điện áp tam giác bằng dao động da hài. Điện áp tam giác cân có thể được tạo bởi một dao động đa hài bằng khuếch đại thuật toán (KĐTT) như hình 5.4 a Sơ đồ dao động đa hài bằng KĐTT A1 có hai đường hồi tiếp. Hồi tiếp âm về V- bằng mạch RC, hồi tiếp dương về V+ bằng mạch chia áp R1, R2. Hoạt động của sơ đồ hình 5.4 a có thể giải thích như sau: Giả sử điện áp ra của A1 đang dương nhờ hồi tiếp dương mà điện áp ra bằng Ucc và không đổi, lúc đó điện áp vào cổng "+" có trị số: + A1 t V+ V- b V+ V- R R1 R2 C a + A2 R3 Hình 5.4: Dao động đa hài bằng KĐTT Điện áp vào cổng "-" là điện áp nạp tụ, điện áp nạp tụ tăng dần đến khi V+ = V-, tại t1 đầu ra lật trạng thái từ dương xuống âm, điện áp V+ đổi dấu từ dương xuống âm, điện áp trên tụ đổi chiều nạp tụ. Chu kì dao động của mạch được xác định: Tần số xung: Trường hợp đặc biệt R1 = 2R2 = R ta có: T = 2.R.C.ln 2 = 2.R.C.0,69 (90) R1 = R2 = R T = 2.R.C.ln 3 = 2.R.C.1,1 = 2,2. R.C Để phối hợp trở kháng giữa điện áp trên tụ với tải bên ngoài cần dùng thêm khuếch đại A2. Tạo điện áp tam giác bằng tích phân sóng vuông. Mạch tạo điện áp tam giác cũng có thể nhận được từ bộ tích phân xung vuông như hình 5.5. Xung vuông có thể tạo bằng nhiều cách khác nhau. Tích phân xung này chính là quá trình nạp, xả tụ. Nếu điện áp vào khâu tích phân không đối xứng có thể xuất hiện sai số đáng kể. Điện áp tựa trên hình 5.4b mang tính phi tuyến cao. Điện áp tựa có thể nhận được tuyến tính hơn nếu sử dụng sơ đồ hình 5.5a. Khuếch đại A1 có hồi tiếp dương bằng điện trở R1, đầu ra có trị số điện áp nguồn và dấu phụ thuộc hiệu điện áp hai cổng V+, V-. + - + - R1 R2 R3 C A1 A2 V + V _ t UA1 UA2 a b Hình 5.5: Bộ tạo sóng điện áp vuông và tam giác bằng KĐTT Đầu vào V+ có hai tín hiệu, một tín hiệu không đổi lấy từ đầu ra của A1, một tín hiệu biến thiên lấy từ đầu ra của A2. Điện áp chuẩn so sánh để quyết định đổi dấu điện áp ra của A1 là trung tính vào V-. Giả sử đầu ra của A1 dương UA1 > 0, khuếch đại A2 tích phân đảo dấu cho điện áp có sườn đi xuống của điện áp tựa. Điện áp vào V+ lấy từ R1 và R2, hai điện áp này trái dấu nhau. Điện áp vào qua R2 biến thiên theo đường nạp tụ, còn điện áp vào qua R1 không đổi, tới khi nào UV+ = 0 đầu ra của A1 đổi dấu thành âm. Chu kì điện áp ra của A1 cứ luân phiên đổi dấu như vậy cho ta điện áp ra như hình 5.5b. Tần số của điện áp tựa được tính: (91) Bằng cách chọn các trị số của điện trở và tụ điện ta có được điện áp tựa có tần số như mong muốn. Tạo điện áp tam giác bằng dao động tích thoát. Mạch dao động tích thoát bằng UJT (tranzitor đơn nối) cũng có thể cho chúng ta một điện áp tam giác. E Rt C R1 B1 B2 R2 +Ucc 0 RB2 RB1 b B UE UB2 t UB1 U P c t t E Rt C R1 B1 B2 R2 +Ucc 0 a Hình5.6: Mạch dao động tích thoát a. sơ đồ nguyên lí, b. sơ đồ thay thế, c các đường cong. Mạch điện hình 5.6 là một mạch tích thoát cơ bản, trong đó R1, R2 nhận các tín hiệu xung. Tụ C và điện trở Rt là mạch nạp để tạo điện áp tam giác không tuyến tính trên tụ C. Hoạt động của sơ đồ hình 5.6 như sau: Khi mới đóng điện tụ C đẳng thế, coi UE = 0, tranzitor ở trạng thái khoá. Tụ C nạp qua điện trở Rt làm UE tăng đến điện áp đỉnh với trị số: (92) lúc đó điốt EB dẫn. Tụ C xả nhanh qua điốt EB - RB - R1. Khi tụ C xả từ UP đến ngưỡng dưới Umin điốt EB ngưng dẫn, tụ nạp trở lại bắt đầu một chu kì mới. Tần số dao động của mạch: (93) Gần đúng coi (94) lúc đó (95) 1.3.2 Khâu so sánh. Trong ba khâu điều khiển trên, khâu so sánh tương tự như các khâu tương ứng trong chỉnh lưu ở đây không giới thiệu chi tiết. Tương tự như các mạch so sánh thường gặp. Khâu so sánh của điều áp một chiều sẽ xác định thời điểm mở và khoá van bán dẫn. Đầu vào của khâu này gồm có hai tín hiệu, điện áp tựa (điện áp tam giác) và điện áp một chiều làm điện áp điều khiển. Một trong những sơ đồ ví dụ điển hình giới thiệu trên hình 5.7a. và dạng điện áp vào, ra trên hình 5.7b. Từ hình 5.7b, thấy rằng trong mỗi chu kì điện áp tựa có hai thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển. Tại các thời điểm đó, đầu ra của khâu