ความมหัศจรรย์ของการแปลงแรงดัน DC-DC (2023)
(lcamtuf.substack.com)- แรงดันของแบตเตอรี่และอะแดปเตอร์ราคาถูกไม่ตรงกับแรงดันที่มอเตอร์, แบ็กไลต์ LCD และชิปดิจิทัลต้องการ ทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคส่วนใหญ่พึ่งพา การแปลงแรงดัน DC
- ตัวแบ่งแรงดันด้วยตัวต้านทานและลิเนียร์เรกูเลเตอร์นั้นเรียบง่าย แต่เมื่อกระแสโหลดหรือแรงดันตกคร่อมเพิ่มขึ้น ปัญหา การสูญเสียเป็นความร้อน และอายุแบตเตอรี่จะรุนแรงขึ้นอย่างรวดเร็ว
- ชาร์จปั๊มสามารถคูณหรือหารแรงดันได้ด้วยการสวิตช์คาปาซิเตอร์เท่านั้น และบางครั้งมีประสิทธิภาพเกิน 90% แต่ในโครงสร้างแบบง่ายยังมีข้อจำกัดด้าน การควบคุมแรงดัน และโหลดกระแสสูง
- Buck converter สร้างแรงดันต่ำได้อย่างแม่นยำด้วยอินดักเตอร์และสวิตช์ และอุปกรณ์ขนาดเล็กก็รองรับกระแสระดับหลาย A ได้ แต่ต้องคำนึงถึง การสูญเสียในอินดักเตอร์ และการรบกวนย่านความถี่วิทยุ
- Boost converter สร้างแรงดันที่สูงกว่าแรงดันจ่ายจากการยุบตัวของสนามแม่เหล็กในอินดักเตอร์ และเอาต์พุตอาจสูงถึงหลายร้อยหรือหลายพัน V จึงจำเป็นต้องมี การควบคุมเอาต์พุต
ทำไมจึงต้องแปลงแรงดัน
- อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคแทบทั้งหมดในตลาดทำ การแปลงแรงดัน DC ในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง
- แรงดันเอาต์พุตของแบตเตอรี่ทั่วไปหรืออะแดปเตอร์เสียบผนังราคาถูกไม่ตรงกับความต้องการของชิ้นส่วนทุกตัวในวงจร
- มอเตอร์
- แบ็กไลต์ LCD
- ชิปดิจิทัลรุ่นใหม่ล่าสุด
- การแปลงแรงดันอาจเกิดขึ้นภายในไมโครคอนโทรลเลอร์เองด้วย
- อาจมี ชาร์จปั๊ม ภายในขนาดเล็กเพื่อสร้างแรงดันที่สูงขึ้นสำหรับ EEPROM และหน่วยความจำแฟลช
- อาจมีเรกูเลเตอร์แยกต่างหากเพื่อสร้างแรงดันที่ต่ำลงสำหรับแกน CPU
- ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์งานอดิเรก บางครั้ง IC แบบลิเนียร์รุ่นเก่าอย่าง LM7805, LM317 ถูกใช้ร่วมกับ MCU 32 บิตรุ่นใหม่
- แม้จะมีสวิตชิ่งเรกูเลเตอร์แล้ว ก็ยังมีหลายกรณีที่คัดลอกการออกแบบอื่นมาใช้ตรง ๆ โดยไม่พิจารณาว่าเหมาะกับงานหรือไม่
ตัวแบ่งแรงดันแบบใช้ตัวต้านทาน
- วิธีที่ง่ายที่สุดในการสร้างแรงดันระดับกลางจากแหล่งจ่ายที่รู้ค่าและเสถียรคือ ตัวแบ่งแรงดันด้วยตัวต้านทาน
- ถ้าไม่มีโหลดที่มีนัยสำคัญเชื่อมต่ออยู่ระหว่าง R1 กับ R2 กระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานทั้งสองจะเท่ากัน
- แรงดันระดับกลางคำนวณจากแรงดันตกคร่อม R2 และถ้า R1 = R2 จุดกึ่งกลางจะเป็นครึ่งหนึ่งของแรงดันจ่าย
- ข้อจำกัดใหญ่ที่สุดคือกระแสที่ไหลออกไปยังโหลดต้องน้อยมากจนมองข้ามได้เมื่อเทียบกับกระแสที่ไหลผ่าน R1·R2
- หากเงื่อนไขนี้ไม่เป็นจริง แรงดันระดับกลางจะเปลี่ยนไปตามการทำงานของโหลด
- หากต้องจ่ายแรงดันที่เสถียรให้โหลดที่กินกำลังมาก จะต้องใช้ค่าความต้านทานต่ำอย่างไม่สมจริง
- ผลคือมีกระแสสูญเปล่าขนาดใหญ่ไหลในเส้นทาง R1-R2
- ในทางปฏิบัติ มักใช้ใน เครือข่ายไบแอส สำหรับอินพุต op-amp หรือไบแอสเกต FET
