Basics DC-DC Buck-Boost Converter [LEP]

สำหรับในตอนสุดท้ายนี้ จะเป็นการทดลองส่วนต่างๆ ของวงจรทั้งหมด และนำมาใช้ในการจ่ายกระแสให้โหลด เพื่อให้วงจรที่ออกแบบสามารถทำงานได้ตามที่ออกแบบไว้ โดยในการทดลองนี้เราจะสังเกตการทำงานที่จะเป็นการส่งต่อระหว่างวงจรบักคอนเวอร์เตอร์ (Buck converter) และวงจรบูทคอนเวอร์เตอร์ (Boost converter) ซึ่งในวงจรที่ออกแบบนี้จะอยู่ใกล้กับค่ากำหนดแรงดันเอาต์พุต (Setpoint) โดยวงจรที่ออกแบบนี้จะมีค่าริปเปิ้ลเกิดขึ้นบ้างเล็กน้อย (ประมาณ 10%) แต่การทำงานสามารถส่งต่อกันได้สมบูรณ์

จากการออกแบบและทดลองการทำงานมาทั้ง 3 ตอนนั้น วงจรนี้สามารถทำงานได้ตามแนวคิดที่ออกแบบไว้ แต่ยังคงมีช่วงที่เป็นรอยต่อระหว่างค่ากำหนด ซึ่งในวงจรต้นแบบนี้จะกำหนดค่า Setpoint ที่ 15V โดยจากการทดลองจะยังคงเกิดสัญญาณริปเปิ้ลบ้าง ซึ่งการทดลองนี้แอดมินต้องใช้เวลาในการทดลองเพิ่มขึ้น เพื่อให้ตัวโปรแกรมสามารถทำงานทั้งสองภาคส่วนได้สมบูรณ์ แต่จะลองพัฒนาวงจรนี้อีกครั้งเพื่อให้สามารถทำงานได้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น

รูปที่ 1 แสดงลักษณะของการต่อวงจร DC-DC Buck-Boost Converter สำหรับทดลองด้วยกันและโหลดที่ใช้ในการทดลองเป็นตัวต้านทานขนาด 10 โอห์ม 20 วัตต์ เพื่อสังเกตการทำงาน

รูปที่ 2 แสดงการวัดสัญญาณที่ขา ขา D9 และ D10 บอร์ด Arduino UNO ซึ่งในการทดลองส่วนแรกนี้จะเป็นโหมด Buck Converter และสัญญาณในโหมด Boost converter จะทำงานเพียง 1 ตัวที่ตำแหน่งไดโอดเร็กติไฟร์ที่เอาต์พุตและในส่วนของเพาเวอร์สวิตช์สอสเฟตบูทคอนเวอร์เตอร์จะหยุดการทำงาน

รูปที่ 4 เป็นการวัดสัญญาณที่ขา D5 และ D6 โดยในการวัดสัญญาณนี้จะเป็นการทดลองในโหมด Boost converter

รูปที่ 5 ในโหมด ฺBoost Converter เมื่อเราทดลองปรับค่าแรงดันอินพุตลดลงมาเรื่อยๆ (มัลติมิเตอร์ซ้ายมือ) แต่ยังคงสูงกว่าค่า Setpoint (15V) ในโหมด ฺBoost Converter จะยังไม่ทำงาน แต่จะรอการทำงานเมื่อแรงดันอินพุตเข้าใกล้ Setpoint ในช่วงนี้เราจะสังเกตเห็นว่าค่าแรงดันเอาต์พุต (มัลติมิเตอร์ขวามือ) จะมีค่าประมาณ 15V

รูปที่ 6 เป็นลักษณะของสัญญาณที่ขา D5 และ D6 ฺเมื่อแรงดันอินพุตเริ่มจะต่ำกว่าค่า Setpoint ในบางช่วงโดยสัญญาณที่ขา D5 และ D6 จะคอยรักษาระดับแรงดันเอาต์พุตให้คงที่เท่ากับ 15V นั้นเอง

รูปที่ 7 แสดงสัญญาณที่ขา D5 และ D6 เมื่อปรับแรงดันอินพุตไปที่ 10V ซึ่งตำกว่าค่า Setpoint ซึ่งในช่วงนี้วงจร Boost converter จะทำงานต่อเนื่อง เพื่อให้เอาต์พุตคงแรงดันที่ 15V

สำหรับโครงงาน Basics DC-DC Buck-Boost Converter นี้เป็นการทดลองเบื้องต้นอย่างง่ายครับ ซึ่งจากการทดลองวงจรสามารถทำงานได้ แต่ยังมีส่วนที่จะต้องปรับปรุงบ้างเล็กน้อย คือในส่วนของการเขียนโปรแกรมของการทำงาน Buck Converter และ Boost Converter ซึ่งจะต้องเลือกโหมดการทำงานได้อย่างต่อเนื่อง โดยพิจารณาในเรื่องของค่าแรงดันอินพุตเป็นตัวแปรหลัก และในส่วนของการป้องกันกระแสเกินในสภาวะการจ่ายกระแสโหลดเกินหรือสภาวะการซ๊อตเซอร์กิตที่เอาต์พุต (*ในส่วนโปรแกรมการทดลองขอแนะนำให้ท่านทดลองนำโปรแกรมในตอนที่ 2 มาปรับแต่งตามต้องการนะครับ) และจากลักษณะของสัญญาณที่เกิดขึ้นจากการทำงานของ Buck Converter และ Boost Converter จะมีในส่วนที่เหมือนกันของสัญญาณ High side และ Low side ซึ่งทำงานในแบบซิงโครนัสคอนเวอร์เตอร์ครับ.

Reference

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Buck%E2%80%93boost_converter
2. https://learnabout-electronics.org/PSU/psu33.php
3. https://www.benthamopen.com/FULLTEXT/TOEEJ-11-57
4. https://www.semanticscholar.org/paper/Study-of-bi-directional-buck-boost-converter-with-Su-Xu/90f787d12c0115b595692b8dc7ea5223fe81ccbe
5. https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/utilization-of-simple-converters-circuits/
6. https://www.powerelectronics.com/technologies/dc-dc-converters/article/21862686/wide-vin-and-highpower-challenges-with-buckboost-converters
7. https://www.researchgate.net/figure/Noninverting-synchronous-DC-DC-buck-boost-converter_fig1_240918085
8. https://www.semanticscholar.org/paper/A-synchronous-buck-boost-converter-on-a-0.5%C2%B5m-George-Lehmann/5af9242cfbbf3d6d6c1ec4ccf42eda2dc78f0c0a
9. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0019057816307443
10. https://www.ti.com/tool/PMP10681?utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_campaign=sys-auto-null-refdesdynamic-cpc-evm-google-wwe&utm_content=refdesdynamic&ds_k=DYNAMIC+SEARCH+ADS&DCM=yes&gclid=Cj0KCQiA-OeBBhDiARIsADyBcE6TvFBcafk-_jlOM9j-p0e-Qm68J3DV9B1pHxgMXsUyr76Gcjmb0SMaAsyjEALw_wcB&gclsrc=aw.ds