Khóa luận tốt nghiệp TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN  CÔNG TRÌNH DỰ THI SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM 2008 Tên đề tài: BỘ NGUỒN MÁY TÍNH Người hướng dẫn : TS. Trần Công Nhượng Sinh viên : Nguyễn Đăng Học Lớp : K54B_CNTT. HÀ NỘI – 2008 Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT 1 Khóa luận tốt nghiệp Lời mở đầu Các thiết bị điện tử gia dụng hay chuyên dùng không thể sử dụng trực tiếp dòng điện xoay chiều (AC) từ lưới điện được mà phải thông qua bộ chuyển đổi nhằm hạ thế và chuyển thành dòng điện một chiều (DC) cung cấp cho các linh kiện điện tử trong thiết bị đó. Các bộ chuyển đổi này được gọi chung là bộ nguồn của thiết bị. Không ngoại lệ, máy vi tính cũng có bộ nguồn riêng của mình, vậy bộ nguồn máy tính có gì khác biệt so với các bộ nguồn thông thường? Bộ nguồn là một thiết bị phần cứng quan trọng, cung cấp năng lượng hoạt động cho toàn hệ thống. Với hàng loạt công nghệ mới chạy đôi hoặc "2 trong 1" như RAM Dual Channel, đĩa cứng RAID, đồ họa SLI/CrossFire, CPU DualCore Bộ nguồn càng trở nên quan trọng hơn bao giờ hết bởi nó quyết định sự ổn định của hệ thống, tuổi thọ của các thiết bị phần cứng khác. Gánh nặng này đã vượt quá khả năng "chịu đựng" của những bộ nguồn không tên tuổi trên thị trường, kể cả những bộ nguồn noname được dán nhãn công suất lên đến “600 - 700W”. Nếu không cung cấp đủ công suất điện cho hệ thống, bạn sẽ phải thưởng thức vô số các lỗi… từ trên trời rơi xuống! Nhẹ thì máy chạy ì ạch, các game yêu thích bị đứng hình liên tục,… Nặng một chút thì máy đang chạy, tự nhiên khởi động lại hoặc khởi động không được, trường hợp xấu nhất là cả hệ thống ”đi toi” kéo theo nhiều thiết bị “yêu quí” khác phải đi “nằm viện”. Dễ thấy nhất và các ví dụ điển hình là các tụ trên các mainboard thường phồng rộp lên, hoặc VGA cạc của Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT 2 Khóa luận tốt nghiệp bạn bị vỡ hình xuất hiện các ký tự lạ Nguyên nhân chẩn đoán được lúc này là một phần do thủ phạm bộ nguồn gây ra. Chính vì vậy, việc lựa chọn một bộ nguồn thích hợp với hệ thống là điều bạn cần xem xét và tính toán khi chọn mua máy tính. Đặc biệt đối với những linh kiện cao cấp như phần cứng máy tính những bộ nguồn chất lượng kém ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến độ bền và tuổi thọ linh kiện, đây là những tác hại mà người dùng chỉ nhận biết được sau một thời gian sử dụng nhất định. Việc lựa chọn bộ nguồn đã không được người tiêu dùng Việt Nam quan tâm đúng trong một thời gian dài ngay cả đối với những người am hiểu về kỹ thuật máy tính. Hoặc người tiêu dùng chỉ lựa chọn sản phẩm qua nhãn mác, cảm tính của mình cũng như hình thức bề ngoài mà chưa thực sự nắm bắt được những thông số kỹ thuật của nhà sản xuất cung cấp kèm theo sản phẩm (tất nhiên còn tuỳ thuộc độ trung thực vào nhà cung cấp hoặc sản xuất – được đảm bảo chắc chắn từ những sản phầm và nhà sản xuất có tên tuổi ). Với những lý do trên tôi đã chọn lọc và sưu tầm tổng