พื้นฐานการออกแบบและพัฒนาวงจรบักคอนเวอร์เตอร์แบบซิงโครนัส

.

.

พื้นฐานการออกแบบและพัฒนาวงจรบักคอนเวอร์เตอร์แบบซิงโครนัส

ปัญญา มัฆะศร

สาขาวิชาเทคโนโลยีมีเดีย

มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

 

วงจรบักคอนเวอร์เตอร์เป็นวงจรลดระดับแรงดันไฟฟ้าที่มีความสำคัญมากในอุตสาหกรรม เราจะมาเรียนรู้การทำงานของวงจรตลอดจนแนวทางในการปรับปรุงประสิทธิภาพของวงจรกันในบทความนี้

 

การประยุกต์นี้แสดงการใช้สูตรทางไฟฟ้าที่จำเป็นของขั้นตอนการออกแบบวงจรบักคอนเวอร์เตอร์ วงจรแปลงพลังงานแบบสวิตช์ชิ่งโหมดมีความสำคัญมากในอุตสาหกรรม วงจรบักคอนเวอร์เตอร์แบบซิงโครนัสนิยมใช้เพื่อลดระดับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นไปยังระดับแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า ซึ่งในบทความนี้จะอธิบายถึงวิธีการกำหนดตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุทางด้านอินพุตและเอาต์พุตของวงจรบักคอนเวอร์เตอร์  โดยการออกแบบที่ดีสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพและช่วยตอบสนองความต้องการของผู้ใช้งาน ด้วยเหตุนี้สิ่งสำคัญ คือ ต้องทำความเข้าใจพื้นฐานของวงจรบักคอนเวอร์เตอร์แบบซิงโครนัสและวิธีการเลือกส่วนประกอบวงจรอย่างเหมาะสม

พื้นฐานของวงจรบักคอนเวอร์เตอร์ แบบซิงโครนัส (Synchronous Buck Converter Basics)

บักคอนเวอร์เตอร์แบบซิงโครนัสใช้เพื่อลดแรงดันไฟฟ้าลงจากระดับแรงดันไฟฟ้าที่สูงไปยังระดับแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าดังที่กล่าวมาก่อนหน้านี้ วงจรบักคอนเวอร์เตอร์แบบซิงโครนัสได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม โดยปัจจุบันมีการนำเสนอโซลูชั่นที่มีประสิทธิภาพสูง สำหรับการใช้งานที่หลากหลาย ซึ่งมีสูตรที่ใช้ในการคำนวณระยะการทำงานของวงจรกำลังในแต่ละ  สเตจของวงจรบักคอนเวอร์เตอร์แบบซิงโครนัสในโหมดการนำไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง (Continuous Conduction Mode)

วงจรบักคอนเวอร์เตอร์แบบซิงโครนัสจะสร้างแรงดันไฟฟ้าทางเอาต์พุตที่มีค่าต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าทางอินพุต โดยเอาต์พุตของวงจรจะมีการควบคุมแรงดันไฟฟ้าให้คงที่ตลอดการทำงานและสามารถส่งผ่านกระแสไฟที่สูงในขณะการสูญเสียพลังงานมีค่าต่ำๆ ได้ แสดงวงจรดังรูปที่ 1 วงจรบักคอนเวอร์เตอร์แบบซิงโครนัสประกอบด้วยมอสเฟตกำลังจำนวน 2 ตัว ตัวเหนี่ยวนำทางเอาต์พุตและตัวเก็บประจุทางอินพุตและเอาต์พุตของวงจร

