Những kiến thức cơ bản về bộ chuyển đổi nguồn DC/DC cần biết
1. Bộ chuyển đổi DC/DC là gì?
2. Phân loại bộ chuyển đổi DC-DC
3. Các vấn đề thường gặp liên quan đến thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC
1. Bộ chuyển đổi DC/DC là gì?
Bộ biến đổi DC-DC (bộ biến đổi điện áp một chiều DC-DC) là mạch điện tử hoặc thiết bị cơ điện dùng để chuyển đổi nguồn dòng điện một chiều (DC) từ mức điện áp này sang mức điện áp khác. Thiết bị này hoạt động với cơ chế lưu trữ tạm thời năng lượng đầu vào và sau đó giải phóng năng lượng đó cho đầu ra ở một điện áp khác. Mức công suất của bộ biến đổi DC-DC từ rất thấp (pin nhỏ) đến rất cao (truyền tải điện cao áp).
Các thành phần lưu trữ từ trường (cuộn cảm, máy biến áp) hoặc các thành phần lưu trữ điện trường (tụ điện) có thể thực hiện lưu trữ năng lượng điện. Việc đẩy mật độ công suất lên cao hơn và nhu cầu về hiệu suất cao hơn khiến bộ chuyển đổi DC-DC mô-đun trở thành một môi trường đòi hỏi khắt khe đối với các IC nguồn. Điều này đòi hỏi bộ chuyển đổi DC-DC được thiết kế phải đáp ứng được về khả năng chịu nhiệt và hiệu suất thể tích.
Một số bộ chuyển đổi DC-DC cho phép truyền năng lượng trong một hai chiều. Lúc này, các điốt của bộ chuyển đổi thông thường được thay thế bằng các bóng bán dẫn được điều khiển độc lập, thường được sử dụng cho phanh xe tái sinh hoặc KERS.
Bộ chuyển đổi DC-DC có thể ở dạng tích hợp hoặc mô-đun tùy vào thiết kế. Ở dạng mô - đun, các phần tử khác được thêm vào giúp bộ chuyển đổi có nhiều chức năng hơn và được sử dụng theo cách đơn giản hơn..
Sau quá trình chuyển đổi, nó thường được gọi là bộ điều chỉnh tuyến tính, bộ điều chỉnh chuyển mạch hoặc các thuật ngữ khác.
2. Phân loại bộ chuyển đổi DC-DC
Bên cạnh thắc mắc về bộ biến đổi DC-DC là gì thì cũng có nhiều người dùng không rõ bộ chuyển DC-DC có những loại nào. Dưới đây là các bộ chuyển đổi DC - DC được phân chia tùy theo đặc điểm từng loại. Cụ thể:
• Bucks: Đây là bộ chuyển đổi DC-DC đơn giản và phổ biến nhất. Bộ Bucks có đầu vào và đầu ra cùng mặt với nhau, đảm bảo điện áp đầu ra được duy trì ở một giá trị cụ thể, ngay cả khi tải đầu ra có thể thay đổi.
• Thang máy (Tăng cường): Bộ chuyển đổi này tăng điện áp thay vì giảm điện áp xuống và điện áp đầu ra luôn cao hơn đầu vào. Đầu ra có mặt bằng với đầu vào và chủ xe không thể giới hạn dòng điện đầu ra bằng điện tử.
• Flyback: Điện áp đầu ra có thể thấp/cao hơn điện áp đầu vào với cực tính đảo ngược. Đây là một loại bộ chuyển đổi có thể có đầu vào, đầu ra hoặc không. Trong những thiết bị được cách ly, việc chuyển đổi sẽ được thực hiện bằng máy biến áp.
• Trực tiếp (Chuyển tiếp): Cơ chế hoạt động của bộ chuyển đổi này giống như Bucks. Tuy nhiên, bộ chuyển trực tiếp có một biến áp hoạt động cách điện giữa đầu vào và đầu ra, có thể tạo ra nhiều đầu ra với điện áp cao hơn đầu vào, tùy thuộc vào cuộn thứ cấp.
• Đẩy-kéo (PUSH-PULL): Sử dụng bóng bán dẫn ở đầu vào của cuộn sơ cấp, tạo ra sóng đối xứng và điốt ở đầu vào thứ cấp, đồng thời đạt được chỉnh lưu sóng kép.
• Cầu: Nếu hoạt động ở cuộn thứ cấp, cầu giống như cuộn dây đẩy kéo. Ngược lại, nếu hoạt động ở cuộn sơ cấp, bộ chuyển đổi thực hiện sóng đối xứng với bốn tranzito cầu làm việc theo cặp.
• Cầu nửa chừng: Đây là một hình thức đơn giản hóa của bộ chuyển đổi cầu DC-DC, có hai bóng bán dẫn và hai tụ điện trong sơ cấp.
