Tóm tắt Luận án Giải pháp nâng cao hiệu năng mạch sạc pin li-Ion sử dụng công nghệ cmos

ái tích cực. Điện trở RSen mắc nối tiếp với pin Li-Ion đóng vai trò là phần tử cảm biến dòng điện sạc ICh và điện áp cảm biến trên RSen là được hồi tiếp bởi cấu trúc điều khiển vòng kín của mạch DC-DC. Theo đó, điện áp cảm biến này luôn được điều khiển để ổn định theo điện áp tham chiếu VRef, điều này có nghĩa là dòng điện sạc tại đầu ra có giá trị không đổi và được xác định bởi 6 ⁄ . Như vậy, cấu hình mạch DC-DC trong chế độ sạc CC là mạch ổn dòng. Ngược lại, mạch hồi tiếp điện áp không đổi đạt trạng thái tích cực trong chế độ sạc CV. Theo đó, cấu hình mạch DC-DC trong chế độ sạc này là mạch ổn áp. Thông qua mạch phân áp R1R2, giá trị ( ( )⁄ ) của điện áp ra VBatt được hồi tiếp để so sánh với VRef trong cấu trúc hoạt động điều khiển vòng kín của mạch DC-DC. Điện áp hồi tiếp trên R2 luôn được duy trì ổn định theo điện áp tham chiếu VRef, dẫn đến kết quả là điện áp ra được ổn định tại giá trị ( ⁄ ). Như vậy, mức ổn định của điện áp pin VBatt trong chế độ sạc CV có thể được thiết lập thông qua điện áp VRef và tỉ số R1/R2. Mức tăng của điện áp pin VBatt trong tiến trình sạc CV được bù bởi mức giảm của điện áp rơi trên nội trở RS do dòng điện sạc ICh giảm. Điều này sẽ đảm bảo cho pin Li-Ion được sạc với điện áp VBatt không đổi và dòng điện sạc ICh giảm dần trong chế độ sạc CV. Dựa trên ưu điểm về hiệu suất của cấu trúc SWR và tổn hao truyền dẫn nhỏ của các chuyển mạch MPS và MNS, thiết kế mạch sạc kiểu chuyển mạch thường đạt hiệu suất cao (> 80 %). Nhược điểm chung của cấu trúc thiết kế này là khả năng cách ly cho pin Li- Ion. Bởi vì, các chuyển mạch điện tử dựa trên transistor MOS cho phép dòng điện chạy theo hai hướng. Nên khi hoạt động của mạch DC-DC rơi vào chế độ DCM, năng lượng của pin Li-Ion có thể thất thoát thông qua chế độ dẫn dòng của chuyển mạch MNS. CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HIỆU NĂNG CỦA MẠCH SẠC PIN LI-ION 2.1. Giới thiệu chƣơng 2.2. Sơ đồ khối chức năng Dựa theo các thiết kế mạch sạc trong [8, 9, 32], cấu trúc mạch sạc trong hình 2.1 sẽ được thiết kế với điện áp cung cấp VDC thay đổi thích ứng theo điện áp điện áp pin VBatt (VDC = VBatt + 0,3 V). Chức năng chính của các khối được mô tả như sau: khối nguồn dòng song song thực hiện chức năng cung cấp dòng điện sạc ICh cho pin Li-Ion. Khối mạch cảm biến dòng điện tạo ra dòng điện cảm biến IS nhỏ được sao chép từ dòng điện sạc theo một hệ số tỉ lệ nhất định, điều này giúp giảm công suất tiêu thụ tĩnh và cải thiện hiệu suất công suất cho mạch sạc. Khối mạch điều khiển dòng điện sạc thực hiện so sánh dòng điện tham chiếu IRef-ch với dòng điện IS để tạo ra các điện áp VG1 và VG2 điều khiển các nguồn dòng song song. Dựa trên giá trị điện áp pin VBatt trong suốt tiến trình sạc, khối mạch tạo dòng điện/điện áp đưa ra các tín hiệu điều khiển logic VS1, VS2 và dòng điện tham chiếu IRef-ch tương ứng cho mỗi chế độ sạc. Hình 2.1. Sơ đồ khối chức năng của mạch sạc pin Li-Ion. Trong thiết kế này, mạch sạc pin Li-Ion theo phương thức sạc CC-CV được thiết kế