Báo cáo bài tập môn học CAD/CAM | Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

lOMoARcPSD| 36991220
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ I
BÁO CÁO BÀI TẬP MÔN HỌC CAD/CAM MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH...................................................................................2
Chương 1. GIỚI THIỆU.....................................................................................3
1.1. Mục tiêu, mục đích của báo cáo..............................................................3
1.2. Giới thiệu tổng quan mạch nguồn xung Flyback...................................3
Chương 2. PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PHẦN TRONG MẠCH...................4
2.1. Sơ đồ mạch...............................................................................................4
2.2. Thành phần trong mạch..........................................................................4
2.2.1. IC UC3842..........................................................................................4
2.2.2. Opto-coupler PC817..........................................................................8
2.2.3. Biến áp xung......................................................................................9
2.2.4. Các linh kiện khác...........................................................................10
2.3. Nguyên lý làm việc của mạch................................................................10
2.4. Chức năng...............................................................................................11
2.5. Ưu và nhược điểm..................................................................................12
2.6. Ứng dụng của mạch...............................................................................13
Chương 3. Mạch nguyên lý, mạch in PCB......................................................14
3.1. Mạch nguyên lý......................................................................................14 lOMoARcPSD| 36991220
3.2. Mạch PCB...............................................................................................14
3.2.1. Mạch PCB 2D trước khi đổ đất......................................................14
3.2.2. Mạch PCB 2D sau khi đổ đất..........................................................16
3.2.3. Mạch PCB 3D..................................................................................17
DANH MỤC HÌNH ẢNHHình 1: UC3842Error! Bookmark not defined.
Hình 2: Sơ đồ khối ................................................................................................. 5
Hình 3: Chức năng chân IC UC3842 .................................................................... 5
Hình 4: OPTO ........................................................................................................ 8
Hình 5: Biến áp xung ............................................................................................. 8
Hình 6: Mạch nguyên lý mạch nguồn xung flyback sử dụng IC UC3842 ......... 13
Hình 7: PCB 2D top layer mạch nguồn xung flyback sử dụng IC UC3842 trước
khi đổ đất .............................................................................................................. 14
Hình 8: PCB 2D bottom layer mạch nguồn xung flyback sử dụng IC UC3842
trước khi đổ đất..................................................................................................... 14
Hình 9: PCB 2D top layer mạch nguồn xung flyback sử dụng IC UC3842 sau khi
đổ đất .................................................................................................................... 15
Hình 10: PCB 2D bottom layer mạch nguồn xung flyback sử dụng IC UC3842
sau khi đổ đất ........................................................................................................ 16
Hình 11: PCB 3D mặt trên .................................................................................. 16
Hình 12: PCB 3D mặt dưới mạch ....................................................................... 16
Chương 1. Giới thiệu
1.1. Mục tiêu, mục đích của báo cáo
Mục tiêu của bài báo cáo này là cung cấp một cái nhìn toàn diện và hiểu biết sâu
rộng về mạch nguồn xung Flyback sử dụng IC điều khiển PWM UC3842. Bài báo cáo
nhằm mục đích giải thích cách mạch hoạt động, phân tích chức năng của các thành phần
chính trong mạch, và cung cấp các thông tin liên quan đến thiết kế, ứng dụng và tính
toán liên quan đến mạch nguồn xung Flyback. Các mục tiêu và mục đích của bài báo
cáo được tóm tắt như sau: lOMoARcPSD| 36991220 1.
Nắm vững Nguyên tắc Hoạt động: Mục tiêu chính là giúp người đọc hiểu
rõnguyên tắc hoạt động của mạch nguồn xung Flyback và cách nó biến đổi điện áp đầu
vào thành điện áp đầu ra ổn định. 2.
Phân Tích Thành Phần: Báo cáo sẽ giải thích chức năng và vai trò của
từnglinh kiện và thành phần trong mạch, bao gồm biến áp, cuộn cảm chính, cuộn cảm
phụ, transistor chuyển đổi, diode chuyển đổi, điều chỉnh độ rộng xung, và các linh kiện khác. 3.
Hướng Dẫn Thiết Kế: Mục tiêu khác là hướng dẫn người đọc về quy trình
thiếtkế mạch nguồn xung Flyback sử dụng UC3842. Bao gồm việc chọn các giá trị linh
kiện, tính toán tần số chuyển đổi, và điều chỉnh độ rộng xung. 4.
Ứng Dụng Thực Tế: Mục đích là áp dụng kiến thức được học từ báo cáo
vàocác ứng dụng thực tế, như thiết kế nguồn cung cấp chuyển đổi DC-DC hoặc các thiết bị điện tử khác. 6.