so sánh đổi dấu điện áp. Tương ứng với các thời điểm đột biến điện áp đầu ra của khâu so sánh cần có lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn. Urc Uss Uđk t t U _ + a. b. Hình 5.7: Mạch so sánh hai cổng bằng KĐTT 1.3.3 Khâu khuếch đại. Mạch khuếch đại cho van động lực là Tranzitor. Giống như mạch khuếch đại của tiristor, mạch khuếch đại cho van động lực là tiristor có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở tranzitor. Sự phù hợp ở đây là phù hộ về công suất và cách li giữa mạch điều khiển với mạch động lực (khi mạch động lực có điện áp cao). Trên hình 5.8 giới thiệu một số mạch khuếch đại ghép nối giữa tầng so sánh với tầng động lực. Hình 5.8a dùng cho những mạch có điện áp nguồn động lực U1 thấp. Hình 5.8b dùng cho những mạch động lực có điện áp nguồn U1 cao, nhưng mạch điều khiển có điện áp cấp nguồn điều khiển (Uđk) cách li. Hình 5.8c dùng cho những mạch động lực có điện áp nguồn U1 cao, nhưng mạch điều khiển không cần điện áp cấp nguồn điều khiển cách li, mà sử dụng trực tiếp điện áp nguồn cấp U1, trường hợp này để bảo vệ bộ ghép quang cần có điốt ổn áp Dz Tr1 Tr2 R6 D0 +U1 Rd Ld Tr1 Tr2 R6 D0 +U1 Rd Ld Un Uđk Tr1 Tr2 R6 D0 +U1 Rd Ld Un Dz Dq Tq Dq Tq a. b. c. Hình 5.8: Sơ đồ tầng khuếch đại cho băm áp tranzitor a. khuếch đại trực tiếp; b. cách li bằng ghép quang; c. điều khiển van động lực bằng một nguồn 2. Giới thiệu về sơ đồ điều khiển bộ nguồn đóng cắt ngày nay. 2.1 Giới thiệu khái quát. Nhờ sự phát triển tiến bộ của khoa học kỹ thuật, ngày nay người ta sử dụng một kiểu sơ đồ điều khiển tiến bộ hơn, có nhiều ưu điểm hơn. Sơ đồ khối của nó được biểu diễn trong hình 5.9 cho dưới đây: Khối khuếch đại xung Khối điều chỉnh độ rộng xung Khối so sánh Khối tạo tần số Hình 5.9: Sơ đồ khối của sơ đồ điều khiển bộ nguồn đóng cắt ngày nay. Tiêu biểu cho dạng sơ đồ điều khiển này là IC TL494. Với yêu cầu tải là máy tính xách tay, và sơ đồ mạch động lực đã chọn như ở trên ta sử dụng IC TL494 để điều khiển cho mạch động lực đã chọn ở trên. 2.2 Giới thiệu cấu tạo các khối của IC TL494 2.2.1 Sơ đồ khối của IC-TL494. Nhữn năm trước đây, người ta thường sử dụng các khối mạch tích phân trong sơ đồ điều khiển bộ nguồn đóng cắt. Nhưng những năm gần đây người ta thường sử dụng IC để điều khiển, tiêu biểu là IC TL494. IC TL494 được sử dụng để điều khiển sơ đồ đẩy kéo. IC này có cấu tạo rất đơn giản nhưng nó có những ưu điểm vượt trội. IC TL494 không chỉ là một khối cơ bản được tạo thành nhờ sự kết hợp chặt chẽ giữa các khối riêng lẻ để đáp ứng được yêu cầu điều khiển bộ nguồn mà nó còn đưa ra nguyên lý điều khiển cơ bản và giúp giảm đi số lượng mạch cần phải có để cấu tạo nên IC TL494. Hình 5.10 biểu diễn sơ đồ khối của IC TL494: Hình 5.10: Sơ đồ khối của IC-TL494 2.2.2 Nguyên lý hoạt động của IC-TL494 IC TL494 là một mạch điều khiển độ rộng xung (PWM) với tần số không đổi. Việc điều chỉnh xung đầu ra được thực hiện bằng cách so sánh xung răng cưa được phát ra từ mạch tạo dao động với hai tín hiệu điều khiển. Đầu ra được kích hoạt trong suốt khoảng thời gian điện áp răng cưa lớn hơn tín hiệu điện áp điều khiển. Trong khoảng thời gian tín hiệu điều khiển tăng lên thì xung răng cưa giảm xuống, vì vậy độ lớn của xung ở đầu ra sẽ giảm xuống. Flip-flop có nhiệm vụ điều chỉnh độ rộng xung và đưa tới một trong hai khóa công suất transistor ở đẩu ra. Hình 5.11 biểu diễn mối quan hệ giữa xung răng cưa và tín hiệu điểu khiển: Hình 5.11: Quan hệ giữa xung răng cưa và tín hiệu điều khiển. Tín hiệu điều khiển được tạo ra từ hai nguồn: thứ nhất là mạch điều khiển thời gian chết (dead-time control circuit), thứ hai là bộ khuyếch đại sai lệch (error amplifier). Tín hiệu ở đầu vào được so sánh trực tiếp ở bộ dead-time control comparator. Bộ so sánh này có điện áp không đổi là 100mV. Đầu vào điều khiển được nối với đất. Tín hiệu đầu ra bị giới hạn trong khoảng thời gian xung răng cưa nhỏ hơn 110 mV. Bộ này có khả năng tạo ra giá trị thời gian chết cho trước xấp xỉ bằng 3%, đây là thời gian chết nhỏ nhất có thể