วิเคราะห์การออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายด้วยโปรแกรม LTSPICE IV ตอนที่ 2

การกำหนดหม้อแปลงใน LTspice IV

หม้อแปลงเป็นตัวอุปกรณ์สำคัญสำหรับการออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย  LTSpice IV นั้นไม่ได้ให้หม้อแปลงมาในชุดอุปกรณ์ด้วย แต่เปิดทางเอาไว้ให้เราสร้างหม้อแปลงขึ้นมาเอง โดยให้นำเอาตัวอินดัคเตอร์มาประกอบกันขึ้นเป็นหม้อแปลงครับ 

ดังนั้นก่อนจะไปถึงวิธีการออกแบบและวิเคราะห์การทำงานของคอนเวอร์เตอร์หรือสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายด้วย LTspice IV เราจำเป็นต้องมาเรียนรู้การสร้างหม้อแปลงในวงจรกันก่อน

ขั้นแรกให้เริ่มด้วยการใช้ตัวอินดัคเตอร์มาประกอบกันขึ้นเป็นหม้อแปลง จากนั้นให้กำหนดค่า "คู่ควบ" (mutual inductance) ให้ตัวอินดัคเตอร์แต่ละคู่ที่นำมาประกอบขึ้นเป็นหม้อแปลง ด้วยคำสั่ง K ลงไปในวงจร

เช่น ถ้าต้องการหม้อแปลงอุดมคติ (ค่าสัมประสิทธิ์การคู่ควบมีค่าเป็น 1) ที่มี 2 ขดลวด ก็ให้การวางตัวอินดัคเตอร์ L1 กับ L2 ลงไปในวงจร เพื่อให้เป็นขดลวดของหม้อแปลง จากนั้นกำหนดคำสั่งกำกับลงไปในวงจรว่า “K1 L1 L2 1” ก็จะได้หม้อแปลงอุดมคติ 2 ขดลวดตามที่ต้องการ ตัวเลขสุดท้ายในคำสั่งคือค่าค่าสัมประสิทธิ์การคู่ควบ (mutual coupling coefficient) ครับ

ส่วนในกรณีที่มีขดลวดมากกว่า 2 ขด ก็สามารถทำได้ด้วยการเพิ่มตัวอินดัคเตอร์เพิ่มเติมเข้ามา แต่ต้องกำหนดค่าคู่ควบให้กับอินดัคเตอร์ทุกตัวให้ครบ โดยแยกเป็นคู่ของตัวอินดัคเตอร์แต่ละคู่ เช่น กรณีมีขดลวด 3 ขด ก็ต้องกำหนดคำสั่งในวงจรให้ครบคู่ดังนี้

K1 L1 L2 1

K2 L2 L3 1

 K3 L3 L1 1 

หรืออาจกำหนดรวมกันครั้งเดียวเลยก็ทำได้ครับเป็น  K1 L1 L2 L3 1 ซึ่งก็จะให้ผลไม่ต่างกัน

ตัวอินดัคเตอร์ที่ LTspice IV ให้มาในชุด component นั้น มี 2 แบบ คือ ind กับ ind2 ต่างกันตรงที่ ind2 จะมีจุดแสดงทิศทางเฟส หรือทิศทางการพันขดลวดบอกไว้ด้วย ทำให้ง่ายในการกำหนดเฟสของขดต่างๆ บนหม้อแปลง แต่เราสามารถเลือก ind มาประกอบเป็นหม้อแปลงก็ได้ เพราะเมื่อใส่คำสั่ง K บอกความสัมพันธ์ของขดลงไปในวงจร LTspice IV จะกำหนดเฟสบนขดลวดมาให้โดยอัตโนมัติ ซึ่งอาจไม่ตรงกับที่เราต้องการ และต้องเสียเวลาปรับแก้อีกนิดหน่อย แต่ก็ไม่ใช่ปัญหาใหญ่อะไร

ตัวอย่างหม้อแปลงที่มี 3 ขดลวด สร้างใน LTspice IV ด้วยการวางตัว component ind คือ L1 L2 L3 ลงในแผ่นวงจร และเมื่อวางคำสั่ง K1 L1 L2 L3 1  เพิ่มเข้าไป โปรแกรมจะระบุเฟสให้เองโดยอัตโนมัติ

เมื่อได้ขดลวดครบแล้วขั้นตอนต่อไปก็ต้องกำหนดอัตราส่วนจำนวนรอบของหม้อแปลง ซึ่ง LTspice IV ไม่มีคำสั่งที่ช่วยให้เรากำหนดอ้ตราส่วนจะนวนรอบ (อย่างคำสั่ง K ) แต่เราต้องกำหนดค่าอินดัคแตนซ์ของขดลวดแต่ละขดให้ได้ค่าอัตราส่วนจำนวนรอบเอาเองจากสมการ

