// บทที่ 15.6 · อิเล็กทรอนิกส์กำลัง · Buck Design Lab — Parts Selection & Load Program

ออกแบบและทดสอบบั๊กคอนเวอร์เตอร์ครบวงจร: เลือกแรงดันอินพุต ไดโอด ตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุ และโปรแกรมโหลดหลายสภาวะ

Q: ควรเลือกกระแสอิ่มตัว (Isat) ของตัวเหนี่ยวนำเท่าไร?

ให้ Isat อย่างน้อย 1.2 เท่าของกระแสพีก Io,max + ΔiL/2 ที่ Vin สูงสุด และสูงกว่าขีดจำกัดกระแสของชิปควบคุม ตัวเหนี่ยวนำแกนฟอร์ไรต์อิ่มตัวฉับพลัน (กระแสพุ่ง) แกนผงเหล็กอิ่มตัวค่อยเป็นค่อยไป จึงให้อภัยมากกว่าเมื่อเกิดโอเวอร์โหลดชั่วขณะ

Q: ทำไมบั๊กแบบ open loop แรงดันขาออกเปลี่ยนตาม Vin?

ใน CCM Vo = D·Vin ถ้าดิวตี้คงที่ Vo แปรผันตาม Vin โดยตรง (อัตราขยาย Gvg = D) และเมื่อโหลดเบาเข้า DCM แรงดันจะสูงขึ้นอีก วงป้อนกลับจึงจำเป็นเพื่อปรับดิวตี้ตามโหลดและ Vin

Q: กราฟศักยภาพการจ่ายกระแสแสดงอะไร?

ไล่โหลดจากเบาไปหนักแล้ววัดแรงดันและกระแสสภาวะคงตัว เห็นว่าวงจรจ่ายกระแสได้ถึงเท่าไรก่อนแรงดันตก และตกเพราะเหตุใด เช่น ชนขีดจำกัดกระแสของตัวควบคุม ดิวตี้เต็ม Dmax หรือตัวเหนี่ยวนำอิ่มตัว

Q: ทำไมต้องเลือกตัวเก็บประจุแบบ ESR ต่ำ?

ริปเปิลแรงดันขาออกประกอบด้วยส่วนจากความจุ ΔiL/(8·C·fs) และส่วนจาก ESR ΔiL·ESR ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ทั่วไป 100–470 µF มี ESR 0.2–0.5 Ω ทำให้ส่วน ESR ใหญ่กว่าส่วนความจุหลายสิบเท่า ตัวเก็บประจุโพลิเมอร์หรือ low-ESR ให้ริปเปิลต่ำกว่ามาก

นำสิ่งที่เรียนมา (CCM/DCM ริปเปิล ฟังก์ชันถ่ายโอน) มาออกแบบวงจรจริง เลือกชิ้นส่วนจากไลบรารี 48 แบบ กำหนดว่าช่วงนี้โหลดกี่โอห์ม ช่วงนั้นกี่โอห์ม แล้วดูแรงดัน กระแส ความเค้น การอิ่มตัว และศักยภาพการจ่ายกระแสของวงจรแบบจำลองสวิตชิ่งทุกจังหวะ

เขียนโดย อาจารย์มดอัปเดต 15 ต.ค. 2569

เปิดแล็บ ขั้นตอนออกแบบ 8 ขั้น เลือกชิ้นส่วน โปรแกรมโหลด ศักยภาพการจ่ายกระแส

สรุปใน 30 วินาที

กำหนด $V_{g,\min/\max}$ , $V_o$ , $I_o$ , $f_s$ , ripple → ได้ $L,\ C,\ \text{ESR}$ ขั้นต่ำ แล้วเลือกชิ้นส่วนจริงที่ผ่านทุกเกณฑ์
$I_{sat} \ge 1.2\,I_{pk}$ , $V_{rrm} \ge 1.4\,V_{g,\max}$ , $V_{ds} \ge 1.5\,V_{g,\max}$ , ESR ≤ $\Delta V/(2\Delta i_L)$
โปรแกรมโหลด: ใส่ช่วงเวลา · โอห์ม (หรือแอมป์) · Vin ของแต่ละช่วง แล้วดูผลทั้งชุด
กราฟ load line บอกว่าจ่ายได้ถึงกี่แอมป์และเพราะเหตุใดจึงล้ม