đạt được. Bộ điều khiển độ rộng xung PWM so sánh tín hiệu điều khiển được phát ra từ bộ khuyếc đại sai lệch. Nhiệm vụ của bộ khuyếch đại sai lệch là kiểm soát điện áp ở đầu ra và tạo ra hệ số chính xác tới từng mV. Ngoài ra nó còn kiểm soát dòng điện ra và giới hạn dòng điện được đưa tới tải. 2.2.3 Cấu tạo của IC-TL494 gồm các khối sau 1. Khối điều chỉnh với điện áp chuẩn 5V. Hình 5.12: Sơ đồ khối điều chỉnh với điện áp chuẩn là 5V. 2. Mạch tạo dao động. Mạch tạo dao động của IC-TL494 được biểu diễn trong hình 5.13. Mạch tạo dao động tạo ra xung răng cưa dương đưa tới bộ dead-time và bộ điều chỉnh độ rộng xung (PWM comparator) để so sánh với từng tín hiệu điều khiển khác nhau. Tần số của mạch tạo dao động được xác định nhờ việc chọn thời gian kết hợp giữa RT và CT. Mạch tạo dao động được nạp nhờ tụ điện thời gian ở bên ngoài là CT, với dòng điện không đổi; giá trị của dòng điện được xác định nhờ điện trở thời gian ở bên ngoài RT. Từ đó tạo ra một sóng điện áp dạng răng cưa. Khi điện áp qua CT đạt 3V mạch tạo dao động sẽ phóng điện và chu kỳ nạp được bắt đầu trở lại. Hình 5.13: Sơ đồ cấu tạo mạch tạo dao động Dòng điện nạp được xác định nhờ công thức sau: (96) Trong đó: Inap: là dòng điện nạp. RT: là điện trở thời gian. Chu kỳ của sóng răng cưa là: (97) Trong đó: T: là chu kỳ của sóng răng cưa. CT: là tụ điện thời gian. Inap: là dòng điện nạp. Tần số của mạch tạo dao động được tính theo công thức: (98) Tuy nhiên, tần số mạch dao động bằng tần số đầu ra chỉ trong trường hợp ứng dụng cho mạch một đầu ra. Còn khi áp dụng cho sơ đồ đẩy-kéo thì tần số ra chỉ bằng 1/2 tần số của mạch tạo dao động.Tần số của mạch tạo dao động nằm trong khoảng từ 1kHz tới 300kHz. Thực tế giá trị của RT và CT tương ứng nằm trong khoảng từ 1kΩ÷300kΩ và từ 470pF÷10µF. Đồ thị biểu diễn tần số của mạch tạo dao động tỷ lệ nghịch với RT và CT được cho trong hình 5.14. Hình 5.14: Đồ thị biểu diễn tần số mạch tạo dao động tỷ lệ nghịch với RT/CT. 3. Bộ điều khiển dead-time/Bộ so sánh PWM. Bộ so sánh dead-time và bộ so sánh độ rộng xung PWM được kết hợp để tạo thành mạch so sánh (trong hình 5.15). Hai bộ này hoàn toàn độc lập với nhau. Vì vậy ta sẽ đi giới thiệu riêng lẻ từng bộ: Hình 5.15: Dead-time control/PWM comparator. Dead-time control. Đầu vào của bộ điều khiển dead-time sẽ tạo ra thời gian chết là nhỏ nhất. Đầu ra của bộ so sánh sẽ kiểm soát khóa công suất Q1 và Q2 khi điện áp tại đầu vào lớn hơn điện áp răng cưa của mạch tạo dao động (xem trong hình 5.16) .Với điện áp đồng dạng là 110mV đảm bảo cho thời gian chết đạt giá trị nhỏ nhất là 3% khi đầu vào của bộ điều khiển dead-time được nối đất. Đặt tín hiệu điện áp lên đầu vào của bộ điều khiển dead-time có thể điều chỉnh được thời gian chết tăng thêm. Từ đó ta có thể điều khiển tuyến tính thời gian chết bắt đầu từ giá trị nhỏ nhất là 3% đến 100% tương ứng với điện áp đầu vào thay đổi từ 0÷3,3V. Trong trường hợp điều khiển cả chu kỳ, đầu ra được điều khiển từ nguồn bên ngoài mà không phá hủy các bộ khuyếch đại sai lệch. Đầu vào của bộ điều khiển dead-time có giá trị trở kháng vào cao (Il < 10µA). Tuy nhiên, để điều khiển theo quy tắc thì đầu vào phải được giới hạn. Hình 5.16: Đặc tính của bộ dead-time control. b. So sánh (Comparator) Bộ này tạo ra cách điện với nguồn vào để đạt được tuổi thọ cao hơn. Đầu vào của bộ so sánh không xuất hiện hiện tượng trễ, vì vậy yêu cầu phải có thiết bị bảo vệ để tránh khi hoạt động đạt đến các giá trị ngưỡng. Bộ so sánh hoạt động trong khoảng thời gian là 400ns kể từ lúc tín hiệu điều khiển đạt lên đầu vào tới lúc đưa tới đầu ra của khóa transistor, chỉ cần tăng thêm 100mV. 4. Bộ điều chỉnh độ rộng xung (PWM). Bộ so sánh này cũng làm nhiệm vụ điều khiển độ rộng xung. Trong sơ đồ này, điện áp răng cưa qua tụ điện thời gian CT được so sánh với tín hiệu điều khiển ở đầu ra của bộ khuyếch đại sai lệch. Việc kết hợp tụ điện thời gian CT mắc nối tiếp với một điot nhằm bỏ qua tín hiệu điều khiển ở đầu vào. Từ đó yêu cầu tín hiệu điều khiển phải lớn hơn điện