Chia sẻ Hướng dẫn thiết kế mạch flyback 19V - 2.37A, eff 70% sử dụng TOP224

hoangduc.rl

Học sinh phổ thông
#1
Hướng dẫn thiết kế mạch flyback 19V - 2.37A, eff 70% sử dụng TOP224
------------------------------------------------------------
Chỉnh sửa lần 1: Để xem bài viết này không bị lỗi font và lỗi hình ảnh bị thu nhỏ, các bạn có thể download link này:
Flyback 19V 2.37A guide.rar - Google Drive
------------------------------------------------------------
Chỉnh sửa, bổ sung lần 2: Thay tản nhiệt, chạy tải định mức trong vòng 1 tiếng, hiệu suất đạt 73%, các bạn xem các post bên dưới nhé :D, bạn mod nào đi qua giúp mình sửa lại tiêu đề là eff = 70% với. Cám ơn các bạn :D
------------------------------------------------------------
Kết quả: Chạy mạch sau 20 phút ở R = 7.9 (ohm), mình đang thử tải với tản nhiệt IC nhỏ có sẵn, sau đó sẽ thiết kế lại tản nhiệt sau cùng. Điện áp ngõ ra dao động từ 19.11 - 19.07 (V), dòng từ 2.40 đến 2.41 (A). hiệu suất đạt 80%, tản nhiệt sau 20-30 phút thì rất nóng, RCD không nóng, cần tăng tiết diện tấm tản nhiệt.





LỜI NÓI ĐẦU

Xin chào các bạn,

Mình viết bài này nhằm mục đích chia sẻ thiết kế mạch flyback của mình, qua đó nâng cao kỹ năng trình bày và nhận được đóng góp từ các bạn, để mọi người cùng thảo luận và cùng nhau tiến bộ.

Mình không có smart-phone chụp hình, hình trên là do mượn điện thoại của một người bạn chụp lại, còn các hình dưới chụp bằng camera webcam nên chất lượng không tốt lắm.

Trong bài viết mình có thêm một số từ khoá bằng tiếng Anh, chú thích phía sau tiếng Việt,tạo thuận tiện cho quá trình dò tìm thêm tài liệu tham khảo của các bạn.

Mình sẽ dẫn nguồn thông tin sát sau mỗi phân tích để cho những bạn mới tập thiết kế như mình tiện theo dõi, mà không dẫn nguồn của tài liệu tham khảo ở phần cuối cùng.

Xuyên suốt bài, mình có chia sẻ một vài mẹo (tips) nhỏ tuy không mới, nhưng rất có ích với những bạn mới.

Thống nhất: Không đi vào quá sâu chứng minh toán học mà đi vào tổng quan, và làm được sản phẩm cuối cùng chạy đúng công suất, đạt hiệu suất, và chất lượng điện áp đầu ra tốt.

Các tài liệu, phần mềm và công cụ cần thiết: Sẽ đính kèm xuyên suốt cho các bạn dễ dò tìm.

Gửi lời cám ơn đến các thầy mình không tiện nhắc tên, và các bạn đã cho mình mượn dụng cụ để kiểm tra hoàn thành mạch này.

Các phần không có:


Thiết kế dùng biểu đồ bode.

Tính toán EMI.

Kỹ thuật quấn "sandwich"

Tối ưu hoá hiệu suất.


Dưới đây mình sẽ nói khái quát nhất những điểm chính, để những bạn chưa có kiến thức cũng nắm được những ý chính, phần nào các bạn biết rồi có thể bỏ qua cho nhanh.


Nguyên lý hoạt động của mạch flyback:


Flyback dựa trên nguyên lý hoạt động của mạch Buck-Boost mà trong đó, cuộn cảm ngõ ra được tích hợp 2-trong-một, cuộn biến áp vừa là linh kiện biến đổi mức điện áp, vừa là linh kiện tích trữ năng lượng.

Dấu cực tính: Là 2 dấu chấm được biểu thị trên cùng một hình vẽ bên dưới, nó cho thấy chiều quấn của 2 cuộn dây trên một mạch từ( lõi biến áp sắt từ, lõi ferrite, lõi toiroidal ferrite), dấu cực tính cho biết sự cùng dấu cực tính của thế điện đặt vào 2 cuộn dây.

Xét trường hợp lý tưởng, khoá bán dẫn(KBD) (semiconductor switching devices) không tổn hao (2 loại tổn hao chính: tổn hao khi KBD chuyển trạng thái và tổn hao khi xác lập trạng thái)

Ở trạng thái đóng (on-state) KBD đóng (trong IC TOP224 là mosfet được tích hợp bên trong) , điện áp đặt vào cuộn sơ cấp bằng điện áp nguồn DC. Do có cùng cực tính, điện áp đặt vào cuộn thứ cấp có cực tính như trong hình vẽ, diode phân cực ngược nên không xảy ra sự trao đổi năng lượng với sơ cấp, tải được cung cấp năng lượng nhờ tụ điện. Năng lượng được tích trữ trong cuộn sơ cấp dưới dạng từ trường, Năng lượng được tích trữ trong cuộn sơ cấp dưới dạng từ trường phần lớn nhờ khe hở không khí.



