ลักษณะพื้นฐานของตัวแปลงไฟฟ้า DC-DC

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิดต้องใช้ไฟฟ้ากระแสตรง (DC) หรือไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) แม้ว่าอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟหลักโดยทั่วไปจะต้องแก้ไขแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับก่อน แต่อุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่จะทำงานโดยตรงด้วยแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง

โดยทั่วไปแล้ว แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่มีอยู่จะไม่ตรงกับวงจรที่กำลังจ่ายไฟ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ตัวแปลง DC/DC เพื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงและควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็น ตัวแปลง DC/DC เหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการใช้งานหลากหลายประเภท เช่น เครื่องชาร์จแบตเตอรี่ พลังงานหมุนเวียน และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พกพาที่ต้องการระดับแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันเพื่อให้การทำงานเป็นไปอย่างเหมาะสม

ตัวแปลง DC/DC สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 กรณีหลักๆ คือ ตัวแปลงบัคจะลดแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่สูงกว่าให้เป็นแรงดันไฟฟ้าขาออกที่ต่ำลง ในขณะที่ตัวแปลงบูสต์จะผลิตแรงดันไฟฟ้าขาออกที่สูงกว่าจากแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่ต่ำกว่า

นอกจากนี้ยังมีโครงสร้างตัวแปลง DC/DC ที่สามารถทำงานกับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าทั้งที่สูงกว่าและต่ำกว่า เรียกว่าตัวแปลงแบบบัค-บูสต์ ตัวแทนทั่วไปของกลุ่มนี้คือตัวแปลง SEPIC และตัวแปลงแบบฟลายแบ็ก สิ่งสำคัญคือตัวแปลง DC/DC ต้องทำงานอย่างมีประสิทธิภาพด้านพลังงานมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และในขณะเดียวกันก็ต้องให้แรงดันไฟฟ้าขาออกที่คงที่และควบคุมได้ แม้ว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะผันผวนหรือโหลดขาออกมีการเปลี่ยนแปลง ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ก็จำเป็นต้องได้รับการดูแลเป็นพิเศษ ดังนั้นตัวแปลง DC/DC จึงต้องไม่ไวต่อสัญญาณรบกวนหรือก่อให้เกิดการรบกวนต่อวงจรอื่นๆ ในสภาพแวดล้อม

เพื่อตอบสนองความต้องการเหล่านี้ ผู้ออกแบบตัวแปลง DC/DC ควรพิจารณาประเด็นพื้นฐานที่เลือกไว้ก่อน จุดเริ่มต้นที่ดีคือการพิจารณากระแสพิกัดและกระแสอิ่มตัวอย่างละเอียดเมื่อเลือกตัวเหนี่ยวนำแบบเก็บประจุที่เหมาะสมสำหรับตัวแปลง DC/DC วัสดุแกนกลางที่ใช้ใน

ตัวเหนี่ยวนำมีผลกระทบอย่างมากต่อพฤติกรรมการอิ่มตัว ความถี่สวิตชิ่งสูงสุดที่เป็นไปได้ และขนาดของส่วนประกอบ เช่นเดียวกัน การเลือกตัวเก็บประจุสำหรับตัวแปลง DC/DC ก็มีความสำคัญในแง่ของกระแสริปเปิล อิมพีแดนซ์ และกระแสรบกวน นอกจากนี้ การกรองอินพุตสำหรับตัวแปลง DC/DC และเกณฑ์เสถียรภาพอินพุตก็มีความสำคัญเช่นกัน

เมื่อคุณเข้าใจพื้นฐานเป็นอย่างดีแล้ว คุณก็สามารถหันมาสนใจตัวอย่างการออกแบบโครงสร้างตัวแปลง DC/DC ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสี่แบบต่อไปนี้ได้:

ตัวแปลงบัค

ในบรรดาแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง บัคคอนเวอร์เตอร์ (สเต็ปดาวน์คอนเวอร์เตอร์) ถือเป็นโครงสร้างที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด

โดยพื้นฐานแล้ว บัคคอนเวอร์เตอร์เป็นเพียงเครื่องกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยมที่มีตัวกรอง LC ปลายทาง เมื่อมองแวบแรก จะเห็นได้ชัดว่าในแง่ของ EMC นั้น จำเป็นต้องให้ความสำคัญกับฝั่งอินพุตมากกว่าฝั่งเอาต์พุต ในทางปฏิบัติ จำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุ "เพียง" ตัวเดียวที่อินพุต ตัวเก็บประจุนี้จะทำหน้าที่บัฟเฟอร์ประจุที่จำเป็นสำหรับกระแสเฟสเปิดของ FET ด้านสูง และจะถูกชาร์จโดยแหล่งจ่ายในช่วงเฟสปิด

หากตัวแปลงนี้ถูกวางไว้ที่อินพุตของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด (เช่น V in = 24 V) จะต้องมีมาตรการป้องกันเพิ่มเติมเกี่ยวกับการปล่อยสัญญาณรบกวน (EN 55032) และการป้องกันสัญญาณรบกวน (EN 55035) แม้แต่ตัวเก็บประจุอินพุตที่เลือกและจัดวางอย่างเหมาะสมก็ยังไม่เพียงพอที่จะรองรับกระแสไฟฟ้าที่บางครั้งมีช่วงความถี่สูงในช่วงกว้าง

ตัวแปลงบูสต์

ตัวแปลงบูสต์ (boost converter) จะใช้เมื่อแรงดันเอาต์พุตต้องสูงกว่าแรงดันอินพุต ตัวเหนี่ยวนำจะอยู่ในวงจรอินพุต ซึ่งหมายความว่าโครงสร้างนี้ไม่มีกระแสอินพุตไม่ต่อเนื่อง

เนื่องจากตัวเหนี่ยวนำแบบสะสมกระแสจะรวมกระแสเมื่อเวลาผ่านไป จึงมีรูปคลื่นคล้ายสามเหลี่ยม แต่ไม่ได้หมายความว่าอินพุตของตัวแปลงจะถูกละเลยในแง่ของสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ดังนั้น ตัวกรองอินพุตที่จำเป็นจึงมักได้รับการออกแบบให้มีขนาดเล็กกว่าตัวแปลงแบบบัค ตัวอย่างเช่น ที่เอาต์พุต กระแสรูปสี่เหลี่ยมคางหมูที่ไม่ต่อเนื่องจะไหลผ่านตัวแปลงแบบบูสต์

เห็นได้ชัดว่าเอาต์พุตของตัวแปลงบูสต์มีความสำคัญต่อ EMC มากกว่าโครงสร้างตัวแปลงบัค ไดโอดจะสับเปลี่ยนอย่างแรงข้ามตัวเก็บประจุเอาต์พุต ทำให้เกิดกระแสที่ไม่ต่อเนื่องซ้อนทับกัน สัญญาณ RF ที่ได้จะขึ้นอยู่กับการใช้งาน

ริปเปิลแรงดันไฟฟ้าความถี่ต่ำและไฟกระชากอาจทำให้เกิดสัญญาณรบกวนต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ปลายทาง หรือถูกแผ่ออกมาเป็นสัญญาณรบกวนความถี่สูง ซึ่งหมายความว่าอาจจำเป็นต้องมีการกรองสัญญาณขาออกปลายทาง

ตัวแปลง SEPIC

หากแรงดันไฟฟ้าขาเข้า (เช่น แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน) มากกว่าหรือต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าขาออกในระหว่างการทำงาน โครงสร้าง SEPIC (Single-Ended Primary Inductance Transducer) ถือเป็นตัวเลือกที่เหมาะสม

