FAN7527B Simple and High−Performance Power Factor Correction Controller

ไอซีวงจรควบคุมการปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้า (Power Factor Correction Controller) เป็นอุปกรณ์ที่จะช่วยลดเวลาในการออกแบบและการทดลองวงจรปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าเบอร์ได้มาก ซึ่งไอซีที่น่าสนใจอีกเบอร์หนึ่งที่มาแนะนำคือ FAN7527B ที่มีขาใช้งานเพียง 8 ขา ทำงานในโหมด Critical Conduction Mode : CCM การต่ออุปกรณ์ใช้งานใช้งานไม่มากนัก ให้ประสิทธิภาพการทำงานที่ดี รวมทั้งราคาไม่สูงอีกด้วย เหมาะกับการออกแบบใช้ในวงจรบัลลาสอิเล็กทรอนิกส์และแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงแบบสวิตชิ่งโหมด เป็นต้น โดยในบทความนี้จะขอกล่าวสรุปฟังก์ชั่นวงจรการทำงานภายในไอซีที่สำคัญสำหรับเป็นแนวทางเบื้องต้น

Datasheet for FAN7527B Power Factor Correction Controller

องค์ประกอบวงจรที่สำคัญภายในไอซี

1. วงจรขยายค่าความผิดพลาด (Error amplifier : E/A)
2. วงจรตรวจจับกระแสที่ตำแหน่งเป็นศูนย์ (Zero current detection : Idet)
3. วงจรตรวจจับกระแสให้กับอุปกรณ์สวิตชิ่งกำลัง (Switch current sensing : CS)
4. วงจรปรับค่าตัวคูณให้กับแรงดันอินพุต (Input voltage sensing : MULT)
5. วงจรส่งสัญญาณขับให้กับอุปกรณ์สวิตชิ่งกำลัง (Switch drive : OUT)

รูปที่ 4 วงจรขยายค่าความผิดพลาด (Error amplifier (E/A)) จะทำหน้าที่ตรวจับสัญญาณป้อนกลับแรงดันเอาต์พุต มายังออปแอมป์ตำแหน่งขา (ณnverting input : INV) เพื่อทำหน้าที่ควบคุมแรงดันเอาต์พุตให้คงที่ โดยตำแหน่งขา (Non-inverting input) จะได้รับแรงดันอ้างอิงที่ 2.5V และที่เอาต์พุตของออปแอมป์ขา 2 (EA_OUT) จะต่อร่วมกับวงจรปรับค่าตัวคูณและการปรับชดเชยการทำงานของระบบ (Loop compensation) ซึ่งการประยุกต์ใช้งานงานของไอซีจะต่อตัวเก็บประจุระหว่างขา INV และขา EA_OUT และในกรณีที่เกิดค่าแรงดันเอาต์พุตสูงกว่าที่กำหนดจะเป็นผลให้เกิดการตอบสนองที่ขา EA_OUT จะเป็นไปได้เร็วที่สุด และในช่วงของการตอบสนองที่ช่วงแบนวิดธ์ต่ำจะเป็นการป้องกันแรงดันเอาต์พุตสูงเกิดและเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว โดยเป็นการปรับค่าแรงเอาต์พุตให้มีค่าค่อยๆเป็น ค่อยๆไปแบบต่อเนื่อง

รูปที่ 5 เป็นวงจรคูณสัญญาณให้กับแรงดันอินพุตจากสัญญาณที่เข้ามาจากขา 3 ซึ่งได้จากวงจรแบ่งแรงดัน (Divider) ไดโอดบริดจ์เร็กติไฟร์ และอีกสัญญาณหนึ่งจะได้จากเอาต์พุตของออปแอมป์ (Error amplifier) ที่มาจากขา 2 และแรงดันอ้างอิง (Reference voltage) โดยทั้งนี้ก่ีคูณสัญญาณจากอินพุตทั้ง 2 ส่วนจะพิจารณาจากลักษณะของการถ่ายโอนเชิงเส้น (Linear transfer curve) และช่วงของการเปลี่ยนแปลงสัญญาณ (Dynamic range) คือ 0-3.8V ที่ตำแหน่งขา 3 และช่วง 2.25V-6V ที่ตำแหน่งเอาต์พุตของออปแอมป์ ทั้งนี้สัญญาณเอาต์พุตที่ได้จากวงจรคูณสัญญาณจะไปควบคุมวงจรตรวจจับกระแส (Current sense comparator) ซึ่งจะทำให้กระแสพีกที่ตัวเหนี่ยวนำจะถูกกำหนดให้เป็นลักษณะค่าเฉลี่ยแบบสัญญาณไซน์ จากในรูปที่ 5 สัญญาณผลคูยที่ได้ทางด้านเอาต์พุตจะมีค่าตามสมการข้างล่าง

Vmo = K × Vm1 × (Vm2 – Vref)

• K : Multiplier gain

• Vm1: Voltage at Pin 3

• Vm2: Error amp output voltage

• Vmo: Multiplier output voltage

รูปที่ 6 วงจรในส่วนของการตรวจจับกระแสให้กับอุปกรณ์สวิตชิ่งกำลัง (Switch current sensing) โดยจะรับสัญญาณกระแสเข้าที่ขา 4 และเปรียบเทียบกับค่าแรงดันอ้างอิงภายในที่ 1.8V จากสมการ Ipk(max) = 1.8V / Rsense จากนั้นสัญญาณจะถูกส่งไปยัง RS latch สำหรับควบคุมการสร้างสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลตชั่น (PWM latch) ทั้งนี้ในขณะที่การทำงานเป็นปกติ (แรงดันตกคร่อม Rsense น้อยกว่า 1.8V) ค่าแรงดันตัวคูณ (Multiplier output,Vmo) จะทำงานได้ตามเงื่อนไขที่กำนด แต่ในกรณีที่การทำงานไม่ปกติ (แรงดันตกคร่อม Rsense มากกว่า 1.8V) จะทำให้วงจรหยุดการจ่ายสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลตที่เอาต์พุตและจะจำกัดขนาดของสัญญาณไม่ให้เกิน 1.8V และนอกจากนี้จะเห็นว่าภายในจะมีตัวต้านทานและตัวเก็บประจุทำหน้าที่ฟิลเตอร์ (R/C filter) เพื่อลดสัญญาณรบกวน (High frequency noise) ที่มากับสัญญาณกระแสที่ตรวจจับ

