มนตร์แห่งการแปลงแรงดัน DC-DC (2023)

 (lcamtuf.substack.com)
1 คะแนน โดย GN⁺ 2024-09-12 | 1 ความคิดเห็น | แชร์ทาง WhatsApp

มนตร์แห่งการแปลงแรงดัน DC-DC

ตัวแบ่งแรงดันด้วยตัวต้านทาน
  • ตัวแบ่งแรงดันด้วยตัวต้านทาน เป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการได้แรงดันระดับกลางจากแรงดันจ่ายที่คงที่
  • แรงดันระดับกลางจะถูกกำหนดโดยอัตราส่วนความต้านทานของ R1 และ R2
  • ข้อจำกัด: หากกระแสโหลดสูง แรงดันจะไม่เสถียร
เรกูเลเตอร์เชิงเส้นพื้นฐาน
  • เรกูเลเตอร์เชิงเส้น ใช้ความต้านทานแบบแปรค่าเพื่อรักษาแรงดันโหลดให้คงที่
  • ตัวตามแรงดันที่ใช้ทรานซิสเตอร์: ใช้ MOSFET ในการปรับแรงดัน
  • เรกูเลเตอร์ที่ปรับปรุงแล้ว: ใช้ซีเนอร์ไดโอดภายในเพื่อให้ค่าอ้างอิงแรงดันแบบสัมบูรณ์
  • การใช้โอปแอมป์: ใช้ตัวเปรียบเทียบแรงดันเพื่อทำให้แรงดันเสถียรผ่านกลไกป้อนกลับ
  • ข้อเสีย: สิ้นเปลืองพลังงานมาก และก่อให้เกิดปัญหาด้านการจัดการความร้อนกับอายุแบตเตอรี่
ตัวแปลง switched capacitor (charge pump)
  • charge pump ใช้คาปาซิเตอร์ในการเพิ่มหรือลดแรงดัน
  • หลักการทำงาน: แปลงแรงดันด้วยการชาร์จและคายประจุคาปาซิเตอร์
  • ข้อดี: ประสิทธิภาพสูง (มากกว่า 85%)
  • ข้อเสีย: ควบคุมแรงดันได้ยาก และรองรับกระแสสูงได้ยาก
บั๊กคอนเวอร์เตอร์
  • บั๊กคอนเวอร์เตอร์ ใช้อินดักเตอร์เพื่อสร้างแรงดันที่ต่ำกว่าแรงดันจ่าย
  • หลักการทำงาน: ใช้อินดักเตอร์และไดโอดในการปรับแรงดัน
  • ข้อดี: รองรับกระแสสูงได้ และควบคุมแรงดันได้ง่าย
  • ข้อเสีย: เกิดการสูญเสียจากความต้านทานของอินดักเตอร์และสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า
บูสต์คอนเวอร์เตอร์
  • บูสต์คอนเวอร์เตอร์ ใช้อินดักเตอร์เพื่อสร้างแรงดันที่สูงกว่าแรงดันจ่าย
  • หลักการทำงาน: เพิ่มแรงดันโดยอาศัยสนามแม่เหล็กของอินดักเตอร์
  • ข้อดี: สามารถสร้างแรงดันสูงได้
  • ข้อเสีย: ต้องมีการควบคุมแรงดัน และเกิดสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า

สรุปโดย GN⁺

  • บทความนี้อธิบายวิธีต่าง ๆ ในการแปลงแรงดัน DC-DC พร้อมกล่าวถึงข้อดีและข้อเสียของแต่ละวิธี
  • ให้ความรู้พื้นฐานที่จำเป็นต่อการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ทำให้ผู้เริ่มต้นก็เข้าใจได้ง่าย
  • นำเสนอวิธีเพิ่มทั้งประสิทธิภาพและความเสถียรของการแปลงแรงดัน
  • ผลิตภัณฑ์ที่มีฟังก์ชันคล้ายกัน ได้แก่ LM7805, LM317 ของ Texas Instruments และ MCP1642B/D ของ Microchip เป็นต้น