Ở trạng thái mở (off-state), dòng qua cuộn cảm có tính liên tục, làm cuộn cảm hoạt động như một nguồn dòng, cực tính trên cuộn cảm đảo chiều. Cực tính của cuộn thứ cấp cũng đảo chiều theo, diode phía thứ cấp phân cực thuận nên dẫn. Từ trường được tích trữ trong cuộn sơ nhanh chóng sụt xuống, chuyển thành điện năng cấp cho tải và sạc lại năng lượng cho tụ.

(Không đi quá sâu vào phân tích chỗ này vì rất phức tạp !!!)

Điện áp trên cuộn cảm lúc này là điện áp "fly-back" (bay ngược về) - phản hồi ngược về và có giá trị N*Vo | N là tỷ số biến áp N = NP/Ns.

(ở một số tài liệu còn có thể bắt gặp thuật ngữ "fly-back energy" để chỉ từ trường quá trình sụt từ trường nói trên).

Lúc này, điện áp đặt lên cực Drain (D) của mosfet có giá trị bằng

VD = VDC in + N*Vo

Nhìn vào AN16, thấy ST204 là nhiều linh kiện nhất, vậy sẽ chọn ST204 là cấu hình để thiết kế mạch flyback.

Giải thích sơ qua chức năng các linh kiện của ST204: Tham khảo trang 9 AN14

- BR1, C1 nắn áp AC vào tạo áp DC đưa vào biến áp xung và TOP223

- D1 và VR1 ghim gai áp tạo ra trên chân Drain của TOP223 do sự cộng hưởng của từ tản và điện dung ký sinh trên mosfet nội. Ở bên dưới sẽ không sử dụng D1 và VR1 mà sử dụng RCD, đơn giản vì mình không mua được con zener 200V 5W, bạn nào mua được thì ok không cần làm RCD cho phức tạp.

- T1 là linh kiện biến đổi mức điện áp dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ trường: Điện trường biến thiên sinh ra từ trường biến thiên và ngược lại)

- D2 có nhiệm vụ chỉnh lưu áp thứ cấp. ( mà trong các mạch khác như half bridge, full bridge thì việc sử dụng D2 đã làm giảm khả năng truyền công suất đi một nửa do chỉ tận dụng năng lượng của một bán kỳ).

- C2 tương tự tụ C1, lọc điện áp AC đi ra từ ca-tốt (cathode) của D2 tạo thành áp DC.

AC hay DC???

Vẫn rất nhiều người nhầm lẫn và chưa thể phân biệt, và sự định nghĩa AC, DC vẫn chưa thật rõ ràng !

Phân tích fourier của một chuỗi tín hiệu tuần hoàn theo thời gian, cho ta nhiều thành phần tần số của sóng sine, vì vậy, điện áp ở ca-tốt của D2 là điện áp xoay chiều mặc dù có biên dộ dương và "direct curent" vì đã được D2 nắn, chỉ chạy theo 1 chiều !!!

Chứng minh bằng thực nghiệm: gắn nối tiếp phía sau D2 một tụ điện, tụ này dẫn, vậy đây là "alternative current" !!!

- L1 và C3 tạo thành mạch lọc LC cho điện áp ngõ ra. (lọc lần 2 cho những ứng dụng yêu cầu nguồn chất lượng tốt, có đợ gợn sóng điện áp nhỏ (ripple voltage))

- D3 và C4 là mạch cấp nguồn cho IC TOP. Trong những mạch thương mại giá rẻ không sử dụng opto quang học, D3 và C4 là mạch hồi tiếp chính để điều chỉnh điện áp ngõ ra (primary regulation).

- L2 và C7 lọc nhiễu chế độ chung (common mode): Đây là phần khó nên mình không nói tới, chỉ đơn giản là biết cách quấn cuộn L2 và chọn C7.

Tương tự L2 và C6 lọc nhiễu chế độ vi sai (differential mode).

- C5 lọc bỏ xung dòng vào chân điều khiển (control pin), định tần số tự động khởi động lại IC (auto restart frequency), C5 còn kết hợp với R1 tạo ra bù (bù biên độ, bù pha trong thiết kế dùng biểu đồ bode) trong điều khiển vòng kín.



Điều khiển vòng kín:



Nó cũng tương tự thiết kế cơ khí của phương pháp trồng cây trong nhà kính, thay vì trồng tự nhiên sẽ khó có thể kiểm soát được các yếu tố ngoại cảnh tác động. Thay vào đó, điều khiển vòng kín "vây lưới" để các yếu tố này nằm trong tầm kiểm soát, và có thể điều khiển (manipulation) được !!!

- TL431 đóng vai trò là một bộ điều chỉnh mắc nhánh, các bạn tham khảo thêm link dưới đây đã được viết rất chi tiết cho người mới học:

Regulated Power Supplies

Giải thích sơ: Bằng thuật toán khuếch đại vi sai và đủ thứ thập cẩm bên trong, TL431 tạo ra điện áp ngõ ra trên chân ca-tốt có giá trị từ Vref -> 36V, từ đó điều chỉnh dòng đi qua linh kiện nối phía trên nó.




- R4 và R5 là mạch chia áp để lấy Vref

- C9 và R4 quyết định đáp ứng tần số của mạch khuếch đại vi sai bên trong TL431

- R1 hạn dòng cho LED của opto quang học và thiết lập hệ số độ lội của mạch khuếch đại bên trong.

