เครื่องจ่ายไฟฟ้า

สารบัญ

• บทนำ
• เครื่องจ่ายไฟฟ้าที่มีความเที่ยงตรง (Regulated Power Supplies)
• ความเสถียรภาพของเครื่องจ่ายไฟฟ้า (Stabilization)
• เรกูเลเตอร์สำเร็จรูป (Monolithic Regulators)
• สวิตชิ่งเรกูเลเตอร์ (Switching Regulators)

      วงจรเบื้องอย่างง่ายของสวิตชิ่งเรกูเลเตอร์ (Basic Switching Regulator Topology)
      วงจรของสวิตชิ่งเรกูเลเตอร์แบบอื่นๆ (Additional Switching Regulator Topologies)
• การสร้างเครื่องจ่ายไฟกระแสตรงโดยใช้หม้อแปลงต่อแบบพุชพุล (Transformer-Coupled Push-Pull DC-to-DC Converter)
• การสร้างสัญญาณสำหรับควบคุมการสวิตช์ (Generating the switching waveforms)
• บทสรุป
• เอกสารอ้างอิง

บทนำ

                ในวงจรของเครื่องจ่ายไฟฟ้าก็มีจุดเด่นจุดด้อยต่างๆ กัน ผู้ออกแบบเครื่องจ่ายไฟฟ้าจึงจำเป็นต้องศึกษา และหาวิธีการอื่นมาแก้ไขจุดบกพร่อง เพื่อให้ได้เครื่องจ่ายไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูง ประหยัดพลังงาน และตรงตามความต้องการ

                ในที่นี้จะกล่างถึงการสร้างเครื่องจ่ายไฟฟ้าอย่างง่าย โดยในขั้นแรกจะกล่าวถึงเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีความเที่ยงตรง และปัจจัยที่มีผลกับแรงดันเอาต์พุตของเครื่องจ่ายไฟฟ้า จากนั้นจะแนะนำเรกูเลเตอร์สำเร็จรูปซึ่งเป็นไอซีที่ง่ายต่อการใช้งานและมีให้เลือกมากมาย เมื่อคุ้นเคยกับเครื่องจ่ายไฟฟ้าแล้วก็จะกล่าวถึงวิธีการออกแบบเครื่องจ่ายไฟฟ้า โดยยกตัวอย่างของสวิตชิ่งเรกูเลเตอร์ จากพื้นฐานที่ได้ก็จะนำไปสู่การสร้างเครื่องจ่ายไฟกระแสตรงที่ใช้หม้อแปลงต่อแบบพุชพุลซึ่งจ่ายกำลังได้สูง สามารถเลือกแรงดันเอาต์พุตได้ตามต้องการ และจบที่การสร้างสัญญาณในการควบคุมการสวิตช์

Regulated Power Supplies

                เหตุผลที่เราไม่นิยมใช้ Unregulated Power Supply ในหลายๆการประยุกต์คือ
    1.  ความสามารถในการทำ Regulatation ต่ำ, โดยแรงดันเอาต์พุต จะเปลี่ยนแปลงตามโหลดที่ต่ออยู่
    2.  แรงดันเอาต์พุตกระแตรงเปลี่ยนแปลงตามแรงดันอินพุตกระแสสลับ
    3.  แรงดันเอาต์พุตกระแสตรงเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ โดยเฉพาะกับวงจรที่ใช้อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ

                เราสามารถทำ Regulator อย่างง่ายๆโดยใช้ Zener Diode แต่ว่าวิธีนี้ จะทำให้เกิดข้อจำกัดอยู่ที่กระแส และกำลังของตัว Zener Diode

                ในรูปที่ 1 แสดงตัวอย่างของวงจร Regualted Power Suply ซึ่งเป็นวงจรแบบป้อนกลับ โดยสามารถแก้ไขข้อเสียทั้ง 3 ประการของ Unregulated Power Supply  ดังที่กล่าวไว้ข้างบน และข้อจำกัดของ Zener Diode