รูปที่ 1 พื้นฐานวงจรบักคอนเวอร์เตอร์แบบซิงโครนัส

Q1, หรือมอสเฟตตัวด้านบน, มีการเชื่อมต่อโดยตรงกับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าของวงจร เมื่อ Q1 ทำงาน (Turn On) IUPPER จะจ่ายให้กับโหลดผ่าน Q1 ในช่วงเวลานี้กระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำจะเพิ่มขึ้น (ขดลวด L สะสมพลังงาน) และ Q2 หยุดทำงาน (Turn Off) เมื่อ Q1 หยุดทำงาน (Turn Off) สลับกับ Q2 ทำงาน (Turn On) และ ILOWER จะถูกจ่ายให้กับโหลดผ่าน Q2 ในช่วงเวลานี้ ค่าตัวเหนี่ยวนำจะลดลง (ขดลวด L ถ่ายเทพลังงาน) โดยรูปที่ 2 แสดงรูปคลื่นพื้นฐานสำหรับวงจรบักคอนเวอร์เตอร์แบบซิงโครนัสในโหมดการนำไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง

รูปที่ 2 คลื่นสัญญาณของวงจรบักคอนเวอร์เตอร์แบบซิงโครนัส

การคำนวณหากระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านขดลวด (Calculate the Inductor Current)

วงจร บักคอนเวอร์เตอร์แบบซิงโครนัสมีการสูญเสียการนำของวงจรดังกล่าวมีส่วนประกอบที่มีปัจจัยสำคัญ ได้แก่ D, ปัจจัยสำคัญที่สุดที่เกิดขึ้นของค่าความต้านทานของมอสเฟตทั้งด้านบนและด้านล่าง (Q1 และ Q2) ซึ่งการสูญเสียเหล่านี้สามารถแสดงการคำนวณได้จากสมการที่ (2-1)

     (2-1)

VDSQ1 คือ ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าในมอสเฟตด้านบน (Q1) และ VDSQ2 คือ ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าในมอสเฟตด้านล่าง (Q2) ขั้นตอนต่อไป คือ การกำหนดกระแสกระเพื่อมที่เกิดขึ้นในขดลวดเหนี่ยวนำกระแสได้จากสมการที่ (2-2)

  (2-2)

 

เมื่อ VIN คือ แรงดันไฟฟ้าทางอินพุต

VOUT คือ แรงดันไฟฟ้าทางเอาต์พุต

fS คือ ความถี่ในการสวิตซ์ของวงจรกำลัง

L คือ ค่าขดลวดเหนี่ยวนำ

ดังนั้น ค่ากระแสสูงสุดในขดลวด คือ ค่าเฉลี่ยของกระแสสัญญาณพัลส์ที่มีค่าเป็นครึ่งหนึ่งของกระแสกระเพื่อมในขดลวด โดยค่ากระแสสูงสุดในขดลวดคำนวณได้จากสมการ คือ

โดยที่ IOUT (max) เป็นกระแสเอาต์พุตสูงสุดและ IL (max) เป็นค่ากระแสไฟฟ้าสูงสุดในขดลวด การจำกัดค่ากระแสของ IC ต้องมีค่ามากกว่า IL (สูงสุด) การนำกระแสเอาต์พุตที่มีความเชื่อถือได้สูงจาก IC โดยขึ้นอยู่กับค่าต่ำสุดของการจำกัดกระแส โดยค่ากระแสไฟเอาต์พุตสูงสุดของ IC คำนวณได้จากสมการที่ (2-3)

  (2-3)

เมื่อ ILIM(min) คือ ค่ากระแสจำกัดต่ำสุดของ IC

การออกแบบตัวเหนี่ยวนำพื้นฐาน (Basic Inductor Design)

เอาต์พุตของวงจรบักคอนเวอร์เตอร์แบบซิงโครนัสประกอบด้วยขดลวดเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ ในด้านเอาต์พุตทำหน้าที่เก็บและส่งพลังงานให้กับโหลดและสร้างแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตให้คงที่ตลอด ตัวเหนี่ยวนำผลิตจากวัสดุต่างๆ และมีช่วงกว้างของค่าการทำงานในช่วง ± 20% ตัวเหนี่ยวนำมีความต้านทานกระแสไฟฟ้าตรง (DCR) ที่ส่งผลต่อสมรรถนะของวงจรทางด้านเอาต์พุต การลดขนาด DCR (ด้วยพารามิเตอร์อื่น ๆ ทั้งหมดที่คงที่) จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของวงจรบักคอนเวอร์เตอร์แบบซิงโครนัส