Đảm Bảo An Toàn: Mục tiêu quan trọng khác là đảm bảo an toàn trong
quátrình thiết kế và vận hành mạch, bao gồm cách xử lý điện áp cao và các biện pháp bảo vệ. 7.
Hiểu Biết Sâu Hơn Về IC UC3842: Mục tiêu bổ sung là giúp người đọc
hiểusâu hơn về IC điều khiển PWM UC3842, bao gồm các tính năng, chức năng và cách
sử dụng trong mạch nguồn xung Flyback.
1.2. Giới thiệu tổng quan mạch nguồn xung Flyback
Mạch nguồn xung Flyback là một loại mạch nguồn chuyển đổi điện áp DC/DC sử
dụng biến áp để cách ly điện áp đầu vào và đầu ra. Mạch hoạt động dựa trên nguyên lý
lưu trữ năng lượng trong cuộn cảm sơ cấp khi nó được cấp điện và giải phóng năng
lượng đó vào cuộn thứ cấp khi công tắc đóng ngắt.
Chương 2. Phân tích các thành phần trong mạch lOMoARcPSD| 36991220 2.1. Sơ đồ mạch
2.2. Thành phần trong mạch 2.2.1. IC UC3842 Hình 1: UC3842
Khái quát chung
UC3842 là một ic điều khiển mạch nguồn xung (PWM) phổ biến được sử dụng
trong các ứng dụng nguồn xung chuyển đổi. Nó thường được sử dụng để điều khiển
mạch nguồn xung boost, buck, hoặc flyback để cung cấp điện áp ổn định cho các ứng dụng điện tử. lOMoARcPSD| 36991220
UC3842 có sẵn trong một gói 8 chân mini-DIP với các tính năng cần thiết để triển
khai các hệ thống điều khiển dòng dòng cố định ngoại tuyến bằng chế độ dòng điện với
số lượng linh kiện ngoại vi tối thiểu. Kỹ thuật này dẫn đến việc cải thiện sự điều chỉnh
dòng điện từ nguồn, tăng cường tính ổn định đối với tải và giúp thiết kế vòng điều khiển
trở nên đơn giản hơn. Các ưu điểm về cấu trúc bao gồm giới hạn dòng điện từng xung tích hợp theo từng xung.
Mạch bảo vệ bao gồm khóa ngoại áp tích hợp và giới hạn dòng điện. Các tính
năng khác bao gồm hoạt động toàn phần được khóa, tham chiếu bandgap được điều
chỉnh 1%, và dòng khởi đầu ít hơn 1mA. Các thiết bị này có đầu ra totem-pole được
thiết kế để cung cấp và hút dòng tối đa từ tải có tụ điện, như cổng của một MOSFET
công suất. Tương thích với các thiết bị công suất N-channel, đầu ra thấp khi ở trạng thái TẮT.
Thông số kỹ thuật
- Điện áp hoạt động: 12-30V - Dòng điện: 1A
- Tần số hoạt động: 400kHz - Nhiệt độ: 0-70C - Kiểu chân: DIP-8 - Giới hạn xung
- Tăng cường đặc tính đáp ứng tải
- Khóa điện áp thấp với độ trễ - Kiểm soát xung kép lOMoARcPSD| 36991220
Sơ đồ khối
Hình 2: Sơ đồ khối
Chức năng từng chân:
Hình 3: Chức năng chân IC UC3842
- Chân 1 (COMP - Compensation): Chân này được sử dụng để kết nối bên
ngoài một bộ điều chỉnh (compensation network) để ổn định vòng lặp điều
khiển. Nó thường được sử dụng để điều chỉnh độ ổn định và tần số chuyển
đổi của nguồn cung cấp
- Chân 2 (Vfb - Voltage Feedback): Chân này làm nhiệm vụ đo điện áp đầu ra
của nguồn cung cấp và so sánh nó với một điện áp tham chiếu (VREF) để
điều chỉnh độ rộng của xung điều khiển PWM và điều khiển đầu ra.
- Chân 3 (Isense - Current Sense): Chân này được sử dụng để đo dòng ra của
nguồn cung cấp thông qua một resistor cảm biến dòng và cung cấp thông tin
về dòng ra cho điều khiển IC để điều chỉnh xung PWM. lOMoARcPSD| 36991220
- Chân 4 (Rt/Ct - Timing Components): Chân này được kết nối với một
resistor (Rt) và một tụ (Ct) để xác định tần số chuyển đổi và độ rộng xung điều khiển PWM.
- Chân 5 (GND - Ground): Chân này kết nối với mạch nền đất.
