LM393 Dead-time Control for Dependent High and Low side Half-bridge Driver

การทดลองนี้เป็นการสร้างช่วงเวลาที่ตำแหน่ง 0V หรือ เดตไทม์ (Dead-time) ให้กับสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นจาก 1 ช่องสัญญาณ ให้แยกออกเป็น 2 ส่วน ด้วยเปรียบเทียบแรงดัน (Comparator Circuit) โดยใช้ออปแอมป์ LM393 และสัญญาณทั้ง 2 ส่วนนี้จะสามารถนำไปใช้ในการควบคุมคอนเวอร์เตอร์แบบฮาฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ (Half-Bridge converter) หรือวงจรซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์ (Synchronous Buck converter) ได้ดี รวมทั้งสามารถปรับช่วงเวลาเดตไทม์ เพื่อให้เหมาะกับอุปกรณ์สวิตช์ชิ่งกำลังอย่าง เพาเวอร์มอสเฟตและไอจีบีทีได้ตามที่ต้องการ

รูปที่ 1 ตำแหน่งขาใช้งานของไอซี LM393 [Picture by Ref.4]
รูปที่ 2 วงจรภายในไอซี LM393 [Picture by Ref.4]

Datasheet for LM393 Dual Comparator Op-Amp

รูปที่ 3 ลักษณะการต่อใช้งานออปแอมป์แบบคอมพาราเตอร์ [Picture by Ref.4]

ในรูปที่ 1 ถึงรูปที่ 3 เป็นออปแอมป์ LM393 ที่นำมาใช้งานสำหรับทดลองโครงงานนี้ โดยจะแสดงข้อมูลเกี่ยวกับตำแหน่งขาใช้งานของไอซี วงจรภายในตัวไอซีและลักษณะของการต่อใช้งานออปแอมป์แบบวงจรคอมพาราเตอร์

รูปที่ 4 สัญญาณเอาต์พุตที่ได้จากวงจรคอมพาราเตอร์ [Picture by Ref.4]
รูปที่ 5 การนำสัญญาณเดตไทม์มาใช้ในวงจรซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์ [Picture by Ref.5]

รูปที่ 4 เป็นลักษณะของสัญญาณเอาต์พุตที่ได้ของการต่อวงจรคอมพาราเตอร์ (สัญญาณสีแดง) ส่วนสัญญาณสีเขียวรูปฟันเลื่อยจะนำมาเปรียบเทียบกับค่าแรงดันอ้างอิง (+Vref) ในรูปที่ 4 ค่าแรงดันอ้างอิงกำหนดไว้ที่ 2.5V ซึ่งจะป้อนเข้าขา (+) ของออปแอมป์ ส่วนในรูปที่ 5 เป็นลักษณะของการนำสัญญาณเดตไทม์มาใช้ในวงจรซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์

LM393 Dead-time Control for Dependent High and Low side Half-bridge Driver
รูปที่ 6 ลักษณะวงจรที่ใช้ในการทดลองด้วยไอซี LM393
LM393 Dead-time Control for Dependent High and Low side Half-bridge Driver
รูปที่ 7 การต่อวงจรและอุปกรณ์ต่างๆ ให้กับไอซี

รูปที่ 6 และรูปที่ 7 วงจรที่ใช้ในการทดลองสร้างสัญญาณเดตไทม์โดยใช้ไอซี LM393 ในรูปที่ 6 และการต่อวงจรรวมทั้งอุปกรณ์ต่างๆ ให้กับไอซี LM393 บนเบรดบอร์ดในรูปที่ 7