ความสัมพันธ์ระหว่างขดลวดเหนี่ยวนำและกระแสกระเพื่อม (Ripple Current) คือ การลดค่าการเหนี่ยวนำ จะส่งผลต่อค่ากระแสกระเพื่อมที่ไหลผ่านขดลวดจะมีค่าสูงขึ้น โดยกำหนดค่าเหนี่ยวนำต่ำสุด เพื่อต้องการให้ค่ากระแสกระเพื่อมสูงสุด ดังนั้น ผู้ออกแบบวงจร จึงจำเป็นต้องใช้การสวิตช์สูงสุดและตัวเหนี่ยวนำกระแสสูงสุดด้วยเช่นกัน

การคํานวณการเหนี่ยวนําขั้นต่ำ: กระแสกระเพื่อมหาได้จากการเปลี่ยนแปลงค่ากระแสพีคทูพีค (Peak to Peak) ในช่วงเวลาที่สวิตซ์กำลังทำงานและหยุดทำงาน (Turn On/ Turn off) สำหรับวงจรบักคอนเวอร์เตอร์แบบซิงโครนัส การเปลี่ยนกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในระหว่างมอสเฟต Q1 ในช่วงทำงาน(Turn On) จะเท่ากับการเปลี่ยนแปลงในช่วงเวลาหยุดทำงาน (Turn Off) ของมอสเฟต ซึ่งค่าเหนี่ยวนำกระแสที่เพิ่มขึ้นจะมีค่าเท่ากับค่าเหนี่ยวนำกระแสที่ลดลง คำนวณได้จากสมการที่ (3-1)

 (3-1)

สำหรับเหตุผลข้างต้น ค่าเหนี่ยวนำกระแสกระเพื่อมสามารถกำหนดเป็น IL สามารถคำนวณ IL เริ่มต้นด้วยสมการพื้นฐานของการเหนี่ยวนำดังสมการที่ (3-2)

(3-2)

Where dIL = IL, dt = TON, เมื่อมอสเฟตด้านบนทำงาน (Q1) คำนวณหาค่าขดลวด (L) และใช้แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมขดลวดในช่วงเวลาทำงาน (Turn On) ได้จากสมการที่ (3-3)

(3-3)

แรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมขดลวดในช่วงเวลาทำงาน (Turn On) หาได้จากสมการที่ (3-4)

(3-4)

โดยที่ VDSQ1 เป็นแรงดันไฟฟ้าที่ไหลผ่านมอสเฟต Q1 ในขณะที่ทำงาน (Turn On)  รอบการทำงานหรือดิวตี้ไซเคิ้ล (Duty Cycle) คือ อัตราส่วนของมอสเฟต Q1 ในขณะทำงานกับระยะเวลาการสวิตซ์ของคอนเวอร์เตอร์โดยคำนวณได้จากสมการที่ (3-5)

(3-5)

ดังนั้น สามารถเขียนสมการที่ (3-3) ได้ใหม่ ได้ดังสมการที่ (3-6)

 (3-6)

ค่ากระแสที่กระเพื่อม IL สามารถแสดงเป็นอัตราส่วนของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำต่อค่ากระแสเอาต์พุตเต็มกำลังหรือกระแสไฟฟ้ากระเพื่อม (ICR):

  (3-7)

แทนที่สมการที่ (3-7) ไปสมการที่ (3-6), สามารถคำนวณหาขดลวดได้จากสมการที่ (3-8)

 (3-8)

สมการ (3-1) สามารถใช้ในการคำนวณหาดิวตี้ไซเคิ้ลที่เริ่มต้นด้วยกระแสกระเพื่อมการเหนี่ยวนำทำงานและช่วงเวลาหยุดทำงานได้จากสมการ (3-5)

 (3-9)

 

(3-10)

