EN
Liên kết nhanh
Đối với những người thiết kế nguồn điện chế độ chuyển mạch (SMPS), đó giống như việc đi trên dây cáp căng. Họ phải cân bằng ba yếu tố quan trọng: hiệu quả, kích thước và độ tin cậy. Và ngay tại trung tâm của hành động cân bằng này là transistor. Bạn có thể nghĩ đến transistor như là công tắc chính trong hệ thống nguồn điện. Nó có tác động lớn đến ba khía cạnh hiệu suất chính. Thứ nhất là hiệu quả chuyển đổi công suất. Giống như bạn muốn chiếc xe của mình đạt được mức tiêu thụ nhiên liệu tốt nhất, chúng ta muốn nguồn điện chuyển đổi năng lượng điện một cách hiệu quả nhất có thể, lãng phí càng ít càng tốt. Thứ hai là đặc tính nhiễu điện từ (EMI). Chúng ta không muốn nguồn điện của mình giống như một hàng xóm ồn ào, gây nhiễu với các thiết bị điện tử khác xung quanh nó. Và thứ ba là sự ổn định nhiệt. Nhiệt có thể là một vấn đề thực sự trong điện tử, và chúng ta cần transistor hoạt động ổn định ngay cả khi nó nóng lên. Trong các hệ thống chuyển đổi công suất hiện đại ngày nay, yêu cầu đối với các bộ bán dẫn là khá cao. Chúng cần có khả năng bật và tắt thật nhanh, với tần số vượt quá 200 kHz. Đồng thời, chúng phải giữ cho mức tổn thất trong quá trình dẫn điện ở mức tối thiểu. Điều này giống như yêu cầu một vận động viên chạy thật nhanh trong khi sử dụng ít năng lượng nhất có thể. Sự cần thiết về cả tốc độ và hiệu quả khiến việc chọn transistor phù hợp trở thành một nhiệm vụ khó khăn.
Vậy, khi thiết kế một SMPS thành công, chúng ta bắt đầu từ đâu? Thực tế, mọi thứ đều bắt đầu bằng việc xem xét kỹ lưỡng bốn đặc điểm cơ bản của transistor. Thứ nhất là mức điện áp phá vỡ. Bạn có thể nghĩ đến điều này như là điện áp tối đa mà transistor có thể chịu đựng mà không bị hư hại. Nó giống như một con đập có thể giữ lại một lượng nước nhất định. Trong thiết kế nguồn điện, đặc biệt là trong các cấu trúc flyback nơi có thể xảy ra các xung điện áp, mức điện áp phá vỡ của transistor phải cao hơn điện áp đầu vào đỉnh với một biên độ an toàn tốt. Chúng ta không muốn "con đập" bị vỡ! Đặc điểm thứ hai là khả năng xử lý dòng điện. Transistor phải có khả năng chịu được dòng điện chạy qua nó, cả trong quá trình hoạt động liên tục bình thường và trong những đợt tăng đột biến ngắn nhưng mạnh mẽ. Và chúng ta cũng cần cẩn thận về các yếu tố giảm hiệu suất liên quan đến ứng suất nhiệt. Giống như một người có thể mệt mỏi và làm việc kém hiệu quả trong thời tiết nóng, hiệu suất của transistor có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Các thông số tốc độ chuyển mạch, như thời gian lên và xuống, cũng rất quan trọng. Những thông số này直接影响 cách transistor có thể hoạt động ở tần số cao. Càng chuyển mạch nhanh, hiệu suất ở tần số cao càng tốt. Nhưng có một điều kiện. Chuyển mạch nhanh hơn có thể yêu cầu mạch điều khiển cổng phức tạp và tinh vi hơn. Nó giống như một chiếc xe hiệu suất cao cần một hệ thống quản lý động cơ tiên tiến hơn. Cuối cùng, đặc tính phục hồi ngược lại rất quan trọng, đặc biệt trong các cấu hình cầu. Khi transistor tắt, có thể còn lại một số điện tích dư thừa, có thể tạo ra dòng điện xuyên qua. Đặc tính phục hồi ngược lại giúp quản lý tình huống này, giống như một cảnh sát giao thông kiểm soát dòng xe để tránh tai nạn.
Bây giờ chúng ta đã biết cần tìm gì ở một transistor, hãy nói về những thách thức đi kèm với việc thiết kế các mạch chuyển mạch. Một trong những vấn đề lớn nhất là quản lý nhiệt. Khi chúng ta cố gắng nhồi nhét nhiều năng lượng hơn vào không gian nhỏ hơn (đẩy giới hạn mật độ công suất), nhiệt trở thành một vấn đề lớn. Nó giống như đang ở trong một căn phòng nhỏ, chật chội vào ngày nóng. Để đối phó với điều này, chúng ta cần đưa ra các chiến lược tản nhiệt hiệu quả. Điều này liên quan đến việc chọn đúng bao bì cho transistor và tối ưu hóa bố cục PCB. Chúng ta có thể sử dụng các lỗ thông nhiệt, giống như những đường hầm nhỏ để nhiệt thoát ra, và các lớp đồng đổ, giống như những tấm hấp thụ nhiệt lớn, để đảm bảo nhiệt được truyền đi khỏi transistor một cách hiệu quả nhất có thể. Một điều khác mà chúng ta cần chú ý là tổn thất khi chuyển mạch, đặc biệt là ở tần số cao. Mỗi lần transistor bật và tắt, sẽ có một số tổn thất. Và ở tần số cao, những tổn thất này có thể cộng dồn lại và trở thành một phần đáng kể của tổng tiêu tán công suất. Để đối phó với điều này, chúng ta có thể sử dụng các kỹ thuật điều khiển cổng tiên tiến. Ví dụ, kiểm soát thời gian chết thích ứng có thể điều chỉnh khoảng thời gian giữa các lần chuyển mạch để giảm tổn thất, và các mạch kẹp Miller chủ động có thể ngăn chặn các sự kiện bật không mong muốn. Đó giống như có một hệ thống thông minh có thể tự điều chỉnh để hoạt động tốt hơn.
