IR2153 Control DC-DC Synchronous Buck Converter

สำหรับก่อนหน้านี้ได้นำเสนอโครงงานที่ใช้ไอซีเบอร์ IR2153 บ้างแล้ว เช่น การปรับความถี่สวิตชิ่งและค่าดิวตี้ไซเกิลให้กับไอซี และการควบคุมความเร็วดีซี มอเตอร์ (DC Motor Speed Control) ด้วยการใช้ไอซี IR2153 เป็นตัวควบคุม และในโครงงานนี้จะใช้ไอซีตัวเดียวกันเพื่อควบคุมวงจรซิงโครนัส บักคอนเวอร์เตอร์ขนาดเล็ก โดยให้วงจรสามารถควบคุมแรงดันเอาต์พุตและป้องกันกระแสเกินได้ ซึ่งจะเป็นการออกแบบวงจรเบื้องต้นบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) อเนกประสงค์ โดยกำหนดค่าแรงดันอินพุตช่วง 15V-24Vdc, แรงดันเอาต์พุตที่ 10V และสามารถจ่ายกระแสให้โหลด 2A ต่อเนื่อง

รูปที่ 1 เป็นลักษณะของวงจรต้นแบบที่ประกอบขึ้นโดยรวมและการทดลอง ซึ่งในการทดลองนี้จะเป็นการทดลองเบื้องต้นของการทำงาน และการตอบสนองการทำงานเมื่อแรงดันอินพุตเปลี่ยนแปลงรวมทั้งการซ๊อตเซอร์กิตที่เอาต์พุต

รูปที่ 2 แสดงลักษณะของวงจรต้นแบบทั้งสองส่วนที่ต่อเข้าด้วยกัน โดยจะมีในส่วนของบอร์ดควบคุม (บอร์ดด้านซ้าย) และบอร์ดขับกำลังดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์ (ด้านขวา) และตัวต้านทานโหลดสำหรับการทดสอบการทำงานของวงจรที่ออกแบบ

รูปที่ 3 และ 4 เป็นลักษณะบอร์ดขับกำลังดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์ ซึ่งจะต่อแบบซิงโครนัส บักคอนเวอร์เตอร์ โดยตัวบอร์ดจะรับกำลังไฟฟ้าทางด้านอินพุตและจ่ายกำลังไฟฟ้าออกไปตามที่เรากำหนด จากนั้ันสัญญาณควบคุม (PWM Signal) ต่อเข้ามาผ่านสายไฟขนาดเล็กและส่งสัญญาณป้อนกลับ (Feedback signal) ไปยังบอร์ดควบคุมเช่นกัน

รูปที่ 5 แสดงลักษณะของบอร์ดควบคุมการทำงานด้วยไอซี IR2153 ที่ออกแบบให้วงจรสามารถปรับค่าความถี่สวิตชิ่งได้ (Frequency switching) ปรับค่าดิวตี้ไซเกิล (Duty Cycle) และปรับค่าแรงดันเอาต์พุตได้ (Output Voltage) รวมทั้งการควบคุมแรงดันเอาต์พุตคงที่ (Close Loop control) และป้องกันกระแสเกิน (Over Current Protection)

ในรูปที่ 6 จะเป็นสัญญาณขับมอสเฟตทางด้าน High side CH1 และ Low side CH2 ขณะวงจรสแตนบาย ซึ่งเราจะเห็นว่าจะมีค่าดิวตี้ไซเกิลคงที่ประมาณ 50%

รูปที่ 7 ทำการทดลองครั้งที่ 1 โดยให้วงจรจ่ายกระแสที่ 1.93A สำหรับโหลด 5 โอห์ม เพื่อสังเกตการทำงานและการตอบสนอง

รูปที่ 8 แสดงลักษณะของการทดลองครั้งที่ 1 ด้วยเครื่องมือและอุปกรณ์ใช้งานทั่วไป

รูปที่ 9 สัญญาณขับเพาเวอร์มอสเฟต High side และ Low side ที่เกิดขึ้น เมื่อกำหนดแรงดันอินพุต 21.49V และจ่ายกระแสโหลดที่ 1.93A จะสังเกตสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลตจะเปลี่ยนแปลงความกว้างเล็กน้อยตลอดเวลา เพื่อรักษาระดับแรงดันเอาต์พุตให้คงที่

รูปที่ 10 ลักษณะของการทดลองครั้งที่ 2 ด้วยการปรับค่าแรงดันอินพุตลดลงและสังเกตการทำงานของวงจรในส่วนต่างๆ

