Mạch bootstrap là gì

Ngược lại với bộ nguồn tuyến tính, Công suất dư thừa sẽ chuyển dang dạng nhiệt để hạn chế điện áp đầu ra, bộ nguồn chuyển mạch khai thác các đặc tính lưu trữ năng lượng của các thành phần cảm ứng và điện dung để truyền công suất trong các bộ năng lượng rời rạc. Năng lượng được lưu trữ trong từ trường của cuộn cảm hoặc trong điện trường của tụ điện. Bộ điều khiển chuyển mạch đảm bảo rằng chỉ năng lượng thực sự cần thiết mới được chuyển tới tải, do đó cấu trúc liên kết này rất hiệu quả. Hình 1.6 cho thấy cấu trúc đơn giản của bộ điều chỉnh chuyển mạch.

Để chuyển năng lượng từ đầu vào đến đầu ra với lượng có thể kiểm soát được, cần có một kỹ thuật điều chỉnh phức tạp hơn so với kỹ thuật điều chỉnh tuyến tính. Loại điều khiển phổ biến nhất là PWM (Pulse Width Modulation), trong đó lượng năng lượng truyền từ đầu vào đến đầu ra được điều chế bởi một xung có độ rộng thay đổi với một khoảng thời gian cố định. Tỷ lệ PWM, δ, là tỷ số giữa Ton (thời gian mà năng lượng được lấy từ nguồn) với chu kỳ T (nghịch đảo của tần số chuyển mạch ƒOSC).

Đối với nhiều bộ nguồn chuyển mạch, điện áp đầu ra được điều chỉnh tỷ lệ thuận với chu kỳ làm việc của PWM. Vòng điều khiển sử dụng chu kỳ nhiệm vụ “tín hiệu lớn” để điều khiển phần tử chuyển mạch nguồn. Ngược lại, bộ điều chỉnh tuyến tính sử dụng vòng lặp servo “tín hiệu nhỏ” để giới hạn dòng điện qua transistor đi qua. Điều khiển PWM hiệu quả hơn nhiều so với điều khiển tuyến tính, bởi vì các tổn thất chính chỉ xảy ra trong mỗi lần thay đổi trạng thái của công tắc thay vì liên tục. FET được bật hoặc tắt hoàn toàn sẽ tiêu hao rất ít điện năng.

Kích thước của các phần tử lưu trữ trong bộ nguồn chuyển mạch tỷ lệ nghịch với tần số chuyển mạch. Năng lượng và công suất có thể được lưu trữ trong cuộn cảm là:

Lượng điện năng được lưu trữ trong cuộn cảm tỷ lệ với tần số. Ví dụ, đối với một lượng tích trữ năng lượng cố định, kích thước của cuộn cảm, L, có thể giảm đi một nửa nếu tần số tăng gấp đôi. 

Trong các phần tử điện dung của phương trình cho năng lượng tích trữ và công suất như sau:

Kích thước tụ điện có thể được giảm xuống bằng cách tăng tần số mà không ảnh hưởng đến việc lưu trữ năng lượng. Việc giảm kích thước vật lý này có ý nghĩa quan trọng đối với cả nhà sản xuất cũng như khách hàng, vì do đó bộ nguồn chuyển mạch yêu cầu ít đóng gói hơn và cũng chiếm ít không gian bo mạch hơn. Tuy nhiên, yêu cầu về không gian giảm đi cùng với sự gia tăng phát xạ nhiễu RF khi tần số chuyển mạch tăng lên, do đó, có sự cân bằng EMC giới hạn tần số chuyển mạch thực tế cao nhất là khoảng 500kHz (một số thiết kế rất nhỏ có thể hoạt động ở 1MHz hoặc cao hơn, nhưng chúng cần bố trí PCB rất cẩn thận và che chắn EMC).

Thuật ngữ cấu trúc liên kết đề cập đến các dạng kết hợp phần tử chuyển mạch và lưu trữ năng lượng khác nhau có thể để truyền, điều khiển và điều chỉnh điện áp đầu ra hoặc dòng điện từ nguồn điện áp đầu vào.

Nhiều cấu trúc liên kết khác nhau cho bộ điều chỉnh chuyển mạch có thể được chia thành hai nhóm chính:

a) Bộ nguồn không cách ly, trong đó nguồn đầu vào và tải đầu ra chia sẻ một đường dẫn dòng điện chung trong quá trình hoạt động.

b) Bộ nguồn cách ly, trong đó năng lượng được truyền qua các thành phần từ tính được ghép nối lẫn nhau (máy biến áp), trong đó việc ghép nối giữa nguồn cung cấp và tải chỉ đạt được thông qua trường điện từ, do đó cho phép cách ly điện giữa đầu vào và đầu ra.