- ในการใช้งานแบบนี้แทบไม่มีโหลด และสามารถตั้งค่าความต้านทานไว้ระดับ 10kΩ~100kΩ ได้
- กระแสสูญเปล่าจะอยู่ในช่วงไมโครแอมแปร์
วิธีใช้โหลดเป็นส่วนหนึ่งของตัวแบ่งแรงดัน
- หากโหลดทำงานเหมือนตัวต้านทานที่เกือบคงที่ภายใต้เงื่อนไขของวงจร ก็สามารถใช้โหลดเองเป็นส่วนหนึ่งของตัวแบ่งแรงดันแทน R2 ได้
- วิธีนี้ยังคงสิ้นเปลืองพลังงานอยู่
- กระบวนการลดแรงดันโหลดคือการที่ R1 ขัดขวางการไหลของอิเล็กตรอนและเปลี่ยนพลังงานจ่ายบางส่วนเป็นความร้อน
- ความร้อนที่สูญเปล่าคำนวณได้จากกฎของจูล P = IV
- หากกระแสสูงและต้องลดแรงดันมากกว่าเศษส่วนเล็ก ๆ ของ 1V การสูญเสีย จะรุนแรง
- มีโหลดไม่มากที่ทั้งทำงานที่เป็นประโยชน์และยังประพฤติตัวเหมือนตัวต้านทานคงที่
- วงจรรวมที่กำลังรันโปรแกรมไม่เข้าข่าย
- มอเตอร์ที่มีโหลดก็ไม่เข้าข่าย
- โหลดเหล่านี้มีความต้องการกระแสและค่าการนำไฟฟ้า/ความต้านทานที่เห็นจากภายนอกเปลี่ยนไปตามเวลา ดังนั้นแรงดันเอาต์พุตของตัวแบ่งแรงดันที่อิงอัตราส่วนตัวต้านทานจึงแกว่งได้
ลิเนียร์เรกูเลเตอร์พื้นฐาน
- หากควบคุมอุปกรณ์ที่ทำงานเหมือนตัวต้านทานปรับค่าได้ด้วยฟีดแบ็ก ก็สามารถรักษาแรงดันเอาต์พุตให้คงที่ได้แม้ความต้านทานโหลดเปลี่ยนไป
- ตัวตามแรงดันที่ใช้ทรานซิสเตอร์มีลักษณะการทำงานคล้ายแบบนี้
- MOSFET แบบ n-channel จะเริ่มนำกระแสเมื่อแรงดันระหว่างซอร์สกับเกตเป็นบวกมากพอ
- สามารถจัดวงจรให้ตัวแบ่งแรงดันป้อนแรงดันที่ต้องการให้เกต และวางโหลดไว้ฝั่งซอร์สได้
- สามารถทำด้วย MOSFET อเนกประสงค์อย่าง 2N7000 ได้ แต่ไม่ได้ทำงานดีอย่างที่คาด
- Vth ไม่ใช่ค่า threshold แบบไบนารี
- Vth ของ BS170 ระบุไว้ที่ 2.1V ที่ 1mA แต่ถ้าจะส่งผ่าน 100mA ต้องให้ Vgs ถึงประมาณ 3.2V
- เมื่อ Vref คงที่แต่ต้องการกระแสโหลดมากขึ้น ระยะห่างระหว่างซอร์สกับแรงดันอ้างอิงจะเพิ่มขึ้นและแรงดันเอาต์พุตจะตก
- หากใช้ไดโอดซีเนอร์ภายในเพื่อให้ค่าอ้างอิงแรงดันสัมบูรณ์ ก็สามารถทำให้ Vref เสถียรมากขึ้นแม้แรงดันจ่ายเปลี่ยนแปลง
- ไดโอดสร้างแรงดันตกคร่อมที่ค่อนข้างคงที่ เนื่องจากพลังงานที่ต้องใช้ในการผ่านบริเวณพร่องของรอยต่อ p-n เมื่อมีกระแสที่ควบคุมแล้วไหลผ่าน
- หากใช้ op-amp เป็นตัวตามแรงดันเพื่อตรวจดูแรงดันเอาต์พุตที่จ่ายให้โหลดโดยตรง จะลดข้อจำกัดของการออกแบบทรานซิสเตอร์ตัวเดียวได้
- อุปกรณ์ตรวจจับความต่างระหว่าง Vref กับ Vout
- ปรับแรงดันเกตของทรานซิสเตอร์ไปในทิศทางตรงข้ามเพื่อลบข้อผิดพลาด
- ฟีดแบ็กนี้กำจัดความสัมพันธ์ที่ไม่เป็นอุดมคติระหว่างแรงดันเกต-ซอร์สกับกระแสดเรน และกำจัดออฟเซ็ต Vth ด้วย
- ตัวต้านทานฟีดแบ็กสองตัวเป็นตัวเลือก และสามารถปรับแรงดันเอาต์พุตให้เป็นสัดส่วนกับแรงดันอ้างอิงของไดโอดได้
- ถ้า R1 = R2, Vout จะเป็น 2 × Vref
- สุดท้ายแล้วลิเนียร์เรกูเลเตอร์ก็คือตัวต้านทานปรับค่าได้ที่ซับซ้อน จึงใช้งานยากหากไม่มีเหตุผลพิเศษ
- พลังงานสูญเปล่าตามสัดส่วนของ I และ V
- ตามมาด้วยปัญหาการจัดการความร้อนและอายุแบตเตอรี่ที่ลดลง
- ข้อยกเว้นคือกรณีที่ต้องใช้กระแสน้อยมากหรือมีแรงดันตกคร่อมน้อยมาก