hợp các thông tin bài viết trên các diễn đàn phần cứng, tạp trí tin học uy tín trong và ngoài nước cũng như tham khảo các thông tin trên Internet các vần đề liên quan đến bộ nguồn của máy tính để người sử dụng tiện cho việc tham khảo tra cứu… Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT 3 Khóa luận tốt nghiệp MỤC LỤC CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ BỘ NGUỒN 1. Tổng quát. Bộ nguồn cho các thiết bị điện tử xách tay như máy ảnh, điện thoại di động, máy tính xách tay có chức năng chuyển điện xoay chiều AC thành điện một chiều DC, thường được gọi là các AC adapter, để cung cấp cho các vi mạch điện tử bên trong máy cũng như các bộ phận ngoại vi. Một bộ nguồn làm việc ổn định và cung cấp đủ công suất rất quan trọng đối với một máy tính cá nhân. Tùy theo chủng loại, cấu hình của mỗi máy tính, chúng ta cần công suất nguồn khác nhau. Bộ nguồn được chia theo nguyên tắc hoạt động thành hai loại: Bộ nguồn tuyến tính và bộ nguồn ổn áp theo nguyên tắc băm áp 1 chiều. a) Bộ nguồn tuyến tính cổ điển bao gồm: một biến thế để hạ điện áp, một mạch chỉnh lưu không điều khiển (thường dùng sơ đồ cầu 1 pha với 4 điôt công suất và một bộ ổn định điện áp (có thể biến đổi từ 5V đến 12V). Vì làm việc ở tần số thấp (50-60Hz) nên biến áp của bộ nguồn tuyến tính có khối lượng sắt và đồng rất lớn, Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT 4 Khóa luận tốt nghiệp tổn thất công suất nhiều. Hơn nữa bộ ổn định điện áp làm việc theo nguyên tắc tuyến tính nên năng lượng điện không được tiêu thụ sẽ được giải phóng trên một điện trở phụ làm tổn thất điện năng càng lớn, càng làm cho bộ nguồn phát nóng nhiều. Vì những nhược điểm trên nên bộ nguồn tuyến tính ngày nay hầu như không dược sử dụng trong máy tính sách tay và chúng được thay thế chỗ bởi bộ nguồn ưu việt hơn: Bộ nguồn ổn áp theo nguyên tắc băm áp, ta thể gọi chúng là bộ nguồn đóng - cắt (switching regulator). b) Bộ nguồn đóng - cắt là một bộ nguồn rất nhẹ và có hiệu suất cao. Năng lượng điện được điều tiết theo nguyên tắc đóng – mở vì vậy chúng rất tiết kiệm năng lượng so với bộ nguồn tuyến tính. Nhược điểm duy nhất của chúng là rất khó tìm ra lỗi hỏng hóc để sửa chữa mà chỉ có thể thay thế cả bloc hay cả bộ nguồn, tuy nhiên nhược điểm này cũng không gây phiền hà nhiều cho người sử dụng do giá thành của các bộ nguồn này cũng càng ngày càng giảm do công nghệ điện tử càng ngày càng phát tiển. Trong một bộ nguồn đóng cắt, nguồn xoay chiều AC được chỉnh lưu ngay thành dòng một chiều DC, tiếp đó dòng một chiều này được băm với tần số cao (20-40KHz) nhờ các phần tử bán dẫn cao tần như các transistor MOS hay IGBT, kết hợp với biến áp cao tần để điều chỉnh điện áp 1 chiều ở đầu ra. Biến áp cao tần này sẽ nhỏ hơn nhiều so với biến áp tần số thấp. Do công suất nguồn được hiệu chỉnh theo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) nên năng lượng điện thất thoát cũng nhỏ hơn rất nhiều. 