                ทรานซิสเตอร์ Q1 เรียกว่า Pass Transistor หรือ Pass Element ทำหน้าที่เป็น Emitter  Follower ให้อัตราขยายประมาณ 1, เพราะฉะนั้นจะได้ Vo' = Vo R1,R2 ทำหน้าที่เป็น Feedback Network โดยป้อน Vo กลับไปให้ออปแอมป์ ด้วยอัตราส่วน b = R2 / (R1+R2) จากการคำนวณเราจะได้
                Vo' = Av * Vi = Av*(VR - (b*Vo)) = Vo
                Vo = VR*Av / (1+b*Av)

                ถ้า  bAv >> 1 เราจะได้   Vo = VR/b ซึ่งเป็นค่าคงที่สำหรับวงจรหนึ่งๆ โดยเราสามารถปรับค่าของ Vo ได้ด้วยการปรับค่าของ b และมีเงื่อนไขว่า Vo ต้องน้อยกว่า Unregulated Voltage Vdc

Stabilization

                เมื่อค่าสัมประสิทธิ์ทั้ง 3 เป็นดังนี้

                                INPUT REGULATION FACTOR

                                 OUTPUT RESISTANCE

                                TEMPERATURE COEFFICIENT

                ยิ่งค่าของสัมประสิทธิ์ทั้ง 3 น้อยเพียงใด ความสามารถในการรักษาระดับแรงดันเอาต์พุตของเครื่องจ่ายจะไฟมากขึ้นเท่านั้น

Monolithic Regulators

                ตัวอย่างของ  MONOLITHIC REGULATOR ซึ่งอยู่ในรูปของไอซี คือ MOTOROLA MC7800C SERIES ซึ่งมี 3 ขา และให้แรงดันบวกขนาดคงที่ โดยสามารถดูตัวอย่างการใช้งานได้จากรูปที่ 2

                ตัวเก็บประจุ Ci ใช้สำหรับกำจัดผลกระทบของการเหนี่ยวนำ  ( INDUCTIVE EFFECT ) ที่มีอยู่ในสายส่ง ส่วนตัวเก็บประจุ Co ใช้ปรับปรุงคุณภาพของ Vo ให้ดีขึ้น ( ปรับปรุง TRANSIENT RESPONSE )  ในการใช้งานเราไม่ต้องปรับแต่งอะไรเลย โดยแรงดันเอาต์พุตจะถูกตั้งไว้โดยผู้ผลิตตามมาตรฐานของอุตสาหกรรมมีค่าต่างๆ ได้แก่ 5,6,8,12,15,18,24 V เช่น MC7824C ให้แรงดันเอาต์พุตขนาด 24 V เรกูเลเตอร์เหล่านี้สามารถจ่ายกระแสได้ขนาด 1 A และยังมีวงจรป้องกันต่างๆ เช่น SHORT CIRCUIT PROTECTION เอาไว้จำกัดกระแสสูงสุดที่วงจรจะรับ , THERMAL SHUTDOWN , OUTPUT-TRANSISTOR SAFT-OPERATING-AREA PROTECTION ฮลฮ

                 ตัวอย่างของ PARAMETER ของวงจรเหล่านี้ได้แก่
                        Sv = 3 * 10^-3 Ro = 30 mW St = 1 mV/  ํC

                ตัวอย่างวงจรของ MC7800C แสดงไว้ในรูปที่ 3  กรอบที่แรงเงาในรูปเทียบได้กับแรงดันเปรียบเทียบ VR ( REFERENCE VOLTAGE ) ในรูปที่ 1 ตัวต้านทาน R1 และ R2 ในรูปทำหน้าที่เป็น FEEDBACK NETWORK เหมือนกับในรูปที่ 1 และคู่ของ TRANSISTOR Q' และ Q''  เป็น  DALINGTON PAIR เปรียบเสมือน PASS ELEMENT Q1 ในรูปที่ 1 วงจรป้องกันจะแสดงอยู่ในเส้นหนัก โดยใช้ R3,R4 และ Q2 ในการจำกัดกระแส ( CURRENT LIMITTING ) , Q'  และ Q'' ใช้ในการทำ SAFE-OPERATING-PROTECTION และ THERMAL OVERLOAD PROTECTION