แล็บนี้ทำอะไรได้ พื้นฐาน

ข้อกำหนด: แรงดันอินพุตต่ำ/ปกติ/สูง · $V_o$ · กระแสโหลดสูงสุดและต่ำสุด · $f_s$ · เป้าริปเปิลกระแสและแรงดัน
เลือกชิ้นส่วน: MOSFET 6 แบบ · ไดโอด 10 แบบ (Schottky, ultrafast, SiC, ซิลิคอนทั่วไป, synchronous) · ตัวเหนี่ยวนำ 22 แบบ (ฟอร์ไรต์ drum, ผงเหล็ก, โทรอยด์, E-core, แกนอากาศ) · ตัวเก็บประจุ 10 แบบ (อลูมิเนียม, low-ESR, โพลิเมอร์, แทนทาลัม, MLCC) หรือกดปุ่ม "แนะนำชิ้นส่วนให้อัตโนมัติ"
ตรวจความเค้น: ตารางผ่าน/เตือน/ไม่ผ่านของทุกชิ้นพร้อมตัวเลขการสูญเสียและประสิทธิภาพที่ Vin ต่ำ/ปกติ/สูง
โปรแกรมโหลด: ตารางช่วงเวลา แต่ละช่วงเลือกโหลดเป็นตัวต้านทาน (กี่โอห์ม) หรือกระแสคงที่ (กี่แอมป์) และ Vin ของช่วงนั้น เพิ่ม ลบ แก้ได้เหมือนเขียนสคริปต์ทดสอบ
จำลองสวิตชิ่ง ทุกจังหวะ ด้วยตัวควบคุมแบบ open loop หรือ peak current mode พร้อม cycle-by-cycle current limit และการอิ่มตัวของตัวเหนี่ยวนำ
ศักยภาพการจ่ายกระแส: ไล่โหลดจาก 4 % ถึง 220 % ของพิกัด แล้วพล็อตแรงดัน กระแสพีก และประสิทธิภาพ

ขอบเขตของแบบจำลอง: รวมค่าความต้านทานแฝงทั้งหมด (Rds(on), Vf+Rd, DCR, ESR) และการอิ่มตัวของแกน การสูญเสียจากการสวิตช์คำนวณด้วยสูตรปิด ไม่รวมสูญเสียแกน วงจรขับ ringing หรือค่าความจุแฝง ค่าชิ้นส่วนเป็นค่าโดยประมาณระดับดาต้าชีตทั่วไป ("คลาส" หมายถึงตระกูลที่พิกัดใกล้เคียง) ต้องอ่านดาต้าชีตจริงก่อนสร้างวงจร

ขั้นตอนออกแบบ 8 ขั้น กลาง

ทุกสูตรมาจากหน้า CCM และ DCM ลำดับนี้คือลำดับที่แล็บคำนวณให้

ขั้นที่ 1: ช่วงดิวตี้

D1 Duty-cycle range ช่วงดิวตี้

D_{\min} = \frac{V_o}{V_{g,\max}},\qquad D_{\max} = \frac{V_o}{V_{g,\min}} \quad(\text{บวกการชดเชยค่าแฝงด้วย H9 ในหน้า CCM})

ตรวจว่า $D_{\max}$ ต่ำกว่าดิวตี้สูงสุดของชิป (เช่น 0.9–0.95) เสมอ ถ้าไม่ ต้องลดอัตราส่วน $V_{g,\min}/V_o$ หรือเปลี่ยนโทโพโลยี

