Cách Tính Toán Sự Tiêu Hao Năng Lượng

Việc hiểu biết về sự tiêu hao năng lượng của một linh kiện riêng lẻ, một khối điện tử, hoặc thậm chí toàn bộ hệ thống điện tử là điều cần thiết đối với các kỹ sư điện tử. Điều này không chỉ quan trọng để tránh vượt quá giới hạn tối đa của các linh kiện mà còn để tính toán các tham số không biết ở phía đầu vào hoặc đầu ra bởi vì sự tiêu hao năng lượng liên quan đến điện áp và dòng điện của hệ thống. Trong bài viết này, tôi mô tả các phương pháp thực hành của mình để phân tích sự tiêu hao năng lượng trong thiết kế điện tử.

Cách Tính Sự Tiêu Hao Năng Lượng: Những Kiến Thức Cơ Bản

Đầu tiên, tôi sẽ đi qua những kiến thức cơ bản về sự tiêu hao năng lượng mà tất cả các phương pháp phân tích của tôi đều dựa trên. Quy tắc đầu tiên liên quan đến năng lượng như sau: Năng lượng đầu vào của hệ thống luôn lớn hơn năng lượng đầu ra, và không bao giờ có thể ngược lại, tức là luôn có một số năng lượng bị mất (Ploss) trong các linh kiện, và đây chính là sự tiêu hao năng lượng của nó. Công thức tiêu hao năng lượng sau đó là Pin–Pout.

Dòng tiêu hao năng lượng cơ bản được trình bày trong Hình 1. Nếu chúng ta cung cấp năng lượng vào hệ thống, một phần của năng lượng đó bị mất bên trong hệ thống thành nhiệt, và năng lượng đầu ra giảm. Do đó, năng lượng đầu ra phải ít hơn năng lượng đầu vào.

Hầu hết sự mất mát năng lượng cuối cùng trở thành nhiệt bên trong một linh kiện; điều này thường được coi là sự tiêu hao năng lượng. Trong trường hợp của các linh kiện hoạt động, một phần của tổng năng lượng có thể được chuyển đổi sang các hình thức năng lượng khác, điều này thường được coi là sự tiêu thụ năng lượng. Ví dụ, trong các LED, năng lượng bao gồm ánh sáng phát ra (sự tiêu thụ năng lượng) và nhiệt (sự tiêu hao năng lượng). Vì vậy, sự tiêu hao năng lượng là nhiệt, và sự tiêu thụ năng lượng là năng lượng mà chúng ta muốn lấy ra khỏi hệ thống. Trong các công thức tiêu hao năng lượng, chúng ta không phân tích sự chuyển giao năng lượng, ví dụ, từ điện sang ánh sáng, mà chỉ phân tích xem hệ thống hay một linh kiện tiêu hao bao nhiêu năng lượng.

Quy tắc thứ hai là mối quan hệ giữa công suất điện với điện áp và dòng điện. Như chúng ta biết, công suất được tính bằng điện áp nhân với lượng tiêu thụ dòng điện của hệ thống, tức là P = UI. Mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện là điện trở hoặc trở kháng, đó là định luật Ohm quen thuộc U = RI hoặc U = ZI. Với hai phương trình này và sự kết hợp của chúng, chúng ta thực hiện tất cả các phép tính về sự tiêu hao công suất. Điều tốt là nhớ rằng những định luật này luôn luôn đúng. Chúng ta có cùng một công suất điện nếu điện áp được cộng thêm là 5V, và dòng điện là 1A qua điện trở 5Ω, hoặc điện áp được cộng thêm là 1V, nhưng lượng tiêu thụ dòng điện là 5A qua điện trở 0.2Ω. Trong cả hai trường hợp, sự tiêu hao công suất là 5W, bất kể chúng ta tính toán nó bằng cách sử dụng điện áp và dòng điện hay dòng điện và điện trở. Trong các phép tính dựa trên dòng điện, chúng ta có P = RI², với P = 5Ω*1A² = 5W hoặc P = 0.2Ω*5A² = 5W.

Tham số quan trọng thứ ba trong phân tích sự tiêu hao công suất là hiệu suất, ƞ. Hiệu suất chỉ ra mức độ chuyển đổi năng lượng từ đầu vào sang đầu ra một cách hiệu quả.

