Thiết kế nguồn Flyback: Tính toán thông số, chọn linh kiện và hướng dẫn quấn biến áp

Thảo luận Kỹ thuật Điện tử Công suất
, , , ,
1

Bài viết này sử dụng một nguồn điện flyback 72 watt với đầu vào điện áp rộng (đầu ra 24V, 3A) làm ví dụ để minh họa cách tính toán thông số mạch và lựa chọn linh kiện. Bài viết cũng đề cập đến phương pháp tính toán và quấn dây biến áp flyback.

Các công thức trong bài viết này được tham khảo từ các nguồn trực tuyến.

Nếu bạn phát hiện bất kỳ sai sót nào trong bài viết, vui lòng góp ý.

Thông số hoạt động của nguồn điện flyback

Đầu tiên, bạn cần xác định các thông số cho nguồn điện flyback mà bạn dự định thiết kế.

Thông số Giá trị
Điện áp đầu vào định mức V_{acnom} 220VAC
Điện áp đầu vào tối thiểu V_{acmin} 85VAC
Điện áp đầu vào tối đa V_{acmax} 265VAC
Tần số lưới f_L 50Hz
Điện áp đầu ra V_{out} 24V
Dòng điện đầu ra I_{out} 3A
Tần số hoạt động f_s 150kHz
Hiệu suất thiết kế η 85%

Tần số hoạt động của nguồn điện flyback thường được nhà thiết kế xác định dựa trên yêu cầu ứng dụng cụ thể, chứ không phải là giá trị cố định. Việc tăng tần số hoạt động có thể giảm đáng kể kích thước và trọng lượng của biến áp, cuộn cảm lọc đầu ra và tụ điện, từ đó thu nhỏ tổng thể kích thước nguồn. Điều này xảy ra vì hoạt động ở tần số cao cho phép sử dụng các thành phần từ tính và tụ điện nhỏ hơn. Tuy nhiên, tần số cao hơn cũng dẫn đến tổn thất chuyển mạch tăng, làm giảm hiệu suất, gia tăng phát nhiệt và đòi hỏi quản lý nhiệt phức tạp hơn. Do đó, việc lựa chọn tần số cần cân nhắc kỹ lưỡng giữa kích thước, hiệu suất, chi phí và các yếu tố nhiệt.

Dải tần số hoạt động điển hình từ 20 kHz đến 500 kHz, phổ biến nhất là từ 50 kHz đến 200 kHz. Đây là dải cân bằng tốt giữa giảm kích thước và kiểm soát tổn thất. Với các thiết kế vượt quá 300 kHz, tổn thất chuyển giao (crossover losses) của các công tắc silicon truyền thống (như MOSFET) trở nên cao hơn đáng kể. Trong trường hợp này, các công tắc bán dẫn dải rộng (wide-bandgap) như Gallium Nitride (GaN) hoặc Silicon Carbide (SiC) thường được yêu cầu để giảm tổn thất và duy trì hiệu suất cao.

Tính toán mạch chỉnh lưu và lọc đầu vào một pha

731×263 6.5 KB

Tính toán định mức điện áp điốt cầu chỉnh lưu:

Điện áp bus DC sau chỉnh lưu và lọc thường gần bằng điện áp đỉnh của tín hiệu AC đầu vào. Điện áp đỉnh của tín hiệu AC là \sqrt{2} lần giá trị RMS. Do đó, định mức điện áp ngược của điốt cầu chỉnh lưu phải lớn hơn \sqrt{2} lần giá trị RMS của điện áp đầu vào tối đa.

V_{busmax} = \sqrt{2} \cdot V_{acmax} = 374.77 \mathrm{V}

Ngoài ra, để tính đến các xung điện và dao động điện áp từ lưới, hệ số an toàn K_{bri} (thường là 1.5) thường được áp dụng. Kết quả là:

V_{busmax} \cdot K_{bri} = 562.15 \mathrm{V}

Do đó, định mức điện áp ngược của điốt cầu chỉnh lưu phải ít nhất là 562 V.