Các kiến trúc SMPS khác nhau giống như các loại nhà khác nhau, mỗi loại có những nhu cầu độc đáo của riêng mình. Chẳng hạn, bộ chuyển đổi Buck giống như một ngôi nhà đơn giản và hiệu quả. Chúng thực sự cần các bóng bán dẫn có đặc tính RDS(on) thấp. Điều này quan trọng vì nó giúp giảm thiểu tổn thất trong quá trình dòng điện chảy liên tục. Giống như việc có một ngôi nhà cách nhiệt tốt mà không mất nhiều nhiệt. Các topologie Boost và Flyback lại giống như một ngôi nhà kiểu công nghiệp mạnh mẽ. Chúng cần các bóng bán dẫn có khả năng chịu năng lượngavalanche cao. Điều này là vì chúng phải chịu được các xung điện áp từ tải cảm ứng, giống như một tòa nhà mạnh mẽ có thể chịu được bão. Thiết kế bộ chuyển đổi cộng hưởng giống như một ngôi nhà công nghệ cao, tiết kiệm năng lượng. Chúng được hưởng lợi từ các bóng bán dẫn có khả năng chuyển mạch mềm. Điều này làm giảm căng thẳng cho bóng bán dẫn trong các giai đoạn chuyển đổi, khiến toàn bộ hệ thống trở nên hiệu quả hơn. Và trong các hệ thống đa pha, giống như một tòa nhà chung cư lớn với nhiều căn hộ, chúng ta cần đảm bảo rằng các thiết bị song song có các thông số khớp chặt chẽ. Điều này đảm bảo rằng dòng điện được chia đều giữa tất cả các "căn hộ", giống như bạn muốn tất cả các căn hộ trong một tòa nhà có phần tài nguyên ngang nhau.
Khi nói đến thiết kế nhiệt, không chỉ đơn giản là chọn đúng transistor. Đó là về toàn bộ hệ thống. Các nhà thiết kế cần nghĩ đến các đường dẫn mà nhiệt độ đi từ kết nối của transistor (nơi mà hoạt động điện tử thực sự diễn ra) đến môi trường bên ngoài. Nó giống như việc lập kế hoạch lộ trình cho một chiếc xe tải để đảm bảo nó có thể đi từ nhà máy đến khách hàng nhanh nhất có thể. Chúng ta có thể sử dụng các giải pháp tản nhiệt, giống như những cánh tản nhiệt lớn, để giúp với điều này. Và các giải pháp này cần phải phù hợp với chu kỳ hoạt động của nguồn điện. Các kỹ thuật giám sát nhiệt động cũng rất hữu ích. Giống như có một thermostat trong nhà bạn có thể điều chỉnh nhiệt độ dựa trên mức độ nóng bên ngoài. Trong các ứng dụng tải thay đổi, các kỹ thuật này có thể cho phép các chiến lược làm mát thích ứng. Thay vì chỉ nhìn vào nhiệt độ xung quanh (như nhiệt độ bên ngoài nhà bạn), việc áp dụng các hướng dẫn giảm công suất dựa trên nhiệt độ hoạt động thực tế của transistor có thể cải thiện đáng kể độ tin cậy lâu dài của nó. Các công nghệ đóng gói tiên tiến, chẳng hạn như liên kết bằng dây và hàn bạc, giống như các vật liệu xây dựng mới, cải tiến. Chúng có thể giúp giảm kháng nhiệt trong các ứng dụng dòng điện cao, làm cho toàn bộ hệ thống hiệu quả và đáng tin cậy hơn.
Thế giới công nghệ chuyển mạch điện luôn không ngừng phát triển, và ngay bây giờ, có một số điều thực sự thú vị đang chờ đón phía trước. Các bán dẫn khoảng cách rộng mới nổi giống như một vật liệu xây dựng mới, cách mạng cho các bóng bán dẫn công suất. Ví dụ, các thiết bị nitơ hóa galli (GaN) cực kỳ nhanh chóng. Chúng có tốc độ chuyển mạch tuyệt vời và đặc tính điện tích cổng được giảm thiểu. Điều này có nghĩa là chúng có thể hoạt động ở tần số phạm vi MHz với hiệu suất tốt hơn. Nó giống như việc sở hữu một chiếc xe thể thao siêu nhanh mà vẫn tiết kiệm nhiên liệu. Các thành phần carbua silic (SiC) là một bước tiến khác đáng chú ý. Chúng giống như một vật liệu chịu nhiệt mạnh mẽ. Chúng cung cấp khả năng dẫn nhiệt xuất sắc và có thể chịu được nhiệt độ cao, rất phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp. Hiện tại, những công nghệ này hơi đắt đỏ, giống như một món đồ xa xỉ. Nhưng theo thời gian, chúng đang dần trở nên hiệu quả về chi phí hơn. Trong những năm tới, chúng có thể sẽ thay đổi cách chúng ta thiết kế nguồn điện, giống như cách một phát minh mới có thể thay đổi cách chúng ta sống.