วงจรทดลองเพื่อศึกษาการทำงานของฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์

บทความตอนนี้เราจะเริ่มทดสอบผลการออกแบบฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์กับวงจรจริงกันแล้วครับ

โดยจะนำค่าต่างๆ ที่ได้คำนวณและจำลองการทำงานของฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ใน LTspice IV (เข้าไปดูได้ใน วิเคราะห์การออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายด้วยโปรแกรม LTSPICE IV ตอนที่ 3) มาทดสอบ ซึ่งเมื่อกำหนดค่าแล้วจะได้วงจรที่จะใช้ทดสอบตามนี้

วงจรที่จะนำมาทดอลงเพื่อดูการทำงานจริงของฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ เพาเวอร์มอสเฟตในวงจรไม่จำเป็นต้องเป็นเบอร์นี้ แต่ขอให้ทนแรงดันได้ 60V กระแส 1A ขึ้นไป 

สำหรับวงจร PWM ผมใช้ TL494 มาปรับเป็นแหล่งกำเนิด PWM ตามที่เคยลงไว้ในบทความตอน PWM สำหรับทดสอบคอนเวอร์เตอร์  ในที่นี้เราจะใช้กับฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ ดังนั้นจึงใช้โหมด Single-ended คือ Output1 และ Output2 ทำงานพร้อมกัน ซึ่งทำได้โดยปล่อยขา 13 ให้ลอยไว้ ส่วน output นั้นเลือก Output ไหนมาใช้ก็ได้ครับ 

วงจร PWM ที่จะนำมาใช้ควบคุมการทำงานของวงจร

สำหรับวงจรนี้สัญญานจาก output1 หรือ output2 ของ TL494 ก่อนต่อเข้าขา G ของเพาเวอร์มอสเฟต (PWM_A) ผมใส่วงจร Totem Pole คั่นเอาไว้ด้วย 

เพาเวอร์มอสเฟตใช้เบอร์ R6004ENDTL ของ Rohm แต่ไม่จำเป็นต้องใช้เบอร์นี้ก็ได้ขอให้ทนแรงดันได้ประมาณ 60V ที่กระแส 1A ขึ้นไปก็พอ ที่ใช้เบอร์นี้เพราะเห็นว่าถูกดีและเป็นแบบ surface mount ซึ่งทำให้ตัวเล็กหน่อย ไดโอดใช้ Schottky เบอร์อะไรก็ได้เช่นกัน ขอให้ทนกระแสได้ประมาณ 1A ก็พอ วงจรนี้ผมใช้เบอร์ RB050L-60TE25 เป็นแบบ surface mount เหมือนกัน

ต่อมาเป็นตัวอุปกรณ์สำคัญคือ "หม้อแปลงสวิตชิ่ง" ตัวที่ใช้ในวงจรนี้พันขึ้นใช้เอง วิธีการออกแบบหม้อแปลงให้ดูรายละเอียดได้ในในหนังสือ “เทคนิคและการออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย” ผมจะข้ามไปก่อน แล้วจะเข้ามาเขียนการออกแบบและการพันหม้อแปลงสวิตชิ่งโดยละเอียดให้อีกทีครับ

การพันหม้อแปลงสามารถทำได้หลายวิธี แต่โดยพื้นฐานแล้วอาจเริ่มจากสูตรนี้ในการพันหม้อแปลงก็ได้

โดยหัวใจสำคัญก็คือ ต้องกำหนดค่าอินดัคแตนซ์ของขดลวดไพรมารี่หรือหาค่า  Lp ( หน่วยเป็นเฮนรี่  H ) ก่อน จากนั้นให้ประมาณกำลังงานที่ต้องการจากหม้อแปลงออกมาคร่าวๆ เราก็จะกะขนาดของแกนเฟอร์ไรต์ได้ ซึ่งก็จะได้ค่า Ae (หน่วยเป็น cm2)  ตามมา แล้วกำหนดค่าช่องอากาศคั่นทางเดินฟลักซ์แม่เหล็ก lg (หน่วยเป็น mm) ซึ่งเรากำหนดได้เองหรือเลือกจากแกนเฟอร์ไรต์ที่ทำมาเป็นแบบมี gap อยู่แล้วก็จะหาได้ค่า lg เช่นกัน

สุดท้ายเมื่อคำนวณออกมาก็จะได้ค่า Np เป็นจำนวนรอบในการพันขดลวด ในทางปฎิบัติบางครั้งอาจต้องทำกลับไปมาหลายๆ ครั้ง ถึงจะลงตัวครับ 