เช่นหากต้องการหม้อแปลง 3 ขดลวด ที่มีค่าอัตราส่วนจำนวนรอบระหว่างขดลวดไพรมารี่ต่อเซคั่นดารี่ Np:Ns เท่ากับ 1:3 และ 1:2 ตามลำดับ ดังนั้นหากค่าอินดัคแตนซ์ของขดไพรมารี่ Lp มีค่า 100E-6 H ก็จะต้องกำหนดค่าอินดัคแตนซ์ของขดลวดเซคั่นดารี่  Ls1 และ Ls2 ให้มีค่าเท่ากับ 900E-6H และ 400E-6H ตามลำดับนั่นเอง

ผลที่ได้เมื่อสั่ง run โปรแกรม ก็จะเป็นดังในรูปนี้ครับ

แสดงผลการทำงานของวงจรเมื่อกำหนดค่าอินดัคแตนซ์ให้แก่ขดลวดทุกขดที่คำนวณได้ตามอัตราส่วนจำนวนรอบของขดลวดแต่ละคู่ตามที่ต้องการ คือ 1:3 และ 1:2 และทดลองจ่ายค่าแรงดันรูป sine ขนาดแรงดัน 1V ความถี่ 1KHz เข้าที่ขดไพรมารี่ 

ส่วนกรณีต้องการหม้อแปลงที่ไม่เป็นอุดมคติ เข่น ต้องการให้หม้อแปลงมีค่าเหนี่ยวนำรั่ว (leakage inductance) นั้นสามารถทำได้ 2 วิธีด้วยกันครับ วิธีแรกทำได้ด้วยการกำหนดค่าสัมประสิทธิการคู่ควบให้น้อยกว่าหนึ่งในคำสั่ง K โดยตรง เช่น 0.9 หรือ 0.99 เป็นต้น  โดยค่าเหนี่ยวนำรั่วที่ได้นั้นอาจประมาณได้จากสมการ 

ส่วนวิธีที่สองนั้นทำได้ด้วยการเพิ่มตัวอินดัคเตอร์เพื่อให้เป็นค่าเหนี่ยวนำรั่วตามที่ต้องการอนุกรมเข้าไปยังขดลวดหม้อแปลง ทั้ง 2 วิธีนี้จะให้ผลใกล้เคียงกันเมื่อเมื่อ K มีค่าเข้าใกล้ 1 มากๆ 

มีสิ่งที่ต้องคำนึงถึงในการเพิ่มค่าเหนี่ยวนำรั่วให้กับหม้อแปลงก็คือ มันหน่วงให้วงจรทำงานช้าลงอย่างเห็นได้ชัดเลยครับ นอกจากนี้ยังอาจต้องกำหนดเพิ่มค่าเหนี่ยวนำแฝงและค่าความต้านทานขดลวดเข้าไปด้วยเพื่อให้ผลการจำลองการทำงานของวงจรถูกต้องและใกล้เคียงกับกับวงจรที่สร้างขึ้นจริง

ซึ่งตรงนี้อาจทำให้ยุ่งยากขึ้นไปอีกหน่อย

ดังนั้นขอให้เริ่มต้นด้วยการวิเคราะห์จากหม้อแปลงอุดมคติก่อน จากนั้นหากต้องการดูผลของค่าเหนี่ยวนำรั่วค่อยพิจารณากำหนดเพิ่มเข้าไปทีหลังก็ได้ครับ 

ตอนต่อไปเราจะเริ่มทดลองออกแบบวงจรใน LTspice IV เพื่อดูผลจำลองการทำงานของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย โดยจะเริ่มที่ฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์เป็นอันดับแรกครับ

วิเคราะห์การออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายด้วยโปรแกรม LTSPICE IV ตอนที่ 1

ทุกวันนี้มีซอฟต์แวร์ที่ใช้ง่ายคุณภาพดีๆ เปิดให้เราได้ดาวน์โหลดมาใช้ฟรีอยู่เป็นจำนวนมากในอินเตอร์เน็ต ซอฟต์แวร์ที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ก็มีฟรีอยู่หลายตัว ตัวที่ผมเห็นผ่านตาอยู่บ่อยๆ ก็จะเป็น LTspice ที่มักจะนำมาใช้วิเคราะห์วงจรให้ดูอยู่เสมอในวารสาร LT Journal ของบริษัท Linear Technology Corporation แน่นอนว่า LTspice ต้องเป็นซอฟต์แวร์ของบริษัท Linear Technology Corporation ด้วย

