Boost converter Based on Arduino NANO and Current Mode Control Algorithm

วันนี้เป็นการทดลองการทำงานของวงจรเพิ่มแรงดัน (Boost converter) ให้กับแหล่งจ่ายไฟที่เรามีอยู่เดิมด้วยการต่อวงจรเล็กๆ ซึ่งวงจรที่ทดลองนี้จะทดลองประมาณค่าขึ้นมาเองครับ (ใช้การประมาณค่าที่อ้างอิงจากความถี่สวิตชิ่ง fs = 35kHz และจ่ายพลังงานประมาณ 30 วัตต์) และส่วนหนึ่งของการทดลองนี้จะเป็นการเขียนโปรแกรมให้กับบอร์ด Arduino Nano เพื่อให้วงจรถูกควบคุมการทำงานในลักษณะโหมดกระแส (Current Mode Control) ซึ่งเราจะเห็นในลักษณะของบล๊อกไดอะแกรมของไอซีที่มีให้เราเลือกใช้งานทั่วไป

Boost converter Based on Arduino NANO and Current Mode Control Algorithm
รูปที่ 1 แสดงอุปกรณ์บางส่วนที่ใช้ในการประกอบวงจรเพิ่มแรงดัน

ในรูปที่ 1 เป็นอุปกรณ์บางส่วนที่ใช้ในการประกอบวงจรเพิ่มแรงดัน โดยจะประกอบบนแผ่น PCB อเนกประสงค์ และจะมีส่วนของอุปกรณ์ขับกำลังเป็นส่วนใหญ่ ส่วนตัวควบคุมจะใช้ MCU Arduino Nano

Boost converter Based on Arduino NANO and Current Mode Control Algorithm
รูปที่ 2 วงจรภายในแสดงแนวคิดของการควบคุมด้วยโหมดกระแส

Picture by : https://www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/tutorials/2/2031.html

ในรูปวงจรที่ 2 แสดงนี้จะเป็นลักษณะของบล๊อกไดอะแกรมภายในตัวไอซีควบคุมในลักษณะของโหมดกระแสทั่วไป เช่นเบอร์ UC384x, HV9113, NCP1216 เป็นต้น ซึ่งเราจะทดลองเขียนโปรแกรมการทำงานให้กับ MCU Arduino Nano สามารถทำงานในรูปแบบเดียวกับแนวคิดของวงจรตามบล๊อกไดอะแกรมนี้

Boost converter Based on Arduino NANO and Current Mode Control Algorithm
รูปที่ 3 ตัวเหนี่ยวนำที่ใช้สำหรับเพิ่มแรงดันและกรองกระแสทางด้านเอาต์พุต

จากรูปที่ 3 ข้างบนตัวเหนี่ยวนำที่ใช้มีด้วยกัน 2 ตัว คือตัวด้านซ้ายมือจะเป็นตัวเหนี่ยวนำสำหรับเพิ่มแรงดัน (L boost) จะมีค่าประมาณ 120uH และตัวทางด้านขวามือจะเป็นตัวเหนี่ยวนำสำหรับกรองกระแสทางด้านเอาต์พุต (L filter) ค่าประมาณ 200uH

Boost converter Based on Arduino NANO and Current Mode Control Algorithm
รูปที่ 4 ลักษณะการประกอบบอร์ดทดลองบน PCB อเนกประสงค์

รูปที่ 4 การประกอบอุปกรณ์ส่วนต่างๆ เข้าบนบอร์ดทดลองอเนกประสงค์จะคำนึงถึงทิศการไหลของกระแสส่วนใหญ่และกระแสรองลงมา รวมถึงสัญญาณควบคุมและการอ่านค่าเพื่อลดการเกิดสัญญาณรบกวนภายในวงจร ทั้งยังเป็นระเบียบเรียบร้อยในการจัดวางอุปกรณ์ทั้งหมดและทดลองวงจรได้ง่าย