- ไบแอสอินพุต op-amp
- การสร้างแรงดันอ้างอิง ADC
- ลิเนียร์เรกูเลเตอร์ความแม่นยำสูงเหมาะกับงานเหล่านี้
สวิตช์คาปาซิเตอร์คอนเวอร์เตอร์และชาร์จปั๊ม
- สวิตช์โหมดเรกูเลเตอร์ดูซับซ้อน แต่หลักการพื้นฐานของชาร์จปั๊มคือ การย้ายประจุ ระหว่าง ฟลายอิงคาปาซิเตอร์ กับคาปาซิเตอร์เอาต์พุต
- เมื่อเชื่อมต่อฟลายอิงคาปาซิเตอร์ Cf เข้ากับรางจ่ายไฟ จะเกิดแรงดันเท่ากับ Vsupply ระหว่างขั้วทั้งสอง
- แรงดันนี้เป็นผลจากประจุที่เก็บอยู่ในสนามไฟฟ้าภายในคาปาซิเตอร์
- แม้ถอดออกจากแหล่งจ่ายก็ยังคงอยู่ได้ชั่วครู่
- เมื่อนำ Cf ที่ชาร์จแล้วไปเชื่อมต่อกับคาปาซิเตอร์เอาต์พุต Co ประจุบางส่วนจะย้ายไปยัง Co ทำให้เกิดแรงดันบวกที่ขั้วของคาปาซิเตอร์เอาต์พุต
- เมื่อทำซ้ำกระบวนการนี้ Co จะถูกชาร์จจนเกือบเต็ม
- แรงดันระหว่าง A กับ B จะเข้าใกล้ Vsupply
- หากขั้ว B ของคาปาซิเตอร์เอาต์พุตซึ่งมีศักย์ลบกว่า ถูกผูกเข้ากับรางจ่ายบวก จะวัดแรงดันระหว่าง A กับ C ได้เป็น 2 × Vsupply จึงกลายเป็น ตัวคูณแรงดัน
- ในชาร์จปั๊มจริง ไม่ได้ย้ายคาปาซิเตอร์ทางกายภาพ แต่สวิตช์ทางไฟฟ้าด้วยการสลับ FET สี่ตัวตามลำดับที่กำหนด
- ความถี่สวิตชิ่งมักอยู่ที่ 100kHz~2MHz
- วงจรกำกับดูแลจะเป็นตัวกลางในการสวิตชิ่งเพื่อส่งพลังงานไปยังโหลดที่เชื่อมต่อแทบจะไม่สะดุด
- ฟังก์ชันกำกับดูแลนี้ทำได้หลายวิธี และโครงสร้างไมโครคอนโทรลเลอร์แบบง่ายที่รันโค้ดขนาดเล็กก็พบได้บ่อยขึ้นเรื่อย ๆ
- หากเปลี่ยนการจัดวางคาปาซิเตอร์เอาต์พุต ก็สามารถสร้างอัตราคูณอื่นหรือแรงดันลบได้
- แขวน Co ไว้กับรางกราวด์ แล้วกลับด้าน Cf ไปมา ก็สร้างแรงดันลบได้
- เพราะการย้ายประจุมีความสมมาตร จึงใช้แนวทางเดียวกันทำ การแบ่งแรงดัน ได้เช่นกัน
- คาปาซิเตอร์กักสนามไฟฟ้าภายในได้ดี และ MLCC สมัยใหม่มีอิมพีแดนซ์ต่ำที่ความถี่ทำงานมาตรฐานของชาร์จปั๊ม
- IC คอนเวอร์เตอร์อย่าง LM2776 มักมีประสิทธิภาพเกิน 90% ในช่วงโหลดกว้าง
- การรบกวนย่านความถี่วิทยุก็ไม่มาก
- โครงสร้างเรียบง่ายและไม่ต้องใช้ลอจิกควบคุมขั้นสูง จึงทำแบบเฉพาะกิจได้ง่ายแม้ไม่มีชิปคอนโทรลเลอร์เฉพาะ
- ข้อจำกัดใหญ่ของชาร์จปั๊มแบบง่ายคือ ขาดฟังก์ชันควบคุมแรงดัน
- สร้างแรงดันเป็นจำนวนเท่าใดก็ได้ของ Vsupply แต่ถ้าแรงดันจ่ายแกว่ง เอาต์พุตก็แกว่งตาม
- สามารถควบคุมแบบหยาบได้ด้วยการตรวจดูแรงดันเอาต์พุต แล้วหยุดย้ายประจุเมื่อถึงจุดตั้งค่า
- อาจเพิ่มลิเนียร์เรกูเลเตอร์ที่เอาต์พุตได้ แต่ต้องยอมรับการสูญเสียประสิทธิภาพ
- LTC3240 เป็นตัวอย่างชาร์จปั๊มแบบเพิ่มแรงดันที่ควบคุมได้ประมาณ ±5%
- การถ่ายโอนประจุของชาร์จปั๊มโดยธรรมชาติเป็นแบบไม่ต่อเนื่องและขึ้นกับความต่างแรงดันระหว่างคาปาซิเตอร์
- เมื่อแรงดันเอาต์พุตเข้าใกล้เป้าหมาย ประจุที่ย้ายได้ในหนึ่งรอบจะลดลง
- เหมาะกับงานกระแสสูงน้อยกว่า
- แทบไม่ค่อยใช้ชาร์จปั๊มกับโหลดที่มากกว่าประมาณ 200mA
- สูงกว่านั้น โซลูชันที่ใช้อินดักเตอร์จะเหนือกว่า
Buck converter
- เรกูเลเตอร์แรงดันที่ใช้อินดักเตอร์แบบง่ายที่สุดคือ Buck converter ซึ่งสร้างแรงดันเอาต์พุตที่ควบคุมได้และต่ำกว่าแรงดันจ่าย
