Chia sẻ thiết kế mẫu và tính toán thiết kế mạch nguồn xung flyback AC DC 5W 5V 1A

Nếu bạn đang tìm kiếm một cách thiết kế mạch nguồn xung flyback AC/DC 5W 5V 1A đơn giản, không cần hồi tiếp qua opto cách ly, và có chi phí thấp, thì bài viết này sẽ hữu ích cho bạn. 

Tôi sẽ hướng dẫn bạn cách tính toán và lựa chọn các linh kiện phù hợp cho mạch nguồn này, cũng như cách vẽ mạch và test chạy. Tất cả các linh kiện đều có thể mua được từ trang web linhkienthuduc.com, nơi bạn có thể tìm thấy nhiều loại IC điều khiển, biến áp và các linh kiện khác cho mạch nguồn xung.

Flyback là một topology phổ biến cho các mạch nguồn xung (SMPS) từ dưới 1W đến 100W khi cần cách ly ngõ ra với đầu vào. Flyback có ưu điểm là chi phí thấp, đơn giản và dễ thiết kế. Đối với các mạch nguồn có dòng ra thấp và công suất dưới 50W, flyback hoạt động ở chế độ không liên tục (DCM) thường được sử dụng vì thuật toán điều khiển đơn giản và dễ thiết kế.

Xin lưu ý, cách thiết kế này dựa vào các thông số có sẵn như việc chọn IC kiểu khiển, và loại transformer có sẵn trên thị trường để tính toán các thông số còn lại. Nhằm đáp ứng cho các ứng dụng thực tiễn 1 cách nhanh chóng. Việc ước tính tất cả thông số theo lý thuyết cũng như thiết kế ra 1 bản biến áp phù hợp với các bạn tính toán thông thường sẽ mất rất nhiều thời gian và công sức, chưa kể các bạn cũng khó để mua được loại biến áp ưng ý mà phải đặt quấn chi phí rất cao và số lượng nhỏ

Nguyên lý hoạt động của mạch này là hồi tiếp áp thông qua cuộn phụ của biến áp, từ đó giảm thiểu được thiết kế phải dùng  đến opto cách ly và TL431 để hồi tiếp ở ngõ ra output.

Ở ví dụ dưới đây tôi sẽ thiết kế nguồn 5W sử dụng  IC tích hợp CR1510 của hãng iWatt (Dialog) nổi tiếng, vô cùng tiện lợi và nhỏ gọn, bao gồm BJT tích hợp bên trong, hiệu suất cao và độ tin cậy cao so với các chip từ Trung Quốc. Datasheet các bạn có thể download tại đây 

Bước 1. Xác định các thông số như bảng dưới đây quy định yêu cầu ngõ vào ngõ ra của thiết kế mẫu:

Thông số	Mô tả	Giá trị
VACmax	Điện áp AC vào cao nhất	230
VAC min	Điện áp AC đầu vào thấp nhất	90
Fswmax	Tần số đóng ngắt	max 64kHz
Eff	Hiệu suất của mạch	83%
Pout	Công suất ngõ ra	5W
Vout	Điện áp ngõ ra	5V 1A
Fline	AC Line frequency	46-65Hz
∆Vout	Điện áp Ripple ngõ ra	100mV
Stanby power		75mW

Bước 2. Chọn IC điều khiển (U1 trên sơ đồ nguyên lý)

Với tầm công suất 5W, CR1510 là IC lý tưởng với giá thành rẻ và thiết kế mạch nhỏ gọn vô cùng.

Các thông số chính của IC này:

• Internal 750V power bipolar junction transistor (BJT)
• No-load power consumption <50mW
• Adapter application – tight constant voltage regulation
• Optimized 64kHz maximum PWM switching frequency
• No external compensation components required

Dựa vào bảng thông số kĩ thuật của IC này ta thấy, điện áp làm việc của bộ switching trong IC có thể lên đến 750V. Để an toàn, chọn điện áp làm việc tối đa trong khoảng 580-650V, ở đây tôi sẽ chọn làm việc trong tầm VCEmax = 580V ~ 650V.

Bước 3. Chọn tụ đầu vào  ( C1)

Bảng dưới đây liệt kê dung lượng tụ khuyên dùng tương ứng với các mức điện áp làm việc đầu vào  và công suất ngõ ra.

Input Voltage	Capacitance	Working Voltage
115Vac	2uF/W	~200V
220-230Vac	1uF/W	~400V
85-265Vac	2-3uF/W	~450V

Trong thiết kế mẫu này, với yêu cầu đầu vào 220 Vac cho nguồn điện ở Việt Nam và công suất ngõ ra 5W, giá trị C1 có thể dùng là 4.7uF/400V. Hoặc nếu các bạn muốn chạy full range từ 90Vac thì giá trị tụ nên nằm trong khoảng 10uF/400V nhé.