- Chân 6 (OUTPUT): Chân này là đầu ra của IC và điều khiển MOSFET hoặc
IGBT trong mạch nguồn cung cấp chuyển đổi để tạo ra đầu ra DC ổn định.
- Chân 7 (VCC): Chân này cung cấp điện áp cấp cho IC. Thường được kết nối với nguồn điện áp DC.
- Chân 8 (VREF - Voltage Reference): Chân này cung cấp điện áp tham chiếu
cho chân Vfb (chân 2) để so sánh với điện áp đầu ra và điều khiển độ rộng xung PWM.
Nguyên lý hoạt động
So sánh điện áp: Chân Vfb (chân 2) của UC3842 đo điện áp đầu ra và so sánh nó
với một điện áp tham chiếu (VREF - chân 8). Kết quả của so sánh này được sử dụng để
điều chỉnh độ rộng của xung PWM.
So sánh dòng: Chân Isense (chân 3) được sử dụng để đo dòng ra thông qua một
resistor cảm biến dòng. Kết quả này cũng được sử dụng để điều chỉnh xung PWM để
đảm bảo dòng ra ổn định và bảo vệ khỏi quá tải.
Tạo xung PWM: Sự so sánh giữa điện áp đầu ra và điện áp tham chiếu cùng với
thông tin về dòng ra được sử dụng để tạo ra xung PWM trên chân OUTPUT (chân 6).
Độ rộng của xung PWM tùy thuộc vào tần số và độ rộng được đặt bởi các thành phần
ngoại vi như resistor (Rt - chân 4) và tụ (Ct - chân 4).
Điều khiển MOSFET hoặc IGBT: Xung PWM trên chân OUTPUT được sử dụng
để điều khiển MOSFET hoặc IGBT trong mạch nguồn cung cấp chuyển đổi. Chúng mở
và đóng để chuyển đổi nguồn điện từ nguồn vào thành điện áp đầu ra ổn định với tần số
và độ rộng xung được kiểm soát.
Phản hồi và điều chỉnh liên tục: Quá trình này lặp đi lặp lại liên tục để duy trì điện
áp đầu ra ổn định. Bất kỳ biến đổi nào trong điện áp đầu ra hoặc dòng ra sẽ dẫn đến điều
chỉnh độ rộng xung PWM để đảm bảo điện áp đầu ra được duy trì theo yêu cầu.
2.2.2. Opto-coupler PC817
Là một loại IC cách ly quang với cấu tạo gồm: 1 diode phát quang LED và 1
Transistor quang. Dựa theo quang học, IC này sẽ được ghép nối tiếp với nhau. Tín hiệu lOMoARcPSD| 36991220
điện sẽ được chuyển giữa đầu vào và đầu ra theo quang học mà không có bất kỳ liên kết vật lý nào với nhau.
PC817 hoạt động khá đơn giản, khi điện áp đầu vào được đặt ở chân 1 và chân 2
thì LED sẽ được kích hoạt. Khi đó, transistor bên trong IC sẽ nhận được ánh sáng và
chuyển sang trạng thái bão hòa và sau đó chân 3 và 4 sẽ được nối lại với nhau. Tính
năng / Thông số kỹ thuật PC817 -
Loại gói: Dip 4 chân và SMT - Loại transistor: NPN -
Dòng cực góp tối đa (IC): 50mA -
Điện áp cực góp - cực phát tối đa (VCEO): 80V -
Điện áp bão hòa cực góp - cực phát: 0,1 đến 0,2 -
Điện áp cực phát - cực gốc tối đa (VEBO): 6V -
Công suất tiêu tán cực góp tối đa (Pc): 200 mW -
Nhiệt độ lưu trữ từ: -55 độ C – +120 độ C -
Nhiệt độ hoạt động từ: -30 độ C – +100 độ C Sơ đồ chân
Dựa vào chấm tròn trên opto là điểm bắt đầu. Đó là điểm đánh dấu chân dương
của LED hồng ngoại từ đó xác định các chân khác theo thứ tự như hình - Chân 1: Anode - Chân 2: Cathode - Chân 3: Emitter-Phát - Chân 4: Collector -Thu lOMoARcPSD| 36991220 Hình 4: OPTO 2.2.3. Biến áp xung
Hình 5: Biến áp xung
Biến áp flyback là một loại biến áp đặc biệt được sử dụng trong mạch nguồn xung
flyback. Biến áp flyback có hai cuộn dây, cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Cuộn sơ cấp
được cấp điện từ nguồn đầu vào, cuộn thứ cấp cung cấp điện cho tải.