• ƞ = Pout/ Pin

Vì công suất đầu ra luôn nhỏ hơn công suất đầu vào, hiệu suất luôn nhỏ hơn 1. Nhiều bảng dữ liệu của các thành phần "công suất" cung cấp hiệu suất, và với con số này, chúng ta có thể ước lượng lượng công suất được chuyển từ đầu vào sang đầu ra và do đó tính toán được mức điện áp và dòng điện. Thứ quan trọng thứ tư cần biết là cái nào đang thay đổi trong hệ thống; là điện áp, dòng điện, hay cả hai? Thông thường, các thành phần bị động và LED là "hệ thống" mà điện áp thay đổi từ đầu vào đến đầu ra, nhưng dòng điện giữ nguyên. Trong các hệ thống hoạt động, dòng điện hoặc điện áp hoặc thậm chí cả hai có thể thay đổi. Ví dụ, các bộ chuyển đổi chuyển mạch thường có điện áp và dòng điện khác nhau ở đầu vào so với đầu ra.

Công suất tiêu hao trung bình hay Công suất tiêu hao đỉnh?

Thường xuyên, sự tiêu hao công suất không phải lúc nào cũng ổn định mà biến đổi theo thời gian, một cách tuần hoàn. Trong những tình huống này, chúng ta vẫn sử dụng những nguyên tắc tương tự để phân tích sự tiêu hao công suất, nhưng chúng ta cần phải hiểu cái gì cần được tính toán. Nếu chúng ta vẽ sự tiêu hao công suất như một hàm của thời gian cho sự tiêu hao công suất trung bình và đỉnh công suất, chúng ta sẽ nhận được một cái gì đó tương tự như được trình bày trong hình 2. Sự tiêu hao công suất trung bình là ổn định theo thời gian, nhưng với sự tiêu hao công suất biến đổi, chúng ta thấy các đỉnh công suất trong biểu đồ. Sự tiêu hao công suất là tích phân theo thời gian của một chu kỳ [1], [2], và đối với các trường hợp trong Hình 2, sự tiêu hao công suất xảy ra khi T = t3.

Trên thực tế, một tích phân tính toán diện tích, được giới hạn bởi các đường cong công suất. Trong Hình 2, sự thay đổi sự tiêu hao công suất là A2, và sự tiêu hao công suất ổn định là A1. Nếu cả hai sự tiêu hao công suất được đo từ cùng một thiết bị, việc tính toán tích phân cho kết quả giống nhau cho cả hai trường hợp, sao cho diện tích của A2 bằng với diện tích của A1.

Khi phân tích các công thức về sự tiêu hao công suất, chúng ta cần hiểu cách tính toán sự tiêu hao công suất xoay chiều trong các phép tính của mình. Việc tính trung bình tổng hợp tất cả công suất tiêu hao trong một khoảng thời gian và phân bổ đều nó trong khoảng thời gian đó. Công suất tiêu hao cực đại là công suất tiêu hao tối đa tại một thời điểm cụ thể, tức là giá trị lớn nhất của p(t) trong phương trình (1) [1]. Công suất tiêu hao trung bình bao gồm công suất tiêu hao cực đại, nhưng cũng bao gồm những thời điểm công suất tiêu hao nhỏ hơn hoặc bằng không. Do đó, công suất tiêu hao trung bình hữu ích khi chúng ta quan tâm đến công suất làm nóng linh kiện. Công suất tiêu hao cực đại hữu ích khi chúng ta sử dụng nó để phân tích các đỉnh dòng điện và điện áp. Theo tài liệu tham khảo [3], một số đồng hồ đo đa năng đo ở chế độ AC Giá trị Trung bình Bình phương Gốc (RMS) của một tín hiệu, và giá trị này có mối quan hệ trực tiếp với công suất tiêu hao trung bình. Tài liệu tham khảo [1] & [2] cho thấy mối quan hệ giữa công suất tiêu hao trung bình và tín hiệu AC đo bằng RMS là:

• Pᴬⱽᴱ = Iᴿᴹˢ * Uᴿᴹˢ

Nếu chúng ta tính toán công suất tiêu hao trung bình, chúng ta có thể xác minh các phép tính chỉ bằng cách đo dòng điện và điện áp xoay chiều sử dụng cài đặt AC của đồng hồ đo. Tất nhiên, nếu chúng ta biết hệ thống của mình có điều kiện DC, chúng ta cần đo dòng điện và điện áp ở chế độ DC.