- คอนโทรลเลอร์ตรวจดูแรงดันเอาต์พุต และเมื่อเอาต์พุตต่ำกว่าระดับที่ตั้งไว้ล่วงหน้า จะเปิดสวิตช์เพื่อชาร์จคาปาซิเตอร์เอาต์พุตกลับจากรางจ่ายไฟ
- หากไม่มีวิธีจำกัดกระแสกระชาก คาปาซิเตอร์อาจชาร์จเร็วเกินไปจน Vout overshoot ขึ้นไปถึง Vsupply ทันที
- สามารถใส่ตัวต้านทานเล็ก ๆ ในเส้นทางชาร์จได้ แต่พลังงานบางส่วนจะถูกใช้ไปเป็นความร้อนและเกิดความสูญเปล่า
- อินดักเตอร์เป็นทางเลือกที่ดีกว่า เพราะยับยั้งการเปลี่ยนแปลงของกระแสพร้อมกับเก็บพลังงานบางส่วนไว้ในสนามแม่เหล็กภายในแบบย้อนกลับได้
- เมื่อสวิตช์ปิด กระแสในอินดักเตอร์จะค่อย ๆ เพิ่มขึ้น ทำให้ควบคุมระดับการชาร์จของคาปาซิเตอร์ได้ง่ายขึ้น
- เมื่อสวิตช์เปิด สนามแม่เหล็กที่กำลังยุบตัวของอินดักเตอร์จะพยายามผลักดันให้กระแสเดิมไหลต่อไป
- หากไม่มีเส้นทางใหม่ จะเกิดแรงดันสไปค์ที่อันตรายที่ขั้วอินดักเตอร์
- ฝั่งสวิตช์จะมีศักย์ลบ ส่วนฝั่งคาปาซิเตอร์จะมีศักย์บวก
- พลังงานที่เก็บไว้ถูกใช้ไปอย่างไม่ก่อประโยชน์ ทำให้อินดักเตอร์ไม่ต่างจากตัวต้านทาน
- เพื่อป้องกันสิ่งนี้ Buck converter แบบง่ายต้องมีไดโอดที่ไบแอสกลับหรือสวิตช์เสริม
- เมื่อด้านซ้ายของอินดักเตอร์มีศักย์ลบกว่าราง 0V ไดโอดจะนำกระแส
- สนามแม่เหล็กที่ยุบตัวจะดึงอิเล็กตรอนจากราง 0V แล้วผลักไปยังคาปาซิเตอร์และโหลด
- ผู้ออกแบบต้องคำนึงถึงกระแสที่ไหลในช่วงที่สวิตช์ปิดด้วย เพื่อป้องกันไม่ให้คาปาซิเตอร์ถูกชาร์จเกิน
- พลังงานที่เก็บในสนามแม่เหล็กเกือบเป็นสัดส่วนกับเวลาที่อินดักเตอร์ถูกเปิดใช้งาน
- ดังนั้นขนาดของปรากฏการณ์จึงคาดการณ์และควบคุมได้ง่าย
- Buck converter ชูจุดเด่นเรื่องประสิทธิภาพการสวิตช์สูง แต่สมรรถนะที่ดีที่สุดมักเกิดในช่วงโหลดบางช่วงเท่านั้น
- แหล่งสูญเสียหลักอย่างหนึ่งคือความต้านทานของขดลวดอินดักเตอร์
- หากเลือกชิ้นส่วนราคาถูกและขนาด footprint เล็ก ความต้านทานนี้อาจสูง
- สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่รั่วจากอินดักเตอร์ก่อให้เกิดการสูญเสียและการรบกวนวิทยุในย่าน MF·HF
- ในบางงาน เช่น เครื่องรับวิทยุหรือแอมพลิฟายเออร์ความแม่นยำสูง แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งอาจเป็นปัญหาได้
- ในทางกลับกัน Buck converter ทำงานแบบกึ่งต่อเนื่อง จึงโดดเด่นด้านการส่งกระแสสูงและการควบคุมแรงดัน
- มีเส้นทางกระแสโดยตรงจากแหล่งจ่ายไปยังโหลด
- มีความต่างแรงดันที่สม่ำเสมอระหว่างขั้วอินดักเตอร์
- อุปกรณ์ขนาดเล็กอย่าง AP63203 ก็รองรับกระแสหลาย A ได้
- เพราะกระแสในอินดักเตอร์ค่อย ๆ เพิ่มขึ้น จึงควบคุมแรงดันได้ดี
- นอกจาก IC ที่ต้องใช้อินดักเตอร์ภายนอกแล้ว ยังมีโมดูลแบบรวมสำเร็จราคาถูกที่ทำให้การออกแบบวงจรง่ายขึ้นด้วย
- CUI VXO7803-500
- MPS mEZD71202A-F
- ราคาขายปลีกอาจอยู่ที่ระดับ $1~$2 จึงเป็นตัวเลือกที่ช่วยประหยัดเวลาในวงจรงานอดิเรก
Boost converter
- Buck regulator สร้างได้เฉพาะแรงดันที่ต่ำกว่ารางจ่ายไฟ เพราะเมื่อแรงดันคาปาซิเตอร์เอาต์พุตสูงกว่าแรงดันจ่าย กระแสในอินดักเตอร์จะไหลย้อนทิศเมื่อสวิตช์ปิด