Nguồn DC/DC không cách ly

Việc lựa chọn từ nhiều loại cấu trúc liên kết có sẵn dựa trên những cân nhắc như chi phí, hiệu suất và đặc tính điều khiển, được xác định bởi các yêu cầu ứng dụng. Không có cấu trúc liên kết nào tốt hơn hay tệ hơn cấu trúc liên kết khác. Mỗi cấu trúc liên kết đều có ưu điểm cũng như nhược điểm và vì vậy việc lựa chọn là một câu hỏi về nhu cầu của người dùng và ứng dụng hệ thống.

Đối với bộ nguồn DC / DC không cách ly, có năm cấu trúc liên kết cơ bản không có biến áp:

I.   Buck hoặc bộ nguồn giảm áp

II.  Bộ  nguồn tăng áp

III. Bộ nguồn Buck-boost hoặc step-up-down

IV. Buck-boost 2 trạng thái đảo

V.  Buck-boost 2 trạng thái không đảo (Bộ nguồn Sepic, Bộ nguồn ZETA)

Các giải thích tiếp theo giả định rằng mạch điều khiển PWM có mạch điều khiển phản hồi (không được hiển thị) và chu kỳ làm việc chính xác được chọn cho điện áp đầu ra mong muốn. Ngoài ra, các thiết bị chuyển mạch lý tưởng (transistor chuyển mạch hoặc điốt) cũng như tụ điện và cuộn cảm lý tưởng được giả định để chứng minh tốt hơn các đặc tính truyền dẫn của từng cấu trúc liên kết, nhưng trước khi chúng ta xem xét cấu trúc liên kết, một vài lời về việc điều khiển linh kiện bán dẫn chuyển mạch.

FET được sử dụng phổ biến nhất trong trường hợp bão hòa, nơi điện trở D-S là nhỏ nhất và tổn thất điện là tối thiểu. Miễn là điện áp VGS cao hơn điện áp ngưỡng VTH, FET sẽ ở trạng thái bão hòa trên toàn bộ dải tải. (tham khảo Hình 1.7). Các bạn có thể tham khảo về Mosfet ở đây : Mosfet là gì 

Nhìn vào mạch chuyển đổi buck đồng bộ đơn giản dưới đây, có thể thấy rằng có hai FET, một Fet nối với GND (phía thấp) và  VIN + (phía cao).

FET phía thấp là kênh N sẽ đi vào trạng thái bão hòa nếu điện áp điều khiển VNS >> VTH và tắt nếu VNS <VTH.

Nếu FET phía cao là loại kênh N, nó sẽ bão hòa nếu điện áp điều khiển VPS << (VIN – VTH) và tắt nếu VPS> (VIN – VTH). Tuy nhiên, FET kênh P thường có công suất tiêu thụ gấp 3 lần so với FET kênh N có kích thước tương đương và cũng đắt hơn. Trong nhiều ứng dụng nguồn, điều này không được chấp nhận và ưu tiên sử dụng FET kênh N để điều khiển phía cao, tuy nhiên, điều này có nghĩa là trình điều khiển phía cao phải có khả năng tạo ra điện áp đầu ra cao hơn điện áp đầu vào VIN.

Một giải pháp thường được sử dụng cho trình điều khiển bên cao N-Channel là sử dụng tín hiệu sóng vuông tại VX để tăng điện áp cung cấp cho trình điều khiển bên cao thông qua tụ điện bootstrap và diode D1.

Tụ điện CBOOT được nạp đến VIN + qua D1 khi VX = GND và phóng điện 2 × VIN + vào tụ điều khiển phía cao CDRIVE khi VX = VIN +. Do đó, trình điều khiển phía cao có nguồn cung cấp điện áp cao hơn có thể điều khiển cổng N-FET phía cao trên điện áp đầu vào.

Nhược điểm của mạch bootstrap đơn giản này là ở các chu kỳ làm việc PWM cao, tụ bootstrap không có đủ thời gian để sạc đầy tụ CDRIVE. Do đó, hoạt động ở gần 100% chu kỳ làm việc là không thể. Điều này hạn chế điện áp đầu vào và phạm vi tải của bộ nguồn.

Một giải pháp cho vấn đề này là sử dụng bộ dao động bơm phun điện tích để giữ cho CDRIVE được sạc lên trên VIN + trong toàn bộ phạm vi chu kỳ làm việc. Mạch bơm phun điện tích như vậy thường được tích hợp với bộ điều khiển hoặc IC trình điều khiển phía cao (xem ví dụ bên dưới về trình điều khiển phía cao MAX1614 ).