วงจรทดลองเพื่อศึกษาการทำงานของพุชพูลคอนเวอร์เตอร์

ตอนที่ผ่านมาเราได้ทดลองวิเคราะห์การออกแบบ "พุชพูลคอนเวอร์เตอร์" ด้วยโปรแกรม LTspice IV ไปแล้ว ดังนั้นบทความในตอนนี้จึงจะได้เอาค่าต่างๆ ที่ได้คำนวณไว้มาทดสอบการทำงานของวงจรจริงเพื่อเปรียบเทียบกันดูครับ

การคำนวณค่าต่างๆ ย้อนไปดูได้ที่นี่
วิเคราะห์การออกแบบพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ด้วย LTSPICE IV

เมื่อกำหนดค่าตัวอุปกรณ์ต่างๆ แล้วจะได้วงจรที่จะใช้ทดสอบตามนี้

วงจร PWM ใช้ TL494 มาปรับเป็นแหล่งกำเนิด (ดู PWM สำหรับทดสอบคอนเวอร์เตอร์)  แต่ในที่นี้เราจะใช้กับพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ซึ่งเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์จะสลับกันทำงาน ดังนั้นจึงใช้โหมด "push-pull" คือ Output1 และ Output2 สลับกันทำงาน และใช้ทั้งสอง output ซึ่งทำได้โดยต่อขา 13 เข้าแรงดัน ref ที่ขา 14 

สำหรับวงจรนี้สัญญานจาก output ทั้งสองของ TL494 ก่อนต่อเข้าขา G ของเพาเวอร์มอสเฟต ผมใส่วงจร Totem Pole คั่นเอาไว้ด้วยเช่นกัน

PWM สำหรับการทดสอบพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ ซึ่งจะใช้ทั้ง output1 และ output2
ดังนั้นให้ต่อขา 13 เข้ากับแรงดัน ref ที่ขา 14 ด้วย

เพาเวอร์มอสเฟตใช้เบอร์ R6004ENDTL ของ Rohm (ไม่จำเป็นต้องใช้เบอร์นี้ก็ได้ขอให้ทนแรงดันได้ประมาณ 60V ที่กระแส 1A ขึ้นไป) เป็นแบบ surface mount ซึ่งทำให้ตัวเล็กหน่อย ไดโอดใช้ Schottky เบอร์อะไรก็ได้เช่นกัน (1N5819 ก็ได้) ขอให้ทนกระแสได้ประมาณ 1A ก็พอ วงจรจริงผมใช้เบอร์ RB050L-60TE25 เป็นแบบ surface mount เหมือนกัน 

หม้อแปลงสวิตชิ่งพันขึ้นใช้เอง วิธีการออกแบบหม้อแปลงให้ดูรายละเอียดได้ในในหนังสือ “เทคนิคและการออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย” ครับ 

แกนเฟอร์ไรต์ใช้ขนาด EFD20/10/7 ของ EPCOS เบอร์ B66417GX187 ถ้าหาแกนนี้ไม่ได้ก็ให้ใช้แกน EE20 หรือ EI20 หรือใกล้เคียงก็ได้ แกน EFD20/10/7 มี ขนาด Ae = 0.31 cm2  เริ่มต้นด้วยการประมาณคร่าวๆ ว่าจะใช้ ค่า lg ประมาณ  0.01 mm. (ตามที่ใช้คำนวณใน LTspice IV) ดังนั้นจากค่า LP = 912 x 10-6 H จะได้ จำนวนรอบของ Np

เลือก Np =49 รอบ (หรือจะเลือก 50 รอบก็ได้) ดังนั้นจากอัตราส่วนจำนวนรอบ Np/Ns = 0.81 เลือก Ns = 60 รอบ

ส่วนเอาต์พุตโช้คกำหนดไว้ที่ Lo = 739.2 x 10-6 H ใช้วิธีคำนวณแบบเดียวกันจะได้จำนวนรอบ  NLo = 44 รอบ

เนื่องจากพุชพูลคอนเวอร์เตอร์มีขดลวด Np และ Ns 2 คู่ ดังนั้นเพื่อให้ได้อัตราส่วนจำนวนรอบที่เท่ากันทั้ง 2 คู่ จึงใช้วิธีพันควบ คือ Np1 กับ Np2  ใช้ลวด 2 เส้นพันพร้อมกันทีเดียว และ Ns1 กับ Ns2 ก็ทำแบบเดียวกัน 