LM393 Dead-time Control for Dependent High and Low side Half-bridge Driver
รูปที่ 8 สัญญาณพัลซ์สี่เหลี่ยมอินพุตสำหรับการทดลองที่ 1 ความถี่ 26kHz เมื่อวัดสัญญาณที่จุด A ในรูปที่ 6
LM393 Dead-time Control for Dependent High and Low side Half-bridge Driver
รูปที่ 9 สัญญาณสามเหลี่ยมอินพุต 26kHz เมื่อวัดสัญญาณที่จุด B ในรูปที่ 6
LM393 Dead-time Control for Dependent High and Low side Half-bridge Driver
รูปที่ 10 สัญญาณเอาต์พุต 26kHz เมื่อวัดสัญญาณที่จุด C และ D ในรูปที่ 6

สำหรับรูปที่ 8 ถึงรูปที่ 10 เป็นการทดลองที่ 1 ด้วยการป้อนสัญญาณอินพุตพัลซ์สี่เหลี่ยมที่ความถี่ 26kHz แล้ววัดสัญญาณที่จุด A จากนั้นวัดสัญญาณที่จุด B ซึ่งจะเป็นสัญญาณสามเหลี่ยม ส่วนสัญญาณที่จุด C และ D จะเป็นเอาต์พุตที่ได้และมีช่วงเวลาเดตไทม์ที่เกิดขึ้น

LM393 Dead-time Control for Dependent High and Low side Half-bridge Driver
รูปที่ 11 สัญญาณพัลซ์สี่เหลี่ยมอินพุตสำหรับการทดลองที่ 2 ความถี่ 50kHz เมื่อวัดสัญญาณที่จุด A ในรูปที่ 6
LM393 Dead-time Control for Dependent High and Low side Half-bridge Driver
รูปที่ 12 สัญญาณสามเหลี่ยมอินพุต 50kHz เมื่อวัดสัญญาณที่จุด B ในรูปที่ 6
LM393 Dead-time Control for Dependent High and Low side Half-bridge Driver
รูปที่ 13 สัญญาณเอาต์พุต 50kHz เมื่อวัดสัญญาณที่จุด C และ D ในรูปที่ 6

รูปที่ 11 ถึงรูปที่ 13 เป็นการทดลองที่ 2 เช่นเดียวกับการทดลองที่ 1 แต่ปรับเพิ่มความถี่ให้สูงขึ้นโดยป้อนสัญญาณอินพุตพัลซ์สี่เหลี่ยมที่ความถี่ 50kHz แล้ววัดสัญญาณที่จุด A และที่จุด B ตามลำดับ ส่วนสัญญาณที่จุด C และ D จะเป็นเอาต์พุตที่ได้ ทั้งนี้การทดลองทั้ง 2 ครั้งจะเป็นช่วงความถี่สวิตชิ่งของการนำไปใช้งานทั่วไป

LM393 Dead-time Control for Dependent High and Low side Half-bridge Driver
รูปที่ 14 ลักษณะการทดลองโครงงานบนเบรดบอร์ด

สำหรับวงจรขนาดเล็กและการทดลองนี้ เป็นการสร้างช่วงเวลาเดตไทม์ อย่างง่ายให้กับสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นที่เพียง 1 ช่อง ให้เป็นสัญญาณขับสำหรับวงจรฮาฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์หรือวงจรซิงโครนัสคอนเวอร์เตอร์ ซึ่งจะต้องใช้ในการขับอุปกรณ์สวิตชิ่งกำลัง 2 ตัว ด้านบนและด้านล่าง (High side and Low side) สำหรับสร้างสัญญาณอินเวอร์เตอร์ภายในวงจรคอนเวอร์เตอร์

Reference

  1. https://www.onsemi.com/pub/collateral/and9135-d.pdf
  2. https://developerhelp.microchip.com/xwiki/bin/view/applications/power/switching-regulators-/design-analyzer/synchronous-buck-converter-overview/
  3. https://www.ti.com/lit/an/slyt358/slyt358.pdf
  4. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm393.pdf
  5. https://www.ti.com/lit/an/slua919/slua919.pdf
  6. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/an-849.pdf
  7. https://en.wikipedia.org/wiki/Comparator
  8. https://developerhelp.microchip.com/xwiki/bin/view/products/amplifiers-linear/comparator-ics/comparators/