Bên cạnh thắc mắc về bộ biến đổi DC-DC là gì thì cũng có nhiều người dùng không rõ bộ chuyển DC-DC có những loại nào. Dưới đây là các bộ chuyển đổi DC - DC được phân chia tùy theo đặc điểm từng loại. Cụ thể:
• Bucks: Đây là bộ chuyển đổi DC-DC đơn giản và phổ biến nhất. Bộ Bucks có đầu vào và đầu ra cùng mặt với nhau, đảm bảo điện áp đầu ra được duy trì ở một giá trị cụ thể, ngay cả khi tải đầu ra có thể thay đổi.
• Thang máy (Tăng cường): Bộ chuyển đổi này tăng điện áp thay vì giảm điện áp xuống và điện áp đầu ra luôn cao hơn đầu vào. Đầu ra có mặt bằng với đầu vào và chủ xe không thể giới hạn dòng điện đầu ra bằng điện tử.
• Flyback: Điện áp đầu ra có thể thấp/cao hơn điện áp đầu vào với cực tính đảo ngược. Đây là một loại bộ chuyển đổi có thể có đầu vào, đầu ra hoặc không. Trong những thiết bị được cách ly, việc chuyển đổi sẽ được thực hiện bằng máy biến áp.
• Trực tiếp (Chuyển tiếp): Cơ chế hoạt động của bộ chuyển đổi này giống như Bucks. Tuy nhiên, bộ chuyển trực tiếp có một biến áp hoạt động cách điện giữa đầu vào và đầu ra, có thể tạo ra nhiều đầu ra với điện áp cao hơn đầu vào, tùy thuộc vào cuộn thứ cấp.
• Đẩy-kéo (PUSH-PULL): Sử dụng bóng bán dẫn ở đầu vào của cuộn sơ cấp, tạo ra sóng đối xứng và điốt ở đầu vào thứ cấp, đồng thời đạt được chỉnh lưu sóng kép.
• Cầu: Nếu hoạt động ở cuộn thứ cấp, cầu giống như cuộn dây đẩy kéo. Ngược lại, nếu hoạt động ở cuộn sơ cấp, bộ chuyển đổi thực hiện sóng đối xứng với bốn tranzito cầu làm việc theo cặp.
• Cầu nửa chừng: Đây là một hình thức đơn giản hóa của bộ chuyển đổi cầu DC-DC, có hai bóng bán dẫn và hai tụ điện trong sơ cấp.
3. Các vấn đề thường gặp liên quan đến thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC
Một vấn đề phổ biến khác đối với bất kỳ công ty thiết kế điện tử nào là đáp ứng các yêu cầu chứng nhận và quy định khác nhau. Việc sử dụng bộ chuyển đổi DC-DC có thể ảnh hưởng đến các đặc điểm và tính năng của thiết bị từ khía cạnh an toàn và tương thích điện từ. Hơn nữa, các ứng dụng khác nhau có thể áp đặt các yêu cầu bổ sung.
• Các vấn đề về EMC
Khả năng tương thích điện từ là một trong những vấn đề rõ ràng nhất mà người ta có thể gặp phải khi sử dụng bộ chuyển đổi DC-DC. Do hiệu quả cao hơn, các loại chuyển đổi rất phổ biến. Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên, chúng tạo ra nhiễu điện từ.
Do đó, các thiết bị như vậy phải được kiểm tra khả năng tương thích điện từ để đảm bảo chúng không gây ra hiệu ứng nhiễu điện từ trên các thiết bị khác.
• Những vấn đề an toàn
Trong nhiều thiết bị, chênh lệch giữa điện áp đầu vào và đầu ra có thể lên tới hàng trăm vôn, điều này có thể cực kỳ nguy hiểm. Do đó, thiết bị sử dụng bộ chuyển đổi DC-DC điện áp cao (HV) (ví dụ: điện tử công suất) phải đáp ứng các yêu cầu về an toàn. Chúng được quy định bởi các tiêu chuẩn khác nhau, phổ biến nhất là IEC 60950-1 cho thiết bị công nghệ thông tin, IEC 60335-1 cho thiết bị điện gia dụng và các mục đích tương tự, và IEC 60601-1 cho thiết bị điện y tế. Lưu ý rằng các tiêu chuẩn quốc gia dựa trên tiêu chuẩn của Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế nhưng có thể có sai lệch.
Bất cứ khi nào cần cung cấp mức độ an toàn cần thiết, các nhà thiết kế điện tử sử dụng bộ chuyển đổi biệt lập vì chúng không có kết nối trực tiếp giữa mạch đầu vào và đầu ra. Tiêu chuẩn IEC 60950-1 phân biệt năm cấp cách điện.