Boost converter Based on Arduino NANO and Current Mode Control Algorithm
รูปที่ 5 แสดงบอร์ดวงจรวงจรเพิ่มแรงดันและบอร์ดตวบตุม

รูปที่ 5 ลักษณะของวงจรเพิ่มแรงดันหลักจะประกอบด้วย ตัวเหนี่ยวนำ (L boost) เพาเวอร์มอสเฟต (IRF3205) และไดโอดเอาต์พุต (RHR860) ชนิด Fast recovery diode ในส่วนของวงจรฟิลเตอร์จะใช้ตัวเหนี่ยวนำ (L filter) และตัวเก็บประจุต่อในลักษณะของการแอลซีฟิลเตอร์ (LC filter) และปรับปรุงเป็นพายฟิลเตอร์ (Pi filter) โดยวงจรจะใช้การตรวจจับกระแสจากตัวต้านทานขนาด 0.47R/5 วัตต์

Boost converter Based on Arduino NANO and Current Mode Control Algorithm
รูปที่ 6 การเชื่อมต่อสายสัญญาณสำหรับควบคุมการทำงานของวงจร

ในรูปที่ 6 เป็นการเชื่อมต่อสายระหว่างบอร์ดขับกำลังและบอร์ดควบคุมจาก MCU Arduino นี้เราจะเชือมต่อด้วยกัน 4 จุดคือจุดแรกสายสีขาวจะเป็นขาส่งสัญญาณ PWM จากบอร์ด MCU Arduino เพื่อควบคุมปริมาณการทำงานของเพาเวอร์มอสเฟต จุดที่ 2 สายสีม่วงจะเป็นสายรับสัญญาณของกระแสที่เกิดขึ้น เพื่อการควบคุมกระแสให้อยู่ในช่วงที่กำหนด และกำหนดปริมาณกระแสที่จะไหลที่ตัวเหนี่ยวนำให้ค่าแรงดันที่เอาต์พุตคงที่ จุดที่ 3 สีน้ำเงิน เป็นการรับค่าแรงดันเอาต์พุตที่เกิดขึ้นทั้งนี้ เพื่อให้เราสามารถกำหนดค่าแรงดันที่เราต้องการได้ และจุดที่ 4 สุดท้ายจะเป็นสายกราวด์เส้นสีดำ ทำหน้าที่ให้วงจรทั้งหมดรับรู้สัญญาณต่างๆ ถึงกันทางไฟฟ้า

Boost converter Based on Arduino NANO and Current Mode Control Algorithm
รูปที่ 7 แสดงลักษณะของการทดลองและการเชื่อมต่อบอร์ดระหว่างกัน
Boost converter Based on Arduino NANO and Current Mode Control Algorithm
รูปที่ 8 แสดงวงจรที่ออกแบบและใช้ในการทดลองโครงงาน

สำหรับรูปที่ 7 จะเป็นลักษณะของการต่อร่วมกับบอร์ด MCU Arduino การจ่ายไฟเลี้ยงให้กับวงจร การต่อโหลดให้กับวงจรเพื่อทดสอบการรักษาระดับแรงดันเอาต์พุตคงที่ (Load regulation: LR) และการวัดลักษณะของสัญญาณขับเกตที่ตอบสนองต่อโหลดที่ค่าต่างๆ รวมถึงแรงดันที่ตำแหน่งอินพุตและเอาต์พุต สุดท้ายในรูปที่ 8 เป็นวงจรที่ออกแบบและใช้ในการทดลองโครงงาน

Referance

  1. https://www.onsemi.com/pub/Collateral/UC3844-D.PDF
  2. http://ridleyengineering.com/design-center-ridley-engineering/38-control/61-018-boost-converter-with-current-mode-control.html
  3. https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2014/oct/voltage-and-current-mode-control-for-pwm-signal-generation-in-dc-to-dc-switching-regulators
  4. https://www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/tutorials/2/2031.html