ขั้นที่ 2–3: ตัวเหนี่ยวนำ

D2 Minimum L from ripple ค่า L ขั้นต่ำจากริปเปิล

L \ge \frac{V_o(1-D_{\min})}{f_s\,\Delta I_L},\qquad \Delta I_L = r\,I_{o,\max}\quad(r = 0.2\text{–}0.4)

D3 L to stay in CCM down to I_o,min L ที่ทำให้ยังเป็น CCM ถึงโหลดต่ำสุด

L \ge \frac{V_o(1-D_{\min})}{2\,f_s\,I_{o,\min}}

สองเกณฑ์ใช้ค่าที่ใหญ่กว่า หรือยอมรับ DCM ที่โหลดเบาถ้าตัวควบคุมรองรับ ทั้งคู่คิดที่ $V_{g,\max}$ เพราะริปเปิลสูงสุดที่นั่น

D4 Inductor current ratings พิกัดกระแสของตัวเหนี่ยวนำ

I_{pk} = I_{o,\max} + \frac{\Delta I_L}{2},\qquad I_{L,rms} = \sqrt{I_{o,\max}^2 + \frac{\Delta I_L^2}{12}},\qquad I_{sat} \ge 1.2\,I_{pk} \;(\text{และ} \ge I_{lim})

ขั้นที่ 4: ตัวเก็บประจุขาออก

D5 Output capacitor: C and ESR ตัวเก็บประจุขาออก: ค่า C และ ESR

\Delta V_o \approx \frac{\Delta I_L}{8Cf_s} + \Delta I_L\,r_C \le \Delta V_{spec}

C \ge \frac{\Delta I_L}{4f_s\,\Delta V_{spec}},\qquad r_C \le \frac{\Delta V_{spec}}{2\Delta I_L},\qquad I_{C,rms} = \frac{\Delta I_L}{\sqrt{12}}

แบ่งงบริปเปิลครึ่งต่อครึ่งให้ความจุและ ESR (เป็นขอบบน ค่าจริงต่ำกว่า) นอกจากนี้ต้องดูพิกัดแรงดัน (เผื่อ ≥ 1.25×) ค่ากระแสริปเปิลที่ชิ้นทนได้ และผลของการไบแอส DC ในเซรามิก (ค่าความจุจริงของ MLCC ที่แรงดันใช้งานอาจเหลือครึ่งเดียว)

ขั้นที่ 5: ตัวเก็บประจุขาเข้า

D6 Input capacitor ตัวเก็บประจุขาเข้า

I_{Cin,rms} = I_o\sqrt{D(1-D)} \le \frac{I_o}{2},\qquad C_{in} \ge \frac{I_o\,D(1-D)}{f_s\,\Delta V_{in}}

กระแสขาเข้าของบั๊กเป็นพัลส์ (ไหลเฉพาะช่วง ON) ตัวเก็บประจุขาเข้าจึงเหนื่อยกว่าขาออกมาก ใช้แบบ low-ESR พิกัดริปเปิลสูง และวางเซรามิกชิดขา Q กับกราวด์

ขั้นที่ 6: ความเค้นของสวิตช์และไดโอด

D7 Device stresses ความเค้นของอุปกรณ์

V_{ds} \ge 1.5\,V_{g,\max},\qquad V_{rrm} \ge 1.4\,V_{g,\max}

I_{Q,rms} = \sqrt{D}\,I_{L,rms},\qquad I_{D,avg} = (1-D)\,I_o,\qquad I_{D,rms} = \sqrt{1-D}\,I_{L,rms}

ขั้นที่ 7: งบความสูญเสียและประสิทธิภาพ

D8 Loss budget and efficiency งบความสูญเสียและประสิทธิภาพ

P_{loss} = I_{Q,rms}^2R_{on} + \big(V_FI_{D,avg} + R_dI_{D,rms}^2\big) + I_{L,rms}^2r_L + I_{C,rms}^2r_C + P_{sw}

