Simple Lossless Inductor Current Sensing for DC-DC Converters [EP2]

ในการทดลองโครงงานครั้งนี้เป็นการพัฒนาเพิ่มเติมจากตอนที่ 1 ซึ่งวงจรเดิมสามารถตรวจจับกระแสและแสดงผลด้วยแอลอีดีได้ตามที่กำหนด สำหรับในตอนที่ 2 นี้จะเป็นการออกแบบวงจรเพิ่มในส่วนที่จะทำหน้าที่เชื่อมต่อกับวงจรควบคุมการทำงานคอนเวอร์เตอร์ เพื่อป้องกันกระแสเกิน (Over Current Protection : OCP) ด้วยการให้วงจรหยุดการทำงาน (Over current shutdown) เมื่อกระแสที่จ่ายทางด้านเอาต์พุตมากกว่าค่าที่กำหนดไว้ ทั้งนี้เพื่อให้การทำงานของวงจรดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์ทำงานได้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น

ในรูปที่ 1 ถึงรูปที่ 3 แสดงบอร์ดตรวจจับกระแสเดิมและวงจรควบคุมกระแสที่นำมาต่อเพิ่มเติมตำแหน่งที่ดินสอชี้ ในรูปถัดมาจะเป็นการเชื่อมต่อวงจรต่างๆ เข้าด้วยกันระหว่างบอร์ดทดลอง และในรูปที่ 3 เป็นลักษณะของการเตรียมการทดลองของโครงงาน

สำหรับรูปที่ 4 ถึงรูปที่ 6 เป็นแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงอินพุต (Vi) ในการทดลองโดยจะยังคงกำหนดไว้ที่ประมาณ 40VDC และค่าแรงดันเอาต์พุต (Vo) กำหนดไว้ที่ 13.5V โดยลักษณะของสัญญาณอินเวอร์เตอร์ (CH1) ขณะวงจรสแตนบายและสัญญาณทริกเกอร์ (CH2) ให้วงจรหยุดการทำงานเมื่อเกิดสภาวะกระแสเกิน

ในรูปที่ 7 ถึงรูปที่ 9 แสดงผลการทดลองที่ 1 เมื่อให้วงจรดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์จ่ายกระแสโหลดที่ 5.61A จากนั้นสังเกตสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นที่ตอบสนองต่อกระแสโหลดและสัญญาณทริกเกอร์ยังคงใกล้เคียง 0V และแอลอีดีแสดงผลกระแสเกินสีเขียว (รูปที่ 9) จะยังคงดับอยู่

สำหรับในรูปที่ 10 ถึงรูปที่ 13 แสดงผลการทดลองที่ 2 โดยการทดลองนี้จะทดลองให้วงจรดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์จ่ายกระแสโหลดที่ 10A และเป็นผลให้วงจรตรวจจับกระแสทำงาน ซึ่งจะสังเกตเห็นว่าแอลอีดีแสดงผลกระแสเกินสีเขียว (รูปที่ 9) จะติดสว่างขึ้น จากนั้นการจ่ายสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่น การจ่ายค่าแรงดันและกระแสที่เอาต์พุตจะหยุดลง แต่จะสังเกตเห็นว่าที่ช่องวัดสัญญาณที่ 2 (ในรูปที่ 13) สัญญาณทริกเกอร์จะมีค่าเพิ่มขึ้นมาที่ 2V

ในรูปที่ 14 และรูปที่ 15 เป็นวงจรที่ใช้ในการทดลองโดยในรูปที่ 14 จะไม่ใช้ตัวต้านทาน R12-R14 (0.22R/5W) ตรวจจับกระแสและให้ต่อกราวด์โดยตรงที่เอาต์พุตและโหลด ในส่วนของวงจรควบคุมการทำงานรูปที่ 15 ตำแหน่งกรอบสีส้มจะเป็นการรับสัญญาณทริกเกอร์กระแสเกินจากแอลอีดีสีแดงเข้ามายังทรานซิสเตอร์ Q4 และ Q5 ซึ่งจะต่อร่วมกันในลักษณะของ SCR และเอาต์พุต (Isc) จะไปหยุดการทำงานให้กับทรานซิสเตอร์ Q1 นั้นเอง โดยที่ตำแหน่งสวิตช์ KEY1 (RES OC) จะทำหน้าที่รีเซตการทำงานใหม่เมื่อดเกิดกรณีกระแสเกินขึ้น

สำหรับในการทดลองที่ 2 นี้ เป็นเทคนิคการตรวจจับกระแสที่จะต้องมีวงจรเพิ่มเติมอีกเล็กน้อยเมื่อเทียบกับแบบทั่วไป ซึ่งเดิมจะใช้ตัวต้านทานค่าคงที่ในการตรวจจับกระแส แต่จะช่วยให้การตรวจจับกระแสในวงจรดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์ ลดพลังงานสูญเสียได้อีกทางหนึ่ง สำหรับในการทำลองตอนต่อไป จะเป็นการตรวจจับกระแสอีกรูปแบบหนึ่งที่ใช้วงจรน้อยลง รวมทั้งเข้าใจการทำงานได้ง่ายขึ้น อีกทั้งใช้อุปกรณ์ต่อร่วมไม่มากและจะนำการทดลองมาแชร์ให้ผู้อ่านกันต่อครับ.

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/
10. https://wiki.analog.com/university/courses/electronics/electronics-lab-scr