Half-bridge converter switching mode power supply 5V@20A

ในบทความนี้จะเป็นการศึกษาและทดลองแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงกระแสตรง (DC Power supply) สวิตชิ่งโหมดแบบฮาฟบริดคอนเวอร์เตอร์ ที่แรงดันเอาต์พุต 5V และจ่ายกระแสได้ 20A (จ่ายกำลังเอาต์พุตขนาด 100 วัตต์) ด้วยการแบ่งภาคการทำงานของกลุ่มอุปกรณ์บนบอร์ด รวมทั้งการทดลองวัดสัญญาณขับ (Driver signal) เมื่อวงจรจ่ายกระแสโหลดที่ค่าต่างๆ และสังเกตการทำงานของวงจรสวิตชิ่งเพาเวอร์ ซัพพลายตัวนี้

ในรูปที่ 1 ถึงรูปที่ 3 แสดงลักษณะของแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงแบบสวิตชิ่งที่นำมาทดลอง ศึกษาการทำงาน และการเลือกใช้อุปกรณ์ต่างๆ ซึ่งจะเป็นลักษณะของกล่องเหล็กขนาดกลาง ในรูปที่ 2 แสดงเนมเพลตสเปกของตัวแหล่งจ่ายของตัวไฟเลี้ยง และในรูปที่ 3 เป็นตัวบอร์ดที่มองจากด้านบน ซึ่งลักษณะของแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงแบบนี้จะพบเห็นและมีจำหน่ายทั่วไป

สำหรับในรูปที่ 5 เป็นการแบ่งภาคการทำงานของแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงเป็นส่วนๆ เพื่อให้สามารถเข้าใจโครงสร้างได้ง่าย ทั้งนี้แอดมินจะแบ่งออกเป็น 7 ส่วน คือ

• ส่วนที่ 1 ภาคการทำงานของวงจรฟิลเตอร์ทางด้านอินพุต (AC EMI Noise Filter) โดยในส่วนนี้จะรับไฟเลี้ยงที่แรงดัน 220Vac/50-60Hz เข้ามาผ่านคอนเน็กเตอร์
• ส่วนที่ 2 ภาคเร็กติไฟและฟิลเตอร์อินพุต (Rectifier/Filter input) ซึ่งจะรับไฟเลี้ยงกระแสสลับจากวงจรฟิลเตอร์ มาเร็กติไฟและฟิลเตอร์ ให้เป็นแรงไฟเลี้ยงกระแสตรง (+VBUS 310V) สำหรับวงจรขับกำลังสวิตชิ่ง
• ส่วนที่ 3 ภาคขับกำลังหม้อแปลงสวิตชิ่ง (Power Transistor driver circuit) โดยตัวขับกำลังจะใช้ทรานซิสเตอร์ 2 ตัว และต่อในลักษณะของฮาฟบริดคอนเวอร์เตอร์ สำหรับสร้างความถี่และแรงดันสูง
• ส่วนที่ 4 ภาคขับสัญญาณให้กับเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ด้วยหม้อแปลงขับ (Pulse Transformer) โดยในส่วนนี้จะรับสัญญาณอินพุตจากไอซีควบคุม (TL494CN) มายังตัวหม้อแปลงขับและปรับขนาดสัญญาณให้เหมาะสม จุดเด่นอย่างหนึ่งของการใช้หม้อแปลงขับสัญญาณคือแยกกันทางไฟฟ้า (Isolation) ระหว่างเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์กับไอซีควบคุมการทำงานและราคาไม่แพง
• ส่วนที่ 5 ภาคควบคุมการทำงาน (Control circuit) ซึ่งในบอร์ดนี้จะใช้ไอซีเบอร์ TL494CN ซึ่งเป็นนิยมและต่อใช้งานได้ไม่ยากมากนัก โดยตัวไอซีที่ทำหน้าที่ควบคุมแรงดันเอาต์พุตให้คงที่, ป้องกันกระแสเอาต์พุตเกิน, ส่งสัญญาณขับให้กับเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ เป็นต้น
• ส่วนที่ 6 หม้อแปลงสวิตชิ่ง (Power transformer switching) ทำหน้าที่เปลี่ยนสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากการนำกระแสของขดลวดทางด้านอินพุตที่แรงดันและความถี่สูงสูง ให้กลับมาเป็นแรงดันต่ำทางด้านเอาต์พุตซึ่งเป็นสัดส่วนของจำนวนรอบการพันขดลวดระหว่างกัน
• ส่วนที่ 7 ภาคเร็กติไฟและฟิลเตอร์เอาต์พุต (Rectifier/Filter output) ทำหน้าที่เรียงกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากขดลวดเอาต์พุตในรูปไฟฟ้ากระแสสลับให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรง จากนั้นส่งมายังวงจรฟิลเตอร์อีกครั้งที่ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุทางด้านเอาต์พุต

