Design LM358 Control DC to DC Boost Converter

โครงงานนี้เป็นการทดลองออกแบบใช้ออปแอมป์ (Op-amp) LM358 เป็นตัวควบคุมให้กับวงจรสวิตชิ่งโหมด (Switching Mode) บูทคอนเวอร์เตอร์ (ฺBoost Converter) ในการจำกัดกระแสสวิตชื่ง, การควบคุมแรงดันที่เอาต์พุต, การสร้างสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลต (PWM Signal) และกำหนดการทำงานของตัวควบคุมนี้เป็นแบบโหมดแรงดัน (Voltage Mode) ซึ่งเป็นโหมดการทำงานทั่วไปที่เข้าใจง่าย โดยโครงงานนี้จะเป็นการต่อยอดจากโครงงานที่นำเสนอครั้งก่อน (Simple circuit PWM Adjustment by LM358) ให้สามารถนำมาประยุกต์ใช้งานได้เพิ่มขึ้นครับ

ในรูปที่ 1 แสดงวงจรต้นแบบที่ทดลองและนำโครงงาน Simple circuit PWM Adjustment by LM358 มาปรับแต่งด้วยกาารเพิ่มตัวเหนี่ยวนำ, วงจรจำกัดกระแส, วงจรป้อนกลับแรงดันเอาต์พุต (Feedback signal) และปรับความถี่สวิตชิ่ง (Fs) เพิ่มขึ้นจากเดิมมาที่ประมาณ 6kHz

คุณสมบัติของวงจรต้นแบบที่ทดลอง

• Voltage input : 15-18V
• Voltage output : 27V
• Output current : 1A (Continuous)
• Output power : 27W (Continuous)
• Efficiency : > 80%
• Feedback signal : Optocoupler (PC817)
• Over current limit : Power MOSFET Switching
• Soft start : PWM Adjustment about 1S

รูปที่ 2 เป็นลักษณะของการทดลองและการปรับแต่งวงจรเพื่อให้เป็นลักษณะของวงจรดีซี ทู ดีซี (DC to DC) แบบบูทคอนเวอร์เตอร์ ที่สามารถควบคุมค่าแรงดันเอาต์พุตได้ โดยในส่วนของการควบคุมค่าแรงดันเอาต์พุตนี้ จะใช้การป้อนกลับด้วยออปโต้คัปเปิ้ลและซีเนอร์ไดโอดซึ่งมีค่า Vz = 24V (รูปวงจรที่ใช้ในการทดลองแสดงข้างล่าง)

การควบคุมกระแสสวิตชิ่งให้กับตัวเพาเวอร์มอสเฟต (Power MOSFET) นั้น จะใช้การตรวจจับกระแสทางด้านล่าง (Low side current sense) ที่ตำแหน่งขา ซอร์ส (S) ของตัวเพาเวอร์มอสเฟต จากนั้นจะส่งสัญญาณที่ได้นี้ไปยังทรานซิสเตอร์อีกครั้ง เพื่อควบคุมปริมาณการสร้างสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลต

สำหรับการใช้ค่าตัวเหนี่ยวนำและความถี่สวิตชิ่งสำหรับโครงงานี้ จะใช้วิธีโดยประมาณเบื้องต้นครับ แต่ยังคงให้วงจรสามารถทำงานได้แบบไม่มีความผิดปกติในเรื่องของความร้อน (Power loss) หรือเสียงรบกวนในขณะวงจรทำงาน นอกจากนี้ในส่วนของวงจรปรับชดเชยการทำงานระบบ (Loop compensation) จะใช้ในลักษณะของวงจรความถี่ต่ำผ่านเป็นหลัก (Low pass filter) และสังเกตการตอบสนองของระบบให้อยู่ในช่วงที่ยอมรับได้

อีกส่วนหนึ่งที่ได้เพิ่มเติมให้วงจรคือ ส่วนของวงจรเริ่มการทำงานแบบนิ่มนวล (Soft start) โดยในส่วนนี้จะต่อร่วมเข้ากับการกำหนดค่าสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่น (ที่ตำแหน่งขา 5 ของไอซี LM358) ด้วยตัวเก็บประจุขนาด 100uF/25V กับไฟเลี้ยงไอซีนั้นเอง

รูปที่ 3 แสดงค่าแรงดันที่เอาต์พุตของวงจรบูทคอนเวอร์เตอร์ ซึ่งจะมีค่าประมาณ 27V ในสถานะสแตนบายและจะมีการเปลี่ยนแปลงค่าแรงดันนี้บ้างเล็กน้อย โดยวงจรจะปรับชดเชยค่าแรงดันที่เอาต์พุตให้คงที่ตลอดเวลา

รูปที่ 4 แสดงลักษณะของสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นที่ขาเกต ในขณะวงจรสแตนบาย (CH1) ซึ่งจะสังเกตเห็นว่าสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่น จะแคบเพื่อรักษาระดับแรงดันเอาต์พุตให้อยู่ค่าที่กำหนด (ประมาณ 27V) ส่วนสัญญาณแรงดันในช่องที่ 2 (CH2) จะแสดงค่าแรงดันที่เกิดขึ้นจากการป้อนกลับแรงดัน เพื่อกำหนดขนาดสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นที่เหมาะสม

จากในรูปที่ 5 จะเห็นว่าพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายไฟเลี้ยง สำหรับวงจรบูทคอนเวอร์เตอร์ที่ออกแบบนี้จะมีปริมาณน้อย โดยในที่นี้จะจ่ายแรงดันที่ 15V และกระแสน้อยกว่า 50mA