- วิธีทั่วไปในการสร้างแรงดันที่สูงขึ้นคือ Boost topology
- เมื่อสวิตช์ปิด โดยหลักการแล้วจะเกิดการลัดวงจรระหว่างรางจ่ายไฟ แต่ในช่วงเวลาสั้น ๆ อินดักเตอร์จะยับยั้งการไหลของกระแสและเปลี่ยนพลังงานจากแหล่งจ่ายไปเป็นสนามแม่เหล็กภายใน
- ผลนี้จะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อแกนอิ่มตัว
- เพื่อหลีกเลี่ยงการทำลายอินดักเตอร์หรือการสูญเปล่าพลังงาน ไม่ควรปิดสวิตช์ไว้นาน
- เมื่อสวิตช์เปิด สนามแม่เหล็กที่กำลังยุบตัวของอินดักเตอร์จะพยายามรักษาการไหลของประจุในทิศทางเดิม
- ขั้วด้านซ้ายของคอยล์จะมีศักย์ลบมากขึ้น
- ขั้วด้านขวาจะมีศักย์บวกมากขึ้น
- ฝั่งที่มีศักย์ลบกว่ายังคงเชื่อมต่อกับรางจ่ายบวกอยู่ ทำให้ศักย์อ้างอิงของแหล่งจ่ายคงที่
- ที่ขั้วอีกด้านจะเกิดแรงดันสูงกว่า Vsupply
- แรงดันสไปค์นี้ทำให้ไดโอดนำกระแสและส่งพลังงานไปยังคาปาซิเตอร์
- แรงเคลื่อนไฟฟ้าสูงสุดที่คอยล์สร้างได้อาจสูงกว่า Vsupply มาก ดังนั้นคาปาซิเตอร์จึงถูกชาร์จไปถึงแรงดันที่สูงกว่าได้
- หากสวิตชิ่งเร็วพอและกระบวนการดำเนินต่อไปไม่สิ้นสุด อาจไปถึงหลายร้อยหรือหลายพัน V
- ดังนั้น การควบคุมเอาต์พุต จึงจำเป็น
- สามารถปรับปริมาณพลังงานที่ส่งในแต่ละขั้นได้ด้วยการเปลี่ยนเวลาที่อินดักเตอร์ถูกเปิดใช้งาน
- Boost converter อย่าง MCP1642B/D มักใช้ขับอุปกรณ์แรงดันสูงกว่าจากเซลล์อัลคาไลน์เดี่ยว หรือสร้างแรงดัน 10V ขึ้นไปให้กับอุปกรณ์อย่างแบ็กไลต์ LCD
- Boost converter มีข้อดีข้อเสียส่วนใหญ่เหมือนกับ Buck topology
- ต้องใช้อินดักเตอร์
- มีร่องรอยการรบกวนย่านความถี่วิทยุสูง
- ส่งกระแสจำนวนมากได้ค่อนข้างง่าย
การแทนที่ไดโอดในการใช้งานจริง
- ใน Buck และ Boost converter จริง ไดโอดมักถูกแทนที่ด้วย MOSFET switch ที่ทำงานแบบซิงโครนัส
- การเปลี่ยนแปลงนี้ไม่ได้ทำให้เกิดความแตกต่างเชิงฟังก์ชัน แต่ช่วยหลีกเลี่ยงแรงดันตกคร่อมโดยธรรมชาติของรอยต่อ p-n ได้
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นจาก Hacker News
คอนเวอร์เตอร์ DC-DC ยากแต่สนุก แนวคิดพื้นฐานคือ เมื่อปล่อยกระแสผ่านตัวเหนี่ยวนำชั่วครู่แล้วตัดออก จะเกิดสไปก์แรงดันสูง ซึ่งระบบจุดระเบิดรถยนต์แบบคลาสสิกก็ใช้วิธีนี้
หากส่งสไปก์นั้นผ่านไดโอดไปชาร์จตัวเก็บประจุ ก็จะได้เอาต์พุตกระแสตรง ข้อดีของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิงคือในเส้นทางกำลังแทบไม่มีความต้านทาน ทำให้มีประสิทธิภาพดี ส่วนข้อเสียคือในบางช่วงของคาบ มันทำให้อินพุตแทบจะเหมือนถูกลัดวงจร ดังนั้นเมื่อเสียอาจเกิดไฟไหม้ได้ และอาจต้องมีตัวจำกัดกระแสกระชากตอนเริ่มต้นหรือฟิวส์
มีทั้งแบบเพิ่มแรงดัน แบบลดแรงดัน และแบบใช้หม้อแปลง ถ้าใช้หม้อแปลงจะสามารถแยกฉนวนระหว่างอินพุตกับเอาต์พุตได้ ซึ่งจำเป็นด้านความปลอดภัยเมื่อขับจากไฟ AC สิ่งที่เคยทำไว้คือวงจรที่รับอินพุต USB 5V DC แล้วสร้าง 120V DC เพื่อขับเทเลไทป์โบราณที่ต้องการ 60mA 120V DC: https://github.com/John-Nagle/ttyloopdriver/blob/master/boar...