để hoạt động sạc pin Li-Ion với dung lượng giả định C = 2000 mAh và dải điện áp sạc pin từ 2 V đến 7 4,2 V. Nội dung tiếp theo sau, các khối chức năng của mạch sạc sẽ được thực hiện dựa trên các giải pháp thiết kế nhằm cải thiện hiệu năng hoạt động và độ ổn định cho mạch sạc pin Li-Ion. 2.3. Thiết kế hệ thống 2.3.1. Nguồn dòng song song và mạch cảm biến dòng điện 2.3.1.1. Giải pháp thiết kế nguồn dòng song song Trong các thiết kế mạch sạc hoạt động với nguồn cung cấp VDC thay đổi thích ứng theo điện áp pin VBatt [8, 9], chỉ một transistor công suất loại PMOS đóng vai trò như nguồn dòng được điều khiển bằng điện áp, transistor này được sử dụng để cung cấp dòng điện sạc cho pin Li-Ion. Điều này sẽ khó thực hiện điều khiển chính xác cho cả dòng điện sạc lớn ICh-LC trong chế độ LC và dòng điện sạc nhỏ ICh-TC trong chế độ TC. Để cải thiện vấn đề này, cấu trúc nguồn dòng song song được đưa ra như trong hình 2.2 (khung liền nét) bao gồm hai transistor PMOS MP1 và MP2 mắc song song. Các transistor này được điều khiển độc lập bởi các điện áp VG1 và VG2 theo nguyên lý điều khiển như sau: trong chế độ sạc TC với điện áp cung cấp và dòng điện sạc nhỏ, chỉ một nguồn dòng là transistor PMOS MP1 được sử dụng để cung cấp dòng điện sạc nhỏ ICh-TC tương ứng giá trị 0,1C. Cả hai transistor công suất MP1, MP2 sẽ được điều khiển để cung cấp dòng điện sạc lớn ICh-LC tương ứng giá trị 0,5C hoặc có thể lớn hơn trong chế độ sạc LC. Hình 2.2. Sơ đồ thiết kế mạch nguồn dòng song song. Theo đó, cấu trúc nguồn dòng song song không đưa ra yêu cầu dải rộng của điện áp điều khiển các nguồn dòng song song. Hơn nữa, quá trình điều khiển cấu trúc nguồn dòng song song gần như không có sự ràng buộc lẫn nhau giữa hai dòng điện sạc ICh-TC và ICh-LC. Điều này giúp tăng khả năng linh hoạt trong thiết kế mạch sạc, chẳng hạn như: khi cần thực hiện thiết kế mạch sạc theo yêu cầu dòng điện sạc ICh-LC có giá trị lớn hơn (chẳng hạn như ICh-LC = 0,7C hoặc 1C), chỉ yêu cầu thiết kế tăng kích thước W/L của transistor PMOS công suất MP2 mà không ảnh hưởng đến kích thước cũng như dòng điện sạc ICh-TC được cung cấp bởi transistor công suất MP1. Rõ ràng, cấu trúc nguồn dòng song song có thể dễ dàng cung cấp dòng điện sạc pin hoàn toàn phù hợp cho các thiết kế mạch sạc pin Li-Ion dựa trên phương thức sạc CC-CV. 2.3.1.2. Mạch cảm biến dòng điện Sơ đồ thiết kế mạch cảm biến dòng điện được minh họa trong hình 2.3 (khung đứt nét). Theo đó, mỗi cặp transistor PMOS MS1-MP1 và MS2-MP2 đều có cực nguồn (S) kết nối với nguồn cung cấp VDC, cực cửa G được kết nối tương ứng với tín hiệu điện áp điều khiển VG1 và VG2. Bên 8 cạnh đó, mạch điều khiển vòng kín bao gồm khuếch đại thuật toán OA1 và transistor PMOS M1 được thực hiện nhằm đạt được mức cân bằng điện áp giữa điện áp cực máng VD1,2 của MS1, MS2 với điện áp pin VBatt. Khi đó, các cặp transistor PMOS MS1-MP1 và MS2-MP2 sẽ có cùng mức điện áp tại các cực tương ứng G, S và cực máng D. Hiển nhiên là dòng điện cảm biến IS sẽ được tạo ra chính xác từ dòng điện sạc ICh theo hệ số tỉ lệ ( ⁄ ) ( ⁄ ) ⁄ ⁄ . Hình 2.3. Sơ đồ thiết kế mạch