Công suất đầu vào:

P_{in} = \frac{P_{out}}{η} = 84.7 \mathrm{W}

Tính toán định mức dòng điện điốt chỉnh lưu:

Dòng điện đầu vào tối đa cho một điốt trong cầu chỉnh lưu (vì các điốt trong cầu hoạt động theo cặp, tổng dòng điện được chia cho 2):

I_{acmax} = \frac{P_{in}}{2 \cdot V_{acmin}} = 0.498 \mathrm{A}

Tương tự, để tính đến các xung điện và dao động điện áp từ lưới, hệ số an toàn K_{bri} (thường là 1.5) cũng được áp dụng. Kết quả là:

I_{acmax} \cdot K_{bri} = 0.747 \mathrm{A}

Do đó, định mức dòng điện của một điốt trong cầu chỉnh lưu phải ít nhất là 0.747 A.

Dựa trên các tính toán trên, MSB40M được chọn cho thiết kế này. Nó có định mức điện áp 1000V và định mức dòng điện 4A, đáp ứng các yêu cầu tính toán.

Tính toán tụ điện lọc đầu vào:

Có một công thức kinh nghiệm để chọn tụ điện đầu vào cho nguồn flyback:

  • Với đầu vào 220VAC đơn, tụ điện đầu vào C_{in} thường chọn 1-2μF/W.
  • Với đầu vào phổ quát 85VAC-265VAC, tụ điện đầu vào C_{in} thường chọn 2-3μF/W.

Áp dụng công thức này, tụ điện lọc được tính như sau:

C_{in} = 2 \cdot P_{out} = 144 \mathrm{μF}

Do đó, dựa trên tính toán, có thể chọn tụ điện phân cực 150μF.

Lựa chọn định mức điện áp của tụ điện lọc đầu vào:

Nó phải cao hơn điện áp đỉnh của đầu vào AC. Ví dụ, với V_{busmax} là 374.77V trong trường hợp này, tụ điện 400V sẽ phù hợp. Tụ điện 450V cũng có thể được sử dụng.

Tính toán biến áp flyback

Để tạo khoảng an toàn, điện áp đầu vào tối thiểu V_{busmin} được đặt ở 110V.

Định nghĩa điện áp phản hồi V_{OR} (điện áp cảm ứng trên cuộn sơ cấp khi transistor chuyển mạch tắt và năng lượng từ trường được giải phóng) là 100V. 100V là giá trị kỹ thuật phổ biến trong các thiết kế nguồn flyback với dải điện áp đầu vào rộng (ví dụ: 110V/220V AC).

Định nghĩa điện áp rơi giữa cực máng-nguồn của MOSFET sơ cấp khi bật là V_{ds} = 4V.

Tính toán chu kỳ nhiệm vụ tối đa: (Giá trị này cũng có thể ước tính kinh nghiệm là 0.45 mà không cần tính toán, vì chu kỳ nhiệm vụ của nguồn flyback thường không vượt quá 0.5)

V_{busmin} = \sqrt{2} \cdot V_{acmin} = 120.21 \mathrm{V}
D_{max} = \frac{V_{OR}}{V_{OR} + V_{busmin} - V_{ds}} = 0.485

Tính toán dòng điện đỉnh sơ cấp:

  • Dòng điện trung bình đầu vào là:
I_{avg} = \frac{P_{in}}{V_{busmin}} = 0.77 \mathrm{A}
  • Giả sử hệ số gợn sóng K_{RP} (tỷ lệ giữa dòng điện gợn sóng I_R và dòng điện đỉnh I_P) là 0.8 cho CCM (chế độ dẫn điện liên tục), dòng điện đỉnh sơ cấp I_P được tính như sau:
I_P = \frac{I_{avg}}{(1-0.5 \cdot K_{RP}) \cdot D_{max}} = 2.644 \mathrm{A}

1399×364 77.1 KB

Tính toán độ tự cảm từ hóa của biến áp:

  • Sử dụng công thức tính độ tự cảm từ hóa của biến áp flyback, độ tự cảm phía sơ cấp L_P được xác định:
L_P = \frac{P_{out}}{{I_P}^{2} \cdot K_{RP} \cdot (1 - 0.5 \cdot K_{RP}) \cdot f_s} \cdot \frac{0.5 \cdot (1-\eta) + \eta}{\eta} = 155.686 \mathrm{μH}

Tính toán giá trị AP và lựa chọn lõi biến áp dựa trên giá trị này:

Tích số diện tích lõi (Core Area Product), AP = Aw * Ae (tích giữa diện tích cửa sổ lõi Aw và diện tích mặt cắt hiệu dụng Ae).