วงจรพื้นฐานเรียบง่าย แต่มีเฟอร์ไรต์บีดแบบติดผิวหลายตัวและตัวเก็บประจุขนาดเล็ก เพื่อไม่ให้สไปก์รั่วออกไปทาง USB อินพุต เอาต์พุต และคลื่นความถี่วิทยุ และต้องใช้การจำลองด้วย LTspice เพื่อเลือกค่าเพื่อลดสัญญาณรบกวนของแรงดันและกระแส
วิธีทำความเข้าใจที่ดีกว่าคือ ปล่อยกระแสจากแหล่งจ่ายเข้าสู่ตัวเหนี่ยวนำเพื่อเก็บพลังงานไว้ในสนามแม่เหล็ก และเมื่อหยุด สนามแม่เหล็กจะลดลง พลังงานจึงถูกแปลงกลับเป็นกระแสและไหลเข้าสู่วงจร
ประเด็นสำคัญคือ หากเลือกไทมิงและพารามิเตอร์ได้ดี ก็สามารถเลือกแรงดันของกระแสฝั่งปลายทางได้ แรงดันคร่อมตัวเหนี่ยวนำขึ้นกับความชันของความเข้มสนามแม่เหล็กรอบลวดของตัวเหนี่ยวนำ ดังนั้นหากเลือกความชันต่างกันก็สร้างแรงดันต่างกันได้ หากต้องการแรงดันคงที่ กราฟความเข้มสนามแม่เหล็กจะประมาณเป็นคลื่นฟันเลื่อย และกราฟแรงดันเหนี่ยวนำจะประมาณเป็นคลื่นสี่เหลี่ยม นี่เป็นคำอธิบายที่ทำให้ง่ายเพื่อความเข้าใจ แต่คลื่นฟันเลื่อยสร้างความชันของกระแสที่คงที่ และสิ่งนี้นำไปสู่แรงดันคงที่
หากสวิตช์เปิดค้างนานเกินไปจนตัวเหนี่ยวนำถึงกระแสอิ่มตัว หรือเกิดโหมดความเสียหายแบบลูกโซ่อย่างใดอย่างหนึ่ง อินพุตก็อาจแทบเป็นการลัดวงจรได้ เรื่องแบบนี้เกิดได้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์หลายแบบ เช่น ตัวเก็บประจุแทนทาลัมสำหรับดีคัปปลิงธรรมดา หรือ SCR latch-up ใน IC แต่เป็นเรื่องที่ควรคิดถึงโหมดความเสียหายเหล่านี้เมื่อออกแบบโทโพโลยีของแหล่งจ่ายไฟ
อย่างไรก็ตาม หากเป็นกรณีใช้ USB เป็นแหล่งจ่ายแล้วเพิ่มจาก 5V เป็น 120V ก็เข้าใจได้ว่าทำไมสัญชาตญาณเรื่อง “ลัดวงจร” ถึงเกิดขึ้น
อาจเกิดเหตุการณ์คล้ายลัดวงจรชั่วครู่ผ่านองค์ประกอบแฝงได้ แต่ในกรณีอุดมคติไม่ใช่แบบนั้น
ชิปสมัยนี้โดยทั่วไปมีซอฟต์สตาร์ตในตัวอยู่แล้ว แต่ปัญหาคือต้องมีตัวเก็บประจุอินพุต และตัวเก็บประจุนี้เมื่อเชื่อมต่อครั้งแรกจะดูเหมือนลัดวงจรจริง ๆ
ถ้าเป็นตัวเก็บประจุเซรามิกขนาดเล็ก โดยปกติก็ไม่ใช่ปัญหาใหญ่ แต่ความเหนี่ยวนำของสายเคเบิลอาจบังเอิญสร้างคอนเวอร์เตอร์แบบเพิ่มแรงดันขึ้นมา และพยายามป้อนสไปก์แรงดันให้คอนเวอร์เตอร์ตัวจริง
มีความเชื่อมโยงที่น่าสนใจระหว่าง คอนเวอร์เตอร์แบบเพิ่มแรงดัน กับ ปั๊มไฮดรอลิกแรม
ปั๊มไฮดรอลิกแรมเป็นอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจลน์ของกระแสน้ำเพื่อสูบน้ำจากลำธารขึ้นไปยังที่สูงกว่า โดยไม่ต้องใช้พลังงานภายนอก สมการของอุปกรณ์ทั้งสองแทบจะเหมือนกัน ต่างกันเพียงหน่วย
https://en.wikipedia.org/wiki/Hydraulic_ram
ขอแนะนำอย่างยิ่งสำหรับคอร์ส MIT 6.622 Power Electronics ที่เพิ่งเผยแพร่บน OCW
https://youtube.com/playlist?list=PLUl4u3cNGP62UTc77mJoubhDE...
https://ocw.mit.edu/courses/6-622-power-electronics-spring-2...
ศาสตราจารย์ David Perreault ยอดเยี่ยมมาก แม้จะลงลึกถึงหัวข้อขั้นสูงที่คงไม่จำเป็นเว้นแต่คุณจะออกแบบระบบระดับหลาย kW แต่ก็ครอบคลุมพื้นฐานทั้งหมด และสร้างความเข้าใจจากศูนย์ ทำให้รู้ว่าควรใช้อะไรเมื่อไร
มีมือสมัครเล่นจำนวนมากที่ออกแบบและสร้างวงจรของตัวเองได้ เช่น ออดิโอไฟล์หรือผู้ชื่นชอบรถไฟจำลอง ดังนั้นเส้นทางที่ไปถึงได้ต้องมีแน่ ๆ ผมอยากเรียนอิเล็กทรอนิกส์จริง ๆ แต่ยังไม่ได้เรียนจนเข้าใจดีเสียที
รู้พื้นฐานของตัวต้านทาน ไดโอด ตัวเก็บประจุ และทรานซิสเตอร์ และอธิบายแหล่งจ่ายไฟแบบคลาสสิกที่ง่ายที่สุดซึ่งประกอบด้วยหม้อแปลง การเรียงกระแสเต็มคลื่น และตัวเก็บประจุได้ เคยทำวงจรดิจิทัลพื้นฐานอย่าง LDO + Arduino/ESP + LED และรู้ฟิสิกส์พื้นฐานอยู่บ้าง บัดกรีเก่ง
ผมมองตรงกันข้ามกับคำกล่าวที่ว่า “เพราะปัญหาการจัดการความร้อนและอายุแบตเตอรี่ที่ลดลง การใช้เรกูเลชันเชิงเส้นแทบไม่คุ้มกับความลำบาก” ถ้าบทความนี้มุ่งไปที่นักพัฒนางานอดิเรก โครงการจำนวนมากน่าจะใช้ไฟจาก ที่ชาร์จ USB 5V และกินกระแสเพียงหลักหลายร้อย mA
LDO ราคาถูกมาก หาได้ง่าย ลักษณะเอาต์พุตก็ค่อนข้างดี และใช้งานง่ายมาก ถ้ามี 5V แทบไม่จำกัด และต้องการ 3.3V 100mA แล้วทำไมจะไม่ใช้ล่ะ?