ข้อดีของตัวควบคุม SEPIC คือมีระบบป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรเนื่องจากตัวเก็บประจุแบบคัปปลิ้งต่ออนุกรมกับ MOSFET ตัวแปลง SEPIC ยังสามารถสร้างขึ้นด้วยไอซีตัวควบคุมบูสต์ยอดนิยมหลายรุ่น ซึ่งให้ข้อได้เปรียบทั้งในด้านความพร้อมใช้งานและราคา ข้อดีอีกประการหนึ่งของตัวควบคุม SEPIC คือไม่ใช้กระแสไฟฟ้าที่อินพุตเป็นระยะๆ จึงไม่จำเป็นต้องชาร์จแบตเตอรี่

อย่างไรก็ตาม กระแสเอาต์พุตสูงก็มีข้อเสียเช่นกัน เนื่องจากตัวแปลง SEPIC ทั่วไปส่วนใหญ่สร้างขึ้นโดยใช้ไดโอดชอตต์กีสำหรับการสวิตชิ่ง โครงสร้างนี้จึงมีประสิทธิภาพต่ำกว่าที่กระแสสูง ส่วนประกอบสำคัญอีกประการหนึ่งคือตัวเก็บประจุแบบคัปปลิ้ง กระแสไฟฟ้ากระแสสลับที่สูงมากจะไหลผ่านส่วนประกอบนี้จากอินพุตไปยังเอาต์พุต ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุที่มีค่า ESR ต่ำมาก การต่อตัวเก็บประจุหลายตัวแบบขนานก็เหมาะสมเช่นกันเพื่อลดค่า ESR รวม ตัวเก็บประจุเซรามิก MLCC ที่ใช้เซรามิก X7R เหมาะอย่างยิ่งสำหรับวัตถุประสงค์นี้

โครงสร้างบัค-บูสต์แบบซิงโครนัสเต็มรูปแบบที่มีกำลังไฟฟ้ามากกว่า 50 วัตต์ มักมีข้อได้เปรียบเนื่องจากค่า RDS ต่ำกว่าการสูญเสียพลังงาน FET ที่ใช้ อย่างไรก็ตาม ตัวแปลงบัค-บูสต์แบบซิงโครนัสเต็มรูปแบบมีอัตราส่วนต้นทุนเซมิคอนดักเตอร์ค่อนข้างสูง ดังนั้น SEPIC ที่มีกำลังไฟฟ้าไม่เกิน 50 วัตต์จึงมักมีข้อได้เปรียบด้านต้นทุน

ตัวแปลงฟลายแบ็ก

หากต้องการแรงดันไฟฟ้าขาออกแบบแยกส่วนและควบคุมได้ตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไป ตัวแปลงฟลายแบ็กที่มีกำลังไฟฟ้าสูงสุดประมาณ 150 วัตต์มักเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด เนื่องจากใช้ส่วนประกอบค่อนข้างน้อย จึงประหยัดทั้งต้นทุนและพื้นที่

ที่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น โทโพโลยีอื่นๆ เช่น ตัวแปลงแบบฟอร์เวิร์ด ก็มีข้อได้เปรียบ เพราะสามารถใช้ปริมาตรแกนหม้อแปลงได้ดีกว่า ตัวแปลงแบบฟลายแบ็กมีเส้นโค้งกระแสไม่ต่อเนื่องแบบสี่เหลี่ยมคางหมูที่อินพุตและเอาต์พุตของตัวเก็บประจุแต่ละตัว

