Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Viện Điện Tử Viễn Thông
======o0o======

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC
Điện tử công suất
Đề tài:
Thiết kế mạch Boost 5V-12V
Giảng viên hướng dẫn: TS. Hàn Huy Dũng
Nhóm thực hiện: Nhóm 8
Bùi Thị Hiếu

20135527

Dương Phương Hoa

20135581

Nguyễn Thị Kim Thanh

20136375

Đậu Duy Minh

20125673

Hà Nội, 5/2016


Mục lục

Danh mục hình ảnh

2
2


Lời mở đầu
Trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại ngày nay, việc chế tạo các bộ chuyển đổi nguồn
có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho những thiết bị sử dụng điện là rất cần
thiết. Quá trinh xử lý biến đổi điện áp một chiều thành điền áp một chiều khác gọi là quá
trình biến đổi DC – DC. Cấu trúc mạch của các bộ biến đổi DC – DC dẫn và tạo điều
kiện để chúng em hoàn thành môn học.Trong học phần môn học Điện tử công suất này,
chúng em thực hiện đề tài: “Thiết kế mạch Boost – Converter”.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Hàn Huy Dũng đã tận tình quan tâm
hướng dẫn chúng em trong suốt thời gian qua. Do còn hạn chế về trình độ ngoại ngữ,
chuyên môn và thiếu kinh nghiệm nên bài tập lớn của nhóm em còn nhiều thiếu sót,
khiếm khuyết. Chúng em mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp cũng như những lời
khuyên của thầy giáo để có thể thấy rõ những điều cần nghiên cứu và bổ sung thêm, giúp
cho việc xây dựng đề tài hoàn thiện hơn, tạo tiền đề cho chúng em sau này.

3
3


1. Boost converter
Boost Converter có tác dụng điều chỉnh điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào.
Do vậy, boost converter còn được gọi là bộ tăng áp.
Boost Converter là bộ biến đổi nguồn DC-DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp
đầu vào. Nó chứa ít nhất hai chuyển mạch bán dẫn (một diode và một transistor) và ít
nhất một phần tử tích lũy năng lượng, một tụ điện, một cuộn dây hoặc cả hai


1.1

Nguyên lý hoạt động

Hình 1-1. Sơ đồ nguyên lý mạch Boost-Converter

Hình 1-2. Hai chế độ của Boost-Converter phụ thuộc vào trạng thái khóa S

4
4


Khi khóa đóng, dòng điện chạy qua cuộn cảm theo chiều kim đồng hồ và cuộn dây
tích trữ năng lượng. Chiều bên trái cuộn dây mang dấu dương.
Khi khóa mở, dòng điện bị giảm. Tuy nhiên dòng điện hoặc sự sụt giảm này được
chống lại bởi cuộn dây. Chiều cuộn dây đảo ngược (bên trái cuộn dây mang dấu âm). Kết
quả ta có hai nguồn điện sẽ nạp năng lượng cho tụ thông qua diode D.
Nếu khóa hoàn thành chu kỳ chuyển mạch, điện cảm sẻ không được tích điện đầy
giữa trạng thái tích điện và tải sẻ có điện áp lớn hơn đầu vào khi khóa mở. Khi khóa mở,
tụ nối song song tải được tích điện tới điện áp tương ứng. Khi khóa được đóng và phần
mạch bên phải ngắn mạch từ bên trái, tụ sẻ cung cấp điện áp và năng lượng cho tải.
Trong quá trình này, diode khó ngăn tụ xả điện tích qua khóa. Khóa phải được mở đủ để
chống lại tụ xả điện.

Nguyên lý cơ bản của bộ Boost converter:
-

Trạng thái On, khóa S đóng, làm tăng dòng điện cảm.
Trạng thái Off, khóa mở và dòng điện cảm chạy qua diode D, tụ C và tải R. Kết

quả chuyển năng lượng tích lũy trong trạng thái On vào tụ.

