No.429

บริษัท อีเลคทรอนิคส์ ซอร์ซ จำกัด

http://www.es.co.th

 

 

การออกแบบวงจร Boost Regulator สำคัญมาก เพราะวงจรประเภทนี้ส่วนใหญ่แล้วจะถูกนำไปใช้กับแอพพลิเคชันที่มีใช้แบตเตอรี่เป็นแหล่งจ่าย หากวงจรไม่สมบูรณ์พลังงานจะสูญเสียไป ทำให้อายุการใช้งานของแบตเตอรี่สั้นลง

 

     สำหรับวงจรขนาดเล็กที่ต้องใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ เช่น เครือข่ายเซนเซอร์ไร้สาย(Wireless Sensor Network), Emergency Light, Mobile Phone ล้วนต้องการใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ให้ได้นานที่สุดและต้องการประสิทธิภาพการแปลงพลังงานดีที่สุด จึงมีการนำวงจร Boost Regulator มาใช้ เพื่อจัดการพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ตัวอย่างเช่น วงจรเซนซอร์ไร้สาย ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่อัลคาไลน์ AA เพียง 1 เซลล์เพื่อเลี้ยงวงจรทั้งหมด โดยแบตเตอรี่ต้องสามารถใช้ได้หลายเดือนหรือหลายปี หรือตัวอย่างการประยุกต์ใช้ Boost Regulator ร่วมกับ Internet of Thing ซึ่งมักจะเป็นเซนเซอร์ไร้สายจำพวก Wireless LAN 802.11 ,Bluetooth Low Energy IEEE 802.15.4 เป็นต้น

 

คุณสมบัติทั่วไปของ Battery Boost Regulator

 

          วงจร Boost Regulator สำหรับเครือข่ายไร้สายไม่ต้องการพลังงานมาก เนื่องจากวงจรโดยส่วนมาก มักใช้กระแสเมื่อวงจรตื่นขึ้นมาทำงาน (Wake Up) และไม่ใช้กระแสเมื่อเข้าสู่โหมดหยุดการทำงาน (Sleep) นอกจากนั้น คุณสมบัติการใช้พลังงานอย่างอื่นที่ต้องพิจารณา เช่น แรงดันเริ่มต้น (Start-Up Voltage), แรงดันต่อเนื่องที่ยังทำงานได้อยู่ (Continuous Operating Voltage after Startup), การตัดต่อโหลดตรงเข้าแหล่งจ่ายไฟ, ความถี่สวิตชิ่ง, โหมดการทำงาน, กระแสสงบ (quiescent Current), ระดับการจำกัดกระแสทางอินพุต/เอาต์พุต, สัญญาณรบกวนและการควบคุมกระแสขณะโหลดน้อย(Light Load Control) เป็นต้น

 

รูปแบบการทำงานของ Boost Regulator

 

          ก่อนอื่นต้องทำความเข้าใจวงจรพื้นฐานของ Boost Regulator ซึ่งวงจรจะสร้างแรงดันด้านเอาต์พุตสูงกว่าด้านอินพุตเสมอ จากรูปที่ 1 จะใช้สวิตช์ S1 เพื่อเปิด/ปิดวงจรอย่างเป็นจังหวะเพื่อดูพฤติกรรมการทำงานของวงจร

 

          ถ้าสวิตช์ S1 เริ่มต้นทำงานจากตำแหน่งปิด (Close Circuit) ดังรูปที่ 1B ไดโอด D1 ถูก Reverse Bias ดังนั้นแรงดันคร่อมขดลวดเหนี่ยวนำ L1 จะเท่ากับ Vin กระแสที่ไหลผ่านขดลวดเหนี่ยวนำ L1 จะค่อยๆ เพิ่ม พิจารณาที่โหลด R1 ซึ่งได้รับแรงดันจากตัวเก็บประจุ C1

 