968×453 60.1 KB

  • Với hệ số lấp đầy cửa sổ biến áp K_o = 0.4, hệ số mật độ dòng điện K_j = 3.95, và mật độ từ thông B_w = 0.2T, giá trị A_P tối thiểu yêu cầu cho lõi được tính như sau:
A_{P}=\left(\frac{L_{P} \cdot {I_{P}}^{2} \cdot 10^{2}}{B_{w} \cdot K_{o} \cdot K_{j}}\right)^{1.14}=0.297 \mathrm{~cm}^{4}
  • Giá trị A_P của lõi được chọn thường lớn hơn gấp đôi giá trị thiết kế tính toán. Ở đây, tôi chọn lõi PQ2620 cho biến áp. Tham khảo bảng thông số của lõi, giá trị A_P của nó là 0.7188$\mathrm{~cm}^{4}$.

Tại sao mật độ từ thông B_w được đặt ở 0.2T?

1. Để tránh bão hòa lõi

  • Bão hòa lõi: Khi mật độ từ thông vượt quá mật độ bão hòa của vật liệu ( B_{\text{sat}} ), lõi mất tính từ thẩm, độ tự cảm giảm đột ngột, dẫn đến hỏng biến áp.
  • Đặc tính lõi ferit: B_{\text{sat}} của lõi nguồn chuyển mạch thông dụng (như PC40, PC44, PC95) khoảng 0.3–0.39 T ở 100°C.
  • Dự phòng an toàn: Đặt B_w = 0.2 \, \text{T} (khoảng 50–70% B_{\text{sat}} ) tạo dự phòng cho các yếu tố sau:
    • B_{\text{sat}} giảm ở nhiệt độ cao (giảm theo nhiệt độ ở lõi ferit).
    • Lệch từ thông do dòng điện một chiều (DC bias).
    • Dòng đỉnh tăng do dao động điện áp đầu vào hoặc thay đổi tải.

2. Để kiểm soát tổn hao lõi

  • Tổn hao tần số cao: Nguồn chuyển mạch hoạt động ở tần số cao (>20 kHz). Tổn hao lõi (tổn hao trễ + tổn hao Foucault) tăng theo hàm mũ với mật độ từ thông.
  • Tối ưu tổn hao: Kinh nghiệm cho thấy khi B_w nằm trong khoảng 0.1–0.25 T, cân bằng tốt giữa tổn hao lõi và tổn hao đồng đạt được hiệu suất tổng thể cao. 0.2 T là giá trị trung bình hợp lý trong khoảng này.

Tính số vòng sơ cấp và thứ cấp:

V_F là điện áp rơi thuận của diode chỉnh lưu đầu ra, thường lấy 0.7V.

  • Dựa trên nguyên lý bảo toàn từ thông (cân bằng Volt-giây) giữa sơ cấp và thứ cấp, tỷ số vòng dây N_{PS} được tính:
N_{PS} = \frac{D_{max}}{(1 - D_{max})} \cdot \frac{(V_{busmin} - V_{ds})}{(V_{out} + V_F)} = 4.049
  • Để tránh bão hòa biến áp, chọn mật độ từ thông tối đa vận hành B_{max} = 0.15T. Với lõi PQ2620, giá trị A_e = 119 \, \text{mm}^2 (119 \times 10^{-6}\,\text{m}^2). Số vòng sơ cấp N_P được tính:
N_P = \frac{V_{busmin} \cdot D_{max}}{A_e \cdot B_{max} \cdot f_s} = 20

Từ thông linkage \Psi = N(\text{vòng}) \times B(\text{mật độ từ thông}) \times S(\text{diện tích})

  • Dựa trên tỷ số vòng dây sơ cấp-thứ cấp, số vòng thứ cấp N_S được tính:
N_S = \frac{N_P}{N_{PS}} = 5
  • Thêm một cuộn dây phụ vào biến áp flyback để cung cấp điện cho IC điều khiển. Điện áp đầu ra thiết kế cho cuộn phụ V_{out1} đặt ở 15V. Dựa trên mối quan hệ giữa điện áp và tỷ số vòng dây, số vòng cuộn phụ N_{s1} được tính:
N_{s1} = N_s \cdot \frac{V_{out1}}{V_{out}} = 3

Tính đường kính dây và số sợi cho cuộn sơ cấp/thứ cấp:

  • Dòng RMS sơ cấp I_{prms} được tính:
I_{prms} = I_P \cdot \sqrt{D_{max} \cdot \left( \frac{{K_{RP}}^2}{3} - K_{RP} + 1 \right)} = 1.184\,\text{A}
  • Dòng RMS thứ cấp I_{srms} được tính:
I_{SP} = I_P \cdot \frac{N_P}{N_S} = 10.575\,\text{A}
I_{srms} = I_{SP} \cdot \sqrt{(1 - D_{max}) \cdot \left( \frac{{K_{RP}}^2}{3} - K_{RP} + 1 \right)} = 4.877\,\text{A}

462×222 49.8 KB

  • Dòng điện trong cuộn dây biến áp có tần số cao gây hiệu ứng bề mặt. Dòng điện không phân bố đều mà tập trung gần bề mặt dây dẫn. Càng gần bề mặt, mật độ dòng càng cao, phần lõi dây dẫn hầu như không có dòng. Hiệu ứng này làm giảm tiết diện hiệu dụng của dây. Do đó, sử dụng nhiều sợi dây mảnh (như dây Litz) thay vì một sợi to giúp giảm hiệu ứng bề mặt. Chiều sâu bề mặt tính toán D_m (đường kính tối đa cho dây đặc) là:
D_{m}=\frac{2 \cdot 68.85 \cdot 10^{-3}}{\sqrt{f_{s}}}=0.356\,\text{mm}
  • Mật độ dòng điện kinh nghiệm thường nằm trong khoảng 4–6 A/mm². Đường kính dây chọn D_p và số sợi P_p cho cuộn sơ cấp như sau:
D_p = 0.3\,\text{mm} \quad\quad P_p=3
  • Mật độ dòng điện tính toán j_p cho cuộn sơ cấp nằm trong khoảng 4–6 A/mm²:
j_p = \frac{I_{prms}}{\left( \frac{D_p}{2} \right)^2 \pi P_p} = 5.585 \times 10^6 \text{A/m}^2 = 5.585\,\text{A/mm}^2
  • Đường kính dây chọn D_s và số sợi P_s cho cuộn thứ cấp thiết kế như sau:
D_s = 0.35\,\text{mm} \quad\quad P_s = 10
  • Mật độ dòng điện tính toán j_s cho cuộn thứ cấp là:
j_s = \frac{I_{srms}}{\left( \frac{D_s}{2} \right)^2 \pi P_s} = 5.069 \times 10^6 \text{A/m}^2 = 5.069\,\text{A/mm}^2

Tính hệ số tham chiếu:

  • Tính hệ số tổng tiết diện tất cả cuộn dây so với diện tích cửa sổ biến áp:
A_w = 60.4 \times 10^{-6}\,\text{m}^2
K_w = \frac{\left( \frac{D_p}{2} \right)^2 \pi P_p N_p + \left( \frac{D_s}{2} \right)^2 \pi P_s N_S}{A_w} = 0.15

Hệ số sử dụng cửa sổ K_w từ 0.1–0.3 thường được coi là hợp lý.

Thông số kỹ thuật sản xuất biến áp

Khi các thông số biến áp được tính toán xong, có thể tạo tài liệu kỹ thuật cho nhà sản xuất hoặc quấn thủ công.

Cấu trúc cuộn dây:

Lớp cuộn dây Cực Thông số dây Vòng Phương pháp quấn
Lớp 1 1-2 Φ0.3mm (#28AWG) * 3 sợi 10 Quấn sát
Lớp 2 5-6 Φ0.3mm (#28AWG) 3 Quấn sát
Lớp 3 10-12 Φ0.35mm (#26AWG) * 10 sợi 5 Quấn sát
Lớp 4 2-3 Φ0.3mm (#28AWG) * 3 sợi 10 Quấn sát

Chi tiết và lưu ý khi quấn dây:

  1. Quấn đúng theo quy ước dấu chấm trong sơ đồ. Các chân 1, 5 và 10 là đầu có dấu chấm. Chú ý hướng dấu chấm khi quấn.
  2. Chân 2 là điểm chuyển tiếp của cuộn dây sandwich.
  3. Dán băng giữa các lớp. Thêm lề ít nhất 2mm ở hai bên lớp 2 và 3.
  4. Bọc ống cách điện cho tất cả dây dẫn vào/ra.
  5. Đánh dấu chân 1 bằng chấm trắng để nhận biết. Đảm bảo độ tự cảm 156µH (đo giữa chân 1-3 @ 150kHz).
  6. Quấn đều từng lớp. Nếu lớp không đầy, quấn đều với khoảng cách (quấn phân bố).
  7. Gỡ chân 8.

