Bạn Có Biết Cách Ngăn Chặn Sự Dao Động Điện Áp Không?

Một trong những loại sự cố nguồn cung cấp điện phổ biến nhất là sự biến động điện áp đầu ra. Vấn đề này được gây ra bởi nhiều yếu tố, bao gồm biến động điện áp đầu vào, sự thay đổi không dự đoán được trong dòng điện tải, sự cố vòng lặp điều khiển phản hồi, vấn đề tần số chuyển mạch, dung sai linh kiện, biến động nhiệt độ, và linh kiện lão hóa. 

Bài viết này sẽ khám phá ngắn gọn nguyên nhân của sự biến động điện áp đầu ra và cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách giải quyết và ngăn chặn những vấn đề này.

Biến Động Điện Áp Đầu Vào

Điện áp đầu vào của nguồn cấp (hoặc chip điều chỉnh) có thể biến động vượt quá giới hạn tối đa/tối thiểu tuyệt đối của chip điều chỉnh. Chip điều chỉnh/bộ điều khiển không thể xử lý những biến động này, và tùy thuộc vào tần suất của các biến động, điện áp đầu ra có thể giảm, tăng, hoặc thể hiện một lượng lớn nhiễu. 

Ví dụ, xin hãy xem sơ đồ ứng dụng của chip điều chỉnh nổi tiếng LM2576-5.0 [1] của Texas Instruments (Hình 1). Rõ ràng là đã nêu rằng phạm vi biến động điện áp đầu vào có thể nằm trong khoảng từ 7-40V (60V cho phiên bản HV). Một ví dụ khác là chip LNK30X, của Power Integrations (Hình 2) [2]. Tại đây, nó được đề cập rằng điện áp AC đầu vào không nên tăng cao hơn 265VAC, và không giảm thấp hơn 85VAC. Nếu không, điện áp đầu ra có thể biến động, đặc biệt là dưới một số tải.

Cần lưu ý rằng một nguồn cấp có thể không thể xử lý được những biến động điện áp đột ngột, đáng kể tại đầu vào, ngay cả khi các biến động nằm trong phạm vi tối thiểu/tối đa. Điều này cũng có thể gây ra sự biến động của điện áp đầu ra.

Hình 1

Sơ đồ ứng dụng của chip chuyển đổi buck LM2576-5.0

Hình 2

LinkSwitch-TN Universal Input, đầu ra 12V-120mA

Thay đổi tải

Nguồn cung cấp có thể không thể xử lý được những thay đổi đột ngột trong dòng tải, dẫn đến việc điện áp đầu ra biến động. Ví dụ, nếu khả năng cung cấp dòng của một nguồn cung cấp được đánh giá ở mức tối đa 3A, và tải đột nhiên rút 4A, nếu điều này xảy ra định kỳ, thì điều đó sẽ dẫn đến việc điện áp đầu ra giảm và biến động.

Hơn nữa, ngay cả khi dòng tải chỉ thay đổi trong phạm vi hạn chế, nguồn cung cấp phải được điều chỉnh và kiểm tra đối với "phản ứng bước tải", sử dụng một tải DC. Nói một cách đơn giản, một tải DC áp dụng các xung tải định kỳ (ví dụ: mức dòng thấp: 1A, mức dòng cao: 3A) vào đầu ra của nguồn cung cấp trong khi điện áp đầu ra được giám sát để phát hiện bất kỳ sự rung nào. Đây là một bài kiểm tra thiết yếu cho các ứng dụng mà dòng tải có thể thay đổi đáng kể và thường xuyên, chẳng hạn như một chiếc xe hơi nơi người lái có thể bật/tắt đèn pha, các phần tử sưởi, ... vv khá thường xuyên. Hình 3 cho thấy một nguồn cung cấp chưa được điều chỉnh [3]. Hình 4 cho thấy một nguồn cung cấp đã được chỉnh sửa/điều chỉnh [3] vượt qua bài kiểm tra phản ứng bước tải.

Hình 3

Nguồn cấp không điều chỉnh (Hồng: Xung Dòng, Vàng: Điện Áp Ra, Cam: Điện Áp Ra (Trung Bình 4P))

Hình 4

Nguồn cấp đã điều chỉnh (Hồng: Xung Dòng, Vàng: Điện Áp Ra, Cam: Điện Áp Ra (Trung Bình 4P))

Vòng Điều Khiển Phản Hồi

Đây là lý do có khả năng nhất đằng sau tất cả sự biến động điện áp ra! Vì vậy, bạn nên kiểm tra điều này trước khi tìm kiếm các vấn đề biến động điện áp ra khác có thể xảy ra. Một vòng điều khiển phản hồi đơn giản là một đường mạch cho bộ điều khiển/regulator cảm nhận điện áp ra và ổn định điện áp. Bất kỳ sự cố nào trong mạch phản hồi sẽ, ít nhất, dẫn đến biến động điện áp ra. 

