วิเคราะห์การออกแบบฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ด้วย LTSPICE IV

วงจรฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์

ฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์มีจำนวนตัวอุปกรณ์ในวงจรใกล้เคียงฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ และยังคงใช้เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ในวงจรเพียงแค่ตัวเดียว โดยพื้นฐานของวงจรจะอยู่ในตระกูลเดียวกับบัคคอนเวอร์เตอร์ ดังนั้นลักษณะกระแสที่ขาออกจะมีลักษณะต่อเนื่องซึ่งจะทำให้แรงดันขาออกของฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์มีแรงดันกระเพื่อมที่น้อยกว่าฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์มาก นอกจากนี้ที่ค่ากระแสสูงสุดฝั่งไพรมารี่ที่ไหลผ่านเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์เท่ากัน ฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์จะมีค่ากระแสสูงสุดที่ฝั่งเซคั่นดารี่ต่ำกว่าฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์มาก จึงให้กำลังงานขาออกที่มากกว่าได้ อย่างไรก็ตามฟอร์เวิร์ดก็มีตัวอุปกรณ์ที่มากกว่าและการพันหม้อแปลงก็ยุ่งยากกว่าด้วยเช่นกัน

เราจะทดลองวิเคราะห์การออกแบบฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ด้วยโปรแกรม 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

                    
        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

วงจรทดลองเพื่อศึกษาการทำงานของฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์

วิเคราะห์การออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายด้วยโปรแกรม LTSPICE IV ตอนที่ 3

วิเคราะห์วงจรฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์

เนื่องจากฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์มีตัวอุปกรณ์สำคัญในวงจรเพียงแค่ 4 ตัวคือ เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ หม้อแปลง ไดโอด และตัวคาปาซิเตอร์กรองแรงดันขาออก จึงจัดเป็นคอนเวอร์เตอร์ยอดนิยมสำหรับเครื่องใช้และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องการกำลังงานไม่สูงมากนัก เพราะสร้างง่ายและมีราคาถูก

และเนื่องจากมีตัวอุปกรณ์น้อยชิ้น ดังนั้นเราจะทดลองวิเคราะห์การออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายด้วยโปรแกรม LTSPICE IV โดยเริ่มจากวงจรฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์เป็นอันดับแรก

เริ่มด้วยการนำ component มากวางในแผ่นวงจรให้ได้วงจรฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ตามนี้ครับ

อย่าลืมว่าหม้อแปลงฟลายแบคนั้นขดลวดไพรมารี่กับเซคั่นดารี่นั้นต้องวางกลับเฟสกัน ส่วนวงจรกำเนิด PWM_A ได้อธิบายไปในตอนก่อนหน้านี้แล้ว จึงเหลือแต่สวิตช์ S1 หรือ Voltage Control Switch ที่จะนำมาใช้แทนเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ เนื่องจากต้องการเริ่มด้วยวงจรแบบอุดมคติเสียก่อน

การนำ Voltage Controlled Switch มาใช้ให้เลือก คำว่า sw จากรายการอุปกรณ์ โดยให้กด F2 แล้วพิมพ์คำว่า sw ในช่อง search จากนั้นก็กดเลือกออกมาวางในแผ่นวงจร  การใช้ Voltage Controlled Switch เราต้องกำหนดค่าต่างๆ ที่จำเป็นให้มันด้วย โดยใช้คำสั่ง .model ตัวอย่างตามนี้

.model SW SW(Ron=0.01 Roff = 10Meg Vt=0.5 Vh=-0.04)

SW ตัวแรกหลังคำสั่ง .model คือชื่อตัวแปรที่เราจะกำหนดค่า (คือ SW ที่เห็นคู่กับคำว่า S1 ในวงจร)  ส่วน SW ตัวถัดมาเป็นตัวย่อบอกว่า SW นี้เป็น Voltage Controlled Switch (ถ้าเป็นสวิตช์แบบอื่นก็ใช้ตัวย่ออื่นเช่น CSW ก็หมายถึงเป็น Current Controlled Switch เป็นต้น) ค่า Ron และ Roff คือ ค่าความต้านทานขณะนำกระแสและหยุดนำกระแสตามลำดับ Vt ก็คือค่าแรงดันที่จะเริ่มและหยุดทำงานของสวิตช์ ส่วน Vh คือ ค่าความล้าของการตอบสนองของแรงดันควบคุมของสวิตช์ (Hysteresis) ดังนั้นสวิตช์จะเริ่มและหยุดทำงานที่ (Vt − Vh) และ (Vt + Vh) ตามลำดับครับ