Các bạn sử dụng spreadsheet sau đây để thiết kế:

acdc_top_rev3_1_040899.xls - Google Drive

Thiết kế cầu chì F1:

Để đơn giản, tra google: "input fuse design power intergration" được link này:

input fuse and common mode choke current rating | Power Integrations

Ghi chú: Hiện tại mình đang dùng phần mềm lingoes để tra, và dùng prodic 2007 bổ trợ thêm.



Thiết kế cầu chì dựa trên nhiều thông số như: Nhiệt độ nóng chảy, thời gian chảy chì (dòng quá độ diễn ra trong bao lâu), dòng RMS của dây chảy. Bạn nào muốn tìm hiểu sâu thì đọc thêm.



Po = 19*2.37 = 45 W

Iin =


Nhìn vào trang 13 AN16

Iin = Iin =


Hệ số nhân của cầu chì:
= 4.29

Suy ra: cầu chì F1 cần chọn là 0.549*4.29 = 2.355 => Chọn cầu chì 2.5A hoặc 3A.

Tips: Sử dụng bóng đèn sợi đốt như thermistor (điện trở nhiệt) để giảm rủi ro cháy nổ linh kiện: Sau khi mạch đã hoàn tất ở bước cuối cùng (thiết kế C5 và R3), bạn tháo cầu chì, thay cầu chì bằng 2 bóng sợi đốt nối tiếp 200W và 60W, rồi bật nguồn, nếu bóng sợi đốt 60W sáng loé không tắt, bạn kiểm tra lại mạch, nếu bóng 60W sáng loé lên chụp giựt, bạn bỏ bóng 60W ra và thay bằng bóng 200W và thử mạch.

Sau khi hết lỗi, bạn tháo cả 2 bóng ra và thay cầu chì 3A vào mạch.


Thiết kế C6 và L2:

EMI filter là một phần nâng cao rất khó, có thể nói nhiễu là một trong những vấn đề khó nhất trong ĐTCS, nên ở đây sẽ không thiết kế, mà mình sẽ viết một phần giới thiệu cách sử dụng máy đo LRC giá rẻ để quấn được cuộn L2, L1 với độ chính xác cao.

Ở đây, mình sử dụng máy đo Pro'sKit MT-5211, trước đây mua ở điện tử Dân Xuân với giá khoảng 980K, sinh viên có thể để dành tiền trang bị 1 cái phục vụ học tập.



Quấn cuộn L2

Nhận xét cuộn L2: được chia làm 2 phần, đây là kỹ thuật quấn rải chia bobbin. Chúng ta sẽ áp dụng để quấn cuộn L2 trên lõi ferrite EER28. Quấn cuộn thứ nhất ở phần nửa dưới thân bobbin, quấn cuộn thứ 2 ở phần thân nửa trên bobbin.

Vì common mode emission filter có chung cực tính nên quấn dây cùng chiều và không cần suy nghĩ.






Các bạn sử dụng spreadsheet với các thông số mình đã thiết kế, nhìn vào ô F45. Ở đây dòng Iavg là 0.27A.



Tiếp tục nhìn vào ô F61



Đây là thông số cho đường kính dây quấn biến áp T1. L2 của chúng ta nằm phía trước nguồn DC và không chịu tần số cao của phần đóng cắt công suất, mà chịu tần số 50Hz của áp lưới, và nhiễu EMI. Vì vậy, ở đây có thể chọn dây nhỏ hơn. Mình chọn dây 0.18mm cho dòng 0.5A, ra tiệm tamtien ferrite ở Nhật Tảo mua không có cuộn 33mH nên tự quấn luôn cho linh động.

http://ferrite.webmienphi.in/

Phương pháp sau đây dùng để quấn cuộn L2 và L1

B1: mua một lõi ferrite công suất nhỏ, lưu ý là mình không quấn bằng lõi toroid vì cuộn L2 rất nhiều vòng, vì vậy sẽ rất đuối ! Ở đây mình có sẵn lõi EER28 70W nên dùng luôn.

B2: xác định hệ số K: L = K*N^2

Dùng dây đồng 0.18 mm quấn 100 vòng, quanh bobin, sau đó đè chặt lõi, dùng máy đo MT-5211 đo được L = 31.0 mH

suy ra K = L/N^2 = (31*10^-3)/(100^2)

Tháo bớt khoảng 10 đến 20 vòng, đo L thêm một lần nữa và suy ra được hệ số K, lấy trung bình, ta được hệ số K của lõi EER28.

Quấn L2 = 33mH

L2 = 33mH =>

N = sqrt(L/K) =sqrt(33*10^-3/K) = 103 vòng

Quấn 103 vòng, đo lại, ta được L = 31.8mH

Độ chính xác = (33-31.8)/33 = 3.6%

Nguyên nhân: Khi đo lần 1 và lần 2, ta dùng tay đè chặt nênL tăng, khi giữ lõi ferrite bằng băng keo vàng, áp lực lên lõi nhỏ hơn, khe hở không khí lớn hơn nên giảm một chút. Vì vậy lần sau có thể quấn lên 104 đến 105 vòng sẽ cho độ chính xác cao hơn.

Kiểm chứng độ chính xác bằng máy đo DE-5000 của phòng thí nghiệm cũng cho kết quả tương đương.

Thiết kế cuộn L1: Yêu cầu quấn: 4.4 uH 3A.

