Simple Half-Bridge Topology Switching Mode Power Supply Using IR2153 (EP1)

สำหรับโครงงานนี้เป็นการทดลองนำไอซีเบอร์ IR2153 มาใช้ในการควบคุมวงจรสวิตชิ่งโหมด เพาเวอร์ซัพพลาย (Switching Power Supply) แบบฮาร์ฟบริดจ์ (Half-Bridge Topology) ในรูปแบบ Asymmetric Half-Bridge Converter ซึ่งจะมี 2 ตอน โดยให้สามารถรับค่าป้อนกลับ (Feedback Signal) แรงดันที่เอาต์พุต เพื่อนำมาปรับระดับการทำงานให้คงที่ ทั้งนี้วงจรแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงสวิตชิ่งจะต้องจ่ายกระแสโหลดค่าต่างๆ ที่อาจไม่เท่ากัน โดยในตอนที่ 1 นี้จะเป็นการต่อบอร์ดควบคุมด้วยไอซี IR2153 และทดลองในเรื่องการป้องกันกระแสเกิน (Current limiter circuit) และการควบคุมแรงดันเอาต์พุตให้คงที่ (Voltage regulator) ครับ

รูปที่ 1 แสดงลักษณะของอุปกรณ์ต่างๆ ที่ใช้ในการประกอบบอร์ดควบคุมด้วยไอซี IR2153 ซึ่งจะใช้อุปกรณ์ที่สามารถหาซื้อมาใช้งานได้ทั่วไป ซึ่งตามแนวคิดของแอดมินเอง คือ การออกแบบวงจรที่ใช้ไอซีควบคุมทั่วไป แต่ใช้การปรับแต่งวงจรด้วยอุปกรณ์ง่ายๆ เพื่อให้ได้วงจรสวิตชิ่งที่สามารถใช้งานได้ทั่วไป

รูปที่ 2 เริ่มประกอบบอร์ดเบื้องต้น โดยจะหาตำแหน่งวางตัวไอซี IR2153 ก่อน จากนั้นตามด้วยอุปกรณ์ข้างเคียงทั้งนี้เราจะพิจารณาระยะพื้นที่บนบอร์ดของวงจรอื่นๆ ที่จะมาประกอบเพิ่มคือ ส่วนของวงจรควบคุมแรงดันเอาต์พุตให้คงที่และการป้องกันและควบคุมกระแสเกิน

รูปที่ 3 ลักษณะของบอร์ดทดลองที่ประกอบบอร์ดเสร็จแล้วบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) อเนกประสงค์ ทั้งนี้ตัวบอร์ดเป็นวงจรต้นแบบครั้งที่ 1 สำหรับทดสอบการทำงานและเพื่อให้ง่ายต่อการปรับแต่งหรือแก้ไขเพิ่มเติม จากนั้นจะนำบอร์ดไปทดลองวัดสัญญาณต่อเพื่อให้วงจรสามารถทำงานได้ตามออกแบบไว้

รูปที่ 4 แสดงวงจรที่ออกแบบและใชัในการทดลอง ซึ่งถ้าสัเกตแล้วจะคล้ายกับวงจรในโครงงานที่ผ่านมาคือ IR2153 Control DC-DC Synchronous Buck Converter แต่จะมีบางส่วนที่ปรับใหม่ให้ทำงานกับแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงวงจรที่แรงดันสูงขึ้น

รูปที่ 5 เป็นสัญญาณที่เกิดขึ้นจากไอซี IR2153 ที่ขา 7 (High side) และขา 5 (Low side) เมื่อเราจ่ายไฟเลี้ยงให้กับวงจรที่ประมาณ 15V และกำหนดความถี่สวิตชิ่งที่ประมาณ 36kHz โดยจากรูปสัญญาณจะเห็นว่าสัญญาณทางด้าน High side รูปสัญญาณข้างบนจะมีดิวตี้ไซเกิลกว้างและ Low side จะแคบทั้งนี้เป็นการกำหนดการทำงานเบื้องต้นให้กับตัวไอซี โดยค่าที่กำหนำจะเป็นตัวต้านทาน R12 และ R13 ในวงจรรูปที่ 4

ในรูปที่ 6 แสดงการทดสอบการทำงานของวงจรควบคุมแรงดันเอาต์พุตให้คงที่ จะใช้วิธีการนำเพาเวอร์ซัพลายอีก 1 ตัวทำหน้าที่เปรียบเสมือนแรงดันเอาต์พุต แล้วป้อนเข้าที่ตำแหน่ง +VFB และกราวด์ (GND) โดยในวงจรนี้จะทดลองกำหนดค่าแรงดันเอาต์พุตไว้ที่ 15V (สามารถปรับเป็นค่าอื่นได้จาก RP1) และเมื่อเราปรับแรงดันของเพาเวอร์ซัพลายมากกว่า 15V จะทำให้สัญญาณขับที่ขา 7 และขา 5 จะหายไป ในทางกลับกันเมื่อปรับแรงดันของเพาเวอร์ซัพลายน้อยกว่า 15V สัญญาณขับที่ขา 7 และขา 5 ก็จะเกิดขึ้น

รูปที่ 7 แสดงการทดลองวงจรป้องกันและควบคุมกระแสเกิน ซึ่งจากทดลองจะคล้ายกับวงจรควบคุมแรงดันเอาต์พุต ทั้งนี้เราจะใช้ตัวต้านทานประมาณ 100 โอห์มต่ออนุกรมกับไฟเลี้ยง +15V เข้ามาที่ตำแหน่ง Ics ใกล้กับ R7 โดยในกรณีที่เราไม่ต่อที่ไฟเลี้ยง +15V สัญญาณขับที่ขา 7 และขา 5 จะมีปกติ แต่เมื่อเราต่อไฟเลี้ยง +15V จะทำให้สัญญาณขับที่ขา 7 และขา 5 จะหายไป

สำหรับโครงงานนี้ในตอนที่ 1 จะเป็นการประกอบบอร์ดควบคุมสวิตชิ่งโหมด เพาเวอร์ซัพพลายแบบฮาร์ฟบริดจ์ โดยใช้ไอซีเบอร์ IR2153 รวมทั้งการวัดสัญญาณและการทดลองการทำงานของวงจรในส่วนของการควบคุมแรงดันเอาต์พุตให้คงที่ การป้องกันและควบคุมกระแสเกินในเบื้องต้น สำหรับในตอนต่อไปจะเป็นการประกอบส่วนของวงจรขับกำลังต่างๆ เข่น เพาเวอร์มอสเฟต, การพันหม้อแปลงสวิตชิ่งและส่วนของวงจรทางด้านเอาต์พุตกันต่อครับ.

Reference

1. http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/01114A.pdf
2. https://www.ti.com/seclit/ug/slyu036/slyu036.pdf
3. https://www.onsemi.com/pub/Collateral/Smpsrm-D.PDF
4. https://www.st.com/resource/en/application_note/cd00003910-topologies-for-switch-mode-power-supplies-stmicroelectronics.pdf
5. https://www.st.com/resource/en/application_note/cd00157315-solution-for-150-w-half-bridge-resonant-dcdc-converter-stmicroelectronics.pdf
6. https://www.iitk.ac.in/npsc/Papers/NPSC2014/1569978049.pdf
7. https://www.nxp.com/files-static/dsp/doc/ref_manual/DRM074.pdf
8. https://en.wikipedia.org/wiki/Switched-mode_power_supply
9. https://th.rs-online.com/web/p/transformer-ferrite-cores/1678311
10. https://docs.rs-online.com/4800/0900766b813c0db8.pdf