ต่อไปเราจะเริ่มกำหนดค่า่ต่างๆ ให้ตัวอุปกรณ์ในวงจร ซึ่งจะขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ที่เราต้องการ ซึ่งจะขอกำหนดค่าในตัวอย่างนี้ดังนี้

แรงดันขาเข้า    : 7-12 V

แรงดันขาออก   : 5 V

กระแสขาออก   : 0.3 A

ความถี่ทำงาน   : 25 KHz

วิธีการคำนวณหาค่าต่างๆ นั้นผมจะใช้วิธีตามที่ได้อธิบายไว้แล้วในหนังสือ “เทคนิคและการออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย” ดังนั้นจึงจะข้ามรายละเอียดไปก่อน จะยกมาแค่สูตรเท่านั้นครับ

1. เริ่มด้วยหาค่าคาบเวลาการทำงานของเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์เสียก่อน จะได้ว่า

2. ต่อไปจะกำหนดค่าอัตราส่วนจำนวนรอบของหม้อแปลง Np:Ns จากอัตราทนแรงดันสูงสุดที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์จะทนได้ เพราะในฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ขณะที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแสนั้น จะมีแรงดันตีกลับจากขดเซคั่นดาร๋ผ่านมายังขดไพรมารี่ซึ่งขนาดของแรงดันจะขึ้นอยู่กับอัตราส่วนจำนวนรอบ และเมื่อรวมกับค่าแรงดันขาเข้าดังนั้นในขณะที่เพ่าเวอร์ทรานซิสเตอร์หยุดแรงดันตกคร่อมที่ตัวเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์จะมีค่าสูงมาก 

การกำหนดค่าอัตราส่วนจำนวนรอบ Np:Ns จึงควรทำเป็นอันดับแรกจากเพื่อหาเงื่อนไขและตัวอุปกรณที่เหมาะสมให้แก่คอนเวอร์เตอร์

ซึ่งจะหาได้จากสมการนี้ครับ

ในที่นี้จะกำหนดให้ Vce(max) เท่ากับ 50V ดังนั้นที่แรงดันขาออก Vin = 5V แรงดันตกคร่อมไดโอดขณะนำกระแส Vd = 0.6V และค่าแรงดันขาเข้าสูงสุด Vin(max)=12V จะได้

เครื่องหมายน้อยกว่าเท่ากับ คือ เลือกค่าอัตราส่วนเป็นเท่าไหร่ก็ได้ตั้งแต่ 6.14 ลงมา ในที่นี้จะเลือก Np:Ns = 6:1 ครับ

3. ในที่นี้จะพิจารณาจากโหมดกระแสไม่ต่อเนื่อง (discontinuous current mode) ก่อน จึงกำหนดค่าคาบเวลาให้ลดลงเหลือ 0.8T และคำนวณหาช่วงเวลานำกระแสสูงสุด ton(max) ที่จะทำให้กระแสที่ขดลวดเซคั่นดารี่ลดลงจนมีค่าเป็น 0 ได้ที่เวลา 0.8T จากสมการ

4. จากนั้นเอาค่า ton(max) ที่ได้ไปหาค่าอินดัคแตนซ์ Lp ของขดลวดไพรมารี่อีกทีตามสมการ

(ให้ค่าประสิทธิภาพของคอนเวอร์เตอร์เป็น 0.8 และค่าแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ขณะทำงานเท่ากับ 1.3V)

5. คำนวณค่า Ls จากสมการ

มาถึงขั้นตอนนี้เราก็ได้ค่าต่างๆ ที่จำเป็นมาครบแล้ว ก็นำไปกำหนดค่าในวงจรเพื่อให้ LTspice IV จำลองการทำงานวงจรที่เราออกแบบได้เลยครับ และเนื่องจากวงจรแรกนี้ผมใช้สวิตช์เป็นมาแทนเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ ค่าแรงดันตกคร่อมที่ใช้คำนวณจากสูตรข้างบนมันจะหายไป เลยจะชดเชยด้วยการลดค่าแรงดันขาเข้าลงไป 1V ดังนั้นหากเริ่มต้นทดสอบด้วยค่าแรงดันขาเข้าต่ำที่สุด ก็จะเริ่มที่ 6V แทน 7V ครับ