áp qua CT xấp xỉ bằng 0,7V để hạn chế tín hiệu đầu ra của bộ logic và đảm bảo được cho chu kỳ hoạt động đạt giá trị lớn nhất không phụ thuộc vào điện áp điều khiển nhận được từ điện thế đất. Độ rộng xung ở đầu ra thay đổi từ 97%÷0 trong một chu kỳ tương ứng với điện áp đầu ra của bộ khuếch đại sai lệch thay đổi từ 0,5V÷3,5V. 5. Bộ khuếch đại sai lệch (error amplifier). Cấu trúc của mạch khuếch đại sai lệch được cho trong hình 5.16. Bộ khuếch đại sai lệch hệ số cao nhận điện áp từ nguồn V1. Từ đó tạo ra điện áp đầu vào ở chế độ chung nhỏ hơn V1 từ -0,3V÷2V. Cả hai bộ khuếch đại đều có đường đặc tính giống như của bộ khuếch đại nguồn đơn một đầu ra, bởi vì mỗi đầu ra chỉ được kích họat ở mức cao. Từ đó cho phép mỗi bộ khuếch đại hoạt động độc lập để giảm yêu cầu về độ rộng xung ở đầu ra. Hình 5.16: Bộ khuếch đại sai lệch. 6.Output-control logic. Trong cấu trúc của IC-TL494 có khối output-control logic nhằm tăng thêm nhiều ứng dụng cho mạch điều khiển. Trong ứng dụng cho sơ đồ đẩy-kéo hoặc sơ đồ một đầu ra, thì khả năng làm việc của mạch sẽ đạt mức tối ưu nhờ việc lựa chọn điều kiện thích hợp để đặt vào các đầu vào khác nhau. Output-control input. Mạch output-control input xác định trạng thái làm việc của khóa công suất transistor là hoạt động song song hay hoạt động đẩy-kéo. Đầu vào này là nguồn cấp cho flip-flop điều chỉnh độ rộng xung (hình 5.17). Bộ output-control input là bộ không đồng bộ và có điều khiển một chiều trên đầu ra, không phụ thuộc vào mạch tạo dao động hay flip-flop điều chỉnh độ rộng xung. Trong chế độ hoạt động song song, thì output-control input phải được nối đất. Điều này sẽ phá hủy flip-flop điều khiển xung và hạn chế đầu ra của nó. Trong chế độ này, những xung đầu ra của bộ điều khiển độ rộng dead-time và bộ so sánh PWM được truyền đi nhờ cả hai khóa transistor đầu ra hoạt động song song. Còn trong chế độ hoạt động đẩy-kéo, thì mạch output-control input phải được nối tới sơ đồ điều chỉnh có điện áp chuẩn là 5V. Với điều kiện này, mỗi khóa công suất ở đầu ra được kích hoạt nhờ flip-flop điều khiển độ rộng xung. Hình 5.17: Đặc tính điều khiển đầu ra. 7. Flip-flop điều khiển độ rộng xung. Bộ dead-time không hoạt động trong khoảng thời gian này để ngăn ngừa tình trạng cả hai khóa công suất đều dẫn cùng một lúc, đồng thời, trong khoảng thời gian chuyển tiếp đầu ra của flip-flop điều khiển xung. Cấu trúc của bộ flip-flop điều khiển xung được cho trong hình 5.17. Từ lúc flip-flop nhận được tín hiệu từ đầu ra của bộ so sánh, không phải của bộ tạo dao động, thì đầu ra luôn hoạt động ở chế độ đẩy-kéo. Flip-flop không thay đổi trạng thái cho đến khi xuất hiện xung ở đầu ra của mạch tạo dao động. Hình 5.17: Flip-flop điều chỉnh xung. 8. Output transistor (khóa công suất đầu ra). Có hai khóa công suất đầu ra được sử dụng trong IC-TL494. Cấu trúc đầu ra được biểu diễn trong hình 5.18 Hình 5.18: Cấu trúc của transistor đầu ra. CHƯƠNG V. NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ BỘ NGUỒN Tất cả các loại BN khi xuất xưởng đều phải có tem chứng nhận chất lượng với đầy đủ thông số như điện thế, công suất... I. NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN Công suất Công suất nguồn điện, giá trị được tính như sau: Watt (W) = Voltage (V) x Ampere (A); với V là hiệu điện thế Và A là cường độ dòng điện. 2. Các đường điệnBộ nguồn thường có nhiều đường điện khác nhau, gồm: +3,3V, +5V, +12V, -5V, -12V. Ý nghĩa của chúng như sau:-12V: Được sử dụng chính cho các mạch điện cổng Serial và hầu như rất ít được dùng trên các hệ thống mới. Mặc dù các BN mới đều có tính tương thích ngược nhưng công suất các đường -12V chỉ chưa tới 1A.