Op-amp LM393 Control DC-DC Synchronous Buck Converter [LEP]

ในตอนสุดท้ายสำหรับโครงงานสร้างวงจรซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์ (Synchronous Buck Converter : SBC) โดยใช้ไอซีออปแอมป์ LM393 ที่ออกแบบให้เป็นตัวควบคุม ซึ่งในการในตอนสุดท้ายเป็นการประกอบในส่วนของวงจรขับกำลังคอนเวอร์เตอร์แบบซิงโครนัส, วงจรส่งสัญญาณป้อนกลับแรงดันรวมทั้งกระแสทางด้านเอาต์พุต และการรับสัญญาณขับเพาเวอร์มอสเฟตทางด้านบน (High side) และด้านล่าง (Low side) จากนั้นเป็นการนำบอร์ดควบคุมเข้ามาต่อร่วมกับวงจรคอนเวอร์เตอร์สำหรับทดสอบตามลำดับ โดยวงจรต้นแบบนี้สามารถจ่ายกำลังเอาต์พุตได้ประมาณ 60 วัตต์

ในรูปที่ 1 ถึงรูปที่ 3 เป็นการเตรียมอุปกรณ์สำหรับประกอบส่วนของวงจรคอนเวอร์เตอร์ การวาดวาดเลย์เอาต์บนแผ่น PCB เพื่อประกอบอุปกรณ์ต่างๆ และในรูปที่ 3 เป็นการเซาะร่องแผ่น PCB ให้เป็นวงจรที่ออกแบบ ทั้งนี้ตัวบอร์ดจะเป็นต้นแบบที่จะสามารถปรับแต่งแก้ไขได้ง่ายและและรวดเร็วขึ้น

รูปที่ 4 และรูปที่ 5 แสดงลักษณะของตัวบอร์ดต้นแบบซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์ที่ประกอบใกล้เสร็จสมบูรณ์ และใช้การเชื่อมต่อระหว่างบอร์ดควบคุมและบอร์ดคอนเวอร์เตอร์ผ่านสายไฟขนาดเล็ก สำหรับส่งสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นและรับสัญญาณป้อนกลับต่างๆ มายังบอร์ดควบคุม

รูปที่ 6 ถึงรูปที่ 8 เป็นการเตรียมการทดลองการทำงาน การจ่ายแรงดันทางด้านอินพุตประมาณ 40V ทั้งนี้สามารถปรับค่าแรงดันอินพุตเพิ่มขึ้นหรือลดลงได้บ้าง โดยวงจรทั้งหมดจะยังคงสามารถปรับควบคุมการทำงานให้แรงดันที่เอาต์พุตเป็นปกติ

รูปที่ 9 แสดงรูปสัญญาณขับขาเกตให้กับเพาเวอร์มอสเฟตด้านบน (High side) และด้านล่าง (Low side) ขณะวงจรสแตนบาย ทั้งนี้ตรวจสอบลักษณะของสัญญาณให้ได้ขนาดที่ถูกต้อง (Vp-p) และระยะช่วงของเวลาหยุดการจ่ายสัญญาณ  (Dead time) ทั้ง 2 ไม่น้อยเกินไป

ในรูปที่ 10 ถึงรูปที่ 12 เป็นการกำหนดค่าแรงดันที่เอาต์พุตโดยโครงงานนี้จะกำหนดไว้ที่ประมาณ 13VDC และใช้แคล้มมิเตอร์ในการวัดกระแสทางด้านเอาต์พุตสำหรับการทดสอบวงจรคอนเวอร์เตอร์ ซึ่งโหลดตัวต้านทานในการทดสอบจะมีค่า 2.2 โอห์ม 60 วัตต์ (ใช้ตัวต้านทานขนาด 2.2 โอห์ม 30 วัตต์ 4 ตัวมาต่อร่วมกันแบบผสม)

สำหรับรูปที่ 13 ถึงรูปที่ 15 เป็นการทดลองที่ 1 โดยให้วงจรจ่ายกระแสโหลดที่ 5.6A ซึ่งแรงดันทางด้านเอาต์พุตลดลงเล็กน้อย (0.45V) และลักษณะของการตอบสนองของสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นด้วยการปรับชดเชยจะเพิ่มขึ้น (Compensation) เพื่อรักษาระดับแรงดันเอาตพุต์ให้ได้ค่าตามที่กำหนดไว้

รูปที่ 17 ถึงรูปที่ 19 แสดงผลการทดลองที่ 2 เมื่อเอาต์พุตของวงจรซ๊อตเซอร์กิตเพื่อทดสอบการป้องกันกระแสเกินในวงจร (Over Current Protection : OCP) ซึ่งเป็นผลให้แรงดันที่เอาต์พุตจะใกล้เคียง 0V และการตอบสนองของสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลตชั่นจะลดลงอย่างมาก เพื่อไม่ให้วงจรคอนเวอร์เตอร์ส่วนขับกำลังเสียหาย

สำหรับโครงงานนี้เป็นอีกไอเดียหนึ่งสำหรับการนำเอาออปแอมป์ที่มีขายทั่วไปและราคาไม่แพง มาประยุกต์ใช้กับซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์ขนาดเล็ก ซึ่งใช้อุปกรณ์และวงจรที่ไม่ซับซ้อนมากนัก และผู้อ่านสามารถนำไปปรับปรุงวงจรเพิ่มเติมในส่วนต่างๆ เพื่อนำไปใช้งานทั่วไป เช่น วงจรชาร์จแบตเตอรี่ 12V-24V หรือวงจรบักคอนเวอร์เตอร์เพื่อจ่ายกำลังให้โหลดต่างๆ ที่ให้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นเมื่อเทียบกับวงจรบักคอนเวอร์เตอร์ทั่วไป

Reference

1. https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/lm393-d.pdf
2. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm393-n.pdf?ts=1670386400472
3. https://www.st.com/resource/en/datasheet/lm393.pdf
4. https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IR2111-DS-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d462533600a4015355c810e51682
5. https://www.overclock.net/threads/diy-pwm-controller-converts-fake-4-pin-headers-to-pwm.1518819/
6. https://electronics.stackexchange.com/questions/404793/voltage-to-pwm-circuit-need-to-understand-frequency
7. https://darauble.wordpress.com/2015/02/19/pwm-reguliatorius-su-lm393/
8. https://www.electronicsdna.com/fan-speed-control-by-temperature-monitoring-using-op-amp-lm393-ep1/
9. https://www.electronicsdna.com/fan-speed-control-by-temperature-monitoring-using-op-amp-lm393-lep/