ผลการทดสอบอัตราส่วนจำนวนรอบ Np:Ns เมื่อพันเสร็จแล้ว ด้วยการจ่ายแรงดันคลื่นรูปไซน์ที่ความถี่ 100kHz วัดค่าแรงดันแต่ละคู่ขดเปรียบเทียบกัน ได้ Np:Ns ประมาณ 0.8:1 (13.64/16.92) เท่ากันทั้ง 2 คู่ ตามรูปข้างล่างนี้ครับ

ทดลองวัดค่า Lp ของหม้อแปลงจากขดลวดไพรมารี่ที่พันขึ้นได้เท่ากับ 525 x 10-6 H (ต่ำไปหน่อยแต่ถือว่ายังอยู่ในช่วงที่ออกได้แบบไว้) ตัวอินดัคเตอร์ Lo ในที่นี้ผมจะใช้ตัวอินดัคเตอร์สำเร็จรูปที่มีขายทั่วไปค่า 680 x 10-6 H เอามาใช้ (วัดค่าจริงได้ 658 x 10-6 H) ส่วนรูปข้างล่างคือวงจรที่ประกอบขึ้นมาทดลองครับ

ต่อไปทดสอบวงจรเพื่อดูความสามารถที่จะคงค่าแรงดันที่ 5V เมื่อตั้งค่าโหลดให้คงที่ไว้ 300mA ทดสอบที่ช่วงแรงดันขาเข้า 2จุด คือที่ 7V กับ 12V เมื่อตั้งค่าแรงดันขาเข้าไว้ที่ 7V ผลการปรับช่วงเวลานำกระแสได้ค่า ton ที่ประมาณ14.15 x 10-6 วินาที และเมื่อตั้งค่าแรงดันขาเข้าไว้ที่ 12V ผลการปรับช่วงเวลา ton ของวงจรเพื่อให้ได้แรงดันขาออก 5V และกระแสขาออก 300mA  ได้ค่า ton ประมาณ 7.96 x 10-6 วินาที 

สรุปเบื้องต้นได้ว่าวงจรทำงานได้ตามข้อกำหนดที่ต้องการไม่มีปัญหาอะไร 

รูปคลื่นของ PWM ที่ได้เมื่อตั้งค่าแรงดันขาเข้าไว้ที่ 7V ผลการปรับช่วงเวลานำกระแสได้ค่า ton ที่ประมาณ14.15 x 10-6 วินาที

รูปคลื่นของ PWM ที่ได้เมื่อตั้งค่าแรงดันขาเข้าไว้ที่ 12V ผลการปรับช่วงเวลานำกระแสได้ค่า ton ที่ประมาณ 7.96 x 10-6 วินาที 

ลักษณะรูปคลื่นที่ฝั่งไพรมารี่ของกระแสที่ไหลผ่านและแรงดันที่ตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ขณะวงจรทำงานจะเป็นดังรูปข้างล่าง

ส่วนกระแสฝั่งเซคั่นดารี่ที่ไหลผ่านไดโอดและเอาต์พุตโช้คจะมีลักษณะดังนี้

จะเห็นว่ามีลักษณะเหมือนกับที่จำลองการทำงานด้วย LTspice IV ซึ่งได้อธิบายรายละเอียดและสาเหตุของลักษณะรูปคลื่นที่เกิดขึ้นไปแล้ว จึงไม่ขออธิบายซ้ำอีก

แต่มีข้อให้สังเกตกันเล็กน้อยครับเกี่ยวกับลักษณะกระแสที่ไหลผ่านเอาต์พุตโช้ค Lo (เส้นบน) จะเห็นว่าจังหวะตัวอินดัคเตอร์คายกระแสกลับคืนของพุชพูลคอนเวอร์เตอร์จะสั้นกว่าฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ นั่นหมายความว่าเราไม่ต้องการค่าอินดัคแตนซ์ที่มากมายนักสำหรับพุชพูลคอนเวอร์เตอร์เพื่อที่จะคงการทำงานในโหมดกระแสต่อเนื่อง ซึ่งจะทำให้เอาต์พุตโช้คมีขนาดเล็กลงได้มากเลยทีเดียว ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบของพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ครับ

ต่อไปเราจะพิจารณาลักษณะสไปค์ที่เกิดขึ้นขณะเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแส เริ่มจากลักษณะเมื่อไม่ใส่สนับเบอร์ให้วงจร สไปค์ที่เกิดขึ้นจะมีลักษณะดังนี้

จะเห็นว่าจังหวะที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแสทั้งคู่ (ช่วงที่มีแรงดันตกคร่อมเท่ากัน) สไปค์ที่เกิดจะมีค่าค่อนข้างสูง และสูงกว่าช่วงที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ตัวใดตัวหนึ่งนำกระแส