cảm biến dòng điện. Mặc dù, thiết kế mạch cảm biến dòng điện với giá trị dòng điện IS càng nhỏ càng giảm công suất tiêu thụ tĩnh của các mạch điều khiển trong mạch sạc, điều này giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi công suất tổng thể cho mạch sạc pin. Trong thiết kế này, mạch biến đổi I-V được thực hiện bởi các transistor NMOS (M6 và M7) cấu hình kiểu điôt trong mạch điều khiển dòng điện sạc (mục 2.3.2). Dòng điện cảm biến IS cần được lựa chọn phù hợp để đảm bảo yêu cầu về dải điện áp hoạt động cho các mạch điều khiển trong mạch sạc pin. Do đó, hệ số tỉ lệ giữa dòng điện cảm biến IS và dòng điện sạc ICh được lựa chọn tương ứng là ⁄ ⁄ ⁄ . 2.3.2. Giải pháp thiết kế mạch điều khiển dòng điện sạc Các thiết kế mạch sạc trong [8, 32] sử dụng cấu trúc mạch so sánh đơn giản để thực hiện so sánh dòng điện tham chiếu IRef-ch với dòng điện cảm biến IS. Cấu trúc so sánh này có ưu điểm là đơn giản và đáp ứng tần số cao. Tuy nhiên, cấu trúc này lại có nhược điểm là sai số và công suất tiêu thụ tĩnh lớn. Trong [33], cấu trúc mạch so sánh dòng điện kiểu Cascode được áp dụng nhằm cải thiện độ chính xác cho mạch so sánh dòng điện. Nhưng cấu trúc này lại yêu cầu mức điện áp phân cực tối thiểu lớn, dẫn đến yêu cầu nguồn cung cấp VDC có giá trị lớn và không phù hợp cho các thiết kế mạch sạc hoạt động với dải điện áp nguồn cung cấp thay đổi thích ứng. Để cải thiện vấn đề này, sơ đồ mạch điều khiển dòng điện sạc được đưa ra trong hình 2.4, bao gồm hai phần mạch chính là mạch so sánh dòng điện và các mạch cổng truyền dẫn. Mạch so sánh dòng điện được cấu thành từ hai transistor NMOS M6, M7 mắc theo cấu hình điôt và phần tử khuếch đại OTA. Trong đó, các NMOS mắc kiểu điôt M6 và M7 thực hiện chức năng biến đổi I- V cho các dòng điện tương ứng là IRef-ch và IS. Cấu trúc mạch so sánh sử dụng khuếch đại OTA đưa ra hệ số khuếch đại lớn và đặc tuyến truyền đạt tuyến tính dẫn đến tăng độ phân giải đầu vào, điều này có nghĩa là độ chính xác của mạch so sánh được cải thiện. Hai mạch cổng truyền dẫn được thiết kế từ các cặp transistor MOS M2-M3 (TG1) và M4-M5 (TG2). Các cổng truyền dẫn TG1 và TG2 thực hiện chức năng tạo hoặc ngắt kết nối tương ứng giữa VG với VG1 và VG2 9 thông qua các tín hiệu điều khiển logic VS1 và VS2. Các tín hiệu điều khiển logic VS1, VS2 từ mạch tạo dòng điện/điện áp được xem như là tín hiệu lựa chọn nguồn dòng cung cấp dòng điện sạc cho pin Li-Ion. Hình 2.4. Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển dòng điện sạc. Quá trình điều khiển dòng điện sạc được thực hiện theo vòng kín sao cho dòng điện cảm biến IS luôn bằng với dòng điện tham chiếu IRef-ch. Theo cách điều khiển này, dòng điện sạc ICh sẽ được tạo ra từ dòng điện tham chiếu IRef-ch tương ứng với mỗi chế độ sạc và luôn có giá trị được xác định bằng bội số của dòng điện tham chiếu (NIRef-ch). Ngoài ra, dòng điện cảm biến IS cũng được so sánh với dòng tham chiếu IRef-end thông qua các transistor NMOS M7 và M8. Quá trình này nhằm xác định chính xác thời điểm kết thúc sạc chỉ khi điện áp pin VBatt đạt ngưỡng 4,2 V và dòng điện sạc ICh-CV trong chế độ CV đạt xấp xỉ giá trị dòng điện ngắt ICutoff. 