-5V: Chủ yếu sử dụng cho các bộ điều khiển ổ đĩa mềm và mạch cấp điện cho các khe cắm ISA cũ. Công suất đường -5V cũng chỉ dưới 1A. 0V: Đây là đường "mát" (Ground) của các hệ thống máy tính cá nhân. +3,3V: Là một trong những mức điện thế mới trên các bộ nguồn hiện đại, xuất hiện lần đầu tiên khi chuẩn ATX ra đời và ban đầu được sử dụng chủ yếu cho bộ vi xử lý. Hiện nay, các bo mạch chủ (BMC) mới đều nắn dòng +3,3V để nuôi bộ nhớ chính. +5V: Nhiệm vụ chính là cấp điện cho BMC và những thành phần ngoại vi. Ngoài ra, các loại bộ vi xử lý như Pentium III hay AthlonXP cũng lấy điện từ đường 5V thông qua các bước nắn dòng. Trên những hệ thống mới, đa số các thành phần linh kiện đều dần chuyển qua sử dụng đường 3,3V ngoại trừ CPU và BMC. +12V: Trong các hệ thống máy tính hiện đại, đây là đường điện đóng vai trò quan trọng nhất, ban đầu nó được sử dụng để cấp nguồn cho mô tơ của đĩa cứng cũng như quạt nguồn và một số thiết bị làm mát khác. Về sau, thiết kế mới cho phép các khe cắm hệ thống, card mở rộng và thậm chí là cả CPU cũng "ăn theo" dòng +12V. Khi công tắc nguồn được nhấn lần đầu tiên và BN khởi động, nó sẽ mất một khoảng thời gian để các thành phần trong nguồn xuất ra điện năng cho các thành phần máy tính hoạt động. Trước khi đó, nếu máy tính khởi động, các linh kiện sẽ dễ bị hỏng hóc hoặc hoạt động không bình thường do đường điện chưa ổn định. Chính vì vậy trên các hệ thống mới, đôi khi phải mất tới 1-2 giây sau khi bạn nhấn nút công tắc máy thì hệ thống mới bắt đầu làm việc. Điều này là do hệ thống phải chờ tín hiệu đèn xanh cho biết điện thế đã sẵn sàng từ BN gửi tới BMC. Nếu không có tín hiệu này, BMC sẽ không cho phép máy tính hoạt động.Trong số các đường điện chính, những đường có giá trị dương (+) đóng vai trò quan trọng hơn và bạn phải luôn để mắt tới chúng. Mỗi đường sẽ có chỉ số Ampere (A) riêng và con số này càng cao càng tốt. Công suất tổng được tính bằng công thức W= VxA. Ví dụ đối với BN có đường 3,3V là 30A, 5V là 30A và 12V là 25A thì các đường điện và công suất được tính như sau: + Công suất đường điện 3.3V = 3.3V x 30A = 100W+ Công suất đường điện 5V = 5V x 30A = 150W + Công suất đường điện 12V = 12V x 25A = 300W Như vậy tổng công suất nguồn sẽ là 100W + 150W + 300W = 550W. Tuy nhiên trên thực tế còn nhiều yếu tố khác ảnh hưởng tới con số tổng này và chúng ta sẽ đề cập tới ở phần sau bài viết. 3. Chuẩn của bộ nguồn Chuẩn thống trị hiện nay trên máy tính để bàn nói chung chính là ATX (Advanced Technology Extended) 12V, được thiết kế bởi Intel vào năm 1995 và đã nhanh chóng thay thế chuẩn AT cũ bởi nhiều ưu điểm vượt trội. Nếu như với nguồn AT, việc kích hoạt chế độ bật được thực hiện qua công tắc có bốn điểm tiếp xúc điện thì với bộ nguồn ATX bạn có thể bật tắt bằng phần mềm hay chỉ cần nối mạch hai chân cắm kích nguồn (dây xanh lá cây và một trong các dây Ground đen). Các nguồn ATX chuẩn luôn có công tắc tổng để có thể ngắt hoàn toàn dòng điện ra khỏi máy tính. ATX có 5 nhánh thiết kế chính: - ATX: jack chính 20 chân (thường dùng cho Pentium III hoặc Athlon XP).- WTX: jack chính 24 chân, dùng cho Pentium II, III Xeon và Athlon MP.- ATX 12V: jack chính 20 chân, jack phụ 4 chân 12v (Pentium 4 hoặc Athlon 64).- EPS12V: jack chính 24 chân, jack phụ 8 chân dùng cho các hệ thống Xeon hoặc Opteron.- ATX12V 2.0: jack chính 24 chân, jack phụ 4 chân (Pentium 4 775 và các hệ thống Athlon 64 PCI-Express). Gần đây xuất hiện một chuẩn mới với tên gọi BTX (Balanced Technology Extended) có cách sắp xếp các thành phần bên trong máy hoàn toàn khác với ATX hiện nay, cho phép các nhà phát triển hệ thống có thêm tùy chọn nhằm giải quyết vấn đề nhiệt lượng, độ ồn... Chuẩn BTX được thiết kế tối ưu cho những công nghệ mới hiện nay như SATA, USB 2.0 và PCI Express. Yếu tố xử lý nhiệt độ trong máy tính BTX được cải tiến rất nhiều: hầu hết các thành phần tỏa nhiệt chính đều được đặt trong luồng gió chính nên sẽ tránh việc phải bổ sung các quạt riêng cho chúng (sẽ gây tốn thêm năng lượng, tăng độ ồn và chật chội không cần thiết). Hiện tại bạn có thể tìm thấy một vài bộ nguồn với tem chứng nhận hỗ trợ BTX nhưng không nhiều vì chưa thông dụng.  4. Các loại chân cắm Dây cắm của nguồn điện máy tính được đánh mã màu rất chi tiết, màu đỏ là điện +5v, màu vàng là +12v, màu đen là dây "mát" (Ground)... Chúng được tập hợp lại thành những dạng chân cắm cơ bản sau đây: - Molex: Sử dụng cho