นอกจากนี้ ยังสามารถหาแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมขดลวดในช่วงเวลาหยุดทำงานของขดลวดได้จากสมการที่ (3-11)

(3-11)

โดยที่ VDSQ2 เป็นแรงดันไฟฟ้าลดลงที่เกิดขึ้นที่มอสเฟต Q2 ในขณะที่ทำงาน (Turn On) , การกำหนดค่า  และแทนสมการที่ (3-9), (3-10) และ (3-11) โดยค่าดิวตี้ไซเคิ้ลสามารถเขียนเป็นสมการ คือ

(3-12)

เพราะฉะนั้น สมการของค่าความเหนี่ยวนำ LMIN, จึงสามารถเขียนใหม่ได้เป็น คือ

(3-13)

สมการที่ (3-13) สามารถทำได้ง่ายขึ้น โดยละเลย VDSQ1 และ VDSQ2 จากนั้น ค่าความเหนี่ยวนำขั้นต่ำจะกลายเป็นสมการดังกล่าวนี้ คือ

(3-14)

ค่าความสมดุลระหว่างค่าการเหนี่ยวนำและค่ากระแสกระเพื่อม เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพค่าเหนี่ยวนำทางเอาต์พุต โดยกำหนดเป้าหมายของ ICR เท่ากับ 20% -40% ของ IOUT (สูงสุด)

พื้นฐานการออกแบบตัวเก็บประจุเอาต์พุต (Basic Output Capacitor Design)

ตัวเก็บประจุเอาต์พุต COUT ทำหน้าที่รักษาระดับแรงดันไฟฟ้าทางเอาต์พุตที่ควบคุมการทำงานในช่วงเวลาที่กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำสูงกว่าหรือต่ำกว่ากระแสเอาต์พุต ทั้งนี้ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในแต่ละรอบของตัวเหนี่ยวนำกระแสทั้งรอบขาขึ้นและรอบขาลงและในระหว่างการเปลี่ยนแปลงโหลดเอาต์พุตก่อนที่กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะถึงระดับค่าเฉลี่ยที่ต้องการใหม่ โดยแอมปลิจูดของค่าประจุสะสมที่ลดลงจะเป็นฟังก์ชันส่วนหนึ่งของโหลดแบบสเตปที่ใช้หลักการตัดโหลดทางไฟฟ้าที่ไม่จำเป็น เพื่อควบคุมปริมาณไฟฟ้า เมื่อเกินขีดกำหนด ทั้งนี้เพื่อป้องกันการกระเพื่อมของดีมานด์บริเวณค่าที่ถูกจำกัด (Limit/ Set Point) ที่กำหนดไว้ เพื่อไม่ให้สร้างความเสียหายแก่อุปกรณ์ไฟฟ้าทางเอาต์พุต ค่าตัวเก็บประจุเอาต์พุต ค่าเหนี่ยวนำ แรงดันไฟฟ้าอินพุต/แรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตและดิวตี้ไซเคิ้ลสูงสุด ซึ่งเป็นไปอย่างรวดเร็วที่เหมาะสมและมีความเป็นไปได้ ซึ่งการออกแบบและคำนวณค่าเวลาโดยประมาณ (โดยละเลยค่าพาราซิติกส์) และดิวตี้ไซเคิ้ลสูงสุด สำหรับการป้อนแรงดันไฟฟ้าทางอินพุตและเอาต์พุตเขียนเป็นสมการ คือ

โดยเวลาที่เกิดขึ้นจริงจะลดลงอีกเล็กน้อย เนื่องจาก IC จะช่วยชดเชยแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมในวงจร แต่ผู้ออกแบบสามารถละเลยทั้ง 2 อย่างนี้ได้ เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของเวลาในการชดเชยความสูญเสียของแรงดันไฟฟ้า การคำนวณค่าแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตจากสมการ

แอมปลิจูดของประจุสะสมที่พุ่งสูงขึ้นจะเป็นฟังก์ชันส่วนหนึ่งของโหลดแบบสเตปเช่นกัน ค่าตัวเก็บประจุเอาต์พุต, ค่าการเหนี่ยวนำและค่าแรงดันไฟฟ้าทางเอาต์พุตมีสมการ คือ

แรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมทางเอาต์พุต Vo(p-p) กำหนดให้เป็นยอดแรงดันไฟฟ้าพีคทูพีค(Peak to Peak) ของ fSW แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ซ้อนทับกับแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุต DC แรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมที่ตัวเก็บประจุสามารถแสดงเป็นอัตราส่วนการกระเพื่อมต่อแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตโดยรวมของ CVRR คือ

(4-1)

เมื่อ CVRR = V / VOUT

โดยปกติ CVRR ถูกจำกัดค่าที่น้อยกว่า 1~2% ของแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุต

ความต้านทานอนุกรมที่สมมูลกัน (ESR) ของ COUT มีผลต่อระยะเวลาการตอบสนองของวงจรป้อนกลับของตัวควบคุมและยังเป็นส่วนหนึ่งของการเปลี่ยนแปลงแรงดันกระเพื่อมทางเอาต์พุตจากสมการ ที่ (4-2)

(4-2)

ในแต่ละรอบการทำงานของวงจร เมื่อกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำมีมากเกินกว่ากระแสเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุเอาต์พุตจะมีขนาดแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ในทางตรงกันข้าม เมื่อกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำต่ำกว่ากระแสเอาต์พุต แรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตจะมีขนาดลดลง เพื่อให้ได้กระแสเอาต์พุตเฉลี่ยที่ถูกต้องและค่าแรงดันเอาต์พุตคงที่ ดังนั้น ปริมาณการเก็บประจุของตัวเก็บประจุทางเอาต์พุตจะต้องเท่ากับปริมาณของการคายประจุของตัวเก็บประจุทางเอาต์พุตเสมอ สถานะที่ตรงกันข้ามที่เกิดขึ้นของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวเก็บประจุ คือ ศูนย์แอมแปร์ (รูปที่ 3)

รูปที่ 3 กราฟของกระแสที่ไหลผ่านขดลวดและตัวเก็บประจุ

ค่ากระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวเก็บประจุทางเอาต์พุตหาได้จากสมการที่ (4-3)

(4-3)

(4-3) สามารถเขียนสมการได้เป็น :

(4-4)

พื้นที่ที่แรเงาในรูปที่ 3 แสดงพื้นที่ภายใต้เส้นโค้งของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเท่ากับค่าพลังงานที่ประจุในตัวเก็บประจุเอาต์พุต (COUT) หรือ Qc หาได้จากสมการที่ (4-5)

(4-5)

โดยที่ค่าเวลาที่เกิดการเปลี่ยนแปลง คือ

ดังนั้น  สมการที่ (4-5) สามารถเขียนสมการใหม่ได้เป็น:

(4-6)

 

(4-7)

ความจุเอาต์พุตต่ำสุดขึ้นอยู่กับค่าแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมทางเอาต์พุตที่สามารถกำหนดโดยสมการที่ (4-7) คือ

(4-8)

ผลรวมของแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมทางเอาต์พุตประกอบด้วย “ESR Ripple” (4-2) และ “Capacitive Ripple” (4-7) เพื่อให้เป็นไปตามความต้องการของการกระเพื่อมสูงสุดที่เหมาะสม โดยกำหนดค่าเพียงครึ่งหนึ่งของกำหนด สำหรับแต่ละองค์ประกอบของการกระเพื่อมได้ โดยปกติแล้วองค์ประกอบคลื่นๆ หนึ่งจะมีอิทธิพลเหนือกว่าและกำหนดค่าเผื่อไว้มากกว่าครึ่งหนึ่งของคลื่นกระเพื่อม สำหรับตัวเก็บประจุเอาต์พุต MLCC, การกระเพื่อมที่เกิดขึ้นจะมาจากค่าคาปาซิทีฟเป็นส่วนใหญ่ ในขณะที่ตัวเก็บประจุที่ใช้งานแบบแบบอิเล็คโตรไลต์หรือแบบแทนทาลัมและส่งผลต่อค่า ESR