บทความที่เกี่ยวข้อง

1 ความคิดเห็น

 
GN⁺ 2024-09-12
ความเห็นใน Hacker News

  • DC-DC converter ยากแต่ก็น่าสนุก

    • เมื่อป้อนกระแสเข้าไปใน inductor แล้วตัดออก จะเกิดแรงดันกระชากสูง
    • สามารถใช้แรงดันกระชากนี้ชาร์จ capacitor ผ่าน diode เพื่อให้ได้ไฟ DC
    • Switching power supply มีประสิทธิภาพดีเพราะแทบไม่มีความต้านทานในเส้นทางพลังงาน
    • แต่ในบางช่วงของคาบ สัญญาณขาเข้าอาจลัดวงจร จึงมีความเสี่ยงต่อการเกิดไฟไหม้
    • มีทั้ง boost converter, buck converter และ converter ที่ใช้ transformer
    • Transformer แยกอินพุตและเอาต์พุตออกจากกันเพื่อความปลอดภัย
    • ยกตัวอย่างการแปลง USB 5VDC เป็น 120VDC เพื่อให้เครื่อง teleprinter รุ่นเก่าทำงานได้
    • ลดสัญญาณรบกวนให้ต่ำที่สุดด้วยการจำลองใน LTspice

  • ความเชื่อมโยงที่น่าสนใจระหว่าง boost converter กับ hydraulic ram

    • Hydraulic ram ใช้พลังงานจลน์ของกระแสน้ำเพื่อสูบน้ำขึ้นไปยังที่สูง
    • สมการของอุปกรณ์ทั้งสองโดยพื้นฐานแล้วเหมือนกัน ต่างกันแค่หน่วย

  • แนะนำคอร์ส MIT 6.622 Power Electronics

    • การบรรยายของ Prof. David Perreault ยอดเยี่ยมมาก
    • แม้จะครอบคลุมหัวข้อขั้นสูง แต่ก็อธิบายพื้นฐานได้ดี ทำให้เข้าใจได้ง่าย

  • ข้อดีของ linear regulator

    • LDO มีราคาถูกและใช้งานง่าย
    • เหมาะกับโปรเจกต์งานอดิเรกที่ใช้ที่ชาร์จ USB 5V
    • Buck converter ต้องใช้ความพยายามด้านวิศวกรรมมากกว่า

  • ความซับซ้อนของการออกแบบวงจร

    • ถ้าใน datasheet มีวงจรอ้างอิงที่ดี ก็จะช่วยได้มาก
    • ต้องใส่ใจอย่างมากกับการเลือกชิ้นส่วนและการเชื่อมต่อ
    • ตอนออกแบบต้องตรวจสอบทุกอย่างซ้ำสอง

  • Boost converter ที่ยากสำหรับมือใหม่

    • หลายบทสอนไม่ได้อธิบายส่วนสำคัญ
    • ควรหา IC ที่รองรับแรงดันขาเข้าตามที่ต้องการ หรือใช้ linear regulator
    • ไม่ควรนำคำตอบที่สร้างโดย AI มาใช้ตรงๆ

  • ปัญหาในการทดสอบ EMC ของรถยนต์

    • การแปลงแรงดันเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้การทดสอบไม่ผ่าน
    • Buck-boost converter มีสัญญาณรบกวนมากและดีบักยาก

  • ทางเลือกในโลกของไมโครคอนโทรลเลอร์

    • มีทางเลือกง่ายๆ คือการต่อ diode ซ้อนกันไม่กี่ตัว

  • ปัญหาในงานด้านเสียง

    • อุปกรณ์ที่แปลง 3.7V เป็น 5V ก่อให้เกิดสัญญาณรบกวน
    • แหล่งจ่ายจากแบตเตอรี่ส่งผลต่ออินพุตไมโครโฟน
    • ควรลดสัญญาณรบกวนให้ต่ำที่สุดเมื่อออกแบบ DC-DC converter

  • การนำแนวคิด buck/boost converter ไปใช้กับกระปุกเกียร์เชิงกล

    • แรงดันและกระแสในวงจรไฟฟ้าสอดคล้องกับแรงบิดและความเร็วของเพลาเชิงกล
    • อาจออกแบบกระปุกเกียร์ที่ใช้กลไกสปริงและค้อนเพื่อแปลงแรงบิด/ความเร็วได้
    • มีความยากในการออกแบบชิ้นส่วนที่ทำงานที่ความถี่สูง