                ในท้องตลาด MONOLITHIC REGULATOR นี้มีให้เลือกหลายประเภทตั้งแต่แรงดันคงที่ กับปรับค่าได้, แรงดันบวก หรือแรงดันลบ, กระแสเอาต์พุตที่สูง ( > 1 A ), แรงดันเอาต์พุตสูง ( > 24 V ) และมีหนึ่งหรือสองเอาต์พุต  (+/-)
 

Switching Regulators

        Basic Switching Regulator Topology

                ในวงจรแบ่งได้เป็นส่วนต่างๆ ดังนี้
               Reference regulator ทำหน้าที่สร้าง Vref ซึ่งเป็นแรงดันอ้างอิงและเป็นไฟเลี้ยงให้กับ Error-amplifier และ Pulse-width modulator  ซึ่งทั้ง Reference regulator,  Error-amplifier, Pulse-width modulator  และส่วนที่ทำหน้าที่สร้างแรงดันคลื่นสามเหลี่ยม สามารถผลิตรวมกันไว้ในไอซีตัวเดียวได้  ดังนั้นส่วนนี้จะเป็นส่วนที่ใช้กำลังต่ำจึงไม่มีผลกระทบกับประสิทธิภาพรวมของระบบ

                Error-amplifier ทำหน้าที่เปรียบเทียบ Vref กับค่าแรงดันที่ได้จากการป้อน Vo กลับมาผ่าน R1, R2 แล้วขยายความแตกต่างแล้วส่งเป็นเอาต์พุต Vm ให้กับ Pulse-width modulator (PWM)

                PWM ทำหน้าที่มอดูเลต Vm กับแรงดันคลื่นสามเหลี่ยมที่มีคาบเท่ากับ T เพื่อสร้างเป็นแรงดัน VA ที่เป็นคลื่นสี่เหลี่ยมมีคาบ T มี duty cycle แปรผันตรงกับ Vm

                Power switch เป็นสวิตช์เดี่ยวแบบสองทาง (Single Pole - Double Throw, SPDT) ทำหน้าที่สวิตช์ระหว่าง Vin และกราวด์ การสวิตช์ควบคุมโดย VA ซึ่งเราจะได้ VB เป็นแรงดันคลื่นสี่เหลี่ยมที่มีคาบ, มี duty cycle เท่ากับ VA และมีแอมพลิจูดเป็น Vin

                LC Filter ทำหน้าที่เป็น Low-pass filter โดยกำจัดองค์ประกอบที่มีความถี่สูงใน VB ไม่ให้ผ่านไปที่โหลด ดังนั้นจึงมีเฉพาะกระแสตรงเท่านั้นที่ผ่านไปได้ Vo จึงมีค่าคงที่ และเท่ากับค่าเฉลี่ยของ VB

                การสร้าง Power switch นี้มีวิธีสร้างได้หลายแบบยกตัวอย่างเช่น

 

                จากการที่เราใช้ทรานซิสเตอร์แบบ PNP แทนสวิตช์ และเราต้องการให้สวิตช์ปิดเมื่อ VA มีค่าสูงเราจึงต้องใช้ Q3 ที่เป็นชนิด NPN ในการควบคุมสวิตช์ให้เปิดปิดถูกต้อง เมื่อ VA เป็นบวก Q3 จะทำงานกระแสคอลเลกเตอร์ของ Q3 จะไหลผ่านตัวต้านทานแต่ละตัวทำให้ Q1 และ Q2 ทำงาน ซึ่งจะได้ VB เกือบเท่ากับ Vin  เมื่อ VA เป็นลบหรือศูนย์  Q3 จะไม่ทำงานจึงไม่มีกระแสไปกระตุ้น Q1 และ Q2 ทำให้สวิตช์เปิด  Flyback diode ก็จะทำหน้าที่เป็นทางผ่านให้กับกระแสที่ไหลจากกราวด์ผ่านไปยังตัวเหนี่ยวนำ
 