การเลือกตัวเก็บประจุด้านอินพุต (Input Capacitor Selection)

กระแสอินพุตของบั๊กเป็นแบบต่อเนื่องในช่วงระหว่าง S1 เปิดและปิดการทำงาน เมื่อ S1 ปิดลง แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าอินพุต (แบตเตอรี่หรืออะแดปเตอร์ AC / DC ฯลฯ ) มักไม่สามารถรองรับการเปลี่ยนแปลงกระแสไฟฟ้าที่รวดเร็วได้ ดังนั้น ตัวเก็บประจุทางด้านอินพุตจะทำหน้าที่จ่ายกระแสไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงนี้ไปยัง S1 และตัวเหนี่ยวนำ โดยที่ตัวเก็บประจุจะเก็บแรงดันไฟฟ้าขาเข้าไว้ก่อนหน้านี้ได้อย่างสม่ำเสมอ ตัวเก็บประจุอินพุตจะคายประจุเพียงเล็กน้อยในระหว่างที่ S1 ตามเวลาและการประจุค่าพลังงานไฟฟ้าใหม่ในช่วงเวลาหยุดทำงาน

รูปที่ 4 สเตจการทำงานของวงจร Buck Converter

การเปลี่ยนกระแสไฟฟ้าและค่าคงที่การประจุและการคายประจุทำให้เกิดความร้อนในตัวเก็บประจุอินพุตที่สามารถลดอายุการใช้งานได้หรือทำความเสียหายกับตัวเก็บประจุได้อย่างรวดเร็ว กระแสอินพุตอินพุต (IRMS) สามารถแสดงสมการที่ (5-1)

(5-1)

โดยปกติ กระแสประจุตัวเก็บประจุสูงสุดของผู้ผลิต (ที่เรียกว่า “Ripple Current”) หมายถึง กระแสที่เกิดขึ้นจริงและไหลผ่านตัวเก็บประจุ กระแสไฟ RMS นี้ผ่าน ESR ของตัวเก็บประจุจะทำให้เกิดการสูญเสียของพลังงาน (หน่วยจูล) ทำให้อุณหภูมิที่ตัวเก็บประจุเพิ่มสูงขึ้น สูตร คือ  ผู้ผลิตระบุค่ากระกระเพื่อมสูงสุด เพื่อจำกัดอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากตัวเก็บประจุแบบเซรามิกส่วนใหญ่มี ESR ที่ต่ำมาก (ประมาณ 5mΩ) จึงไม่จำเป็นต้องกังวลเกี่ยวกับข้อกำหนดในการกระเพื่อมที่มากเกินไป ตัวเก็บประจุอินพุต (หรือกลุ่มของตัวเก็บประจุอินพุต) ต้องสามารถจัดการกับ IRMS ที่ต้องการได้ ตัวเก็บประจุบางตัวมีการจัดค่าอัตรากระแส RMS แต่ไม่มากนัก ดังนั้น จึงอาจเป็นประโยชน์ในการประเมินประจุแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมแทนจากสมการตัวเก็บประจุขั้นพื้นฐานที่สมการ (5-2)

(5-2)

การละเลยการสูญเสียพลังงานไฟฟ้ากระแสตรง (DC) โดยเฉลี่ยจะได้รับโดยแสดงจากสมการ  สันนิษฐานได้ว่า องค์ประกอบทางด้าน DC ของกระแสไฟอินพุตที่รับจากแหล่งจ่ายไฟทางอินพุตและส่วนประกอบ AC โดยตัวเก็บประจุที่ทำหน้าที่กรองกระแสทางอินพุต ซึ่งไม่สนใจค่ากระแสกระเพื่อมของขดลวด แหล่งจ่ายกระแส (การคายประจุ) ที่มาจากตัวเก็บประจุอินพุตกับขนาด IO-IIN ในระหว่างช่วงเวลา D ขณะที่ S1 ทำงาน และในทางตรงกันข้าม ถ้าตัวเก็บประจุจะถูกประจุโดย IIN ระหว่างช่วง 1-D เมื่อ S2 ทำงานด้วยขั้วสัญญาณกระแสตามที่ระบุนี้ โดยสามารถเขียนเป็นสมการที่ (5-3)