สำหรับสนับเบอร์ของวงจรจะใส่ไว้ 2 จุดครับ

เริ่มจากทดลองใส่ RCD สนับเบอร์คร่อมที่ขดลวดไพรมารี่ก่อน พบว่าจังหวะที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแสทั้งคู่ RCD ลดสไปค์ลงไปได้น้อยมาก แต่ RCD จะลดสไปค์ช่วงที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ตัวใดตัวหนึ่งนำกระแสไปได้มากพอสมควร

และเมื่อเพิ่ม RC สนับเบอร์ให้คร่อมที่ตัวเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์เอาไว้ด้วย ผลที่ได้จะเห็นว่าสามารถลดสไปค์ในจังหวะที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแสทั้งคู่ลงไปได้เยอะเลยทีเดียวและหน่วงเรโซแนนซ์ได้ดี รูปคลื่นสวยขึ้นมาก (ค่าของวงจรสนับเบอร์ที่ใส่ไปอาจหน่วงมากไปหน่อย)

สำหรับการทดลองสำหรับวงจรพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ในเบื้องต้นคงมีเท่านี้ ตอนหน้าเราจะทดลองกับวงจรฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์กันต่อไปครับ 

วิเคราะห์การออกแบบพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ด้วย LTSPICE IV

วงจรพุชพูลคอนเวอร์เตอร์

พุชพูลคอนเวอร์เตอร์เปรียบเหมือนการนำฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ 2 ตัวมาสลับกันทำงานตัวละครึ่งคาบเวลาโดยใช้เอาต์พุตโช้คร่วมกัน หรืออาจมองอีกแบบหนึ่งคือ การนำฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์มาเพิ่มความถี่การทำงานเป็น 2 เท่าก็ได้ ดังนั้นโดยแนวคิดพื้นฐานแล้วพุชพูลคอนเวอร์เตอร์จะสามารถให้กำลังงานได้มากเป็น 2 เท่าของฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ แต่ก็มีตัวอุปกรณ์เพิ่มเข้ามามากกว่าด้วยเช่นกันครับ

วงจรพื้นฐานของพุชพูลจะเป็นดังรูปข้างล่างนี้ ซึ่งเราจะทดลองวิเคราะห์การออกแบบพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ด้วยโปรแกรม LTSPICE IV โดยเริ่มด้วยการนำ component มาวางในแผ่นวงจรให้ได้วงจรพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ก่อนตามนี้ครับ

การกำหนด PWMสำหรับวงจรนั้นให้ย้อนกลับไปดูได้ที่นี่ 

วิเคราะห์การออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายด้วยโปรแกรม LTSPICE IV ตอนที่ 1

จะไม่กล่าวซ้ำอีกครับ แต่คราวนี้เรามีเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ในวงจร 2 ตัวสล้บกันทำงาน จึงต้องใช้ทั้ง PWM_A และ PWM_B 

ต่อไปเราจะกำหนดค่าต่างๆ ให้ตัวอุปกรณ์ในวงจร ซึ่งจะขอกำหนดค่าให้เหมือนคอนเวอร์เตอร์ตัวอื่นๆ ในตอนที่ผ่านมาเพื่อให้เปรียบเทียบกันได้ดังนี้

แรงดันขาเข้า    : 7-12 V

แรงดันขาออก   : 5 V

กระแสขาออก   : 0.3 A

ความถี่ทำงาน   : 25 KHz

วิธีการคำนวณหาค่าต่างๆ นั้นผมจะใช้วิธีตามที่ได้อธิบายไว้แล้วในหนังสือ “เทคนิคและการออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย” ดังนั้นจึงจะข้ามรายละเอียดไปก่อน จะยกมาแค่สูตรเท่านั้น

1. ที่ความถี่การทำงาน 25 KHz จะได้ค่าคาบเวลาการทำงานของเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์แต่ละตัว

2. พุชพูลคอนเวอร์เตอร์มีขดลวดไพรมารี่ 2 ขด คือ Np1 และ Np2 ที่มีค่าอินดัคแตนซ์เท่ากัน (หรือค่าจำนวนรอบเท่ากัน) พันอยู่ในลักษณะกลับเฟสเพื่อสลับกันทำงานด้วยเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ 2 ตัวสำหรับขดลวดแต่ละขด และเมื่อเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวนำกระแส จะนำกระแสกลับเฟสกัน ดังนั้นสนามแม่เหล็กที่คงค้างจะถูกหักล้างกันไปเมื่อขดลวดแต่ละขดนำกระแส พุชพูลคอนเวอร์เตอร์จึงไม่จำเป็นต้องมีขดลวดดีแมกเนไตซิ่งเพิ่มเข้ามาอีก 