Phân tích Sự Tiêu Hao Năng Lượng: Thay Đổi Điện Áp – Dòng Điện Ổn Định

Ví dụ đầu tiên đơn giản nhưng áp dụng được cho tất cả kỹ sư điện tử: bộ điều chỉnh LDO. Các bộ điều chỉnh này có thể mô hình hóa tương tự như hình 3. Chúng ta cũng có thể nhanh chóng xác định rằng dòng điện vào và dòng điện ra gần như giống nhau, nhưng điện áp giữa đầu vào và đầu ra khác nhau. Đối với các hệ thống tiêu thụ dòng điện rất nhỏ, dòng điện không tải của LDO trở nên quan trọng, nhưng nếu dòng điện ra tương đối lớn hơn nhiều so với dòng điện không tải, chúng ta có thể bỏ qua nó.

Trong ví dụ này, chúng ta có điện áp đầu vào 5V, điện áp đầu ra được điều chỉnh là 3.6V và dòng điện DC đầu ra là 140mA. Công thức tính sự tiêu hao năng lượng cho LDO này như sau:

• Ploss = Pin – Pout
• = Vin * In - Vout * Iout
• = 5V*0.14A - 3.6V*0.14A
• = 0.7W – 0.504W
• = 0.196W

Hiệu suất sau đó là

• ƞ = 0.504W/0.7W = 0.72

Trong hình 4, chúng ta có thể thấy kết quả đo thực tế cho LDO ví dụ này. Chúng ta thấy dòng điện đầu vào và đầu ra giống nhau, và điện áp đầu vào và đầu ra khác nhau.

Chúng ta thấy rằng, từ quan điểm tiêu hao công suất, tham số quan trọng trong các hệ thống giữ dòng điện ổn định là sự chênh lệch điện áp giữa đầu vào và đầu ra. Đối với những hệ thống này, bạn cần phải phân tích cẩn thận sự sụt giảm điện áp liên quan đến dòng điện và nhận thấy rằng nó cuối cùng sẽ biến thành nhiệt. Bạn phải đảm bảo rằng linh kiện được chọn có thể chịu được công suất tiêu hao tính toán và thiết kế nó cho 80% giá trị tối đa theo bảng dữ liệu. Tương tự, chúng ta có thể phân tích công suất tiêu hao của các linh kiện thụ động, LED, diode, transistor, v.v.

Phân tích Công Suất Tiêu Hao: Sự Thay Đổi của Điện Áp và Dòng Điện

Ví dụ thứ hai của chúng ta phức tạp hơn: một bộ điều chỉnh chuyển mạch. Một bộ chuyển đổi buck-boost, được trình bày trong hình 5, là một hệ thống mà cả điện áp và dòng điện đều thay đổi. Trong ví dụ này, dải điện áp đầu vào là từ 10V đến 20V, dòng điện đầu vào không xác định vì nó cũng phụ thuộc vào điện áp đầu vào, điện áp đầu ra được thiết kế cố định ở 13.5V và dòng điện tải đầu ra yêu cầu là 80mA.

Chúng ta bắt đầu phân tích công suất tiêu hao bằng cách ước lượng trước dòng điện mà bộ chuyển đổi tiêu thụ. Để làm điều này, chúng ta sử dụng các phép tính công thức dựa trên định luật Ohm về công suất và hiệu suất. Công suất đầu ra của bộ chuyển đổi là

• Pout = Vout * Iout

Đối với điều này, chúng ta thêm phương trình hiệu suất và nhận được

• Vout * Iout = ƞ * Pin

Tiếp tục các phép tính sử dụng số thực (Vin 20V) đã trình bày trước đó, chúng ta có:

• 13.5V*0.08A = ƞ * 20V* Iin
• 1.08W = ƞ * 20V* Iin

Chúng ta có hai tham số chưa biết, và từ bảng dữ liệu của bộ chuyển đổi chuyển mạch, chúng ta cần kiểm tra hiệu suất cho các phạm vi điện áp và dòng điện sử dụng. Trong trường hợp này, nó là khoảng ƞ = 0.85. Bây giờ chúng ta có thể tính dòng điện đầu vào của bộ điều chỉnh chuyển mạch của chúng ta:

• Iin = 1.08W/(0.85*20V) = 64mA

Bây giờ chúng ta có tất cả các tham số để tính toán sự tiêu hao công suất của bộ chuyển đổi chuyển mạch, và có công thức:

• Ploss = Pin – Pout = 0.064A*20V – 0.08A*13.5V = 1.28W – 1.08W = 0.2W

Một phép đo thực tế chứng minh rằng các tính toán là chính xác, như được hiển thị trong hình 6. Chúng ta thấy hiệu suất trong mẫu thực tế này tốt hơn một chút so với trong các tính toán của chúng ta, nhưng tổng thể chúng ta thấy mô hình phân tích này hoàn toàn chính xác.

Tương tự, chúng ta có thể tính toán sự tiêu hao công suất trong chế độ tăng áp, chúng ta có thể thấy lại mối quan hệ giữa tính toán của chúng ta và các phép đo thực tế như được trình bày trong hình 7. Bây giờ, dòng điện đầu vào được phân tích là

• Iin = 13.5V*0.08A / 0.85*10V = 0.129A

Sự tiêu hao công suất trong chế độ tăng áp sau đó là:

• Ploss = Pin – Pout = 0.129A*10V – 0.08A*13.5V = 1.29W – 1.08W = 0.21W

Bộ chuyển đổi chuyển mạch là một ví dụ về sự tiêu hao công suất của một khối điện tử. Nó không xem xét đến sự tiêu hao công suất của từng linh kiện riêng lẻ, chỉ tiêu hao công suất của toàn bộ hệ thống.

Cần Phân Tích Gì?

Sự tiêu hao công suất có mối quan hệ chặt chẽ với việc nóng lên của một linh kiện, và việc tính toán tất cả các linh kiện mà chúng ta nhận biết là quan trọng. Những linh kiện này có thể là bộ điều chỉnh điện áp, transistor, diode, LED và các linh kiện thụ động. Đối với các linh kiện quan trọng, chúng ta phải kiểm tra ít nhất ở điều kiện cực đại cực đoan, thường xảy ra khi tiêu thụ dòng điện RMS là lớn nhất. Chúng ta cần so sánh giá trị tối đa tính toán với giá trị tối đa của linh kiện và đảm bảo rằng điều này không bao giờ vượt quá trong bất kỳ trường hợp nào trong quá trình hoạt động bình thường của sản phẩm.

Thứ hai, chúng ta cần phân tích sự tiêu hao năng lượng của các khối điện tử quan trọng, như bộ chuyển đổi chuyển mạch, mạch điều khiển, và các giai đoạn công suất. Đối với những điều này, chúng ta có thể sử dụng các phép tính tiêu hao năng lượng như công việc thiết kế cơ bản, như chúng ta đã thấy trong ví dụ về bộ chuyển đổi chuyển mạch. Ngoài ra, việc tính toán sự tiêu hao năng lượng cũng đáng để so sánh với các giá trị trong bảng dữ liệu, nhưng việc lựa chọn các thành phần riêng lẻ cho các khối điện tử nên dựa trên thiết kế và mô phỏng.

Cũng như vậy, chúng ta cần phân tích sự tiêu hao năng lượng của toàn bộ hệ thống điện tử. Chúng ta cần tổng hợp tất cả các sự tiêu hao năng lượng đã tính của các khối điện tử và so sánh chúng với khả năng cung cấp năng lượng của nguồn cung cấp. Như vậy, chúng ta có thể đảm bảo rằng nguồn cung cấp năng lượng của chúng ta có thể cung cấp đủ năng lượng cho thiết bị trong toàn bộ phạm vi điện áp cung cấp.

Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, chúng ta cần nhớ rằng hầu hết sự tiêu hao năng lượng này trở thành nhiệt, và chúng ta cần phân tích xem liệu các thiết bị điện tử có cần làm mát thêm hay không, hay chúng ta có thể chấp nhận nó.

Tham khảo

[1] Joe Wolfe, RMS và công suất trong mạch AC một pha và ba pha, Bài viết trên web tại Đại học New South Wales, Sydney, Úc.

[2] Freddy Alferink, Lý thuyết và định nghĩa: Năng lượng và công suất.

[3] Blog trên trang web của Fluke: RMS thực sự là gì?