(5-3)

โดยที่ Ts คือ ระยะเวลาการสวิตซ์ชิ่ง ดังนั้น ตัวเก็บประจุอินพุต จึงนำกระแสคลื่นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่มีค่าพีคทูพีคสูงสุดของกระแส Io และผลที่ตามมา คือ ส่วนประกอบประจุไฟฟ้าที่เป็นผลของแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อม AC ที่เป็นรูปสามเหลี่ยมที่มีค่าพีคทูพีคสูงสุดที่เขียนเป็นสมการที่ (5-4)

(5-4)

แรงดันไฟฟ้ากระเพื่อม AC สูงสุดที่ดิวตี้ไซเคิ้ล 50% เขียนเป็นสมการได้ตามสมการที่ (5-5)

(5-5)

ตามกฎทั่วไป การรักษาค่าขนาดกระเพื่อมพีคทูพีคสูงสุดที่ต่ำกว่า 75mV

การกำหนดค่าแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุต (Output Voltage Setting)

รูปที่ 5 แสดงวงจรบักคอนเวอร์เตอร์ที่ให้แรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตที่ประกอบไปด้วยโครงข่ายตัวต้านทานที่ต่อแบบชนิด “Resistive Divider” ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ป้อนกลับ กำหนดโดย VFB สามารถคำนวณวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้าได้ ส่วนค่ากระแสที่ไหลผ่านโครงข่ายตัวต้านทานที่ต่อร่วมมีข้อแนะนำให้มีขนาดมากกว่ากระแสป้อนกลับอย่างน้อย 100 เท่า

(6-1)

ในกรณีที่ IFB เป็นกระแสไฟฟ้าป้อนกลับของข้อมูลดาต้าชีตของไอซี คือกำหนดให้ IR1/2 เป็นกระแสป้อนกลับที่ไหลผ่านชุดดิไวเดอร์ กระแสที่ผ่านดิไวเดอร์อาจมีค่ามากกว่า ซึ่งอาจเพิ่มความถูกต้องของแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุต โดยการลดค่าสัญญาณรบกวนจากการคัปปลิ้ง ข้อเสียเพียงอย่างเดียวของค่าความต้านทานที่ต่ำมากๆ คือ การสูญเสียพลังงานที่สูงขึ้นในตัวต้านทานในวงจรดิไวเดอร์ เขียนได้ดังสมการที่ (6-2)

(6-2)

ที่ VFB เป็นแรงดันไฟฟ้าย้อนกลับจากข้อมูลดาต้าชีตและ VOUT เป็นแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตที่ต้องการ

รูปที่ 5 ตัวต้านทานที่ต่อแบบแบ่งแรงดันไฟฟ้า เพื่อกำหนดค่าแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุต

 

สุดท้ายนี้ในวงจรบักคอนเวอร์เตอร์แบบซิงโครนัสต้องใช้ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุอินพุตและเอาต์พุตที่ต้องระมัดระวังในการคัดเลือกค่าใช้งานอย่างเป็นพิเศษ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการทำงานของวงจรบักคอนเวอร์เตอร์ที่ดียิ่งขึ้น ผู้เขียนหวังว่าบทความนี้จะช่วยให้ผู้อ่านสามารถวิเคราะห์และออกแบบวงจรบักคอนเวอร์เตอร์แบบซิงโครนัสได้อย่างละเอียด เพื่อเลือกค่าความเหนี่ยวนำที่เหมาะสมและค่าอินพุตและเอาต์พุตของตัวเก็บประจุที่เลือกใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพในการออกแบบวงจร

 

 

 

Leave a Comment