ในที่นี้เรามีค่า Lp แล้วคือ 162 x 10-6 H และเนื่องจากตัวอย่างนี้หม้อแปลงไม่ต้องจ่ายกำลังงานสูง ผมจะใช้แกนขนาดเล็กหน่อยแต่ไม่เล็กจนเกินไปจนพันขดลวดลำบาก คือ EFD20/10/7 ของ EPCOS เบอร์ B66417GX187 ถ้าหาแกนนี้ไม่ได้ก็ให้ใช้แกน EE20 หรือ EI20 หรือใกล้เคียงก็ได้เช่นกัน ขอแค่ให้รู้ค่า Ae ของแกนก็พอ ที่ใช้เบอร์นี้เพราะต้องการสเปคที่ชัดเจนและหามาใช้ได้ง่ายสำหรับผม  (ตัวนี้มี gap ให้เลือกใช้หลายขนาด)

แกนเฟอร์ไรต์ EFD20/10/7 ที่ใช้นี้มีขนาด Ae = 0.31 cm2  ผมประมาณคร่าวๆ จะใช้ ค่า lg ประมาณ 0.01 mm. ดังนั้น

เมื่อเลือกให้เป็นเลขลงตัวก็จะได้ Np=20 รอบ จากนั้นคำนวณหาจำนวนรอบ Ns จากอัตราส่วนจำนวนรอบ Np:Ns ที่เคยคำนวณเอาไว้ คือ น้อยกว่าหรือเท่ากับ 6 ลงมา ซึ่งจะได้  Ns = 20/6= 3.33 ปัดขึ้นเป็น 4 เพื่อให้อัตราส่วนจำนวนรอบน้อยกว่า 6  ดังนั้นเลือก Ns=4 รอบ และ Np:Ns ใหม่จะเท่ากับ 5:1

ผลการทดสอบอัตราส่วนจำนวนรอบ Np:Ns เมื่อพันเสร็จแล้ว ด้วยการจ่ายแรงดันคลื่นรูปไซน์ที่ความถี่ 100kHz วัดค่าแรงดันแต่ละขดเปรียบเทียบกัน ได้ Np:Ns ประมาณ 4.5 ตามรูปข้างล่างนี้ครับ

ผลการทดสอบหม้อแปลงที่พันขึ้นซึ่งวัดค่า Np:Ns ได้ประมาณ 4.5 (10.58/2.347)  และวัดจากขาที่ต้องต่อเข้าวงจรเพือวัดเฟสของขดลวดไปพร้อมกันด้วย

สำหรับช่องอากาศ lg ผมใช้เทปฉนวนที่วัดความหนาได้ประมาณ 0.02mm คั่นตรงกลางแกน ประมาณแรงกดประกบแกนเข้าด้วยกันแล้ว คิดว่าความหนาน่าจะเหลือประมาณ 0.015 mm  เมื่อใช้สูตรข้างบนเอามาย้อนหาค่า Lp ที่ควรจะเป็นของหม้อแปลงตัวนี้จะได้

ผมลองวัดค่า Lp ของหม้อแปลงที่พันขึ้นด้วยเครื่อง LCR มิเตอร์ วัดได้ค่าประมาณ 111 x 10-6 H  ก็ยังถือว่าไม่ต่างกันมากนักและอยู่ในช่วงที่ออกได้แบบไว้ การทำงานจึงไม่น่าจะมีปัญหาอะไร

ต่อไปก็เริ่มประกอบวงจรและทดสอบการทำงานกันได้เลย รูปข้างล่างคือวงจรที่ประกอบขึ้นและนำมาทดลอง ที่เห็นมีตัวอุปกรณ์มาบนบอร์ดมากเกินกว่าในวงจรนั้น เป็นเพราะลายปริ๊นต์บนบอร์ดเขียนเผื่อไว้ให้ใช้ทดสอบได้ตั้งแต่ฟลายแบค ฟอร์เวิร์ด ไปจนถึงพุชพูลคอนเวอร์เตอร์เลย อุปกรณ์บางตัวใส่ค้างไว้แล้วยังไม่ได้เอาออกก็มีครับ

เริ่มทดสอบวงจรเพื่อดูความสามารถที่จะคงค่าแรงดันที่ 5V เมื่อตั้งค่าโหลดให้คงที่ไว้ 300mA ทดสอบที่ช่วงแรงดันขาเข้า 2จุด คือที่ 7V กับ 12V  (อันนี้เป็นการทดสอบ line regulation) เมื่อตั้งแรงดันขาเข้าไว้ที่ 7V ผลการปรับช่วงเวลานำกระแสได้ค่า ton ที่ประมาณ 21.96 x 10-6 วินาที (จากที่คำนวณไว้ 27.36  x 10-6 วินาที)

