Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Giải pháp nâng cao hiệu năng mạch sạc pin li-ion sử dụng công nghệ CMOS

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

39
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp cải thiện hiệu năng của mạch sạc pin Li-Ion hoạt động với dải điện áp cung cấp thay đổi thích ứng. Đề xuất giải pháp thiết kế mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp cho mạch sạc hiệu năng cao. Cấu trúc mạch DC-DC kiểu giảm áp đảm bảo cho hệ thống mạch sạc pin Li-Ion đạt hiệu suất cao và cải thiện được kích thước mạch thiết kế.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Giải pháp nâng cao hiệu năng mạch sạc pin li-ion sử dụng công nghệ CMOS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN HÀO GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠCH SẠC PIN LI-ION SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ CMOS Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9520203 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hà Nội – 2019
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. PHẠM NGUYỄN THANH LOAN 2. PGS. TS. NGUYỄN ĐỨC MINH Phản biện 1: PGS. TS. ĐẶNG HOÀI BẮC Phản biện 2: PGS. TS. CHỬ ĐỨC TRÌNH Phản biện 3: PGS. TS. HOÀNG VĂN PHÚC Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi ….. giờ ….., ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Ngày nay, pin sạc Lithi-Ion (Li-Ion) [1] đã và đang được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử dân dụng như máy tính xách tay, máy tính bảng, camera số và điện thoại di động v.v. Tuy nhiên, loại pin điện hóa Li-Ion dễ bị ảnh hưởng bởi các điều kiện hoạt động quá mức như là hoạt động sạc/xả quá mức, sạc/xả nhanh và điều kiện nhiệt độ vượt quá giới hạn hoạt động của pin [4, 5]. Ngoài hạn chế về thời gian sạc dài hơn so với các phương thức sạc khác, phương thức sạc dòng điện không đổi-điện áp không đổi (CC-CV) có khả năng thực thi phần cứng mạch tích hợp và đưa ra các yêu cầu về dòng điện và điện áp sạc phù hợp cho pin Li-Ion. Cho nên, phương thức sạc này vẫn được xem là phương thức sạc chuẩn được áp dụng phổ biến trong các thiết kế mạch sạc pin Li-Ion [8-24]. Qua đó cho thấy, thiết kế mạch sạc giữ vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ tin cậy và an toàn cho pin Li-Ion cũng như các thiết bị điện tử trong suốt tiến trình sạc. Bên cạnh đó, vấn đề nghiên cứu và thiết kế mạch sạc có hoạt động chính xác theo phương thức sạc và đạt hiệu năng cao luôn nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học trong nước và quốc tế. Điều này cũng được thể hiện thông qua các công trình công bố về thiết kế mạch sạc theo phương thức sạc CC-CV trong những năm gần đây [25-39]. Xét trên khía cạnh cấu trúc thiết kế, các thiết kế mạch sạc dựa trên cấu trúc LDO (Low Drop- Out) [17, 18, 26, 29, 31] đưa ra đáp ứng điều khiển nhanh, chính xác và khả năng tích hợp cao. Hạn chế của cấu trúc thiết kế này là hiệu suất công suất thấp và tăng tổn hao nhiệt khi mạch sạc hoạt động với dòng điện lớn. Tương tự, thiết kế mạch sạc dựa trên cấu trúc mạch biến đổi DC- DC kiểu tụ điện trong [12] cũng đưa ra khả năng tích hợp cao và hiệu suất công suất thấp. Vấn đề về hiệu suất công suất có thể được cải thiện bởi các thiết kế mạch sạc dựa trên cấu trúc mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp trong [19, 21, 24, 27, 28, 30]. Những cấu trúc thiết kế này đưa ra hiệu suất công suất cao, mức độ tích hợp trên chíp thấp hơn so với các thiết kế mạch sạc dựa trên cấu trúc LDO và khả năng cách ly chưa tốt cho pin Li-Ion có thể dẫn đến tổn thất năng lượng của pin khi mạch DC-DC hoạt động trong chế độ dẫn dòng không liên tục. Bên cạnh đó, các thiết kế mạch sạc dựa trên thiết kế kết hợp giữa cấu trúc mạch DC-DC kiểu tăng điện áp hoặc cấu trúc mạch DC-DC kiểu Flyback với thiết kế mạch sạc dựa trên cấu trúc LDO trong [9] và [8] cũng đưa ra hiệu suất cao và cải thiện được độ cách ly cho pin Li-Ion. Tuy nhiên, các cấu trúc thiết kế này này sử dụng các phần tử thiết kế ngoài chíp với kích thước lớn dẫn đến tăng kích thước mạch thiết kế PCB (Printed Circuit Board) và chưa phù hợp để áp dụng cho các thiết bị điện tử di động cầm tay với kích thước nhỏ gọn. Xét trên khía cạnh cải thiện hiệu năng hoạt động của thiết kế mạch sạc, giải pháp sạc nhanh được đưa ra trong các nghiên cứu [13, 14, 28, 30] nhằm cải thiện đáng kể thời gian sạc. Hạn chế của giải pháp này là tăng kích thước mạch thiết kế do thực hiện thêm mạch cảm biến nội trở của pin và vấn đề sạc quá mức điện áp có thể xảy ra sẽ ảnh hưởng đến chất lượng cũng như tuổi thọ của pin Li-Ion. Bên cạnh đó, các nghiên cứu trong [11, 13, 16, 21, 28, 30] đã đưa ra giải pháp thực hiện chuyển tiếp chế độ sạc ổn định nhằm cải thiện ảnh hưởng bởi nội trở của pin đến hoạt động ổn định của hệ thống mạch sạc. Ngoài ra, giải pháp thiết kế chuyển tiếp chế độ sạc ổn định chưa được nghiên cứu để thực hiện trên các thiết kế mạch sạc sử dụng cấu trúc mạch điều khiển logic trong [8, 12, 31, 33]. Trong hầu hết các thiết kế mạch sạc sử dụng cấu trúc mạch điều khiển logic đều áp dụng dòng điện hoặc điện áp tham chiếu riêng biệt tương ứng cho mỗi chế độ sạc. Theo đó, sự sai khác về thời điểm mở/ngắt của các tín hiệu điều khiển có thể gây ra đột biến xung nhọn với biên độ lớn trong dòng điện sạc gây ảnh hưởng đến chất lượng của pin Li-Ion và hoạt động ổn định của hệ