Bước 4. Xác định điện áp làm việc của BJT bên trong IC CR1510:

Xác định điện áp DC sau cầu Diode D1 ( trên tụ C1):

VDCmax=Vacmax*1.41=230*1.41=325V

VDCmin=Vacmin*1.41*0.8=90*1.41*0.8=100V ( lấy margin 0.8 để phòng trường hợp giá trị tụ đầu vào sai số quá nhiều)

Điện áp hiện diện trên cực C-E của CR1510 có mối quan hệ với điện áp đầu vào và điện áp đầu ra như sau:

VCEmax = VDCmax + VR + Vspike

Trong đó, VR là điện áp phản ánh từ phía thứ cấp về sơ cấp, ta có output ngõ ra 5V, điện áp rơi trên Diode D2 tạm tính là 1V, vậy điện áp 2 đầu cuộn dây thứ cấp sẽ là Voutp=6V => VR=6*Np/Ns ( Np: số vòng dây sơ cấp, Ns: số vòng dây thứ cấp)

Trong khi hoạt động, do tác động của việc đóng ngắt transistor sinh ra gai điện áp Vspike áp dụng lên 2 đầu BJT của CR1510, để dễ dàng ta có thể cho Vspike = 30% VDSmax 

Với VDSmax đã chọn trong khoảng 580V ~ 650V, VDCmax = 325V và Vspike = 30%VDSmax, ta có thể tính ra:

VR= 0.7*VDSmax -VDCmax= 81~102V =>> chọn VOR= 81V

Dmax=VR/(VR+VINDC_min)=81/(81+100)=0.45

Tỉ lệ số vòng quấn sơ cấp trên thứ cấp sẽ là: Np/Ns =  VR/(Vout+VF)=81/(5+1)=13.5

Tính toán dòng đỉnh đi qua biến áp xung ( Ippk) dựa trên điện áp đầu vào thấp nhất. Trong công thức tôi để hệ số 0.8 để dư trù trường hợp điện áp đầu vào thấp do tụ đầu vào (C1) có sai số lớn, gây ra ripple voltage cao.

Ippk= 2*Pout/(eff*Vinmin*1.41*0.6*Dmax)=2*5/(0.83*90*1.41*0.8*0.45)= 263mA

Dòng điện hiệu dụng RMS qua cuộn sơ cấp: I_PRMS=Ippk*Sqrt(Dmax/3)= 0.263*sqrt(0.45/3)= 101mA

Dòng đỉnh qua cuộn thứ cấp: I_Spk=Pout*2/(Dmax*Vout)= 5*2/( 0.45*5) = 4.4 A

Tính toán giá trị điện cảm Lp tối đa cho phép của cuộn sơ cấp dựa trên áp đầu vào thấp nhất: 

Lp_max =(2*Pout/eff) / (Ippk^2*fsmax) = (2*5/0.83)/(0.263^2*64000)= 2.72mH

Nhìn vào datasheet của CR1510, ta có thể thấy vài thông số quan trọng cần chú ý:

Nguồn cấp tối đa cho IC này hoạt động là 16V, vậy ta nên thiết kế làm sao để điện áp trên chân VCC rơi vào khoảng < 16V. Và mức điện áp nhỏ nhất để IC không rơi vào trạng thái bảo vệ thấp áp là 4.2V, Để an toàn ta chọn mức điện áp hoạt động VCC ở đâu đó khoảng 10-15V.

Việc tính toán đường kính dây quấn và tỉ lệ số vòng đây để đạt được điện áp mong muốn cũng như kĩ thuật quấn tương đối dài dòng, tôi sẽ tóm tắt và gửi đến các bạn trong bài viết khác.

Để thuận tiện, tôi sẽ lấy  Biến áp xung EE13 5V 1A 5W  có sẵn tại cửa hàng Linhkienthuduc.com để tính toán. 

Theo datasheet của biến áp này ta có:

• Điện cảm: Lp==2.10mH/±10%
• Tỉ lệ số vòng dây: Np [2-1] 0.13/150T, Ns [6-10] 0.40/11T cross, Naux [5-4] 0.13/29T,

Theo biến áp này ta có:

Tỉ lệ số vòng sơ cấp trên thứ cấp là 150/11 = 13.63 ( tương đối gần theo tính toán là 13.5)

Và tỉ lệ giữa cuộn thứ cấp và cuộn phụ: Naux/Ns= 29/11= 2.63

Ta có mối quan hệ: Naux/Ns =  Vaux / Vout

Từ đó ta có điện áp trên cuộn phụ cấp nguồn cho IC hoạt động sẽ là: Vaux = Vout*2.63 = 5*2.63 =13.18V ( Đạt yêu cầu theo thông số kĩ thuật của IC CR1510)

Bước 5. Tính toán điện trở cầu chia áp feedback điện áp từ cuộn phụ

Với giá trị điện áp cuộn phụ là 13.18V và ngưỡng điện áp của chân Vsense theo như datasheet là Vsense = 1.533V, ta tính tóa giá trị trở dưới và trên như sau:

Để tiện tính toán, tôi cho Rlow = 3.3 kOhm

Rup=  Vaux*Rlow/1.533 – Rlow = 25kOhm. vậy giá trị Rup sẽ đâu đó gần 25kOhm.

