ICE1HS01 Switching Mode Half-Bridge Resonant Controller
ไอซี ICE1HS01 เป็นไอซีควบคุมวงจร Half-Bridge Resonant Controller ที่ออกแบบมาสำหรับใช้ในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง (Switch Mode Power Supplies : SMPS) ต้องการประสิทธิภาพสูงและความน่าเชื่อถือในการทำงาน จะมีใช้งานในเครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ เช่น โทรทัศน์ อะแดปเตอร์จ่ายไฟเลี้ยงและในระบบเครื่องเสียงสมัยใหม่ เป็นต้น ซึ่งไอซีควบคุม ICE1HS01 จะควบคุมการทำงานในโหมด Zero Voltage Switching (ZVS) ช่วยลดการสูญเสียพลังงานจากการสวิตชิ่ง (Switching losses) ได้อย่างมีประสิทธิภาพและลดการเกิดสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Interference : EMI) จากการทำงานของวงจรเรโซแนนท์คอนเวอร์เตอร์ (Resonant converter)
คุณสมบัติเด่นของไอซี ICE1HS01G
เป็นไอซีควบคุมการทำงานของวงจร Half-Bridge Converter ให้ทำงานในแบบ LLC resonant converter โดยให้สัญญาณขับขาเกตกับเพาเวอร์มอสเฟต 2 ส่วนทางด้านบน (High Side) และด้านล่าง (Low Side) ด้วยสัญญาณ Pulse Frequency Modulation (PFM) Duty Cycle 50% และมีค่า Dead Time ที่เหมาะสมเพื่อให้เกิดการสวิตชิ่งที่ช่วงแรงดันเป็นศูนย์ Zero Voltage Switching : ZVS และคุณสมบติต่างๆ ดังนี้คือ
1. ไอซีจะใช้การปรับความถี่ในการสวิตชิ่งเพื่อควบคุมแรงดันเอาต์พุตให้คงที่ แม้จะมีการเปลี่ยนแปลงของกระแสโหลดหรือแรงดันอินพุต
2. มีฟังก์ชั่นซอร์ฟสตาร์ท (Soft-Start) เพื่อลดการเกิดกระแสสูงชั่วขณะลง (Inrush Current) และแรงดันเอาต์พุตที่เกิน (Overshoot) ในช่วงเริ่มต้นการทำงาน
3. การป้องกันกระแสเกิน (Over-Current Protection) ซึ่งจะมีการป้องกัน 2 แบบคือการเปลี่ยนความถี่และการล็อกเอาต์ (Latch Off)การทำงานของตัวไอซี
4. การป้องกันโหลดเกิน/วงจรไม่อยู่ในสสถานะควบคุมการทำงาน (Over Load/Open Loop Protection) และการเกิด Blanking Time ที่สามารถค่าปรับได้
5. การป้องกันแรงดันไฟหลักต่ำ (Mains Under Voltage Protection) ซึ่งมีวงจร Hysteresis กำหนดช่วงการทำงานและสามารถปรับได้
6. มีฟังก์ชั่นโหมด Burst Mode สำหรับการทำงานในช่วงที่ไม่มีโหลด (No Load) เพื่อลดการใช้พลังงานลง
7. สัญญาณออสซิลเลเตอร์มีความแม่นยำ ช่วยให้สามารถกำหนดช่วงความถี่ในการทำงานที่เหมาะสมได้ โดยการใช้ตัวต้านทานต่อจากภายนอก
8. ตัวถังไอซีขนาดเล็กแบบ DSO-8 ทำให้ง่ายต่อการออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB)
ฟังก์ชั่นของแต่ละขาสำหรับไอซี ICE1HS01G
