Simple Dual-Phase Buck Converter by Using SG3524 Controller

โครงงานนี้เป็นการทดลองสร้างคอนเวอร์เตอร์อีกรูปแบบหนึ่ง โดยการเพิ่มเฟสของการขับกำลังไฟฟ้าสำหรับวงจรบักคอนเวอร์เตอร์ ซึ่งเดิมจะเห็นการใช้ภาคขับกำลังเพียง 1 ชุดเท่านั้น แต่ในโครงงานนี้จะ 2 ชุดที่มีชื่อเรียกคล้ายกัน เช่น Dual-Phase Buck Converter, Two-phase buck converter, Two-phase interleaved buck converter, Multi-Phase Buck Converter โดยวงจรลักษณะนี้จะให้เอาต์พุตทั้งสองต่อเข้าด้วยกันสำหรับจ่ายกำลังให้กับโหลด ทั้งนี้รูปแบบการส่งสัญญาณเพื่อขับเพาเวอร์สวิตชิ่งกำลัง จะถูกเลื่อนเฟสออกเท่ากับ 180° ซึ่งมาจาก 360°/n (เมื่อ n คือจำนวนของเฟสสัญญาณขับ) โดยในส่วนของวงจรสร้างสัญญาณขับนั้น จะใช้บอร์ดควบคุมด้วยไอซี SG3524 (โครงงานบอร์ดควบคุมด้วยไอซี SG3524 คลิกที่นี่) ที่นำเสนอในโครงงานที่ผ่านมาเพื่อให้ง่ายขึ้น

รูปที่ 1 จะแสดงแนวความคิดของวงจรบักคอนเวอร์เตอร์แบบหลายเฟส (Multiphase converters) เพื่อให้เข้าใจได้ง่ายขึ้น สำหรับในโครงงานนนี้จะใช้ตัวควบคุมที่สร้างสัญญาณเพียง 2 เฟสเท่านั้น ทั้งนี้เพื่อศึกษาและเป็นการเปรียบเทียบการทำงานระหว่างวงจรบักคอนเวอร์เตอร์แบบ 1 เฟส และ 2 เฟสได้อย่างชัดเจนมากขึ้น (แนะนำอ่านเนื้อหาเกี่ยวกับ Multi-Phase Buck Converter)

รูปที่ 2 ถึงรูปที่ 4 เป็นการเตรียมอุปกรณ์ต่างๆ สำหรับประกอบโครงงานและทำแผ่นวงจรพิมพ์ จากนั้นเริ่มประกอบอุปกรณ์บนแผ่นวงจรพิมพ์และทำการต่อสายไฟเพื่อรับไฟเลี้ยงอินพุตและจ่ายกำลังเอาต์พุตของวงจรที่ออกแบบ

ในรูปที่ 5 ถึงรูปที่ 10 แสดงการเตรียมเครื่องมือและอุปกรณ์สำหรับการทดลองการทำงาน ซึ่งเป็นการทดลองในเบื้องต้น ทั้งนี้ในส่วนของบอร์ดควบคุมด้วยไอซี SG3524 ที่เคยแนะนำสามารถนำมาใช้งานร่วมกับโครงงานนี้ได้

ในรูปที่ 11 ถึงรูปที่ 13 เป็นการทดลองที่ 1 ให้วงจรจ่ายกระแสโหลดที่ 1.17A และสังเกตการตอบสนองสัญญาณขับขาเกตทั้ง 2 สัญญาณ (CH1 และ CH2) และการเปลี่ยนแปลงค่าแรงดันเอาต์พุตที่เกิดขึ้น

ในรูปที่ 14 ถึงรูปที่ 16 เป็นการทดลองที่ 2 โดยจะให้วงจรจ่ายกระแสโหลดเพิ่มขึ้นที่ 2.28A จากนั้นจะสังเกตการตอบสนองสัญญาณขับขาเกตทั้ง 2 สัญญาณ (CH1 และ CH2) ที่เกิดขึ้น รวมทั้งการเปลี่ยนแปลงค่าแรงดันเอาต์พุตอีกครั้ง และจากการทดลองค่าแรงดันเอาต์พุตลดลง 0.78V เมื่อเทียบกับแรงดันที่กำหนดไว้เดิม

รูปที่ 17 เป็นการทดลองให้บอร์ดควบคุมจ่ายสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นเพียง 1 เฟส โดยในรูปจะเห็นเพียงสัญญาณที่ช่องวัดสัญญาณ 1 (CH1) ซึ่งจะสังเกตเห็นว่าความกว้างของสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นจะมีความกว้างเพิ่มขึ้น หรือเท่ากับสัญญาณพัลซ์วิดธ์ช่องวัดสัญญาณที่ 1 (CH1) และ 2 (CH2) รวมกันของรูปที่ 16 ทั้งนี้วงจรจะปรับชดเชยการทำงานเพื่อให้ได้แรงดันเอาต์พุตตามที่กำหนดนั้นเอง

รูปที่18 และรูปที่ 19 เป็นวงจรที่ใช้ในการทดลองโครงงาน โดยในส่วนของบอร์ดควบคุมด้วยไอซี SG3524 จะเป็นโครงงานที่เคยนำมาเสนอไว้บ้างแล้ว ส่วนของวงจรบักคอนเวอร์เตอร์แบบ 2 เฟส จะเป็นการทดลองออกแบบใหม่ ซึ่งจะเน้นใช้อุปกรณ์ที่สามารถหาซื้อมาทดลองได้ทั่วไปและราคาไม่สูงมากนัก

สำหรับการทดลองโครงงานงานนี้จะเห็นลักษณะของการทำงานวงจรบักคอนเวอร์เตอร์อีกแบบหนึ่ง ที่มีจุดเด่นซึ่งแตกต่างจากทั่วไป ในเรื่องของการลดกระแสพีกทางด้านอินพุต (peak currents) และความเครียดของสวิตชิ่งกำลังที่กระแสสูงให้น้อยลง แต่ก็ต้องแลกมาในเรื่องจำนวนของการใช้อุปกรณ์ที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นการเลือกคอนเวอร์เตอร์แบบหลายเฟส (Multiphase converters) ไปใช้งานอาจจะต้องพิจารณาตามความเหมาะสม

Reference

1. https://www.researchgate.net/figure/Circuit-and-operating-modes-of-two-phase-buck-converter-a-Circuit-b-Mode-1-and-c_fig1_331271726
2. https://www.powerelectronicsnews.com/designing-a-multi-phase-buck-converter-with-digital-controllers/
3. https://www.maximintegrated.com/content/dam/files/design/technical-documents/reference-designs/maxrefdes1033.pdf
4. https://www.ti.com/tool/PMP7282
5. https://www.y-ic.pt/datasheet/c0/RT8110BGJ8.pdf
6. https://www.ti.com/lit/an/slva882b/slva882b.pdf?ts=1673159782607&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F
7. https://www.digikey.es/es/articles/the-advantages-of-designing-multiphase-highpower-buck-converters
8. https://www.researchgate.net/figure/Two-phase-buck-converter_fig4_3280849
9. https://www.eetimes.com/coupled-inductors-for-power-supplies-advantages-and-compromises/