5
5


1.2

Chế độ liên tục

Hình 1-3. Dòng, áp, trạng thái chuyển mạch chế độ liên tục

Khi bộ Boost converter hoạt động ở chế độ liên tục, dòng chạy qua cuộn dây (I L)
không bao giờ bằng 0. Điện áp đầu ra có thể tính như bên dưới trong trường hợp bộ
chuyển đổi lý tưởng (sử dụng thành phần lý tưởng) hoạt động với điều kiện ổn định.
Trong suốt trạng thái On, khóa S đóng, khiến điện áp đầu vào V S đặt lên cuộn dây,
tạo ra thay đổi dòng IL xuyên qua cuộn dây trong một chu kỳ bởi công thức:

Kết thúc trạng quá On. Dòng IL tăng như sau:
D là chu kỳ năng suất. D nằm giữa 0 và 1 (S không bao giờ mở và S luôn mở).
Trong trạng thái Off, khóa S mở, dòng cuộn dây chạy qua tải. Nếu điện áp zero rơi
vào diode, và điện tích trên tụ đủ lớn cho giá trị không đổi, dòng IL được tính như sau:
Vì vậy, sự biến đổi của IL trong chu kỳ Off là:

6
6


Khi chúng ta xét hoạt động bộ chuyển đổi trong điều kiện trạng thái ổn định, phần
lớn năng lượng được lưu trữ trong mỗi thành phần của nó giống như lúc bắt đầu và kết

thúc chu kỳ. Ngoại trừ năng lượng lưu trong cuộn dây được cung cấp bởi:
Dòng trong cuộn dây giống lúc bắt đầu và kết thúc chu kỳ chuyển mạch. Nghĩa là
sự thay đổi toàn diện trong dòng về zero:

Thay đổi và bởi biểu thức:

Viết lại:

Công thức trên nói lên điện áp đầu ra luôn cao hơn điện áp đầu vào (chu kỳ năng
lượng từ 0 đến 1), và nó tăng với D, về lý thuyết xác định D lên 1. Đó là lý do tại sao bộ
chuyển đổi đôi khi coi như bộ chuyển đổi tăng cấp.

7
7


1.3

Chế độ không liên tục

Hình 1-4. Dòng, áp, trạng thái chuyển mạch chế độ không liên tục

Nếu biên độ sóng của dòng quá lớn, cuộn dây xả năng lượng hết trước khi kết thúc
chu kỳ chuyển mạch. Trong trường hợp này, dòng trong cuộn dây giảm xuống 0 trong 1
phần của chu kỳ. Nó có thể được tính như sau:
Dòng điện cuộn dây lúc bắt đầu chu kỳ bằng 0, giá trị lớn nhất là :
Trong suốt chu kỳ off, IL giảm xuống 0 sau :
Sử dụng 2 công thức trước, δ bằng:
Dòng tải I0 bằng dòng trung bình qua diode ID.Dòng diode bằng dòng cuộn dây
trong trạng thái off. Tuy nhiên dòng đầu ra có thể viết:

Thay thể ILmax và δ bởi công thức tương ứng:
Tuy nhiên điện áp đầu ra có thể viết:
8
8


So sánh công thức điện áp đầu ra của chế độ liên tục, công thức này phức tạp hơn.
Hơn nữa, trong chế độ không liên tục, điện áp đầu ra không phụ thuộc chu kỳ chuyển
mạch mà còn phụ thuộc vào giá trị điện cảm, điện áp đầu vào, tần số chuyển mạch và
dòng đầu ra.