และเมื่อปรับแรงดันขาเข้าไว้ที่ 12V ผลการปรับช่วงเวลา ton ของวงจรเพื่อให้ได้แรงดันขาออก 5V และกระแสขาออก 300mA  ได้ค่า ton ประมาณ 12.25 x 10-6 วินาที 

สรุปเบื้องต้นได้ว่าวงจรทำงานได้ตามข้อกำหนดที่ต้องการไม่มีปัญหาอะไร

รูปคลื่นของ PWM แสดงความกว้าง pluse ที่ปรับให้ได้ค่าแรงดันขาออก 5V โหลด 300mA ซึ่งจะได้ค่า ton ที่ 21.96 x 10-6 วินาที เมื่อตั้งค่าแรงดันขาเข้าไว้ที่ 7V

แสดงความกว้าง pluse ของ PWM mujปรับให้ได้ค่าแรงดันขาออก 5V โหลด 300mA ซึ่งได้ค่า ton ที่ 12.25 x 10-6 วินาที เมื่อตั้งค่าแรงดันขาเข้าไว้ที่ 12V

ต่อไปวัดค่ากระแสสูงสุดที่ฝั่งไพรมารี่หรือกระแสที่ไหลผ่านขดลวดไพรมารี่ (ซึ่งจะไหลผ่านตัวเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ด้วย) วัดค่ากระแสสูงสุดได้ที่ประมาณ 1.17A  ที่ ton ประมาณ 12.25 x 10-6 วินาที ส่วนกระแสที่ฝั่งเซคั่นดารี่วัดได้ประมาณ 4.76V  จะเห็นว่ามีค่าสูงกว่าฝั่งไพรมารี่มาก ซึ่งเป็นไปตามค่าอัตราส่วนจำนวนรอบ คือ Is =(Np/Ns)Ip

ลักษณะกระแสที่ไหลผ่านขดลวดไพรมารี่ จะเห็นว่าค่ากระแสเริ่มจากศูนย์ในทุกช่วงการนำกระแสของเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ ซึ่งเป็นลักษณะของการทำงานในโหมดกระแสไม่ต่อเนื่อง

ลักษณะกระแสที่ไหลผ่านขดลวดเซคั่นดารี่ จะเห็นว่าค่ากระแสลดลงจนเป็นศูนย์ก่อนหมดคาบเวลา และมีค่าสูงสุดสูงกว่ากระแสที่ไหลผ่านขดลวดไพรมารี่มาก   

เมื่อวัดดูรูปคลื่นแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ขณะทำงาน (แรงดัน VDS ) สามารถวัดแรงดันสไปค์ที่เกิดขึ้นได้สูงถึง 140V และเกิดเรโซแนนซ์เมื่อกระแสที่ขดเซคั่นดารี่ลดลงจนมีค่าเป็นศูนย์ไปแล้ว รวมทั้งค่าแรงดันที่ตกคร่อมจะมีค่าสูงเท่ากับ (Np/Ns)Vs + Vin เมื่อยังมีกระแสที่ขดเซคั่นดารี่ไหลอยู่

แต่ที่น่าสนใจก็คือลักษณะรูปคลื่นของแรงดันที่เกิดขึ้นจริงนั้น ค่อนข้างใกล้เคียงกับผลที่ได้จากการจำลองการทำงานของวงจรใน LTspice IV มากเลยทีเดียว

ลักษณะของแรงดันตกคร่อมที่ตัวเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ขณะหยุดนำกระแส จะเห็นว่ามีสไปค์เกิดขึ้นค่อนข้างสูง ส่วนเรโซแนนซ์ที่เกิดขึ้นจะเห็นว่ามี Damping หน่วงให้เป็นลักษณะลาดชันลงมา

รูปคลื่นที่ได้จากการจำลองการทำงานวงจรฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ใน LTspice IV ซึ่งค่อนข้างใกล้เคียงกับที่เกิดขึ้นเมื่อประกอบวงจรให้ทำงานจริง 

และเมื่อใส่วงจร RCD สนับเบอร์ให้วงจร ก็สามารถลดแรงดันสไปค์ที่เกิดขึ้นได้อย่างมีนัยสำคัญ

แสดงรูปคลื่นแรงดันเมื่อใส่สนับเบอร์เข้ามาในวงจรจะทำให้ค่าสูงสุดของแรงดันสไปค์ที่เกิดขึ้นลดลงได้มาก