และเนื่องจากเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวจะแบ่งกันทำงานคนละครึ่งคาบเวลา ดังนั้นเมื่อกันเวลาเผื่อเอาไว้ให้แต่ละตัวทำงานได้ไม่เกิน 80% ของครึ่งคาบเวลาดังนั้นจะได้ ton(max)

สรุปเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวมีคาบเวลาทำงาน 40 x 10-6 วินาที มีช่วงเวลานำกระแสได้สูงสุด 16 x 10-6 วินาที

4.เมื่อได้ค่า ton(max) และจึงนำมาหาค่าอัตราส่วนจำนวนรอบขดลวดไพรมารี่กับขดลวดเซคั่นดารี่ Np:Ns (หรือ L1:L3 และ  L2:L4) จากสมการ

(ค่า Vce(sat) เลือกเท่ากับ 1.3V เพราะต้องการให้มีค่าสูงเอาไว้ก่อน) 

5. หาค่ากระแสสูงสุดที่ฝั่งไพรมารี่ Ip(peak) คร่าวๆ ได้จาก 

เนื่องจากค่ากระแสสูงสุดที่ฝั่งไพรมารี่ Ip(peak) จะเท่ากับกระแสไพรมารี่ Ip (คือ กระแสที่ดึงจากฝั่งเซคั่นดารี่) รวมกับกระแสแมกเนไตซิ่ง Imag  ในที่นี้จะกำหนดให้ Ip(peak) มีค่าสูงสุดได้ไม่เกิน 1.5A ดังนั้น ค่า Imag จะต้องมีค่าเท่ากับ 1.5-0.42A = 01.08A

6. จากนั้นคำนวณค่าอินดัคแตนซ์ของขดลวดไพรมารี่ Lp ที่น้อยที่สุดจากค่า Imag ที่ได้ เพราะ Imag จะขึ้นอยู่กับค่า Lp 

Lp ที่ได้นี้จะเป็นค่ำต่ำสุด ซึ่งถ้าเพิ่ม Lp ให้มากขึ้นค่า Imag ก็จะน้อยลง ในการออกแบบจึงต้องหาค่า Lp ที่ทำให้ได้ค่ากระแสแมกเนไตซิ่งมีค่าน้อยลง แต่ต้องไม่ให้ค่า Lp ที่มากจนเกินไปด้วย (จะพันหม้อแปลงลำบาก) ในที่นี้เลือกจะเลือก Imag ต่ำสุดให้เท่ากับ 0.1A  คำนวณหาค่า Lp อีกครั้งจะได้เท่ากับ 

และค่ากระแสสูงสุดฝั่งไพรมารี่เมื่อ Lp = 912 x 10-6 H จะเท่ากับ

นั่นคือ เราจะสามารถกำหนดค่า Lp ได้อยู่ในช่วง 84 - 912 x 10-6 H ขึ้นอยู่กับค่ากระแสสูงสุดฝั่งไพรมารี่ที่ต้องการครับ

7. คำนวณค่า Ls จากสมการ

ดังนั้นเมื่อเลือก  Lp = 912 x 10-6 H  ก็จะได้ Ls เท่ากับ 1,390 x 10-6 H  

8. สำหรับเอาพุตโช้ค Lo จะกำหนดจากการให้คอนเวอร์เตอร์ยังคงทำงานในโหมดกระแสต่อเนื่องที่กระแสขาออกต่ำสุด ซึ่งในที่นี้กำหนดให้เท่ากับ 50mA ดังนั้น

ต่อไปก็นำค่าต่างๆ ที่คำนวณได้ไปใส่ในวงจร แล้วสั่ง run ใน LTspice IV เป็นเวลา 50ms ผลการจำลองปรากฏว่าวงจรจะให้ค่าแรงดันเสถียรที่ประมาณ 5.0V จากโหลดประมาณ 300mA ที่แรงดันขาเข้า 12V เมื่อกำหนดให้ช่วงเวลา ton=7.9x10-6s และที่แรงดันขาเข้า 6V ได้ช่วงเวลา ton=13.5x10-6s 

จะเห็นช่วงเวลา ton ทั้งสองค่าแรงดันขาเข้า ยังมีช่วงกว้างให้สามารถปรับลดลงหรือเพิ่มขึ้นได้อีก แสดงว่าค่าของตัวอุปกรณ์ที่กำหนดให้วงจรน่าจะทำงานได้ไม่มีปัญหาอะไร