các loại đĩa cứng và ổ đĩa quang, ngoài ra bạn cũng có thể sử dụng để cắm quạt và một số thiết bị khác như card đồ họa AGP (Geforce 5, 6 hoặc Radeon X800) hay BMC như của Asus hay DFI. - Đầu cắm nguồn chính: Nguyên bản ATX ban đầu có 20 chân cắm, chuẩn mới 2.0 đã nâng số chân cắm chính lên 24 chân. Bạn cũng có thể tìm thấy một số BN có dạng chân 20+4 với chốt gắn cho phép sử dụng cả trên các BMC với đầu điện nguồn dạng 20 hay 24 chân. - Dây điện phụ 12V: Xuất hiện cùng với hệ thống Pentium 4. Dây này gồm 4 đầu cắm với 2 chân 12V và 2 chân "mát". - Đầu cắm SATA: Những BN mới nhất đều phải có tối thiểu từ 2 tới 4 chân cắm dẹt dành cho những đĩa cứng SATA hiện đại. Tuy nhiên bạn cũng có thể sử dụng các đoạn dây chuyển nếu như nguồn của mình không có loại chân này. - Đầu PCI-Express: Cũng tương tự như với chân cắm SATA, đầu cắm PCI-Express là thứ không thể thiếu trong các BN thế hệ mới. Những nguồn điện với chứng nhận SLI hoặc Crossfire cho các hệ thống đồ họa kép luôn có tới 2 đầu cắm dạng này để sử dụng với card đồ họa PCI-Express. Tất nhiên, nếu nguồn của bạn không có đầu cắm mà vẫn muốn sử dụng card đồ họa mới, bạn vẫn có thể sử dụng các jack chuyển đối (đôi khi được tặng kèm theo card). - Đầu cắm ổ đĩa mềm: Nguyên thủy, giắc cắm này được sử dụng cho ổ đĩa mềm, nó cũng gồm 2 dây ground, 1 dây +5V và 1 dây +12V. Về sau, có khá nhiều thiết bị khác cũng sử dụng kiểu đầu cắm này như các card đồ họa, đầu chuyển đổi ATA – SATA của đĩa cứng và thậm chí là cả BMC như DFI Lanparty NF4. - Đầu cắm EPS 12V 8 chân: Thường được sử dụng cho các BMC workstation trên những hệ thống máy tính chuyên nghiệp với CPU Opteron hay Xeon. Gần đây, một số BMC desktop mới cũng bắt đầu sử dụng đầu cắm này ví dụ như dòng P5WD2 của Asus. Hiện nay, thiết kế tháo rời (Modular Concept) của bộ nguồn máy tính đang bắt đầu được sử dụng. Bạn hãy thử hình dung một bộ nguồn chuẩn ATX 2.01 sẽ có khoảng 8-10 đầu cắm Molex, 1 đầu cắm chính, một hoặc hai đầu cắm PCI-Express, 1 đầu 12V, 2 tới 4 đầu SATA và một số các đầu giao tiếp riêng đặc biệt khác. Tuy nhiên hệ thống máy tính của bạn nếu chỉ ở mức cơ bản và sử dụng chưa tới ½ số đầu cắm này thì chắc chắn việc sắp xếp gọn gàng những đầu cắm dư bên trong máy sẽ khá rắc rối. Modular Concept cho phép bạn chỉ cắm những dây với các đầu nối cần dùng và loại bỏ những chân không cần thiết. Nhờ vậy nội thất bên trong case của bạn sẽ gọn gàng và tạo điều kiện thuận lợi cho các giải pháp làm mát nói chung. Tuy nhiên kiểu thiết kế mới này hiện tại mới chỉ được áp dụng trên những BN cao cấp đắt tiền.5. Các đường điện âm Nếu sử dụng một số phần mềm đo điện hay thậm chí là đồng hồ đo, bạn sẽ thấy các giá trị của đường điện âm (-) khá thấp so với các đường dương (+). Điều này là do hiện nay chúng không còn quan trọng nữa. Mặc dù một bộ nguồn ATX 20 chân có chân số 12 là -12v và chân số 18 là -5v nhưng hầu như không bao giờ được dùng. Một số thiết bị cần tới điện thế âm bao gồm: + Các card mở rộng ISA. + Cổng serial hoặc LAN + Ổ đĩa mềm thế hệ cũ. 6. Thời gian duy trì điện (Hold-up time) Giá trị Holdup Time xác định khoảng thời gian tính bằng mili-giây mà một bộ nguồn có thể duy trì được các đường điện ra ở đúng định mức khi đường điện vào bị ngắt (ví dụ như mất điện). Điều này rất có ích đặc biệt khi bạn sống trong khu vực điện không ổn định (ví dụ trường hợp điện đột ngột chớp ngắt rồi có lại thì máy tính vẫn có thể hoạt động bình thường). Giá trị Hold-up time của chuẩn ATX là 17ms và bộ nguồn máy tính nên có chỉ số này càng cao càng tốt. 7. Power Factor Correction (PFC) PFC cho phép việc cung cấp điện đạt hiệu quả sử dụng cao. Có hai loại PFC chính là Active PFC và Passive PFC. Tất cả các bộ nguồn được sản xuất vào hiện tại đều thuộc một trong hai loại này. - Active PFC: Đây là kiểu hiệu quả nhất. Nó sử dụng mạch điện tự động điều chỉnh để hiệu suất sử dụng điện có thể đạt tới 95% (theo lý thuyết). Ngoài ra, Active PFC cũng có khả năng khử nhiễu và căn chỉnh đường điện vào (cho phép bạn cắm vào bất kì ổ cắm 110V