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

ไก่กับไข่อะไรควรเกิดก่อน กับเรื่องของอิเล็กทรอนิกส์โหลด

เมื่อแรกๆ ที่เริ่มทดลองเกี่ยวกับสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย ผมเจอปัญหาว่าผมควรลงมือสร้างอะไรก่อนดี ระหว่าง “โหลด” กับ “เพาเวอร์ซัพพลาย” ซึ่งด้วยทุนและเวลาที่มีอยู่จำกัดในตอนนั้น มันจึงเป็นอะไรที่ตัดสินใจค่อนข้างยากเลยทีเดียวสำหรับผม

ระหว่างการเลือกทำโหลดอิเล็กทรอนิกส์ดีๆ สักตัว แต่ทำเสร็จแล้วไม่มีเพาเวอร์ซัพพลายมาให้ทดสอบการทำงานของโหลด หรือจะทำเพาเวอร์ซัพพลายให้เสร็จก่อน แต่ก็ไม่มีโหลดมาใช้ทดสอบซัพพลายทำขึ้นมาเหมือนกัน

มันรู้สึกคล้ายๆ ปัญหา “ไก่” กับ “ไข่” อะไรควรเกิดก่อนกันยังไงยังงั้น

ส่วนตอนนี้ไม่มีปัญหา ผมมีเพาเวอร์ซัพพลายดีๆ ให้ใช้อยู่หลายตัว ที่พร้อมใช้ทดสอบความสามารถของอิเล็กทรอนิกส์โหลดที่สร้างขึ้นมาได้เลย

แต่ถ้าใครมีปัญหาเหมือนผมเมื่อก่อน ก็ขอแนะนำให้ทำอิเล็กทรอนิกส์โหลดเพื่อใช้สำหรับทดสอบเพาเวอร์ซัพพลายก่อนเลย ตามบทความนี้ โดยใช้แบต 9 โวลท์ก้อนสี่เหลี่ยม เป็นแหล่งจ่ายและเป็นเพาเวอร์ซัพพลายเพื่อทดสอบโหลดที่ทำขึ้นด้วย

วงจรดั้งเดิมผมเอามาจาก Designideas ในวารสาร EDN ฉบับ July 28, 2011. ชื่อบทความว่า "Power resistor varies in value" ลองค้นใน google ดูนะครับ 

ซี่งวงจรดั้งเดิมนั้นใช้เพาเวอร์มอสเฟตเป็นโหลดครับ แต่วงจรจริงที่ผมดัดแปลงมาใช้นั้น ผมใช้เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์แทนมอสเฟต ซึ่งหน้าตาจะเป็นดังนี้

วงจรอิเล็กทรอนิกส์โหลดที่ทดลองสร้างขึ้น

การทำงานของวงจรนั้นค่อนข้างง่าย จากวงจรจะเห็นว่าถ้าต่อเพาเวอร์ซัพพลายเข้าที่จุด P1 และ P2 แล้ว ตัวต้านทาน R3 กับ R2 จะทำหน้าที่เป็นวงจรแบ่งแรงดัน โดยแรงดันที่ตกคร่อม R2 จะทำหน้าที่เป็นแรงดันอ้างอิง VREF ป้อนเข้าทางอินพุตขาบวกของออปแอมป์ และเนื่องจากแรงดันระหว่าง input ที่ขาบวกกับขาลบของออปแอมป์จะมีค่าความต่างศักย์เท่ากับ 0 ทำให้แรงดันที่ตกคร่อม R1 จึงต้องมีค่าเท่ากับแรงดัน VREF ที่ตกคร่อม R2 ตามไปด้วย เมื่อวงจรทำงาน ที่ขาเอาพุตท์ของออปแอมป์ก็จะพยายามปรับกระแสที่ไหลผ่านตัวเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ (กระแสที่ไหลผ่าน R1) เพื่อให้ให้วงจรสมดุล

ดังนั้นเมื่อต่อเพาเวอร์ซัพพลายเข้าที่ P1 และ P2 วงจรก็จะดึงกระแสตามสมการ

หรือถ้าคิดว่าจุด P1 และ P2 เป็นตัวต้านทานตัวหนึ่งที่มีค่าความต้านทานเท่ากับ R

ก็จะมีค่าตามสมการ

หมายความว่าค่าความต้านทานของโหลดวงจรนี้  จะสามารถปรับเปลี่ยนได้ตามค่า k (หรือค่าของ R2 กับ R3) และไม่ขึ้นกับค่าแรงดันของเพาเวอร์ซัพพลายที่นำมาทดสอบ

