Nguyên lý hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp xung

Bộ điều chỉnh điện áp xung là các thiết bị điều chỉnh điện áp hiệu quả, kiểm soát dòng điện bằng cách chuyển mạch nhanh các phần tử chuyển mạch (như MOSFET) và đạt được điều chỉnh điện áp thông qua các thành phần lưu trữ năng lượng (như cuộn cảm hoặc tụ điện). Dưới đây là giải thích về cách chúng hoạt động và các thành phần chính:

1. Điều khiển Phần tử Chuyển mạch

Tâm điểm của bộ điều chỉnh xung là một phần tử chuyển mạch định kỳ chuyển đổi giữa trạng thái ON và OFF. Khi phần tử chuyển mạch ở trạng thái ON, điện áp đầu vào được truyền qua phần tử chuyển mạch đến cuộn cảm; khi phần tử chuyển mạch ở trạng thái OFF, dòng điện trong cuộn cảm buộc phải tiếp tục chảy qua điôt (hoặc bộ chỉnh lưu đồng bộ) ở đầu ra.

2. Vai trò của cuộn cảm và tụ điện

• Cuộn cảm: Là thành phần lưu trữ, nó lưu trữ năng lượng khi phần tử chuyển mạch dẫn và giải phóng năng lượng khi phần tử chuyển mạch tắt.

• Tụ điện: Kết nối song song ở đầu ra để làm mịn điện áp đầu ra và giảm nhiễu do sự ngắt quãng dòng điện của cuộn cảm.

3. Điều khiển Mạch Điều chế Rộng Độ Xung (PWM)

PWM là phương pháp để kiểm soát tỷ lệ thời gian dẫn và thời gian cắt của phần tử chuyển mạch. Bằng cách điều chỉnh chu kỳ công việc (tức là tỷ lệ thời gian dẫn so với thời gian chu kỳ) của tín hiệu PWM, có thể kiểm soát tốc độ mà cuộn cảm lưu trữ và giải phóng năng lượng, từ đó điều chỉnh mức độ của điện áp đầu ra.

4. Vòng Lặp Phản hồi

Để duy trì sự ổn định của điện áp đầu ra, thường có một vòng lặp phản hồi trong các bộ điều chỉnh xung loại buck. Vòng lặp này theo dõi điện áp đầu ra và so sánh nó với điện áp tham chiếu. Nếu điện áp đầu ra chệch khỏi giá trị đặt, vòng lặp phản hồi sẽ điều chỉnh chu kỳ công việc của tín hiệu PWM để tăng hoặc giảm chuyển năng lượng của cuộn cảm, từ đó duy trì sự ổn định của điện áp đầu ra.

5. Chế độ Hoạt động

• Chế độ Dẫn Liên tục (CCM): Trong điều kiện tải nặng, dòng điện trong cuộn cảm không bao giờ giảm xuống zero trong suốt chu kỳ chuyển mạch.

• Chế độ Dẫn Không Liên tục (DCM): hoặc Chế độ Burst: Trong điều kiện tải nhẹ hoặc không có tải, bộ điều chỉnh có thể chuyển sang các chế độ này để cải thiện hiệu suất và giảm tiêu thụ điện năng rỗi.

6. Hiệu suất và Quản lý Nhiệt

Vì hành động chuyển mạch của phần tử chuyển mạch sẽ tạo ra một số tổn thất, nên hiệu suất của bộ điều chỉnh xung không phải là 100%. Tuy nhiên, có thể đạt được thiết kế hiệu suất cao bằng cách tối ưu hóa lựa chọn phần tử chuyển mạch, giảm tổn thất chuyển mạch và tổn thất dẫn. Đồng thời, các biện pháp quản lý nhiệt thích hợp (như tản nhiệt) cũng cần thiết để ngăn chặn quá nhiệt và duy trì độ tin cậy của bộ điều chỉnh.

Tóm tắt

Bộ điều chỉnh xung đạt được điều chỉnh điện áp hiệu quả và ổn định thông qua cơ chế trên, và được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử khác nhau như máy tính, điện thoại di động, TV, v.v., đảm bảo rằng các thiết bị này có thể hoạt động bình thường dưới các điều kiện điện áp đầu vào khác nhau.