Simple DC-DC Synchronous Buck Converter based on UC3842

โครงงานนี้เป็นการสร้างวงจร DC- DC synchronous buck converter ขนาด 60 วัตต์ โดยใช้ไอซี UC3842 และ IR2111 ในการควบคุม ซึ่งจะเป็นอีกวงจรหนึ่งหลังจากนำเสนอมาบ้างแล้วก่อนหน้านี้ ทั้งนี้ส่วนหนึ่งแอดมินต้องการใช้ไอซีควบคุมแบบโหมดกระแส (Current Mode) มาควบคุมวงจรซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์ และต้องการแยกสัญญาณขับของไอซี UC3842 เดิมจะมี 1 ช่องให้เป็น 2 ช่องสำหรับขับเพาเวอร์มอสเฟตทางด้านบน (High side) และด้านล่าง (Low side) โดยการทดลองการทำงานของวงจรจะใช้ไฟเลี้ยงอินพุตที่แรงดัน 40V กำหนดค่าแรงดันและกระแสเอาต์พุตที่ 12V/5A ความถี่สวิตชิ่ง 110kHz มีการป้องกันกระแสเกินแบบจำกัดกระแสอินพุตที่กำหนดไว้ประมาณ 3A ด้วยการตรวจจับกระแสด้านบน (High side current sense)

รูปที่ 1 เป็นลักษณะทั่วไปของการเตรียมทดลอง ที่ประกอบด้วยดิจิตอลมัลติมิเตอร์ 2 ตัวสำหรับวัดค่าแรงดันที่อินพุตและเอาต์พุต แคล้มมิเตอร์สำหรับวัดค่ากระแสทางด้านเอาต์พุต แหล่งจ่ายไฟเลี้ยงในการทดลอง ตัวต้านทานโหลดและดิจิตอลออสซิลโลสโคป

รูปที่ 3 เป็นการวัดค่าแรงดันเอาต์พุตที่ทดลองประมาณ 12V โดยในโครงงานนี้จะกำหนดไว้ที่ประมาณ 12V แต่เรายังสามารถปรับค่าที่ต้องการได้ในช่วง 10V-16V

รูปที่ 4 เป็นตัวต้านทานโหลดในการทดสอบการทำงานของวงจรสำหรับจ่ายกระแส โดยจะมีขนาด 2.2 โอห์ม 60 วัตต์ ซึ่งจะเป็นการต่อขนานกันระหว่าง 2.2 โอห์ม 2 ชุด และนำมาอนุกรมอีก 1 ครั้งให้สามารถรับกระแสได้สูงขึ้น

รูปที่ 5 เป็นการวัดค่ากระแสทางด้านเอาต์พุตด้วยแคล้มมิเตอร์ (Clamp Meter) โดยการคล้องสายไฟสำหรับต่อให้กับโหลด 1 เส้น

รูปที่ 6 เป็นการเชื่อมต่อกันระหว่างบอร์ดควบคุมและบอร์ดขับกำลังโดยใช้สายไฟขนาดเล็ก ทั้งนี้เป็นการแยกส่วนเพื่อให้สามารถทดลองการทำงานได้ง่ายและตรวจสอบการทำงานในแต่ส่วนได้เร็วขึ้น

รูปที่ 9 แสดงแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงในการทดลองขนาด 40V/5A ซึ่งในช่วงนี้จะจ่ายกำลังไฟฟ้าให้กับวงจรซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์ แล้วโดยกระแสสแตนบายจะอยู่ที่ประมาณ 100mA

รูปที่ 10 สัญญาณขับขาเกตขณะวงจรสแตนบายนี้ จะค่อนข้างนิ่งและเป็นสัดส่วนกันระหว่างความกว้างของสัญญาณทางด้านบน (High side) และด้านล่าง (Low side) ที่จะกำหนดค่าแรงดันทางด้านเอาต์พุตให้ถูกต้อง

รูปที่ 11 เป็นแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงสำหรับบอร์ดควบคุมขนาด 20V/2A โดยในการทดลองจะปรับตั้งค่าไฟเลี้ยงไว้ที่ประมาณ 17V ทั้งนี้เนื่องจากการทำงานของไอซี UC3842 จะตรวจจับขนาดของไฟเลี้ยงที่เข้ามา (Under Voltage Lockout) โดยถ้ามีค่าน้อยกว่า 16V ไอซีจะไม่ทำงานนั้นเอง

รูปที่ 12 เป็นการทดลองที่ 1 โดยให้วงจรซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์จ่ายกระแสที่ประมาณ 5.35A ไปยังโหลดตัวต้านทานขนาด 2.2 โอห์ม