ในที่นี้ผมเลือก R3 ให้เป็นตัวต้านทานค่าคงที่เท่ากับ 1MΩ เลือก R1 เท่ากับ 0.1 Ω และเลือก R2 ให้เป็นตัวต้านทานปรับค่าได้ค่า 50kΩ ก็จะได้โหลดอิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถปรับค่าได้อยู่ที่ประมาณ 2Ω-20Ω  

(ตารางค่า R ที่ได้จากการคำนวณใน Excel )

ถ้าเพาเวอร์ซัพพลายที่นำมาทดสอบมีค่าแรงดัน 5V โหลดก็จะดึงกระแสอยู่ในช่วง 0-2.4 แอมป์ ซึ่งเพียงพอสำหรับงานทดสอบตัวอย่างคอนเวอร์เตอร์แบบต่างๆ ที่ผมจะได้เขียนลงใน Blog นี้ให้ในตอนต่อๆ ไปครับ

การทำงานของวงจรโดยละเอียดมีอธิบายอยู่ในบทความ ดังนั้นถ้า ใครอยากทำความเข้าใจให้มากกว่านี้ก็ลองเข้าไปหาดาวน์โหลดมาอ่านกันเองนะครับ 

ออปแอมป์ใช้เบอร์ LM10 และเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ใช้เบอร์  2N4602 หรือจะเลือกใช้เบอร์อื่นแทนก็ได้ครับ (ผมมีเบอร์นี้อยู่แล้ว)  ส่วนที่ใช้ออปแอมป์เบอร์ LM10 เนื่องจากใช้ไฟเลี้ยงต่ำมาก สามารถทิ้งแบตเตอรี่ที่เป็นไฟเลี้ยงวงจรไว้ได้เลยไม่ต้องแกะออก และเบอร์นี้ผมเผื่อเอาไว้ทำอิเล็กทรอนิกส์โหลด “ขั้นเทพ” กว่าวงจรนี้ ซึ่งจะเอามานำเสนอให้ในลำดับต่อๆ ไปครับ

รูปนี้ทดสอบโหลดที่ทำขึ้นมาที่แรงดัน 5V จะเห็นว่าเพาเวอร์ซัพพลายจ่ายกระแสออกมาที่ 300 mA เมื่อปรับให้แรงดันที่ R1 มีค่า 30mV ( 0.30A x 0.1Ω )

เมื่อปรับโหลดให้กินกระแสที่ 1A ทิ้งไว้มากกว่า 1 ชั่วโมง อุณหภูมิที่ตัวเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ขณะทำงานประมาณ 58 องศา C และที่กระแส 2A อุณหภูมิอยู่ที่ประมาณ 90 องศา C สเปคของ 2N4602 ทนอุณหภูมิสูงสุดขณะทำงานได้ 150 องศา C วงจรจึงยังคงทำงานได้สบายที่แรงดัน 5V กระแส 2A 

การใช้งานโหลดที่แรงดันและกระแสค่าต่างๆ อย่าลืมดูเรื่องความร้อนของเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ขณะทำงานด้วยนะครับ

หนังสือเล่มนี้เริ่มจากความหลงใหล

“เราจะรู้ว่าเราหลงใหลอะไรบางอย่าง เมื่อเราอยู่ไม่สุข เมื่อตื่นขึ้นมาทุกเช้าแล้วรู้ว่าต้องสร้าง

(หรือทำ) อะไรก็ตามที่เราหลงใหล”

เอคาเทรีนา วอลเตอร์

คิดแบบอัจฉริยะ มาร์ก ซักเกอร์เบิร์ก (ฉบับแปลโดย พิมพ์ใจ สุรินทรเสรี)

เรื่องของ “สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย” สำหรับผมแล้วมันเป็นอย่างนี้จริงๆ 

มันทำให้ผมได้ทำอะไรบางอย่างขึ้นมา นั่นคือการเขียนหนังสือเล่มแรกในชีวิตที่ชื่อว่า “เทคนิคและการออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย” พิมพ์ครั้งแรกเมื่อปี 2537 และพิมพ์อีกเป็นครั้งที่ 2 ในปีถัดมา