2 thống mạch sạc. Vấn đề này cũng chưa được xem xét và cải thiện trong các nghiên cứu thiết kế mạch sạc pin Li-Ion đã công bố. Những vấn đề được nêu ra ở trên đã chứng tỏ rằng, thiết kế mạch sạc không chỉ yêu cầu cung cấp dòng điện và điện áp ra phù hợp cho pin Li-Ion mà còn yêu cầu cải thiện các vấn đề như hiệu suất công suất, độ cách ly cho pin Li-Ion, đột biến xung nhọn trong dòng điện sạc và chuyển tiếp chế độ sạc không ổn định. Vì vậy, nghiên cứu thiết kế hệ thống mạch sạc pin Li-Ion hiệu năng cao và phù hợp để áp dụng trong các thiết bị điện tử di động là hướng nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Hướng nghiên cứu này thật sự là thách thức và cũng là động lực mạnh mẽ thôi thúc tác giả lựa chọn và thực hiện nội dung nghiên cứu trong luận án này. 2. Mục tiêu, đối tƣợng, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp cải thiện hiệu năng của mạch sạc pin Li-Ion hoạt động với dải điện áp cung cấp thay đổi thích ứng. Đề xuất giải pháp thiết kế mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp cho mạch sạc hiệu năng cao. Cấu trúc mạch DC-DC kiểu giảm áp đảm bảo cho hệ thống mạch sạc pin Li-Ion đạt hiệu suất cao và cải thiện được kích thước mạch thiết kế. Đối tượng nghiên cứu: Nhằm đạt được các mục tiêu nghiên cứu của luận án, đối tượng nghiên cứu chính của luận án liên quan trực tiếp đến các cấu trúc thiết kế của mạch sạc pin Li-Ion kiểu tuyến tính, mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp và các phần tử mạch chức năng dựa trên công nghệ CMOS. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận án là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thiết kế và khảo sát bằng mô phỏng trên máy tính. Phạm vi nghiên cứu: Nội dung nghiên cứu của luận án nhằm thực hiện hệ thống mạch sạc pin Li-Ion hiệu năng cao dựa trên sự kết hợp giữa mạch biến đổi DC-DC và mạch sạc pin Li-Ion hoạt động với nguồn cung cấp thay đổi thích ứng. Theo đó, phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung nghiên cứu cơ chế điều khiển và cấu trúc thiết kế của các mạch sạc pin Li-Ion, phân tích cấu trúc thiết kế mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp dựa trên điều chế độ rộng xung PWM, phân tích đặc tính hoạt động và cấu trúc thiết kế các mạch chức năng tương tự dựa trên công nghệ CMOS. 3. Các kết quả đạt đƣợc của luận án  Mạch sạc pin Li-Ion đã thực hiện đáp ứng được yêu cầu về dòng điện và điện áp đầu ra theo phương thức sạc CC-CV và đạt hiệu suất cao (hiệu suất trung bình đạt 88,6 % và 92,1 % tương ứng với các chế độ sạc TC và LC). Các vấn đề đột biến xung nhọn trong dòng điện sạc và chuyển tiếp chế độ sạc không ổn định đã được cải thiện.  Hệ thống mạch sạc pin Li-Ion đã đề xuất đạt hoạt động ổn định trong cả tiến trình sạc, đạt hiệu suất và hiệu năng cao (hiệu suất trung bình đạt 86 % trong các chế độ sạc TC và LC), đạt độ cách ly tốt cho pin Li-Ion, cung cấp dòng điện và điện áp ra phù hợp cho pin Li-Ion theo phương thức sạc CC-CV. 4. Cấu trúc của luận án Chương 1 trình bày ngắn gọn các vấn đề cơ bản về pin sạc Li-Ion và tổng quan về các cấu trúc thiết kế mạch sạc kiểu tuyến tính và kiểu chuyển mạch. Đây được xem là cở sở nền tảng cho quá trình nghiên cứu và phân tích thiết kế trong các chương tiếp theo của luận án. Nội dung trong chương 2 đưa ra cấu trúc mạch sạc pin Li-Ion kiểu tuyến tính bao gồm nguồn dòng song song, mạch cảm biến dòng điện, mạch điều khiển dòng điện sạc và mạch tạo dòng điện/điện áp.
3 Nhằm mục đích nâng cao hiệu suất công suất của hệ thống, cấu trúc mạch sạc sẽ được thiết kế để hoạt động với dải điện áp cung cấp thay đổi thích ứng theo điện áp pin. Trên cơ sở nghiên cứu và phân tích các công trình khoa học đã công bố trước đó, những vấn đề còn tồn tại và giải pháp cải thiện hiệu năng được đưa ra để thực hiện cho các khối chức năng trong mạch sạc pin Li-Ion. Cuối cùng, các kết quả mô phỏng tin cậy được đưa ra nhằm mục đích đánh giá và kiểm chứng đặc tính hoạt động cũng như các giải pháp cải thiện hiệu năng của mạc sạc đã đề xuất. Nội dung nghiên cứu trọng tâm trong chương 3 đưa ra cấu trúc hệ thống mạch sạc pin Li-Ion hiệu năng cao dựa trên sự kết hợp giữa cấu trúc mạch biến đổi DC-DC và cấu trúc mạch sạc đã thực hiện trong chương 2. Theo đó, Giải pháp thực hiện mạch bù tần số loại III cùng với hướng phân tích thiết kế theo đặc tính hoạt động của mạch sạc được thực hiện nhằm đảm bảo yêu cầu hoạt động ổn định và đầu ra dải rộng cho mạch DC-DC. Tính ổn định của hệ thống mạch sạc cũng được xem xét dựa trên phân tích các mô hình hoạt động xoay chiều. Cuối cùng, đặc tính hoạt động của mạch DC-DC và hệ thống mạch sạc đã đề xuất được đánh giá và thảo luận thông qua các kết quả mô phỏng trung thực của mạch DC-DC tương ứng với các trường hợp tải điện trở và tải là mạch sạc pin Li-Ion. CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠCH SẠC PIN LI-ION 1.1. Giới thiệu chƣơng 1.2. Sơ lƣợc về pin sạc Li-Ion 1.2.1. Giới thiệu chung Ngày nay, các loại pin sạc lại được (pin sạc) đã và đang giữ vai trò trọng yếu trong việc cung cấp nguồn cho một số thiết bị điện tử dân dụng và thiết bị đầu cuối viễn thông. Một số loại pin sạc đang được sử dụng phổ biến bao gồm: pin Chì-Axít (LA), Niken-Catmi (NiCd), Niken-Kim loại-Hydrua (NiMH) và Lithi-Ion (Li-Ion) [40, 41]. Mỗi loại pin sạc sẽ có các tham số đặc tính phụ thuộc vào các loại vật liệu cấu thành nên phần tử pin. Trên cơ sở lý thuyết về các loại pin sạc trong [1, 42], các tham số đặc tính của pin sạc được liệt kê trong bảng 1.1. Trong đó, pin Li-Ion có nhiều ưu điểm nổi bật như mật độ năng lượng cao, năng lượng riêng lớn, độ tự xả thấp và điện áp hoạt động cao. Bảng 1.1. Đặc tính cơ bản của một số loại pin sạc phổ biến. Loại pin sạc LA NiCd NiMH Li-Ion1 Năng lượng riêng ( ⁄ ) 30 – 40 40 – 60 30 – 80 120 – 150 Mật độ năng lượng ( ⁄ ) 60 – 70 50 – 150 140 – 300 250 – 450 Điện áp trung bình ( ) 2 1,2 1,2 3,6 – 3,8 Số chu kỳ sạc/xả 300 – 800 1000 – 2000 500 – 1500 > 500 Tốc độ tự xả ( ⁄ ) 3–5 20 30 1–5 Dải nhiệt độ hoạt động ( ) −20 – 60 −40 – 60 −20 – 60 −20 – 60 1.2.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng pin Li-Ion Pin Li-Ion được xem là loại pin sạc có thời gian sử dụng lâu dài. Tuy nhiên, khi hoạt động trong các điều kiện quá mức về nhiệt độ và chế độ hoạt động, dung lượng pin sẽ bị suy giảm nhanh dẫn đến thời gian sử dụng của pin cũng bị giảm theo. Nghiêm trọng hơn là pin có thể bị phá hỏng bởi hiện tượng quá nhiệt hoặc ngắn mạch bên trong [43, 44]. Bởi vì dung lượng và 1 Pin Li-Ion với catôt là hợp chất