รูปที่ 7 แสดงการทดสอบวงจรโดยให้วงจรบูทคอนเวอร์เตอร์ จ่ายกระแสให้โหลดที่ 0.26A เพื่อสังเกตการทำงานต่างๆ เพิ่มเติม ทั้งในส่วนแรงดันเอาต์พุตและสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่น ที่จะตอบสนองต่อการทำงานวงจรภายในที่เกิดขึ้น

รูปที่ 8 แสดงค่าแรงดันที่เอาต์พุตของวงจรบูทคอนเวอร์เตอร์ เมื่อจ่ายกระแสให้โหลดที่ 0.26A ซึ่งจะมีการเปลี่ยนแปลงค่าแรงดันนี้เล็กน้อย (ค่าตัวต้านโหลดที่ 50 โอห์ม)

รูปที่ 9 สัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นที่ขาเกต (CH1) เริ่มปรับความกว้างเพิ่มขึ้นเพื่อรักษาระดับแรงดันเอาต์พุตให้คงที่ และที่สัญญาณข้างล่าง (CH2) เป็นค่าแรงดันที่เกิดขึ้นในการกำหนดขนาดสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่น

จากในรูปที่ 10 จะเห็นว่าแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงให้กับวงจรบูทคอนเวอร์เตอร์ จะจ่ายพลังงานไฟฟ้าที่ประมาณ 7 วัตต์ (7W = 15Vx0.5A)

รูปที่ 11 เป็นการทดลองให้วงจรจ่ายกระแสที่เอาต์พุตเพิ่มขึ้นมาที่ 0.51A จากนั้นทดลองสังเกตการทำงานต่างๆ ของวงจรอีกครั้ง

จากในรูปที่ 14 จะเห็นว่าแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงให้กับวงจรบูทคอนเวอร์เตอร์ จะเพิ่มขึ้นเป็นสัดส่วน โดยในตอนนี้จะจ่ายพลังงานไฟฟ้าที่ประมาณ 15 วัตต์ (15W = 15Vx1A)

รูปที่ 15 เป็นการทดลองให้วงจรจ่ายกระแสที่เอาต์พุตเพิ่มขึ้น 0.74A ซึ่งจะเป็นการทดลองสุดท้าย ทั้งนี้จะเต็มพิกัดของสเปกไดโอดเอาต์พุต จากนั้นทดลองสังเกตการทำงานต่างๆ อีกครั้ง

รูปที่ 16 แสดงค่าแรงดันที่เอาต์พุตจะอยู่ที่ 26.73V เมื่อวงจรบูทคอนเวอร์เตอร์ จ่ายกระแสให้โหลดที่ 19.7802 วัตต์ (26.72Vx0.74A) ซึ่งยังคงเป็นที่น่าพอใจสำหรับการออกแบบวงจรนี้แบบเบื้องต้น

รูปที่ 17 แสดงลักษณะของสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นที่เกิดขึ้น (CH1) และขนาดของแรงดันป้อนกลับในการสร้างสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่น (CH2) ซึ่งวงจรบูทคอนเวอร์เตอร์ยังสามารถทำงานได้ปกติไม่เกิดการออสซิลเลตของระบบขึ้นแต่อย่างใด

จากในรูปที่ 18 แหล่งจ่ายไฟเลี้ยงให้กับวงจรบูทคอนเวอร์เตอร์ จะขึ้นมาที่ประมาณ 22.5 วัตต์ (22.5W = 15Vx1.5A)

รูปที่ 19 เป็นวงจรที่ใช้ในการทดลองและปรับปรุงมาจากโครงงาน Simple circuit PWM Adjustment by LM358 แต่เพิ่มเติมส่วนที่เกี่ยวข้องกับการจำกัดกระแส, การป้อนกลับแรงดันเอาต์พุต, การเริ่มการทำงานแบบนิ่มนวล และอุปกรณ์ต่างๆ อีกเล็กน้อย โดยเฉพาะตัวเหนี่ยวนำเพื่อให้เป็นวงจรสวิตชิ่งบูทคอนเวอร์เตอร์

สำหรับโครงงานที่ทดลองออกแบบนี้ การทำงานเป็นที่น่าพอใจครับ ซึ่งผลที่ได้จากการควบคุมค่าแรงดันเอาต์พุตมีความคลาดเคลื่อนบ้างเล็กน้อย โดยค่าความผิดพลาดน้อยกว่า 1V หรือประมาณ 3.7% ที่กำลังไฟฟ้าให้กับโหลดประมาณ 20 วัตต์ และช่วยทำให้เข้าใจแนวความคิดของการควบคุมวงจรสวิตชื่ง บูทคอนเวอร์เตอร์, การทำงานของไอซีควบคุมสำเร็จเบอร์ต่างๆ ที่มีจำหน่ายทั่วไป และการออกแบบส่วนของวงจรควบคุมสำหรับวงจรสวิตชิ่งคอนเวอร์เตอร์แบบง่ายๆ เพิ่มขึ้นครับ.

Reference

1. https://www.ti.com/lit/an/slva372c/slva372c.pdf?ts=1609053812459&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F
2. https://www.onsemi.com/pub/Collateral/NCP1406-D.PDF
3. http://ww1.microchip.com/downloads/en/appnotes/00980a.pdf
4. https://www.onsemi.cn/pub/Collateral/AND8334-D.PDF
5. https://www.infineon.com/dgdl/an-1162.pdf?fileId=5546d462533600a40153559a8e17111a
6. https://www.onsemi.com/pub/Collateral/LM358-D.PDF
7. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm358-n.pdf?ts=1609056805662&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F