• Chức năng cách nhiệt
Cách điện chức năng giữa các mạch đầu vào và đầu ra chỉ cần thiết cho hoạt động bình thường của thiết bị. Tuy nhiên, nó không cung cấp đủ khả năng bảo vệ khỏi bị điện giật nếu lớp cách điện đầu vào-đầu ra bị hỏng hoặc lỗi. Mức độ bảo vệ này phải đáp ứng ít nhất một trong các bộ yêu cầu của tiêu chuẩn:
a) Chiều dài đường dò và khe hở không khí;
b) Thử nghiệm độ bền điện;
c) Thử nghiệm tình trạng sự cố.
• Cân nhắc về nhiệt
Bộ chuyển đổi DC-DC chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị di động. Môi trường di động có thể cực kỳ khắc nghiệt đối với thiết bị điện tử, vì vậy các nhà phát triển phải quan tâm đến vấn đề sinh nhiệt càng sớm trong giai đoạn thiết kế càng tốt.
Lưu ý rằng nhiệt độ toàn công suất tối đa của bộ chuyển đổi DC-DC có thể rất khác so với nhiệt độ mà tại đó các tiêu chuẩn khác nhau áp dụng(cụ thể là EN60950-1 và UL60950-1).
Một vấn đề phổ biến khác đối với bất kỳ công ty thiết kế điện tử nào là đáp ứng các yêu cầu chứng nhận và quy định khác nhau. Việc sử dụng bộ chuyển đổi DC-DC có thể ảnh hưởng đến các đặc điểm và tính năng của thiết bị từ khía cạnh an toàn và tương thích điện từ. Hơn nữa, các ứng dụng khác nhau có thể áp đặt các yêu cầu bổ sung.
• Các vấn đề về EMC
Khả năng tương thích điện từ là một trong những vấn đề rõ ràng nhất mà người ta có thể gặp phải khi sử dụng bộ chuyển đổi DC-DC. Do hiệu quả cao hơn, các loại chuyển đổi rất phổ biến. Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên, chúng tạo ra nhiễu điện từ.
Do đó, các thiết bị như vậy phải được kiểm tra khả năng tương thích điện từ để đảm bảo chúng không gây ra hiệu ứng nhiễu điện từ trên các thiết bị khác.
• Những vấn đề an toàn
Trong nhiều thiết bị, chênh lệch giữa điện áp đầu vào và đầu ra có thể lên tới hàng trăm vôn, điều này có thể cực kỳ nguy hiểm. Do đó, thiết bị sử dụng bộ chuyển đổi DC-DC điện áp cao (HV) (ví dụ: điện tử công suất) phải đáp ứng các yêu cầu về an toàn. Chúng được quy định bởi các tiêu chuẩn khác nhau, phổ biến nhất là IEC 60950-1 cho thiết bị công nghệ thông tin, IEC 60335-1 cho thiết bị điện gia dụng và các mục đích tương tự, và IEC 60601-1 cho thiết bị điện y tế. Lưu ý rằng các tiêu chuẩn quốc gia dựa trên tiêu chuẩn của Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế nhưng có thể có sai lệch.
Bất cứ khi nào cần cung cấp mức độ an toàn cần thiết, các nhà thiết kế điện tử sử dụng bộ chuyển đổi biệt lập vì chúng không có kết nối trực tiếp giữa mạch đầu vào và đầu ra. Tiêu chuẩn IEC 60950-1 phân biệt năm cấp cách điện.
• Chức năng cách nhiệt
Cách điện chức năng giữa các mạch đầu vào và đầu ra chỉ cần thiết cho hoạt động bình thường của thiết bị. Tuy nhiên, nó không cung cấp đủ khả năng bảo vệ khỏi bị điện giật nếu lớp cách điện đầu vào-đầu ra bị hỏng hoặc lỗi. Mức độ bảo vệ này phải đáp ứng ít nhất một trong các bộ yêu cầu của tiêu chuẩn:
a) Chiều dài đường dò và khe hở không khí;
b) Thử nghiệm độ bền điện;
c) Thử nghiệm tình trạng sự cố.
• Cân nhắc về nhiệt
Bộ chuyển đổi DC-DC chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị di động. Môi trường di động có thể cực kỳ khắc nghiệt đối với thiết bị điện tử, vì vậy các nhà phát triển phải quan tâm đến vấn đề sinh nhiệt càng sớm trong giai đoạn thiết kế càng tốt.
Lưu ý rằng nhiệt độ toàn công suất tối đa của bộ chuyển đổi DC-DC có thể rất khác so với nhiệt độ mà tại đó các tiêu chuẩn khác nhau áp dụng(cụ thể là EN60950-1 và UL60950-1).