Sơ đồ chân, quy ước dấu chấm và cấu trúc cuộn dây như sau:

979×640 125 KB

Thông tin liên quan đến biến áp:

Độ tự cảm 1-3 chân: 156µH (đảm bảo bằng cách mài chân giữa, đo ở 150kHz)
Lõi PQ2620 (PC95/PC44 Ferrite)
Bobbin PQ2620 Bobbin thẳng đứng (6+6 chân)
Tấm đế Không có
Kiểm tra cách điện Chân 1 - Chân 10: 1500VAC (Tần số: 60Hz, Thời gian: 60s)
Lớp nhiệt độ CLASS F
Phương pháp cố định Cố định bằng băng keo. Hiện tại không sử dụng keo hoặc sơn phủ.
Phương pháp dẫn dây Tất cả các dây dẫn vào và ra đều phải được bọc ống cách điện Teflon/Nylon.

Tính toán và chọn MOSFET

803×394 34.3 KB

  • Trong giai đoạn tắt MOSFET, điện áp plateau trên cực máng và nguồn của MOSFET là tổng của điện áp đầu vào và điện áp phản hồi từ cuộn thứ cấp sang sơ cấp. Điện áp plateau này đạt giá trị lớn nhất khi điện áp đầu vào cao nhất:
V_{mos} = (V_F + V_{out}) \frac{N_P}{N_S} + V_{busmax} = 473,567\,\text{V}

1799×878 268 KB

  • Khi MOSFET tắt, độ tự cảm rò của cuộn sơ cấp lưu trữ năng lượng không được chuyển sang phía thứ cấp. Năng lượng này cộng hưởng với điện dung tiếp giáp của MOSFET, tạo ra dao động LC gây điện áp tăng đột ngột trên MOSFET.
  • Trong thiết kế, cần ngăn điện áp tăng đột ngột này làm hỏng MOSFET. Thông thường, mạch kẹp RCD chuyên dụng được sử dụng để hấp thụ năng lượng điện áp tăng. Đồng thời, MOSFET được chọn phải có biên độ điện áp đủ lớn. Trong thiết kế này, biên độ điện áp 1,5 lần được sử dụng: K_{vmos}=1,3
  • Do đó, MOSFET được chọn phải có mức điện áp đáp ứng: V_{mos} \cdot K_{vmos} = 615,637\,\text{V}
  • Dòng điện RMS của MOSFET bằng dòng điện RMS sơ cấp, đã được tính trước đó là I_{prms}=1,184\,\text{A}. Cần tính đến một biên độ nhất định, vì vậy nên chọn MOSFET có dòng định mức cao hơn.

Dựa trên mức điện áp tối thiểu và dòng điện RMS sơ cấp I_{prms}, MOSFET được chọn cho thiết kế này là NJH65R600S, có mức điện áp định mức 700V và dòng điện định mức 8A, đáp ứng các yêu cầu đã tính toán.

Lưu ý bảng dưới đây: dòng điện định mức ở 100°C cũng phải lớn hơn dòng điện RMS sơ cấp đã tính.

1809×871 160 KB

Ngoài mức điện áp và dòng điện, các thông số quan trọng khác cho việc chọn MOSFET là điện trở thông R_{DS(ON)} và điện dung đầu vào C_{iss}. Giá trị thấp cho cả hai là ưu tiên. R_{DS(ON)} thấp dẫn đến tổn thất dẫn điện thấp hơn khi MOSFET dẫn. Điện dung đầu vào C_{iss} ảnh hưởng trực tiếp đến tổn thất chuyển mạch và tổn thất điều khiển; C_{iss} nhỏ hơn dẫn đến phản ứng chuyển mạch nhanh hơn, tổn thất chuyển mạch thấp hơn và dòng điện nạp/xả yêu cầu từ mạch điều khiển ít hơn, do đó giảm tổn thất điều khiển.