cho tới 220V thông dụng nào mà không cần phải quan tâm tới các chỉ số). Tuy nhiên do kiến trúc phức tạp của Active PFC nên những bộ nguồn dùng công nghệ này đều có giá khá cao. Một số bộ nguồn Active PFC vẫn cho phép người dùng sử dụng công tắc chuyển xác định dòng điện đầu vào. - Passive PFC: Đây là kiểu thông dụng nhất hiện nay. Khác với Active PFC, Passive PFC căn chỉnh dòng điện thông qua các tụ lọc và chính vì thế khả năng làm việc của nó sẽ bị thay đổi theo thời gian cũng như chịu ảnh hưởng khá lớn từ các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, chấn động... Những bộ nguồn dùng công nghệ Passive PFC đều yêu cầu người dùng phải chỉnh lại điện thế đầu vào thông qua một công tắc nhỏ. Nguồn Passive PFC có giá rẻ hơn nguồn Active PFC. Các loại nguồn không sử dụng PFC (Non PFC) hiện nay đều được khuyến cáo không nên dùng. Ở một số quốc gia EU, mọi bộ nguồn đưa ra thị trường đều được yêu cầu phải có trang bị hoặc Active PFC hoặc Passive PFC. PFC cho phép tiết kiệm điện sử dụng, giảm sức tải cho các đường dây điện trong nhà: điều này rất có lợi khi bạn thành lập phòng máy hoặc sử dụng nhiều máy cùng một nguồn điện. Bộ nguồn dạng Active PFC thường cho đường điện ra ổn định hơn so với Passive PFC, nhờ vậy thiết bị trong máy hoạt động ổn định và có tuổi thọ cao hơn. 8. Năng lượng cực đại và năng lượng liên tục Mức năng lượng liên tục (Continuous Power) là chỉ khả năng cấp điện của nguồn trong khoảng thời gian dài liên tục còn năng lượng cực đại (Peak Power) lại chỉ mức tối đa trong khoảng thời gian ngắn. Ví dụ bạn cắm một loạt thiết bị với tổng công suất khoảng 430W vào bộ nguồn có chỉ số Continuous Power là 400W, chúng vẫn có thể hoạt động được trong khoảng thời gian ngắn nếu mức Peak Power của nguồn đạt trên 430W nhưng sau một khoảng thời gian nhất định, các linh kiện trong nguồn sẽ bị trục trặc.  9. Độ ồn Chỉ số xác định độ ồn của một bộ nguồn được đo bằng đơn bị dB và nó phải phù hợp với độ ồn của môi trường làm việc. Lấy ví dụ, trong văn phòng ồn ào, bộ nguồn 30dB có thể không phải là vấn đề nhưng nếu trong phòng khách gia đình yên tĩnh, con số này sẽ gây khó chịu, đặc biệt là về đêm. Một quy tắc bất thành văn là bộ nguồn với quạt 120mm sẽ làm việc êm hơn so với bộ nguồn có quạt 80mm hay 90mm tốc độ cao mặc dù hiệu năng làm mát của chúng có thể tương đương nhau. Khi bộ nguồn làm việc nặng nhọc hơn (nuôi nhiều thiết bị) thì nhiệt lượng do nó tỏa ra cũng tăng cao và đối với những bộ nguồn có quạt tự điều chỉnh tốc độ, số vòng quay của quạt cũng tăng lên và khi đó những âm thanh ồn ào bắt đầu xuất hiện. Ví dụ khi một bộ nguồn làm việc ở mức 70%, tiếng ồn chỉ khoảng 20dB nhưng khi lên tới con số 90% thì âm lượng phát ra sẽ có thể lên tới 35dB hoặc hơn. Bạn nên xem xét kĩ vấn đề này: nếu cần nguồn 300W, bạn nên chọn loại 350W để công suất làm việc vừa đủ 85%, nếu chọn loại 400W thì con số này chỉ còn 75% và có thể độ ồn cũng giảm theo. Một số bộ nguồn loại siêu êm có thể không sử dụng quạt hoặc chỉ dùng những loại quạt rất êm nhưng hầu hết chúng không dành cho những máy tính bình thường vì giá cực đắt, điển hình như XG Magnum 500 của MGE. Nếu hay lượn lờ trên các website công nghệ, có thể bạn cũng sẽ bắt gặp một số bộ nguồn với giải pháp làm mát bằng nước nhưng loại này khá nguy hiểm đối với những người ít kinh nghiệm. 10. Chiết áp chỉnh điện thế (Adjustable Pot) Một số bộ nguồn tốt có kèm theo các chiết áp nhỏ bên trong để chỉnh hiệu điện thế cho các đường điện. Trong thực tế, nếu đường điện 12V của bạn tụt xuống dưới 11,5V, nó sẽ gây ra mất ổn định cho toàn hệ thống. Hãy nhớ rằng chuẩn ATX cho phép điện thế mỗi đường dao động trong khoảng 5% và bạn có thể chỉnh lại lên 12V thông qua những chiết áp đó. Tuy nhiên đây là tính năng nâng cao và chỉ nên thực hiện nếu bạn biết mình đang làm điều gì. Một số sản phẩm nguồn chuyển hẳn các chiết áp này ra ngoài để người dùng tự thay đổi thoải mái ví dụ như series TrueControl của Antec.Giá trị giới hạn an toàn của các đường điện theo chuẩn ATX như sau: 