Chọn kích cỡ dây quấn: Dây quấn cuộn L1 có cùng kích cỡ với dây quấn thứ cấp của biến áp xung T1, sẽ gộp luôn vào phần dưới.



Vì ở đây, máy đo MT-5211 có tầm đo nhỏ nhất là 2mH nên không thể đo được giá trị này.

Ta quấn 100 vòng quanh lõi toroid XVT18, tương tự như trên, ta tính được hệ số K của lõi XVT18 là K = (0.6875*10^-3)/(100^2)

L = 4.4 uH => N = 8 vòng

Quấn 8 vòng, ta dùng máy đo kiểm tra ở thang đo 100Khz cho giá trị L = 4.596 uH

Độ chính xác: (4.596 - 4.4)/4.4 = 4.45%

Nguyên nhân:

3 dây bện lại nên rất cứng, làm cho dây bị gồng cong lên mà không ôm sát bề mặt, dây dài hơn 5%. Lõi toroid còn có các cạnh được bo tròn mà không phải vuông góc lý tưởng như trong hình. Vì vậy, cần giảm hệ số này xuống 4%. vì số vòng quấn tỷ lệ với chiều dài dây dẫn.



Sau đây là kết quả mà ta ước lượng:

Lúc này L = K*(0.04*N +N)^2 = (0.6875*10^-3)/(100^2) * (0.04 *8 + 8)^2 = 4.759 uH

Độ chính xác: (4.759 - 4.6)/ 4.6 = 3.456%



Thực nghiệm kết quả cho thấy, khi ta dùng kìm vừa quấn, vừa bóp để dây quấn ôm sát mạch từ, độ chính xác sẽ lên cao hơn nữa. Đây là lý do vì sao khi ta quấn bằng các dây mềm như 0.18mm, sẽ ôm sát vào lõi hơn, và vì vậy độ chính xác cao hơn.

Ngoài ra, chiềudài còn phụ thuộc vào chiều dài 3 dây, vì khi chập 3 dây xoắn lại, chiều dài của chúng không bằng nhau. vì vậy, quấn dây đơn sẽ ước lượng độ chính xác cao hơn.

Việc dùng phương pháp quấn ước lượng này sẽ cho ta thu được hệ số K của nhiều lõi trong thực tế, đặc biệt là các lõi bán ở quầy, hay các lõi rã máy cũ chợ trời và không rõ thông số.

Nếu bạn làm chuyên về mảng ĐTCS, thì có thể tận dụng dây quấn 100 vòng để quấn ngay và thu luôn nhiều hệ số K của các lõi thường gặp khác. Vì vậy, sau này thiết kế không phải tốn công quấn lại, và cũng tiết kiệm được dây đồng.

Thiết kế biến áp xung T1:

Sử dụng spreadsheet và AN16 để thiết kế như sau:

Ô B3 và B4: Chọn 230V rail (dải điện áp 230V) table 1, trang 5 vì chỉ thiết kế để xài ở nhà.

fL =50 Hz là tần số điện lưới Việt Nam.

fS = 100Khz là tần số mặc định của top223

Vo = 19V, Po = 45W,

Ô B9 chọn hiệu suất n bằng 0.7 vì thiết kế lần đầu còn non tay.

Hệ số Z = 0.5 theo trang A5

Ô B11 chọn nguồn cấp 12V vì sử dụng TL431 theo thiết kế ST204

tC bằng 3ms là phù hợp với 1N4007

Ô B13 chọn theo table 3 trang 6: 1uF/1W => 45W = 45uF => chọn tụ 47uF 400V => B3 = 47

Ô B18 chọn VOR = 135V trong table 4 trang 6, tương tự như trên.

Vds chọn bằng 10V

VD chọn bằng 0.4V vì dùng schottky

VDB bằng 0.7V, ở đây dùng 1N4148 để chỉnh lưu cuộn bias winding.

KRP/ KDP chọn từ 0.6 đến 1, ở đây ta thấy khi KRP tăng thì LP tăng (ô F51) , vì vậy, ta chọn KRP bằng 0.6 mà không quan tâm đến continuous mode hay discontinuous mode, để LP lớn nhất có thể cho dễ đo, vì đơn giản là đồng hồ của ta không tốt, và không đi quá sâu vào phần này.

Ô B26 chọn EER28

B35 chọn M bằng 3; Ở đây M là hệ số biểu thị kỹ thuật quấn chừa mép, chống dòng rò, mình sẽ không nói sâu vào phần này vì các biến áp xung flyback đã gặp ko sử dụng kỹ thuật này. Các bạn có thể tự đọc thêm ở trang 3 AN18.

Chọn L = 2

NS = 9

Ô B26, L, NS và nhiều thông số khác đã điền vào, sau khi điền đầy đủ vào cột input, sẽ hiện ra các dấu warning, các bạn điều chỉnh theo hướng dẫn hiện ra, bằng cách dò lại AN16.

Cuối cùng, mình được T1 có các thông số như sau:

- EER28

- TOP224 thay thế TOP223. Ở đây cũng không đi sâu vào phân tích tại sao TOP223 không đạt được công suất tối đa như trong datasheet. Nguyên nhân chính: Nhà sản xuất đã "nói vống" lên. Mà trong thiết kế thường gọi là "derate", nghĩa là những gì nhà sản xuất nói trong datasheet, hãy nhân nó với 0.8 !!! (tức 80%). Ví dụ con diode 1NXXX trong datasheet ghi là dòng RMS bằng 1A, thì dòng RMS đưa vào trong thiết kế sẽ là 1x0.8 = 0.8 A.