ขาที่ 1 FMIN (Minimum Switching Frequency) ทำหน้าที่กำหนดความถี่สวิตชิ่งต่ำสุดให้กับวงจร ด้วยการต่อตัวต้านทานภายนอกระหว่างขา FMIN กับกราวด์ (GND) โดยค่าความต้านทานจะกำหนดกระแสที่ไหลออกจากขา FMIN ซึ่งมีผลต่อการกำหนดค่าความถี่สวิตชิ่งต่ำและสูงสุด รวมถึงความถี่ในช่วง Soft-Start
ขาที่ 2 CS (Current Sense) ทำหน้าที่รับสัญญาณกระแสจากวงจร (โดยปกติจะผ่านตัวต้านทาน Sense Current ที่ต่ออนุกรมกับวงจรกำลัง) เพื่อใช้ในการป้องกันกระแสเกิน (Over-Current Protection : OCP) ซึ่งภายในไอซีมีวงจรเปรียบเทียบ (Comparator) สองชุดสำหรับการป้องกันกระแสเกินคือ
– ที่แรงดันประมาณ 0.8V เมื่อวงจรตรวจพบกระแสเกินจะเพิ่มความถี่สวิตชิ่งเพื่อลดการจ่ายกระแสลง
– ที่แรงดันประมาณ 1.6V เมื่อตรวจพบกระแสเกินรุนแรง เช่น เกิดการลัดวงจรทางด้านเอาต์พุต (Short Circuit) ไอซีจะหยุดการจ่ายสัญญาณขับเกต (Latched Off) ทันทีเพื่อป้องกันความเสียหาย
ขาที่ 3 FB (Feedback) ทำหน้าที่รับสัญญาณป้อนกลับ (Feedback Signal) ทางด้านเอาต์พุตเพื่อควบคุมแรงดันเอาต์พุตให้คงที่ โดยขานี้จะเชื่อมต่อกับขาคอลเลกเตอร์ (Collector : C) ของออปโต้คัปเปิ้ลภายนอก ซึ่งจะส่งสัญญาณเป็นสัดส่วนของแรงดันเอาต์พุตกลับมายังไอซี
ขาที่ 4 VINS (Mains input voltage sense)ทำหน้าที่รับแรงดันไฟฟ้าอินพุตหลักผ่านต้านทานแบ่งแรงดัน หากแรงดันที่ขา VINS สูงกว่าที่กำหนด (VINSON)ไอซีจะเริ่มทำงานด้วยการซอร์ฟสตาร์ตขึ้น และในกรณีแรงดันขา VINS ต่ำกว่าที่กำหนดจะทำให้ไอซีหยุดทำงาน กระทั่งแรงดันเพิ่มขึ้นอีกครั้ง
ขาที่ 5 GND (Ground) เป็นขาต่อลงกราวด์ทั่วไปของไอซี
ขาที่ 6 LG (Low Side Gate Drive) ทำหน้าที่จ่ายสัญญาณขับเกต (Gate Drive) สำหรับเพาเวอร์มอสเฟตตัวล่าง (Low Side MOSFET) ของวงจร Half-Bridge Converter โดยสัญญาณพัลซ์จะมีค่า Duty Cycle 50% และมีช่วงเวลา Dead Time ที่เหมาะสมร่วมกับขา HG เพื่อให้เกิดการสวิตชิ่งที่แรงดันเป็นศูนย์ (Zero Voltage Switching : ZVS)
ขาที่ 7 HG (High Side Gate Drive) ทำหน้าที่จ่ายสัญญาณขับเกต (Gate Drive) สำหรับเพาเวอร์มอสเฟตตัวบน (High Side MOSFET) ของวงจร Half-Bridge Converter โดยสัญญาณพัลซ์จะค่า Duty Cycle 50% และมีช่วงเวลา Dead Time ที่เหมาะสมร่วมกับขา LG โดยมีความสัมพันธ์กับ LG ในลักษณะของ Complementary (สลับการทำงาน)
ขาที่ 8 VCC (IC Power Supply) ทำหน้าที่รับไฟเลี้ยงให้กับตัวไอซีในช่วง 12V ถึง 18V (โดยทั่วไปจะเริ่มต้นทำงานที่ประมาณ 12V และป้องกันแรงดันต่ำที่ประมาณ 11V) แนะนำให้ต่อตัวเก็บประจุบายพาสขนาดเล็ก (Bypass Capacitor) ระหว่าง VCC และ GND ให้ใกล้ขาไอซีมากที่สุดเพื่อเพิ่มเสถียรในการทำงาน