\eta = \frac{P_o}{P_o + P_{loss}}

P_{sw} = \tfrac12V_gI_o(t_r+t_f)f_s + Q_gV_{drv}f_s + Q_{rr}V_gf_s + \tfrac12C_{oss}V_g^2f_s

ขั้นที่ 8: ขีดจำกัดกระแสและศักยภาพการจ่าย

D9 Current limit and deliverable current ขีดจำกัดกระแสและกระแสที่จ่ายได้

I_{lim} \ge 1.15\,\big(I_{o,\max} + \tfrac{\Delta I_L}{2}\big) + m_aD_{\max}T_s,\qquad m_a = 0.6\,\frac{V_o}{L}

I_{o,deliver} \approx I_{lim} - \frac{\Delta I_L}{2} - m_aDT_s \qquad(\text{และ } I_{lim} < I_{sat})

ใน peak current mode สวิตช์ปิดเมื่อกระแสแตะค่าสั่งงาน $i_c$ ลบเส้นเอียง slope compensation $m_a$ (ป้องกัน sub-harmonic เมื่อ D > 0.5 ดูหน้าตัวชดเชย) ค่า $i_c$ ถูกจำกัดที่ $I_{lim}$ จึงจำกัดกระแสพีกทุกคาบ กระแสเฉลี่ยที่จ่ายได้จึงต่ำกว่า $I_{lim}$ เท่ากับครึ่งริปเปิลและส่วนที่เส้นเอียงลดไป — สูตรนี้ตรวจกับ load line ในแล็บ

เลือกชิ้นส่วนอย่างไร (ตัวเลขจากไลบรารีในแล็บ) กลาง

ตารางต่อไปนี้ใช้ข้อกำหนด 18–30 V → 12 V, 3 A, 100 kHz และเป็นผลที่แล็บคำนวณจริง ลองเลือกชิ้นเดียวกันแล้วเทียบ

ไดโอด (ที่ V_g = 30 V, I_o = 3 A, I_D,avg = 1.8 A)

ชนิด	V_f + R_d·i	Q_rr	สูญเสียนำกระแส (W)	ข้อสังเกต
Schottky 10 A / 45 V	0.35 V + 25 mΩ	≈ 0	0.77	ดีที่สุดในกลุ่ม Schottky · ประสิทธิภาพรวม 96.3 %
Schottky 5 A / 60 V	0.35 V + 50 mΩ	≈ 0	0.90	เผื่อแรงดันมากขึ้น
Schottky 3 A / 40 V	0.30 V + 70 mΩ	≈ 0	0.92	กระแส 3 A เกือบเต็มพิกัด เผื่อแรงดัน 1.33× (< 1.4×)
Schottky 10 A / 100 V	0.50 V + 30 mΩ	≈ 0	1.06	ทนแรงดันสูงต้องแลกกับ V_f สูงขึ้น
Schottky 1 A / 40 V	0.28 V + 220 mΩ	≈ 0	1.70	เกินพิกัด 1 A (กระแสเฉลี่ย 1.8 A)
Ultrafast 4 A / 600 V	0.70 V + 140 mΩ	40 nC	2.02 (+0.12 W Q_rr)	เหมาะกับแรงดันสูง ไม่เหมาะ 30 V
SiC Schottky 4 A / 650 V	0.95 V + 180 mΩ	8 nC	2.69	V_f สูงที่แรงดันต่ำ ใช้ในงาน PFC 400 V
ซิลิคอนทั่วไป 1N4007	0.70 V + 100 mΩ	1.5 µC	1.80 (+4.5 W Q_rr)	ห้ามใช้ที่ความถี่สวิตช์ ช้ามาก ร้อนจัด
MOSFET ตัวล่าง (synchronous)	35 mΩ · i (ไม่มี V_f)	—	0.19	ประสิทธิภาพรวม 97.8 % · ต้องมี dead-time และตัวขับ 2 ตัว

