Simple Lossless Inductor Current Sensing for DC-DC Converters [EP3]

ในตอนที่ 3 ของการทดลองการตรวจจับกระแสในวงจรดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์อีกแบบหนึ่ง โดยการพันขดลวดอีก 1 เส้น (Secondary winding) ร่วมกับตัวเหนี่ยวนำเอาต์พุตในแกนเดียวกัน ซึ่งเป็นวิธีการที่ง่ายและใช้อุปกรณ์สำหรับต่อวงจรไม่มาก โดยสัญญาณที่ได้จากขดลวดดังกล่าวจะแยกกันอิสระ (Isolation) กับแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์ ซึ่งสามารถนำสัญญาณไปใช้ในควบคุมได้ทั้งแบบอะนาลอกทั่วไป หรือสำหรับการประมวลผลด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์ได้ง่าย

ในรูปที่ 1 ถึงรูปที่ 3 เป็นการใช้สายไฟสีแดงพันสำหรับตรวจจับกระแสที่ตัวเหนี่ยวนำเอาต์พุต จากนั้นจะให้วงจรตรวจจับกระแสแสดงผลเมื่อกระแสเกินด้วยแอลีดีสีแดง และในรูปที่ 3 จะเป็นการต่อสัญญาณที่ได้มายังวงจรตรวจจับและการรับไฟเลี้ยงจากส่วนของวงจรควบคุม

จากในรูปที่ 6 จะเห็นว่าสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลตชั่นจะมีลักษณะคล้ายกันทั้ง 2 ช่อง โดยสัญญาณวัดสัญญาณช่องที่ 1 จะได้จากเอาต์พุตอินเวอร์เตอร์ (ที่ตำแหน่งขา S ของเพาเวอร์มอสเฟต Q1) ช่องวัดสัญญาณช่องที่ 2 เป็นสัญญาณที่ได้จากขดลวดสายไฟสีแดงสำหรับตรวจจับกระแส

ในรูปที่ 4 ถึงรูปที่ 7 แสดงการเตรียมการทดลองและการกำหนดค่าแรงดันเอาต์พุตและอินพุตในการทดลอง จากนั้นเป็นการวัดสัญญาณที่เกิดขึ้นของวงจรดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์ ในขณะวงจรทำงานในช่วงของสแตนบาย

รูปที่ 8 ถึงรูปที่ 10 เป็นการทดลองที่ 1 โดยให้วงจรดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์ จ่ายกระแสโหลดที่ 2.26A จากนั้นสังเกตสัญญาณพัลซ์ที่ตอบสนองต่อกระแสโหลด โดยในการทดลองนี้กระแสเอาต์พุตจะยังไม่เกินค่าที่กำหนดและแอลอีดีแสดงผลกระแสเกินยังคงดับอยู่

รูปที่ 11 ถึงรูปที่ 13 เป็นการทดลองที่ 2 โดยให้วงจรดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์ จ่ายกระแสโหลดเพิ่มขึ้นที่ 5.68A จากนั้นสังเกตสัญญาณพัลซ์ที่ตอบสนองต่อกระแสโหลด โดยในการทดลองนี้กระแสเอาต์พุตเกินค่าที่กำหนดและแอลอีดีแสดงผลกระแสเกินจะติดสว่างให้ทราบ

สำหรับในรูปที่ 14 ถึงรูปที่ 16 เป็นการวัดสัญญาณวัดสัญญาณอินเวอร์เตอร์เอาต์พุต (CH1) เทียบกับค่าแรงดันตรวจจับกระแสเมื่อทำการฟิลเตอร์ให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรง (CH2) ในช่วงขณะวงจรกำลังสแตนบาย และเมื่อให้วงจรจ่ายกระแสโหลดที่ 2.62A และ 5.68A ตามลำดับ

ในรูปที่ 17 จะเป็นวงจรที่ออกแบบในส่วนของการตรวจจับกระแสใหม่และใช้ออปแอมป์เบอร์ LM393 แทน โดยให้แอลอีดีสีแดง แสดงสถานะเมื่อกระแสเกินและเราสามารถเปลี่ยนจากการแสดงผลด้วยแอลอีดีเป็นสัญญาณควบคุมต่างๆ ให้กับวงจรส่วนควบคุมพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นในรูปแบบต่างตามที่ต้องการ

สำหรับการทดลองในตอนที่ 3 นี้ จะเป็นการตรวจับกระแสในวงจรดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์อีกแบบหนึ่ง ซึ่งเป็นแนวความคิดของการนำวงจรนี้ไปประยุกต์ใช้งานในรูปแบบต่างๆ โดยผู้อ่านสามารถปรับปรุงลักษณะของสัญญาณที่ได้จากการแสดงผลของแอลอีดี ร่วมกับออปแอมป์ LM393 ที่ต่อใช้งานอยู่ให้กับวงจรอื่นๆได้ตามความเหมาะสม

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