Half-Bridge Converter SMPS Using UCC3808 Controller

โครงงานนี้เป็นสวิตชิ่งโหมดเพาเวอร์ซัพพลายขนาดเล็กๆ แบบฮาฟบริดจ์ คอนเวอร์เตอร์ (Half-Bridge Converter) โดยใช้ไอซีควบคุมเบอร์ UCC3808A ซึ่งทำงานในโหมดกระแส (Current Mode) เพื่อเป็นการเรียนรู้และศึกษาการทำงานในอีกรูปแบบหนึ่ง ทั้งนี้เพราะวงจรสวิตชิ่งโหมดเพาเวอร์ซัพพลายแบบฮาฟบริดจ์ คอนเวอร์เตอร์ทั่วไป จะนิยมใช้การทำงานในโหมดแรงดัน (Voltage Mode) เป็นส่วนใหญ่ ซึ่งจะสังเกตได้จากการใช้ไอซีควบคุมเบอร์ TL494, UC2524 และ SG2525 เป็นต้น

รูปที่ 1 เป็นการเตรียมอุปกรณ์ต่างๆ ของวงจรขับกำลังให้กับวงจรฮาฟบริดจ์ คอนเวอร์เตอร์ โดยในวงจรต้นแบบนี้เราจะประกอบบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) อเนกประสงค์ เพื่อให้ง่ายต่อประกอบและการปรับแต่งให้กับวงจรต้นแบบ

ในรูปที่ 2 และรูปที่ 3 จะเป็นลักษณะของหม้อแปลงสวิตชิ่งที่พันเสร็จแล้ว สำหรับใช้ในการทดลอง (EPCOS N87 EFD 25 Ferrite Core Transformer, 2000nH, 25 x 12.5 x 9.1mm) ใช้ลวดเบอร์ 23AWG และพันขดลวดทางด้านปฐมภูมิ 24 รอบ ทุติยภูมิ 6 รอบ 2 เส้นให้เป็นแบบมีแท็ปกลาง (CT)

รูปที่ 4 แสดงลักษณะของการเริ่มประกอบวงจรอินเวอร์เตอร์และภาคเอาต์พุต และวางอุปกรณ์บนแผงวงจรพิมพ์ให้เป็นระเบียบเรียบร้อย

รูปที่ 5 ลักษณะของการประกอบอุปกรณ์ต่างๆ ใกล้เสร็จสมบูรณ์และทดสอบความถูกต้องของวงจรอีกครั้ง โดยเฉพาะในส่วนของตัวอุปกรณ์และวงจรที่รับไฟเลี้ยงแรงดันสูง

รูปที่ 6 แสดงการต่อสายสัญญาณและไฟเลี้ยงกระแสตรงต่างๆ ให้กับบอร์ด ซึ่งจะมีทั้งจากภายนอกและสัญญาณควบคุมจากบอร์ด UCC3808A

รูปที่ 7 เป็นการเชื่อมโยงระหว่างบอร์ดควบคุมและขับกำลัง เพื่อใช้งานร่วมกันโดยในส่วนของไฟเลี้ยงสำหรับขับสัญญาณที่ขาเกตและไฟเลี้ยงสำหรับบอร์ดควบคุมจะถูกแยกจ่ายออกมาอีกส่วนหนึ่ง

รูปที่ 8 ลักษณะของการเตรียมการทดลอง จะใช้มัลติมิเตอร์ 2 ตัวในการวัดค่าแรงดันอินพุต (ด้านซ้าย) และเอาต์พุต (ด้านขวา), แคล้มมิเตอร์ใช้ในการวัดค่ากระแสที่เอาต์พุต, ดิจิตอลออสซิลโลสโคปสำหรับวัดสัญญาณกระแสและสัญญาณขับที่ขาเกตและแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงให้กับวงจร

ในรูปที่ 9 แสดงค่าแรงดันอินพุตกระแสสลับที่ใช้ในการทดลองขนาด 160 โวลต์ โดยช่วงของแรงดันอินพุตจะทำงานที่ 140V-170VAC

รูปที่ 10 ค่าแรงดันทางด้านเอาต์พุตของวงจรซึ่งกำหนดไว้ที่ประมาณ 15 โวลต์ โดยเราสามารถปรับให้ได้ค่าตามที่ต้องการอีกเล็กน้อย

รูปที่ 11 เป็นลักษณะของสัญญาณขับขาเกต (เพาเวอร์มอสเฟตตัวล่างของวงจรฮาฟบริดจ์ ช่องวัดที่ CH1) และสัญญาณกระแส (กระแสที่ไหลผ่านขดลวดปฐมภูมิ ช่องวัดที่ CH2) ขณะสแตนบาย

รูปที่ 12 การทดลองครั้งที่ 1 ทดลองให้วงจรจ่ายกระแสโหลด 0.73A โดยใช้ตัวต้านทานขนาด 10 โอห์ม 2 ตัวอนุกรมกัน

รูปที่ 13 แสดงการวัดค่าแรงดันทางด้านเอาต์พุตที่มีค่าลดลงเล็กน้อย (ประมาณ 0.7V ) เมื่อวงจรจ่ายกระแสโหลด 0.73A

รูปที่ 14 สัญญาณขับขาเกต (CH1) และสัญญาณกระแส (CH2) ที่เกิดขึ้น เมื่อวงจรจ่ายกระแสโหลด 0.73A ทั้งนี้เพื่อตอบสนองค่าแรงดันทางด้านเอาต์พุตให้คงที่

