PWM สำหรับทดสอบคอนเวอร์เตอร์

“พลัส์วิดท์มอดูเลเตอร์” (Pluse Width Modulator) เป็นวงจรสำคัญอีกตัวหนึ่งที่ใช้ในการออกแบบและทดสอบคอนเวอร์เตอร์ที่ใช้ในสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย เพราะหัวใจสำคัญในการควบคุมค่าแรงดันขาออกของคอนเวอร์เตอร์ ก็คือการควบคุม “ช่วงเวลานำกระแส” ของเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ในวงจรครับ

โดยทั่วเมื่อโหลดดึงกระแสมากขึ้นแรงดันขาออกของคอนเวอร์เตอร์ก็จะลดลง ดังนั้นวงจรควบคุมจึงต้องเพิ่มช่วงเวลานำกระแสให้กับเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์เป็นการชดเชย เพื่อคงค่าแรงดันเอาไว้ ซึ่งในทางกลับกันเมื่อโหลดดึงกระแสน้อยลงช่วงเวลานำกระแสของเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ก็ต้องน้อยลงตามไปด้วยเช่นกัน

วงจรควบคุมที่ใช้กับคอนเวอร์เตอร์ส่วนใหญ่จึงเป็นวงจรในลักษณะ “พลัส์วิดท์มอดูเลต” คือ เมื่อแรงดันป้อนกลับมีค่าน้อยลงความกว้างของเอาท์พุตพลัส์ (ซึ่งนำไปใช้ขับให้เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์นำกระแส) ก็จะมากขึ้น และเมื่อแรงดันป้อนกลับมีค่ามากขึ้นความกว้างของเอาท์พุตพลัส์ก็จะน้อยลงกลับทางกัน

การทดลองเกี่ยวกับคอนเวอร์เตอร์หรือสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายวงจร “พลัส์วิดท์มอดูเลเตอร์” หรือ PWM จึงเป็นสิ่งจำเป็นที่ขาดไม่ได้ครับ

มีวงจรพลัส์วิดท์มอดูเลตที่นำมาใช้ได้ดีอยู่หลายแบบ แต่ที่ราคาถูกและสร้างง่ายที่สุดน่าจะเป็นวงจรที่ใช้ IC ยอดนิยมสำหรับสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายเบอร์ TL494 ครับ เบอร์นี้เป็นคอนโทลเลอร์สำหรับสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายที่เก่ามากแล้ว (วงจรรุ่นเก่าๆ จะใช้กันมาก)  แต่ยังใช้เป็นวงจรพลัส์วิดท์มอดูเลเตอร์สำหรับการทดสอบคอนเวอร์เตอร์ได้ดีทีเดียว ที่สำคัญก็คือ เบอร์นี้หาง่ายและมีราคาถูกครับ ตัวละไม่เกิน 10 บาท

หน้าตาของวงจรจะเป็นตามนึ้ครับ

 

วงจร PWM จากไอซีเบอร์ TL494 สำหรับใช้ทดสอบคอนเวอร์เตอร์

วงจรนี้สามารถใช้ทดสอบคอนเวอร์เตอร์ได้ครบทุกแบบ  ตัววงจรผมดัดแปลงมาจากวงจรทดสอบใน datasheet ของ IC เอง หลักการทำงานของตัวไอซีผมจะขอข้ามไปเพราะมีกล่าวโดยละเอียดใน datasheet และในอินเตอร์เน็ตแล้ว

ความถี่ของวงจร f(osc) ที่ต้องการใช้เป็นความถี่การทำงานของคอนเวอร์เตอร์ จะขึ้นอยู่กับค่า RT กับ CT ซึ่งจะแตกต่างไปตามโหมดการทำงาน สำหรับโหมด Single-ended (Output1 และ Output2 ทำงานพร้อมกัน) สำหรับวงจรที่ใช้เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ตัวเดียวอย่าง ฟลายแบคหรือฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ จะใช้สูตรนี้

สำหรับโหมด Push-pull  ( Output1 และ Output2 สลับกันทำงาน) สำหรับวงจรที่ใช้เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ 2 ตัวสลับกันนำกระแส เช่น พุชพูล ฮาล์ฟบริดจ์ และฟูลบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ จะใช้สูตรนี้ครับ

หมายความว่าในโหมด Push-pull ถ้าใช้ RT กับ CT ค่าเดียวกันกับโหมด Single-ended ความถี่จะหายไปครึ่งหนึ่ง ซึ่งการจะใช้โหมด Push-pull นั้น ให้จ่ายไฟบวกเข้าที่ขา 13 ที่ใช้เป็นตัวเลือกโหมด และแรงดันไฟบวกที่ใช้ก็สามารถใช้แรงดันจากขา 14 ซึ่งมีค่าคงที่ 5V เป็นแรงดันอ้างอิงที่ให้มากับ TL494 อยู่แล้วได้เลย