                การที่ LC Filter จะมีประสิทธิภาพในการกันองค์ประกอบที่มีความถี่สูง ค่าของ reactance ของ C จะต้องน้อยกว่าค่าของ reactance ของ L มากๆ ที่ความถี่มูลฐาน  ดังนั้น T/(2PiC) << 2PiL/T หรือ Sqrt(LC) >> T/2Pi

                ถ้าเราพิจารณาสมการของ Error-amplifier จะได้ว่า
                            Vref = R1 * Vo/(R1+R2)
                หรือ     Vo = Vref * (1 + R1/R2)

                ซึ่งจะเห็นว่า Vo ไม่ขึ้นกับ Vin และกระแสโหลด แต่จากการที่ Vo เป็นค่าเฉลี่ยของ VB ซึ่ง VB มีค่าสูงสุดเป็น Vin ดังนั้น Vo ที่ได้จะน้อยกว่า Vin เสมอ

                ในด้านของประสิทธิภาพวงจรที่สร้างโดยหลักการนี้ถ้าใช้ Power switch ที่มีการสูญเสียต่ำ เช่น ทรานซิสเตอร์ที่มี VCE(sat) ต่ำและมีความเร็วในการสวิตช์สูง และใช้ ตัวเหนี่ยวนำที่มีค่า Q (Quality factor) สูง หรือมีค่าความต้านทานภายในต่ำจะได้ประสิทธิภาพไม่ต่ำกว่า 90 เปอร์เซนต์
 

         Additional Switching Regulator Topologies

                ในช่วงที่สวิตช์ปิด(สมมติว่าปิดเป็นเวลา T1) ไดโอดจะไม่นำกระแส ในช่วงนี้ตัวเก็บประจุจะคายประจุให้กับโหลด โดยเราจะต้องเลือกให้  C*RL >> T1  เพื่อให้ค่า Vo เปลี่ยนแปลงน้อย ในช่วงนี้แรงดันคร่อมตัวเหนี่ยวนำ คือ Vin จะทำให้กระแส iL เพิ่มขึ้นจนถึงช่วงที่สวิตช์เปิดตามสมการ 

                di = Vin * dt/L = Vin * T1/L

                ในช่วงที่สวิตช์เปิด(สมมติว่าเปิดเป็นเวลา T2) กระแสที่ไหลในตัวเหนี่ยวนำไม่สามารถเปลี่ยนแปลงในทันที ดังนั้นกระแสที่ไหลในขณะสวิตช์เริ่มเปิดยังคงมีค่าคงเดิม มีผลทำให้ไดโอดนำกระแส กระแสจากตัวเหนี่ยวนำจึงไหลไปยังตัวเก็บประจุและโหลด ในช่วงเวลานี้กระแสของตัวเหนี่ยวนำจะลดลงเท่ากับ Vin * T1/L  ทำให้แรงดันคร่อมตัวเหนี่ยวนำมีค่าเป็นลบ (Ldi/dt < 0)

                ดังนั้น         Vo = Vin - Ldi/dt
                            = Vin + L * (Vin * T1/L)/T2
                            = Vin * (1+T1/T2)  > Vin

                  เมื่อวงจรนี้เข้าสู่ภาวะสมดุลย์ ค่าของ Vo จะมีค่ามากกว่า Vin คือมีค่าเท่ากับ Vin * (1+T1/T2) เมื่อสวิตช์ปิดค่าของ Vo จะลดลงเล็กน้อยขึ้นอยู่กับค่าของ  C * RL  ดังนั้นเราสามารถควบคุมค่าของ Vo โดยควบคุม duty cycle ของ PWM

                    ในช่วงที่สวิตช์ปิดเป็นเวลา T1 ไดโิดจะไม่นำกระแส ตัวเก็บประจุจะคายประจุให้กับโหลดและแรงดันคร่อมตัวเหนี่ยวนำ คือ Vin จะทำให้กระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำมีค่าเพิ่มขึ้นเท่ากับ Vin * T1/L

                    ในช่วงที่สวิตช์เปิดเป็นเวลา T2 กระแสที่ไหลในตัวเหนี่ยวนำไม่สามารถเปลี่ยนแปลงในทันที ดังนั้นไดโอดจะถูกบังคับให้นำกระแส กระแสของตัวเหนี่ยวนำ จะไหลไปยังตัวเก็บประจุและโหลดทางขั้วที่อยู่ด้านล่าง โดยค่าของกระแสนี้จะลดลงเท่ากับ Vin * T1/L ในช่วงเวลา T2