Trong thực tế do sai số tỉ lệ quấn và các thành phần khác của mạch. giá trị Rup và Rdown cần được căn chỉnh để đảm bảo đầu ra điện áp được chính xác theo thiết kế. giá trị thực tế tôi sẽ sử dụng trong file thiết kế mẫu phía dưới.

Bước 6. Tính toán điện trở sense dòng Rs

Theo datasheet CR1510, ngưỡng sense dòng bảo vệ quá dòng đầu ra là 1V. 

Vậy ta sẽ tính toán điện trở Rs dựa theo dòng peak của cuộn biến áp để đạt tới mức này:

Rs= 1V/(Ippk) = 1/ 0.263 = 3.8 Ohm. =>> tôi sẽ chọn giá trị gần nhất là 3.6 ohm 0805 từ cửa hàng.

Bước 6. Lựa chọn Diode đầu ra

Với thông số biến áp ở trên và điện áp VCEmax đã có. ta tính được điện áp phản ánh trên 2 đầu Diode D2:

V_D2= Vout + VDCmax/(NP/Ns) = 5 + 325/13.63 = 28.8V

Vậy ta phải chọn Diode ngõ ra có điện áp hoạt động > 28.8V.

Theo tính toán ở trên , ta có Dòng điện đỉnh qua cuộn thứ cấp là I_Spk=4.4A và dòng ra liên tục là 1A

Nên chọn loại diode nào có khả năng gánh dòng ít nhất là gấp đôi mức hoạt động, tùy theo khả năng tản nhiệt của Diode.

Trong thiết kế này tôi chọn schotty diode  SR240 với thông số 3A 40V vói điện áp tơi VF=0.31.

Loại Diode có thể chọn dựa trên hiệu suất mong muốn và giá.

– Sử dụng Schottky Diode cho hiệu suất cao nhất với ứng dụng đầu ra áp thấp tới 7.5V

– Với đầu ra cao hơn 7.5V, sử dụng Ultra Fast PN-Diode, nếu hiệu suất không quá quan trọng, hãy chọn Fast PN-Diode cho các ứng dụng để giá thành rẻ.

– Schottly Diode và Ultra Fast Diode có thể được sử dụng ở continuous mode operation (CCM). Fast PN-Diode chỉ nên dùng với dứng dụng hoạt động ở mode discontinuous mode (DCM)

Bảng dưới đây liệt kê các đặc tính VF( forward voltage), chính thông số này gây ra hao tổn hiệu suất:

Diode Type	VF(V)	Efficiency Loss
Schottky	0.5V	(0.5/Vo)*100%
Ultrafast-PN	1V	(1/Vo)*100%
Fast-PN	1V	(1/Vo)*100%

Với tính toán như trên tôi có thể chọn SR240 cho ứng dụng này. các bạn có thể đổi loại khác dòng cao hơn nếu thấy nóng nhé!

Bước 7. Lựa chọn tụ output

Lựa chọn loại tụ với thông số ESR dựa trên 90% điện áp ripple cho phép.

Nếu ứng dụng của bạn yêu cầu đầu ra chính xác cao và ít noise các bạn nên chọn loại tụ nhôm với ESR thấp nhất có thể. Nếu đầu ra chỉ yêu cầu đảm bảo về dòng áp và ripple không phải là yếu tố đáng ngại thì bạn hoàn toàn có thể sử dụng tụ hóa.

Trong thiết kế này tôi cầ 100mV ripple, vậy nên ESR sẽ là: 

ESR = Vripple*0.9/I_Spk = 0.1*0.9/4.4 = 20 mOhm

Để đảm bảo điện áp đầu ra không rớt dưới 20% điện áp thông thường lúc thay đổi trạng thái trong 2ms.

Ta có thể tính toán giá trị tụ tối thiểu như sau: Cout >= (2ms*Pout/(Vout*2))  / (Vout – 20%Vout) = (0.002 * 5 /( 5*2)) / (5-0.2*5) = 1000uF

Vậy giá trị tụ tối thiểu nên sử dụng là 1000uF để đạt mức 20%. nhưng thực tế tôi không cần tốt đến vậy nen tôi giảm xuốg 560uF để giảm giá thành.

Schematic mạch hoàn chỉnh: 

File thiết kế kicad ở link dưới đây. trong file này đã có bổ sung đầy đủ link mua các linh kiện trên web linhkienthuduc, các bạn chỉ việc layout và đặt mua linh kiện về test:

GitHub – TDLOGY/HW_AC-DC-Flyback-5W-5V1A-Reference-Design: AC DC Flyback 5W 5V1A Reference Design