4 thời gian sử dụng của pin Li-Ion phụ thuộc vào tính ổn định cấu trúc của hợp chất cấu thành các điện cực, đặc tính điện hóa của các điện cực và độ ổn định cấu trúc bên trong của pin. Các yếu tố hoạt động ảnh hưởng đến chất lượng pin Li-Ion bao gồm điều kiện nhiệt độ quá mức, hoạt động sạc/xả quá mức điện áp và tốc độ sạc /xả nhanh. 1.3. Phƣơng thức sạc pin Li-Ion Các phương thức sạc điển hình cho pin Li-Ion bao gồm phương thức sạc dòng điện không đổi-điện áp không đổi (CC-CV) [73-75], phương thức sạc Boostcharging (BC) [76], phương thức sạc dòng điện không đổi nhiều pha (MSCC) [77, 78] và phương thức sạc xung (PC) [83, 84]. Với những ưu điểm về tính hiệu quả của phương thức sạc và khả năng thực thi trên phần cứng mạch tích hợp sử dụng công nghệ CMOS, phương thức sạc CC-CV vẫn được xem là phương thức sạc phổ biến được áp dụng để sạc pin Li-Ion. Theo đó, phương thức sạc CC-CV chia thành ba giai đoạn sạc tương ứng là chế độ dòng điện nhỏ (TC), chế độ dòng điện lớn (LC) và chế độ điện áp không đổi (CV). Chế độ sạc TC: khi điện áp pin VBatt nhỏ hơn giá trị điện áp chuẩn VL = 2,9 V, nội trở của pin Li-Ion có giá trị lớn. Pin sẽ được sạc với dòng điện không đổi, ICh-TC có giá trị nhỏ và tối đa là 0,1C (với C là dung lượng của pin được tính theo đơn vị Ah). Chế độ sạc LC: nội trở của pin Li-Ion có giá trị nhỏ khi điện áp pin VBatt đạt giá trị lớn hơn điện áp chuẩn VL và nhỏ hơn VH = 4,2 V. Trong trường hợp này, dòng điện không đổi ICh-LC có giá trị lớn (thông thường là 0,5C – 0,7C) được sử dụng để sạc pin Li-Ion. Chế độ sạc CV: ngay tại thời điểm điện áp pin VBatt đạt giá trị xấp xỉ điện áp chuẩn VH, pin Li-Ion được chuyển sang sạc ở chế độ CV. Trong chế độ sạc này, điện áp pin VBatt có giá trị không đổi và dòng điện sạc ICh-CV được điều khiển giảm dần cho đến khi đạt giá trị dòng điện ngắt ICutoff (trong khoảng 0,02C – 0,07C) thì quá trình sạc được kết thúc. 1.4 Cấu trúc thiết kế mạch sạc pin Li-Ion Các thiết kế mạch sạc theo phương thức sạc CC-CV [87] có thể được thực hiện trên cơ sở cấu trúc ổn định kiểu tuyến tính (LR) gọi là mạch sạc kiểu tuyến tính (Linear Charger) hoặc cấu trúc ổn định kiểu chuyển mạch (SWR) gọi là mạch sạc kiểu chuyển mạch (Switching Charger). 1.4.1 Mạch sạc kiểu tuyến tính Nguyên lý mạch sạc kiểu tuyến tính trong hình 1.12 bao gồm hai khối mạch cơ bản là mạch nguồn dòng trong chế độ sạc dòng điện không đổi CC (bao gồm các chế độ sạc TC và LC) và mạch nguồn áp trong chế độ sạc điện áp không đổi CV. (a) (b) Hình 1.12. Nguyên lý mạch sạc kiểu tuyến tính. (a) Mạch thực hiện chế độ sạc CC. (b) Mạch thực hiện chế độ sạc CV.
5 Trong hình 1.12(a), cấu trúc mạch điều khiển vòng kín được cấu thành từ các phần tử OA1, M1 và R1 đóng vai trò là nguồn dòng được điều khiển bằng điện áp. Theo đó, điện áp hồi tiếp trên điện trở R1 được ổn định và bằng với giá trị của điện áp tham chiếu VRef. Với giá trị điện trở R1 là cố định, dòng điện tham chiếu của transistor M1 được xem là nguồn dòng phụ thuộc vào điện áp tham chiếu VRef. Ngoài ra, các transistor PMOS M1 và M2 có cùng kết nối điện áp tại cực cửa (G) và cực nguồn (S) tương tự với cấu trúc mạch gương dòng điện. Dòng điện sạc được xác định dựa trên tỉ số kích thước thiết kế của các transistor M1 và M2 là ( ⁄ ) ⁄( ⁄ ) ⁄ . Trong hình 1.12(b), các phần tử OA2, M3, R2 và R3 cấu thành mạch ổn áp tuyến tính LR. Theo đó, điện áp hồi tiếp trên điện trở R3 và điện áp ra VBatt đạt ổn định tại các mức điện áp tương ứng là và ( ⁄ ). Trong chế độ sạc CV, khi điện áp pin VBatt tăng theo tiến trình sạc dẫn đến tăng điện áp hồi tiếp trên R3. Thông qua mạch điều khiển (phần tử OA3), dòng điện sạc ICh từ transistor M3 được điều khiển theo hướng giảm sao cho mức suy giảm của điện áp rơi trên nội trở RS bù lại mức tăng của điện áp VBatt. Rõ ràng, cấu trúc thiết kế mạch sạc tuyến tính có ưu điểm nổi bật là khả năng tích hợp trên chíp cao và nhược điểm chính là hiệu suất chuyển đổi công suất thấp (< 70 %) trong giai đoạn sạc với điện áp pin VBatt nhỏ hơn nhiều so với điện áp vào VI. Trong thiết kế mạch sạc, cấu trúc mạch sạc trong hình 1.12 cần có thêm mạch điều khiển để thực hiện các chế độ sạc tương ứng với trạng thái dung lượng của pin Li-Ion. 1.4.2. Mạch sạc kiểu chuyển mạch Nguyên lý mạch sạc pin Li-Ion kiểu chuyển mạch trong hình 1.17 được thực hiện dựa trên cấu trúc mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp. Trong đó, CLK cung cấp tín hiệu đồng bộ xác định tần số hoạt động (fS) của mạch DC-DC. VRef là điện áp tham chiếu cho mức ổn định của dòng điện hoặc điện áp tại đầu ra. Mạch hồi tiếp dòng điện không đổi và điện áp không đổi sẽ cấu thành mạch điều khiển vòng kín tương ứng với các chế độ sạc dòng điện không đổi CC và điện áp không đổi CV. Hình 1.17. Nguyên lý mạch sạc kiểu chuyển mạch. Trong chế độ sạc CC, mạch hồi tiếp dòng điện không đổi đạt trạng thái tích cực. Điện trở RSen mắc nối tiếp với pin Li-Ion đóng vai trò là phần tử cảm biến dòng điện sạc ICh và điện áp cảm biến trên RSen là được hồi tiếp bởi cấu trúc điều khiển vòng kín của mạch DC-DC. Theo đó, điện áp cảm biến này luôn được điều khiển để ổn định theo điện áp tham chiếu VRef, điều này có nghĩa là dòng điện sạc tại đầu ra có giá trị không đổi và được xác định bởi