2.3.3. Giải pháp thiết kế mạch tạo dòng điện/điện áp 2.3.3.1. Mạch tạo dòng điện tham chiếu Nhìn chung, cơ chế điều khiển dòng điện sạc pin Li-Ion đều dựa trên dòng điện/điện áp tham chiếu được tạo ra tương ứng với mỗi chế độ sạc trong tiến trình sạc. Vì vậy, phương thức tạo ra dòng điện tham chiếu không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến dòng điện sạc mà còn liên quan đến hiệu năng hoạt động tổng thể của hệ thống. Trong các thiết kế mạch sạc dựa trên công nghệ CMOS [8, 32, 33], dòng điện tham chiếu được thực hiện riêng biệt cho mỗi chế độ sạc. Theo đó, tại các thời điểm chuyển chế độ sạc TC-LC và LC-CV dòng điện tham chiếu của chế độ sạc ngay trước đó sẽ bị ngắt và dòng điện tham chiếu cho chế độ sạc tiếp theo sau sẽ được mở thông qua các chuyển mạch điện tử. Rõ ràng, nếu có sự sai khác về thời điểm điều khiển ngắt/mở các chuyển mạch, đột biến xung nhọn với biên độ lớn có thể xuất hiện trong dòng điện dòng điện sạc pin. Ngoài ra, khi xét riêng tại thời điểm chuyển đổi chế độ sạc LC-CV với điện áp pin VBatt đạt xấp xỉ giá trị 4,2 V, pin Li-Ion sẽ được chuyển từ chế độ sạc LC sang chế độ sạc CV. Ngay tại thời điểm này, điện áp pin lại bị giảm đột ngột với giá trị điện áp đúng bằng điện áp rơi trên nội trở của pin Li-Ion. Khi đó, mạch điều khiển sẽ quay trở lại chế độ sạc LC để sạc cho pin Li-Ion. Với đáp ứng của tín hiệu điều khiển đủ nhanh, pin Li-Ion lại tiếp tục được chuyển sang chế độ sạc CV ngay sau đó. Quá trình chuyển đổi qua lại giữa hai chế độ sạc LC và CV có thể diễn ra liên tục trong suốt giai đoạn chuyển tiếp này dẫn đến mất ổn định nghiêm trọng cho hoạt động của hệ thống 10 Hình 2.7. Phương thức tạo dòng điện tham chiếu liên tục. Hình 2.8. Sơ đồ thiết kế mạch tạo dòng điện tham chiếu sử dụng mạch tổng hợp tương tự. Trong nghiên cứu này, phương thức tạo ra dòng điện tham chiếu không bị ngắt trong suốt tiến trình sạc (Hình 2.7) được áp dụng nhằm cải thiện các vấn đề đột biến xung nhọn trong dòng điện sạc và mất ổn định do sự chuyển đổi chế độ sạc liên tục trong giai đoạn chuyển tiếp LC- CV. Tại các thời điểm chuyển đổi chế độ sạc TC-LC và LC-CV, dòng điện tham chiếu cho chế độ sạc hiện tại sẽ không bị ngắt mà chỉ mở thêm dòng điện tham chiếu cho chế độ sạc kế tiếp. Nhờ vào đó, dòng điện IRef-ch tham chiếu cho dòng điện sạc được xem là dòng điện tổng hợp từ các dòng điện tham chiếu thành phần (ITC, ILC và ICV) và được tạo ra liên tục trong suốt tiến trình sạc. Điều này sẽ giúp cải thiện được các vấn đề vừa nêu ra ở phần trên. Trên cơ sở của phương thức tạo dòng điện tham chiếu trong hình 2.7, sơ đồ mạch tạo dòng điện tham chiếu dựa theo nguyên lý mạch tổng hợp dòng điện tương tự được đưa ra trong hình 2.8. Các dòng điện tham chiếu thành phần ITC, ILC và ICV sẽ được tổng hợp để tạo ra dòng điện tham chiếu liên tục IRef-ch thông qua mạch tổng hợp dòng điện tương tự (M16 – M22). Xét nút dòng điện tại đầu ra của mạch tổng hợp tương tự, dòng điện tham chiếu tổng hợp ID16 được xác định theo biểu thức (2.1). 