1680×1697 345 KB

Tính toán và chọn Diode và Tụ điện đầu ra

Tính toán và chọn Diode đầu ra:

567×337 9.62 KB

  • Trong thời gian MOSFET dẫn, diode chỉnh lưu thứ cấp bị phân cực ngược và chặn. Điện áp plateau trên nó là tổng của điện áp đầu ra và điện áp phản hồi từ sơ cấp sang thứ cấp. Điện áp plateau này đạt giá trị lớn nhất khi điện áp đầu vào cao nhất. Điện áp ngược trên diode khi tắt được tính như sau:
V_{dio} = V_{out} + V_{busmax} \cdot \frac{N_S}{N_P} = 117,692\,\text{V}
  • Khi diode bị phân cực ngược, độ tự cảm rò của cuộn thứ cấp cộng hưởng với điện dung tiếp giáp của diode, tạo dao động LC gây điện áp tăng đột ngột khi diode tắt. Khi chọn diode, cần chọn biên độ điện áp nhất định. Trong thiết kế này, biên độ điện áp 1,5 lần được sử dụng: K_{vdio} = 1,5
  • Do đó, diode được chọn phải có mức điện áp đáp ứng:
V_{dio} \cdot K_{vdio} = 176,5372\,\text{V}

  • Dựa trên mức điện áp tối thiểu đã tính và dòng điện RMS cuộn thứ cấp, diode được chọn cho thiết kế này là SBDD10200CT, có mức điện áp định mức 200V và dòng điện định mức 10A, đáp ứng các yêu cầu đã tính toán.

  • Ngoài ra, cần sử dụng diode Schottky. Diode Schottky có điện áp giảm thấp về phía trước (V_f), giúp giảm đáng kể tổn thất dẫn điện và cải thiện hiệu suất nguồn. Chúng cũng có thời gian phục hồi nghịch cực ngắn (thường \u003c 10ns), làm giảm tổn thất năng lượng và dao động điện áp trong quá trình chuyển mạch, phù hợp đặc biệt với nguồn flyback tần số cao.

  • Ngoài ra, có thể sử dụng bộ chỉnh lưu đồng bộ (bộ điều khiển đồng bộ tích hợp + MOSFET). Chỉnh lưu đồng bộ sử dụng MOSFET thay cho diode, được điều khiển chính xác bởi bộ điều khiển. Ưu điểm nằm ở điện trở dẫn cực thấp (R_{ds(on)}), giúp giảm điện áp dẫn và tổn thất, cải thiện hiệu suất (đặc biệt trong ứng dụng đầu ra dòng cao).

Tính toán và chọn Tụ điện đầu ra:

  • Khi MOSFET dẫn, diode thứ cấp bị phân cực ngược và tụ điện cung cấp điện cho tải, khiến điện áp đầu ra giảm và tạo gợn sóng điện áp đầu ra.
  • Dòng điện tụ điện bằng dòng điện tải, tốc độ giảm điện áp trên tụ bằng dòng điện tụ chia cho điện dung của nó.
  • Điện áp gợn sóng bằng tốc độ giảm điện áp này nhân với thời gian dẫn của MOSFET sơ cấp, cũng chính là thời gian tắt của diode thứ cấp.
\Delta V_{out} = \frac{V_{out}}{R_{out} \cdot C_{out}} \cdot \frac{D_{max}}{f_s}
  • Trong nguồn chuyển mạch cho thiết bị điện tử tiêu dùng, tỷ lệ gợn sóng điện áp đầu ra (phần trăm gợn sóng đỉnh-đỉnh so với điện áp đầu ra) thường yêu cầu nằm trong khoảng 1% đến 2%. Với đầu ra 24V của tôi, điều này có nghĩa là điện áp gợn sóng phải từ 0,24V đến 0,48V. Gợn sóng thấp hơn cũng chấp nhận được nhưng yêu cầu điện dung lớn hơn. Ở đây, tôi đặt \Delta V_{out} = 0,1\,\text{V} . Do đó, điện dung đầu ra có thể được tính như sau:
R_{out} = \frac{V_{out}}{I_{out}} = 8\,\text{Ω}
C_{out} = \frac{V_{out}}{R_{out} \cdot \Delta V_{out}} \cdot \frac{D_{max}}{f_s} = 97,087\,\text{μF}
  • Phép tính này dành cho tụ điện lý tưởng với ESR bằng 0. Trên thực tế, tụ điện có ESR nhất định làm tăng độ gợn. ESR thay đổi tùy theo model tụ, do đó giá trị chọn thường cao hơn giá trị lý thuyết và cần xác định cuối cùng thông qua thử nghiệm.
  • Để giảm ESR, có thể dùng nhiều tụ điện mắc song song. Trong thiết kế này, hai tụ điện 220uF/35V được mắc song song. Tụ thể rắn (có ESR thấp hơn tụ điện phân) có thể dùng thay thế. Ngoài ra, nên thêm nhiều tụ MLCC (ví dụ: 1μF, 100nF) mắc song song để lọc nhiễu tần số cao.

