L293D Output Stage for DC-DC Two-Phase Synchronous Buck Converter

โครงงานนี้เป็นการนำไอซี L293D ซึ่งโดยทั่วไปจะนิยมนำมาใช้ขับมอเตอร์กระแสตรงขนาดเล็ก ทั้งนี้ภายในไอซีจะมีวงจรขับกำลังถึง 4 ส่วน ที่สามารถต่อใช้งานแบบฟูลบริดจ์ได้ 2 ชุดและแบบฮาฟบริดจ์ได้ 4 ชุด โดยในโครงงานนี้จะทดลองนำส่วนของฮาฟบริดจ์เพียง 2 ชุด สำหรับขับวงจรดีซี ทู ดีซี (Two-Phase Synchronous Buck Converter) และใช้บอร์ด Arduino UNO ในการสร้างสัญญาณขับและรับสัญญาณป้อนกลับแรงดันทางด้านเอาต์พุตสำหรับควบคุมการทำงานทั้งหมด

ในรูปที่ 1 และรูปที่ 2 แสดงตำแหน่งขาใช้งานของไอซี L293D และบล็อกไดอะแกรมวงจรภายใน ทั้งนี้เพื่อให้เห็นโครงสร้างภายในและการต่อใช้งานที่ตำแหน่งขาต่างๆ โดยรายละเอียดเพิ่มเติมของตัวไอซี L293D คลิกที่ดาต้าชีตนี้ [Datasheet L293D]

รูปที่ 3 และรูปที่ 4 เป็นลักษณะของบอร์ดต้นแบบที่ประกอบขึ้น โดยใช้แผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) อเนกประสงค์ และใช้ PIN Header สำหรับเชื่อมต่อกับบอร์ดควบคุม Arduino UNO ในการประมวลผลสัญญาณระหว่างกัน

ในรูปที่ 5 ถึงรูปที่ 8 แสดงการเตรียมการทดลองต่างๆ ค่าแรงอินพุตที่ใช้ในการทดลองประมาณ 20V กำหนดค่าแรงดันเอาต์พุตไว้ที่ 5V และการวัดสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตที่ขา D3 และ D11 จากบอร์ด Arduino UNO สำหรับตรวจสอบความถูกต้อง

/*
    *Pseudo Code for Arduino UNO
    *L293D Output Stage for DC to DC Two-Phase Synchronous Buck Converter
    *Design by : www.electronicsDNA.com
    *Date : 15/5/2023 (V.0)
    
     Vi : 12V-24VDC
     Vo : 5VDC    
     Io : 500mA 
     Fs : 31.372kHz   
*/ 

int Output_PWM = 0;   
int Voutput = 0;     
int Setpoint = 247;   // 247 = 5V @ Voltage output  
double error;

void setup()
{
pinMode (3, OUTPUT);   //  PWM Signal Lo Side
pinMode (11, OUTPUT);  //  PWM Signal Hi Side
pinMode (13, OUTPUT);  //  LED Signal OK RUN System
Serial.begin(9600);

TCCR2A=0b10110001;   // Generate inverted PWM signals in output 
TCCR2B=0b00000001;   // Set Fsw = 31.37kHz

delay(500);
digitalWrite(13, HIGH); 
delay(500);
digitalWrite(13, LOW);  
}

void loop()
{ 
          Voutput = analogRead(A1);    // Read ADC A1 for Voutput  
 
       if(Setpoint>Voutput){   
          Output_PWM = Output_PWM+2;        
          goto  OUT_PUT;
         } 
        if(Setpoint<Voutput){  
          Output_PWM = Output_PWM-2; 
          goto  OUT_PUT;
         }          
      
OUT_PUT:    

       if(Output_PWM<1){Output_PWM=0;}      //  Limit Min PWM Signal  
       if(Output_PWM>128){Output_PWM=128;}     //  Limit Max PWM Signal 

       OCR2A = Output_PWM;       // PIN D11 
       OCR2B = 255-Output_PWM;   // PIN D3    
       delay(1);       
       } 

