ƯỜ

Ạ Ọ

TR

Ộ NG Đ I H C BÁCH KHOA HÀ N I

Ệ

Ệ

VI N ĐI N

Ồ

BÁO CÁO Đ  ÁN II

ế ế ạ

Thi

t k  m ch DC­DC boost converter

ứ ị GVC. THS. Đào Đ c Th nh ướ   ng

ễ ắ ự ệ Nguy n Kh c Quân 20174125 ả Gi ng   viên   h d n:ẫ Sinh viên th c hi n:

ộ Hà N i, 1/2021

ầ

ờ

ệ ự ế ạ

L i nói đ u ạ Trong lĩnh v c k  thu t hi n  đ i ngày nay, vi c ch  t o ra các b

ồ ổ ệ ỹ ậ ấ ượ

ệ ướ ng đi n áp cao, kích th ử ệ ể t b  s  d ng đi n là h t s c c n thi

ế ứ ầ ộ ề ế

ế ế ạ

ệ ử ổ ọ ư ệ

ự

ậ ầ

ự ề ấ ọ

ộ  ỏ ọ c nh  g n cho các chuy n đ i ngu n có ch t l   ổ ế ế ế ị ử ụ ệ   t. Quá trình x  lý bi n đ i đi n áp thi ớ   ổ ọ ề ộ ệ m t chi u thành đi n áp m t chi u khác g i là quá trình bi n đ i DC – DC v i ư ổ các   m ch   bi n   đ i   ph   bi n   nh   buck   converter,   boost   converter,   flyback   ọ ế   ầ ượ ấ c h c trong h c ph n Đi n t  công su t. Vi c đ a ki n converter… đã đ ọ ạ   ạ ố ớ ễ ứ th c vào th c ti n không còn là quá xa l  đ i v i sinh viên đang theo h c t i ườ ặ ồ ọ ỹ ạ ọ ườ ệ   t là các tr ng k  thu t. Trong h c ph n đ  án II các tr ng đ i h c đ c bi ệ ử ạ ế ế ộ ầ ớ   t k  m t m ch đi n t  công su t, em đã l a ch n đ  tài: này v i yêu c u thi ế ế ạ t k  m ch DC ­ DC boost converter”. “Thi

ầ ứ ậ

ố ị ệ ạ

ả ơ ờ ế ế ề ủ

ẫ ữ ế ồ ế ế ề ậ

ữ ờ

ượ ể ấ ạ ế ữ ả ầ ệ ữ ệ ế ơ

ề Em xin chân thành c m  n th y Đào Đ c Th nh đã t n tình quan tâm ộ  ướ ng d n em trong su t th i gian qua. Do còn vi c h n ch  v  trình đ h ạ ệ   ngo i ng , chuyên môn và thi u kinh nghi m làm bài nên đ  án c a em còn ề   c nhi u ý ki n đóng góp cũng nhi u khi m khuy t, sai sót. Em mong nh n đ ề ừ ầ ư    th y có th  th y rõ nh ng đi u c n nghiên nh  nh ng l i khuyên h u ích t ứ ổ ề ự c u b  sung, giúp cho vi c xây d ng đ  tài đ t đ n k t qu  hoàn thi n h n và   ề ạ t o ti n đ  cho em sau này.

Ụ

Ụ

M C L C

Ẽ Ụ DANH M C HÌNH V

Ả Ụ DANH M C B NG

ƯƠ Ụ CH NG 1. PHÂN TÍCH NHI M VỆ

1.1 Đ  tàiề

ế ế ạ ậ ầ ớ ỹ Thi t k  m ch DC – DC boost converter v i yêu c u k  thu t:

 Vin = 2,7 – 4,2V

 Vout = 5V, sai s  5%ố

 Iout, max = 2A

ầ ả  Có b o v  đi n áp đ u vào ệ ệ

ứ ụ 1.2 M c đích nghiên c u

ọ ầ ướ ạ ị

công su t đ ễ ự ữ ụ ế ấ ể  ệ ử   t cách áp d ng vào th c ti n. Làm

ồ H c ph n đ  án 2 đ nh h ế ắ ế ế ạ ớ ng sinh viên làm m ch đi n t ứ ậ t k  và làm m ch th t. giúp sinh viên n m v ng ki n th c và bi quen v i thi

ư ấ Thi

ể ả ổ ế ệ ổ ị ứ ạ ề ề   t k  m ch boost converter không quá ph c t p nh ng v n đ  đi u ụ   ả c hi u su t bi n đ i cao và đ m b o  n đ nh luôn là m c

ấ ứ ủ ế ế ạ ạ ượ ằ khi n nh m đ t đ tiêu c a các công trình nghiên c u.

