Op-amp LM393 Control DC-DC Synchronous Buck Converter [EP1]

โครงงานนี้เป็นการนำออปแอมป์ LM393 มาทำหน้าที่เป็นตัวควบคุมและสร้างสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่น ที่สามารถปรับความกว้างพัลซ์ได้ด้วยใช้แรงดัน และสัญญาณพัลซ์ที่ได้จะนำมาต่อร่วมกับไอซี IR2111 เพื่อแบ่งสัญญาณออกเป็น 2 ส่วนทางด้านบน (High side) และด้านล่าง (Low side) สำหรับขับเพาเวอร์มอสเฟตในส่วนของวงจรอินเวอร์เตอร์ เพื่อควบคุมการทำงานของวงจรซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์ (DC-DC Synchronous Buck Converter : SBC) ทั้งนี้การควบคุมแรงดันเอาต์พุตและการจำกัดกระแสเกินของตัววงจรคอนเวอร์เตอร์ จะใช้อุปกรณ์เพิ่มเติมร่วมกับไอซี LM393 อีกเล็กน้อย

รูปที่ 1 และรูป 2 เป็นการเตรียมอุปกรณ์ต่างๆ และเริ่มประกอบวงจรในส่วนของออปแอมป์ LM393 โดยจะประกอบวงจรต้นแบบบนแผ่น PCB อเนกประสงค์ เพื่อให้ง่ายและรวดเร็วในการทดลองหรือปรับปรุงแก้ไข

รูปที่ 3 แสดงการทดลองวงจรและวัดสัญญาณที่ได้จากออปแอมป์ โดยสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นที่ต้องการนั้น สามารถปรับความกว้างพัลซ์ได้ในช่วง 0-95% ความถี่ของสัญญาณที่ 25kHz-50kHz และแอมปริจูด 12Vp-p-20Vp-p ซึ่งสามารถนำมาใช้งานในวงจรสวิตชิ่งโหมดต่างๆ ทั่วไป

รูปที่ 4 แสดงลักษณะของสัญญาณที่ได้การทดลอง โดยความถี่ของสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นจะเท่ากับ 44.7kHz แอมปริจูดเท่ากับ 12.4Vp-p และปรับความกว้างสัญญาณพัลซ์ไว้ที่ประมาณ 50% โดยสัญญาณที่วัดนี้จะอยู่ที่ตำแหน่งขา 7 ของตัวไอซี LM393 ในรูปที่ 5

สำหรับวงจรที่แสดงในรูปที่ 5 จะเห็นว่าวงจรสร้างสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นจะใช้ไอซีเบอร์ LM393 เพียง 1 ตัว ทั้งนี้ภายในตัวไอซีจะมีออปแอมป์ให้ใช้งานได้ 2 ตัว โดยออปแอมป์ตัวแรก (U1:1) จะทำหน้าที่สร้างสัญญาณสามเหลี่ยมออกมาที่ขา 2 จากนั้นสัญญาณที่ได้นี้จะถูกป้อนเข้ามายังขา 6 ของออปแอมป์อีกตัวหนึ่ง (U1:2) โดยนำมาเปรียบเทียบ (Comparator) ที่ขา 5 ซึ่งเป็นค่าแรงดันควบคุมสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่น โดยสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นจากออปแอมป์ (U1:2) จะจ่ายออกมาที่ขา 7

เมื่อได้สัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นจากออปแอมป์ LM393 แล้วสัญญาณนี้จะถูกส่งมายังไอซี IR2111 เพื่อทำหน้าที่แยกสัญญาณออกเป็น 2 ส่วน ที่ตำแหน่งขา 4 (LowDrive) และขา 7 (HiDrive) เพื่อขับเพาเวอร์มอสเฟตวงจรวงจรซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์ หรือใช้กับวงจรฮาร์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ได้เช่นกัน

รูปที่ 7 แสดงลักษณะบอร์ดต้นแบบที่ประกอบเสร็จเรียบร้อย โดยจะใช้ออสซิลโลสโคปวัดสัญญาณเอาต์พุตที่ตำแหน่งขา 4 และขา 7 ที่ตัวไอซี IR2111 สังเกตความถูกต้องของสัญญาณในส่วนของค่าเวลาเดตไทม์ (Dead time) และความสัมพันธ์ระหว่างสัญญาณทางด้านอินพุตและเอาต์พุตที่เกิดขึ้นตลอดช่วงการทำงาน

ในรูปที่ 8 แสดงสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลชั่นที่ได้จากไอซี IR2111 ทั้งสองช่องวัดสัญญาณ (CH1 และ CH2) โดยสัญญาณนี้สามารถนำไปขับเพาเวอร์มอสเฟตสำหรับวงจรซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์ได้ทันที และการปรับขนาดของความกว้างสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลตชั่นจะขึ้นอยู่กับออปแอมป์ LM393 นั้นเอง

สำหรับโครงงาน Op-amp LM393 Control DC-DC Synchronous Buck Converter [EP1] นี้ จะเป็นการสร้างวงจรในส่วนของวงจรควบคุมที่ใช้ออปแอมป์ LM393 (เป็นเบอร์ที่สามารถหาซื้อได้โดยทั่วไปและราคาไปแพง) และในส่วนของวงจรแยกสัญญาณด้วยไอซี IR2111 และสามารถขับเพาเวอร์มอสเฟตได้เลย ทั้งนี้จากการทดลองวัดสัญญาณที่ได้จากวงจรที่ประกอบขึ้นเป็นไปตามที่คาดไว้ ซึ่งในตอนต่อไปจะเป็นการนำบอร์ดต้นแบบนี้ไปต่อใช้งานร่วมกับวงจรซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์ อีกครั้งและปรับแต่งการทำงานร่วมกันให้เป็นไปอย่างถูกต้อง

Reference

1. https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/lm393-d.pdf
2. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm393-n.pdf?ts=1670386400472
3. https://www.st.com/resource/en/datasheet/lm393.pdf
4. https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IR2111-DS-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d462533600a4015355c810e51682
5. https://www.overclock.net/threads/diy-pwm-controller-converts-fake-4-pin-headers-to-pwm.1518819/
6. https://electronics.stackexchange.com/questions/404793/voltage-to-pwm-circuit-need-to-understand-frequency
7. https://darauble.wordpress.com/2015/02/19/pwm-reguliatorius-su-lm393/
8. https://www.electronicsdna.com/fan-speed-control-by-temperature-monitoring-using-op-amp-lm393-ep1/
9. https://www.electronicsdna.com/fan-speed-control-by-temperature-monitoring-using-op-amp-lm393-lep/