6 ⁄ . Như vậy, cấu hình mạch DC-DC trong chế độ sạc CC là mạch ổn dòng. Ngược lại, mạch hồi tiếp điện áp không đổi đạt trạng thái tích cực trong chế độ sạc CV. Theo đó, cấu hình mạch DC-DC trong chế độ sạc này là mạch ổn áp. Thông qua mạch phân áp R1R2, giá trị ( ⁄( )) của điện áp ra VBatt được hồi tiếp để so sánh với VRef trong cấu trúc hoạt động điều khiển vòng kín của mạch DC-DC. Điện áp hồi tiếp trên R2 luôn được duy trì ổn định theo điện áp tham chiếu VRef, dẫn đến kết quả là điện áp ra được ổn định tại giá trị ( ⁄ ). Như vậy, mức ổn định của điện áp pin VBatt trong chế độ sạc CV có thể được thiết lập thông qua điện áp VRef và tỉ số R1/R2. Mức tăng của điện áp pin VBatt trong tiến trình sạc CV được bù bởi mức giảm của điện áp rơi trên nội trở RS do dòng điện sạc ICh giảm. Điều này sẽ đảm bảo cho pin Li-Ion được sạc với điện áp VBatt không đổi và dòng điện sạc ICh giảm dần trong chế độ sạc CV. Dựa trên ưu điểm về hiệu suất của cấu trúc SWR và tổn hao truyền dẫn nhỏ của các chuyển mạch MPS và MNS, thiết kế mạch sạc kiểu chuyển mạch thường đạt hiệu suất cao (> 80 %). Nhược điểm chung của cấu trúc thiết kế này là khả năng cách ly cho pin Li- Ion. Bởi vì, các chuyển mạch điện tử dựa trên transistor MOS cho phép dòng điện chạy theo hai hướng. Nên khi hoạt động của mạch DC-DC rơi vào chế độ DCM, năng lượng của pin Li-Ion có thể thất thoát thông qua chế độ dẫn dòng của chuyển mạch MNS. CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HIỆU NĂNG CỦA MẠCH SẠC PIN LI-ION 2.1. Giới thiệu chƣơng 2.2. Sơ đồ khối chức năng Dựa theo các thiết kế mạch sạc trong [8, 9, 32], cấu trúc mạch sạc trong hình 2.1 sẽ được thiết kế với điện áp cung cấp VDC thay đổi thích ứng theo điện áp điện áp pin VBatt (VDC = VBatt + 0,3 V). Chức năng chính của các khối được mô tả như sau: khối nguồn dòng song song thực hiện chức năng cung cấp dòng điện sạc ICh cho pin Li-Ion. Khối mạch cảm biến dòng điện tạo ra dòng điện cảm biến IS nhỏ được sao chép từ dòng điện sạc theo một hệ số tỉ lệ nhất định, điều này giúp giảm công suất tiêu thụ tĩnh và cải thiện hiệu suất công suất cho mạch sạc. Khối mạch điều khiển dòng điện sạc thực hiện so sánh dòng điện tham chiếu IRef-ch với dòng điện IS để tạo ra các điện áp VG1 và VG2 điều khiển các nguồn dòng song song. Dựa trên giá trị điện áp pin VBatt trong suốt tiến trình sạc, khối mạch tạo dòng điện/điện áp đưa ra các tín hiệu điều khiển logic VS1, VS2 và dòng điện tham chiếu IRef-ch tương ứng cho mỗi chế độ sạc. Hình 2.1. Sơ đồ khối chức năng của mạch sạc pin Li-Ion. Trong thiết kế này, mạch sạc pin Li-Ion theo phương thức sạc CC-CV được thiết kế để hoạt động sạc pin Li-Ion với dung lượng giả định C = 2000 mAh và dải điện áp sạc pin từ 2 V đến
7 4,2 V. Nội dung tiếp theo sau, các khối chức năng của mạch sạc sẽ được thực hiện dựa trên các giải pháp thiết kế nhằm cải thiện hiệu năng hoạt động và độ ổn định cho mạch sạc pin Li-Ion. 2.3. Thiết kế hệ thống 2.3.1. Nguồn dòng song song và mạch cảm biến dòng điện 2.3.1.1. Giải pháp thiết kế nguồn dòng song song Trong các thiết kế mạch sạc hoạt động với nguồn cung cấp VDC thay đổi thích ứng theo điện áp pin VBatt [8, 9], chỉ một transistor công suất loại PMOS đóng vai trò như nguồn dòng được điều khiển bằng điện áp, transistor này được sử dụng để cung cấp dòng điện sạc cho pin Li-Ion. Điều này sẽ khó thực hiện điều khiển chính xác cho cả dòng điện sạc lớn ICh-LC trong chế độ LC và dòng điện sạc nhỏ ICh-TC trong chế độ TC. Để cải thiện vấn đề này, cấu trúc nguồn dòng song song được đưa ra như trong hình 2.2 (khung liền nét) bao gồm hai transistor PMOS MP1 và MP2 mắc song song. Các transistor này được điều khiển độc lập bởi các điện áp VG1 và VG2 theo nguyên lý điều khiển như sau: trong chế độ sạc TC với điện áp cung cấp và dòng điện sạc nhỏ, chỉ một nguồn dòng là transistor PMOS MP1 được sử dụng để cung cấp dòng điện sạc nhỏ ICh-TC tương ứng giá trị 0,1C. Cả hai transistor công suất MP1, MP2 sẽ được điều khiển để cung cấp dòng điện sạc lớn ICh-LC tương ứng giá trị 0,5C hoặc có thể lớn hơn trong chế độ sạc LC. Hình 2.2. Sơ đồ thiết kế mạch nguồn dòng song song. Theo đó, cấu trúc nguồn dòng song song không đưa ra yêu cầu dải rộng của điện áp điều khiển các nguồn dòng song song. Hơn nữa, quá trình điều khiển cấu trúc nguồn dòng song song gần như không có sự ràng buộc lẫn nhau giữa hai dòng điện sạc ICh-TC và ICh-LC. Điều này giúp tăng khả năng linh hoạt trong thiết kế mạch sạc, chẳng hạn như: khi cần thực hiện thiết kế mạch sạc theo yêu cầu dòng điện sạc ICh-LC có giá trị lớn hơn (chẳng hạn như ICh-LC = 0,7C hoặc 1C), chỉ yêu cầu thiết kế tăng kích thước W/L của transistor PMOS công suất MP2 mà không ảnh hưởng đến kích thước cũng như dòng điện sạc ICh-TC được cung cấp bởi transistor công suất MP1. Rõ ràng, cấu trúc nguồn dòng song song có thể dễ dàng cung cấp dòng điện sạc pin hoàn toàn phù hợp cho các thiết kế mạch sạc pin Li-Ion dựa trên phương thức sạc CC-CV. 2.3.1.2. Mạch cảm biến dòng điện Sơ đồ thiết kế mạch cảm biến dòng điện được minh họa trong hình 2.3 (khung đứt nét). Theo đó, mỗi cặp transistor PMOS MS1-MP1 và MS2-MP2 đều có cực nguồn (S) kết nối với nguồn cung cấp VDC, cực cửa G được kết nối tương ứng với tín hiệu điện áp điều khiển VG1 và VG2. Bên