2. Tính toán giá trị về mạch Boost
2.1

Chu kỳ chuyển mạch

2.1.1 Gọi T là chu kỳ chuyển mạch
T = T1 + T2
- T1: Thời gian đóng khóa (van)
- T2: Thời gian ngắt khóa (van)
9
9


2.1.2 Chu kỳ nhiệm vụ D
D=
1–D=

2.2


Tính toán điện áp đầu ra

- Gỉa sử điện áp rơi trên Diode và dao động điện áp ngõ ra là khá nhỏ so với giá trị của
điện áp ngõ vào và ngõ ra. Khi đó,
• Điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa (van) là Din
• Điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van) là (1 – D) (in – out)
- Với điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn là:
(Din) + ((1 – D) (in – out)) = 0
 in – (1 – D) out = 0
 in = (1 – D) out
Hay
out = Với 0 < D < 1 => 0 < in < out
- Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vi thay
đổi của chu kỳ nhiệm vụ D:
Dmin = 1 Dmax = 1 Tại biên của chế độ dòng điện liên tục và gián đoạn, độ thay đổi dòng điện sẽ bằng
2 lần dòng điện tải. Như vậy, độ thay đổi dòng điện cho phép bằng 2 lần dòng điện tải tối
thiểu.
Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn của điện áp trung bình đặt vào điện cảm khi khóa
(van) ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức là hàm số đạt giá trị nhỏ nhất khi D thay đổi từ
Dmin đến Dmax
Gọi giá trị của D và Vin tương ứng với giá trị nhỏ nhất đó là D th và Vin,th (giá trị tới
hạn), đẳng thức sau (chỉ xét về độ lớn) được dùng để chọn giá trị chu kỳ (hay tần số)
chuyển mạch và điện cảm:
(1 − Dth) × T × (Vout − Vin,th) = Lmin × 2 × Iout,min
10
10


Thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm sẽ đi qua tụ điện ngõ ra.
Lượng điện tích được nạp vào tụ điện khi dòng điện qua điện cảm lớn hơn dòng điện

trung bình sẽ là ΔI×T/8. Nếu biểu diễn theo điện dung và điện áp trên tụ điện thì lượng
điện tích này bằng C×ΔV. Trong đó, ΔI là biên độ của thành phần xoay chiều của dòng
điện qua điện cảm, còn ΔV là độ thay đổi điện áp trên tụ khi nạp (cũng như khi xả, xét ở
trạng thái xác lập). Như vậy, chúng ta có thể xác định giá trị của tụ điện dựa vào đẳng
thức sau:
ΔI×T/8 = C×ΔV
ΔI đã được xác định ở trên, bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu
T đã được chọn ở bước trước đó. Tùy theo giá trị độ dao động điện áp ngõ ra cho
phép ΔV mà chúng ta chọn giá trị C cho thích hợp.

2.3

Mô phỏng PSIM
Sử dụng các công thức tính toán như trên, ta thực hiện mô phỏng trêm PSIM như

sau:
-

Vin = 5VDC
Vout(mong muốn) = 12VDC
R = 50Ω
f = 50KHz



11
11


Hình 2-5. Mô phỏng trên PSIM


Kết quả mô phỏng:

Hình 2-6. Kết quả mô phỏng

Nhận xét:
-

Điện áp đầu ra thời gian quá độ vượt mức yêu cầu gần gấp đôi. => Mạch không an

-

toàn
Sau khoảng quá độ, điện áp đầu ra hầu như ổn định.
12

12


 Cần có biện pháp hạn chế sự quá độ quá mức của điện áp đầu ra, điều chỉnh về
gần với điện áp mong muốn.

3. Tính toán thiết kế mạch
3.1

MC34063

3.1.1 Mô tả MC34063
MC34063 là mạch điều khiển nguyên khối bao gồm tất cả các khối chức năng
được yêu cầu cho các bộ biến đổi DC-DC. MC34063 bao gồm các thành phần:

-

Điện áp tham chiếu bù nhiệt.
Bộ tạo dao động.
Giới hạn dòng đỉnh hoạt động.
Chuyển mạch đầu ra.
So sánh độ nhạy áp đầu ra.

