Prototype Switch Mode Power Supply Flyback Converter Topology by Using UC3845B

โครงงานนี้เป็นบอร์ดต้นแบบของแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงสวิตชิ่งขนาดเล็ก (Switch Mode Power Supply) ด้วยโครงสร้างแบบฟายแบกคอนเวอร์เตอร์ (Flyback Converter) เพื่อเป็นการเรียนรู้และทำความเข้าใจเพิ่มเติม โดยแอดมินมีไอเดียที่จะนำความรู้จากการทดลองไปใช้พัฒนาวงจรให้มีขนาดที่ใหญ่ขึ้น หรือสามารถจ่ายกำลังทางด้านเอาต์พุตได้มากขึ้น เพื่อนำไปประยุกต์การใช้งานในระบบอื่นๆ ต่อไป ในส่วนของการควบคุมการทำงานของวงจรนี้จะใช้ไอซีเบอร์ UC3845B ซึ่งเป็นไอซีตระกูลยอดนิยม สำหรับการออกแบบแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงสวิตชิ่งโครงงานนี้ครับ

Prototype Switch Mode Power Supply Flyback Converter Topology by Using UC3845B
รูปที่ 1 บอร์ดต้นแบบที่ประกอบขึ้นสำหรับทดลองโครงงาน

รูปที่ 1 แสดงบอร์ดต้นแบบของแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงแบบสวิตชิ่ง ขนาด 7 วัตต์ (ต่อเนื่อง) ที่แรงดันอินพุตในช่วง 200V-320VDC ค่าแรงดันเอาต์พุตที่ 12V-15V (ปรับค่าได้) ซึ่งตัววงจรประกอบขึ้นมาแบบง่ายบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) อเนกประสงค์

Datasheet for Switching Transformer EE-19

Prototype Switch Mode Power Supply Flyback Converter Topology by Using UC3845B
รูปที่ 2 แสดงการวัดค่าแรงดันเอาต์พุตของบอร์ดโครงงาน (1)
Prototype Switch Mode Power Supply Flyback Converter Topology by Using UC3845B
รูปที่ 3 แสดงการวัดวัดสัญญาณด้วยออสซิลโลสโคป (2)
Prototype Switch Mode Power Supply Flyback Converter Topology by Using UC3845B
รูปที่ 4 ลักษณะของการทดลองโครงงาน

ในรูปที่ 2 และรูปที่ 3 เป็นลักษณะของการเตรียมการทดลองด้วยการวัดค่าแรงดันเอาต์พุตด้วยมัลติมิเตอร์ (รูปที่ 2) และการวัดสัญญาณขับที่ขาเกต (VGS) ของตัวเพาเวอร์มอสเฟตที่ตอบสนองการทำงานต่อโหลด (รูปที่ 3) ในส่วนรูปที่ 4 จะแสดงลักษณะของการทดลองโครงงานทั้งหมด

Prototype Switch Mode Power Supply Flyback Converter Topology by Using UC3845B
รูปที่ 5 สัญญาณขับขาเกตให้กับเพาเวอร์มอสเฟต (CH1) และสัญญาณกระแสที่ไหลผ่านหม้อแปลงสวิตชิ่ง (CH2) ขณะสแตนบาย
Prototype Switch Mode Power Supply Flyback Converter Topology by Using UC3845B
รูปที่ 6 ตัวต้านทานโหลดสำหรับทดลองขนาด 10 โอห์ม 20 วัตต์ 2 ตัว

รูปที่ 5 เป็นการวัดสัญญาณที่ขาเกตสำหรับเพาเวอร์มอสเฟต (CH1) และสัญญาณกระแสที่ไหลผ่านหม้อแปลงสวิตชิ่ง (CH2) ทั้งนี้เพื่อสังเกตความสัมพันธ์ของสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลตชั่นและลักษณะของกระแสที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาต่างๆ ที่จะทำงานได้อย่างเหมาะสม สำหรับในรูปที่ 6 เป็นตัวต้านทานโหลดค่าคงที่ขนาด 10 โอห์ม 20 วัตต์ 2 ตัว เพื่อทดลองการทำงานของวงจรนั้นเอง

Prototype Switch Mode Power Supply Flyback Converter Topology by Using UC3845B
รูปที่ 7 แสดงการวัดค่าแรงดันอินพุตในการทดลองที่ประมาณ 200VDC การทดลองที่ 1
Prototype Switch Mode Power Supply Flyback Converter Topology by Using UC3845B
รูปที่ 8 ค่าแรงดันเอาต์พุตเมื่อป้อนแรงดันอินพุตที่ประมาณ 200VDC การทดลองที่ 1

รูปที่ 7 และรูปที่ 8 แสดงการวัดค่าแรงดันอินพุตสำหรับทดลองที่ 200VDC (หรือที่ 141.44VAC) โดยในการทดลองแอดมินจะแยกส่วนของวงจรเรกติไฟออร์ที่แรงดันสูงออกมาเป็นอีกบล็อกหนึ่ง ในส่วนของแรงดันเอาต์พุตที่ได้จะมีค่า 11.41V ในขณะที่ต่อโหลดค่าความต้านทานที่ 40 โอห์มที่เอาต์พุต

Prototype Switch Mode Power Supply Flyback Converter Topology by Using UC3845B
รูปที่ 9 การวัดค่ากระแสที่เอาต์พุตการทดลองที่ 1

รูปที่ 9 เป็นการทดลองที่ 1 โดยให้วงจรจ่ายกระแสให้กับโหลดที่ 0.53A ที่แรงดันเอาต์พุตประมาณ 11.4V และสังเกตการทำงานของตัววงจรทั้งหมด