8 cạnh đó, mạch điều khiển vòng kín bao gồm khuếch đại thuật toán OA1 và transistor PMOS M1 được thực hiện nhằm đạt được mức cân bằng điện áp giữa điện áp cực máng VD1,2 của MS1, MS2 với điện áp pin VBatt. Khi đó, các cặp transistor PMOS MS1-MP1 và MS2-MP2 sẽ có cùng mức điện áp tại các cực tương ứng G, S và cực máng D. Hiển nhiên là dòng điện cảm biến IS sẽ được tạo ra chính xác từ dòng điện sạc ICh theo hệ số tỉ lệ ⁄ ( ⁄ ) ( ⁄ ) ⁄ . Hình 2.3. Sơ đồ thiết kế mạch cảm biến dòng điện. Mặc dù, thiết kế mạch cảm biến dòng điện với giá trị dòng điện IS càng nhỏ càng giảm công suất tiêu thụ tĩnh của các mạch điều khiển trong mạch sạc, điều này giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi công suất tổng thể cho mạch sạc pin. Trong thiết kế này, mạch biến đổi I-V được thực hiện bởi các transistor NMOS (M6 và M7) cấu hình kiểu điôt trong mạch điều khiển dòng điện sạc (mục 2.3.2). Dòng điện cảm biến IS cần được lựa chọn phù hợp để đảm bảo yêu cầu về dải điện áp hoạt động cho các mạch điều khiển trong mạch sạc pin. Do đó, hệ số tỉ lệ giữa dòng điện cảm biến IS và dòng điện sạc ICh được lựa chọn tương ứng là ⁄ ⁄ ⁄ . 2.3.2. Giải pháp thiết kế mạch điều khiển dòng điện sạc Các thiết kế mạch sạc trong [8, 32] sử dụng cấu trúc mạch so sánh đơn giản để thực hiện so sánh dòng điện tham chiếu IRef-ch với dòng điện cảm biến IS. Cấu trúc so sánh này có ưu điểm là đơn giản và đáp ứng tần số cao. Tuy nhiên, cấu trúc này lại có nhược điểm là sai số và công suất tiêu thụ tĩnh lớn. Trong [33], cấu trúc mạch so sánh dòng điện kiểu Cascode được áp dụng nhằm cải thiện độ chính xác cho mạch so sánh dòng điện. Nhưng cấu trúc này lại yêu cầu mức điện áp phân cực tối thiểu lớn, dẫn đến yêu cầu nguồn cung cấp VDC có giá trị lớn và không phù hợp cho các thiết kế mạch sạc hoạt động với dải điện áp nguồn cung cấp thay đổi thích ứng. Để cải thiện vấn đề này, sơ đồ mạch điều khiển dòng điện sạc được đưa ra trong hình 2.4, bao gồm hai phần mạch chính là mạch so sánh dòng điện và các mạch cổng truyền dẫn. Mạch so sánh dòng điện được cấu thành từ hai transistor NMOS M6, M7 mắc theo cấu hình điôt và phần tử khuếch đại OTA. Trong đó, các NMOS mắc kiểu điôt M6 và M7 thực hiện chức năng biến đổi I- V cho các dòng điện tương ứng là IRef-ch và IS. Cấu trúc mạch so sánh sử dụng khuếch đại OTA đưa ra hệ số khuếch đại lớn và đặc tuyến truyền đạt tuyến tính dẫn đến tăng độ phân giải đầu vào, điều này có nghĩa là độ chính xác của mạch so sánh được cải thiện. Hai mạch cổng truyền dẫn được thiết kế từ các cặp transistor MOS M2-M3 (TG1) và M4-M5 (TG2). Các cổng truyền dẫn TG1 và TG2 thực hiện chức năng tạo hoặc ngắt kết nối tương ứng giữa VG với VG1 và VG2
9 thông qua các tín hiệu điều khiển logic VS1 và VS2. Các tín hiệu điều khiển logic VS1, VS2 từ mạch tạo dòng điện/điện áp được xem như là tín hiệu lựa chọn nguồn dòng cung cấp dòng điện sạc cho pin Li-Ion. Hình 2.4. Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển dòng điện sạc. Quá trình điều khiển dòng điện sạc được thực hiện theo vòng kín sao cho dòng điện cảm biến IS luôn bằng với dòng điện tham chiếu IRef-ch. Theo cách điều khiển này, dòng điện sạc ICh sẽ được tạo ra từ dòng điện tham chiếu IRef-ch tương ứng với mỗi chế độ sạc và luôn có giá trị được xác định bằng bội số của dòng điện tham chiếu (NIRef-ch). Ngoài ra, dòng điện cảm biến IS cũng được so sánh với dòng tham chiếu IRef-end thông qua các transistor NMOS M7 và M8. Quá trình này nhằm xác định chính xác thời điểm kết thúc sạc chỉ khi điện áp pin VBatt đạt ngưỡng 4,2 V và dòng điện sạc ICh-CV trong chế độ CV đạt xấp xỉ giá trị dòng điện ngắt ICutoff. 2.3.3. Giải pháp thiết kế mạch tạo dòng điện/điện áp 2.3.3.1. Mạch tạo dòng điện tham chiếu Nhìn chung, cơ chế điều khiển dòng điện sạc pin Li-Ion đều dựa trên dòng điện/điện áp tham chiếu được tạo ra tương ứng với mỗi chế độ sạc trong tiến trình sạc. Vì vậy, phương thức tạo ra dòng điện tham chiếu không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến dòng điện sạc mà còn liên quan đến hiệu năng hoạt động tổng thể của hệ thống. Trong các thiết kế mạch sạc dựa trên công nghệ CMOS [8, 32, 33], dòng điện tham chiếu được thực hiện riêng biệt cho mỗi chế độ sạc. Theo đó, tại các thời điểm chuyển chế độ sạc TC-LC và LC-CV dòng điện tham chiếu của chế độ sạc ngay trước đó sẽ bị ngắt và dòng điện tham chiếu cho chế độ sạc tiếp theo sau sẽ được mở thông qua các chuyển mạch điện tử. Rõ ràng, nếu có sự sai khác về thời điểm điều khiển ngắt/mở các chuyển mạch, đột biến xung nhọn với biên độ lớn có thể xuất hiện trong dòng điện dòng điện sạc pin. Ngoài ra, khi xét riêng tại thời điểm chuyển đổi chế độ sạc LC-CV với điện áp pin VBatt đạt xấp xỉ giá trị 4,2 V, pin Li-Ion sẽ được chuyển từ chế độ sạc LC sang chế độ sạc CV. Ngay tại thời điểm này, điện áp pin lại bị giảm đột ngột với giá trị điện áp đúng bằng điện áp rơi trên nội trở của pin Li-Ion. Khi đó, mạch điều khiển sẽ quay trở lại chế độ sạc LC để sạc cho pin Li-Ion. Với đáp ứng của tín hiệu điều khiển đủ nhanh, pin Li-Ion lại tiếp tục được chuyển sang chế độ sạc CV ngay sau đó. Quá trình chuyển đổi qua lại giữa hai chế độ sạc LC và CV có thể diễn ra liên tục trong suốt giai đoạn chuyển tiếp này dẫn đến mất ổn định nghiêm trọng cho hoạt động của hệ thống
10 Hình 2.7. Phương thức tạo dòng điện tham chiếu liên tục. Hình 2.8. Sơ đồ thiết kế mạch tạo dòng điện tham chiếu sử dụng mạch tổng hợp tương tự. Trong nghiên cứu này, phương thức tạo ra dòng điện tham chiếu không bị ngắt trong suốt tiến trình sạc (Hình 2.7) được áp dụng nhằm cải thiện các vấn đề đột biến xung nhọn trong dòng điện sạc và mất ổn định do sự chuyển đổi chế độ sạc liên tục trong giai đoạn chuyển tiếp LC- CV. Tại các thời điểm chuyển đổi chế độ sạc TC-LC và LC-CV, dòng điện tham chiếu cho chế độ sạc hiện tại sẽ không bị ngắt mà chỉ mở thêm dòng điện tham chiếu cho chế độ sạc kế tiếp. Nhờ vào đó, dòng điện IRef-ch tham chiếu cho dòng điện sạc được xem là dòng điện tổng hợp từ các dòng điện tham chiếu thành phần (ITC, ILC và ICV) và được tạo ra liên tục trong suốt tiến trình sạc. Điều này sẽ giúp cải thiện được các vấn đề vừa nêu ra ở phần trên. Trên cơ sở của phương thức tạo dòng điện tham chiếu trong hình 2.7, sơ đồ mạch tạo dòng điện tham chiếu dựa theo nguyên lý mạch tổng hợp dòng điện tương tự được đưa ra trong hình 2.8. Các dòng điện tham chiếu thành phần ITC, ILC và ICV sẽ được tổng hợp để tạo ra dòng điện tham chiếu liên tục IRef-ch thông qua mạch tổng hợp dòng điện tương tự (M16 – M22). Xét nút dòng điện tại đầu ra của mạch tổng hợp tương tự, dòng điện tham chiếu tổng hợp ID16 được xác định theo biểu thức (2.1).