ตัวเหนี่ยวนำ (ที่ V_g = 30 V)

ตัวเลือก	ΔI_L	I_pk	I_sat / I_pk	P ทองแดง (W)	ผล
E-core ช่องอากาศ 100 µH · 8 A (ฟอร์ไรต์)	0.72 A	3.36 A	2.38×	0.18	ผ่านสบาย แต่อิ่มตัวฉับพลัน
โทรอยด์ผงเหล็ก 100 µH · 8 A	0.72 A	3.36 A	2.38×	0.23	ผ่าน อิ่มตัวนุ่มนวล
โทรอยด์ผงเหล็ก 150 µH · 4 A	0.48 A	3.24 A	1.23×	0.32	ผ่านเฉียด แต่เป็น CCM ถึง 0.24 A
Molded powder 100 µH · 2.9 A	0.72 A	3.36 A	0.86×	0.77	Isat ต่ำกว่าพีก L ตกที่ยอดคลื่น
ฟอร์ไรต์ drum 47 µH · 2.2 A	1.53 A	3.77 A	0.58×	0.87	อิ่มตัว ริปเปิลสูงและ Isat ต่ำ
ฟอร์ไรต์ drum 220 µH · 1.0 A	0.33 A	3.16 A	0.32×	3.78	DCR ทำให้ร้อน (ขนาดเล็กเกินกับกระแส 3 A)
ชอกสัญญาณ 100 µH · 0.3 A	0.72 A	3.36 A	0.09×	13.6	เลือกผิดประเภท

ข้อคิด: ตัวเหนี่ยวนำที่ค่า L เท่ากัน พิกัดกระแสต่างกันมาก เพราะขนาดแกนและสายต่างกัน — ดูหน้า ออกแบบและพันตัวเหนี่ยวนำ ว่า L, Isat, DCR มาจากแกนและจำนวนรอบอย่างไร

ตัวเก็บประจุขาออก (ที่ ΔI_L = 0.72 A, ΔV_o ต้อง ≤ 120 mV)

ตัวเลือก (1 ตัว)	C	ESR	ส่วน C (mV)	ส่วน ESR (mV)	รวม (mV)
อลูมิเนียมทั่วไป 100 µF / 35 V	100 µF	0.55 Ω	9.0	396	405
อลูมิเนียมทั่วไป 470 µF / 25 V	470 µF	0.22 Ω	1.9	158	160
Low-ESR 220 µF / 25 V	220 µF	80 mΩ	4.1	57.6	61.7
Low-ESR 470 µF / 25 V	470 µF	45 mΩ	1.9	32.4	34.3
โพลิเมอร์ 100 µF / 25 V	100 µF	20 mΩ	9.0	14.4	23.4
โพลิเมอร์ 330 µF / 16 V	330 µF	15 mΩ	2.7	10.8	13.5
MLCC X7R 22 µF (ค่าจริง ≈ 12 µF)	12 µF	4 mΩ	75	2.9	77.9

สังเกตความแตกต่างของ "ตัวการ" ในริปเปิล: ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ถูกกำหนดโดย ESR (ต้องใช้ตัวที่ ESR ต่ำ) ส่วน MLCC ถูกกำหนดโดย ความจุ (ต้องใช้หลายตัวขนานและระวังค่าลดลงตามแรงดัน)

โปรแกรมโหลด: ทดสอบกี่โอห์มกี่สภาวะ พื้นฐาน

ตาราง "โปรแกรมโหลด" ในแล็บคือสคริปต์ทดสอบ แต่ละแถวคือหนึ่งสภาวะ:

ช่อง	ความหมาย	ตัวอย่าง
นาน (ms)	ระยะเวลาของช่วง ควรยาวพอให้แรงดันนิ่ง (หลายเท่าของ $R\cdot C$ ถ้าเปิดวง; แล็บจะเตือน "ยังไม่นิ่ง")	8 ms
ชนิดโหลด	ตัวต้านทาน (Ω) หรือกระแสคงที่ (A) แบบอีโหลด	4 Ω หรือ 3 A
ค่า	จำนวนโอห์มหรือแอมป์	48 Ω = โหลดเบา 0.25 A
Vin	แรงดันอินพุตของช่วงนี้ ว่าง = ใช้ค่าปกติ ใช้จำลองแรงดันตก/พุ่ง	18 V

ปุ่มชุดสำเร็จรูป: ชุดมาตรฐาน (ครึ่งโหลด → เต็มโหลด → โหลดเบา → Vin ต่ำ → Vin สูง) · โหลดเบา ↔ หนัก (ข้ามระหว่าง DCM กับ CCM) · ทดสอบโอเวอร์โหลด (150 % → 250 % → 500 %) · Vin ตก/ขึ้น (ที่โหลดคงที่) จากนั้นแก้ตัวเลขเองได้ทุกช่อง

วิธีอ่านผลในตาราง "ผลตรวจ" ต่อช่วง: แดง = ไม่ผ่าน (แรงดันตกเกิน 3 %, ชนขีดจำกัดกระแส, L อิ่มตัว, เกินพิกัดไดโอด) เหลือง = เตือน (แรงดันเบี่ยงในโหมด open loop, พีกชั่วขณะเกิน Isat, ยังไม่นิ่ง) นอกจากนี้ยังบอกว่าช่วงนั้นเป็น CCM หรือ DCM (เปอร์เซ็นต์เวลาว่าง) ประสิทธิภาพ และกำลังสูญเสียรวม

แล็บออกแบบและทดสอบ กลาง

เริ่มจากชุดตัวอย่างด้านบน (24 V → 12 V · 3 A) กด "แนะนำชิ้นส่วนให้อัตโนมัติ" เพื่อกลับไปค่าเริ่มต้น เปลี่ยนชิ้นส่วนทีละอย่างแล้วดูตารางตรวจและผลจำลองเปลี่ยนตามทันที

ตัวอย่างวิธีทำ (ตรงกับค่าเริ่มต้นของแล็บ)