11 ( ) (2.1) Từ biểu thức (2.1), dòng điện tham chiếu tổng hợp ID16 có thể được xác định tương ứng cho chế độ sạc TC và LC bởi các biểu thức (2.2) và (2.3). Trong chế độ sạc CV, dòng điện ID16 là dòng điện tổng hợp từ các dòng tham chiếu thành phần ITC, ILC và ICV (2.1). (2.2) (2.3) Trong thiết kế này, với mục đích giảm công suất tiêu thụ tĩnh trong mạch tạo dòng điện tham chiếu, dòng điện IRef-ch tham chiếu cho dòng điện sạc được sao chép lớn hơn 4 lần từ dòng điện tham chiếu tổng hợp ID16 thông qua cấu trúc mạch gương dòng điện (M16 : M15). Như vậy, mạch tạo dòng điện tham chiếu sử dụng cơ chế tổng hợp tương tự cung cấp dòng điện tham chiếu IRef- ch không bị ngắt tại các thời điểm chuyển đổi chế độ sạc (TC-LC, LC-CV) và liên tục trong suốt tiến trình sạc. 2.3.3.2. Mạch tạo điện áp điều khiển Trên cơ sở của mạch tạo dòng điện tham chiếu trong mục 2.3.3.1 và yêu cầu từ mạch điều khiển dòng điện sạc trong mục 2.3.2, mạch tạo điện áp điều khiển trong hình 2.9 được xem như là mạch điều khiển logic. Trong đó, điện áp pin VBatt luôn được so sánh với các điện áp chuẩn VH và VL để đưa ra các tín hiệu điều khiển logic VTC, VLC, VS1 và VS2 tương ứng theo các chế độ sạc pin. Mặc dù, các nghiên cứu trong [13, 20, 24] đã chỉ ra rằng, mạch so sánh có trễ không thể áp dụng trong mạch điều khiển logic để khắc phục vấn đề mất ổn định do nội trở của pin. Bởi vì giá trị điện áp trễ lớn của mạch so sánh có thể gây ra các vấn đề ảnh hưởng đến tiến trình sạc pin Trong thiết kế này, vấn đề vừa nêu ra có thể được khắc phục bằng cách giảm giá trị của các điện áp chuẩn VL và VH. Ngưỡng so sánh của điện áp pin VBatt trong mạch tạo điện áp điều khiển được xác định tương ứng là và , với và . Khi đó, vấn đề ảnh hưởng của điện áp trễ đến tiến tình sạc pin đã được loại bỏ và mạch so sánh có trễ có thể được áp dụng trong mạch điều khiển logic nhằm cải thiện hiệu năng hoạt động của mạch sạc pin Li-Ion. Hình 2.9. Sơ đồ thiết kế mạch tạo điện áp điều khiển. 2.4. Lựa chọn và thiết kế các phần tử chức năng Các phần tử chức năng sử dụng trong thiết kế mạch pin Li-Ion bao gồm khuếch đại thuật toán OA (OA1 trong mạch cảm biến dòng điện, OA2 và OA3 trong mạch tạo dòng điện tham chiếu), khuếch đại OTA (trong mạch điều khiển dòng điện sạc), mạch so sánh điện áp có trễ và các phần tử logic (trong mạch tạo điện áp điều khiển). Các phần tử này được thực hiện với cấu trúc thiết kế phù hợp và đảm bảo được các điều kiện hoạt động của mạch sạc đã đề xuất. 12 2.5. Kết quả mô phỏng và thảo luận Dựa trên mô hình mạch mô phỏng, các kết quả mô phỏng tin cậy của mạch sạc pin Li-Ion được đưa ra nhằm mục đích đánh giá và kiểm chứng các đặc tính hoạt động cũng như các hướng tiếp cận trong thiết kế cải thiện hiệu năng hoạt động của mạch sạc pin Li-Ion. Hình 2.21. Các tín hiệu điều khiển logic. Kết quả mô phỏng các tín hiệu điều khiển logic bao gồm Vend, VTC, VLC, VS1 và VS2 được đưa ra trong hình 2.21. Trong suốt tiến trình sạc, Vend luôn ở mức điện áp thấp, VTC luôn ở trạng thái điện áp cao tương đương với nguồn cung cấp. Tín hiệu điều khiển VLC chỉ chuyển sang trạng thái điện áp cao tại thời điểm bắt đầu