11 ( ) (2.1) Từ biểu thức (2.1), dòng điện tham chiếu tổng hợp ID16 có thể được xác định tương ứng cho chế độ sạc TC và LC bởi các biểu thức (2.2) và (2.3). Trong chế độ sạc CV, dòng điện ID16 là dòng điện tổng hợp từ các dòng tham chiếu thành phần ITC, ILC và ICV (2.1). (2.2) (2.3) Trong thiết kế này, với mục đích giảm công suất tiêu thụ tĩnh trong mạch tạo dòng điện tham chiếu, dòng điện IRef-ch tham chiếu cho dòng điện sạc được sao chép lớn hơn 4 lần từ dòng điện tham chiếu tổng hợp ID16 thông qua cấu trúc mạch gương dòng điện (M16 : M15). Như vậy, mạch tạo dòng điện tham chiếu sử dụng cơ chế tổng hợp tương tự cung cấp dòng điện tham chiếu IRef- ch không bị ngắt tại các thời điểm chuyển đổi chế độ sạc (TC-LC, LC-CV) và liên tục trong suốt tiến trình sạc. 2.3.3.2. Mạch tạo điện áp điều khiển Trên cơ sở của mạch tạo dòng điện tham chiếu trong mục 2.3.3.1 và yêu cầu từ mạch điều khiển dòng điện sạc trong mục 2.3.2, mạch tạo điện áp điều khiển trong hình 2.9 được xem như là mạch điều khiển logic. Trong đó, điện áp pin VBatt luôn được so sánh với các điện áp chuẩn VH và VL để đưa ra các tín hiệu điều khiển logic VTC, VLC, VS1 và VS2 tương ứng theo các chế độ sạc pin. Mặc dù, các nghiên cứu trong [13, 20, 24] đã chỉ ra rằng, mạch so sánh có trễ không thể áp dụng trong mạch điều khiển logic để khắc phục vấn đề mất ổn định do nội trở của pin. Bởi vì giá trị điện áp trễ lớn của mạch so sánh có thể gây ra các vấn đề ảnh hưởng đến tiến trình sạc pin Trong thiết kế này, vấn đề vừa nêu ra có thể được khắc phục bằng cách giảm giá trị của các điện áp chuẩn VL và VH. Ngưỡng so sánh của điện áp pin VBatt trong mạch tạo điện áp điều khiển được xác định tương ứng là và , với và . Khi đó, vấn đề ảnh hưởng của điện áp trễ đến tiến tình sạc pin đã được loại bỏ và mạch so sánh có trễ có thể được áp dụng trong mạch điều khiển logic nhằm cải thiện hiệu năng hoạt động của mạch sạc pin Li-Ion. Hình 2.9. Sơ đồ thiết kế mạch tạo điện áp điều khiển. 2.4. Lựa chọn và thiết kế các phần tử chức năng Các phần tử chức năng sử dụng trong thiết kế mạch pin Li-Ion bao gồm khuếch đại thuật toán OA (OA1 trong mạch cảm biến dòng điện, OA2 và OA3 trong mạch tạo dòng điện tham chiếu), khuếch đại OTA (trong mạch điều khiển dòng điện sạc), mạch so sánh điện áp có trễ và các phần tử logic (trong mạch tạo điện áp điều khiển). Các phần tử này được thực hiện với cấu trúc thiết kế phù hợp và đảm bảo được các điều kiện hoạt động của mạch sạc đã đề xuất.
12 2.5. Kết quả mô phỏng và thảo luận Dựa trên mô hình mạch mô phỏng, các kết quả mô phỏng tin cậy của mạch sạc pin Li-Ion được đưa ra nhằm mục đích đánh giá và kiểm chứng các đặc tính hoạt động cũng như các hướng tiếp cận trong thiết kế cải thiện hiệu năng hoạt động của mạch sạc pin Li-Ion. Hình 2.21. Các tín hiệu điều khiển logic. Kết quả mô phỏng các tín hiệu điều khiển logic bao gồm Vend, VTC, VLC, VS1 và VS2 được đưa ra trong hình 2.21. Trong suốt tiến trình sạc, Vend luôn ở mức điện áp thấp, VTC luôn ở trạng thái điện áp cao tương đương với nguồn cung cấp. Tín hiệu điều khiển VLC chỉ chuyển sang trạng thái điện áp cao tại thời điểm bắt đầu chế độ sạc LC và luôn duy trì trạng thái tích cực này ngay cả khi Vend đã chuyển lên trạng thái kết thúc sạc. Điều này đã thể hiện rõ, tại các thời điểm chuyển đổi chế độ sạc, các tín hiệu điều khiển VTC, VLC không bị chuyển trạng thái từ điện áp cao sang điện áp thấp để điều khiển ngắt các dòng điện tham chiếu. Tương tự, các tín hiệu lựa chọn nguồn dòng VS1 luôn được duy trì ở mức điện áp cao trong tiến trình sạc, VS2 có mức điện áp thấp trong chế độ sạc TC và chuyển sang trạng thái điện áp cao ngay tại thời điểm chuyển đổi chế độ sạc TC-LC nhằm đáp ứng yêu cầu về dòng điện sạc lớn. Ngay khi tín hiệu kết thúc sạc Vend chuyển sang trạng thái điện áp cao, các tín hiệu VS1 và VS2 đều đạt mức điện áp thấp để điều khiển ngắt dòng điện sạc cho pin Li-Ion. Qua đó cho thấy, các transistor PMOS công suất MP1 và MP2 trong khối nguồn dòng song song đã được lựa chọn để hoạt động đúng theo nguyên lý thiết kế trong tiểu mục 2.3.1.1. Hình 2.22 minh họa kết quả mô phỏng của các dòng điện tham chiếu thành phần ITC, ILC và ICV. Rõ ràng, dựa trên cơ sở các tín hiệu điều khiển VTC, VLC và cơ chế tạo dòng điện tham chiếu tự động trong chế độ sạc CV, dòng điện tham chiếu ITC được cung cấp trong suốt tiến trình sạc. Tại mỗi thời điểm chuyển đổi chế độ sạc TC-LC hoặc LC-CV, dòng điện tham chiếu
13 tương ứng là ILC hoặc ICV sẽ được tạo ra và tiếp tục duy trì cho đến thời điểm kết thúc sạc. Kết quả mô phỏng đã khẳng định rằng, không có dòng điện tham chiếu nào được điều khiển ngắt mà chỉ mở thêm dòng điện tham chiếu tương ứng cho chế độ sạc tiếp theo tại các thời điểm chuyển đổi chế độ sạc. Mặc dù, vấn đề đột biến xung dòng điện nhỏ xuất hiện trong các dòng điện tham chiếu thành phần (điển hình là ILC), đây là kết quả của sự ảnh hưởng từ việc mở/ngắt các chuyển mạch điện tử trong mạch tạo dòng điện tham chiếu. Quá trình đột biến này diễn ra rất nhanh trong khoảng thời gian ngắn, nên không ảnh hưởng đến dòng điện tổng hợp IRef-ch (Hình 2.23) tham chiếu cho dòng điện sạc ICh. Hình 2.22. Các dòng điện tham chiếu thành phần. Hình 2.23. Dòng điện tham chiếu và dòng điện cảm biến. Trong hình 2.23, kết quả mô phỏng dòng điện tham chiếu IRef-ch là dòng điện tham chiếu được tổng hợp từ các dòng điện tham chiếu thành phần ITC, ILC và ICV. Do vậy, dòng điện IRef-ch được tạo ra một cách liên tục và không bị ngắt tại các thời điểm chuyển đổi chế độ sạc. Bên cạnh đó, dòng điện ICV (Hình 2.22) tăng dần từ giá trị 0 A, nên quá trình chuyển đổi chế độ sạc LC-CV trong dòng điện tham chiếu tổng hợp IRef-ch được xem xét như dòng điện liên tục theo thời gian. Điều này đã cho thấy rằng, giải pháp thiết kế mạch tạo dòng điện tham chiếu trong tiểu mục 2.3.3.1 không chỉ cải thiện vấn đề đột biến xung dòng điện tại các thời điển chuyển đổi chế độ sạc mà còn giúp cải thiện hoạt động ổn định cho mạch sạc tại thời điểm chuyển đổi chế