Cuộn sơ cấp:

LP = 1210 uH

IP = 1.04A

IRMS = 0.46 A

NP = 63 vòng

OD = 0.34 mm

Khe hở bằng 0.3 mm

Chọn kích cỡ dây cho cuộn sơ cấp không cần dùng thước kẹp: Ở đây mình có một cuộn dây không rõ đường kính, các bạn gấp đôi dây lại, dùng tay miết 2 dây thật sát nhau, sau đó dùng thước nhựa dẻo để đo như sau: Một cách tương đối, đường kính gấp đôi của 2 dây gần điền đầy 1 ô 1mm, chọn 0.8mm, vậy đường kính dây là 0.4mm > 0.34mm.



Cuộn thứ cấp:

NS = 9

ISP = 7.21 A

ISRMS = 4.12 A

ODS =1.19mm

Chọn cỡ dây cho Thứ cấp: Vì cùng tần số với sơ cấp, ta sẽ chọn theo tỷ lệ. ODS = 1.19mm xấp xỉ 1.20 mm, chọn ba dây 0.4mm, ta có được dây 1.2mm.

Cuộn phụ: theo khuyến cáo của nhà sản xuất, cuộn phụ có công suất thấp, nên ta dùng dây 0.18mm (để quấn cuộn L2) là được.

Cách quấn biến áp xung: Đọc AN18.

Sau khi tham khảo các cấu hình quấn, mình chọn được cấu hình quấn ở hình 7A, cấu hình này có các điểm như sau:

Cuộn sơ cấp nằm trong cùng, các cuộn khác nằm ngoài tạo thành lớp chắn EMI, cuộn sơ cấp nằm gần lõi nhất cũng làm giảm từ rò.

Cuộn sơ cấp chỉ nên có càng ít lớp càng tốt, thường là 2 lớp.

Cuộn phụ nằm giữa cuộn sơ và cuộn thứ, tạo thành lớp giáp bọc EMI (EMI shield ) để triệt nhiễu về đường mát của cuộn sơ, đồng thời cũng làm giảm dòng rò giữa cuộn sơ và cuộn thứ trong kỹ thuật quấn chừa mép (margin winding). Để tăng hệ số ghép cặp (tăng khả năng móc vòng của từ thông) lên cuộn này, mình sẽ sử dụng 2 dây 0.18 mm mắc song song, các bạn có thể sử dụng 3 dây hay 4 dây tuỳ ý vì cuộn này chỉ có 6 vòng.

Quấn cuộn thứ cấp: Cuộn thứ cấp được quấn ngoài cùng, ở đây mình không dùng kỹ thuật quấn tách đôi cuộn sơ cấp ( "sandwich") vì nó sẽ tăng độ khó cho người mới làm. Cuộn thứ cấp đã có 3 dây song song, vì vậy tăng số dây để tăng hệ số ghép cặp là không cần thiết.

Chiều cực tính:

Xác định cực tính trên schematic và trên layout thực tế: Sử dụng quy tắc NẮM TAY PHẢI.

Xem layout khuyến cáo trên trang 11 AN14 và schematic trang 13 AN16







Tương tự cho các cuộn còn lại

Sau khi quấn 63 vòng, chia làm 2 lớp, mỗi lớp 32 vòng, tiến hành ghép lõi biến áp, đo L cuộn sơ

Mài lõi giữa biến áp xung cho đến khi có L = 1210 uH

Mình khuyến khích các bạn mài bằng tay sẽ cho độ chính xác cao, vì sử dụng máy dễ bị lố. Cây mài này khoản 10k.



Mài xong các bạn tiến hành quấn 2 cuộn còn lại, nhớ để ý cực tính.

Vậy là đã hoàn thành xong BAX T1.

Tips: Nên mua đồ ở các cửa hàng phía sâu bên trong hoặc ở trên lầu 2 khu Nguyễn Kim A, hoặc ở các khu bán đồ ve chai rã máy trên lầu (đối với các lõi toroid quấn cuộn cảm)

Ví dụ: Mua ở dưới lầu con TOP224 có giá 17k/1 con, mua trên lầu 1 Nguyễn Kim A có giá 11k/1 con.


Thiết kế BR1:

Chọn dòng: Chọn diode có dòng lớn hơn dòng này



Chọn áp: Chọn diode có khả năng chịu được áp ngược lớn hơn Vmax*sqrt(2) = 375 V



Tra datasheet của các diode thường gặp:



Sử dụng quy tắc "derate" của nhà sản xuất:

VR = 0.8 * 560 = 448 V > 265*sqrt(2) = 375 V

Io = 0.8 * 1 = 0.8 A > 0.46 A

Ta chọn được diode 1N4006 và 1N4007

Mình có 1 bịch 1N4007 nên dùng luôn.

Thiết kế tụ C1

Đã chọn ở trên tụ 47uF 400V.


Thiết kế mạch ghim điện áp VR1 và D1 (Thay thế bằng thiết kế RCD snubber)

Ở đây, mình không tìm được zener 200V 5W nên chuyển sang thiết kế RCD snubber. Bạn nào tìm được thì đơn giản và tốt hơn, theo khuyến cáo của nhà sản xuất.