รูปที่ 8 เป็นการกำหนดค่าแรงดันเอาต์พุตสำหรับทดลองไว้ที่ 5V โดยเราสามารถปรับที่ตัวต้านทานปรับค่าใกล้กับคอนเน็กเตอร์เอาต์พุต (คอนเน็กเตอร์สีดำตัวใหญ่) ทั้งนี้สามารถปรับเป็นค่าแรงดันอิ่นได้ในช่วง 5V-7V

ในรูปที่ 9 เป็นตัวต้านทานโหลดที่ใช้ในการทดสอบการทำงานของแหล่งจ่ายไฟเลี้ยง ซึ่งจะสังเกตเห็นว่าเป็นการต่อในลักษณะแบบขนานและอนุกรมกันด้วยตัวต้านทานขนาด 2.2 โอห์ม 30 วัตต์ โดยเราจได้ค่าความต้านทานรวม (Rt) ในการทดลองที่ 2.2 โอห์ม 1.1 โอห์มและ 0.5 โอห์ม ตามลำดับ

สำหรับรูปที่ 10 เป็นลักษณะของสัญญาณที่หม้อแปลงขับในโหมดสแตนบาย โดยในช่วงนี้ตัวแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงจะใช้กำลังไฟฟ้าน้อยมาก แต่เมื่อต่อโหลดให้กับตัวแหล่งจ่ายก็จะสามารถปรับค่าสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่น เพื่อตอบสนองการทำงานให้ถูกต้อง

ในรูปที่ 11 ถึงรูปที่ 16 แสดงการทดลองที่ 3 ครั้ง ด้วยการให้แหล่งจ่ายไฟเลี้ยง จ่ายกำลังไฟฟ้าให้กับโหลดที่กระแส 2.22A, 4.25A และ 7.82A ตามลำดับ โดยการวัดค่ากระแสที่เกิดขึ้นด้วยแคล้มมิเตอร์และการวัดสัญญาณพัลซ์วิดธ์ มอดูเลตชั่นที่หม้อแปลงขับสัญญาณ (Pulse Transformer) ที่ขา B สำหรับเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ขับกำลังให้กับหม้อแปลง (Power Transformer) ในการสวิตชิ่งต่อไป

ในรูปที่ 17 เป็นการทดลองให้ที่ตำแหน่งเอาต์พุตเกิดการซ๊อตเซอร์กิตขึ้น ด้วยการใช้สายไฟต่อระหว่างขั้วบวกและลบที่ขั้วต่อภายนอก ทั้งนี้เพื่อเป็นการทดสอบวงจรป้องกันกระแสเกินภายในบอร์ดสวิตชิ่ง ซึ่งจากการทดลองซ๊อตค้างไว้ประมาณ 3 วินาที กระแสเอาต์พุตจะถูกกำหนดไว้ที่ประมาณ 25A และเมื่อปลดสายไฟออก วงจรสามารถทำงานได้เป็นปกติ

สำหรับบทความนี้เป็นการนำเสนอเกี่ยวกับโครงสร้างของแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงสวิตชิ่งเพาเวอร์ ซัพพลายและการทำงานของวงจรแบบเบื้องต้นครับ ทั้งนี้เนื้อหาจะเน้นไปที่การทดลองด้วยการต่อโหลดที่เอาต์พุตและวัดสัญญาณขับ เพื่อสังเกตการตอบสนองการทำงานที่ค่าความต้านทานโหลดต่างกัน รวมถึงการทำงานภายในวงจรที่มีเสถียรภาพนั้นเอง

Reference

1. https://www.st.com/resource/en/application_note/an2530-solution-for-150-w-half-bridge-resonant-dcdc-converter-stmicroelectronics.pdf
2. https://www.power-supplies.com.au/files/mean-well-user-technical-manual.pdf
3. https://www.onsemi.com/pub/Collateral/Smpsrm-D.PDF
4. https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/01114A.pdf
5. https://www.vishay.com/docs/73668/73668.pdf
6. https://www.ti.com/seclit/ml/slup263/slup263.pdf
7. https://toshiba.semicon-storage.com/ap-en/semiconductor/design-development/referencedesign/articles/half-bridge-ac-dc_power_supply_rd173.html
8. https://www.st.com/resource/en/application_note/cd00003910-topologies-for-switch-mode-power-supplies-stmicroelectronics.pdf