วงจรฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์
ฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์มีจำนวนตัวอุปกรณ์ในวงจรใกล้เคียงฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ และยังคงใช้เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ในวงจรเพียงแค่ตัวเดียว โดยพื้นฐานของวงจรจะอยู่ในตระกูลเดียวกับบัคคอนเวอร์เตอร์ ดังนั้นลักษณะกระแสที่ขาออกจะมีลักษณะต่อเนื่องซึ่งจะทำให้แรงดันขาออกของฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์มีแรงดันกระเพื่อมที่น้อยกว่าฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์มาก นอกจากนี้ที่ค่ากระแสสูงสุดฝั่งไพรมารี่ที่ไหลผ่านเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์เท่ากัน ฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์จะมีค่ากระแสสูงสุดที่ฝั่งเซคั่นดารี่ต่ำกว่าฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์มาก จึงให้กำลังงานขาออกที่มากกว่าได้ อย่างไรก็ตามฟอร์เวิร์ดก็มีตัวอุปกรณ์ที่มากกว่าและการพันหม้อแปลงก็ยุ่งยากกว่าด้วยเช่นกันเราจะทดลองวิเคราะห์การออกแบบฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ด้วยโปรแกรม LTSPICE IV โดยเริ่มด้วยการนำ component มาวางในแผ่นวงจรให้ได้วงจรฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ตามนี้ครับ
 |
| วงจรพื้นฐานของฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ซึ่งจะนำมาเป็นตัวอย่าง เพื่อจำลองการทำงานใน LTspice IV |
การกำหนด PWM_A สำหรับวงจรนั้นให้ย้อนกลับไปดูตอนที่ผ่านมานะครับ จะไม่กล่าวซ้ำอีก
ต่อไปเราจะกำหนดค่า่ต่างๆ ให้ตัวอุปกรณ์ในวงจร ซึ่งจะขอกำหนดค่าให้เหมือนของฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ในตอนที่ผ่านมาเพื่อให้เปรียบเทียบกันได้ดังนี้
แรงดันขาเข้า : 7-12 V
แรงดันขาออก : 5 V
กระแสขาออก : 0.3 A
ความถี่ทำงาน : 25 KHz
วิธีการคำนวณหาค่าต่างๆ นั้นผมจะใช้วิธีตามที่ได้อธิบายไว้แล้วในหนังสือ “เทคนิคและการออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย” ดังนั้นจึงจะข้ามรายละเอียดไปก่อน จะยกมาแค่สูตรเท่านั้นครับ
1. ที่ความถี่การทำงาน 25 KHz จะได้ค่าคาบเวลาการทำงานของเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์
2. เนื่องจากฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ต้องมีขดลวดดีแม็กเนไตซิ่ง (L3) เพื่อถ่ายเทพลังงานตกค้างในขดไพรมารี่ทิ้งไปในจังหวะที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแส ซึ่งในขณะที่ขดลวดดีแม็กเนไตซิ่งถ่ายเทกระแสออกมาจะมีผลให้เกิดแรงดันตกคร่อมที่ขดลวดไพรมารี่สูงมากได้ โดยขนาดของแรงดันจะขึ้นอยู่กับค่าอัตราส่วนจำนวนรอบระหว่างขดลวดไพรมารี่กับขดลวดดีแม็กเนไตซิ่ง ดังนั้นเพื่อป้องกันไม่ให้เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์พังเสียหาย การกำหนดค่าอัตราส่วนจำนวนรอบ Np:Nr จึงควรทำเป็นอันดับแรกจากเพื่อหาเงื่อนไขและตัวอุปกรณที่เหมาะสมให้แก่คอนเวอร์เตอร์