          เมื่อสวิตช์ S1 เปิดวงจรดังรูปที่ 1C ไดโอด D1 ถูก Forward Bias แรงดันในขดลวด L1 จะมีค่าเป็นแรงดัน Vin ลบด้วย Vout พลังงานที่เก็บใน L1 จะถ่ายเทไปยังโหลดและพลังงานใน C1 จะเพิ่มขึ้น แรงดันจากเอาต์พุตมีค่าสูงกว่าอินพุตเนื่องจากได้รับพลังงานจากสองแหล่งจ่าย คือ Vin และ L1 สุดท้ายเป็นวงจรในรูป 1D ซึ่งเป็นวงจร Boost Regulator ที่ใช้งานจริง โดยจะเปลี่ยน S1 เป็น N-Channel Mosfet

 

 

รูปที่ 1 พื้นฐานวงจร Boost Converter

 

 

รูปที่ 2 กระแส แรงดัน ในขดลวดเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ

 

ขดลวดเหนี่ยวนำสำหรับวงจร Boost Converter

 

          หากพิจารณากระแสที่ขดลวดเหนี่ยวนำ มีโหมดการทำงาน 2 โหมด โดยพิจารณากระแสหลังจากสิ้นสุดคาบการสวิตช์ กรณีแรก คือ ขดลวดยังเหลือพลังงานสะสม (หรือกระแส) ในขดลวดเมื่อสวิตช์ปิด เรียกว่าโหมดการทำงานแบบ Continuous Current Mode(CCM) ในกรณีที่ 2 พลังงานที่สะสมในขดลวด (หรือกระแส) ถูกถ่ายเทไปยังโหลดจนหมดเมื่อสวิตช์ปิด เรียกว่าโหมดการทำงานแบบ Discontinuous Current Mode (DCM)

 

          โหมดการทำงานคิดจากกระแสโหลดเมื่อ คิดค่า L1 และค่า Duty Cycle คงที่ โหมดการทำงานจะเปลี่ยนจาก CCM เป็น DCM เมื่อกระแสโหลดลดลง ค่าความเหนี่ยวนำของ L1 จะเป็นสัดส่วนกลับต่อค่ากระแสเพื่อให้วงจรสามารถทำงานในโหมด CCM ได้ การพิจารณาเลือกค่า Inductor ควรคำนึงถึงความต้องการแรงดัน/กระแสของอินพุตและเอาต์พุตเมื่อต้องการทำงานในโหมด CCM หรือ DCM โดยพิจารณาช่วงรอยต่อระหว่างการเปลี่ยนโหมด CCM และDCM

 

          จากรูปที่ 2 แสดงรูปคลื่นเมื่อ Converter ทำงานต่อเนื่อง รูปคลื่นในรูปที่ 2 ใช้สำหรับคำนวณค่าขดลวดเหนี่ยวนำ การป้องกันขดลวดอิ่มตัวจะต้องทำให้แรงดันเฉลี่ยมีค่าเป็นศูนย์

 

 

          ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันอินพุต V_{_in} และ V_{_out} มีความสัมพันธ์โดยตรงกับค่า Duty Cycle ดังสมการ

 

 

          ค่า Duty Cycle เป็นตัวกำหนดความสัมพันธ์ของกระแสขาเข้าและกระแสขาออก โดยประมาณว่ากำลังขาเข้าเท่ากับกำลังขาออก

 

 

          จากนิยาม การทำงานวิกฤตต่อเนื่อง (Critically Continuous Operation) เกิดขึ้นเมื่อค่ากระแสในขดลวดลดลงจนเกือบศูนย์ ณ เวลาสิ้นสุด t_off ค่ากระแสเฉลี่ยในขดลวดมีค่าครึ่งหนึ่งของค่ากระแสริปเปิลสูงสุดกำหนดโดยสมการที่ 4

 

 

          สามารถนำมากำหนด Boundary Condition ในเงื่อนไขของเอาต์พุตโดยคิดจากสมการที่ 1 ได้

 

 

          จากวงจร Boost Converterพื้นฐาน ค่ากระแสเฉลี่ยในขดลวดจะเท่ากับค่ากระแสเฉลี่ยอินพุต สามารถกำหนดขอบเขตรอยต่อระหว่างโหมด CCM และ DCM ในเงื่อนไขของกระแสเอาต์พุต ตามสมการที่ 6

 

 