                    ดังนั้น Vo = Ldi/dt   (ถ้าไม่คิดแรงดันคร่อมไดโอด)
                                         = L * (- Vin * T1/L)/T2
                         = -Vin * T1/T2
                      ซึ่งจะเห็นว่าเราสามารถปรับขนาดของ Vo ได้โดยปรับ duty cycle ของการสวิตช์

Transformer-Coupled Push-Pull DC-to-DC Converter

                 ในวงจรที่เป็นส่วนของพาวเวอร์สวิตช์ มีการใช้หม้อแปลงที่มีแท็ปกลางทั้งทางด้านปฐมภูมิและทุติยภูมิต่อแบบพุชพุลโดยมี Vin เป็นแหล่งกำเนิดกระแสตรงต่อไว้ที่แท็ปกลาง มี SW1 และ SW2 ควบคุมแรงดันปฐมภูมิ จำนวนรอบของขดลวดในด้านทุติยภูมิมีค่าเป็น  n เท่าของจำนวนรอบของขดลวดในด้านปฐมภูมิซึ่งจะทำให้ Vp1 = Vp2, Vs1 = Vs2 และ Vs1 =  n *Vp1, Vs2 = n * Vp2  ถ้า n>1 จะได้ Vo > Vin แต่ถ้า n<=1 จะได้ Vo<=Vin

                ไดโอด D1 และ D2 ทำหน้าที่เป็น Full wave rectifier เพื่อส่งไปให้  L และ C ซึ่งต่อกันเป็น Low-pass filter ทำหน้าที่กรองให้กระแสตรงเท่านั้นผ่านไปได้ทำให้ Vo มีค่าคงที่และเท่ากับค่าเฉลี่ยของ VB
 
                สวิตช์ SW1 และ SW2 ควบคุมโดยสัญญาณ VA1 และ VA2 ซึ่งได้จากการมอดูเลต VA กับสัญญาณคลื่นสามเหลี่ยมที่คาบเท่ากันแต่เฟสต่างกัน 180 องศา  VA1 และ VA2 มีคาบเท่ากับสองเท่าของ VA ดังนั้นสวิตช์ SW1 และ SW2 จะปิดเปิดเป็นระยะเวลาที่เท่ากัน แต่สลับกันคนละรอบของ VA ดังในรูปที่ 10  โดย SW1 และ SW2 จะไม่ปิดพร้อมกัน

                จากวงจรในรูปที่ 9 จะได้ค่าของ Vp1 และ Vp2 (แสดงรูปของสัญญาณไว้ในรูปที่ 10) ดังนี้
                   Vp1 = Vp2 =  -Vin   ถ้า SW1 ปิด และ SW2 เปิด, +Vin  ถ้า SW1 เปิด และ SW2 ปิด, 0       ถ้า SW1 เปิด และ SW2 เปิด

                    Vs1 และ Vs2 จะมีรูปร่างของสัญญาณเหมือนกับ Vp1 และ Vp2 แต่มีแอมพลิจูดเป็น n เท่าและมีค่าเท่ากัน ในช่วงที่ Vs1 มีค่าเป็นบวก ไดโอด D1 จะนำกระแส  แต่ไดโอด D2 จะไม่นำกระแส และได้ VB = n * Vin สำหรับในช่วงที่ Vs1 มีค่าเป็นลบ ไดโอด D1 จะไม่นำกระแส แต่ไดโอด D2 จะนำกระแส และได้ VB = n * Vin  เหมือนช่วงที่ Vs1 เป็นบวก ในช่วงที่ Vs1=0 และ Vs2=0 ไดโอดทั้งสองตัวจะเสมือนว่าขั้วอาโนดต่อกับกราวด์ ไดโอดทั้งสองตัวจึงทำหน้าที่เป็น Flyback diode ในช่วงนี้ VB=0