รูปที่ 15 การทดลองครั้งที่ 2 ให้วงจรจ่ายกระแสโหลดที่ 1.42A โดยใช้ตัวต้านทานขนาด 10 โอห์ม เพื่อสังเกตการทำงานที่กระแสโหลดเพิ่มขึ้น

รูปที่ 16 ค่าแรงดันทางด้านเอาต์พุตลดลงอีกเล็กน้อย (ประมาณ 0.8V) เมื่อวงจรจ่ายกระแสโหลด 1.42A

รูปที่ 17 สัญญาณขับขาเกตและสัญญาณกระแสที่เกิดขึ้น เมื่อวงจรจ่ายกระแสโหลด 1.42A ทั้งนี้เพื่อตอบสนองค่าแรงดันทางด้านเอาต์พุตให้คงที่เช่นเดิม

รูปที่ 18 การทดลองครั้งที่ 3 โดยให้วงจรช๊อตเซอร์กิตที่เอาต์พุต เพื่อเป็นการทดสอบการทำงานในส่วนของการป้องกันกระแสเกิน (Over Current Protection : OCP) และจากการทดลองกระแสจะกำหนดไว้ที่ 3.10A

รูปที่ 19 ในสถานะการช๊อตเซอร์กิตแรงดันทางด้านเอาต์พุตของวงจรจะมีค่าประมาณ 0V

รูปที่ 20 สัญญาณขับขาเกตและสัญญาณกระแสที่เกิดขึ้นเมื่อวงจรช๊อตเซอร์กิต โดยเมื่อเราปลดการซ๊อตเซอร์กิตที่เอาต์พุตออก การทำงานก็สามารถกลับมาใช้งานได้เช่นเดิม

รูปที่ 21 ลักษณะการต่อร่วมกันของบอร์ดทดลองมุมใกล้ขณะวงจรช๊อตเซอร์กิตอยู่ ซึ่งจากการทดลองซ๊อตเซอร์กิตค้างไว้ประมาณ 20 วินาทีต่อเนื่องนั้น ความร้อนที่เกิดขึ้นกับไดโอดทางด้านเอาต์พุตและเพาเวอร์มอสเฟตขับกำลังไม่สูงมากนัก สามารถส่งสัญญาณกระแสเกินให้กับวงจรป้องกันอื่นๆ ที่จะมาต่อร่วมได้เพิ่มเติม

รูปที่ 22 แสดงลักษณะทั่วไปของการทดลอง เครื่องมือ และอุปกรณ์ต่างๆ ซึ่งจะใช้เครื่องมือและอุปกรณ์โดยทั่วไป ไม่เฉพาะเจาะจงต่อการทดลองมากนัก

ในรูปที่ 23 และรูปที่ 24 เป็นวงจรที่ออกแบบและใช้ในการทดลอง โดยจะแบ่งออกเป็น 2 ส่วนคือส่วนของวงจรควบคุมรูปที่ 23 และส่วนของวงจรขับกำลังรูปที่ 24 ทั้งนี้เพื่อให้เราดูวงจรเป็นส่วนและเข้าใจง่ายเพิ่มขึ้น

สำหรับโครงงานนี้เป็นโครงงานเล็กๆ อีก 1 แบบ ของการใช้ไอซีควบคุมด้วย UCC3808A ในการออกแบบแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงแบบสวิตชิ่งในโหมดกระแส โดยในตัวอย่างการออกแบบนี้จะใช้ไฟเลี้ยงที่แรงดันอินพุตกระแสสลับไม่สูงนัก (160VAC) เพื่อเป็นแนวทางเบื้องต้นของการใช้โครงสร้างวงจรฮาฟบริดจ์ คอนเวอร์เตอร์ (Half-bridge topology) ในการเรียนรู้แหล่งจ่ายไฟเลี้ยงกระแสตรงในลักษณะนี้ครับ.

Reference

1. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc3808-1.pdf?ts=1626574921194&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FUCC3808-1
2. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc3808a-1.pdf?ts=1626574522339&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FUCC3808A-1
3. https://pdf.dzsc.com/8N-/UCC2808N-1_1173316.pdf
4. https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/770287/ucc3808-2-ucc3808-slope-compensation
5. https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/825297/ucc3808-2-fluctuating-output-issue
6. http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/01114A.pdf
7. https://www.ti.com/seclit/ug/slyu036/slyu036.pdf
8. https://www.onsemi.com/pub/Collateral/Smpsrm-D.PDF
9. https://www.st.com/resource/en/application_note/cd00003910-topologies-for-switch-mode-power-supplies-stmicroelectronics.pdf
10. https://www.st.com/resource/en/application_note/cd00157315-solution-for-150-w-half-bridge-resonant-dcdc-converter-stmicroelectronics.pdf
11. https://www.iitk.ac.in/npsc/Papers/NPSC2014/1569978049.pdf
12. https://www.nxp.com/files-static/dsp/doc/ref_manual/DRM074.pdf
13. https://en.wikipedia.org/wiki/Switched-mode_power_supply
14. https://th.rs-online.com/web/p/transformer-ferrite-cores/1678311
15. https://docs.rs-online.com/4800/0900766b813c0db8.pdf