LTspice เป็นซอฟต์แวร์ช่วยในการวิเคราะห์และออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ที่เราสามารถเขียนวงจรลงในหน้าจอ และสั่งให้มันจำลองการทำงานออกมาซึ่งใช้เวลาทำงานไม่นานก็จะสามารถวัดค่าแรงดันและกระแสที่จุดต่างๆ ของวงจร ในช่วงเวลาต่างๆ ได้ ทำให้สามารถวิเคราะห์ผลการทำงานของวงจรที่เราออกแบบได้ทันทีโดยไม่ต้องลงมือประกอบวงจรจริงขึ้นมา

LTspice ที่ผมจะนำมาใช้ในที่นี้มีชื่อเรียกเต็มๆ ว่า LTspice IV เป็น version 4.22x ครับ เข้าไปดาวน์โหลดกันได้ที่ http://www.linear.com/designtools/software/#LTSpice

ความจริงโปรแกรมประเภทจำลองการทำงาน (Simulation) ผมคิดว่าผู้ที่สนใจในวงจรอิเล็กทรอนิกส์หรือได้ศึกษามาทางด้านนี้ทุกคนก็น่าจะรู้จักกันดีอยู่แล้ว เพราะมีแพร่หลายให้ใช้กันมานานและมีอยู่หลายโปรแกรมด้วยกัน แต่ที่เกริ่นนำมานี้เผื่อไว้สำหรับใครที่อาจยังไม่รู้จัก ที่อาจมีอยู่บ้างแต่ก็น่าจะหาความรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับโปรแกรมประเภทนี้ได้ไม่ยากในอินเตอร์เน็ต 

ดังนั้นในบทความนี้ผมจะไม่ขอกล่าวถึงวิธีการใช้งานโดยละเอียดของโปรแกรม LTspice IV ขอข้ามไปครับ จะกล่าวถึงแต่การกำหนดวงจรและค่าของตัวอุปกรณ์เพื่อให้โปรแกรมวิเคราะห์และแสดงผลที่ได้หลังจากโปรแกรมได้วิเคราะห์ออกมาแล้วเท่านั้น

แหล่งกำเนิด PWM

อย่างที่เคยกล่าวไปแล้วครับว่า คอนเวอร์เตอร์ในสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายทำงานได้ด้วยการควบคุมให้เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ในวงจรทำงานโดยนำกระแสเป็นเป็นช่วงๆ  ซึ่งช่วงเวลานำกระแสของเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์นี้จะถูกกำหนดโดยวงจร “พลัส์วิดท์มอดูเลเตอร์” (Pluse Width Modulator: PWM) ดังนั้นในการวิเคราะห์วงจรด้วย LTspice IV เราต้องสร้างวงจร PWM ให้มันด้วย

จากบทควาตอนที่แล้วที่ผมได้กล่าวถึงการสร้างวงจร PWM ด้วยไอซียอดนิยมเบอร์ TL494 แต่ปัญหามีอยู่ว่าเจ้า LTspice IV นี้ไม่ได้ให้ตัว TL494 มาในชุดอุปกรณ์ของโปรแกรมด้วย ทำให้ต้องสร้างวงจร PWM ขึ้นมาเอง ซึ่งไม่ใช่เรื่องยากนัก เพราะเรามีวิธีง่ายๆ ในการสร้าง PWM เพื่อใช้ในการควบคุมการทำงานของคอนเวอร์เตอร์ที่เราออกแบบใน LTspice ได้ดังต่อไปนี้ 

(ความจริงเราสามารถหา TL494 มาลงเพิ่มในชุดอุปกรณ์ของ LTspice IV ได้ครับ แต่ตอนนี้จะขอข้ามไปก่อน)

เราสามารถสร้างแหล่งกำเนิดสัญญาน PWM ได้ด้วยวิธีอย่างง่ายๆ คือ ใช้แค่ตัว voltage ซึ่งเป็น component ที่ให้มากับ LTSPICE IV อยู่แล้ว แต่มากำหนดค่า Function ของมันใหม่ให้เป็น PLUSE เสียก่อนจากเดิมที่เป็นค่าแรงดันคงที่ (V) ซึ่งทำได้ดังนี้ครับ 

ขั้นแรกเลือกตัว voltage ออกมากก่อน โดยเลือกจากเมนู Edit > Component แล้วกดเลือกตัวอุปกรณ์ voltage ออกมาวางลงในหน้าจอ 

จากนั้นเปลี่ยน Function ให้เป็น PLUSE โดยคลิกขวาที่ตัวอุปกรณ์ เลือกการกำหนดค่าเป็น Advance แล้วแก้ตัวเลือกของ Function ให้เป็น PLUSE ซึ่งเมื่อเลือกแล้วจะมีช่องให้กรอกค่าต่างๆ เพื่อให้มันกลายเป็น PWM ตามต้องการครับ เบื้องต้นที่จะใช้ในวงจร "ฟลายแบค" กับ "ฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์" ที่มีเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์แค่เพียงตัวเดียว ก็ให้กำหนดค่า Von หน่วยเป็นโวลต์ (V) , Ton หน่วยเป็นวินาที (s) และ Tperiod หน่วยเป็นวินาที (s) เพียง 3 ค่าเท่านี้ก็พอแล้ว 