MC34063 được thiết kế để tích hợp vào vào các bộ biến đổi buck, boost hoặc voltageinverter. Tất cả các chức năng này được bao hàm trong gói 8 chân DIP hoặc SOIC.

Hình 3-7. DIP

Hình 3-8. SOIC

13
13


Hình 3-9. Sơ đồ khối MC34063

Số chân

Ký hiệu

Tên và chức năng

1

SWC


Chuyển Collector

2

SWE

Chuyển Emitter

3

TC

Timing Capacitor

4

GND

Chân nối đất

5

CII

So sánh đảo ngược đầu vào

6

Vcc


Nguồn nuôi

7

Ipk

Pháy hiện dòng Ipk

8

DRC

Điện áp điều khiển Collector

Bảng 3-1. Chức năng các chân MC34063

3.1.1.1 Điện áp tham chiếu
Điện áp tham chiếu được đặt là 1.25V và được sử dụng để đặt cho điện áp đầu ra
của bộ chuyển đổi.
14
14


Hình 3-10. Mạch điện áp tham chiếu

3.1.1.2 Bộ tạo dao động
Bộ tạo dao động bao gồm nguồn dòng và điểm thoát dòng rằng sạc và xả tụ (C T)
thời gian ngoài khoảng giữa ngưỡng cài đặt trên và dưới. Dòng sạc thông thường là
35µA, và dòng xả thông thường là 200µA, hiệu suất xấp xỉ 6:1. Vì vậy, giai đoạn biến
đổi lên là gấp 6 lần giai đoạn biến đổi xuống.

Ngưỡng trên là 1.25V, giống với điện áp tham chiếu bên trong, và ngưỡng dưới là
0.75V. Bộ tạo dao động chạy liên tục, với tốc độ được kiểm soát bởi CT.

Hình 3-11. Ngưỡng điện áp bộ tạo dao động

3.1.1.3 Giới hạn dòng điện
Giới hạn dòng điện được thực hiện bằng cách giám sát điện áp rơi trên một điện
cảm bên ngoài được đặt trong các dòng với Vcc và bộ chuyển đổi đầu ra. Sụt giảm điện
áp được phát triển qua điện cảm được giám sát bởi chân dòng cảm, I PK. Khi sụt giảm điện
áp qua điện cảm trở nên lớn hơn giá trị đặt ban đầu (330mA), mạch giới hạn dòng cung
cấp thêm đường dòng để sạc tụ C T một cách nhanh chóng, để đạt tới ngưỡng dao động
trên và do vây, giới hạn năng lượng trong cuộn cảm. Điện cảm nhỏ nhất là 0.2Ω. Hình15
15


3.6 cho thấy dòng sạc tụ định thời CT so với điện áp giới hạn dòng cảm. Thiết lập dòng
đỉnh Ipk = 330mV/Rsense.

Hình 3-12. Dòng sạc tụ định thời CT so với điện áp giới hạn dòng cảm

3.1.1.4 Chuyển mạch đầu ra
Chuyển mạch đầu ra là transistor Darlington NPN. Collector của transitor đầu ra được
gắn với chân 1, và Emitter gắn với chân 2. Nó cho phép người thiết kế sử dụng MC34063
trong cấu hình buck, boost, inverter. Điện áp bão hòa Collector-Emitter lớn nhất tại 1.5A
là 1.3V, và dòng điện đỉnh lớn nhất của chuyển mạch đầu ra 1.5A. Với dòng điện đỉnh
đầu ra cao hơn, transistor ngoài cần được sử dụng. Hình-3.7 cho thấy các dạng sóng hoạt
động điển hình.