ứ ạ 1.3 Ph m vi nghiên c u

ứ ự ế ầ ọ ọ (cid:0) Nghiên c u d a trên ki n th c đã h c trong h c ph n đi n t ệ ử ứ ấ  công su t

(cid:0) ứ ể ế ầ ạ Tìm hi u thêm ki n th c trên internet và th y giáo, b n bè

ứ ộ 1.4 N i dung nghiên c u

ồ ươ Báo cáo g m 6 ch ng:

(cid:0) ụ Phân tích nhi m vệ

(cid:0) ạ ổ T ng quan m ch DC – DC boost converter

(cid:0) ầ ử ạ ọ ự Tính toán và l a ch n ph n t m ch boost converter

(cid:0) ế ế ạ Thi t k  nguyên lý và m ch in

ệ

(cid:0) K t qu  th c nghi m ả ự ế (cid:0) K t lu n ậ ế

5

ƯƠ Ổ Ạ CH NG 2. T NG QUAN M CH DC­DC BOOST CONVERTER

ấ ạ ơ ồ 2.1 C u t o và s  đ  nguyên lý

ộ ồ

step­up  sang   DC  dòng

ừ ầ ế ấ ồ DC­DC boost converter (hay DC­DC  ổ ể converter)   là b   chuy n   đ i   ngu n   DC   ả   ệ ứ  tăng đi n áp (trong khi gi m có ch c năng ầ ệ đi n) t  đ u vào (ngu n cung c p) đ n đ u ra (t ả   i).

ệ ử ơ ả ạ ồ ộ M ch này g m 4 linh ki n đi n t ể    c  b n đó là cu n dây L, khóa chuy n

ạ ệ ụ ệ m ch Mosfet, diode D và t đi n C.

ạ ồ

ồ ạ Ngu n cho m ch tăng áp có th  đ n t ộ ể ế ừ ấ ỳ ư ờ ợ ệ ư ặ

b t k  ngu n DC phù h p nào, ộ   ỉ ẳ ch ng h n nh  pin lion, pin m t tr i, b  ch nh l u và máy phát đi n m t chi u.ề

ạ ộ 2.2 Nguyên lý ho t đ ng

ệ Khi Mosfet d n (kích vào chân G) lúc này đi n áp trên L b ng V

ẫ ị ắ ự ạ ằ ỏ

ờ ẽ ắ c và nó s  c t m ch t ấ ệ ộ ầ ị

in, lúc này  ồ   ồ i ra kh i ngu n đ ng  giá tr  ban đ u là   ụ   ồ  C đóng vai trò là ngu n (T  C

ờ ụ ả ượ i đ

ả ượ diode D ng t do b  phân c c ng ẽ ầ ừ th i dòng trong cu n dây L s  xu t hi n và tăng d n t IL,min,lúc này dòng qua t c duy trì nh  t phóng).

ắ ấ

ệ ự ả i s  gi m dòng I

ệ ộ ẫ

ờ ể ế ố ự ả  c m ch ng l đi n áp t ngu n Vồ ươ ề in  có chi u d ổ ạ ậ ự l p t c và nó n p b  xung cho t ộ   ộ Đ n th i đi m ta cho Mosfet ng t lúc này trên cu n dây L xu t hi n m t ớ   ệ ạ ự ả L. Đi n áp t  c m này c ng v i ặ ầ ủ   ng đ t v o chân Anot c a diode làm diode d n ngay ụ  C.

ư ậ ứ ặ ệ ấ ả ặ Quá trình nh  v y c  l p đi l p ra và có đi n áp c p cho t i. Hình bên

ễ ả ơ di n t rõ h n quá trình này.