ค่าทั้งหมดในวงจรก็จะเป็นดังนี้

เมื่อทดลองสั่ง run เป็นเวลา 50ms โดยกำหนดให้ช่วงเวลา  ton=27E-6s จะให้ค่าแรงดันเสถียรที่ประมาณ 5.4V จากโหลดประมาณ 300mA

ค่าแรงดันขาออกที่ได้เมื่อสั่ง run วงจรในช่วงเวลา 0-50ms โหลด 300mA

รูปบนเป็นค่าแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ (S1) ขณะทำงาน รูปล่างเป็นค่ากระแสที่ฝั่งไพรมารี่ (สีเหลือง) และฝั่งเซคั่นดารี่ (สีขาว) จะเห็นว่ากระแสสูงสุดที่ฝั่งเซคั่นดารี่จะมีค่ามากกว่าฝังไพรมารี่หลายเท่า ในขณะที่แรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ขณะที่ขดลวดเซคั่นดารี่ยังนำกระแสอยู่จะมีค่ามากกว่าแรงดันขาเข้าหลายเท่าด้วยเช่นกัน (ประมาณ 48V ในวงจรนี้) 

จะเห็นว่าที่ค่าแรงดันขาเข้าที่ 6V ค่ากระแสฝั่งเซคั่นดารี่สามารถลดลงเป็นศูนย์ได้ก่อนหมดคาบเวลา และยังเหลือช่วงเวลาอีกค่อนข้างกว้าง หมายความว่าค่า Lp กับ ค่าอัตราส่วนจำนวนรอบ Np:Ns ที่กำหนดให้แก่วงจร อาจใช้งานได้กว้างขึ้นไปอีกคือ หากแรงดันขาเข้ามีค่าต่ำกว่า 6V ลงไป หรือโหลดดึงกระแสมากกว่า 300mA วงจรก็ยังสามารถทำงานและคงค่าแรงดันขาออกเอาไว้ได้

ค่าแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์สูงสุดขณะหยุดนำกระแสที่ได้นั้นมีค่าประมาณ 50V ซึ่งไม่เกิน 60V ตามต้องการ ส่วนลักษณะของแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์กับลักษณะของกระแสทั้ง 2 ฝั่งก็เป็นไปตามที่ได้อธิบายไว้ในหน้งสือแล้ว จึงจะไม่ขอกล่าวในรายละเอียดอีกครับ

เมื่อปรับค่าแรงดันขาเข้าเป็น 12V และปรับช่วงเวลา ton จนให้ค่าแรงดันเสถียรที่ประมาณ 5V และโหลดประมาณ 300mA ได้ค่าช่วงเวลา ton ที่ประมาณ 12.8E-6s
สรุปเบื้องต้นได้ว่าค่าต่างๆ ที่กำหนดให้แก่วงจรน่าจะทำฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ทำงานได้ตามข้อกำหนดที่ต้องการ ไม่น่ามีปัญหาอะไร

เมื่อซูมภาพเข้าไปดูค่า ripple ของแรงดันขาออกที่เกิดขึ้น วัดได้ประมาณ 16mV เมื่อทดลองลดค่าตัวคาปาซิเตอร์ลงมาจาก 680uF เป็น 220uF ค่า ripple เพิ่มขึ้นเป็น 48mV เมื่อทดลองเพิ่มค่า ESR 0.01Ohmให้ตัวคาปาซิเตอร์ขาออก ripple ยิ่งเพิ่มมากขึ้นจาก 48mV เพิ่มเป็น 63mV

Ripple หรือค่าแรงดันกระเพื่อมที่ขาออกของวงจรวัดได้ประมาณ 16mV

เมื่อลดค่าตัวคาปาซิเตอร์ลงมาจาก 680uF เป็น 220uF ค่า ripple เพิ่มขึ้นเป็น 48mV 

ที่ค่าคาปาซิเตอร์ 220uF แต่เพิ่มค่า ESR ให้เป็น 0.01 โอมห์ม  ripple ยิ่งเพิ่มมากขึ้นจาก 48mV เป็น  63mV  ESR ที่เพิ่มเข้าส่งผลต่อลักษณะรูปคลื่นของ ripple ที่เกิดขึ้นอย่างเห็นได้ชัด