Đường dẫn phản hồi dễ dàng được nhận diện trong các mạch điều chỉnh điện áp tuyến tính và buck/boost. Đối với các bộ chuyển đổi flyback, các thành phần tối thiểu của vòng điều khiển phản hồi là optocoupler và diode Zener (hoặc một bộ điều chỉnh shunt) (hình 5). Diode chỉnh lưu ra và tụ lọc cũng đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định vòng điều khiển, điều này sẽ được thảo luận trong phần “lão hóa của các thành phần”.

Hình 5

Mạch điển hình của một bộ chuyển đổi flyback

Tần Số Chuyển Mạch

Nếu bạn thiết kế/sửa chữa một nguồn cung cấp điện và điện áp đầu ra không ổn định, thì một nguyên nhân có thể là tần số chuyển mạch không chính xác. Tần số chuyển mạch đóng một vai trò rất quan trọng trong các phép tính và giá trị của linh kiện. Một sự lệch lớn từ tần số tính toán hoặc bất kỳ sự không ổn định nào có thể gây ra sự biến động của điện áp đầu ra.

Độ Chịu Đựng Của Linh Kiện

Nguồn cung cấp điện được tạo thành từ nhiều linh kiện rời rạc, và độ chịu đựng của chúng nên ở trong phạm vi chấp nhận được, ví dụ, độ chịu đựng 5%. Nếu những linh kiện này thể hiện độ chịu đựng cao hơn hoặc nếu bạn sử dụng linh kiện kém chất lượng, nó có thể gây ra sự biến động của điện áp đầu ra hoặc giảm hiệu suất. Do đó, nếu bạn thiết kế nguồn cung cấp điện của mình, bạn nên giữ gần với các giá trị tính toán của mình càng nhiều càng tốt. Trong trường hợp cố gắng sửa chữa, hãy thay thế linh kiện hỏng bằng một linh kiện giống hệt (giá trị, kích thước, độ chịu đựng).

Biến Đổi Nhiệt Độ

Tất nhiên, nguồn cung cấp điện tạo ra nhiệt, do đó nhiệt này phải được tản ra một cách đúng đắn bằng cách sử dụng tản nhiệt và quạt. Nếu không, nhiệt độ cao quá mức gây ra căng thẳng nhiệt cho các linh kiện và giảm tuổi thọ của chúng, điều này dễ dàng gây ra sự biến động của điện áp đầu ra. Hơn nữa, nếu nhiệt độ môi trường xung quanh cao hoặc nếu không có sự thông gió đúng đắn, điều này cũng có thể dẫn đến sự biến động điện áp vì các linh kiện không thể làm mát đúng cách. 

Linh Kiện Lão Hóa

Theo thời gian, hiệu suất của các linh kiện - đặc biệt là tụ điện điện phân - có thể giảm, dẫn đến hỏng hóc. Hầu hết thời gian, rất rõ ràng khi một tụ điện điện phân thay đổi hình dạng hoặc trông phồng lên, nhưng đôi khi chúng bị khô cạn mà không có dấu hiệu nào bên ngoài. Tụ điện phồng lên hoặc khô cạn là một trong những nguyên nhân phổ biến nhất gây ra sự biến động điện áp đầu ra bởi vì tụ điện hỏng ảnh hưởng đến hiệu suất của vòng điều khiển phản hồi và tăng độ nhiễu/ripple đầu ra. 

Ngoài ra, tụ điện đầu vào chính (sau bộ chỉnh lưu cầu) hoặc tụ điện giảm xung của chip điều khiển có thể hỏng và ảnh hưởng đến điện áp đầu ra. Theo nguyên tắc chung, bất kỳ tụ điện nào đã mất hơn 20% giá trị dung lượng ban đầu của nó nên được thay thế. Vì vậy, một máy đo LCR là công cụ không thể thiếu cho bất kỳ thiết kế hoặc cố gắng sửa chữa nguồn điện nào. 

Video này giải thích ba cách để kiểm tra sự hỏng hóc của tụ điện điện phân [4], mà không cần đo ESR. Nếu việc tìm kiếm và sửa chữa từng tụ điện điện phân mất quá nhiều thời gian, thì việc thay thế tất cả tụ điện điện phân có thể là quyết định khôn ngoan! Hình 6 cho thấy một tụ điện bị phồng.

Hình 6

Tụ điện phồng
 

Tham khảo

[1]: LM2576: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2576hv.pdf
[2]: LNK30X: https://www.powerint.cn/products/linkswitch/linkswitch-tn/lnk304dg
[3]: Phản ứng Bước Tải với Tải Điện Tử DC SIGLENT: https://www.siglenteu.com/application-note/power-supply-design-load-step/
[4]: Cách Dễ Dàng Phát Hiện Tụ Điện Hỏng: https://www.youtube.com/watch?v=XKv4OMSz7jU