chế độ sạc LC và luôn duy trì trạng thái tích cực này ngay cả khi Vend đã chuyển lên trạng thái kết thúc sạc. Điều này đã thể hiện rõ, tại các thời điểm chuyển đổi chế độ sạc, các tín hiệu điều khiển VTC, VLC không bị chuyển trạng thái từ điện áp cao sang điện áp thấp để điều khiển ngắt các dòng điện tham chiếu. Tương tự, các tín hiệu lựa chọn nguồn dòng VS1 luôn được duy trì ở mức điện áp cao trong tiến trình sạc, VS2 có mức điện áp thấp trong chế độ sạc TC và chuyển sang trạng thái điện áp cao ngay tại thời điểm chuyển đổi chế độ sạc TC-LC nhằm đáp ứng yêu cầu về dòng điện sạc lớn. Ngay khi tín hiệu kết thúc sạc Vend chuyển sang trạng thái điện áp cao, các tín hiệu VS1 và VS2 đều đạt mức điện áp thấp để điều khiển ngắt dòng điện sạc cho pin Li-Ion. Qua đó cho thấy, các transistor PMOS công suất MP1 và MP2 trong khối nguồn dòng song song đã được lựa chọn để hoạt động đúng theo nguyên lý thiết kế trong tiểu mục 2.3.1.1. Hình 2.22 minh họa kết quả mô phỏng của các dòng điện tham chiếu thành phần ITC, ILC và ICV. Rõ ràng, dựa trên cơ sở các tín hiệu điều khiển VTC, VLC và cơ chế tạo dòng điện tham chiếu tự động trong chế độ sạc CV, dòng điện tham chiếu ITC được cung cấp trong suốt tiến trình sạc. Tại mỗi thời điểm chuyển đổi chế độ sạc TC-LC hoặc LC-CV, dòng điện tham chiếu 13 tương ứng là ILC hoặc ICV sẽ được tạo ra và tiếp tục duy trì cho đến thời điểm kết thúc sạc. Kết quả mô phỏng đã khẳng định rằng, không có dòng điện tham chiếu nào được điều khiển ngắt mà chỉ mở thêm dòng điện tham chiếu tương ứng cho chế độ sạc tiếp theo tại các thời điểm chuyển đổi chế độ sạc. Mặc dù, vấn đề đột biến xung dòng điện nhỏ xuất hiện trong các dòng điện tham chiếu thành phần (điển hình là ILC), đây là kết quả của sự ảnh hưởng từ việc mở/ngắt các chuyển mạch điện tử trong mạch tạo dòng điện tham chiếu. Quá trình đột biến này diễn ra rất nhanh trong khoảng thời gian ngắn, nên không ảnh hưởng đến dòng điện tổng hợp IRef-ch (Hình 2.23) tham chiếu cho dòng điện sạc ICh. Hình 2.22. Các dòng điện tham chiếu thành phần. Hình 2.23. Dòng điện tham chiếu và dòng điện cảm biến. Trong hình 2.23, kết quả mô phỏng dòng điện tham chiếu IRef-ch là dòng điện tham chiếu được tổng hợp từ các dòng điện tham chiếu thành phần ITC, ILC và ICV. Do vậy, dòng điện IRef-ch được tạo ra một cách liên tục và không bị ngắt tại các thời điểm chuyển đổi chế độ sạc. Bên cạnh đó, dòng điện ICV (Hình 2.22) tăng dần từ giá trị 0 A, nên quá trình chuyển đổi chế độ sạc LC-CV trong dòng điện tham chiếu tổng hợp IRef-ch được xem xét như dòng điện liên tục theo thời gian. Điều này đã cho thấy rằng, giải pháp thiết kế mạch tạo dòng điện tham chiếu trong tiểu mục 2.3.3.1 không chỉ cải thiện vấn đề đột biến xung dòng điện tại các thời điển chuyển đổi chế độ sạc mà còn giúp cải thiện hoạt động ổn định cho mạch sạc tại thời điểm chuyển đổi chế 14 độ sạc LC-CV. Ngoài ra, hoạt động điều khiển chính xác của mạch cảm biến dòng điện và mạch điều khiển dòng điện sạc đã đưa ra dòng điện cảm biến IS luôn có giá trị xấp xỉ với dòng điện tham chiếu IRef-ch. Trong kết quả mô phỏng này, các