Nói sơ qua mạch ghim điện áp: Các bạn tải AN-4147 của hãng FAIRCHILD về.

Từ thông tản: là từ thông vô ích, nghĩa là từ thông này không móc vòng qua cuộn thứ cấp, hay cuộn phụ để tạo ra công suất.

Điện cảm tản: Là điện cảm được vẽ thêm, tách ra từ LP, biểu thị cho khả năng tạo ra từ thông tản.



Khi đóng cắt mạch, Llk1 cộng hưởng với điện dung ký sinh Coss trên mosfet, tạo ra điện áp như trong hình sau:



nVo là "fly-back" voltage đã nói ở phần trước.


Đo Lleak: đối với những bạn không có máy đo tốt như mình, mới tập quấn thì chọn Lleak bằng 1.3% đến 1.6% LS.

Các bạn quấn chuyên nghiệp rồi, và có áp dụng kỹ thuật quấn "sandwich" thường chọn Lleak từ 1% đến 1.2%

Đối với những bạn có máy đo tốt, đo được L thấp: Những bạn có máy thì thường biết làm hết rồi, mình chia sẻ ở đây cho những bạn nào sau này mua máy xịn sẽ dùng tới.

Tiến hành ngắn mạch cuộn thứ cấp và cuộn phụ, chỉnh thang đo ở 100Khz, cùng tần số hoạt động của mạch, kết quả mình đo được Lleak bằng 17.59 uH

%Lleak = 17.59/ 1210 = 1.45%

Vậy là quá trình ước lượng tương đối chính xác.

Tính toán Rsn:

[Tạm ngưng chuyển sang post 2]
 
Sửa lần cuối:

hoangduc.rl

Học sinh phổ thông
#2
[Post 2]

Tính toán Rsn:



ipeak =



Chọn Vsn = 2*nVo = 2*(64/9)*19 = 270.2 (Mình quấn lên 64 vòng cho chẵn.)

fs = 100 Khz

Tính được Rsn = 39K



Tính được Psn = 1.86W

Chọn Rsn = 39K 2W

Chọn deltaVsn = 10% Vsn = 27.02 V



Tính được Csn = 0.256nF

Ở đây ta thấy Rsn mắc song song với Csn, vì vậy, điện áp của Csn > Vsn = 270.2,

Ta chọn 4 tụ 101J 2KV mắc như sau sẽ được tụ Csn = 0.25nF 2KV



Chọn diode Dsn:

Bạn tải SNVA744 của hãng ti.com về, có dòng này:



Vì vậy mình chọn 1N4007 luôn mà không cần suy nghĩ những sự so sánh ở trên, nhưng mình vẫn để D5 trong hình trên, thêm 1 chỗ trống để nếu thiết kế vào layout bị thiếu thì có thể bổ sung sau.

Vậy là hoàn thành xong mạch RCD snubber.

Nếu có oscilloscope, các bạn có thể thiết kế chính xác hơn bằng việc đo thử và thay thế các linh kiện RCD theo hướng dẫn trên.

Sau khi chạy mạch không thấy nóng, và điện áp ra sạch nên mình không thiết kế lại RCD.

Thiết kế D2

windows screen capture

free photo upload

VR> 1.25*73 = 91.25 V

ID>3*Io = 3*2.37 = 7.11 A

vì vậy, chọn được 1 diode schottky 100V 8A hoặc 3 diode schottky 100V 3A

Ở đây mình không tìm được schottky 100V nên thay thế bằng 9 diode schottky 1N5822 bán rất nhiều ngoài chợ (2-3k/1 con). Và mình cũng không tính toán đến thời gian trễ x3 vì 100Khz chắc cũng không nhiều, đoạn này lười nên bỏ qua :) :)

pic host

VR = 40*3 = 120V > 91.25V (Đáng lẽ chỗ này lấy 28*3 =84V < 91.25 chứ nhỉ) nhưng gắn vào thấy nó rất mát và chưa cháy.

Io =3*3 = 9A > 7.11A

Vậy chọn D2 = 9x1N5822 chia thành 3 nhánh mắc song song.

Thiết kế tụ C2

Ở đây chọn 3 tụ 330uF 50V để giảm ESR, tăng hiệu suất theo khuyến cáo.(nội trở bên trong tụ)

Điện áp tụ hoá thường chọn bằng gấp đôi điện áp đặt lên nó Vcap = 19*2 = 38, chọn 3 tụ 330uF 50V

C3 chọn theo L2, ở đây tính ra tần số cắt là f= 1/ (2pi*sqrt(LC) = 8Khz

Mình quấn L1 được 4.6 uH nên suy ngược ra C3 là 86 uF, chọn 3 tụ 33uF 50V


Thiết kế D3 và C4

D3 và C4 là mạch tạo nguồn cấp cho IC, nhà sản xuất khuyến cáo tụ C4 chỉ cần dùng 0.1 uF.

Còn D3 sử dụng diode xung như 1N4148 là đảm bảo tần số đóng cắt.




Thiết kế U2

Ở đây chúng ta cần hiểu sơ qua nguyên lý điều khiển của mạch điều khiển IC TOP và hệ số truyền của opto quang học.


image hosting without account

IC TOP sử dụng phương pháp điều khiển bằng dòng điện, dòng vào chân "Control" của IC càng cao, Duty cycle (D) càng nhỏ.