Phân tích và tính toán mạch RCD Snubber

1597×514 142 KB

  • Mạch có thể trải qua hai dao động. Dao động đầu tiên chủ yếu do độ tự cảm rò rỉ sơ cấp L_{kp} và C_{oss} (điện dung đầu ra) của MOSFET. Dao động thứ hai chủ yếu do sự dao động giữa độ tự cảm hóa (điện cảm sơ cấp) và điện dung C_{oss} sau khi năng lượng trong mạch cạn kiệt.

1493×802 152 KB

  • Sau khi thêm mạch RCD snubber, khi điện áp trên MOSFET vượt quá tổng điện áp tụ kẹp và điện áp đầu vào, diode kẹp sẽ dẫn điện và mạch kẹp bắt đầu hoạt động.
  • Giả sử độ tự cảm rò rỉ sơ cấp của biến áp L_k được kiểm soát trong 1% độ tự cảm hóa (điện cảm sơ cấp): L_k=1\\% \\cdot L_p=1.557uH (tốt nhất là đo độ tự cảm rò rỉ sơ cấp thực tế sau khi sản xuất biến áp và tính lại các giá trị sau bằng giá trị đo được. Phương pháp đo độ tự cảm rò rỉ sơ cấp: ngắn mạch tất cả cuộn dây trừ sơ cấp, sau đó đo điện cảm sơ cấp bằng máy đo LCR. Giá trị đo được chính là độ tự cảm rò rỉ sơ cấp.)
  • Điện áp tối đa đã biết của transistor chuyển mạch V_{dsmax} là 700V.
  • Để dự phòng, điện áp trên tụ kẹp V_{clamp} được thiết kế như sau:
V_{clamp} = 0.8 \\cdot V_{dsmax} − V_{busmax} = 185.233\\,\\text{V}
  • Tính điện trở kẹp R_c và tụ điện kẹp C_c bằng công thức RCD snubber tiêu chuẩn:
R_c = \\frac{2 \\cdot \\left[V_{clamp} - \\frac{N_P}{N_S} \\cdot (V_F + V_{out})\\right] \\cdot V_{clamp}}{L_k \\cdot I_p^2 \\cdot f_s} = 19.616\\,\\text{kΩ}
C_c = \\frac{2 \\cdot V_{clamp}}{R_c \\cdot V_{clamp} \\cdot f_s} = 0.68\\,\\text{nF}
  • Đồng thời, tính công suất tiêu tán trên mạch kẹp:
P_{clamp} = \\frac{1}{2} \\cdot f_s \\cdot L_k \\cdot I_p^2 \\left(1 + \\frac{V_{OR}}{V_{clamp} - V_{OR}}\\right) = 1.774\\,\\text{W}
  • Chọn điện trở kẹp 20kΩ và tụ điện kẹp 1nF. Chọn điện trở 2W. Dựa trên điện áp tụ kẹp và xem xét điện áp cao khi khởi động, nên chọn tụ điện màng 1kV hoặc tụ MLCC 1206. Tương tự, chọn diode kẹp 1kV FR107.

Tải về

Nếu bạn không muốn tính toán thủ công, có thể dùng tập tin Mathcad hoặc phần mềm SMPSKit để thực hiện. Liên kết tải về như sau:

807×965 54.7 KB

Quấn biến áp

Đây cũng là lần đầu tiên tôi tự quấn biến áp, nên sản phẩm không hoàn hảo. Đây chỉ là tài liệu tham khảo.

Tất cả các cuộn dây phải bắt đầu từ chân có dấu chấm và quấn theo cùng một hướng!

Trong các hình dưới, tôi dùng cả dây đồng tráng men (trái) và dây Litz (phải).

Đường kính lõi PQ2620 là 14.5mm. Dùng công thức chu vi L = \\pi d, chiều dài mỗi vòng quấn là 45.53mm. Nhân chiều dài này với số vòng quấn để tính chiều dài yêu cầu cho mỗi cuộn dây, sau đó thêm khoảng 10cm dự phòng. Cắt dây đồng tráng men theo chiều dài đã tính.