Biến áp flyback hoạt động dựa trên nguyên lý lưu trữ năng lượng trong cuộn cảm
sơ cấp khi nó được cấp điện và giải phóng năng lượng đó vào cuộn thứ cấp khi công tắc đóng ngắt. lOMoARcPSD| 36991220
Cấu tạo của biến áp flyback
Biến áp flyback có cấu tạo gồm hai cuộn dây, cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Cuộn
sơ cấp được quấn trên lõi từ ferrite, cuộn thứ cấp được quấn trên lõi từ ferrite hoặc lõi từ ferit.
Nguyên lý hoạt động của biến áp flyback
Khi nguồn điện đầu vào được cấp, công tắc điện tử đóng lại. Dòng điện chạy qua
cuộn sơ cấp, tạo ra từ trường trong cuộn dây. Khi từ trường đạt đến độ bão hòa, công tắc điện tử ngắt.
Từ trường trong cuộn sơ cấp biến mất, tạo ra điện áp cao trong cuộn thứ cấp.
Điện áp này được lọc bởi tụ lọc đầu ra và cấp cho tải.
Khi công tắc điện tử đóng lại, quá trình này lặp lại.
2.2.4. Các linh kiện khác
- Transistor chuyển đổi (MOSFET hoặc IGBT): Dùng để chuyển đổi nguồn vào.
- Tụ đầu ra (Output Capacitor): Tụ này được sử dụng để lọc và ổn định điện áp đầu ra.
- Tụ đầu vào (Input Capacitor): Dùng để lọc và làm phẳng điện áp đầu vào.
- Diode chuyển đổi (Flyback Diode): Diode này thường được đặt song song
với cuộn cảm chính để cho phép dòng chảy khi transistor chuyển đổi tắt.
- IC ổn áp (LM78xx): IC ổn áp có thể được sử dụng để cung cấp điện áp ổn
định cho các linh kiện khác trong mạch.
- Điện trở (Resistors): Điện trở có thể được sử dụng để điều chỉnh hoặc chia
đến, chẳng hạn như điện trở Rt để điều chỉnh tần số chuyển đổi.
- Diode xung: Các diode có thể được sử dụng để định hình xung đầu ra hoặc
cho các mục đích bảo vệ và xử lý biến đổi.
2.3. Nguyên lý làm việc của mạch
Khối nguồn chỉnh lưu đầu vào
Khi nguồn xoay chiều đầu vào được kết nối sẽ đi qua diode cầu sau đó được chỉnh
lưu thành nguồn một chiều.
Nguồn 1 chiều tiếp tục được dẫn qua tụ để làm phẳng và sau đó kết nối với linh kiện. lOMoARcPSD| 36991220
Khối tạo xung điều khiển
IC3842 là IC điều khiển nguồn xung flyback. IC này có các chức năng sau:
- Tạo xung điều khiển cho MOSFET Q1.
- Điều khiển độ rộng xung (PWM) để điều chỉnh điện áp đầu ra.
- Giám sát điện áp đầu ra để đảm bảo hoạt động ổn định của mạch.
IC3842 sẽ tạo ra xung điều khiển cho MOSFET Q1 bằng cách sử dụng bộ dao
động bên trong. Độ rộng xung của xung điều khiển này sẽ được điều chỉnh bởi IC3842
bằng cách thay đổi thời gian bật và tắt của MOSFET Q1.
Khối công suất:
MOSFET Q1 là transistor công suất điều khiển nguồn xung flyback. Transistor
này được sử dụng để đóng cắt dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp của biến áp T1.
Khi MOSFET Q1 được kích hoạt, dòng điện sẽ chạy qua cuộn sơ cấp, tạo ra từ
trường trong cuộn sơ cấp. Khi từ trường trong cuộn sơ cấp đạt đến giá trị cực đại,
MOSFET Q1 sẽ bị tắt. Từ trường trong cuộn sơ cấp sẽ giảm xuống, tạo ra điện áp cảm
ứng trong cuộn thứ cấp của biến áp T1. Điện áp cảm ứng trong cuộn thứ cấp sẽ được cung cấp cho tải.
Khối lọc đầu ra:
Tụ điện lọc sẽ lọc các thành phần nhiễu cao tần ra khỏi điện áp xoay chiều.
Khối ổn áp:
IC ổn áp 7805, 7812, 7912 là các IC tích hợp có chức năng ổn định điện áp. Trong
mạch này, IC ổn áp 7805 sẽ khuếch đại điện áp xoay chiều để tạo ra điện áp đầu ra 5V.