อย่าลืมว่าวงจร RCD สนับเบอร์นั้นจะดึงกระแสส่วนหนึ่งไปเพื่อกดแรงดัน และทำให้เกิดกำลังงานสูญเสียในวงจรสนับเบอร์ด้วย ซึ่งตัวต้านทานในสนับเบอร์จะร้อน ต้องระวังเรื่องความร้อนและเลือกใช้ตัวต้านที่มีค่าวัตต์ที่เหมาะสมให้มันด้วย

ที่กล่าวมาทั้งหมดข้างต้นนี้เป็นการทำงานในโหมดกระแสไม่ต้องเนื่อง ฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ยังสามารถทำงานที่โหมดกระแสต่อเนื่องได้ด้วยเช่นกัน แต่การนำมาใช้จริงอาจยุ่งยากไปหน่อย (เรื่องการพันหม้อแปลงและการปิดลูปวงจรควบคุม) เลยไม่ค่อยนิยม แต่ผมจะทดลองเอาไว้ด้วย เพื่อให้ดูลักษณะรูปคลื่นกันครับ

สำหรับโหมดกระแสต่อเนื่องของฟลายแบคให้พิจารณากลับกันกับโหมดกระแสไม่ต่อเนื่อง คือ ให้กำหนดช่่วงเวลานำกระแสที่ต่ำที่สุดจากค่าแรงดันขาเข้าสูงสุด แล้วนำมาคำนวณหาค่า Lp ที่จะยังคงทำงานที่โหมดกระแสต่อเนื่องอยู่ได้

ในที่นี้จะกำหนดช่วงเวลานำกระแสต่ำที่สุดไว้ไม่เกิน 0.2T (ดิวตี้ไซเคิลเท่ากับ 0.2) ดังนั้นจะได้ ton(min) เท่ากับ 0.2x40x10-6 = 8x10-6 วินาที

ต่อไปกำหนดค่ากระแสต่ำสุดที่ฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์จะต้องคงการทำงานในโหมดกระแสต่อเนื่อง ในที่นี้จะกำหนดให้เท่ากับ 100mA ที่ค่าแรงดันขาเข้าสูงสุดและช่่วงเวลานำกระแสที่ต่ำที่สุด ซึ่งจำคำนวณหาค่า Lp ของขดลวดไพรมารี่ได้ตามสมการ

 D คือ ค่าดิวตี้ไซเคิล และเพื่อไม่ให้จำนวนรอบมากเกินไป ในที่นี้ผมจะเลือก Np/Ns = 1 ดังนั้น

คำนนวณแล้วได้ Lp ที่ 716.8 x 10-6 H จากนั้นนำไปคำนวณจำนวนรอบขดลวดไพรมารี่ Np ของหม้อแปลงตามวิธีที่ได้กล่าวมาแล้วตอนต้นๆ ต่ออีกที ซึ่งจะได้ Np=Ns=45 รอบ

เมื่อวงจรทำงานจะได้ลักษณะรูปคลื่นดังนี้ครับ

ลักษณะรูปคลื่นของกระแสที่ขดลวดฝั่งไพรมารี่ (บน) และฝั่งเซคั่นดารี่ (ล่าง) ของวงจรทดลองฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์เมื่อทำงานในโหมดกระแสต่อเนื่อง (ที่แรงดันขาเข้า 7V)

ลักษณะรูปคลื่นของกระแสที่ขดลวดฝั่งไพรมารี่ (บน) และฝั่งเซคั่นดารี่ (ล่าง) ของวงจรทดลองฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์เมื่อทำงานในโหมดกระแสต่อเนื่อง (ที่แรงดันขาเข้า 12V) 

จะเห็นว่าค่ากระแสสูงสุดของฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ที่ทำงานในโหมดกระแสต่อเนื่องจะต่ำกว่าโหมดกระแสไม่ต่อเนื่องมาก แต่ข้อด้อยของการใช้งานในโหมดกระแสต่อเนื่องมีมากกว่าจึงไม่ค่อยนิยมใช้กันครับ

ทั้งหมดนี้ผมคิดว่าน่าจะเพียงพอที่จะศึกษาและทดลองสร้างฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์เพื่อให้เกิดความเข้าใจในขั้นต้นได้แล้ว ส่วนการออกแบบฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ให้ทำงานที่แรงดันไฟบ้าน (220VAC) ได้นั้นก็ทำได้ในทำนองเดียวกันครับ แต่ต้องระวังเรื่องความปลอดภัยด้วยเป็นอย่างมาก ในทางปฏิบัติสำหรับมือใหม่ผมไม่แนะนำให้ทดลองเองโดยไม่มีผู้เชี่ยวชาญคอยแนะนำนะคร้บ