Duty cycle:

Duty cycle là hệ số đại diện cho tỷ lệ thời gian đóng của mosfet trên 1 chu kỳ hoạt động.

Một cách tương tự, có thể xem duty cycle là lưu lượng nước bạn mong muốn để rửa tay, điều khiển duty cycle bằng cách điều khiển van cơ khí của vòi nước. Ở đây là điều khiển van khoá bán dẫn mosfet.

Hay nói cách khác, duty cycle càng nhỏ, mạch điều khiển và mạch công suất đang cố gắng bơm công suất qua bên thứ cấp càng ít. Duty cycle càng lớn, mạch cố gắng bơm công suất qua bên sơ cấp càng cao.

Thiết kế R4 và R5: chọn R4 = 47K, tính ra được R5 = 7.12K = 6.8K +330 ohm


Hiểu về tỷ số truyền dòng của opto quang học và tải giả (preload, the dummy load, fake load):

Mở datasheet NEC2501, tỷ số truyền quang học là tỷ số giữa dòng chảy qua transistor và dòng chảy qua diode của opto quang học.

image hosting no sign up

image upload no size limit

Ở hình trên, khi tăng tải, điện áp ngõ ra sụt giảm, làm dòng qua diode của U2 giảm, thông qua tỷ số truyền, dòng qua transistor của opto cũng giảm. Duty cycle của TOP tăng như phân tích ở trên, cố gắng bơm thêm công suất vào biến áp T1 để bù đắp lượng công suất mất đi ở thứ cấp, duy trì ổn định điện áp 19V

Khi giảm tải, điện áp ngõ ra tăng, làm dòng qua diode của U2 tăng, thông qua tỷ số truyền, dòng qua transistor của opto tăng, duty cycle giảm, IC TOP bớt công suất bơm vào biến áp T1 để duy trì điện áp ở ngưỡng ổn định 19V.

20mb image hosting

Bằng cách thêm vào điện trở R2, khi chạy tải rất nhẹ, ta đang bắt IC TOP "nghĩ" là nó đang chạy một tải nhẹ, và IC TOP điều chỉnh van bán dẫn "hé mở" để duy trì điện áp ổn định 19V, vì vậy điện áp ngõ ra không dâng quá cao. Pre-loading rất quan trọng, ví dụ khi găm điện thoại vào sạc, hay cắm jack vào laptoop và bật điện, sẽ không tạo ra điện áp quá độ cao đưa vào trong thiết bị, mà luôn được "hãm lại" bởi tải giả.

adult image host

Đây là lý do vì sao mạch "Universal" luôn có công suất thấp hơn mạch dùng một dải điện áp (single rail) khi sử dụng cùng một IC.

như bảng so sánh dưới đây lấy từ datasheet của TOP221-227

picture upload

Khi chạy ở điện áp thấp (85 V), IC "gồng mình" lên để tăng duty cycle, làm van bán dẫn mở nhiều thời gian hơn trong một chu kỳ, làm tăng tổn hao dẫn (conduction loss) lên rất nhiều, tổn hao do chuyển trạng thái (switching loss) giữ nguyên. vì vậy mà công suất được chọn phải tăng lên, để "ngăn ngừa" trường hợp này xảy ra, vẫn nằm trong khoảng thông số chịu đựng của IC.

Ví dụ: Ở bảng trên, nếu thiết kế của ta là 45W, ở 230V dùng top223 là 50W, ta dùng nguyên tắc "derate" 0.8*50 = 40W là không đủ, chọn TOP224 có "derate" là 0.8*75 = 60W là đủ.

Nhưng ở "wide range - universal application" thì cần phải chọn TOP225 có "derate" 0.8*60 = 48W thì vừa đủ với thiết kế.


Thiết kế opto U2

20mb image hosting

Tạm dịch: Tỷ số truyền quá nhỏ (nhỏ hơn 50%) sẽ cần dòng lớn qua diode của U2 để điều khiển duty cycle, tỷ số truyền quá lớn (>200%) sẽ làm cho dòng transistor lớn, TOP sẽ "nghĩ" là điện áp ngõ ra đang quá lớn và làm giảm rất sâu duty cycle, thậm chí về 0%, làm IC không khởi động được.

adult image

Ta chọn opto PC817A (1k/ 1 con mua ở phúc lan shop) có CRT từ 80% - 160% là được và rẻ, dễ tìm.

Thiết kế R1

screenshot tool

Tạm dịch: Điện áp trung bình trên R1 nên chọn bằng 5% điện áp ngõ ra.

Nhìn vào mạch ST204, V(R1) = 0.05*15 = 0.75 (V) => dòng qua R1 là I(R1) = 0.75/510 = 1.47 (mA)

Nhìn lại mạch của ta, V(R1) = 0.05*19 = 0.95 (V) = điện áp R1 cần chọn là R1 = 0.95/ (1.47*10^-3) = 646 (ohm), ở đây mình chọn lên 680 ohm là được.

Thiết kế R2

Dựa trên phân tích nguyên lý của tải giả ở trên, với điện áp ngõ ra của mạch là 19V, thay vì tăng R2 lên theo điện áp, giữ nguyên duty cycle của mạch 15V ở ST204, ta sẽ giảm R2 xuống một chút để có Dmax rộng hơn 1 chút vì mới thiết kế nên sợ sụt áp ở ngõ ra.

Chọn R2 = 150 (ohm).