ซึ่งจะหาได้จากสมการนี้ครับ
ในที่นี้จะกำหนดค่า Vce(max) ไม่เกิน 50V ดังนั้น จะเลือกอัตราส่วนจำนวนรอบ Np:Nr=3
3.เมื่อได้อัตราส่วนจำนวนรอบ Np:Nr แล้วเราจะนำมาใช้กำหนดค่าช่วงเวลานำกระแสสูงสุด ton(max) โดยที่อัตราส่วนจำนวนรอบ Np:Nr=3 (L1:L3=3)ขดลวดดีแม็กเนไตซิ่งจะต้องถ่ายเทพลังงานตกค้างออกมาให้หมดก่อนจบคาบเวลาทำงาน
ton(max) จะหาได้จากสมการ
ในตัวอย่างนี้ผมเผื่อเวลาให้ปลอดภัยมากขึ้นอีกโดยคิดเผื่อให้ขดลวดดีแม็กเนไตซิ่งถ่ายเทพลังงานหมดเร็วก่อนค่าคาบเวลา 20% ดังนั้น จึงแทนค่า T ด้วย 0.8T ครับ
4.เมื่อได้ค่า ton(max) และจึงนำมาหาค่าอัตราส่วนจำนวนรอบขดลวดไพรมารี่กับขดลวดเซคั่นดารี่ Np:Ns (L1:L2)ต่อจากสมการ
ค่า Vce(sat) คือค่าแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ขณะนำกระแส ในที่นี้ผมเลือกเท่ากับ 1.3V คือให้มีค่าสูงเอาไว้ก่อน Vd คือค่าแรงดันตกคร่อมไดโอดขณะนำกระแส Vo คือค่าแรงดันขาออกที่ต้องการ
5. เนื่องจากค่ากระแสสูงสุดที่ฝั่งไพรมารี่ Ip(peak) จะเท่ากับกระแสไพรมารี่ Ip (คือ กระแสที่ดึงจากฝั่งเซคั่นดารี่) รวมกับกระแสแมกเนไตซิ่ง Imag
Ip(max) จะหาได้จาก
ในที่นี้จะกำหนดให้ Ip(peak) มีค่าสูงสุดได้ไม่เกิน 1.5A ดังนั้น ค่า Imag จะต้องมีค่าเท่ากับ 1.5-0.548A = 0.952A
6. จากนั้นคำนวณค่าอินดัคแตนซ์ของขดลวดไพรมารี่ Lp ที่น้อยที่สุดจากค่า Imag ที่ได้ เพราะ Imag จะขึ้นอยู่กับค่า Lp
ดังนั้นจะได้ค่า Lp เท่ากับ
Lp ที่ได้นี้จะเป็นค่ำต่ำสุดซึ่งถ้าเพิ่ม Lp ให้มากขึ้นค่า Imag ก็จะน้อยลง ในการออกแบบจึงต้องหาค่า Lp ที่ทำให้ได้ค่ากระแสแมกเนไตซิ่งมีค่าน้อยลง
แต่ต้องไม่ให้ค่า Lp ที่มากจนเกินไปด้วย ในที่นี้เลือกจะเลือก Imag ใหม่เท่ากับ 0.1A คำนวณหาค่า Lp ใหม่ได้เท่ากับ
ซึ่งจะเป็นค่าสูงสุดของวงจรนี้ที่ต้องการ
7. คำนวณค่า Ls และ Lr จากสมการ
จะได้ Ls เท่ากับ 3,558x10-6H และ Lr เท่ากับ 152x10-6H
8. ยังเหลือค่าของเอาพุตโช้ค Lo โดยจะกำหนดจากการให้คอนเวอร์เตอร์ยังคงทำงานในโหมดกระแสต่อเนื่องที่กระแสขาออกต่ำสุด
ในที่นี้กำหนดให้เท่ากับ 50mA
มาถึงตรงนี้ก็ได้คำนวณหาค่าต่างๆ ที่จำเป็นจนครบแล้ว (ค่าที่ได้กำหนดไว้ในวงจรรูปแรก) ต่อไปเมื่อทดลองสั่ง run วงจรใน LTspice IV เป็นเวลา 50ms ที่แรงดันขาเข้า 12V โดยกำหนดให้ช่วงเวลา ton=12x10-6s ผลการจำลองปรากฏว่าวงจรจะให้ค่าแรงดันเสถียรที่ประมาณ 5.0V จากโหลดประมาณ 300mA
แสดงว่าค่าของตัวอุปกรณ์ที่กำหนดให้วงจรไม่น่าจะมีปัญหาอะไร
แสดงว่าค่าของตัวอุปกรณ์ที่กำหนดให้วงจรไม่น่าจะมีปัญหาอะไร
 |
| แสดงค่าแรงดันขาออกที่ได้เมื่อสั่ง run วงจรในช่วงเวลา 50ms แรกและโหลดอยู่ที่ 300mA ได้ แรงดันขาออกเสถียรที่ 5.0V |
 |
ลักษณะของกระแสที่ขดไพรมารี่ (เขียว) ขดดีแมกเนไตซิ่ง (ขาว) และแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ขณะวงจรทำงาน จะเห็นว่าในขณะที่กระแสดีแมกเนไนซิ่งยังคงไหลอยู่เมื่อเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแสแรงดันที่ตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์จะมีค่าสูงมาก |
