Việc lựa chọn các thành phần chủ động và thụ động sẽ có tác động rất lớn đến hiệu suất cung cấp điện tổng thể. Hiệu suất, nhiệt sinh ra, kích thước vật lý, công suất đầu ra và chi phí đều phụ thuộc theo một cách nào đó vào các thành phần bên ngoài được lựa chọn. Bài viết này mô tả các thông số kỹ thuật quan trọng nhất mà nhà thiết kế cần hiểu đối với các thành phần thụ động và chủ động bên ngoài sau đây trong thiết kế SMPS thông thường: điện trở, tụ điện, cuộn cảm, điốt và MOSFET.

Nguồn điện chế độ chuyển mạch (SMPS) phần lớn đã trở thành tiêu chuẩn thực tế để tạo ra nhiều đường cung cấp điện trong đó hiệu quả là yếu tố quan trọng hàng đầu. Điều này đặc biệt đúng trong các ứng dụng chạy bằng pin/di động, trong đó thời lượng pin dài là yếu tố quan trọng.

Có nhiều cách khác nhau để thiết kế một chuỗi điện. Chúng ta có thể sử dụng bộ chuyển đổi buck (giảm áp), bộ chuyển đổi boost (tăng áp), bộ chuyển đổi buck-boost (tăng áp và giảm áp) và một số cấu trúc khác. Điểm chung của tất cả chúng là cần có các thành phần chủ động và thụ động bên ngoài hoạt động tốt để hệ thống hoạt động tối ưu.

Một số giải pháp IC nguồn có thể chỉ cần ba thành phần bên ngoài, chẳng hạn như bộ điều chỉnh buck ADP2108. Vì có công tắc nguồn bên trong, bộ điều chỉnh chế độ chuyển mạch này chỉ cần ba thành phần bên ngoài: một tụ điện đầu vào và đầu ra và một cuộn cảm. Giới hạn trên của các thành phần bên ngoài gần như vô hạn, tùy thuộc vào cấu trúc và yêu cầu về công suất. Khi giải quyết vấn đề chi phí, hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống trong thiết kế, điều quan trọng là nhà thiết kế phải biết những thông số nào là quan trọng để lựa chọn đúng thành phần.

1. Hiểu thông số kỹ thuật

Trước khi chọn bất kỳ thành phần thụ động, các kỹ sư cần biết thông số kỹ thuật của bộ chuyển đổi công suất, chẳng hạn như điện áp đầu vào và đầu ra, dòng điện, công suất, tần số và gợn sóng. Các thông số này sẽ xác định kích thước, định mức và loại thành phần thụ động bạn cần. Ví dụ, nếu cần bộ chuyển đổi mật độ công suất cao và tổn thất thấp, có thể muốn sử dụng tụ gốm và cuộn cảm ESR thấp. Mặt khác, nếu cần bộ chuyển đổi điện áp cao và tiếng ồn thấp, có thể muốn sử dụng tụ màng và cuộn cảm có che chắn.

2. Chọn đúng cấu trúc

Cấu trúc của bộ chuyển đổi công suất, chẳng hạn như buck, boost, flyback hoặc bridge, cũng sẽ ảnh hưởng đến lựa chọn các thành phần thụ động. Các cấu trúc khác nhau có các yêu cầu và sự đánh đổi khác nhau đối với các thành phần thụ động. Ví dụ, bộ chuyển đổi buck cần một tụ điện đầu ra lớn để lọc dòng điện gợn sóng, trong khi bộ chuyển đổi boost cần một tụ điện đầu vào lớn để xử lý dòng điện cực đại. Bộ chuyển đổi flyback cần một máy biến áp để cô lập đầu vào và đầu ra, trong khi bộ chuyển đổi bridge cần một bộ lọc để giảm sóng hài.

3. Cân nhắc đến tổn thất và nhiệt độ

Các thành phần thụ động không lý tưởng và chúng có một số tổn thất tạo ra nhiệt và làm giảm hiệu suất của bộ chuyển đổi công suất. Các kỹ sư cần cân nhắc đến tổn thất và nhiệt độ của các thành phần thụ động và chọn những thành phần có thể xử lý được ứng suất và hoạt động trong phạm vi an toàn. Ví dụ, điện trở có tổn thất công suất phụ thuộc vào điện trở và dòng điện. Tụ điện có tổn thất điện trở nối tiếp tương đương (ESR) và tổn thất độ tự cảm nối tiếp tương đương (ESL) phụ thuộc vào tần số và dòng điện gợn sóng. Cuộn cảm có tổn thất lõi và tổn thất đồng phụ thuộc vào tần số và dòng điện.