14 độ sạc LC-CV. Ngoài ra, hoạt động điều khiển chính xác của mạch cảm biến dòng điện và mạch điều khiển dòng điện sạc đã đưa ra dòng điện cảm biến IS luôn có giá trị xấp xỉ với dòng điện tham chiếu IRef-ch. Trong kết quả mô phỏng này, các dòng điện IS và IRef-ch tương ứng với các chế độ sạc TC, LC và CV có giá trị xấp xỉ là 42 A, 202 A và 202 A – 9 A. (a) (b) Hình 2.24. Dòng điện và điện áp sạc pin Li-Ion. (a) Dòng điện sạc ICh. (b) Điện áp sạc pin VBatt. Các kết quả mô phỏng của dòng điện và điện áp sạc pin Li-Ion được đưa ra trong hình 2.24. Dựa trên kết quả mô phỏng của dòng điện sạc (Hình 2.24(a)), trong các chế độ sạc TC và LC, dòng điện sạc ICh đạt các giá trị xấp xỉ là 209 mA và 1010 mA tương ứng với hệ số tỉ lệ của dung lượng pin Li-Ion xấp xỉ 0,1C và 0,5C. Giá trị của dòng điện sạc ICh trong chế độ sạc CV được giảm dần từ 1010 mA cho đến thời điểm kết thúc sạc là 43 mA. Bên cạnh đó, vấn đề đột biến xung nhọn trong dòng điện sạc tại các thời điểm chuyển tiếp chế độ sạc (TC-LC và LC- CV) đã được cải thiện và quá trình chuyển tiếp chế độ sạc từ LC sang CV của dòng điện sạc ICh là ổn định. Trong hình 2.24(b), kết quả mô phỏng đã cho thấy điện áp pin VBatt cũng được sạc chính xác với giá trị từ 2 V đến 4,2 V, điều này có nghĩa là pin Li-Ion được sạc đầy dung lượng. Mặc dù, điện áp tham chiếu để so sánh trong mạch tạo điện áp điều khiển được lựa chọn với các giá trị tương ứng là 2,8 V và 4,1 V. Các thời điểm chuyển tiếp chế độ sạc TC-LC và LC-CV của mạch thiết kế vẫn diễn ra đúng với giá trị của điện áp pin VBatt tại các ngưỡng giá trị tương ứng là 2,901 V và 4,203 V. Như vậy, giải pháp áp dụng mạch so sánh điện áp có trễ trong thiết kế mạch sạc là hoàn toàn phù hợp và không ảnh hưởng đến tiến trình sạc pin Li-Ion. Cuối cùng, dựa trên kết quả mô phỏng trong hình 2.23 và hình 2.24, tỉ số thiết kế giữa dòng điện sạc ICh và dòng điện cảm biến IS cũng luôn được đảm bảo với giá trị xấp xỉ là 1/5000. Bên cạnh đó, hiệu suất công suất trung bình của mạch sạc đề xuất đạt mức 88,6 % trong chế độ sạc TC và 92,1 % trong chế độ sạc LC. 2.6. Kết luận chƣơng Mạch sạc pin Li-Ion hoạt động với dải điện áp cung cấp thay đổi thích ứng được thực hiện dựa trên thư viện công nghệ BCD 0,35 m. Kết quả đạt được của dòng điện sạc và điện áp pin là phù hợp theo phương thức sạc CC-CV và đảm bảo cho pin Li-Ion không bị ảnh hưởng bởi điều kiện hoạt động sạc quá mức. Bên cạnh đó, các vấn đề đột biến xung nhọn trong dòng điện sạc và chuyển tiếp chế độ sạc không ổn định đã được cải thiện. Hiệu suất trung bình của mạch sạc đạt mức 88,6 % và 92,1 % tương ứng với các chế độ sạc TC và LC.
15 CHƢƠNG 3 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP THIẾT KẾ MẠCH BIẾN ĐỔI DC-DC KIỂU GIẢM ÁP CHO MẠCH SẠC HIỆU NĂNG CAO 3.1. Giới thiệu chƣơng 3.2. Giải pháp thiết kế hệ thống mạch sạc hiệu năng cao Giải pháp thiết kế cho hệ thống mạch sạc hiệu năng cao được đưa ra trong hình 3.1. Mạch sạc pin Li-Ion kiểu tuyến tính đã thực hiện trong chương 2 giúp cải thiện khả năng cách ly cho pin Li-Ion và đạt hiệu suất cao với dải điện áp cung cấp thay đổi thích ứng lớn hơn 0,3 V so với điện áp pin. Trong giải pháp thiết kế này, mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp được đề xuất nhằm đạt hiệu suất cao và giảm kích thước các phần tử thiết kế ngoài chíp, điều này giúp giảm kích thước tổng thể của mạch thiết kế PCB và tăng khả năng ứng dụng của hệ thống mạch sạc trong các thiết bị điện tử di động với kích thước thiết kế nhỏ gọn. Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống mạch sạc pin Li-Ion. 3.3. Thiết kế mạch biến đổi DC-DC áp dụng cho mạch sạc pin Li-Ion 3.3.1. Mạch biến đổi DC-DC với tải là mạch sạc Kiến trúc mạch DC-DC áp dụng cho mạch sạc pin Li-Ion được đưa ra trong hình 3.2. Các khối chức năng chính của mạch DC-DC bao gồm mạch công suất, mạch bù tần số, mạch điều chế PWM và mạch điều khiển chuyển mạch. Mạch DC-DC thực hiện chức năng cung cấp điện áp ra VDC ổn định và tỉ lệ với điện áp tham chiếu VARV dựa trên hệ điều khiển vòng kín. Các thông số thiết kế tổng thể của mạch biến đổi DC-DC áp dụng cho mạch sạc pin Li-Ion được đưa ra trong bảng 3.1. Nội dung tiếp theo sẽ thực hiện tính toán và thiết kế các khối chức năng của mạch DC-DC nhằm đáp ứng các yêu cầu của mạch tải là mạch sạc pin Li-Ion. Quá trình phân tích thiết kế tại mỗi giá trị điện áp hoặc dòng điện của mạch tải được xem xét như trường hợp thiết kế cho mạch biến đổi DC-DC có điện áp đầu ra ổn định. Hình 3.2. Sơ đồ khối chức năng của mạch DC-DC với tải là mạch sạc.
