FSGM300N PWM Controller and SENSEFET for Switch Mode Power Supplies

บทความนี้เป็นการแนะนำไอซีควบคุมแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงสวิตชิ่ง (FSGM300N) ด้วยโครงสร้างแบบฟายแบกคอนเวอร์เตอร์ ซึ่งเป็นไอซีที่รวมฟังก์ชั่นการทำงานต่างๆ เข้าไว้ด้วยกันมากมาย ช่วยให้ลดการใช้อุปกรณ์ต่อร่วมกับไอซีไม่มากนัก ใช้เวลาในการออกแบบไม่มากและวงจรภายในไอซีใช้เทคโนโลยีหลายรูปในการทำงาน รวมทั้งช่วยให้ประหยัดต้นทุนในการนำมาใช้แหล่งจ่ายไฟเลี้ยงสวิตชิ่งได้มาก ส่วนจุดด้อยของไอซีตัวนี้ก็คือจ่ายกำลังได้ไม่สูงมากนัก

คุณสมบัติที่สำคัญของไอซี FSGM300N คือ

1. มีรูปแบบการทำงานแบบ Burst−Mode Operation ช่วยให้ใช้กำลังงานต่ำในโหมดสแตนบาย
2. การสร้างความถี่แบบสุ่มเพื่อลดสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI : Electromagnetic Interference)
3. การควบคุมกระแสแบบทุกรูปคลื่นสัญญาณ (Pulse−by−Pulse Current Limit)
4. มีระบบป้องกันหลายรูปแบบ เช่น ป้องกันกระแสโหลดเกิน (OLP), ป้องก้นแรงดันเกิน (OVP), ป้องกันกระแสเกินที่ผิดปกติ (AOCP), ป้องกันอุณหภูมิเกิน (TSD), ป้องกันเอาต์พุตช๊อตเซอร์กิต (OSP) และป้องกันแรงดันไฟเลี้ยงต่ำ (UVLO)
5. โหมดให้กลับมาทำงานเองอัติโนมัติ (Auto−Restart Mode)
6. ความถี่สวิตชิ่ง (Switching Frequency) 67kHz
7. มีวงจรเริ่มต้นการทำงานภายในไอซี (Internal Startup Circuit)
8. มีวงจรตรวจจับกระแสภายในไอซีที่แรงดันสูงถึง 650V (Internal High−Voltage SENSEFET)
9. มีวงจรซอฟสตาร์ทที่เวลา 15mS (Built−in Soft−Start)

ขาใช้งานของไอซี FSGM300N คือ

1. GND คือ ขากราวด์และเป็นขาตรวจจับกระแส SENSEFET
2. Vcc คือ ขารับไฟเลี้ยงบวก
3. FB คือ ขารับสัญญาณป้อนกลับ เพื่อส่งให้วงจรเปรียบเทียบพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่น
4. N.C. ไม่ต่อใช้งานใดๆ
5. Vstr คือ ขาเริ่มต้นการทำงานจะต่อกับตัวต้านทานที่รับไฟเลี้ยงแรงดันสูง
6. Drain คือ ขารับแรงดันไฟเลี้ยงสูงและต่อร่วมกับการตรวจจับกระแส SENSEFET

ฟังก์ชั่นการใช้งานของไอซี FSGM300N คือ

1. การเริ่มต้น (Startup) จะเริ่มต้นด้วยแหล่งไฟฟ้าแรงดันสูง (310V) มายังขา Vstr และชาร์จตัวเก็บประจุภายที่ (CVcc) เชื่อมต่อกับพิน VCC ดังแสดงในรูปที่ 4 เมื่อ VCC ที่ขา 2 ได้รับแรงดันถึง12V ไอซี FSGM300N จะเริ่มสลับแหล่งจ่ายจากเลี้ยงแรงดันสูง มาเป็นแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงช่วยชุด (auxiliary transformer winding) แทน