 |
ลักษณะกระแสที่ไหลผ่านไดโอด D1 (เขียว) D2 (เหลือง) และเอาต์พุตโช้ค Lo (ขาว) จะเห็นว่าจังหวะที่ไม่มีกระแสจากฝั่งไพรมารี่ผ่านมาให้ จะมีกระแสไหลจาก Lo จ่ายออกมาผ่านโหลดและ D2 ดังนั้นกระแสที่ไหลผ่านโหลด (กระแสเดียวกับ Lo) จะมีลักษณะที่ต่อเนื่องตลอดเวลา ซึ่งถือเป็นข้อดีขอฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ |
รูปคลื่นที่ได้นี้เป็นการจำลองที่แรงดันขาเข้า 12V ต่อไปเราจำลองการทำงานที่แรงดันขาเข้าที่ 6V (ชดเชย 1V กรณีใช้สวิตช์) เมื่อสั่ง run วงจรในช่วงเวลา 50ms แรกที่โหลด 300mA ได้แรงดันขาออกเสถียรที่ 5.0V และได้ช่วงเวลา ton=24x10-6s
 |
ลักษณะของกระแสและแรงดันที่ฝั่งไพรมารี่ จะเห็นว่าด้วยค่า Lp ที่กำหนดไว้ยังสามารถเพิ่มช่วงเวลานำกระแสให้มากกว่านี้ได้อีก |
จะเห็นว่าด้วยค่า Lp ที่กำหนดไว้นี้ (เพื่อให้ได้ค่า Imag น้อยๆ) ทำสามารถเพิ่มช่วงเวลานำกระแสได้มากกว่านี้ได้อีก หรืออีกความหมายหนึ่งเรายังสามารถเพิ่มค่ากระแสขาออกให้มากกว่า 300mA ได้นั่นเอง
จุดนี้เป็นจุดที่เรียกว่า "ได้อย่างเสียอย่าง" ในการออกแบบครับ ในการออกแบบจริงเราอาจต้องหาจุดพอดีกันอีกที เช่น ยอมให้ Imag สูงมากๆ ได้ เพื่อให้ได้ Lp น้อยๆ และพันหม้อแปลงได้ง่ายขึ้น แต่ก็ต้องไปชดเชยที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ต้องทนกระแสสูงๆ แทน
การกำหนดอัตราส่วนจำนวนรอบ Np:Nr ก็เป็นแบบเดียวกันครับ มีจุด "ได้อย่างเสียอย่าง" เหมือนกัน
แต่ตอนนี้เราสรุปเบื้องต้นได้ว่าค่าต่างๆ ที่กำหนดให้แก่วงจรในที่นี้ น่าจะทำฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ทำงานได้ตามข้อกำหนดที่ต้องการไม่มีปัญหาอะไร
มื่อซูมภาพเข้าไปดูค่า ripple ของแรงดันขาออกที่เกิดขึ้น วัดได้ประมาณ 0.8mV ซึ่งน้อยกว่าในกรณีของฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์มาก แม้ว่าค่าตัวคาปาซิเตอร์เริ่มต้นจะใช้แค่ 330uF
 |
ลักษณะของ ripple ที่แรงดันขาออก (ล่าง) วัดได้ประมาณ 0.8mV ให้สังเกตลักษณะของ ripple เปรียบเทียบกับลักษณะของกระแสของ Lo จะเห็นว่าสอดคล้องกัน หมายความว่ายิ่งค่า Lo ยิ่งมีค่ามาก (ความชันของกระแสจะน้อยลง) ripple ก็จะยิ่งน้อยลงนั่นเอง |
เมื่อทดลองเปลี่ยนตัวอุปกรณ์จากอุดมคติมาใช้ค่าที่ใกล้เคียงความเป็นจริงมากขึ้น โดยทดลองเปลี่ยนไดโอดก่อนเป็นอันดับแรก โดยเลือกเปลี่ยนเป็น shottkey diode เบอร์ 1N5819 ผลที่ได้จากการเปลี่ยนไม่กระทบค่ากระแสและแรงดันขาออกของวงจรแต่อย่างใด นอกจากนี้ยังไม่มีผลต่อรูปคลื่นของแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ในช่วงหยุดนำกระแสด้วย (ไม่เห็นเรโซแนนซ์) ต่อมาเมื่อเปลี่ยนจากสวิตช์เป็นเพาเวอร์มอสเฟตเบอร์ IRFH5053 ก็ไม่มีผลแตกต่างออกไปเช่นเดียวกัน
 |
