Simple Lossless Inductor Current Sensing for DC-DC Converters [EP1]

โครงงานการทดลองนี้เป็นการศึกษาวิธีการตรวจจับกระแสในวงจรดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์ โดยการตรวจับกระแสที่ตัวเหนี่ยวนำเอาต์พุต ซึ่งจะช่วยลดพลังงานสูญเสียภายในวงจรคอนเวอร์เตอร์ให้น้อยที่สุด ซึ่งจะเป็นผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบสูงขึ้น (Efficiency) ทั้งนี้ในการทดลองจะใช้การตรวจจับกระแสแบบ Matched Filter current-sensing technique (อ่านรายละเอียดเพิ่มเติมที่ Ref.3) และใช้วงจรดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์ จากโครงงาน Op-amp-lm393-control-dc-dc-synchronous-buck-converter ที่เคยนำเสนอสำหรับต่อร่วมในการทดลองโครงงานครั้งนี้

ในรูปที่ 1 และรูปที่ 2 เริ่มต้นเตรียมอุปกรณ์ต่างๆ สำหรับประกอบโครงงานและการประกอบจะใช้แผ่นวงจรพิมพ์อเนกประสงค์ (PCB) เพื่อให้ทดลองได้รวดเร็วขึ้น ซึ่งลักษณะการทำงานของวงจรจะแสดงในรูปที่ 18 โดยในตัวบอร์ดต้นแบบจะเห็นว่ามีแอลอีดีสีแดง 1 ดวง สำหรับแสดงผลเพื่อให้ทราบกระแสเอาต์พุตที่กำหนด

รูปที่ 3 รูปที่ 4 เป็นการนำบอร์ดตรวจจับกระแสต่อเข้ากับวงจรดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์ เพื่อทดสอบการทำงานของวงจรที่ออกแบบและปรับแต่งวงจรเพิ่มเติมและในรูปที่ 4 เป็นการเตรียมเครื่องมือและอุปกรณ์ต่างๆ สำหรับการทดลอง

สำหรับรูปที่ 5 และรูปที่ 6 เป็นแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงอินพุตให้กับวงจรดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์ ซึ่งจะกำหนดไว้ที่ประมาณ 40VDC และวัดค่ากระแสเอาต์พุตด้วยแคล้มมิเตอร์

รูปที่ 7 และรูปที่ 8 แสดงการวัดค่าแรงดันเอาต์พุต (Vo) ของวงจรดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์ โดยกำหนดค่าแรงดันเอาต์พุตที่ประมาณ 13.5V และลักษณะของสัญญาณที่วัดได้ขณะวงจรสแตนบาย โดยช่องวัดสัญญาณที่ 1 (CH1) เป็นการวัดสัญญาณที่ตำแหน่งอินเวอร์เตอร์ (SL1) และช่องวัดสัญญาณที่ 2 (CH2) เป็นการวัดสัญญาณที่ตำแหน่งขา 1 ของไอซี U1:1 (ในรูปที่ 18) ซึ่งรูปสัญญาณจะเป็นลักษณะฟันเลื่อย

รูปที่ 9 ถึงรูปที่ 12 เป็นการทดลองที่ 1 โดยให้วงจรดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์ จ่ายกระแสโหลดที่ 5.66A จากนั้นสังเกตค่าแรงดันที่เอาต์พุตและสัญญาณที่เกิดขึ้นจากการทดลอง ซึ่งที่กระแสโหลด 5.66A แอลอีดีแสดงสถานะกระแสเกินยังคงดับอยู่

ในรูปที่ 13 ถึงรูปที่ 16 เป็นการทดลองที่ 2 โดยให้วงจรดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์ จ่ายกระแสโหลดเพิ่มขึ้นที่ 10.48A นสังเกตค่าแรงดันที่เอาต์พุตลดลงเล็กน้อย (0.06V) และสัญญาณที่เกิดขึ้นจากการทดลอง และที่กระแสโหลด 10.48A แอลอีดีแสดงสถานะกระแสเกินจะติดสว่างขึ้นให้ทราบ

รูปที่ 17 แสดงแนวความคิดของการตรวจจับกระแสแบบ Matched Filter current-sensing technique ซึ่งจะขอกล่าวสรุปคือ โดยทั่วไปตัวเหนี่ยวจะมีค่าความต้านทานเสมือนต่ออนุกรมอยู่ในตัว (Equivalent-series resistor : ESR) ซึ่งจะเป็นผลให้เกิดแรงดันตกคร่อมที่ตัวเหนี่ยวนำจากสมการ I_L = V_L+RESR / [LS + R_ESR ] ซึ่งแรงดันที่ตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำจะเป็นสัดส่วนกับกระแสที่ไหลผ่านในตัวเอง และเราสามารถตรวจจับแรงดันตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำนี้ได้ ด้วยการใช้ตัวเก็บประจุและตัวต้านทานที่เหมาะสมมาต่อขนาน (Capacitor-resistor combination) โดยตัวเก็บประจุและตัวต้านทาน (Z₁, Z₂) จะเป็นความต้านทานไฟฟ้ากระแสสลับที่ความถี่สวิตชิ่ง (Impedance) และการตรวจจับกระแสจะสนใจในส่วนของ Z₂ (ตำแหน่ง Vs หรือ Vs4) ที่ตัวเก็บประจุ Cr ซึ่งจะทำหน้าที่เก็บค่าแรงดันตกคร่อมที่เป็นสัดส่วนกับกระแสซึ่งไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำไว้ตามสมการข้างล่าง (รูปสมการอ้างอิงจาก Ref.3)