2. Cấu trúc cơ bản của bộ nguồn đóng - cắt Bộ nguồn này có mạch điện tương đối phức tạp được biểu diễn bằng bốn khối cơ bản như trong hình 1.1. Trong đó: - Input Rectifier and Filter: Khối chỉnh lưu và lọc đầu vào - Hight Frequency Inverter: Khối biến đổi cao tần Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT 5 Khóa luận tốt nghiệp - Output Rectifier and Filter: Khối chỉnh lưu và lọc đầu ra - Khối điều khiển theo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM Trong sơ đồ này chúng ta nhận thấy là bộ biến đổi tần số cao (high frequency inverter) giữ vai trò chính, nó bao gồm có bộ chỉnh lưu kết hợp với bộ băm làm việc ở dải tần số cao (từ 20kHz đến 200kHz). Điện áp nguồn AC được biến đổi, giảm xuống bằng giá trị điện áp đầu ra DC nhờ mạch điện tử hoặc mạch logic. Những khối còn lại hỗ trợ cho khối cơ bản này. Tần số nguồn đầu vào 50Hz được đưa tới khối chỉnh lưu và lọc, sau đó được đưa tới bộ biến đổi để giảm điện áp xuống, và điện áp ở đầu ra của bộ biến đổi lại tiếp tục được đưa tới một khối khác cũng chứa chỉnh lưu và bộ lọc. Điều chỉnh, ổn định điện áp đầu ra nhờ mạch phản hồi để đưa tới mạch điều khiển bộ biến đổi (inverter). Mạch điều khiển sẽ phát ra một tần số không đổi và ứng dụng kỹ thuật điều chỉnh độ rộng xung để đạt được quá trình điều chỉnh như mong muốn. Ví dụ như để ổn định điện áp ra: khi không tải hoặc điện áp vào tăng lên, thì tín hiệu phản hồi sẽ làm cho mạch điều khiển phát ra xung điều khiển tới bộ biến đổi có độ rộng xung hẹp, và ngược lại khi tăng tải lên hoặc điện áp vào giảm thì xung đưa tới bộ biến đổi sẽ rộng hơn. Chúng ta cần lưu ý là điện áp ra 1 chiều có giá trị được tính theo giá trị trung bình của xung điện áp. Cấu trúc của các bộ biến đổi dùng trong bộ nguồn ngày nay được phát triển từ bộ băm song song – băm tăng áp (boost) và bộ băm nối tiếp – băm giảm áp (buck). Hai bộ băm này được biểu diễn trong hình 1.2a và 1.2b. Từ hai sơ đồ cơ bản boost và buck khi có thêm một MBA để cách điện giữa nguồn và tải chúng ta sẽ nhận được các các bộ băm khác nhau: Họ sơ đồ biến đổi forward gồm có sơ đồ đẩy kéo (push-pull) và sơ đồ cầu nửa chu kỳ được phát triển từ sơ đồ điều chỉnh buck; họ sơ đồ flyback được phát triển từ sơ đồ điều chỉnh boost. Bộ nguồn hiện đại nhất ngày nay sử dụng sơ đồ flyback. Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT 6 Khóa luận tốt nghiệp Với giả thiết là dòng điện liên tục trên cuộn kháng L, chúng ta có quan hệ giữa điện áp vào (U in ) và điện áp ra (U out ) như sau: Sơ đồ buck: V out = V in .α (1) Sơ đồ boost : V out = V in /(1-α) (2) Trong đ ó: α = t đ /T Với t đ là khoảng thời gian dẫn dòng của khoá bán dẫn, T là chu kỳ băm Hình 1.1 : Cấu trúc cơ bản của bộ nguồn đóng cắt Trong sơ đồ buck, để điều chỉnh điện áp ra, chúng ta dễ dàng thay đổi giá trị α, chỉ có tỷ số vòng dây MBA (trong sơ đồ Forward) là sẽ phải thay đổi để bù các sụt áp trên điôt và điện áp bão hòa của transistor. Còn trong sơ đồ boost, ban đầu năng lượng phải được dự trữ trong cuộn kháng và sau đó năng lượng này cộng với năng lượng của nguồn đầu vào được Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT 7 Khóa luận tốt nghiệp phân phối tới tải. Tuy nhiên sơ đồ flyback được phát triển lên từ sơ đồ này chỉ phân phối năng lượng dự trữ trong cuộn cảm tới tải. Đây là phương thức hoạt động cơ bản của sơ đồ băm áp có tích lũy điện cảm (sơ đồ buck-boost) được cho trong hình 1.2c. Thực tế thì sơ đồ boost chỉ điều chỉnh để đạt điện áp ra lớn hơn điện áp vào, trong khi đó sơ đồ buck-boost hoặc sơ đồ flyback lại có thể điều chỉnh để đạt được điện áp ra tăng hoặc giảm so với điện áp đầu vào (với giả thiết là dòng trên cuộn cảm là liên tục: Uout = Uin. α/(1-α)). Việc phân tích sơ đồ boost bắt đầu từ việc phân tích cuộn cảm, chẳng hạn như năng lượng dự trữ trong cuộn cảm phát ra một giá trị công suất không đổi để đưa tới tải: P o = o fIL 2 1 (3) trong đó: I: dòng điện giới hạn của cuộn cảm kháng. f o : tần số hoạt động. L: giá trị điện cảm. Do nó phát ra một lượng công suất không đổi để đưa tới tải mà không cần để ý đến trở kháng của tải (ngoại trừ hiện tượng ngắn mạch), nên sơ đồ boost là sự lựa chọn đầu tiên của các nhà thiết kế khi tải có tính chất điện áp (tải điện dung, R//C), tải đặc trưng của các máy tính sách tay. Đối với một tải có dạng mạch điện tử thì giá trị điện trở tải phải được biết để xác định điện áp đầu ra: V o = 2 Lo Lo RfL IRP = (4) Trong đó: R L là giá trị điện trở tải. Trong trường hợp này, dòng điện cuộn trở kháng có giá trị tương ứng với thời gian dẫn hoặc chu kỳ làm việc của khóa, và sự điều chỉnh đối với tải cố định đòi hỏi phải có sự thay đổi α. Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT 8 Khóa luận tốt nghiệp Đối với cả hai sơ đồ điều chỉnh, trong chế độ quá độ khi tải có tính chất dung, sẽ xảy ra hiện tượng dòng điện thay đổi đột biến, vì vậy cần thiết phải đưa ra yêu cầu là năng lượng phải được dự trữ sẵn trong cuộn cảm hoặc trong bộ lọc để đưa đến tải khi tải đột ngột gặp sự cố. Hình 1.2: Các sơ đồ cơ bản của bộ nguồn đóng cắt 3. Sơ đồ trong tương lai Trong tương lai bộ nguồn đóng-cắt có nhiều tiềm năng phát triển lớn mạnh và dải công suất của chúng được mở rộng nhiều cho các ứng dụng cụ thể khác nhau nhằm mục đích để đáp ứng cho sự phát triển lớn mạnh của các thiết bị sử dụng trong mạch vi xử lý. Với cấu tạo như của bộ nguồn ngày nay thì việc tăng độ làm việc tin cậy là cần thiết như làm giảm tiếng ồn của bộ nguồn, tăng độ tin cậy của các khoá bán dẫn…, nhưng sẽ làm cho giá thành tăng lên. Mặt khác, ta phải tạo ra tần số làm việc của khóa bán dẫn cao hơn để giảm kích thước, điều này cũng làm tăng giá thành. Công nghệ hiện nay cho phép các transistor lưỡng cực hoạt động với tần số Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT 9 Khóa luận tốt nghiệp 100kHz, còn với các transistor MOSFET thì tần số làm việc nằm trong khoảng từ 200kHz đến 500kHz. Trước đây với các bộ nguồn có những quy định về tiếng ồn và độ an toàn theo tiêu chuẩn MIL và VDE ở châu Âu, nhưng ngày nay các tiêu chuẩn này đựơc quy định quốc tế đưa ra một số