Prototype Switch Mode Power Supply Flyback Converter Topology by Using UC3845B
รูปที่ 10 สัญญาณขับขาเกตเพาเวอร์มอสเฟต (CH1) และสัญญาณกระแสที่ไหลผ่านหม้อแปลงสวิตชิ่ง (CH2) การทดลองที่ 1
Prototype Switch Mode Power Supply Flyback Converter Topology by Using UC3845B
รูปที่ 11 ลักษณะของการทดลองที่ 1 เมื่อป้อนแรงดันอินพุตประมาณ 200VDC

รูปที่ 10 และรูปที่ 11 แสดงลักษณะของการทดลองที่ 1 โดยในรูปที่ 10 จะเป็นสัญญาณที่เกิดขึ้นจากการตอบสนองโหลดค่าความต้านทานที่ 40 โอห์ม ซึ่งจะสังเกตเห็นว่าความกว้างของสัญญาณพัลซ์ (CH1) จะเพิ่มขึ้น และลักษณะของสัญญาณกระแสที่ไหลผ่านหม้อแปลงสวิตชิ่งขดลวดปฐมภูมิ (Current of primary : Ip) ยังอยู่ในสภาวะปกติ

Prototype Switch Mode Power Supply Flyback Converter Topology by Using UC3845B
รูปที่ 12 การวัดค่าแรงดันอินพุตในการทดลองที่ประมาณ 310VDC การทดลองที่ 2
Prototype Switch Mode Power Supply Flyback Converter Topology by Using UC3845B
รูปที่ 13 แรงดันเอาต์พุตเมื่อป้อนแรงดันอินพุตที่ประมาณ 310VDC การทดลองที่ 2

รูปที่ 12 และรูปที่ 13 เป็นการทดลองที่ 2 ด้วยการปรับค่าแรงดันอินพุตเพิ่มขึ้นมาที่ 310VDC (หรือที่ 220VAC) ค่าแรงดันเอาต์พุตเพิ่มขึ้นจากเดิมเล็กน้อยคือ 12.17V (รูปที่ 13) ซึ่งในการทดลองยังคงต่อโหลดค่าความต้านทานที่ 40 โอห์มที่เอาต์พุต

Prototype Switch Mode Power Supply Flyback Converter Topology by Using UC3845B
รูปที่ 14 สัญญาณขับขาเกตเพาเวอร์มอสเฟต (CH1) และสัญญาณกระแสที่ไหลผ่านหม้อแปลงสวิตชิ่ง (CH2) การทดลองที่ 2
Prototype Switch Mode Power Supply Flyback Converter Topology by Using UC3845B
รูปที่ 15 การวัดค่ากระแสที่เอาต์พุตการทดลองที่ 2

รูปที่ 14 จะสังเกตเห็นว่าสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลตชั่น (CH1) จะแคบกว่าการทดลองที่ 1 เนื่องจากค่าแรงดันอินพุตที่ป้อนสูงขึ้น ทั้งนี้เพื่อเป็นการปรับชดเชยให้แรงดันเอาต์พุตคงที่และรูปที่ 15 เป็นค่ากระแสเอาต์พุตที่ไหลผ่านโหลดยังคงใกล้เคียงเดิมที่ 0.58A

Prototype Switch Mode Power Supply Flyback Converter Topology by Using UC3845B
รูปที่ 16 วงจรที่ออกแบบและใช้ในการทดลองโครงงาน
Prototype Switch Mode Power Supply Flyback Converter Topology by Using UC3845B
รูปที่ 17 ลักษณะการทดลองโครงงาน (1)
Prototype Switch Mode Power Supply Flyback Converter Topology by Using UC3845B
รูปที่ 18 ลักษณะการทดลองโครงงานทั้งหมด (2)

สำหรับโครงงานแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงสวิตชิ่งที่ใช้โครงสร้างวงจรแบบฟายแบกคอนเวอร์เตอร์นี้ เป็นโครงงานเล็กๆ ที่แอดมินได้ใช้หม้อแปลงสวิตชิ่งที่มีจำหน่ายสำเร็จมาใช้งานในวงจร จึงทำให้การจ่ายกำลังทางด้านเอาต์พุตไม่สูงมากนัก และในการทดลองทั้ง 2 ครั้ง เป็นการทดลองเกี่ยวกับการวัดค่า Line regulation ในเบื้องต้น ซึ่งเป็นคุณสมบัติเด่นของไอซีควบคุม UC3485B กับการทำงานในโหมดกระแส (Current Mode) ทั้งนี้ตามที่กล่าวในข้างต้นแอดมินจะนำความรู้จากการทดลองครั้งนี้ไป พัฒนาวงจรที่สามารถจ่ายกำลังทางด้านเอาต์พุตให้สูงขึ้นต่อไปครับ.

Reference

  1. https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/uc3844-d.pdf
  2. https://www.mouser.com/datasheet/2/149/uc3844-309655.pdf
  3. https://www.ti.com/product/UC3845
  4. https://www.ti.com/lit/ml/slup072/slup072.pdf?ts=1623464319352&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F
  5. https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AN1327-D.PDF
  6. https://www.onsemi.com/pub/Collateral/SMPSRM-D.PDF
  7. http://ww1.microchip.com/downloads/en/appnotes/01114a.pdf
  8. https://www.microchip.com/content/dam/mchp/documents/OTH/ApplicationNotes/ApplicationNotes/00002122B.pdf
  9. https://www.ti.com/lit/an/slua143/slua143.pdf?ts=1623464672735&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F
  10. https://kv-electronics.com/