Bộ nguồn buck hạ điện áp bằng đóng cắt: vì sao duty cycle chưa nói hết chất lượng nguồn?

Bộ nguồn buck hạ điện áp một chiều bằng đóng cắt và trao đổi năng lượng qua cuộn cảm. Nó không đơn giản đốt bỏ toàn bộ phần điện áp chênh lệch như cách hình dung về một điện trở nối tiếp. Nhờ vậy, buck thường được chọn để cấp nguồn cho mạch điện tử, nhưng hiệu suất và chất lượng đầu ra vẫn phụ thuộc thiết kế.

Để hiểu một mô-đun nguồn có phù hợp hay không, cần nhìn xa hơn con số dòng điện tối đa trên quảng cáo. Chế độ dòng qua cuộn cảm, giới hạn đóng cắt, tổn hao và phản ứng với tải đều ảnh hưởng việc giữ điện áp. Bài viết dưới đây giải thích nguyên lý, không cung cấp một bản thiết kế đã kiểm thử để chế tạo.

Cuộn cảm nối hai trạng thái đóng và ngắt

Ở buck cơ bản, công tắc công suất lần lượt nối và ngắt đầu vào với nhánh cuộn cảm. Khi công tắc dẫn, điện áp đặt lên cuộn cảm làm dòng tăng. Khi công tắc ngắt, dòng qua cuộn cảm vẫn có đường tiếp tục chạy nhờ diode hoặc công tắc được điều khiển ở nhánh dưới. Tụ đầu ra hỗ trợ giảm dao động điện áp.

Tài liệu AN041 của Richtek mô tả phiên bản đồng bộ gồm hai MOSFET, cuộn cảm và các tụ đầu vào, đầu ra. Hai MOSFET đảm nhiệm những khoảng dẫn khác nhau. Đây là cấu trúc chức năng; mạch thực cần bộ điều khiển và những ràng buộc thời gian để vận hành đúng.

Điều cần phân biệt là điện áp tại nút chuyển mạch với điện áp cấp cho tải. Nút chuyển mạch có dạng xung; cuộn cảm và tụ giúp tạo đầu ra ít gợn hơn. Nhìn thấy xung ở một nút trong sơ đồ không có nghĩa tải được thiết kế để nhận trực tiếp cùng dạng sóng ấy.

Tỷ lệ thời gian dẫn chỉ đúng trong những giả định nhất định

Duty cycle là phần thời gian công tắc ở trạng thái dẫn trong một chu kỳ. Với mô hình buck lý tưởng ở chế độ dòng liên tục và trạng thái ổn định, điện áp đầu ra bằng điện áp đầu vào nhân duty cycle. Chẳng hạn, 12 V nhân 0,25 cho 3 V theo mô hình đó; đây là ví dụ tính toán, không phải số đo của một bộ nguồn.

Analog Devices nhấn mạnh quan hệ này áp dụng cho chế độ dòng liên tục, thường gọi là CCM. Khi dòng cuộn cảm giảm về không trong một phần chu kỳ, mạch ở chế độ gián đoạn DCM và quan hệ điều khiển thay đổi. Không nên dùng một công thức lý tưởng cho mọi mức tải.

Một cách hiểu khác là xét cân bằng điện áp theo thời gian trên cuộn cảm. Bài thực hành của Analog Devices dùng cách tiếp cận này để giải thích vì sao đầu ra liên quan duty cycle. Nó cũng cho thấy thay đổi tải và điện trở thực có thể làm điện áp lệch khỏi kết quả lý tưởng.

Vòng phản hồi giữ đầu ra khi đầu vào và tải thay đổi

Mạch đóng cắt với một tỷ lệ cố định chưa tự trở thành nguồn ổn áp tốt. Nếu đầu vào thay đổi, cùng duty cycle có thể tạo điện áp khác. Khi tải thay đổi, sụt áp trên các phần tử thực cũng thay đổi. Bộ điều khiển vì thế cần quan sát đầu ra và điều chỉnh hoạt động theo mục tiêu.

Vòng phản hồi có thể được giải thích như một quá trình đo sai lệch rồi tác động trở lại mạch công suất. Tuy nhiên, không thể kết luận chỉ cần tăng tốc độ điều chỉnh là luôn tốt hơn. Khi đánh giá một IC cụ thể, đáp ứng tải và điều kiện ổn định phải được xem trong tài liệu của chính linh kiện đó.