รูปที่ 13 แสดงปริมาณการจ่ายกำลังไฟฟ้าที่อินพุตเมื่อวงจรต่อโหลดตัวต้านทานขนาด 2.2 โอห์ม หรือคิดเป็นกำลังไฟฟ้าทางด้านอินพุต (Pi) ที่ประมาณ 36VX2A = 72W

รูปที่ 15 แสดงลักษณะการทดลองและผลที่ได้ โดยกระแสที่จ่ายจะมีค่าเท่ากับ 5.34A และแรงดันที่เอาต์พุตคงที่ 12V และคิดเป็นกำลังไฟฟ้าทางด้านเอาต์พุต (Po) ที่ประมาณ 12.12VX5.34A = 64.72W และเมื่อนำมาคิดค่าประสิทธิภาพการทำงาน (Efficiency = (Po/Pi) X100) จะมีค่า 89.89%

ในรูปที่ 16 เป็นการทดลองให้เอาต์พุตซ๊อตเซอร์กิต เพื่อเป็นการทดสอบการทำงานของวงจรจำกัดกระแส (Current limit) ไม่ให้ทำงานเกินกว่าค่าที่กำหนด ซึ่งจะเป็นอันตรายกับอุปกรณ์ รวมทั้งเป็นการป้องกับการเสียหายในกรณีที่ไม่ตั้งใจเมื่อเกิดการซ๊อตเซอร์กิตที่เอาต์พุต ซึ่งจะไม่ทำให้วงจรเสียหาย

รูปที่ 17 แสดงลักษณะของสัญญาณขับขาเกตที่เกิดขึ้น ทางด้านบน (High side) และด้านล่าง (Low side) ซึ่งจะสังเกตเห็นว่าจำนวนของสัญญาณพัลซ์จะลดน้อยลง ซึ่งเป็นการลงการกำลังไฟฟ้าลงนั้นเอง

รูปที่ 18 แสดงการจ่ายกำลังไฟฟ้าที่อินพุตในกรณีทางด้านเอาต์พุตเกิดการซ๊อตเซอร์กิตอยู่ ซึ่งจะสังเกตเห็นว่าค่าแรงดันอินพุตลดลงเล็กน้อยมาที่ประมาณ 36V และการจ่ายกระแสจะคงที่ประมาณ 2.2A ซึ่งวงจรสามารถรับการซ๊อตเซอร์กิตได้ประมาณ 3-5 วินาทีต่อเนื่อง และนานพอจะส่งสัญญาณเตือนให้กับวงจรควบคุมทราบการทำงานได้

รูปที่ 19 แสดงวงจรที่ออกแบบและใช้ในการทดลอง โดยในส่วนของบอร์ดขับกำลังจะใช้จากโครงงานที่ผ่านมา แต่ออกแบบส่วนของบอร์ดควบคุมเป็นไอซีเบอร์ UC3842 และใช้ร่วมกับไอซี IR2111 โดยผู้อ่านสามารถนำไปปรับปรุงหรือพัฒนาเพื่อนำไปใช้งานได้ตามความเหมาะสม

สำหรับโครงงานนี้คงจะเป็นไอเดียเล็กๆ ให้กับผู้อ่านได้นำไปใช้ในการทดลองหรือออกแบบวงจรต่างๆ ได้บ้างนะครับ ซึ่งไอซีเบอร์ UC3842 และ IR2111 สามารถหาซื้อมาทดลองได้ทั่วไป ราคาไม่แพงมากนักและเป็นเบอร์ที่นิยมนำมาใช้งานกัน ซึ่งวงจรนี้จะเป็นอีกรูปแบบหนึ่งของการควบคุมคอนเวอร์เตอร์ในโหมดกระแส (Current Mode) สำหรับวิดีโอข้างล่างนี้จะเป็นการทดลองการทำงานเพื่อประกอบกับเนื้อหาเพิ่มเติม และในส่วนของข้อมูลที่เกี่ยวข้องสามารถดูได้ตามลิงก์ข้างล่างสุดครับ.

*Reference

1. https://www.ti.com/lit/ug/slvu001a/slvu001a.pdf?ts=1628607070712&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F
2. https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/ncp3101-d.pdf
3. https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/ncp6354-d.pdf
4. https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AP32319_Synchronous_Buck_converter_with_XMC_Digital_Power_Explorer_Kit-AN-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d462557e6e8901559b9168515eec
5. https://www.ixys.com/Documents/AppNotes/IXAN0069.pdf
6. https://cdn.sos.sk/productdata/c0/aa/e64040b2/ltc3115edhd-1-pbf.pdf
7. https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IR2111-DS-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d462533600a4015355c810e51682
8. https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/uc3842a-d.pdf
9. https://docs.rs-online.com/513b/0900766b80034724.pdf