Ứ 2.3 ụ ng d ng

ạ ưỡ ả ồ ng  c quy,c p ngu n cho các thi

Làm m ch desunfat b o d ỏ ế ị  t b ấ ỡ ệ ỡ

ấ ồ ấ ư ắ ệ ư ụ đòi h i đi n áp cao c  vài ch c Vôn nh ng ngu n c p có đi n áp th p c  1.5V ồ ạ hay 3.7V. Nâng áp trong các m nh ngu n xung nh  TV, LED.

6

ƯƠ Ầ Ử Ạ Ự CH NG 3. Ọ  TÍNH TOÁN VÀ L A CH N PH N T  M CH DC­

DC BOOST CONVERTER

ầ ử ự ọ 3.1 Tính toán và l a ch n ph n t

Ở ử ụ ạ ợ    đây ta tính toán cho m ch boost converter s  d ng ic boost tích h p

ạ

Hình : M ch boost converter

ạ ộ ở ế ộ ụ mosfet ho t đ ng ch  đ  liên t c.

ố ầ 3.1.1     Thông s  yêu c u

Vi = 2,7 ­ 4,2V Vo = 5V, sai s  5%ố

Io,max = 2A

ự ạ 3.1.2     Tính toán m ch l c

ớ ả i pháp

ầ ố Sau nhi u l n tính toán v i các t n s  khác nhau thì f = 1,2MHz là gi ượ đ ề ầ ọ c ch n.

D = 1 ­  = 1 ­  = 0,46

T = 1/f = 0,83 (µs)

ton = T.D = 0,38 (µs) ọ ộ ả  Ch n cu n c m

IL =  =  = 3,7A Ch n ọ ∆IL = 10%IL = 0,37A

L =  =  = 2,77 µH

(cid:0) ộ ả ọ Ch n cu n c m có L = 4,7µH

IL,max = IL + 0,5

= 3,7 + 0,5. = 3,8A

(cid:0) ọ

ộ ả  Ch n cu n c m 4,7µH, 4A  Ch n t ọ ụ ệ đi n

C = Vo = 5.2% = 0,1V

Ch n Uọ

C =  =  = 7,6 µF

(cid:0) ọ ụ Ch n t 106

7

 Ch n diode ọ

ID = IL(1­D) = 3,7.(1­0,46) = 2A

ID,max = IL + 0,5  = 3,7 + 0,5. = 3,8A

Ung,max = ksVo = 10V

(cid:0) ọ ộ ắ Ch n diode Schottky 1N5824 10A, 40V. T c đ  đóng c t nhanh c a Diode

ạ ộ ệ ầ ạ 1N5824 giúp cho m ch đi n ho t đ ng t ố ủ i băng t n 200kHz~2MHz.

ợ ớ ế ứ ạ ả ố ạ t t (cid:0) Đ  phù h p v i ki n th c đã h c và đ n gi n hóa m ch, ta ch n ọ   ọ

ử ụ ơ ợ ẵ ể ả gi i pháp s  d ng ic boost có tích h p s n mosfet.

IV = IL.D = 3,7.0,46 = 1,7 A

IV,max = IL + 0,5  = 3,7 + 0,5.= 3,8A

UDS.max = ksVo = 10V

(cid:0) ọ ố ớ  Ch n ic SX1308 v i các thông s  sau:

(cid:0) ợ Tích h p Mosfet công su t 80mΩ

ế ồ ấ (cid:0) Ngu n vào : 2V đ n 24V

(cid:0) ổ ể T n s  chuy n đ i : 1,2MHz

ớ ạ i h n : 4A

ệ ầ ỉ

ộ ế ầ ố (cid:0) Dòng gi (cid:0) Đi u ch nh đi n áp đ u ra : max 28V ề  Tính b  chi t áp

SX1308 có VFB = 0,6V

R1 = R2. = 7,33.R2

2 = 2 k ; RΩ 1 = 15 kΩ

(cid:0) Ch n Rọ

ơ ồ

ỏ

Hình :S  đ  mô ph ng psim

ỏ 3.2 Mô ph ng trong Psim

ỏ ế ả K t qu  mô ph ng:

8

ế

ỏ

ả Hình : K t qu  mô ph ng psim

ị ỏ ị Giá tr  trung bình ấ ị ớ Giá tr  l n nh t ấ Giá tr  nh  nh t ng Đ i l

4.9579220e+000   3.5958934e+000

ế

ả

ỏ

ả B ng : K t qu  mô ph ng psim

4.9977069e+000   3.7039492e+000   1.8509628e+000   1.8529864e+000 5.0407876e+000   3.8068116e+000   3.7945108e+000   3.8068121e+000 ạ ượ (0.0003­0.0004s) Uout (V) IL (A) ID (A) IV (A)