Hình 3-13. Các dạng sóng hoạt động đầu ra


16
16


3.1.2 Điều khiển chuyển mạch Boost
Hình-3.8 cho thấy điều khiển chuyển mạch cơ bản. Năng lượng dự trữ cuộn cảm
trong suốt thời gian transistor Q1 ở trạng thái ON. Khi transitor Q1 tắt, năng lượng được
truyền trong dòng chính với Vin đến tụ lọc đầu ra (Cout) và tải (RL). Cấu hình này chđầuo
phép điện áp đầu ra đặt đến bất kỳ giá trị nào lớn hơn đầu vào. Từ đó, ta các công thức có
thể được sử dụng để tính toán điện áp đầu ra:

Hình 3-14. Điều khiển chuyển mạch Boost

3.1.2.1 Hoạt động của MC34063 trong mạch Boost Converter
Giả sử rằng, transistor Q1 tắt, dòng điện trong cuộn cảm là 0, điện áp đầu ra là giá
trị định danh của nó. Tại thời điểm này, dòng điện trong tải đang được cung cấp chỉ do
Cout, và cuối cùng nó sẽ giảm xuống dưới giá trị danh định. Khi điện áp đầu ra giảm
xuống dưới giá trị danh định, nó có thể được cảm nhận bởi mạch điều khiển, cuộn cảm và
Q1, và nó tăng lên với tốc độ . Điện áp qua cuộn cảm bằng với V in – Vsat, và dòng điện
đỉnh gần như là hàm tuyến tính của t, như ở đây:
Khi hoàn thành chu kỳ ON, Q 1 tắt, và từ trường trong cuộn cảm bắt đầu suy giảm,
tạo ra một điện áp đảo chuyển qua D1, năng lượng cung cấp cho C out và RL. Sự suy giảm
dòng điện cuộn cảm tại tỉ lệ , và điện áp qua nó bằng với V out +VF – Vin. Dòng điện bất kỳ
được tính toán như sau:

17
17


3.1.2.2 Tính toán chu kỳ ON, OFF

Giả sử rằng hệ thống hoạt động tại chế độ không liên tục, dòng điện qua cuộn cảm
đạt 0 sau giai đoạn toff được hoàn thành. IL(pk) đạt được trong suốt ton phải suy giảm xuống
0 trong suốt thời gian toff, tỉ lệ của ton với toff có thể được viết như sau:

Thành quả của điện áp theo thời gian của t on phải bằng với toff, và giá trị điện cảm
không ảnh hưởng đến mối liên hệ này.
Dòng điện cuộn cảm sạc cho tụ lọc đầu ra thông qua D1 trong suốt t off. Nếu điện
áp đầu ra không thay đổi, khối lượng sạc mỗi chu kỳ chuyển đến tụ lọc phải là 0 (Q+ =
Q-).

3.1.2.3 Tính toán dòng điện đỉnh
Hình-3.9 chi thấy các dạng sóng điều khiển chuyển mạch boost. Bằng cách quan sát
dòng điện tụ và thực hiện thay thế vào phương trình trước đó, công thức cho dòng điện
cuộn cảm đỉnh có thể đạt được.

3.1.2.4 Tính toán cuộn cảm
Dòng điện đỉnh cuộn cảm cũng bằng với dòng điện đỉnh chuyển mạch. Bằng cách
biết điện áp qua cuộn cảm trong suốt t on và dòng điện đỉnh yêu cầu cho thời gian dẫn
chuyển mạch, giá trị cuộn cảm tối thiểu có thể được xác định:

18
18


3.1.2.5 Độ gợn sóng điện áp đầu ra
Tính tóan độ gợn sóng điện áp đầu ra biết giá trị t on, toff, dòng điện cuộn cảm dỉnh,
dòng điện đầu ra và giá trị tụ đầu ra. Dạng sóng của dòng điện tụ được miêu tả trong
Hình-3.9, t1 là khoảng thời gian xả. Giải t1 khi biết sản lượng:
Trong khoảng toff, dòng điện là tuyến tính với sườn âm,


Trục đồ thị parabol đã được lựa chọn bởi giá trị tối đa để C = 0

Bảo toàn năng lượng trong tụ đầu ra: Q+ = QTừ (1) và (2) ta có:

Độ gợn dòng điện cuộn cảm:
Tính chu kỳ và tính liên tục của độ gợn tụ đầu ra:
Thay thế (4) vào (3):
Nếu ton = 6.5toff, thì:
19
19


Hình 3-15. Các dạng sóng điều khiển chuyển mạch Boost

3.1.3 Thông số cơ bản
Trong ứng dụng biến đổi DC-DC việc nâng điện áp DC hay hạ xuống thì phải
dùng đến kỹ thuật điều xung. Các mạch biến đổi DC-DC ngày được sử dụng nhiều trong
các hệ thống cung cấp nguồn cho thiết bị từ công suất nhỏ đến công suất lớn. MC34063A
là một trong những IC có chức năng dùng làm biến đổi nguồn DC-DC sử dụng làm các
nguồn : Step-down, Step-Up, Inverting...Với tính năng : Tích hợp ổn định, kiểm tra được
quá dòng và quá áp,có phản hồi từ đầu ra, điều chỉnh được điện áp đầu ra.Ngoài ra chúng
ta có thể ghép nối với van ngoài để nâng cao công suất của mạch.
-

Điện áp hoạt động: 3V – 40V.
Điện áp đầu ra có thể điều chỉnh được.
Dòng điện đầu ra có thể lên tới 1.5A.
Tần số làm việc 100KHz.
Sai số 2%.


20
20


3.2

Tính toán linh kiện

3.2.1 Lý thuyết

Hình 3-16. Sơ đồ nguyên lý mạch Boost dùng MC34063A

Các linh kiện trong mạch được tính toán theo các công thức sau:

Trong đó:
-

VSAT: Độ bão hòa điện áp chuyển mạch đầu ra.
VF: Sụt áp điện áp chuyển tiếp của chỉnh lưu đầu ra.
Theo các đặc điểm nguồn cần chọn:
21

21


-

Vin: Điện áp đầu ra danh định.
Vout: Điện áp đầu ra mong muốn,
Iout: Dòng đầu ra mong muốn.

fmin: Tần số chuyển mạch đầu ra mong muốn tối thiểu tại các giá trị được lựa chọn

-

của Vin và IO.
Vripple: Điện áp gợn sóng.
Trong thực tế, giá trị tụ điện được tính toán sẽ phải được nâng lên do điện trở
kháng tương đương và bố trí của nó. Các điện áp gợn nên được giữ ở giá trị thấp
vì nó sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến dòng và tải quy định.

3.2.2 Thực tế
Hiện tại trên một số trang Web có xây dựng ứng dụng tính toán mạch như sau:

Hình 3-17. Kết quả tính toán mạch

Tại đây, ta chỉ cần nhập các thông số đầu vào là V in, Vout, Iout, Vripple và fmin, các
thông số của linh kiện trong mạch sẽ được tính toán và đưa ra kết quả. Với ứng dụng này,
người sử dụng có thể dùng tính toán linh kiện cho các mạch tăng áp, giảm áp, đảo áp có
sử dụng MC34063.

22
22


Vì một số thông số tính toán khi được sử dụng trong thực tế là không có linh kiện
phù hợp nên có một số chênh lệch không đáng kể. Từ đó, chúng ta được sơ mạch được
nêu ở phần ngay tiếp đây.

3.3


Sơ đồ mạch

Hình 3-18. Sơ đồ nguyên lý

23
23


Hình 3-19. Sơ đồ mạch in

24
24


Hình 3-20 Sơ đồ mạch 3D

4. Kết luận
4.1

Kết quả đạt được
-

4.2

Mạch đơn giản, nhỏ gọn, dễ thực hiện.
Điện áp và dòng ổn định.
Mạch hoạt động đúng chức năng.

Hạn chế
-


Mạch chỉ hoạt động với tải thuần trở, không hoạt động với tải RL.

5. Tài liệu tham khảo
[1] “All Datasheet,” [Online]. Available: />25
25