แต่ถ้าจะใช้โหมด Single-ended ก็ปล่อยขา 13 ให้ลอยเอาไว้ครับ

สำหรับค่า RT และ CT ของวงจร ผมเลือกให้  CT เป็นค่าคงที่เท่ากับ 0.01uF ดังนั้นตั้งค่าความถี่จะได้จากการเปลี่ยนค่า RT เอาครับ ส่วนค่า RT ที่แสดงไว้ในวงจรนี้จะปรับความถี่ได้ตั้งแต่ 20kHz ไปจนถึง 100 kHz ซึ่งน่าจะเพียงพอสำหรับการทดลองเกี่ยวกับคอนเวอร์เตอร์ขั้นพื้นฐานแล้ว

จากวงจรจะเห็นว่าที่ขา 4 นั้นต่อลงกราวด์เอาไว้ ดังนั้นค่าเวลาเผื่อ (dead-time) ของวงจรจะอยู่ที่ประมาณ 3% คือ ความกว้างสูงสุดของพลัส์หรือค่า duty cycle จะอยู่ที่ 97%  ส่วนการตั้งค่าเวลาเผื่อให้ได้มากกว่า 3% (ซึ่งอาจจำเป็นสำหรับโหมด Push-pull เพื่อไม่ให้เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ 2 ตัวนำกระแสพร้อมกัน) ตามคู่มือบอกว่าให้จ่ายแรงดันให้ที่ขา 4 ตั้งแต่ 0V ถึง 3.3V แทนการต่อลงกราวด์ ซึ่งจะปรับค่าเวลาเผื่อได้จาก 3% ไปจนถึง 100% ครับ

การปรับค่าความกว้างพัลส์ (ค่า Duty cycle) ใช้วิธีปรับค่าแรงดันที่ป้อนให้ขา 3 ในวงจรนี้ใช้ค่าแรงดันอ้างอิง 5V ของไอซีที่ขา 4 ได้เลยเพราะแรงดันที่ขา 3 หรือ Feedback เริ่มจาก 0.7V (Duty cycle สูงสุด) ไปจนถึง 4.5V (Duty cycle ต่ำสุด)  R ปรับค่าได้ใช้ค่าเท่าไหร่ก็ได้ครับ ที่ไม่ต่ำเกินไป ผมใช้ค่า 1K แบบ 10รอบ แต่ใช้แบบธรรมดาก็ได้ครับ ที่ใช้แบบ 10 รอบ เพราะจะได้ปรับค่า Duty cycle ที่ต้องการได้ง่ายหน่อยเท่านั้นเองครับ 

ตัวต้านทานที่ต่อลงกราวด์ที่ Output1 กับ Output2 นั้น วงจรนี้ต่อสลับกับวงจรใน data sheet เพื่อให้มีแรงดันมากพอที่จะขับเพาเวอร์มอสเฟตได้เลย หรือจะเพิ่ม totem pole เข้าไปอีกตามรูปก็ได้ครับ

ตัวอย่างวงจร Totem Pole

ตอนนี้เราก็มีครบแล้วทั้งโหลดและพัลส์วิดท์มอดูเลเตอร์ ดังนั้นตอนต่อๆไป ก็จะสามารถทดสอบคอนเวอร์เตอร์แบบต่างๆ ที่ออกแบบเอาไว้ได้แล้วครับ

                   ทดสอบวงจร PWM ที่สร้างขึ้น ใช้แรงดันไฟเลี้ยงวงจรที่ 12V วงจรทำงานในโหมด Single-ended จะเห็นว่า Output1 และ Output2 นั้นทำงานพร้อมกัน

กลุ่มทรานซิสเตอร์ที่เห็นเป็น totem pole ที่เพิ่มเข้ามา ตัว R ปรับค่าได้สีฟ้า 10 รอบ สำหรับปรับค่า duty cycle ส่วนตัวสีดำนั้นปรับค่าความถี่ของวงจรครับ

รูปคลื่นจาก Output1 และ Output2 ในโหมด Single-ended
ปรับค่าเอาไว้ที่ความถี่ 50kHz และ 20% Duty Cycle

รูปคลื่นจาก Output1 และ Output2 ในโหมด Single-ended
ปรับค่าเอาไว้ที่ความถี่ 50kHz และ 90% Duty Cycle

ตั้งค่า RT และ CT ไว้เท่าเดิม แต่เปลี่ยนเป็นโหมด Push-pull  แทน โดยจ่ายไฟ 5V เข้าที่ขา 13  จะเห็นว่าความถี่ของแต่ละเอาท์พุตลดลงเหลือ 25kHz รูปนี้ปรับค่า Duty cycle เอาไว้ที่ 10% ครับ

ที่ค่า RT และ CT เท่าเดิมในโหมด Push-pull แต่ค่า Duty Cycle อยู่ที่ 45%

บทความที่เกียวข้อง

High-Side Gate Drive ด้วยไอซีเบอร์ IR2110

Simple and Efficient PWM