quy định phù hợp với hệ thống thiết bị điện tử là hệ thống bao gồm nhiều khoá bán dẫn làm việc ở chế độ đóng cắt (trong bảng 1). Tuy nhiên những kỹ sư thiết kế hệ thống hoặc những nhà thiết kế bộ nguồn sẽ phải bổ sung thêm một số bộ lọc tạp âm cần thiết có thể bảo đảm các tiêu chuẩn này mà không cần tốn thêm một khoản chi phí khác. Bảng 1. Một số tiêu chuẩn quốc tế đối với bộ nguồn đóng cắt Tiêu chuẩn Phạm vi quy định UL 478, VDE 0730, VDE 0806 VDE 0871, VDE 0875 MIL-STD-217D MIL-STD-461A DOD-STD-1399 FCC Class A & B CSA C22,2; IEC380 An toàn Độ ồn Độ tin cậy Độ ồn Sóng hài Độ ồn An toàn Các bộ nguồn đóng cắt càng ngày càng được hoàn thiện theo hướng đơn giản hơn, chi phí giảm xuống và độ tin cậy tăng lên. Ví dụ khi sử dụng chip VLSI cho bộ chỉnh lưu đầu ra thì yêu cầu phải có nguồn điện áp 2V hoặc 3V cung cấp cho nó, trong trường hợp này chỉ có một cách duy nhất để giảm tổn thất hay tăng hiệu suất của bộ biến đổi là phải làm cho sụt áp trên các phần tử khoá bán dẫn giảm đi khi dẫn dòng (V f ). Yêu cầu các giá trị sụt áp V f và nguồn cấp cho các khoá đóng cắt V R được cho trong bảng 2 với điện áp ra là 3V và 5V. Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT 10 [...]... tổng quan để chúng ta lựa chọn sơ đồ thiết kế 2 Sơ đồ bộ nguồn đóng cắt không sử dụng máy biến áp cách ly: Dạng sơ đồ bộ nguồn chuyển mạch không sử dụng máy biến áp cách ly chỉ được dùng khi có các thiết bị bên ngoài cung cấp cách điện một chiều hay có phần tử bảo vệ thay cho nguồn chuyển mạch Những thiết bị bên ngoài này thường là máy biến áp có tần số từ 50-60Hz hay nguồn công suất cách điện lớn Phạm...Khóa luận tốt nghiệp Bảng 2 Yêu cầu Vf và VR của bộ chỉnh lưu đầu ra Điện áp ra 5.0V Giá trị yêu cầu VF 0,5V-1.0V VR 30V-60V 3.0V 0,3V-0,6V 20V-40V Nguyễn Đăng Học 11 K54B_CNTT Khóa luận tốt nghiệp CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ BỘ NGUỒN ĐÓNG – CẮT 1 Giới thiệu chung: Bộ nguồn đóng cắt được sử dụng rộng rãi từ đầu những năm 1970, cùng với sự ra đời của transistor lưỡng cực Lý thuyết cơ bản về bộ nguồn chuyển... trong sơ đồ flyback: sơ đồ điều chỉnh boost + MBA cách ly 2.3 Sơ đồ điều chỉnh buck-boost: Sơ đồ điều chỉnh buck-boost và dạng sóng điện áp trên cuộn cảm, dòng điện qua khoá bán dẫn và diode được biểu diễn trên hình 2.3 Sơ đồ này còn được gọi là bộ băm áp 1 chiều có tích luỹ điện cảm khi nguồn và phụ tải đều có bản chất điện áp Nguyễn Đăng Học 19 K54B_CNTT Khóa luận tốt nghiệp Hình 3.3: Sơ đồ nguyên... hiện những hiện tượng cảm ứng không tốt Sơ đồ này chỉ được dùng khi có MBA cách ly đặt giữa đầu vào và nguồn công suất đầu ra 3 Sơ đồ bộ nguồn chuyển mạch dùng máy biến áp cách ly Một điều có thể thấy trong những sơ đồ điều chỉnh không dùng MBA cách ly là chỉ có các khóa bán dẫn để cách điện một chiều giữa đầu vào và đầu ra Các khóa bán dẫn này có giá trị điện áp đánh thủng thấp dễ gây hư hỏng cho thiết... K54B_CNTT Khóa luận tốt nghiệp giản nhất) trong tất cả các sơ đồ điều chỉnh dùng MBA cách ly Sơ đồ này gần giống