รายละเอียดของฟังก์ชันการทำงานภายในไอซี
1. ออสซิลเลเตอร์และการปรับความถี่พัลซ์ (Oscillator and Pulse Frequency Modulation)
ไอซีประกอบด้วยออสซิลเลเตอร์ที่มีช่วงความถี่ตั้งโปรแกรมได้ โดยใช้ตัวต้านทานภายนอกเพียงตัวเดียวที่เชื่อมต่อกับขา FMIN และกราวด์ (GND) ซึ่งวงจรออสซิลเลเตอร์จะสร้างสัญญาณขับขาเกต 2 สัญญาณที่มีค่าดิสตึ้ไซเกิล 50% และต่างเฟสกัน 180° โดยมีช่วงเวลาเดดไทม์คงที่ 380ns
2. แหล่งจ่ายไฟไอซี (IC power supply)
สำหรับไอซี ICE1HS01G ต้องการแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงเสริมภายนอกในการทำงาน โดยตัวไอซีจะเริ่มทำงานเมื่อแรงดันไฟเลี้ยงมีค่าประมาณ 12V ข้อควรระวังคือ แรงดันไฟเลี้ยงไม่ควรต่ำกว่า 11V หรือสูงกว่า 18V เพื่อให้ไอซีทำงานได้เป็นปกติ
3. ซอฟต์สตาร์ท (Soft Start)
ไอซี ICE1HS01 มีฟังก์ชันซอฟต์สตาร์ตที่สามารถโปรแกรมได้ ทั้งนี้เพื่อจำกัดกระแสสูงชั่วขณะ (Inrush Current) และการเกิดแรงดันเอาต์พุตเกินในช่วงการเริ่มต้นทำงาน ระยะเวลาซอฟต์สตาร์ตใช้เวลาประมาณ 32mS รวม 32 ลำดับ ในช่วงเวลานี้ความถี่สวิตชิ่งจะถูกควบคุมการเปลี่ยนแปลง จากความถี่จะเริ่มต้นสูงก่อน (ในกรณีที่ใช้ความถี่สวิตชิ่ง 250kHz ด้วย R_FMIN 22kΩ) และค่อยๆ ลดลงไปที่จุดทำงานปกติ เพื่อป้องกันการเกิดกระแสเกินในระหว่างซอฟต์สตาร์ต
4. การตรวจจับกระแส (Current Sense)
การตรวจจับกระแสในวงจร Half-Bridge Converter LLC เพื่อป้องกันกระแสเกินเมื่อวงจรทำงานมากเกินกว่าที่กำหนด ด้วยการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุเรโซแนนซ์ CS ด้วยการใช้ตัวเก็บประจุ Ccs1 และ Rcs1 จากนั้นมาทำการเร็กติไฟร์ให้เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงด้วยไดโอด Dcs1 และ Dcs2 และฟิลเตอร์ด้วยตัวเก็บประจุ Ccs1 อีกครั้ง ในกรณีที่กระแสในวงจรเรโซแนนซ์สูง จะมีผลให้แรงดันไฟฟ้าที่ตัวเก็บประจุ CS มีค่าสูงขึ้นด้วย และช่วยให้ไอซีสามารถตรวจับกระแสที่เกิดขึ้นได้
5. การป้องกันกระแสเกิน (Over Current Protection)
สำหรับไอซี ICE1HS01G จะมีการป้องกันกระแสเกิน 2 ระดับ คือ ในระดับแรกเมื่อเกิดสภาวะกระแสเกินน้อยกว่าระดับ OCP จะทำให้วงจรภายในไอซีเพิ่มความถี่สวิตชิ่งให้สูงขึ้น เพื่อจำกัดกระแสในวงจรเรโซแนนซ์ให้ลดลงชั่วคราว และจะลดความถี่สวิตชิ่งลงเมื่อกระแสในวงจรเรโซแนนซ์เข้าสู่สถานะปกติ ในส่วนของกระแสเกินระดับที่สอง คือเมื่อเกิดสภาวะกระแสเกินมากกว่าระดับ OCP เช่นในกรณีการลัดวงจรขดลวดหม้อแปลงสวิตชิ่งจะทำให้ไอซีหยุดการทำงานทันที
6. การตรวจจับแรงดันไฟฟ้าอินพุตหลัก (Mains Input Voltage Sense)