จัดว่าเป็นหนังสือที่ขายดีเล่มหนึ่งของผมเลยทีเดียว

เมื่อยี่สิบกว่าปีมาแล้วในช่วงที่เริ่มเขียนหนังสือเล่มนี้ สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายนั้นค่อนข้างเป็นอะไรที่ “ลึกลับ” และ “ซับซ้อน” สำหรับนักอิเล็กทรอนิกส์สมัครเล่นทั่วไปมาก บทความหรือหนังสือที่เป็นภาษาไทยที่เกี่ยวกับ สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายนั้นก็หาอ่านยากครับ

แต่ผมสังเกตว่าที่ร้านหนังสือดวงกมล (ที่มาบุญครอง ปิดไปนานแล้ว) สั่งหนังสือ Switching Power Supply Design ของ Pressman มาขายเยอะมาก ทั้งๆ ที่เป็นหนังสือภาษาอังกฤษแต่ก็ขายดี แสดงว่าในมีคนสนใจเรื่องนี้มากพอสมควร

ถ้ามีหนังสือภาษาไทยก็น่าจะมีคนอ่าน 

ซึ่งก็เป็นเช่นนั้นจริงๆ เพราะหนังสือ “เทคนิคและการออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย” เล่มนี้พิมพ์ครั้งที่ 2 ภายในเวลาแค่ปีเดียว และขายไปมากกว่า 6,000 เล่ม

แต่กว่าฉบับพิมพ์ครั้งที่ 2 จะหมดก็นานพอสมควร และผมก็ติดเรื่องอื่นๆ สนใจไปอีกหลายปี จนหนังสือหมดและมีคนถามหากันมาก แต่เมื่อเริ่มคิดจะพิมพ์ครั้งที่ 3 ก็รู้สึกว่า เนื้อหามันเก่าและน้อยไปแล้ว เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีที่ก้าวหน้าไปมากของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย

เลยคิดว่าเขียนเล่มใหม่ที่มีเนื้อหาครบถ้วน และเพียงพอกับสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายแบบที่ใช้กันแพร่หลายอยู่ในเครื่องใช้อิเล็กทรอนิกส์แทบทุกอย่างในปัจจุบันน่าจะดีกว่า

แต่ติดปัญหาอยู่ตรงที่หนังสือเล่มใหม่นี้คงใช้เวลาอีกเกือบปี กว่าจะพิมพ์เป็นรูปเล่มออกมาได้

ก็เลยจะพิมพ์หนังสือ “เทคนิคและการออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย” เล่มเดิมนี้ออกมาเป็นครั้งที่ 3 เสียก่อนเป็นลำดับแรก เพราะทำได้เร็วกว่า และหัวใจสำคัญของการออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายนั้น ส่วนหนึ่งอยู่ที่การออกแบบ “หม้อแปลงสวิตชิ่ง” ซึ่งผมคิดว่าหลักการออกแบบที่เขียนไว้ในหนังสือเล่มนี้ "ยังใช้ได้ดีอยู่" จากนั้นจึงค่อยพิมพ์เล่มใหม่ที่เนื้อหาสมบูรณ์ตามมาก็จะต่อเนื่องพอดีกัน

และเนื่องจากโลกโซเชี่ยลออนไลน์ในปัจจุบันที่คนส่วนใหญ่สามารถเข้าถึงได้หมดแล้ว ทำให้ผมคิดว่าการจัดทำ Blog เพื่อนำเสนอตัวอย่างการสร้างและทดสอบคอนเวอร์เตอร์แบบต่างๆ ที่เขียนไว้ในหนังสือ น่าจะทำให้เกิดประโยชน์ในวงกว้างได้ไม่น้อย สำหรับผู้สนใจในสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายทั่วไปที่ไม่จำเป็นต้องเป็นผู้อ่านหนังสือของผม 

จึงเป็นที่มาของ Blog นี้ครับ

หมายเหตุ: ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 3 เริ่มวางจำหน่ายแล้วเมื่อต้นเดือน พฤศจิกายน 2558 หาได้ตามร้านหนังสือทั่วไปแล้วครับ ผมพยายามให้หน้าปกดูใกล้เคียงฉบับพิมพ์ครั้งก่อน จะได้จำง่าย   หรือจะเช็คจากเลข ISBN: 9786169122821 ก็ได้ครับ