sơ đồ điều chỉnh boost nhưng nó có nhiều ưu điểm hơn Một điều cần phải lưu ý là việc thiết kế sơ đồ flyback tương tự như sơ đồ điều chỉnh boost ngoại trừ việc bổ sung thêm cuộn thứ cấp cho sơ đồ flyback Khi đó, kích thước của sơ đồ flyback lớn hơn không đáng kể so với sơ đồ điều chỉnh boost... thấp để duy trì nguồn năng lượng này thì thời gian dẫn dòng của khoá bán dẫn phải được tăng lên Nhược điểm chủ yếu của sơ đồ là công suất tổn hao lớn, vì vậy mức độ nguy hiểm của khóa công suất bán dẫn cũng tăng lên Trong tất cả các sơ đồ biến đổi không sử dụng máy biến áp cách ly sơ đồ boost có khả năng tránh được sự cố do nguồn gây ra nhưng chất lượng dòng tải kém do có hiện tượng dòng gián đoạn Hiện... dùng sơ đồ không có máy biến áp cách ly 2.1 Sơ đồ điều chỉnh Buck: Sơ điều chỉnh buck là đơn giản nhất trong tất cả các sơ đồ của bộ nguồn chuyển mạch có điện áp ra DC nhở hơn điện áp vào DC Nó cũng là sơ đồ dễ hiểu và dễ thiết kế nhất Mặc dù việc điều chỉnh sơ đồ buck rất đơn giản, nhưng cũng là sơ đồ có nhiều nhược điểm nhất Vì vậy chỉ nên sử dụng nó trong những trường hợp thật sự cần thiết Sơ đồ nguyên... thời Các nhà thiết kế giàu kinh nghiệm thường sử dụng sơ đồ cầu nửa chu kỳ hoặc sơ đồ cả chu kỳ để thay thế cho sơ đồ đẩy kéo 3.3 Sơ đồ bộ điều chỉnh cầu nửa chu kỳ Sơ đồ cầu nửa chu kỳ là một dạng khác của sơ đồ Forward sử dụng máy biến áp cách ly Như trong hình 4.8, các phần tử của mạch sơ cấp được bố trí khác rất nhiều so với sơ đồ đẩy kéo Sơ đồ cầu nửa chu kỳ chỉ có một cuộn dây sơ cấp có một đầu... gián đoạn) cho đến khi tải nhận đủ công suất đã được phân phối Nguyễn Đăng Học 24 K54B_CNTT Khóa luận tốt nghiệp Hình 3.5: (A) Sơ đồ Flyback hoạt động ở chế độ liên tục (B) Sơ đồ Flyback hoạt động ở chế độ gián đoạn Power switch voltage: điện áp của khóa công suất Power switch current: dòng điện của khóa công suất Hoạt động của sơ đồ flybackcó nhiều phức tạp hơn so với sơ đồ forward, nhưng về mặt toán... cho sơ đồ Có 3 sơ đồ biến đổi cơ bản không sử dụng máy biến áp cách ly là: - Sơ đồ băm áp 1 chiều nối tiếp (buck) - Sơ đồ băm áp song song (boost) - Sơ đồ băm áp có tích lũy điện cảm (buck-boost) Mỗi sơ đồ tạo ra và điều chỉnh mức điện áp đầu ra lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào Mỗi sơ đồ cũng chỉ có một đầu ra vì vậy mà nó không thực tế, yêu cầu phải tăng thêm nhiều đầu ra cho chúng Những sơ đồ không . bị đó. Các bộ chuyển đổi này được gọi chung là bộ nguồn của thiết bị. Không ngoại lệ, máy vi tính cũng có bộ nguồn riêng của mình, vậy bộ nguồn máy tính có gì khác biệt so với các bộ nguồn thông. cần công suất nguồn khác nhau. Bộ nguồn được chia theo nguyên tắc hoạt động thành hai loại: Bộ nguồn tuyến tính và bộ nguồn ổn áp theo nguyên tắc băm áp 1 chiều. a) Bộ nguồn tuyến tính cổ điển. bộ nguồn của máy tính để người sử dụng tiện cho việc tham khảo tra cứu… Nguyễn Đăng Học K54B_CNTT 3 Khóa luận tốt nghiệp MỤC LỤC CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ BỘ NGUỒN 1. Tổng quát. Bộ nguồn