ในทางกลับกัน คอนเวอร์เตอร์แบบลดแรงดันต้องมีงานวิศวกรรมจริง ๆ จะใส่ IC ตัวหนึ่งแบบลวก ๆ แล้วคาดหวังให้ทำงานสมบูรณ์ตั้งแต่ครั้งแรกไม่ได้ ต้องใช้โมดูลแบบรวมครบที่ราคาแพง หรือไม่ก็ต้องคำนวณและจัดหาชิ้นส่วนเองพอสมควร สำหรับนักพัฒนางานอดิเรกที่ทำ PCB แบบง่าย ๆ ใช้ครั้งเดียว ทั้งสองทางก็ไม่ได้น่าดึงดูดนัก
เพียงพอแม้จะมีชิ้นส่วนอย่าง ESP32 ที่ต้องการ 250mA และสำหรับโปรเจกต์งานอดิเรก ราคา 2.40 ดอลลาร์ก็อยู่ในระดับรับได้
คอนเวอร์เตอร์ลดแรงดันราคาถูกมีสัญญาณรบกวนมาก จึงค่อนข้างน่ารำคาญเมื่อทำโปรเจกต์เกี่ยวกับเสียงหรือวิทยุ หรือมีอุปกรณ์ประเภทนั้นอยู่ใกล้ ๆ
แต่ถ้าเช่นต้องลด 24V ลงเป็น 3.3V LDO อาจร้อนพอสมควร และแม้ที่ 100mA การสูญเสียก็เกิน 2W สุดท้ายแล้วคำตอบที่ถูกคือ “ขึ้นอยู่กับสถานการณ์”
จากมุมมองของมือใหม่ บทสอนจำนวนมากน่าหงุดหงิดมาก เพราะมักข้ามไปแบบว่า “ตรงนี้มีสวิตช์หรือออสซิลเลเตอร์วิเศษที่จำเป็นต่อการทำงานของคอนเวอร์เตอร์เพิ่มแรงดัน แต่จะไม่บอกวิธีทำจริง”
แถมวงจรนั้นยังต้องทำงานได้ที่ระดับแรงดันเริ่มต้น และหลายกรณียังต้องมี การแยกแบบกัลวานิก จากคอนเวอร์เตอร์ด้วย มีหลายอย่างต้องใส่ใจ และในทางปฏิบัติก็ไม่ใช่เรื่องเล็กน้อย
โดยทั่วไปคำตอบคือหา IC ที่ทำงานได้กับแรงดันอินพุตที่ต้องการ หรือจ่ายพลังงานเล็กน้อยที่จำเป็นต่อ PWM generator ด้วยเรกูเลเตอร์เชิงเส้น การนำคำตอบที่ AI สร้างไปใช้ตรง ๆ ก็ต้องระวัง Claude 3.5 Sonnet เคยเสนอให้ต่อ Arduino เข้ากับ 230V โดยตรง และแม้คุยโต้ตอบกันหลายรอบแล้ว ก็ยังสร้างวงจรที่มีองค์ประกอบแปลก ๆ อย่าง “ไดโอดต่อกลับขนาน” ที่ไม่สมเหตุสมผล
สามารถกรองตามพารามิเตอร์อย่างช่วงแรงดันอินพุต ช่วงแรงดันเอาต์พุต และกำลังไฟ โดยใช้เกณฑ์อย่างความซับซ้อน (จำนวน BoM โดยประมาณ), ขนาด, ต้นทุน ฯลฯ และแบบออกแบบมักมีเลย์เอาต์อ้างอิงรวมอยู่ด้วย
https://webench.ti.com/power-designer/
ผมทำงานด้าน การทดสอบความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า ของรถยนต์ และสาเหตุที่สอบไม่ผ่านหรือไปรบกวนอุปกรณ์อื่น แทบจะเป็นฝั่งการแปลงแรงดันเสมอ
คอนเวอร์เตอร์แบบลด-เพิ่มแรงดันมีสัญญาณรบกวนมากและรับมือยาก และถ้าใช้ IC แบบโมโนลิทิกจากซัพพลายเออร์ที่ถูกที่สุด การดีบักก็ไม่ง่ายเช่นกัน มักนำไปสู่การถกเถียงที่น่ารำคาญมาก
ช่วงหลังทำงานเกี่ยวกับเสียง ผมเห็นอุปกรณ์จำนวนมาก เช่น ตัวที่แปลง 3.7V เป็น 5V ฉีดสัญญาณรบกวนเข้าไปในรางไฟ และสัญญาณรบกวนนั้นก็เข้าไปถึง อินพุตไมโครโฟน
ฟังก์ชันรองรับแบตเตอรี่ของ pisource หนักเป็นพิเศษ แต่แหล่งจ่ายไฟแบตเตอรี่อื่น ๆ ก็เป็นแบบนี้กันมาก ไม่ใช่แค่ไมโครโฟน เซ็นเซอร์ไวอย่าง accelerometer ก็ได้รับผลกระทบด้วย
หวังว่าต่อไปคนที่ทำคอนเวอร์เตอร์ DC-DC จะใส่ใจทำให้ไฟสะอาดพอ เพื่อไม่ให้เกิดเรื่องแบบนี้