ต่อไปเราจะเริ่มทดลองเปลี่ยนตัวอุปกรณ์จากอุดมคติมาใช้ค่าที่ใกล้เคียงความเป็นจริงมากขึ้น ผมจะทดลองเปลี่ยนไดโอดก่อนเป็นอันดับแรก โดยเลือกเปลี่ยนเป็น shottkey diode เบอร์ 1N5819 จาก component ที่ LTspice IV มีให้มา

ผลที่ได้จากการเปลี่ยนไม่กระทบค่ากระแสและแรงดันขาออกของวงจรแต่อย่างใด แต่มีผลต่อรูปคลื่นของแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ในช่วงหยุดนำกระแส โดยจะเกิดเรโซแนนซ์ในช่วงที่กระแสที่ฝั่งเซคั่นดารี่ลดลงเป็น 0 ไปแล้ว ดังรูป

รูปนี้แสดงให้เห็นเรโซแนนซ์ที่เกิดขึ้นที่แรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์เมื่อกระแสที่ฝั่งเซคั่นดารี่ลดลงจนเป็นมีค่า 0 ที่เป็นผลมาจากค่าคาปาซิแตนซ์ที่รอยต่อของตัวไดโอด 1N5819 ที่เปลี่ยนให้วงจร

ต่อไปจะทดลองเปลี่ยนสวิตช์เป็นเพาเวอร์มอสเฟตดูบ้าง แต่เปลี่ยนไดโอดกลับมาเป็นอุดมคติเสียก่อน เพาเวอร์มอสเฟตเลือกเปลี่ยนเป็นเบอร์ IRFH5053 จาก component ที่ LTspice IV มีให้มา

ผลที่ได้จากการเปลี่ยนไม่กระทบค่ากระแสและแรงดันขาออกของวงจรแต่มีผลต่อรูปคลื่นของแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ในช่วงหยุดนำกระแส เช่นเดียวกับไดโอด โดยจะเกิดเรโซแนนซ์ในช่วงที่กระแสที่ฝั่งเซคั่นดารี่ลดลงเป็น 0 ไปแล้ว
ต่างกันตรงที่ความถี่เรโซแนนซ์ที่เกิดจากเพาเวอร์มอสเฟตจะต่ำกว่าไดโอด

รูปนี้แสดงให้เห็นเรโซแนนซ์ที่เกิดขึ้นที่แรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์เมื่อกระแสที่ฝั่งเซคั่นดารี่ลดลงจนเป็นมีค่า 0 ที่เป็นผลมาจากค่าเอาพุดท์คาปาซิแตนซ์ของเพาเวอร์มอสเฟตที่เปลี่ยนให้วงจร จะเห็นว่าความถี่เรโซแนนซ์ที่เกิดจากเพาเวอร์มอสเฟตจะต่ำกว่าไดโอด

เรโซแนนซ์ที่เกิดขึ้นนั้นมาจากผลของค่าคาปาซิแตนซ์รอยต่อ (Cj) ของไดโอด และค่าเอาท์พุตคาปาซิแตนซ์ (Coss) ของมอสเฟตซึ่งจะไม่ขอกล่าวถึงรายละเอียดในที่นี้ครับ

ต่อไปเราจะเพิ่มค่าความเหนี่ยวนำรั่วให้หม้อแปลง โดยกำหนดค่าเป็น K1 L1 L2 0.99 เพื่อดูผลกระทบกันบ้างครับ