รูปที่ 11 สัญญาณขับเพาเวอร์มอสเฟต High side และ Low side เมื่อปรับค่าแรงดันอินพุตที่ 15.16V จะสังเกตเห็นว่าค่าดิวตี้ไซเกิลจะกว้างขึ้นในด้าน High side CH1 ทั้งนี้วงจรจะพยายามรักษาระดับแรงดันที่เอาต์พุตให้คงที่

รูปที่ 12 เป็นการทดลองครั้งที่ 2 โดยจะให้วงจรรับไฟเลี้ยงอินพุตต่ำลงมาที่ 15.16V และวัดค่ากระแสที่เอาต์พุตได้ที่ 1.83A

รูปที่ 13 และ 14 โหลดตัวต้านทานคงที่ขนาด 10 โอห์ม 20 วัตต์ จำนวน 2 ตัวต่ออนุกรมกัน โดยในการทดลองโครงงานนี้เราจะต่อตัวต้านทานทั้งสองแบบขนานเพื่อให้ค่าความต้านทานที่ 5 โอห์ม 40 วัตต์

รูปที่ 15 แสดงลักษณะของการทดลองซ๊อตเซอร์กิตที่เอาต์พุตด้วยปากคีบสายไฟสีดำ โดยแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงจะปรับไปที่ค่าสูงสุดเพื่อสังเกตการทำงาน

รูปที่ 16 เป็นการตอบสนองต่อการซ๊อตเซอร์กิตที่เอาต์พุตที่เกิดขึ้น ซึ่งจะสังเกตเห็นว่าสัญญาณจะมีจังหวะบางส่วนหายไปเพื่อปรับลดการทำงานลง

รูปที่ 17 เราจะเห็นลักษณะของสัญญาณขับเพาเวอร์มอสเฟต High side และ Low side เมื่อเอาต์พุตซ๊อตเซอร์กิตจะไม่ต่อเนื่อง เพื่อปรับลดการทำงานลงโดยในรูปที่ 16 และรูปที่ 17 จะเป็นสัญญาณเดียวกันแต่ปรับค่า Time/DIV เพื่อให้สังเกตการทำงานได้ง่าย

ในรูปที่ 18 เมื่อวงจรเกิดการซ๊อตเซอร์กิตที่เอาต์พุตขึ้น วงจรจะป้องกันกระแสเกินจะคอยตรวจสอบการทำงานที่ผิดปกติ และจะปรับลดปริมาณการจ่ายไฟเลี้ยงอินพุตลงเพื่อให้มีความปลอดภัย และเมื่อเอาต์พุตของวงจรไม่อยู่ในสถานะซ๊อตเซอร์กิตแล้วก็สามารถกลับมาทำงานได้เป็นปกติ แต่ทั้งนี้เราจะต้องตรวจสอบอุณหภูมิเกินให้กับวงจรอีกเล็กน้อย

โครงงานนี้คงพอจะเป็นแนวทางเบื้องต้นให้ท่านผู้อ่านได้นะครับ สำหรับการนำไปใช้งานสำหรับปรับลดทอนค่าแรงดันลงให้ได้ตามที่ต้องการหรือเรียกว่าวงจรบัก คอนเวอร์เตอร์ ทั้งนี้การนำไอซีเบอร์ IR2153 มาใช้ก็เพราะเป็นไอซีที่รับค่าแรงดันไฟเลี้ยงได้สูง ขาขับสัญญาณให้กับเพาเวอร์มอสเฟตสามารถใช้งานได้ทันทีและเป็นไอซีที่ขาใช้งานน้อย แต่จุดด้อยของไอซีเบอร์นี้คือไม่มีส่วนของวงจรขยายความผิดพลาด (Error Amplifier) เพื่อใช้ออกแบบวจรปรับค่าชดเชยการทำงาน (Compensation) ให้มีเสถียรภาพ ซึ่งเราสามารถใช้อุปกรณ์อย่างอื่นต่อภายนอกเพื่อทำหน้าที่คล้ายกันแทนได้

Reference

1. https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IR2153-DataSheet-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d462533600a4015355c8c5fc16af
2. https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/68074/IRF/IR2153.html
3. https://www.ti.com/lit/ug/slvu001a/slvu001a.pdf?ts=1628607070712&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F
4. https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/ncp3101-d.pdf
5. https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/ncp6354-d.pdf
6. https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AP32319_Synchronous_Buck_converter_with_XMC_Digital_Power_Explorer_Kit-AN-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d462557e6e8901559b9168515eec
7. https://www.ixys.com/Documents/AppNotes/IXAN0069.pdf
8. https://cdn.sos.sk/productdata/c0/aa/e64040b2/ltc3115edhd-1-pbf.pdf