Lớp 1: Trước tiên quấn lớp đầu tiên của cuộn sơ cấp. Lấy ba sợi dây đồng tráng men 0.3mm và quấn cùng nhau từ chân 1 của biến áp bobbin. Quấn 10 vòng. (Đối với dây Litz, tôi dùng 0.1mm x 30 sợi.)

4999×3125 314 KB

Sau khi hoàn thành lớp đầu tiên, dẫn dây lên trên và quấn một lớp băng (dùng băng Mylar hoặc băng polyimide). Sau đó, dẫn dây thẳng xuống chân 2 và quấn thêm hai lớp băng nữa.

3509×2675 185 KB

Lớp 2: Đầu tiên, quấn băng cách điện ở cả hai mặt. Sau đó, quấn một sợi dây men 0,3mm bắt đầu từ chân 5, quấn 3 vòng cùng chiều với lớp đầu tiên, kết thúc tại chân 6. Cuối cùng, quấn hai lớp băng cách điện. (Đối với dây Litz, tôi dùng loại 0,1mm x 10 sợi).

5726×3693 475 KB

Lớp 3: Đầu tiên, quấn băng cách điện ở cả hai mặt. Sau đó, lấy mười dây men đường kính 0,35mm quấn cùng lúc bắt đầu từ chân 10 của cuộn dây biến áp. Quấn 5 vòng cùng chiều với lớp đầu tiên, kết thúc tại chân 12. Cuối cùng, quấn hai lớp băng cách điện. (Đối với dây Litz, tôi dùng loại 0,1mm x 60 sợi).

5996×3490 438 KB

Lớp 4: Tiếp tục quấn cuộn sơ cấp. Bắt đầu từ chân 2 và quấn 10 vòng cùng chiều với lớp đầu tiên, kết thúc tại chân 3. Tốt nhất là định tuyến dây theo chiều dọc xuống dưới sau khi hoàn tất. Cuối cùng, quấn hai lớp băng cách điện.

5997×3794 609 KB

Tiếp theo, hàn tất cả các dây men vào các chân tương ứng. Bạn có thể cần cạo lớp men cách điện bằng lưỡi dao với một số dây trước khi hàn. Đối với dây Litz, bạn có thể áp dụng mỏ hàn nóng trong một thời gian để tẩm thiếc.

Trong nguồn chuyển mạch flyback, biến áp cần lưu trữ năng lượng để truyền tải trong mỗi chu kỳ. Để tránh bão hòa từ, người ta thường tạo một khe hở không khí trong lõi để thay đổi đường cong trễ, tăng mật độ từ thông bão hòa và do đó tăng năng lượng truyền tải mỗi chu kỳ. Có hai phương pháp phổ biến để tạo khe hở không khí: mài hoặc đệm shim, trong đó phương pháp đệm shim đơn giản hơn.

Cuối cùng, lắp ráp hai nửa lõi, ép chặt lại và đo độ tự cảm của cuộn sơ cấp. Nếu độ tự cảm cao hơn nhiều so với giá trị mục tiêu (156μH trong trường hợp của tôi), hãy dùng dũa hoặc công cụ mài để mài trụ giữa của lõi (mài tạo khe hở không khí). Đo sau mỗi lần mài nhỏ cho đến khi độ tự cảm chỉ hơi cao hơn giá trị mục tiêu. Sau đó, quấn chặt toàn bộ lõi bằng băng cách điện.

Hoặc bạn có thể dùng phương pháp đệm shim. Phương pháp này bao gồm việc đặt vài lớp băng hoặc vật liệu mỏng khác giữa hai nửa lõi. Đo độ tự cảm sau khi thêm mỗi lớp shim cho đến khi nó chỉ hơi cao hơn giá trị mục tiêu. Sau đó, quấn chặt toàn bộ lõi bằng băng cách điện.

Phương pháp đệm shim thường tạo ra độ tự cảm rò rỉ cao hơn một chút so với phương pháp mài.

5997×3320 699 KB

Sau khi hoàn tất, đo lại lần nữa. Độ tự cảm sơ cấp của biến áp tôi làm là 158,8μH.

5760×4320 753 KB

Đo độ tự cảm rò rỉ sơ cấp bằng cách ngắn mạch các cuộn dây khác rồi đo độ tự cảm của cuộn sơ cấp. Kết quả đo của tôi là 2,7μH, hơi cao một chút.

5760×4320 800 KB

Các Dự Án Mã Nguồn Mở Đề Xuất

Bài Đọc Đề Xuất