IC ổn áp 7812, 7912 sẽ khuếch đại điện áp xoay chiều để tạo ra điện áp đầu ra 12V. 2.4. Chức năng
Điều khiển xung PWM (Pulse Width Modulation): IC UC3842 tạo ra xung PWM
để điều chỉnh độ rộng xung và tần số xung đầu ra. Điều này cho phép kiểm soát điện áp
và dòng điện đầu ra, giúp đảm bảo đầu ra ổn định và theo yêu cầu.
Tùy chỉnh tần số chuyển đổi: Mạch cho phép điều chỉnh tần số chuyển đổi dựa
trên yêu cầu ứng dụng cụ thể. Tần số chuyển đổi có thể được điều chỉnh để đảm bảo
tương thích với các yêu cầu của hệ thống. lOMoARcPSD| 36991220
Bảo vệ quá tải (Overload Protection): IC UC3842 có tính năng bảo vệ quá tải để
ngăn ngừng hoạt động hoặc hỏng khi dòng điện đầu ra vượt quá giới hạn an toàn. Điều
này bảo vệ mạch khỏi hỏng hóc và giúp kéo dòng điện đầu ra về mức an toàn.
Điều chỉnh dòng điện đầu ra: Mạch cho phép điều chỉnh dòng điện đầu ra theo
nhu cầu ứng dụng. Điều này có thể được thực hiện bằng cách điều chỉnh các thông số
trong mạch và theo dõi hiệu suất dựa trên dòng điện.
Hiệu suất chuyển đổi cao: Mạch Flyback thường có hiệu suất chuyển đổi cao,
giúp giảm tổn thất năng lượng và tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng điện tử.
Bảo vệ quá nhiệt độ (Thermal Protection): Nếu mạch trở nên quá nóng do quá tải
hoặc điều kiện xấu, IC UC3842 có tính năng bảo vệ quá nhiệt độ để ngăn việc hỏng hóc
và đảm bảo an toàn của mạch.
Tạo điện áp đầu ra ổn định: Mạch nguồn xung Flyback sử dụng IC UC3842 để
chuyển đổi và điều chỉnh nguồn vào thành nguồn ra ổn định với độ chính xác cao.
Những chức năng này giúp mạch nguồn xung Flyback sử dụng UC3842 thực hiện
việc chuyển đổi nguồn điện một cách hiệu quả và ổn định, phục vụ cho nhiều ứng dụng điện tử khác nhau.
2.5. Ưu và nhược điểm Ưu điểm: -
Cuộn sơ cấp được cách ly với đầu ra. -
Có khả năng cung cấp nhiều điện áp đầu ra, tất cả đều được cách ly với nguồn chính. -
Khả năng điều chỉnh nhiều điện áp đầu ra với một điều khiển duy nhất. -
Có thể hoạt động trên nhiều loại điện áp đầu vào -
Mạch flyback sử dụng rất ít linh kiện so với các loại SMPS khác. Nhược điểm: -
Có thể phát ra tiếng ồn. -
Yêu cầu sử dụng các linh kiện chất lượng cao. lOMoARcPSD| 36991220
2.6. Ứng dụng của mạch
Mạch flyback được sử dụng cho nhiều ứng dụng điện tử như:
- Máy thu hình tiêu thụ lượng điện năng nhỏ, lên đến khoảng 250W
- Nguồn điện dự phòng cho máy tính
- Điện thoại di động và bộ sạc thiết bị di động
- Nguồn cung cấp điện áp cao trong TV và màn hình CRT, laser, đèn pin Xenon, máy photocopy, ... lOMoARcPSD| 36991220
Chương 3. Mạch nguyên lý, mạch in PCB
3.1. Mạch nguyên lý
Hình 6: Mạch nguyên lý mạch nguồn xung flyback sử dụng IC UC3842 3.2. Mạch PCB
3.2.1. Mạch PCB 2D trước khi đổ đất Top layer: lOMoARcPSD| 36991220
Hình 7: PCB 2D top layer mạch nguồn xung flyback sử dụng IC UC3842 trước khi đổ đất Bottom layer:
Hình 8: PCB 2D bottom layer mạch nguồn xung flyback sử dụng IC UC3842 trước khi đổ đất
3.2.2. Mạch PCB 2D sau khi đổ đất lOMoARcPSD| 36991220 Top layer:
Hình 9: PCB 2D top layer mạch nguồn xung flyback sử dụng IC UC3842 sau khi đổ đất Bottom layer: lOMoARcPSD| 36991220
Hình 10: PCB 2D bottom layer mạch nguồn xung flyback sử dụng IC UC3842 sau khi đổ đất 3.2.3. Mạch PCB 3D
Hình 11: PCB 3D mặt trên
Hình 12: PCB 3D mặt dưới mạch