PFM Mode DC/DC Synchronous Buck Converter Using STM32F103C8T6 [LEP]

โครงงานนี้เป็นการออกแบบวงจรซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์ โดยใช้วิธีการ PFM : Pulse Frequency Modulation ในการควบคุมการจ่ายกำลังให้โหลด ซึ่งโดยทั่วไปจะใช้วิธืการแบบ PWM : Pulse Width Modulation ที่พบเห็นทั่วไปและเข้าใจการทำงานได้ง่าย โดยในโครงงานนี้จะบอร์ดต้นแบบสำเร็จซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์ เป็นภาคขับกำลังเอาต์พุตและใช้บอร์ด STM32F103C8T6 ในการสร้างสัญญาณ PFM และรับสัญญาณอะนาลอกอินพุตจากสัญญาณป้อนกลับค่าแรงดันทางด้านเอาต์พุต (Vo Feedback) มาประมวลผล

ในรูปที่ 1 และรูปที่ 2 แสดงลักษณะการต่อบอร์ดต้นแบบวงจรซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์และบอร์ดควบคุม STM32F103C8T6 สำหรับทดลอง โดยวงจรทั้งหมดในการทดลองจะเป็นลักษณะเดียวกับเนื้อหาในตอนที่ 1 (www.electronicsdna.com/getting-started-stm32f103c-board-with-arduino-ide-lep) แต่ปรับโค้ดโปรแกรม Arduino ใหม่ให้ควบคุมการทำงานแบบ Pulse Frequency Modulation

/* 
  Simple PFM Mode Control for DC/DC Synchronous Buck Converter 
  
  MCU : STM32F103C8T6
  Vi  : 20V
  Vo  : 5V  
  Io  : 4.5A (Continuous Power : COP)
  R&D by : www.electronicsDNA.com
*/
                      
void setup() {
  Serial.begin(9600);  
  pinMode(PB9, OUTPUT);    // Set pin mode for PFM output signal
}

void loop() {  
  int VFB = analogRead(PA2);   // Reads 0 - 4095  
    
  if (VFB < 2000) {
     digitalWrite(PB9, HIGH);
     delayMicroseconds(8);
     digitalWrite(PB9, LOW);
  }   
}

โปรแกรม Arduino ข้างบนเป็นการทำงานสำหรับควบคุมการสร้างสัญญาณแบบ PFM โดยใช้บอร์ดควบคุม STM32F103C8T6 จะเขียนน้อยมาก ด้วยการกำหนดสัญญาณเอาต์พุต PFM ที่ตำแหน่งขา PB9 จากนั้นจะรับสัญญาณป้อนกลับ (VFB) เป็นค่าแรงดันเอาต์พุตมายังขา PA2 แล้วเปรียบเทียบกับค่าคงที่ 2000 โดยในกรณีที่ค่าแรงดันเอาต์พุตน้อยกว่า 2000 จะทำให้ขา PB9 ส่งสัญญาณพัลซ์ค่าคงที่เท่ากับ 8 ไมโครวินาทีออกไป 1 ครั้ง และในกรณีที่มีโหลดเพิ่มขึ้นการส่งสัญญาณพัลซ์ก็จะต่อเนื่องกันออกไปตามกระแสโหลดต้องการ และเมื่อค่าแรงดันเอาต์พุตมีค่ามากกว่า 2000 จะทำให้ขา PB9 ไม่ส่งสัญญาณพัลซ์ออกไป

รูปที่ 3 และรูปที่ 4 เป็นการวัดสัญญาญ PFM ที่ตำแหน่งขา PB9 (CH1 สัญญาณ PFM และ CH2 วัดค่าแรงดันเอาต์พุต) จากบอร์ดควบคุม STM32F103C8T6 เมื่อวงจรอยู่ในสถานะสแตนบาย (จะมีการเปลี่ยนค่าความถี่ตลอดเวลา) โดยในการทดลองจะกำหนดค่าแรงดันเอาต์พุต (Vo) ไว้ที่ประมาณ 5V และให้แรงดันอินพุต (Vi) ที่ประมาณ 20V ซึ่งจากการทดลองกระแสอินพุตขณะวงจรอยู่ในสถานะสแตนบายค่อนข้างต่ำมาก