(cid:0) ậ ế ế ề ả ả ớ k t   qu   tính   toán  không   sai   khác   nhi u   v i   k t  qu   mô Nh n  xét:

ph ngỏ

9

ƯƠ Ạ Ế Ế CH NG 4. THI T K  NGUYÊN LÝ VÀ M CH IN

ẽ ạ 4.1 V  m ch nguyên lý trong Altium

ơ ồ

Hình : S  đ  nguyên lý trong altium

ư ệ ủ ế ế ị ố Tìm ki m th  vi n c a các thi t b  và n i dây chúng.

ẽ ạ ớ 4.2 V  m ch PCB 2 l p trong Altium

Hình : PCB Top Layer

Hình : PCB Bottom Layer

ừ ơ ồ ẽ ồ ớ ổ T  s  đ  nguyên lý ta v , đi dây và đ ng đ ng cho 2 l p PCB.

10

ƯƠ Ự Ả Ế Ệ CH NG 5. K T QU  TH C NGHI M

ạ 5.1 M ch in boost converter

ạ

Hình : M ch in boost converter

ừ ạ ạ ặ T  m ch PCB trong Altium, em đ t hàng m ch in.

ồ ầ 5.2 Ngu n đ u vào

ử ụ S  d ng pin UltraFire 18650 1200mAH 3,7V

ệ ể ế ầ (khi đ y pin có th  lên đ n 4.2V)

ẽ ị ế (cid:0) Đi n Áp: DC 3.7V (cid:0) Khuy n cáo không s  d ng pin < 2.5V, khi đó pin s  b  ch t và ế

ử ụ không s  d ng l ử ụ ạ ượ i đ c

(cid:0) ể ử ụ ượ ề ầ Pin có th  s  d ng đ c nhi u l n

c: 65x18mm

ượ ng: 1200mAH

Hình : Pin 3.7V

ộ ℃ ℃ (cid:0) Kích Th ướ (cid:0) Ki u 18650 ể (cid:0) Dung l (cid:0) Nhi ệ t Đ : ­20 ~ 45

ả ệ ạ 5.3 M ch b o v  pin

ử ụ ệ ả ạ ạ S  d ng m ch s c và b o v  pin 1S 3,7V 4A

ể ạ ệ ả

ạ ầ ệ (cid:0) Dùng đ  s c và b o v  cho Pin Lithium (18650, 26650,...) (cid:0) Đi n áp s c đ y: 4.2V +/­ 0.05V

11

i đa: 4A

ả ệ

ạ

Hình : M ch b o v  pin

(cid:0) Đi n áp ng t x : 2.45 +/­0.1V ắ ả ệ (cid:0) Dòng x  t ả ố (cid:0) Kích th ướ c: 35x4x2.2mm

ế

ầ

ả Hình : K t qu  đo đ u vào

ế

ả

ầ

Hình : K t qu  đo đ u ra

ả ế 5.4 K t qu  đo

12

ƯƠ Ậ Ế CH NG 6. K T LU N

ạ ứ ượ ố ổ ươ ầ ị

M ch đã đáp  ng đ ấ ố ả ượ ệ ầ ặ ng đ i  n đ nh, c các yêu c u đ t ra, áp đ u ra t   ỉ  ở ư ọ ậ c do ch n đi n tr  ch a đúng hoàn toàn t

sai s  kho ng 2,5% ch p nh n đ .ệ l

ế ể ầ C n tìm hi u thêm ki n th c đ  thi

ấ ủ ể ạ ứ ả ể ệ ử ụ   ế ế ạ t k  m ch boost converter s  d ng ệ ộ ề b  đi u khi n cho mosfet giúp c i thi n hi u su t c a m ch.

13

ệ ả Tài li u tham kh o

ệ ử ọ ấ 1. Giáo trình Đi n t ầ  công su t – Tr n Tr ng minh

2. Basic   Calculation   of   a   Boost   Converter's   Power   Stage   –   Texas

Instrument

3. https://datasheetspdf.com/

4. https://banlinhkien.com/

5. Internet

14