4. Tối ưu hóa bố cục và vị trí

Bố cục và vị trí của các thành phần thụ động cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của bộ chuyển đổi nguồn. Các kỹ sư cần tối ưu hóa bố cục và vị trí của các thành phần thụ động để giảm thiểu các hiệu ứng ký sinh, chẳng hạn như điện dung, độ tự cảm và điện trở đi lạc, có thể gây ra dao động, tiếng ồn và nhiễu không mong muốn. Ví dụ, nên đặt tụ điện đầu vào và đầu ra càng gần công tắc nguồn và tải càng tốt. Kỹ sư cũng nên tránh các đường dẫn dài và mỏng có thể làm tăng điện trở và độ tự cảm của mạch.

5. Kiểm tra và xác minh thiết kế

Bước cuối cùng trong việc lựa chọn các thành phần thụ động phù hợp cho bộ chuyển đổi công suất là kiểm tra và xác minh thiết kế. Các kỹ sư cần đo hiệu suất và hành vi thực tế của bộ chuyển đổi nguồn và so sánh với kết quả mong đợi. Nên kiểm tra mọi vấn đề tiềm ẩn, chẳng hạn như quá nhiệt, mất ổn định hoặc tiếng ồn, có thể phát sinh từ các thành phần thụ động. Các kỹ sư có thể cần điều chỉnh hoặc thay thế một số thành phần thụ động để cải thiện hoặc sửa chữa thiết kế của mình.

6. Một số thiết bị thụ động cần chú ý

• Điện trở: Điện trở được hiểu rộng rãi và tác động của chúng lên SMPS khá hạn chế. Tuy nhiên, nơi chúng được sử dụng, điều quan trọng là phải hiểu tác động tiềm tàng của chúng. Phản hồi, bù trừ và cảm biến dòng điện là những nơi đó.
• Tụ điện: Tụ điện thực hiện một số chức năng trong thiết kế SMPS: lưu trữ năng lượng, lọc, bù, lập trình khởi động mềm, v.v. Cũng như tất cả các thiết bị thực tế, có những ký sinh tụ điện mà nhà thiết kế phải biết. Trong bối cảnh lưu trữ và lọc năng lượng SMPS, hai ký sinh quan trọng nhất là điện trở nối tiếp hiệu dụng (ESR) và độ tự cảm nối tiếp hiệu dụng (ESL).
• Cuộn cảm: Cuộn cảm là một thành phần lưu trữ năng lượng từ tính thường bao gồm một cuộn dây quấn quanh lõi sắt từ. Dòng điện chạy qua cuộn cảm sẽ tạo ra từ trường trong lõi. Từ trường này là cơ chế lưu trữ năng lượng. Vì dòng điện trong cuộn cảm không thể thay đổi tức thời nên khi có điện áp đặt vào cuộn cảm, dòng điện sẽ tăng dần.
• Điốt: Thiết kế nguồn điện chuyển mạch không đồng bộ sử dụng công tắc thụ động. Công tắc thường có dạng diode. Tuy nhiên, do diode giảm điện áp thuận nên thiết kế không đồng bộ thường bị giới hạn ở đầu ra <3 A, nếu không thì hiệu suất giảm sẽ quá lớn.

Kết luận

Khi thiết kế SMPS, thường thì dàn diễn viên hỗ trợ của các thành phần sẽ không được chú trọng bằng việc lựa chọn IC điều khiển hoặc IC điều chỉnh. Nhưng việc lựa chọn các thành phần chủ động và thụ động sẽ có tác động rất lớn đến hiệu suất cung cấp điện tổng thể. Hiệu suất, nhiệt sinh ra, kích thước vật lý, công suất đầu ra và chi phí đều phụ thuộc theo một cách nào đó vào các thành phần bên ngoài được lựa chọn. Cần phải phân tích cẩn thận hiệu suất cần thiết để đưa ra những lựa chọn tốt nhất. Việc sử dụng một công cụ thiết kế tích hợp, chẳng hạn như ADIsimPower từ Analog Devices, sẽ đơn giản hóa quy trình này. ADIsimPower sẽ cho phép người dùng nhập các tiêu chí thiết kế, bao gồm khả năng ưu tiên giữa không gian bo mạch, giá cả, hiệu quả hoặc chi phí. Sau đó, nó sẽ thực hiện tất cả các tính toán cần thiết để phân tích thiết kế và đưa ra các khuyến nghị về thành phần phù hợp với các tiêu chí thiết kế. ADIsimPower có cơ sở dữ liệu lớn về các thành phần từ nhiều nhà sản xuất khác nhau. Trong một số trường hợp, dữ liệu nhà sản xuất chưa được công bố sẽ được đưa vào công cụ để đưa ra các khuyến nghị chính xác nhất.

‍