ดังนั้นในทางปฏิบัติจึงมักจำเป็นต้องใช้ตัวกรอง EMC สองตัว เนื่องจากตัวแปลงมีโครงสร้างแยกกัน จึงจำเป็นต้องคาดหวังกระแสโหมดร่วมที่สูงกว่าความถี่สวิตชิ่งด้วย ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากความจุคัปปลิ้งแบบปรสิตของหม้อแปลงระหว่างด้านปฐมภูมิและด้านทุติยภูมิ เนื่องจาก ΔV/Δt ของโหนดสวิตชิ่งปฐมภูมิ (โหนดร้อน) มีค่าสูง กระแสไดอิเล็กทริกจึงซ้อนทับบนด้านทุติยภูมิผ่านความจุคัปปลิ้งนี้ จากนั้นจึงไหลผ่านกราวด์ (GND) ไปยังด้านปฐมภูมิ และในระหว่างการวัดแรงดันไฟฟ้ารบกวน EMC จะไหลผ่าน LISN

กระแสโหมดร่วมจะเกิดขึ้นเมื่อใช้ MOSFET ภายนอกและติดตั้งบนแผ่นระบายความร้อนหรือพื้นผิวโลหะอื่นๆ ในกรณีนี้ ความจุปรสิตจะเกิดขึ้นระหว่าง MOSFET และแผ่นระบายความร้อน ซึ่งกระแสไดอิเล็กทริกจะไหลผ่าน การใช้งานฟลายแบ็กจำนวนมาก

ดังนั้น ควรใช้โช้กชดเชยกระแสในตัวกรองอินพุต รวมถึงตัวเก็บประจุนิรภัย Y2 ต่อลงกราวด์ ตัวแบ่งกระแสแบบคาปาซิทีฟยังสามารถสร้างขึ้นจากด้านปฐมภูมิไปยังด้านทุติยภูมิได้โดยใช้ตัวเก็บประจุที่เหมาะสม ซึ่งจะนำกระแสโหมดร่วมบางส่วนกลับไปยังแหล่งจ่ายผ่านเส้นทางที่สั้นที่สุด หากการใช้งานต้องการฉนวนเสริมระหว่างอินพุตและเอาต์พุต ควรใช้ตัวเก็บประจุ Y1 เสมอเพื่อความปลอดภัย ตัวกรอง LC ดาวน์สตรีมมักจำเป็นต้องใช้เพื่อลดริปเปิลแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุต ตัวกรองนี้ยังช่วยลดสัญญาณรบกวนได้มากถึงประมาณ 30 MHz

สูตรพื้นฐานของตัวแปลง Buck และ Boost

ตารางที่ 1 ต่อไปนี้แสดงสูตรพื้นฐานของโครงสร้างตัวแปลงบัคและบูสต์

สูตรพื้นฐานของ SEPIC และ Flyback Converter

ตารางที่ 2 ต่อไปนี้แสดงสูตรพื้นฐานของโครงสร้าง SEPIC และตัวแปลงแบบ flyback

1) สมมติฐานเหล่านี้ใช้ได้กับตัวควบคุมการสลับในอุดมคติในโหมดการนำไฟฟ้าต่อเนื่อง

(CCM) กล่าวคือ ประสิทธิภาพตัวแปลงจะอยู่ที่ 100% (η = 1)

2) เส้นโค้งปัจจุบันจากสมการนี้เกือบจะเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า (ΔI จะถูกละเลย) ถูกต้อง:

3) สมการที่กำหนดสำหรับ ΔV C,out ใช้กับตัวเก็บประจุในอุดมคติ ดังนั้น C,out จึงกำหนดค่าความจุขั้นต่ำเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าริปเปิล แรงดันไฟฟ้าริปเปิลจริงจะสูงขึ้นเนื่องจากค่าเหนี่ยวนำปรสิต ESL (ค่าเหนี่ยวนำอนุกรมสมมูล) และ ESR (ค่าความต้านทานอนุกรมสมมูล) ของตัวเก็บประจุ

4) สมการเหล่านี้ใช้ได้เฉพาะกับตัวเหนี่ยวนำที่มีอัตราส่วนรอบ 1:1 (n=1) เท่านั้น

5) L สอดคล้องกับค่าเหนี่ยวนำปฐมภูมิ (primary inductance) ของหม้อแปลงไฟฟ้า