dòng điện IS và IRef-ch tương ứng với các chế độ sạc TC, LC và CV có giá trị xấp xỉ là 42 A, 202 A và 202 A – 9 A. Hình 2.24. Dòng điện và điện áp sạc pin Li-Ion. (a) Dòng điện sạc ICh. (b) Điện áp sạc pin VBatt. Các kết quả mô phỏng của dòng điện và điện áp sạc pin Li-Ion được đưa ra trong hình 2.24. Dựa trên kết quả mô phỏng của dòng điện sạc (Hình 2.24(a)), trong các chế độ sạc TC và LC, dòng điện sạc ICh đạt các giá trị xấp xỉ là 209 mA và 1010 mA tương ứng với hệ số tỉ lệ của dung lượng pin Li-Ion xấp xỉ 0,1C và 0,5C. Giá trị của dòng điện sạc ICh trong chế độ sạc CV được giảm dần từ 1010 mA cho đến thời điểm kết thúc sạc là 43 mA. Bên cạnh đó, vấn đề đột biến xung nhọn trong dòng điện sạc tại các thời điểm chuyển tiếp chế độ sạc (TC-LC và LC- CV) đã được cải thiện và quá trình chuyển tiếp chế độ sạc từ LC sang CV của dòng điện sạc ICh là ổn định. Trong hình 2.24(b), kết quả mô phỏng đã cho thấy điện áp pin VBatt cũng được sạc chính xác với giá trị từ 2 V đến 4,2 V, điều này có nghĩa là pin Li-Ion được sạc đầy dung lượng. Mặc dù, điện áp tham chiếu để so sánh trong mạch tạo điện áp điều khiển được lựa chọn với các giá trị tương ứng là 2,8 V và 4,1 V. Các thời điểm chuyển tiếp chế độ sạc TC-LC và LC-CV của mạch thiết kế vẫn diễn ra đúng với giá trị của điện áp pin VBatt tại các ngưỡng giá trị tương ứng là 2,901 V và 4,203 V. Như vậy, giải pháp áp dụng mạch so sánh điện áp có trễ trong thiết kế mạch sạc là hoàn toàn phù hợp và không ảnh hưởng đến tiến trình sạc pin Li-Ion. Cuối cùng, dựa trên kết quả mô phỏng trong hình 2.23 và hình 2.24, tỉ số thiết kế giữa dòng điện sạc ICh và dòng điện cảm biến IS cũng luôn được đảm bảo với giá trị xấp xỉ là 1/5000. Bên cạnh đó, hiệu suất công suất trung bình của mạch sạc đề xuất đạt mức 88,6 % trong chế độ sạc TC và 92,1 % trong chế độ sạc LC. 2.6. Kết luận chƣơng Mạch sạc pin Li-Ion hoạt động với dải điện áp cung cấp thay đổi thích ứng được thực hiện dựa trên thư viện công nghệ BCD 0,35 m. Kết quả đạt được của dòng điện sạc và điện áp pin là phù hợp theo phương thức sạc CC-CV và đảm bảo cho pin Li-Ion không bị ảnh hưởng bởi điều kiện hoạt động sạc quá mức. Bên cạnh đó, các vấn đề đột biến xung nhọn trong dòng điện sạc và chuyển tiếp chế độ sạc không ổn định đã được cải thiện. Hiệu suất trung bình của mạch sạc đạt mức 88,6 % và 92,1 % tương ứng với các chế độ sạc TC và LC. (a) (b) 15 CHƢƠNG 3 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP THIẾT KẾ MẠCH BIẾN ĐỔI DC-DC KIỂU GIẢM ÁP CHO MẠCH SẠC HIỆU NĂNG CAO 3.1. Giới thiệu chƣơng 3.2. Giải pháp thiết kế hệ thống mạch sạc hiệu năng cao Giải pháp thiết kế cho hệ thống mạch sạc hiệu năng cao được đưa ra trong hình 3.1. Mạch sạc pin Li-Ion kiểu tuyến tính đã thực hiện trong chương 2 giúp cải thiện khả năng cách ly cho pin Li-Ion và đạt hiệu suất cao với dải điện áp cung cấp thay đổi thích ứng lớn hơn 0,3 V so với điện áp pin. Trong giải pháp thiết kế này, mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp được đề xuất nhằm đạt hiệu suất cao và giảm kích thước các phần tử thiết kế ngoài chíp, điều này giúp giảm kích thước tổng thể của mạch thiết kế PCB và tăng khả năng ứng dụng của hệ thống mạch sạc trong các thiết bị điện tử di động với kích thước thiết kế nhỏ gọn. Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống mạch sạc pin Li-Ion. 3.3. Thiết kế mạch biến đổi DC-DC áp dụng cho mạch sạc pin Li-Ion 3.3.1. Mạch biến đổi DC-DC với tải là mạch sạc Kiến trúc mạch DC-DC áp dụng cho mạch sạc pin Li-Ion được đưa ra trong hình 3.2. Các khối chức năng chính của mạch DC-DC bao gồm mạch công suất, mạch bù tần số, mạch điều chế PWM và mạch điều khiển chuyển mạch. Mạch DC-DC thực hiện chức năng cung cấp điện áp ra VDC ổn định và tỉ lệ với điện áp tham chiếu VARV dựa trên hệ điều khiển vòng kín. Các thông số thiết kế tổng thể của mạch biến đổi DC-DC áp dụng cho mạch sạc pin Li-Ion được đưa ra trong bảng 3.1. Nội dung tiếp theo sẽ thực hiện tính toán và thiết kế các khối chức năng của mạch DC-DC nhằm đáp ứng các yêu cầu của mạch tải là mạch sạc pin Li-Ion. Quá trình phân tích thiết kế tại mỗi giá trị điện áp hoặc dòng điện của mạch tải được xem xét như trường hợp thiết kế cho mạch biến đổi DC-DC có điện áp đầu ra ổn định. Hình 3.2. Sơ đồ khối chức năng của mạch DC-DC với tải là mạch sạc. 16 Bảng 3.1. Các thông số thiết kế tổng thể cho mạch biến đổi DC-DC. Thư viện công nghệ BCD 0,35 m Điện áp vào (VI) Hệ số gợn sóng điện áp vào (ri) Điện áp ra (VDC) ( ) Hệ số gợn sóng điện áp ra (ro) Dòng điện ra (IDC) Điện áp tham chiếu thích ứng (VARV) ( ) Tần số chuyển mạch (fS  fRmp) Biên độ xung răng cưa (VM) 3 ( ) 3.3.2. Tính toán và thiết kế hệ thống 3.3.2.1. Mạch công suất Trong nội dung này, các phần tử của mạch công suất trong hình 3.2 (khung đứt nét) sẽ được tính toán và lựa chọn nhằm đảm bảo cho mạch DC-DC hoạt động trong chế độ CCM và cung cấp đầu ra dải rộng cho mạch tải là mạch sạc pin Li-Ion. Xác định kích thước của các transistor chuyển mạch MPS và MNS: các transistor chuyển mạch MPS và MNS trong thiết kế được khảo sát và lựa chọn với tỉ số kích thước W/L tương ứng 33000 m/0,5 m và 11000 m/0,5 m, sao cho dòng điện cung cấp tối đa của các transistor chuyển mạch có thể đạt mức giá trị lớn hơn khoảng 1,5 lần so với dòng điện sạc. Xác định giá trị của cuộn cảm L: trên cơ sở điều kiện hoạt động của mạch biến đổi DC-DC trong chế độ CCM theo (1.19) và tham số xác định trong bảng 1.5, giá trị điện cảm L được xác định là 22,5 H và được lựa chọn cho thiết kế với [96]. Xác định giá trị của tụ điện vào CI và tụ điện ra CO: các tụ điện vào/ra được xác định dựa trên tham số gợn sóng điện áp xoay chiều trong bảng 3.1 với giả thiết là thành phần xoay chiều được phân bố đều trên tụ điện và nội trở tương đương của các tụ điện vào/ra. Dựa theo [97], tụ điện vào CI được xác định và lựa chọn với giá trị tương ứng là 6,8 F (RC  5 m ). Dựa trên cơ sở của tham số xác định trong bảng 1.5 và dải thay đổi của đầu ra theo mạch tải, giá trị thiết kế của tụ điện ra sẽ được lựa chọn là [98]. Như vậy, với các giá trị đã tính toán và lựa chọn cho thiết kế mạch công suất, mạch DC-DC đạt được hoạt động trong chế độ dẫn dòng liên tục CCM với dải rộng của dòng điện cung cấp