รูปที่ 7 วงจรตรวจจับกระแสที่ตำแหน่งเป็นศูนย์ (Zero current detection) จะเป็นวงจรส่วนหนึ่งของรูปแบบวงจรปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าในลักษณะ Critical Conduction Mode โดยการตรวจจับกระแสที่ตำแหน่งเป็นศูนย์กับสวิตชิ่งกำลัง (MOSFET) จะอาศัยแรงดันย้อนกลับจากตัวเหนี่ยวนำ (ฺBoost inductor) ที่เกิดจากกระแสไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำในช่วงก่อนหน้า และการตรวจจับความชันของกระแสเหนี่ยวนำจะใช้การตรวจจับทางอ้อม ด้วยการตรวจสอบผ่านแรงดันไฟฟ้าจากขดลวดเสริม (Auxiliary winding) และเชื่อมต่อสัญญาณดังกล่าวมายังวงจรตรวจจับกระแสเป็นศูนย์ที่ขา 5 (Idet) ในกรณีที่สัญญาณตรวจจับกระแสมีค่าน้อยกว่า 1.5V จะทำให้ออปแอมป์คอมพาราเตอร์ส่งสัญญาณทริกให้อยู่ในสถานะ Low state และค่าระดับสัญญาณตรวจจับกระแสต่ำจะถูกกำหนดไว้ที่ 0.5V แต่ในกรณีที่สัญญาณตรวจจับกระแสมีค่ามากกว่า 7.2V จะมีวงจรควบคุมให้เป็นไปตามที่กำหนด (Clamp)

รูปที่ 8 วงจรในส่วนของส่งสัญญาณขับให้กับอุปกรณ์สวิตชิ่งกำลัง (Output Drive) ภายในจะเป็นลักษณะของโทเทมโพล (Totem-pole) สำหรับขับเพาเวอร์มอสเฟตโดยตรง ซึ่งสามารถขับกระแสพีกได้ถึง 500mA และจะทำงานร่วมกับวงจรตรวจสอบแรงดันต่ำกว่าที่กำหนด (UVLO) นอกจากนี้ยังสามารถลดตัวต้านทานที่ต่อระหว่างขาเกตและกราวด์ลงได้ (Pull-down resistor) ภายในไอซียังมีวงจรปรับขนาดแรงดัน (Voltage clamping) ให้กับวงจรขับเพื่อไม่เกิน 14V ถึงแม้ว่าค่าแรงดันจากแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงภายนอกจะมีค่ามากกว่าก็ตาม

รูปที่ 9 แสดงตัวอย่างการต่อวงจรเพื่อใช้งานไอซี FAN7527B โดยอุปกรณ์ต่อร่วมไม่มากนัก แต่แนะนำตำแหน่งการต่ออุปกรณ์ที่สำคัญในวงจรที่ตัวต้านทาน R7 ซึ่งจะทำหน้าที่ตรวจจับกระแสที่ไหลผ่านเพาเวอร์มอสเฟตจะต้องตรวจสอบให้ถูกต้อง และที่ตัวหม้อแปลง T1 จะมีชุดขดลวด 2 ส่วนคือ ส่วนของตัวเหนี่ยวนำหลัก (Lp) โดยจะต่อกับไฟเลี้ยงอินพุตและไดโอด D2 และชุดขดลวดตรวจจับสัญญาณที่ตำแหน่งกระแสเป็นศูนย์ (Ls) ซึ่งต่อกับ R5 จะต้องตรวจสอบทิศทางการพันขดลวด (DOT) ให้ถูกต้อง สำหรับการคำนวณเพื่อหาค่าอุปกรณ์ต่างๆ โดยละเอียดเพิ่มเติมแนะนำที่ลิ้งก์เว็บไซต์อ้างอิง [Ref.2]

สำหรับเนื้อหาในตอนต่อไปจะเป็นการนำไอซีตัวนี้มาต่อเป็นวงจรต้นแบบ เพื่อศึกษาและเรียนรู้การนำมาใช้งาน (แนะนำเรื่องของการต่อวงจรจะต้องระวังเรื่องการใช้แรงดันอินพุตในระหว่างการทดลอง) และข้อมูลสำหรับไอซีเบอร์นี้จะมีให้ค้นหาสำหรับศึกษารายละเอียดการทำงานได้หลายเว็บไซต์ ซึ่งลิ้งเว็บไซต์อ้างอิงข้างล่างนี้ น่าจะเป็นส่วนหนึ่งที่จะช่วยให้ผู้อ่านสามารถใช้ในการเรียนรู้ได้ในเบื้องต้นได้ครับ

Reference

1. https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/fan7527b-d.pdf
2. https://www.onsemi.jp/pub/collateral/an-4121jp.pdf
3. https://www.farnell.com/datasheets/1717150.pdf
4. https://www.mouser.com/datasheet/2/149/FAN7527B-92344.pdf
5. https://www.digikey.com/htmldatasheets/production/64121/0/0/1/fan7527b.html
6. https://www.eetimes.com/voltage-mode-crm-pfc-for-lighting-offers-higher-efficiency-improves-reliability/