Ở mạch ST204, R2 có P(R2) = 0.5W cho ngõ ra 30W

Ước lượng công suất R2 theo công suất ngõ ra 45W của mạch đang thiết kế,

ta có P(R2) = (45*0.5)/ 30 = 0.75W => Chọn công suất R2 là 1W

Vậy ta được R2 bằng 150 ohm, 1W

Thiết kế tụ C9

Mình chọn luôn tụ C9 = 0.1 uF 16V (tụ tantalum) là đảm bảo đáp ứng tần số và điện áp, cũng ko đi sâu tìm hiểu chỗ này.

Thiết kế tụ C7

Trên biến áp xung thực tế, giữa cuộn sơ và cuộn thứ cấp tồn tại điện kháng tản, hoạt động ở tần số đóng cắt của mạch, mà từ đó phát sinh nhiễu và nhiều vấn đề khác, C7 có chức năng tạo đường thoát cho phần điện áp tần số cao do điện kháng tản này gây ra, giảm nhiễu sinh ra lên các linh kiện xung quanh. thường chọn C7 lớn hơn điện dung của biến áp xung là ok. thường chọn tụ 1nF là đủ, ở đây ta chọn tụ 1nF 2KV (tụ kẹo 102J, 2KV màu xanh lam) hoặc có thể nối tiếp các tụ kẹo tương đương, miễn vẫn đảm bảo tối thiểu 1nF, 2KV là ok.

Thiết kế C5 và R3

post a picture

Ở đây mình chọn luôn C5 = 47uF 35V và R3 = 6.8 ohm


Thiết kế PCB - Layout

Các bạn tham khảo trang 11, AN14 đã hướng dẫn rất cụ thể, chỉ cần vẽ theo, Ở đây mình làm cho biết nên không vẽ PCB mà dùng test board trực tiếp, sắp xếp linh kiện & nối mạch theo hướng dẫn này luôn.


Thiết kế tản nhiệt

Ở đây mình không đi sâu vào thiết kế tản nhiệt vì chỉ làm cho hiểu nguyên lý hoạt động và chạy đủ công suất. Để đơn giản, mình có sẵn một tản nhiệt nhỏ ở phòng, gắn vào thấy nóng, các bạn cưa miếng bự hơn gắn vào là ok. Việc thiết kế tản nhiệt liên quan đến tối ưu hoá phần cơ khí và nhiễu EMI, cũng như thẩm mỹ của mạch, nên mình không có khả năng đi sâu.

Tips: Khi khoan mạch,hay khoan tản nhiệt bằng máy khoan 12V- 1A thường mua ở chợ, bạn có thể thay bằng nguồn laptop máy tính 19V, có tốc độ cao và momen lớn. Bạn sử dụng một cuốn vở bỏ đi kê phía bên dưới trước khi khoan, sẽ giảm được rung, và lỗi khoan phải mặt bàn làm việc.

Vậy là hoàn tất thiết kế.
Chúc các bạn học tốt

Thân mến
Hoàng Đức
 
Sửa lần cuối:

hoangduc.rl

Học sinh phổ thông
#3
Mình post lên đây để mọi người cùng theo dõi, thảo luận cho dễ.
Lần đầu tiên mình post bài lên diễn đàn, có một số hình ảnh bị thu nhỏ, và một số công thức bị lỗi khi post do mình chưa biết cách chèn vào, bạn mod nào đi ngang qua giúp mình sửa với.

Cám ơn các bạn.
Hoàng Đức
 
Sửa lần cuối:

patre

Kỹ sư
#4
Cám ơn bạn đã rất nhiệt tình . Có 1 số vấn đề muốn bạn cho ý kiến ....
 

hoangduc.rl

Học sinh phổ thông
#5
Mình đã thiết kế lại tản nhiệt, sáng nay mình đã thử tải định mức trong vòng hơn 1 tiếng đồng hồ, và đây là kết quả:

screenshot windows 7

Ampe kềm chỉ 0.36, trừ đi 0.04 khi chưa đo,
Pin = 221.1*(0.36-0.04)*0.99 = 70.04 W
Pout = 19.09*2.70 = 51.54 W
Hiệu suất n = 51.54/ 70.04 = 73.58%

Vì vậy mình sẽ sửa lại tiêu đề của topic.

Kiểm tra các linh kiện: RCD nóng 50.2 độ, Biến áp xung nóng 52.1 độ, và diode ra nóng 62.2 độ, trên tản nhiệt đo được 56.3 độ, vậy là tương đối tốt, đạt tiêu chí ban đầu là 70%, và đủ công suất đầu ra là 51.54W > 45W.

Kiểm tra chất lượng điện áp ngõ ra:


Trước khi mắc thêm tụ lọc ở mạch LC:

forum image hosting


Sau khi mắc thêm tụ lọc: 4 tụ 22uF 50V, cho ta tụ 88uF 50V (xấp xỉ 86uF đã thiết kế). Chất lượng đầu ra rất ổn định sau hơn 1 tiếng thử tải.

temp image upload

temp image upload


Thêm 4 góc chân cho em nó sau khi lắp tụ bên dưới :D

imgur

Sau khi thử tải định mức chạy trong thời gian dài, đã đạt được 3 tiêu chí thiết kế ban đầu đề ra. :D

Vài cập nhật trong ngày.
Hoàng Đức
 

Quảng cáo Google