รูปคลื่นของกระแสและแรงดันที่เกิดขึ้นในวงจรขณะทำงาน คือ แรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ (2 เส้นล่าง)  กระแสที่ไหลผ่านไดโอด และเอาต์พุตโช้ค (ถัดมา) และกระแสที่ไหลผ่านเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ (บนสุด)

จากรูปคลื่นของแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ (2 เส้นล่าง) จะเห็นว่าเมื่อตัวหนึ่งนำกระแส จะเกิดแรงดันตกคร่อมอีกตัวหนึ่งสูงเท่ากับ 2Vin เนื่องจากแรงดันขดลวดที่มันต่ออยู่รวมกับแรงดันขาเข้า และในขณะที่หยุดนำกระแสพร้อมกันแรงดันตกคร่อมจะมีค่าเท่ากับแรงดันสะท้อนจากฝั่งเซคั่นดารี่มายังขดไพรมารี่ครับ (ดูจังหวะนำกระแสจากกระแสไพรมารี่เส้นบนสุด)

กระแสที่ผ่านตัวเอาต์พุตโช้ค (เส้นสีม่วง) จะมี 2 ช่วง คือ ช่วงที่ผ่านกระแสจากตัวไดโอดขณะที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์นำกระแส (ความชันเป็นบวก) และช่วงที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแสพร้อมกันซึ่งเอาต์พุตโช้คจะช่วยจ่ายกระแสให้โหลด (ความชันลดลง) ในจังหวะนี้กระแสจะแบ่งครึ่งผ่านไดโอดแต่ละตัว แต่ที่เห็นกระแสที่ไหลผ่านไดโอดในช่วงเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแสพร้อมกันกลับสูงและต่ำไม่เท่ากันเนื่องมาจากจังหวะนี้ขดลวดไพรมารี่จะถ่ายเทกระแสดีแมกเนไตซิ่งออกมาทางขดเซคั่นดารี่ด้วย  กระแสดีแมกเนไตซิ่งนี้จะเสริมกระแสที่ไหลผ่านไดโอดตัวหนึ่งและลดทอนกระแสที่ไหลผ่านไดโอดอีกตัวหนึ่ง ดังน้้นในจังหวะที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแสพร้อมกันจะมีกระแสไหลผ่านไดโอดตัวหนึ่งมากกว่าอีกตัวหนึ่งเสมอดังที่เห็นในรูปครับ

เมื่อทดลองเปลี่ยนตัวอุปกรณ์จากอุดมคติมาใช้ค่าที่ใกล้เคียงความเป็นจริงมากขึ้น โดยเปลี่ยนเป็น shottkey diode เบอร์ 1N5819 และเปลี่ยนจากสวิตช์เป็นเพาเวอร์มอสเฟตเบอร์ IRFH5053 กำหนด K1 L1 L2 L3 L4 0.99 

จากลักษณะรูปคลื่นที่ได้จะเห็นว่าแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์แต่ละตัว ยังคงมีสไปค์เกิดขึ้นอยู่แต่ค่าแรงดันไม่สูงมากนัก 

ต่อไปจะใส่สนับเบอร์ให้วงจร โดยจะใส่ 2 จุด คื่อ RC snubber คร่อม ที่ขา D และ S ของเพาเวอร์มอสเฟต กับ RCD snubber คร่อมที่ขดลวดไพรมารี่ ดังในรูปข้างล่าง

ทดลองใส่ที่ตัว RC สนับเบอร์ก่อน ผลที่ได้จะเห็นว่าหน่วงเรโซแนนซ์ได้ดีทีเดียว รูปคลื่นสวยขึ้นมาก

ลักษณะแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ เมื่อใส่แค่ RC จะเห็นว่าเรโซแนนซ์หายไปเยอะ และสไปค์ลดลงพอควร

ต่อไปเพิ่ม RCD สนับเบอร์ ผลที่ได้จะเห็นว่าลดสไปค์ที่ขอบขาขึ้นและเรโซแนนซ์ลงได้อีกเยอะพอควร

ลักษณะแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ เมื่อใส่ทั้ง RC และ RCD สนับเบอร์ให้วงจร

สำหรับการวิเคราะห์การออกแบบสำหรับพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ด้วย LTspice IV ก็คงมีเท่านี้ ซึ่งก็น่าจะเพียงพอให้เป็นพื้นฐานเบื้องต้นแล้ว โดยในตอนหน้าผมจะทดลองกับวงจรฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์เป็นลำดับต่อไปครับ

ส่วนการทดลองกับวงจรจริงให้ดูได้ที่นี่ 
วงจรทดลองเพื่อศึกษาการทำงานของพุชพูลคอนเวอร์เตอร์