รูปที่ 5 และรูปที่ 6 เป็นการทดลองที่ 1 ด้วยการให้วงจรซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์ จ่ายกระแสโหลดที่ประมาณ 2.2A ด้วยตัวต้านทานค่าคงที่ 2.2 โอห์ม จะสังเกตเห็นว่าความถี่สวิตชิ่งจะมีค่าประมาณ 37kHz และแรงดันเอาต์พุตจะเท่ากับ 5.03V (มีค่าลดลงเล็กน้อยที่ 0.04V เมื่อเทียบในสถานะวงจรสแตนบาย)

รูปที่ 7 และรูปที่ 8 เป็นการทดลองที่ 2 ด้วยการให้วงจรซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์ จ่ายกระแสโหลดเพิ่มขึ้นที่ประมาณ 4.5A ด้วยตัวต้านทานค่าคงที่ 1.1 โอห์ม ความถี่สวิตชิ่งจะมีค่าประมาณ 53kHz และแรงดันเอาต์พุตจะเท่ากับ 5.00V (มีค่าลดลง 0.07V เมื่อเทียบในสถานะวงจรสแตนบาย)

สำหรับต้นแบบโครงงานวงจรซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์ โดยใช้วิธีการสร้างสัญญาณพัลซ์แบบ PFM : Pulse Frequency Modulation ควบคุมด้วยบอร์ด STM32F103C8T6 เป็นอีกลักษณะหนึ่งที่ใช้ในวงจรคอนเวอร์เตอร์ ทั้งนี้การควบคุมแบบใช้สัญญาณ PFM ก็มีจุดเด่นที่น่าสนใจเมื่อเทียบกับแบบ PWM ทั้งนี้การเลือกใช้วิธีการสร้างสัญญาณพัลซ์ในการควบคุมนั้น จะขึ้นอยู่กับรูปแบบการนำไปใช้งานของคอนเวอร์เตอร์และผู้ออกแบบคอนเวอร์เตอร์ต้องการ

Reference

1. https://www.researchgate.net/figure/Hysteretic-PFM-buck-regulator-basic-architecture_fig2_241164469
2. https://www.digikey.it/it/articles/using-pfm-to-improve-switching-dc-dc-regulator-efficiency-at-low-loads
3. https://www.ti.com/lit/an/slva236a/slva236a.pdf
4. https://www.qinxtech.com/new/what-is-the-difference-between-pwm-and-pfm/
5. https://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-frequency_modulation
6. https://techweb.rohm.com/product/power-ic/dcdc/897/
7. https://www.semanticscholar.org/paper/PWM-and-PFM-Operation-of-DC-DC-Converters-for-Sengupta/c885a1d9de3a1873e46ee4cecf33983184e6006a
8. https://community.infineon.com/t5/Knowledge-Base-Articles/Difference-Between-PWM-and-PFM-Mode-PWM-vs-PFM/ta-p/251143#.
9. https://www.digikey.co.th/th/articles/the-advantages-of-pulse-frequency-modulation-for-dc-dc-switching-voltage-converters
10. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps61086.pdf
11. https://www.semanticscholar.org/paper/A-PWM-PFM-Dual-Mode-DC-DC-Buck-Converter-with-for-Kim-Kim/ee2e3ba52c8105d9aa70b7975585935108ecd8d0
12. https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/choose-the-right-regulator-for-the-job-part-2-primary-regulator-control-schemes.html
13. https://www.mouser.com/ds/2/100/002-08228_MB39C007_2_ch_DC_DC_Converter_IC_with_PF-931455.pdf
14. https://files.core.ac.uk/download/pdf/79572373.pdf