2. การซอฟสตาร์ท (Soft−Start) ภายในไอซี FSGM300N จะมีวงจรสตาร์ทแบบนุ่มนวลสำหรับเพิ่มขนาด PWM ในส่วนของวงจรอินเวอร์เตอร์พร้อมกับกระแส SENSEFET ที่เพิ่มขึ้นช้าๆ ใช้เวลาเริ่มต้นแบบนุ่มนวลที่ 15mS ช่วยให้การทำงานของวงจรถูกต้องโดยเฉพาะหม้อแปลงสวิตชิ่งและตัวเก็บประจุ ช่วยให้แรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตและตัวเก็บประจุจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ

3. การป้อนกลับ (Feedback Control) สำหรับไอซี FSGM300N ทำงานในโหมดกระแส (current−mode control) โดยใช้ออปโตคัปเปลอร์ (เช่น FOD817) ร่วมกับไอซีแรงดันอ้างอิง KA431 เป็นวงจรเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้า ซึ่งจะเปรียบเทียบแรงดันที่คร่อมตัวต้านทาน RSENSE และแรงดันที่ป้อนเข้าขา 4 ในการควบคุมรอบการทำงานของสัญญาณ PWM โดยเมื่อแรงดันเอาต์พุต (Vout) มายังตัวควบคุมมากกว่า 2.5 V ทำให้แอลอีดีในตัวออปโตคัปเปลอร์ ดึงแรงดันป้อนกลับให้ลดลงเพื่อควบคุมแรงดันเอาต์พุตให้คงที่ โดยกรณีของการควบคุมแรงดันเอาต์พุตมักเกิดขึ้นเมื่อแรงดันเอาต์พุตเพิ่มขึ้นหรือการเพิ่มโหลดที่เอาต์พุต

3.1 การควบคุมกระแสทุกรูปคลื่นสัญญาณ (Pulse−by−Pulse Current Limit) เนื่องจากไอซีใช้การควบคุมโหมดกระแส ซึ่งจุดสูงสุดของกระแสจาก SENSEFET จะถูกจำกัดโดยการป้อนกลับไปไปยังอินพุตของตัวเปรียบเทียบ PWM ดังแสดงในรูปที่ 5 และแรงดันอ้างอิงจาก (Vref) จะไหลไปยังตัวต้านทานภายใน (3R+R) แล้วเกิดแรงดันตกคร่อม VFB ทั้งนี้แรงดันแคโถดของไดโอด D2 จะอยู่ที่ประมาณ 2.4 V เมื่อแรงดันป้อนกลับ (VFB) เกิน 2.4V จากค่าพีคของกระแสที่ผ่าน SENSEFET จะถูกควบคุมการทำงานของสัญญาณ PWM

3.2 Leading−Edge Blanking (LEB) ในกรณีที่เกิดประแสสูงขึ้น SENSEFET ภายในจะทำการตรวจจับกระแสและเกิดกระแสที่พุ่งสูงขึ้นนั้น และให้กระแสไหลผ่านตัวต้านทาน RSENSE เพื่อส่งเป็นสัญญาณป้อนกลับสำหรับควบคุม การสร้างสัญญาณ PWM ด้วยการตัดขอบนำโดยวงจรนี้จะหยุดการจ่ายสัญญาณ PWM ที่ 400nS หลังจากที่ SENSEFET ตรวจจับกระแสเกินได้

4. วงจรป้องกันหลายรูปแบบ (Protection Circuits) ภายในไอซี FSGM300N จะมีวงจรป้องตัวเองหลายส่วนคือ การป้องกันกระแสโหลดเกิน (OLP), การป้องก้นแรงดันเกิน (OVP), การป้องกันกระแสเกินที่ผิดปกติ (AOCP), การป้องกันอุณหภูมิเกิน (TSD), การป้องกันเอาต์พุตช๊อตเซอร์กิต (OSP) และการป้องกันแรงดันไฟเลี้ยงต่ำ (UVLO)