Với một ứng dụng có tải bật tắt, phép đo hữu ích không chỉ là giá trị điện áp sau khi đã ổn định. Cần quan sát cả khoảng chuyển tiếp. Một hệ thống hiển thị 3,3 V đúng lúc tải đứng yên vẫn chưa chứng minh nó giữ được nguồn trong các tình huống vận hành thực tế.

Đồng bộ giúp giảm một loại tổn hao, không xóa mọi tổn hao

Application Note 140 của Analog Devices tách tổn hao dẫn khỏi tổn hao đóng cắt. Diode có sụt áp khi dẫn, dây quấn cuộn cảm có điện trở và MOSFET cũng không phải công tắc không tổn hao. Dòng điện đi qua các phần tử này tạo nhiệt ngay cả khi sơ đồ nguyên lý trông rất đơn giản.

Buck đồng bộ thay diode bằng MOSFET được điều khiển nhằm giảm tổn hao dẫn trong những điều kiện phù hợp. Nhưng quá trình bật và tắt MOSFET cần thời gian; điện áp và dòng có thể chồng lấn trong chuyển tiếp. Điện dung ký sinh cũng khiến việc điều khiển công tắc tiêu tốn năng lượng.

Do đó, một tuyên bố hiệu suất phải đi cùng điện áp vào, điện áp ra, dòng tải và điều kiện đo. Hai bộ nguồn cùng công suất đầu ra chưa chắc có cùng tổn hao. Cũng không thể lấy hiệu suất cao nhất trong một biểu đồ làm giá trị cố định cho toàn dải hoạt động.

Đầu vào gần đầu ra là một giới hạn cần kiểm tra

Một câu hỏi thực tế là nguồn buck có duy trì đầu ra khi điện áp pin giảm gần mức yêu cầu hay không. Tài liệu Analog Devices về duty cycle cho thấy không phải bộ điều khiển nào cũng cho phép công tắc phía trên dẫn liên tục. Kiến trúc cấp điện điều khiển cổng ảnh hưởng giới hạn ấy.

Ngay cả khi một IC có chế độ duty cycle 100%, điều đó không biến buck thành bộ tăng áp. Bài hướng dẫn ứng dụng buck mô tả trường hợp điện áp đầu ra giảm dưới mức mong muốn khi đầu vào thấp và công tắc đã chạm giới hạn dẫn. Cần đọc đúng phạm vi của IC thay vì suy từ tên chế độ.

Với một thiết bị chạy pin, hồ sơ thiết kế nên ghi cả mức pin đầy, mức pin thấp và tải thay đổi. Đây là cách kiểm tra khả năng đáp ứng yêu cầu, không phải một khuyến nghị rằng mọi ứng dụng cần cùng mức dự phòng. Phương án nguồn phải xuất phát từ dải vận hành thực tế của thiết bị.

Từ sơ đồ nguyên lý đến bộ nguồn sử dụng được

Cuộn cảm và tụ không chỉ được chọn theo một con số danh định. Richtek dành phần tính toán cho các thành phần công suất, trong khi tài liệu ứng dụng của Analog Devices chỉ ra những giới hạn riêng của linh kiện tích hợp. Cần đối chiếu với bảng dữ liệu trước khi thay một giá trị bằng linh kiện khác có vẻ tương đương.

Đối với người tích hợp mô-đun, yêu cầu nhà cung cấp nêu điều kiện thử nghiệm thường hữu ích hơn hỏi duy nhất dòng tối đa. Nên phân biệt số liệu trong tài liệu, kết quả mô phỏng và phép đo trên bo mạch thật. Những nguồn được dẫn ở đây không chứng nhận một mô-đun mua sẵn cụ thể hoặc hiệu suất tại nhiệt độ lắp đặt của người dùng.

Buck là ví dụ rõ về lợi ích của việc chuyển đổi năng lượng có điều khiển. Muốn sử dụng tốt, cần hiểu cả mô hình lý tưởng giúp giải thích hoạt động và những giới hạn khiến phần cứng khác mô hình đó. Bước cuối vẫn là kiểm chứng đầu ra trong dải nguồn, tải và điều kiện nhiệt của ứng dụng.

Nguồn và sơ đồ

Richtek AN041; ADI AN-140; ADI: giới hạn duty cycle; ADI: nguyên lý buck; ADI: ứng dụng bộ ổn áp buck.

Sơ đồ buck cơ bản có diode, không phải sơ đồ bộ nguồn đồng bộ cụ thể. Tác giả Wdwd, tư liệu năm 2010; nguồn ảnh, CC BY-SA 3.0. Dùng nguyên bản, hiển thị toàn sơ đồ trên nền sáng.