11. Chế độ Soft Power và tín hiệu chờ 5V Soft Power là cách thức mà bộ nguồn máy tính được bật lên hoặc tắt đi nhưng thay vì dùng công tắc cứng như chuẩn AT trước kia thì được kích hoạt khi BMC ra lệnh cho bộ nguồn. Cũng nhờ vào điều này mà người dùng có thể điều khiển năng lượng hệ thống qua phần mềm. Bạn có thể dễ dàng kiểm chứng điều này bằng khả năng tắt máy của hệ điều hành Windows hay bật máy lên từ bàn phím, chuột. Nguyên tắc chính để BMC ra lệnh cho bộ nguồn là thông qua tín hiệu chờ của đường +5V Standby. Đường điện này độc lập hoàn toàn với các đường nuôi thiết bị khác và sẽ có tín hiệu bất cứ khi nào bạn cắm điện vào nguồn, một số BMC mới thường có đèn tín hiệu để báo trạng thái +5V Standby. Ngoài ra trên hệ thống máy tính còn có một vài đường điện phụ khác, gồm: + Dòng cảm ứng +3.3V (+3.3V Sense): Chức năng chính là theo dõi điện thế của đường +3.3V nuôi BMC. Nhờ vậy, bộ nguồn có thể căn chỉnh dòng cho chính xác.+ Điều khiển quạt (Fan Control): Tín hiệu điều khiển quạt cho phép hệ thống nói chung và BMC nói riêng thay đổi tốc độ quạt của bộ nguồn. Khi điện thế của dòng này tụt xuống dưới 1V, quạt sẽ tự động tắt. Khi đạt giá trị trên 10.5V, quạt sẽ hoạt động ở mức tối đa. Chức năng chính của thiết kế này là cho phép hệ thống tắt quạt khi máy tính chuyển sang trạng thái nghỉ (Sleep Mode) hoặc thay đổi tốc độ quạt theo nhiệt độ linh kiện. + Theo dõi trạng thái quạt (Fan Monitor): Đây là bạn đồng hành của tính năng điều kiển quạt, nó cho phép theo dõi tốc độ quay của quạt trong hệ thống. Nhiệm vụ chính của nó là cảnh báo người dùng khi có một quạt làm mát nào đó gặp trục trặc và ngừng hoạt động. II. CÁCH CHỌN BỘ NGUỒN TỐT Bạn đang dự định lắp một bộ máy tính mới và phân vân chưa biết nên mua bộ nguồn nào? Hãy tham khảo những bước sau đây: Tính toán đường điện 12V của nguồn Như bạn đã biết, 3 đường điện chính của một bộ nguồn là +12V, +5V và +3.3V. Công suất tổng được tính toán dựa trên cường độ mỗi dòng. Tuy nhiên thực tế đáng buồn là rất nhiều nhà sản xuất bộ nguồn máy tính thường sử dụng thủ thuật tăng số watt lên bằng cách "đẩy" những đường điện không quan trọng (+5V và +3.3V). Chính vì thế, bạn hãy bỏ qua con số watt và tập trung vào cường độ của đường điện 12V để xác định chất lượng một bộ nguồn. Chỉ số Ampere của đường +12V có thể tìm thấy trong tài liệu đi kèm hoặc ngay trên tem sản phẩm (ví dụ +12V: 25A). Chú ý rằng những nguồn ATX12V 2.0 mới có tới 2 đường 12V cho phép chia tải năng lượng giữa CPU và BMC (+12v1) độc lập khỏi những linh kiện khác (+12v2). Điều đó cho phép dòng điện ổn định hơn. Một số nguồn thậm chí còn có tới 3 đường 12V khác nhau ví dụ như RealPower 550W của CoolerMaster. Mặc dù điều này không có ý nghĩa đối với những hệ thống thông thường nhưng khi sử dụng với những máy tính siêu mạnh cho game hay các ứng dụng chuyên nghiệp thì sẽ có khác biệt lớn. Đảm bảo tính chính xác Nếu bạn vừa mua một bộ nguồn chỉ 10-20USD với tem dán 28A cho đường +12V thì chắc chắn điều đó không chính xác. Tại thị trường Việt Nam hiện nay có nhiều bộ nguồn kém chất lượng xuất xứ không rõ ràng, bạn thậm chí có thể mua được một bộ nguồn công suất cực cao lên tới 600W-700W với giá chỉ 2/3 so với bộ nguồn 350W hàng hiệu, tuy nhiên đó không phải là công suất thực. Đó là chưa kể nguồn điện kém chất lượng thường không ổn định sau một thời gian dài sử dụng và có thể làm hỏng một số linh kiện đắt tiền của máy tính. Theo kinh nghiệm cá nhân, thường thì BMC sẽ là nạn nhân đầu tiên. 3. Xem xét vấn đề công suất Bạn có thể lấy được những thông số về năng lượng của hầu hết các loại thiết bị từ tài liệu đi kèm sản phẩm hoặc website của nhà sản xuất để tính toán định mức gần đúng. Hai bảng tham khảo đối với đường điện +12V ở trên sẽ phần nào giúp bạn giải quyết vấn đề. Chúng ta có một ví dụ hệ thống máy tính như sau: Bạn có thể thấy rằng có nhiều thiết bị sử dụng 2 hay 3 đường điện cùng một lúc. Ví dụ như card đồ họa đời mới lấy năng lượng từ cả khe cắm mở rộng AGP/PCI-Express lẫn đầu cắm 12V ngoài. Với một cấu hình