4.1 การป้องกันกระแสโหลดเกิน (Overload Protection : OLP) เมื่อกระแสโหลดเกินระดับปกติเนื่องจากเหตุการณ์ที่ผิดปกติที่หรือไม่คาดคิดในส่วนวงจรป้องกันจะทำงานขึ้น เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้เกิดอันตรายกับแหล่งจ่ายไฟเลี้ยง โดยวงจรป้องกันกระแสเกินจะการออกแบบให้ส่งสัญญาณทริกเกอร์ เพื่อจำกัดกระแสด้วยการลดสัญญาณพัลส์ที่ค่ากระแสสูงสุด ด้วยวิธีการตรวจจับกระแสผ่าน SENSEFET ทั้งนี้กำลังไฟฟ้าทางด้านอินพุตสูงสุดจะถูกจำกัดไว้ตตามที่กำหนด แต่เมื่อการจ่ายกำลังทางด้านเอาต์พุตเกินค่าสูงสุดจะเป็นผลให้ไอซีจะปรับลดค่าแรงดันเอาต์พุต (VOUT) ให้ต่ำลง

4.2 การป้องกันกระแสเกินที่ผิดปกติ Abnormal Over−Current Protection : AOCP) ในกรณีนี้อาจเกิดขึ้นได้จากขดลวดภายในหม้อแปลงสวิตชิ่งช๊อตรอบหรือไดโอดเร็กติไฟที่เอาต์พุตช๊อตขึ้น ที่จะทำให้เกิดการจ่ายกระแสสูงขึ้น (high di/dt) โดยในกรณีนี้จะใช้การตรวจจับกระแสด้วย SENSEFET เช่นกัน ซึ่งจะทำให้เกิดสัญญาณทริกเกอร์ขึ้นดังในรูปที่ 7 ที่ตำแหน่งเอาต์พุตของออปแอมป์ โดยสัญญาณทริกเกอร์นี้จะป้อนไปที่ขารีเซตของฟลิปฟลอป (S-R Latch) เพื่อชัตดาวน์การทำงานของไอซีลง

4.3 การป้องกันเอาต์พุตช๊อตเซอร์กิต (Output−Short Protection : OSP) ในกรณีที่เอาต์พุตเกิดการช๊อตเซอร์กิตขึ้น จะทำให้เกิดกระแสพุ่งสูงขึ้น (high di/dt) และทำให้การตรวจจับกระแสด้วย SENSEFET ส่งคำสั่งการทำงานให้วงจรภายในทำงานลดลง ซึ่งปริมาณกระแสที่เพิ่มสูงนี้ทำให้เกิดแรงดันสูง และ SENSEFET จะช่วยป้องกันไม่ให้อุปกรณ์ต่างๆ เสียหาย และรวมทั้งการตรวจจับแรงดันป้อนกลับ VFB โดยเมื่อ VFB สูงกว่า 1.6 V เป็นเวลา 1.0uS จะทำให้ไอซี FSGM300N รับรู้ถึงเงื่อนไขความผิดปกติที่เกิดขึ้นและปรับลดสัญญาณ PWM ลักษณะของสภาวะผิดปกติแบบเอาต์พุตเกิดการช๊อตเซอร์กิตสัญญาณที่เกิดขึ้นจะแสดงในรูปที่ 9

4.4 การป้องก้นแรงดันเกิน (Over−Voltage Protection : OVP) ในกรณีที่เกิดจากแรงดันเอาต์พุตมีค่าสูงเกินค่าที่กำหนดหรือความผิดพลาดจากการประกอบบอร์ดแล้วทำให้เกิดสภาวะแรงดันเอาต์พุตเกิน จะทำให้วงจรป้อนกลับ (VFB) ด้วยออปโต้คัปเปิ้ลจะทำงานด้วยการลดค่าความต้านทานที่ขา C และ E ให้ต่ำลง โดยจะเป็นผลให้ไอซีลดการทำงานลง นอกจากนี้ในส่วนของการป้องกันแรงดันเกินจะรวมมาถึงแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงมายังตัวไอซี VCC โดยเมื่อแรงดันไฟเลี้ยง VCC สูงเกิน 24V ก็จะหยุดการทำงานของไอซีลงจนกว่าไฟเลี้ยงมายังตัวไอซี VCC ต่ำกว่า 24V