ไอซี ICE1HS01G มีฟังก์ชันการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าทางด้านอินพุตให้อยู่ในระดับที่กำหนด โดยเมื่อแรงดันไฟฟ้าทางด้านอินพุตต่ำกว่าช่วงที่กำหนดไอซีจะหยุดการทำงาน และเมื่อค่าแรงดันไฟฟ้าทางด้านอินพุตอยู่ในช่วงที่กำหนดไอซีก็จะทำงานเป็นปกติเช่นเดิม
7. การป้องกันการโอเวอร์โหลด (Open Loop Protection)
ในกรณีที่วงจรควบคุมไม่สามารถตรวจจับแรงดันเอาต์พุตได้หรือในส่วนของเอาต์พุตเกิดสภาวะกระแสเกิน จะทำให้แรงดันป้อนกลับ (ที่ขา FB) จะเพิ่มสูงขึ้น โดยถ้าหากแรงดันที่ขา FB ยังคงสูงเป็นระยะเวลา 20mS ตัวจับเวลาจะเริ่มต้นขึ้น หากกระแสเกินยังคงอยู่ไอซีจะเข้าสู่โหมดรีสตาร์ตอัตโนมัติ และในช่วงเข้าสู่สภาวะกระแสเกิน สัญญาณขับขาเกต (Gate Driver) ทั้งสองจะหยุดทำงานลง
ตัวอย่างวงจรแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งที่ใช้ไอซี ICE1HS01G
ตัวอย่างวงจรเรโซแนนซ์ฮาล์ฟบริดจ์แบบ LLC คอนเวอร์เตอร์ รับแรงดันอินพุตกระแสสลับถึง 280Vac สามารถจ่ายกำลังเอาต์พุตได้ 200W มีแรงดันเอาต์พุต 2 ขนาดคือ 24V/6A และ 12V/5A สำหรับคุณสมบัติของตัวอย่างวงจรเรโซแนนซ์ฮาล์ฟบริดจ์ คอนเวอร์เตอร์ คือ
– รับแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับที่ 280VAC
– รับแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงที่ 380VDC
– มีวงจรตรวจจับแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงต่ำกว่า 285VDC
– ใช้แหล่งจ่ายไฟเลี้ยงเสริมที่ 15VDC
– สามารถจ่ายกำลังให้โหลดที่ 24V/6A, 12V/5A
– ความถี่สวิตชิ่งที่ 95kHz @24V/6A, 12V/5A และเมื่อแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงที่ 380VDC
บทความนี้เป็นการแนะนำไอซี ICE1HS01 สำหรับควบคุมวงจร Half-Bridge Resonant Controller อีกเบอร์หนึ่งที่สามารถนำมาใช้งานได้ไม่ยากนัก มีขาใช้งานเพียง 8 ขา และนำมาออกแบบเป็นวงจรแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงแบบสวิตชิ่งโหมดด้วยควบคุมการทำงานแบบโหมด Zero Voltage Switching (ZVS)ได้ สำหรับข้อมูลการออกแบบและตัวอย่างการออกแบบวงจรเพิ่มเติมแนะนำเข้าไปที่เว็บไซต์อ้างอิงท้ายบทความครับ.
Reference
- https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-ICE1HS01G-DS-v02_00-en.pdf
- https://www.mouser.com/datasheet/2/196/Infineon-ApplicationNote_EvaluationBoard_EVAL1HS01-1488308.pdf
- https://www.resonant-converters.eu/infineon-an.pdf
- https://www.bbrc.ru/upload/iblock/6ad/ay7jq6agfrm835rdkio6y42cujhw5l10/4971anps0038_200wsmpsevaluationboardusingice1hs01g1_v13_20130307.pdff.pdf