          จากสมการนี้ ค่าขดลวดเหนี่ยวนำสามารถทำงานในช่วง Critically continuous Operation ได้ต่อเนื่อง หากต้องการทำงานต่อเนื่องในโหมด CCM ค่ากระแสของขดลวดเหนี่ยวนำทนได้จะต้องมากกว่า I_{_(out Boundary})

 

          ในกรณีต้องการทำงานในโหมด DCM อย่างต่อเนื่อง ค่าขดลวดเหนี่ยวนำจะต้องน้อยกว่า I_{_(out Boundary)}

 

Output Capacitor

 

          Output Capacitor มีหน้าที่จ่ายพลังงานให้กับโหลดในระหว่างวงจรเปิด (เมื่อ S1 ปิด) และกรองแรงดันกระเพื่อม (Ripple Voltage) ในช่วงที่ตัวเก็บประจุไม่ได้รับพลังงานจากขดลวดเหนี่ยวนำ แรงดันเอาต์พุตจะลดลงจากแรงดันที่ t_{_on}=0 การเลือก Capacitor เพื่อลดแรงดันกระเพื่อม (Ripple Voltage DeltaVout) คิดจากสมการที่ 7

 

 

          อย่างไรก็ตามต้องพิจารณาค่า Equivalent Series Resistance (ESR) ของตัวเก็บประจุแต่ละชนิด ซึ่งส่งผลกับ ∆V_{_out} โดยตรง

 

ตัวอย่างโหมดการทำงานของ Boost Regulator

 

          สำหรับวงจร Boost Regulator ขนาดเล็กมักจะใช้ Pulse Width Modulation(PWM)หรือ Pulse Frequency Modulation (PFM) ในการแปลงพลังงาน หรือทำงานร่วมกันทั้งสอง ตัวอย่างใน Microchip MCP1640B/C/D ทำงานร่วมกันสองโหมด ในกรณีที่โหลดกระแสสูง (โหลดมาก) Boost Regulator จะทำงานในโหมด PWM เพื่อรักษาระดับแรงดัน แต่เมื่อโหลดกระแสต่ำกว่าค่าที่กำหนดไว้ (โหลดน้อย) Boost Regulator จะทำงานในโหมด PFM แทน การเปลี่ยนโหมดจาก PWM เป็น PFM เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพโดยการลดกระแสที่ดึงจากแบตเตอรี่มาใช้งาน นอกจากนั้นการเปลี่ยนโหมดการทำงานจาก PWM เป็น PFM เมื่อใช้งานในขณะโหลดกระแสต่ำเพื่อ ดังรูปที่ 3 อย่างไรก็ตามในขณะวงจรทำงานด้วย PFM จะเกิดแรงดันริปเปิล (Output Ripple Voltage) มากกว่าโหมด PWM

 

 

รูปที่ 3 แสดงรูปคลื่นเมื่อทำงานในโหมด PFM และ PWM เมื่อเกิด Light Load

 

True Output Disconnect and Input Bypass

 

          หากพิจารณาสถานะไม่ใช้พลังงาน (Shutdown State) ของ Boost Regulator ผู้ออกแบบต้องเลือกโหมดการทำงานในขณะเกิด Shutdown State ว่าต้องการให้ Regulator ตัดโหลดออกจากแหล่งจ่ายไฟ(True Output Disconnect) หรือต้องการต่อโหลดเข้าแหล่งจ่ายไฟโดยตรง(Input Bypass) โดยมีเงื่อนไขการใช้งานแบตเตอรี่เป็นแหล่งจ่ายไฟซึ่งมีแรงดันต่ำกว่าความต้องการแรงดันของโหลด (Vin < Vout) บล็อกไดอะแกรมในรูปที่ 4 แสดงลักษณะวงจรทั่วไปสำหรับการทำงานในโหมด True Disconnect และ Input Bypass โดยการใช้ P Mosfet สำหรับทำ Output Bypass และไดโอด D และ P Mosfet สำหรับทำงานในโหมด True Output Disconnect

 

 

รูปที่ 4 วงจรเสมือนสำหรับวงจร True Disconnect/Input Bypass

 

