Synchronous Buck Converter Based on Arduino UNO

จากบทความที่ผ่านมาได้นำเสนอเกี่ยวกับการปรับเซตค่ารีจิสเตอร์ให้กับ Timer2 ของบอร์ด Arduino UNO ไปแล้วนั้น (https://www.electronicsdna.com/arduino-uno-set-timer2) สำหรับโครงงานนี้เป็นจะเป็นการใช้บอร์ด Arduino UNO ในการควบคุมวงจรสวิตชิ่งซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์ (Synchronous Buck Converter Topology) กันต่อ เพื่อให้เราสามารถนำผลที่ได้จากการเซตค่ารีจิสเตอร์ Timer2 นำไปประยุกต์ใช้งานได้ชัดเจนขึ้น โดยจะเป็นการทดลองเบื้องต้นแบบหนึ่งสำหรับเป็นแนวทางในการพัฒนาวงจรให้เหมาะสมกับการนำไปใช้งานในด้านต่างๆ

สำหรับโครงงานนี้จะใช้บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino UNO เป็นตัวควบคุมการทำงานทั้งหมดแบบดิจิตอล (Digital Control) ในโหมดแรงดัน (Voltage mode control) ทั้งนี้เพราะบอร์ดควบคุม Arduino UNO หาซื้อได้ง่ายราคาไม่แพง เรียนรู้การทำงานได้ไม่ยาก และสามารถปรับแต่ง (Easy customization) รวมทั้งแก้ไขการทำงานของวงจรด้วยการเปลี่ยนโปรแกรมเท่านั้น ซึ่งโครงงานนี้บอร์ดควบคุมจะทำงานด้วยกัน 4 ส่วนหลักคือ

• การควบคุมและรักษาเสถียรภาพระบบการทำงานให้คงที่
• รับสัญญาณอินพุตจากค่ากระแส (Is) และแรงดัน (Vs) ของการทำงาน
• ส่งสัญญาณขับ (Driver Signal) ให้กับเพาเวอร์มอสเฟตสวิตชิ่ง
• แสดงผลการทำงานของระบบเพื่อให้เราทราบลักษณะการทำงานและตรวจสอบผลได้

ในรูปที่ 2 เป็นบอร์ดทดลองซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์ โดยบอร์ดทดลองนี้จะทำหน้าที่รับสัญญาณขับ (Driver Signal) จากบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ใดๆ เข้ามาเพื่อขับกำลังให้กับเพาเวอร์มอสเฟต (Power MOSFET) นอกจากนี้ตัวบอร์ดก็ยังส่งสัญญาณป้อนกลับ (Feedback signal) ไปยังบอร์ดควบคุมไมโครคอนโทรลเลอร์ในส่วนของแรงดันเอาต์พุต (Vo) และกระแสเอาต์พุตที่จ่ายออกไป (Io) สำหรับควบคุมการทำงานอีกด้วย

รูปที่ 3 แสดงลักษณะของตัวต้านทานขนาด 10 โอห์ม 20 วัตต์ 2 ตัว ซึ่งจะทำหน้าที่ทดสอบการทำงานของวงจรซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์ที่ทดลองนี้ โดยจะทดลองให้จ่ายกำลังไฟฟ้าที่ประมาณ 5 วัตต์ และ 19 วัตต์ เพื่อสังเกตการทำงานของระบบควบคุม

รูปที่ 4 แสดงภาพรวมกว้างๆ ของการทดลองโครงงานนี้ ซึ่งจะใช้เครื่องมือและอุปกรณ์ทั่วไป และสามารถทดลองการทำงานเบื้องต้นได้ โดยในที่นี้จะเพิ่มตัวต้านทานโหลดอีก 1 ชุด เพื่อใช้ในการทดสอบการทำงานเมื่อวงจรซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์ ต้องจ่ายกระแสเต็มที่ (Full Load) ป้องกันกระแสเกินในลักษณะเอาต์พุตช๊อตเซอร์กิต (Output Short Circuit Protection)

รูปที่ 5 แสดงลักษณะของการทดลองวัดค่ากระแสทางด้านเอาต์พุตด้วยแคล้มมิเตอร์ (Clamp Meter), การวัดสัญญาณขับเพาเวอร์มอสเฟต, การวัดค่าแรงดันอินพุตและเอาต์พุตที่เกิดขึ้นด้วยดิจิตอลมัลติมิเตอร์ (Digital Multimeter) เพื่อสังเกตการทำงานของวงจรที่ทดลองต่างๆ

รูปที่ 6 เป็นวงจรและบล็อกไดอะแกรมการทำงานของวงจรซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์ทั้งหมด เพื่อให้เข้าใจการทำงานและลักษณะการทดลองโครงงานนี้ทั้งหมด

สำหรับโครงงานนี้เป็นโครงงานเล็กๆ เพื่อทดลองการเขียนโปรแกรมบนบอร์ดควบคุม Arduino UNO ในการนำไปประยุกต์ใช้งานกับวงจร ดีซี ทู ดีซี (DC to DC) แบบซิงโครนัสบักคอนเวอร์เตอร์เบื้องต้น ซึ่งคิดว่าโครงงานนี้น่าจะเป็นแนวทางและความรู้เบื้องต้นให้ท่านสามารถพัฒนาวงจรในลักษณะนี้เพิ่มขึ้นครับ

Reference

1. https://techweb.rohm.com/knowledge/dcdc/s-dcdc/02-s-dcdc/92
2. https://www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/app-notes/6/6129.html
3. https://www.ti.com/lit/ug/slvu001a/slvu001a.pdf?ts=1610763349289&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F
4. https://www.onsemi.com/pub/Collateral/NCP3155-D.PDF
5. http://rohmfs.rohm.com/en/products/databook/applinote/ic/power/switching_regulator/buck_converter_efficiency_app-e.pdf
6. https://www.ixys.com/Documents/AppNotes/IXAN0069.pdf
7. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/1773fb.pdf
8. https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AP32319_Synchronous_Buck_converter_with_XMC_Digital_Power_Explorer_Kit-AN-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d462557e6e8901559b9168515eec