เมื่อเปลี่ยน diode เป็นเบอร์ 1N5819 และเปลี่ยนจากสวิตช์เป็นเพาเวอร์มอสเฟตเบอร์ IRFH5053 จะเห็นว่าไม่มีผลกระทบต่อลักษณะรูปคลื่นของแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์แต่อย่างใด |
ต่อไปเราจะเพิ่มค่าความเหนี่ยวนำรั่วให้หม้อแปลง โดยกำหนดค่าเป็น K1 L1 L2 L3 0.99 เพื่อดูผลกระทบ
ผลการจำลองการทำงานพบว่าเมื่อเปลี่ยนหม้อแปลง เพาเวอร์มอสเฟต และไดโอด ให้เป็นตัวอุปกรณ์ที่ไม่เป็นอุดมคติ จะทำให้ค่าแรงดันขาออกที่ได้ลดลงเล็กน้อย แต่ค่าความเหนี่ยวนำรั่วจะทำให้เกิดสไปค์เมื่อเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์เริ่มหยุดนำกระแส และมีค่าค่อนข้างสูงเช่นเดียวกับฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ดังในรูปครับ
 |
รูปนี้แสดงให้เห็นว่าเมื่อหม้อแปลงมีค่าความเหนี่ยวนำรั่วก็จะทำให้เกิดแรงดันสไปค์ขึ้นในฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์เมื่อเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์เริ่มหยุดนำกระแสด้วยเช่นกัน |
และเมื่อเพิ่มวงจรสนับเบอร์ให้แก่วงจรก็จะช่วยลดแรงดันสไปค์ให้อยู่ในระดับที่ไม่เป็นอันตรายต่อเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ได้
 |
แรงดันสไปค์ลดลงเหลือแค่ประมาณ 40V เมื่อใส่วงจรสนับเบอร์ให้วงจร |
รูปวงจรสุดท้ายที่ทดสอบก็จะเป็นตามนี้
ยังไม่จบครับ
เนื่องจากเราคำนวณการทำงานเอาไว้ในโหมดกระแสต่อเนื่อง และเพื่อดูการคงโหมดกระแสต่อเนื่องของวงจรที่ค่ากระแสต่ำๆ ดังนั้นจะทดลองให้โหลดดึงกระแสเหลือเพียงแค่ 50mA โดยทดลองที่ค่าแรงดัน 12V เพื่อให้ได้ค่าช่วงเวลานำกระแสที่ต่ำที่สุด
พบว่าที่แรงดันขาออก 5V ช่วงเวลา ton จะอยู่ที่ประมาณ 12x10-6 วินาที แต่
คอนเวอร์เตอร์ไม่สามารถคงโหมดกระแสต่อเนื่องได้ คือ กระแสลดลงจนมีค่าเป็น 0
ก่อนหมดค่าคาบเวลาเล็กน้อย (ดูรูป) แสดงว่า Lo มีค่าต่ำไปหน่อย
 |
ทดสอบคอนเวอร์เตอร์ที่ค่าแรงดันขาเข้า 12V โหลด 50mA เพื่อให้เกิดค่า ton(min) จะเห็นว่ากระแสที่ไหลผ่าน Lo ลดลงเป็น 0 ก่อนหมดคาบเวลาไม่สามารถคงการทำงานในโหมดกระแสต่อเนื่องเอาไว้ได้ |
เมื่อทดลองต่อโดยเพิ่มค่าให้ Lo จากเดิม 1.68mH เป็น 2mH ที่โหลด 50mA คอนเวอร์เตอร์ก็กลับมาอยู่ที่โหมดกระแสต่อเนื่องได้
 |
ในทางปฏิบัติการเพิ่มค่า Lo อาจเป็นเรื่องที่ไม่ต้องการเพราะจะทำให้คอนเวอร์เตอร์ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของโหลดอย่างกระทันหันไม่ดี และเพิ่มต้นทุน เราอาจเลี่ยงด้วยการเพิ่มตัวต้านทานคร่อมจุดแรงดันขาออกเอาไว้ เพื่อบังคับโหลดไม่ให้ต่ำลงไปมากกว่านี้ก็ได้ครับ (แต่จะทำให้ค่าประสิทธิภาพลดลงไปบ้าง)
การวิเคราะห์การออกแบบสำหรับฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ด้วย LTspice IV คงมีแค่นี้ ซึ่งก็น่าจะเพียงพอให้เป็นพื้นฐานเบื้องต้นแล้วนะครับ
ในตอนหน้า่ผมจะทดลองกับวงจรพุชพูลคอนเวอร์เตอร์เป็นลำดับต่อไป
ส่วนรูปคลื่นการทำงานของวงจรที่ทำงานจริงเข้าไปดูได้ที่นี่ครับ
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น