16 Bảng 3.1. Các thông số thiết kế tổng thể cho mạch biến đổi DC-DC. Thư viện công nghệ BCD 0,35 m Điện áp vào (VI) Hệ số gợn sóng điện áp vào (ri) Điện áp ra (VDC) ( ) Hệ số gợn sóng điện áp ra (ro) Dòng điện ra (IDC) Điện áp tham chiếu thích ứng (VARV) ( ) Tần số chuyển mạch (fS  fRmp) Biên độ xung răng cưa (VM) 3 ( ) 3.3.2. Tính toán và thiết kế hệ thống 3.3.2.1. Mạch công suất Trong nội dung này, các phần tử của mạch công suất trong hình 3.2 (khung đứt nét) sẽ được tính toán và lựa chọn nhằm đảm bảo cho mạch DC-DC hoạt động trong chế độ CCM và cung cấp đầu ra dải rộng cho mạch tải là mạch sạc pin Li-Ion. Xác định kích thước của các transistor chuyển mạch MPS và MNS: các transistor chuyển mạch MPS và MNS trong thiết kế được khảo sát và lựa chọn với tỉ số kích thước W/L tương ứng 33000 m/0,5 m và 11000 m/0,5 m, sao cho dòng điện cung cấp tối đa của các transistor chuyển mạch có thể đạt mức giá trị lớn hơn khoảng 1,5 lần so với dòng điện sạc. Xác định giá trị của cuộn cảm L: trên cơ sở điều kiện hoạt động của mạch biến đổi DC-DC trong chế độ CCM theo (1.19) và tham số xác định trong bảng 1.5, giá trị điện cảm L được xác định là 22,5 H và được lựa chọn cho thiết kế với [96]. Xác định giá trị của tụ điện vào CI và tụ điện ra CO: các tụ điện vào/ra được xác định dựa trên tham số gợn sóng điện áp xoay chiều trong bảng 3.1 với giả thiết là thành phần xoay chiều được phân bố đều trên tụ điện và nội trở tương đương của các tụ điện vào/ra. Dựa theo [97], tụ điện vào CI được xác định và lựa chọn với giá trị tương ứng là 6,8 F (RC  5 m ). Dựa trên cơ sở của tham số xác định trong bảng 1.5 và dải thay đổi của đầu ra theo mạch tải, giá trị thiết kế của tụ điện ra sẽ được lựa chọn là [98]. Như vậy, với các giá trị đã tính toán và lựa chọn cho thiết kế mạch công suất, mạch DC-DC đạt được hoạt động trong chế độ dẫn dòng liên tục CCM với dải rộng của dòng điện cung cấp cho mạch tải từ 50 – 1000 mA. 3.3.2.2. Mạch điều chế độ rộng xung PWM Hình 3.4 minh họa sơ đồ mạch và dạng sóng mô tả hoạt động của mạch điều chế PWM. Trong đó, điện áp VC được so sánh với điện áp xung răng cưa VRmp có tần số không đổi fS và biên độ là VM. Độ rộng xung của tín hiệu VPWM tại đầu ra của mạch điều chế PWM được xác định theo sự thay đổi biên độ của điện áp VC, tức là hệ số hoạt động D được điều chế bởi giá trị của điện áp sai lệch VC. Hàm truyền đạt của mạch điều chế PWM được xác định bởi biểu thức (3.6). ( ) ( ) (3.6) ( ) Thiết kế mạch so sánh CM: kết quả mô phỏng của mạch so sánh CM đã thực hiện với tụ tải 1 pF có thời gian trễ lan truyền trung bình đạt xấp xỉ 11 ns. Kết quả này là phù hợp với yêu cầu mạch so sánh tốc độ cao và trễ lan truyền nhỏ trong mạch điều chế độ rộng xung PWM.
17 (a) (b) Hình 3.4. Điều chế độ rộng xung PWM. (a) Mạch điều chế PWM. (b) Dạng sóng tín hiệu PWM. 3.3.2.3. Mạch bù tần số Hàm khuếch đại vòng của mạch DC-DC được xác định bởi ( ) ( ) ( ) ( ). Trong đó, ( ) là hàm truyền đạt vòng hở của mạch công suất trong (3.3), ( ) là hàm truyền đạt của mạch điều chế PWM trong (3.6) và ( ) là hàm truyền đạt của mạch bù tần số. Trong thiết kế này, mạch bù tần số loại III trong hình 3.8 được áp dụng để cải thiện độ dự trữ pha PM cho hàm khuếch đại vòng ( ). Điều này nhằm mục đích cải thiện hoạt động ổn định cho hệ thống mạch DC-DC với tải là mạch sạc pin Li-Ion. Hàm truyền đạt trong miền s của mạch bù tần số được xác định theo biểu thức (3.7). Hình 3.8. Sơ đồ thiết kế mạch bù tần số loại III. ( ) ( ) ( )( ) ( ) (3.7) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )
18 Trên cơ sở phân tích thiết kế bù tần số cho mạch DC-DC trong [89, 99], giải pháp bù tần số được thực hiện với tần số cắt được lựa chọn tại giá trị , các tần số điểm không được thiết lập tại các giá trị tương ứng là và , các tần số điểm cực còn lại sẽ được xác định tại các dải giá trị tương ứng là và ( ) . Theo đó, các tham số trong mạch bù tần số sẽ được tính toán và lựa chọn dựa trên các giá trị chuẩn trong thiết kế thực tế. Kết quả mô phỏng hàm khuếch đại vòng ( ) với trường hợp điển hình (VDC = 4 V và IDC = 1 A) có độ dự trữ pha PM đạt xấp xỉ 59,4 tại tần số cắt o và giá trị dự trữ biên độ GM đạt 27 dB tại tần số 445 KHz. Như vậy, kết quả của thiết kế mạch bù tần số đã đảm bảo cho mạch DC-DC hoạt động ổn định trong dải tần số thiết kế. Thiết kế mạch khuếch đại EA: nhằm đảm bảo yêu cầu hoạt động của mạch bù tần số, cấu trúc thiết kế mạch khuếch đại OA dựa theo [100] được thực hiện với các kết quả đạt được là Av = 70 dB, BW  538 KHz và UBW  238 MHz. 3.3.2.4. Mạch điều khiển chuyển mạch Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển chuyển mạch trong hình 3.12 bao gồm các khối chính là mạch đệm P, mạch đệm N và mạch logic. Các mạch đệm P và mạch đệm N đều được cấu thành từ chuỗi các mạch đảo nối tiếp nhau nhằm cung cấp các tín hiệu điều khiển chuyển mạch là VP và VN. Dựa trên các tín hiệu điều khiển VP và VN được tạo trễ bởi chính các mạch đệm tạo ra chúng, mạch logic thực hiện chức năng phân phối tín hiệu vào VPWM đến các mạch đệm, sao cho các tín hiệu VP và VN được tạo ra không bị chồng lấp tại thời điểm mở/ngắt các chuyển mạch công suất. Dựa trên các phân tích lý thuyết và thiết kế mạch điều khiển chuyển mạch trong [95, 101-103], trong thiết kế này, số tầng mạch đảo NI = 4 và hệ số nhân tăng cấp giữa các tầng liên tiếp nhau U = 4 được lựa chọn cho thiết kế các mạch đệm P và mạch đệm N. Hình 3.12. Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển chuyển mạch. 3.3.2.5. Mạch tạo xung răng cưa Nhìn chung, các mạch tạo tín hiệu điện áp xung răng cưa [101, 104, 105] thường dựa trên cơ chế nạp/xả có điều khiển của tụ điện. Theo đó, sơ đồ thiết kế mạch tạo xung răng cưa được đưa ra trong hình 3.13. Biên độ của tín hiệu xung được xác định dựa trên giá trị của các điện áp chuẩn V1 và V2 trong (3.8). Chu kỳ của tín hiệu xung được xác định là hàm theo thời gian nạp (tr) và thời gian xả (tf) của tụ CR. Trong đó, thời gian nạp tr chỉ phụ thuộc vào tham số giá trị của các phần tử R1, CR và được xác định bởi (3.9). Thời gian xả tf của tụ CR có giá trị bằng không