4.5 การป้องกันอุณหภูมิเกิน (Thermal Shutdown : TSD) สำหรับการตรวบจับอุณหภูมิเกินของไอซี จะถูกรวมไว้ในตัวไอซีในกระบวนการผลิตแล้ว โดยเมื่ออุณหภูมิของตัวไอซีมากกว่า 135 องศาเซลเซียลจะทำให้ไอซีเข้าสู่โหมดชัตดาวน์และหยุดการทำงาน จากนั้นเมื่ออุณหภูมิของตัวไอซีลดลงมาที่ 95 องศาเซลเซียลไอซีจะเข้าสู่โหมดกลับมาทำงานเองอัติโนมัติ (Auto−Restart Mode) และเริ่มทำงานเป็นปกติ

5. การใช้กำลังงานต่ำในโหมดสแตนบาย (Burst−Mode Operation) เป็นโหมดการทำงานที่จะช่วยให้ประหยัดพลังงานไฟฟ้าในช่วงสแตนบาย โดยในช่วงที่แหล่งจ่ายไฟเลี้ยงจ่ายกระแสให้กับโหลดน้อย จะทำให้ค่าแรงดัน VFB ลดลงต่ำกว่า 0.5V จึงไม่เกิดการนำกระแสของเพาเวอร์มอสเฟตภายในไอซี ดังในรูปที่ 10 ช่วงเวลา t1-t2 แต่เมื่อค่าแรงดัน VFB สูงกว่า 0.7V ก็จะทำให้เกิดการนำกระแส (t2-t3) ของเพาเวอร์มอสเฟตภายในไอซีเพิ่มขึ้นเล็กน้อยเท่านั้น

6. การสร้างความถี่สุ่ม (Random Frequency Fluctuation) การสร้างความถี่แบบสุ่มเพื่อลดสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI : Electromagnetic Interference) ด้วยการใช้แหล่งกำเนิดความถี่แบบปรับเปลี่ยนค่าได้ (free-running oscillator) ซึ่งค่าความถี่ที่ปรับเปลี่ยนจะอยู่ที่ประมาณ 67kHz ที่จะช่วยให้มีประสิทธิภาพและสามารถลดการต้นทุนของตัวกรองสัญญาณรบกวนทางด้านอินพุต รวมทั้งเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนด EN55022

ในรูปที่ 12 เป็นตัวอย่างของการนำไอซี FSGM300N มาออกแบบเป็นแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงให้กับของแอลซีดี (LCD Monitor) โดยรับไฟเลี้ยงกระแสสลับอินพุตในช่วง 85-265Vac สามารถจ่ายแรงดันเอาต์พุตใด้ 2 ขนาดคือ 14V/1.2A และ 5V/2A ที่กำลังไฟฟ้ารวม 26.8 วัตต์

สำหรับไอซี FSGM300N เป็นไอซีควบคุมการทำงานของแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงแบบสวิตชิ่งอีกตัวหนึ่งที่มีลักษณะของการต่อใช้งานได้ไม่ยากนักอีกเบอร์หนึ่ง รวมทั้งภายในตัวไอซีได้รวมฟังก์ชั่นการใช้งานไว้หลายโมดูล ซึ่งเป็นเทคโนโลยีใหม่ช่วยให้การทำงานของแหล่งจ่ายประหยัดไฟได้มากยิ่งขึ้น รวมทั้งลดสัญญาณรบกวนและมีโมดูลป้องกันความเสียหายให้กับตัวไอซีที่ครบถ้วน

Reference

1. https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/fsgm300n-d.pdf
2. https://www.farnell.com/datasheets/1526530.pdf
3. https://th.mouser.com/datasheet/2/308/1/FSGM300N_D-2314490.pdf
4. https://pdf1.alldatasheet.es/datasheet-pdf/download/463578/FAIRCHILD/FSGM300N.html