สำหรับช่อง Ncycles นั้นให้เว้นว่างไว้ เพื่อบอกให้มันซ้ำไปเรื่อยๆ แบบไม่จำกัดรอบครับ

ส่วนตัวอย่างในที่นี้ผมจะกำหนดให้ Von(s), Ton(s)  และ Tperiod(s) มีค่าเป็น

ดังนั้นฟังก์ชันของเจ้าตัว voltage V1 ที่แสดงในวงจรนี้ก็จะเปลี่ยนจาก V เป็น PULSE(0 12V 0 0 0 20E-6 40E-6) และหากต้องการเปลี่ยนแปลงค่านี้ก็ทำได้โดยคลิกขวาที่ตัวมันอีกครั้งเพื่อเข้าไปแก้ไขค่า หรือจะคลิกขวาตรงคำว่า PULSE(0 12V 0 0 0 20E-6 40E-6) ในแผ่นวงจรก็ได้ ซึ่งก็จะทำให้เข้าไปเปลี่ยนค่าได้เช่นกัน

ต่อไปเมื่อใส่กราวด์และกำหนด Output Tag (PWM_A) ให้แก่ V1 แล้ว  จากนั้นเมื่อสั่ง Run ก็จะได้รูปคลื่นของ PWM ความถี่ 25KHz ที่ 0.5 duty cycle ดังในรูปครับ

จะเห็นว่ารูปคลื่นที่ได้นั้นออกมาไม่ค่อยเป็นสี่เหลี่ยมสักเท่าไหร่ ทั้งนี้เป็นเพราะเราไม่ได้กำหนดค่า Trise กับ Tfall ไว้ใน PLUSE โปรแกรมมันเลยกำหนดเองให้ใกล้เคียงกับวงจรจริงๆ คือ มีลักษณะของความชันขาขึ้นกับขาลง แต่ถ้าต้องการให้คลื่นดูเป็นสี่เหลี่ยมก็กำหนด Trise กับ Tfall เอาไว้เสียหน่อย ก็จะได้รูปคลื่นหน้าตาออกมาเป็นสี่เหลี่ยมมากขึ้นครับ

อย่างในรูปข้างล่างนี้ที่กำหนดให้ Trise กับ Tfall อยู่ที่ 1ns

ส่วนการกำหนด PWM ในวงจร เพื่อใช้ควบคุมการทำงานวงจร "พุชพูล" "ฮาล์ฟบริดจ์" และ "ฟูลบริดจ์คอนเวอร์เตอร์" ก็ทำได้ด้วยการเพิ่ม Voltage Source V2 เข้ามาอีกหนึ่งตัว แต่คราวนี้ทั้ง V1 และ V2 เราต้องกำหนดให้มีค่า Tdelay(s) ด้วย โดยค่า Tdelay(s) ของ V2 จะกำหนดให้เท่ากับครึ่งหนึ่งของ Tperiod(s) บวกด้วยค่าของช่วงเวลาเผื่อ (Dead Time) ที่ต้องการ ส่วน V1 ก็กำหนดให้มีค่า Tdelay(s) เท่ากับช่วงเวลาเผื่อ (Dead Time) ง่ายๆ แค่นี้เองครับ

แต่อย่าลืมว่าวงจรพุชพูล ฮาล์ฟบริดจ์ และฟูลบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ ค่าช่วงเวลานำกระแสของเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์แต่ละตัว จะมีค่าได้ไม่เกินครึ่งนึ่งของค่าคาบเวลา ในตัวอย่างนี้เรากำหนดค่าคาบเวลา Tperiod(s) เป็น 40E-6 ดังนั้นเมื่อหักค่า Tdelay(s) ออกไป 1E-6 ค่า Ton(s) สูงสุดของ PWM_A และ PWM_B ก็จะเหลือเพียงแค่ 19E-6 เวลานำไปใช้ก็อย่าลืมข้อนี้ด้วยนะครับ

ก่อนจะไปถึงการวิเคราะห์การทำงานของคอนเวอร์เตอร์ที่เราออกแบบด้วย LTspice IV ยังมีตัวอุปกรณ์สำคัญอีกตัวหนึ่งที่ต้องกล่าวถึงการกำหนดเงื่อนไขให้มันเสียก่อนด้วย คือ หม้อแปลง ซึ่งจะขอยกไปกล่าวในตอนต่อไปครับ