สำหรับตัวเก็บประจุ (Cf) และตัวต้านทาน (Rf) ที่ใช้สำหรับต่อในวงจรจะได้มาจากสมการข้างล่าง (รูปสมการอ้างอิง Ref.3)

ดังนั้น ค่าแรงดันตกคร่อมที่ตำแหน่ง Vs4 เขียนโดยสรุปคือ Vs4 = (R_ESR x I_L) จากนั้นเราจะใช้วงจรขยายแบบดิฟเฟอเรนเชียลมาตรวจจับแรงดันที่เกิดขึ้นนี้นั้นเอง สำหรับรายละเอียดของการคำนวณต่างๆ แนะนำข้อมูลตามลิ้งอ้างอิงข้างล่าง [Ref.3] สำหรับโครงงานที่นำเสนอครั้งนี้จะใช้ตัวเก็บประจุ (Cf) และตัวต้านทาน (Rf) โดยประมาณในการออกแบบ แต่จะอาศัยการวัดสัญญาณค่าแรงดัน Vs4 ให้เป็นสัดส่วนกับกระแสเอาต์พุตที่เกิดขึ้นในช่วงของการทดลอง

ในรูปที่ 18 เป็นวงจรที่ออกแบบและใช้ในการทดลอง โดยสามารถแบ่งออกเป็น 2 กลุ่มคือ กลุ่มในกรอบเหลี่ยมสีดำจะเป็นส่วนของวงจรดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์เดิมจากโครงงาน Op-amp-lm393-control-dc-dc-synchronous-buck-converter ซึ่งจะต่อสายไฟตรวจจับสัญญาณที่ตำแหน่งตัวเหนี่ยวนำ L1 (SL1 และ SL2) สำหรับวงจรในกรอบสีแดงจะเป็นวงจรตรวจจับกระแส ซึ่งจะมี 2 ส่วนคือ ส่วนของวงจรขยายแบบดิฟเฟอเรนเชียล (Differential amplifier) ตำแหน่ง U1:1 และวงจรเปรียบเทียบสัญญาณ (Comparator) ตำแหน่ง U1:2 และแสดงผลที่เอาต์พุตขา 7 ด้วยแอลอีดีสีแดงให้ทราบผลการทำงาน

สำหรับโครงงานนี้ยังคงเป็นการทดลองในเบื้องต้น ในการตรวจจับกระแสที่ตัวเหนี่ยวนำเอาต์พุต ซึ่งจะใช้ออปแอมป์ทำหน้าที่เป็นวงจรขยายแบบดิฟเฟอเรนเชียลและวงจรเปรียบเทียบสัญญาณตามที่กล่าวข้างต้น และให้การตรวจจับกระแสแสดงผลด้วยแอลอีดีให้ทราบ ในตอนต่อไปจะเป็นการนำสัญญาณที่ตรวจจับได้ส่งต่อไปยังวงจรควบคุมการทำงาน เพื่อให้วงจรทั้งหมดทำงานได้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น

Reference

1. https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/posts/nailing-accurate-and-lossless-current-sensing-in-high-current-converters
2. https://www.semanticscholar.org/paper/A-novel-lossless-digital-inductor-current-sensing-Singh-Goel/c6806b5eb683efa2ba058ffb0a91ec784e7fa471
3. https://www.edn.com/accurate-and-lossless-current-sensing-techniques-for-power-applications-a-practical-myth/
4. https://www.mdpi.com/2079-9292/11/9/1484#
5. https://www.powerelectronictips.com/technology-trends-increased-pol-power-densities-faq/
6. https://www.researchgate.net/publication/224397448_Lossless_Inductor_Current_Sensing_Method_With_Improved_Frequency_Response
7. https://www.semanticscholar.org/paper/Dynamic-effects-of-mismatched-time-constants-in-DCR-Spiazzi-Buso/855ee45da739390196bd17b69788b12f4c4153e9
8. https://www.semanticscholar.org/paper/Design-considerations-of-time-constant-mismatch-for-Hua-Luo/ba481449976d7f66a484e7beef440378d56a9957
9. https://www.electronicsdna.com/op-amp-lm393-control-dc-dc-synchronous-buck-converter-lep/