                    จากการที่ L และ C ทำหน้าที่เป็น Low-pass filter เราจึงได้ว่า
                            Vo  =  ค่าเฉลี่ยของ VB
                                     =  n * Vin * Duty cycle ของ VA

                    จะสังเกตว่า ค่าของ Vo อาจจะมีขนาดมากกว่าหรือน้อยกว่า  Vin  ก็ได้ขึ้นอยู่กับค่าของ n และ Duty cycle ของ VA และถ้าเรากลับขั้วของไดโอดทั้งสองตัวเราก็จะได้  Vo ที่เป็นลบ

                    ในหัวข้อถัดไปเราจะกล่างถึงการสร้างสัญญาณที่นำมาใช้ควบคุมการสวิตช์ซึ่งจะต้องสร้าง VA1 และ VA2 ที่มี Duty cycle เท่ากัน มีคาบเท่ากัน  และต้องมีเฟสต่างกัน  180 องศา
 

Generating the Switching Waveforms

                    ในวงจรรูปที่ 11 มีออสซิลเลเตอร์ทำหน้าที่สร้างสัญญาณนาฬิกา (Vosc) ให้กับฟลิปฟลอป โดยที่สัญญาณนาฬิกานี้จะต้องมีคาบเท่ากับคาบของ VA ดังในรูปที่ 12  ฟลิปฟลอปในวงจรทำหน้าที่เป็นวงจรหารสอง ได้เอาต์พุตเป็น VQ และ VQ' ดังในรูปที่ 12 ซึ่งจะเห็นว่า VQ และ VQ'  มีเฟสต่างกัน 180 องศา มีคาบเท่ากันและเท่ากับสองเท่าของ VA แล้ว ขณะนี้เรามี Vosc, VA, VQ, VQ' ก็ต้องคิดต่อไปว่าจะนำสํญญาณเหล่านี้มาใช้ควบคุม SW1 และ SW2 อย่างไร

                    จากที่เรารู้ว่า VA1 และ VA2 จะต้องควบคุม duty cycle ได้  เราก็มองหาว่าในบรรดาสัญญาณที่เรามี สัญญาณใดบ้างที่ควบคุม duty cycle ได้ จะเห็นว่าในที่นี้เรามีแต่ VA เท่านั้นที่ควบคุม duty cycle ได้ ซึ่งในรูปที่ 12 VA มี duty cycle เท่ากับ T1/(T1+T2) เราจึงนำ VA มาผสมกับ VQ และนำ VA มาผสมกับ VQ' โดยนำมาเป็นอินพุตของ AND gate ดังในรูปที่ 11  เราจึงได้ VA1 และ VA2 ดังในรูปที่ 12

                    คราวนี้เราก็มาถึงส่วนของการออกแบบสวิตช์ เราต้องคำนึงว่าเราต้องการเครื่องจ่ายไฟฟ้าที่สามารถจ่ายกำลังได้มาก ดังนั้นสวิตช์ของเราจึงต้องเป็นลักษณะของพาวเวอร์สวิตช์ โดยใช้พาวเวอร์ทรานซิสเตอร์ในส่วนที่ต่อกับเอาต์พุตของสวิตช์ และใช้ทรานซิสเตอร์ธรรมดามาจ่ายกระแสเบสให้กับพาวเวอร์ทรานซิสเตอร์ โดยต่อกันแบบดาร์ลิงตัน เพื่อเพิ่มอัตราขยาย  ในรูปที่ 11 Q1 และ Q2 เป็นพาวเวอร์ทรานซิสเตอร์ซึ่งมี Q3 และ Q4 ทำหน้าที่จ่ายกระแสเบสให้ ที่สำคัญทุกส่วนของรูปที่ 11 สามารถผลิตเป็นไอซีภายในตัวเดียวได้

บทสรุป

เอกสารอ้างอิง

• Integrated Electronics: Analog and Digital Circuits and Systems, Jacob Millman, Christos C. Halkias. McGRAW-HILL Book Company.
• Microelectronics: Jacob Millman, Arvin Grabel. McGRAW-HILL Book Company.
• Exploring Electronic Device: Mark E. Hazen. Saunders College Publishing.