สำหรับโปรแกรมการทำงานของ Arduino UNO (แสดงข้างบน) เป็นโค้ดโปรแกรมทดลองการทำงานเบื้องต้น กล่าวคือตัวบอร์ด Arduino UNO สร้างสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นที่ความถี่ 31.37kHz และกำหนดสัญญาณออกที่ขา D3 และขา D11 จำนวน 2 ช่องแบบเลื่อนเฟส 180 องศา โดยการกำหนดที่รีจิสเตอร์ TCCR2A และ TCCR2B จากนั้นจะรับค่าสัญญาณป้อนกลับ (Voutput Feedback signal) เข้ามาที่ขา A1 เพื่อเปรียบเทียบกับค่าที่กำหนด (Setpoint) แล้วทำการปรับค่าสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่น (รีจิสเตอร์ OCR2A และ OCR2B) โดยจะทำการปรับชดเชยครั้งละ +2 และ -2 เพื่อให้เหมาะสมสำหรับควบคุมการทำงานของวงจรดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์

สำหรับรูปที่ 9 และรูปที่ 10 เป็นการเตรียมการทดลองโดยใช้ดิจิตอลมัลติมิเตอร์ในการวัดค่าแรงดันอินพุตและเอาต์พุต ในส่วนของแคล้มมิเตอร์จะวัดค่ากระแสที่จ่ายให้โหลดทางด้านเอาต์พุต ออสซิลโลสโคปจะวัดสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นจากบอร์ด Arduino UNO ที่ขา D3 และขา D11 เพื่อสังเกตการทำงาน และตัวต้านทานโหลดจะใช้ค่า 10 โอห์ม 20 วัตต์ 2 ตัว

รูปที่ 11 ถึงรูปที่ 13 เป็นการทดลองการทำงานที่ 1 ด้วยการให้วงจรจ่ายกระแสโหลดที่ 250mA จากนั้น สังเกตการทำงานที่เกิดขึ้น โดยเฉพาะการตอบสนองของสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นในรูปที่ 13

ในรูปที่ 14 ถึงรูปที่ 16 เป็นการทดลองการทำงานที่ 2 โดยให้วงจรจ่ายกระแสโหลดเพิ่มขึ้นที่ 500mA และสังเกตการทำงานที่เกิดขึ้น การตอบสนองของสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นในรูปที่ 16 มีค่าเพิ่มขึ้น เมื่อเทียบกับการทดลองที่ 1 ทั้งนี้เพื่อต้องการรักษาแรงดันทางด้านเอาต์พุตให้คงที่

สำหรับการทดลองโครงงานดีซี ทู ดีซี (Two-Phase Synchronous Buck Converter) และใช้บอร์ด Arduino UNO โดยสรุปวงจรสามารถพอใช้งานได้ แต่ความสามารถของการจ่ายกระแสทางด้านเอาต์พุตจากตัวไอซีไม่สูงมากนักเมื่อเทียบกับการต่อวงจรด้วยการใช้เพาเวอร์มอสเฟตแยกกันภายนอก แต่การใช้ไอซี L293D จะเน้นในเรื่องของการออกแบบได้ง่ายและสะดวกหรือการใช้งานทดแทนนั้นเอง ทั้งนี้ตัวโครงงานคงจะเป็นไอเดียอีกแบบหนึ่งของการนำไอซี L293D มาใช้งานกับวงจรดีซี ทู ดีซี สวิตชิ่งคอนเวอร์เตอร์

Reference

1. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/l293.pdf
2. https://www.st.com/resource/en/datasheet/cd00000058.pdf
3. https://www.researchgate.net/figure/Circuit-and-operating-modes-of-two-phase-buck-converter-a-Circuit-b-Mode-1-and-c_fig1_331271726
4. https://www.powerelectronicsnews.com/designing-a-multi-phase-buck-converter-with-digital-controllers/
5. https://www.maximintegrated.com/content/dam/files/design/technical-documents/reference-designs/maxrefdes1033.pdf