ข้อควรระวัง เมื่อใช้ Input Bypass Mode

 

          พิจารณารูปที่ 5 สำหรับการใช้ Input Bypass Mode เมื่อ Boost Regulator อยู่ในสถานะไม่ใช้พลังงาน (EN = Low) กระแสจาก Vin จะถ่ายเทไปยัง Vout โดยตรง เมื่อพิจารณา R_{_TOP} และ R_{_BOT} ซึ่งเป็นโหลดกระแสของแหล่งจ่าย V_{_IN} หากพิจารณา แหล่งจ่าย V_{_IN} เป็นแบตเตอรี่ จะทำให้มีการใช้พลังงานแบตเตอรี่อย่างต่อเนื่อง

 

 

รูปที่ 5 แสดงการใช้ MOSFET เพื่อลดกระแสขณะเกิด Input Bypass 

 

 

          เพื่อป้องกันกัน R_{_TOP} และ R_{_BOT} โหลดกระแสจากแหล่งจ่ายอย่างต่อเนื่องจึงใช้ MOSFET เพื่อตัดโหลดออกจากแหล่งจ่าย V_{_IN}

 

สรุป

 

          การเลือกใช้ Boost Regulator สำหรับใช้งานกับอุปกรณ์ขนาดเล็กต้องการกระแสต่ำ เช่น Wireless Sensor Network, Bluetooth, Wireless Lan ซึ่งเน้นอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่เป็นหลัก ผู้ออกแบบต้องคำนึงถึงโหมดการทำงานของ Boost Regulator ว่าจะให้อยู่ในโหมด Continuous Current Mode – CCM หรือ Discontinuous Current Mode – DCM โดยวงจรที่ออกแบบควรคิดกระแสโหลดทั้งหมดที่ Boost Regulator ต้องจ่าย จะทำให้สามารถเลือกพิกัดขดลวดเหนี่ยวนำได้อย่างถูกต้อง

 

          นอกจากนั้นผู้ออกแบบควรคำนึงถึงลักษณะของ Boost Regulator ว่าสามารถทำงานในโหมด Pulse Width Modulation หรือ Pulse Frequency Modulation หรือสามารถใช้งานได้ทั้งสองโหมด การพิจารณาดังกล่าวจะช่วยให้การใช้พลังงานจากแหล่งจ่ายได้นานเนื่องจาก Boost Regulator ไม่โหลดกระแสจากแหล่งจ่ายเพื่อสร้างความถี่สวิตช์ตลอดเวลา

 

          ในขณะที่แหล่งจ่ายมีแรงดันน้อยกว่าระดับแรงดันที่สามารถเพิ่มแรงดันได้หรือโหลดอยู่ในสถานะไม่ต้องการใช้พลังงาน Boost Regulator อาจตัดโหลดออกจากแหล่งจ่าย(True Output Disconnect) หรือ เชื่อมต่อแหล่งจ่ายเข้ากับโหลดโดยตรง (Input Bypass) ควรคำนึงถึงลักษณะของโหลดซึ่งอาจจะกลายเป็นโหลดแก่แหล่งจ่ายโดยตรงทำให้แหล่งจ่ายอาจะเสียหายเนื่องจากคายประจุจนหมด (ในกรณีที่แหล่งจ่ายเป็นแบตเตอรี่ชนิดประจุใหม่ได้)

 

สุดท้ายนี่หวังว่าท่านนำความรู้ที่ได้จากบทความนี้ไปใช้งานในการออกแบบ Boost Regulator เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด

 

อ้างอิง

• Cliff Ellison. “Design a Boost-Switching Regulator with the MCP1650”. AN980-Microchip Technology Inc, http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00980a.pdf, 2005.
• Valentin C. Constantin. “Optimizing Battery Life in DC Boost Converters Using MCP1640” . AN1337- Microchip Technology Inc, ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/01337A.pdf, 2010.
• “MCP1642B/D Two-Cell to USB Power Evaluation Board User’s Guide”. Microchip Technology Inc, http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/500002231A.pdf. 2014.
• Brigitte Hauke. “Basic Calculation of a Boost Converter's Power Stage”,Texas Instruments, January 2014.