โดยธรรมชาติแล้วหลีกเลี่ยงไม่ได้ และไวต่อเลย์เอาต์ของบอร์ดมาก การกรององค์ประกอบความถี่ในย่านกว้างนี้ออกทั้งหมด ไม่ว่าจะด้วยวิธี active หรือ passive ไม่ใช่เรื่องง่ายเลย ไม่มีคำตอบทั่วไป มีแต่พื้นที่ trade-off ที่มีมิติสูง
คำพูดที่ว่าสัญญาณรบกวนสำคัญในวงจรแอนะล็อกนั้นถูกต้อง และถ้าต้องการก็สามารถจ่ายเงินมาก ๆ ซื้อโมดูล DC/DC converter เฉพาะทางที่พยายามลดสัญญาณรบกวนให้มากที่สุดด้วยตัวเหนี่ยวนำในตัวได้
ประสิทธิภาพ 96% ของคอนเวอร์เตอร์แบบ synchronous ดูดีบนกระดาษ แต่เมื่อการกินกระแสของ single-board computer เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ และมอเตอร์ BLDC สามารถทำงานที่แรงดันสูงขึ้นได้ การจ่ายทั้งสองจากแหล่งไฟเดียวกันจะเกิดปัญหาความร้อนครั้งใหญ่
การลด 12V ลงเป็น 5V 5A ยังเป็นความร้อนที่จัดการได้ แต่เมื่อฝั่งแบตเตอรี่ขึ้นไปเป็น 20V, 30V ความสูญเสียเป็นความร้อนจากแรงดันตกคร่อมที่มากจะเริ่มทำให้บริเวณรอบ ๆ ละลายได้ บางกรณีแม้ความสูญเสียจะเพิ่มขึ้น ก็ยังต้องใช้ รางไฟแบบขั้นบันได โดยลดลงเป็น 24V ก่อน แล้วค่อยลดจาก 24V เป็น 12V และจาก 12V เป็น 5V เพื่อกระจายความร้อนไปยังคอนเวอร์เตอร์ลดแรงดันหลายตัว อยากฟังว่าทางแก้แบบมืออาชีพนอกจากฮีตซิงก์ขนาดยักษ์คืออะไร
ใน single-board computer ก็ระบายความร้อน 25W อยู่แล้ว ดังนั้น 2W จาก DC-DC converter ก็จัดการด้วยวิธีเดียวกันได้
https://www.meanwellusa.com/webapp/product/search.aspx?prod=...
เมื่อเกินระดับกำลังไฟหนึ่ง ๆ การพึ่งพาการระบายความร้อนด้วยการพาความร้อนเพียงอย่างเดียวจะเป็นไปไม่ได้ทางฟิสิกส์ ดูแอมป์เสียงหรือ CPU/GPU ทั่วไปก็จะเห็นว่ามีแบงก์ของ MOSFET, คาปาซิเตอร์ และอินดักเตอร์ จำนวนชิ้นส่วนใน BoM อาจเพิ่มขึ้น แต่ข้อกำหนดด้านสมรรถนะของแต่ละชิ้นจะลดลง
จุดอันตรายคือ MOSFET ต้องถูกจัดเกรดและจับคู่กันอย่างระมัดระวัง หากใช้งานใกล้ค่ากระแสพิกัดมากเกินไป ตัวหนึ่งอาจไหม้ โหลดจะกระจายไปยังตัวที่เหลือ และเมื่อทนโหลดเพิ่มนั้นไม่ไหว ก็อาจเสียแบบลูกโซ่ในเวลาสั้นมาก หรือถ้าตัวหนึ่งเสียแบบลัดวงจรแทนที่จะเปิดวงจร ตัวที่เหลือก็จะตายทันที
ขอเตือนอย่างเป็นมิตรสำหรับคนที่ไม่คุ้นกับวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ว่า บทความนี้เขียนมาในสไตล์ “ทีนี้ก็วาดนกฮูกได้เลย” เลยไม่ค่อยแน่ใจว่ากลุ่มผู้อ่านเป้าหมายคือใคร
คนที่อ่านเนื้อหาระดับนี้เข้าใจน่าจะรู้อยู่แล้วเป็นส่วนใหญ่ และอาจรู้มากกว่านั้นด้วย ส่วนคนที่เหลือต้องพึ่งหนังสือ และหนังสือเล่มนั้นก็น่าจะครอบคลุมเรื่องพวกนี้ซึ่งค่อนข้างพื้นฐาน พร้อมทั้งไล่พิสูจน์สมการที่ออกมาในนี้ให้เข้าใจได้
ผมคิดว่าถ้าชื่อเรื่องมีคำว่า “การแปลงแรงดัน DC-DC” อยู่ ก็เพียงพอแล้วที่จะคัดคนที่ไม่รู้เลยว่ามันหมายถึงอะไร หรือคนที่ทำเป็นอย่างถูกต้องอยู่แล้วออกไป
ทางเลือกที่ใช้กันบ่อยในโลกไมโครคอนโทรลเลอร์คือแค่ ต่อไดโอดหลายตัวแบบอนุกรม เป็นทางเลือกที่ง่ายมาก และผมก็เคยเห็นถูกนำไปใช้จริงอยู่หลายครั้ง