เมื่อเปลี่ยนหม้อแปลง เพาเวอร์มอสเฟต และไดโอด ให้เป็นตัวอุปกรณ์ที่ไม่เป็นอุดมคติพบว่า จะทำให้ค่าแรงดันขาออกที่ได้ลดลงเล็กน้อย ซึ่งถือว่าไม่เป็นปัญหา แต่ค่าความเหนี่ยวนำรั่วจะมีผลกระทบต่อแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ในช่วงหยุดนำกระแสมากเลยทีเดียว เนื่องจากขณะหยุดนำกระแสจะเกิดเรโซแนนซ์ขึ้นระหว่างค่าความเหนี่ยวรั่วของหม้อแปลงกับค่าเอาพุตท์คาปาซิแตนซ์ของเพาเวอร์มอสเฟต และในขณะที่เริ่มหยุดนำกระแสค่าแรงดันสูงสุดของเรโซแนนซ์ที่เกิดขึ้นจะสูงมากในช่วงสั้นที่เรียกว่า สไปค์ (spike) ก่อนที่จะถูกลดทอนลงมาตามเวลา แต่ก็สามารถทำอันตรายให้ตัวเพาเวอร์มอสเฟตได้กรณีมีค่าสูงมากเกินค่าแรงดันสูงสุดที่เพาเวอร์มอสเฟตจะทนได้

ตัวอย่างในกรณีนี้จะเห็นว่าสไปค์ที่เกิดขึ้นมีค่าสูงมากกว่า 90V เลยทีเดียว

แสดงผลของสไปค์ที่เกิดขณะเพาเวอร์มอสเฟตหยุดนำกระแสซึ่งเป็นผลจากค่าความเหนี่ยวนำรั่วในขดลวดไพรมารี่ของหม้อแปลง เมื่อหม้อแปลงไม่เป็นอุดมคติ (K1 L1 L2 0.99) 

ดังนั้นโดยทั่วไปแล้วฟลายแบคคอนเวอร์จึงจำเป็นต้องมีวงจรสนับเบอร์ (snubber) เพื่อกดค่าแรงดันสไปค์ในช่วงสั้นๆ นี้ให้มีค่าไม่เกินที่จะเป็นอันตรายต่อเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์เอาไว้ด้วยเสมอครับ

ในที่นี้ผมจะทดลองเพิ่มสนับเบอร์เข้ามาในวงจรตามในรูปนี้ เพื่อดูผลคร่าวๆ ส่วนการคำนวณค่าของสนับเบอร์จะขอข้ามไปก่อนครับ

แสดงวงจรสนับเบอร์ที่เพิ่มเข้ามาเพื่อกดแรงดันสไปค์ช่วงขณะเริ่มหยุดนำกระแสให้มีค่าไม่สูงเกินกว่าเพาเวอร์มอสเฟตจะทนได้

รูปนี้เป็นผลที่ได้หลังใส่สนับเบอร์เข้าไปครับ

ผลของวงจรสนับเบอร์ที่เพิ่มเข้ามาในวงจร ซึ่งสามารถลดแรวดันสไปค์ลงมาให้เหลืออยู่ประมาณ 50V ซึ่งไม่เกินค่าแรงดันสูงสุดที่เพาเวอร์มอสเฟตทนได้ตามที่กำหนดไว้ตอนออกแบบวงจร

จะเห็นว่าสนับเบอร์ช่วยกดแรงดันไว้ให้อยู่ในระดับที่ยอมรับได้ แต่มันก็มีผลต่อค่าแรงดันขาออกพอสมควรเลยทีเดียว รวมทั้งยังต้องคำนึงถึงความร้อนและกำลังงานสูญเสียจะเกิดในวงจรสนับเบอร์อีกด้วย แต่ผลดีของการใส่สนับเบอร์เอาไว้ก็ถือว่ามันจำเป็นต้องใส่ไว้ในวงจรด้วยเสมอ

สำหรับโหมดกระแสต่อเนื่องจะขอข้ามไป เพราะคิดว่าสามารถใช้แนวทางการคำนวณแบบเดียวกันนี้ได้ โดยเปลี่ยนจากค่า ton(max) เป็น ton(min) และเปลี่ยนค่าคาบจากที่จำกัดไว้ 0.8T เป็น T ในข้อ 3 แล้วนำไปคำนวณหาค่า Lp ต่อในข้อ 4 คิดว่าคงไม่ยากเกินไป

ส่วนผลจากการสร้างวงจรจริงที่สร้างขึ้นเปรียบเทียบกับผลวิเคราะห์ที่ทำมาข้างบนเข้าไปดูได้ตาม link ที่ปรากฏอยู่ข้างล้างนี้ครับ

วงจรทดลองเพื่อศึกษาการทำงานของฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์

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