ตัวอย่าง D-1

ออกแบบ 18–30 V → 12 V, 3 A, 100 kHz ด้วยมือแล้วเทียบกับแล็บ

D1: $D_{\min} = 12/30 = 0.4$ , $D_{\max} = 12/18 = 0.667$ (ต่ำกว่า $D_{max}$ ของชิป 0.92 ✓)
D2: $\Delta I_L = 0.3\times3 = 0.9$ A → $L \ge \dfrac{12(1-0.4)}{100k\times0.9} = 80\ \mu$ H · D3: ถ้าต้องการ CCM ถึง 0.3 A: $L \ge \dfrac{12(0.6)}{2(100k)(0.3)} = 120\ \mu$ H
เลือกตัวเหนี่ยวนำ 100 µH (E-core ช่องอากาศ 8 A, DCR 20 mΩ): $\Delta I_L = \dfrac{12(0.6)}{100\mu\times100k} = 0.72$ A (24 %) · $I_{pk} = 3 + 0.36 = 3.36$ A · $I_{L,rms} = \sqrt{9 + 0.72^2/12} = 3.01$ A · $I_{sat}/I_{pk} = 8/3.36 = 2.38\times$ ✓ · ขอบ CCM $I_{o,crit} = \Delta I_L/2 = 0.36$ A (สูงกว่า 0.3 A ที่ต้องการ → เตือน DCM ที่โหลดเบา; ใช้ 150 µH จะได้ 0.24 A)
D5: $C \ge \dfrac{0.9}{4(100k)(0.12)} = 18.75\ \mu$ F และ $r_C \le \dfrac{0.12}{2(0.9)} = 66.7$ mΩ → เลือกโพลิเมอร์ 330 µF / 16 V (ESR 15 mΩ): $\Delta V_o \approx \dfrac{0.72}{8(330\mu)(100k)} + 0.72(0.015) = 2.7 + 10.8 = 13.5$ mV ✓ (เป้า 120 mV)
D6: $I_{Cin,rms} \le I_o\sqrt{0.4\times0.6} = 1.47$ A (สูงสุด 1.5 A ที่ D = 0.5) · $C_{in} \ge \dfrac{0.25(3)}{100k(0.02)(18)} = 20.8\ \mu$ F
D7: ไดโอด Schottky 10 A / 45 V: $V_{rrm}/V_{g,max} = 1.5\times$ ✓ · $I_{D,avg} = (1-0.4)(3) = 1.8$ A ✓ · MOSFET 55 V ( $1.83\times$ ), $I_{Q,rms} = \sqrt{0.4}(3.01) = 1.9$ A ✓
D8 ที่ 30 V: $P_{R_{on}} = 0.035(1.9^2) = 0.127$ W · $P_{diode} = 0.35(1.8) + 0.025(2.33^2) = 0.63 + 0.136 = 0.766$ W · $P_{Cu} = 0.02(3.01^2) = 0.181$ W · $P_{sw} = 0.312$ W รวม 1.39 W → $\eta = \dfrac{36}{36 + 1.39} = 96.3\%$ · ที่ 18 V: 97.3 % ตรงกับตารางในแล็บ (97.3 / 96.7 / 96.3 % ที่ 18 / 24 / 30 V)
D9: $I_{lim} = 1.15(3 + 0.36) + 0.6\dfrac{12}{100\mu}\cdot\dfrac{0.667}{100k} = 3.86 + 0.48 = 4.34$ A ซึ่งต่ำกว่า $I_{sat} = 8$ A ✓ — ตรงกับค่า $I_{lim}$ ที่แล็บตั้งให้

ตัวอย่าง D-2

อ่านผลของโปรแกรมโหลดมาตรฐาน (peak current mode)

ช่วง 1–2 (ครึ่งโหลด 1.5 A → เต็มโหลด 3 A): $V_o = 12.00$ V ทุกช่วงด้วยริปเปิล 9.1 mV p-p · iL สูงสุด 3.3 A ที่ 3 A (ตรงกับ $I_{pk}$ ที่ 24 V: $3 + 0.3 = 3.3$ A ✓)
ช่วง 3 (R = 48 Ω, 0.25 A): เข้า DCM ใช้เวลาว่าง 9.4 % (กระแสเฉลี่ย 0.25 A < $I_{o,crit}$ = 0.30 A ที่ 24 V) แรงดันยังคง 12 V เพราะวงป้อนกลับลดดิวตี้เอง (ตามหน้า DCM) ประสิทธิภาพ 96.7 %
ช่วง 4–5 (Vin = 18 V และ 30 V ที่ 3 A): $V_o$ ยังเป็น 12.00 V ริปเปิล 6.0 mV และ 11 mV (ΔiL เปลี่ยนตาม $1-D$ ) ประสิทธิภาพ 97.3 % และ 96.3 %
เปลี่ยนไปใช้ Open loop (D = 0.5134 ที่ Vin 24 V, 3 A): ช่วง 1: 12.07 V · ช่วง 2: 12.00 V · ช่วง 3 (โหลดเบา, DCM): ≈ 12.9 V เมื่อนิ่งจริง (+7 %) — ในช่วงสั้น 8 ms แล็บอ่านได้ 13.1 V และเตือน "ยังไม่นิ่ง" เพราะ $RC = 48\times330\mu = 16$ ms จึงควรยืดช่วงเป็น 60–80 ms · ช่วง 4 (Vin 18 V): 8.96 V (−25 %) · ช่วง 5 (Vin 30 V): 15.05 V (+25 %) — $V_o \propto V_g$ ตาม $G_{vg} = D$ และ DCM ทำให้สูงขึ้น (หน้าฟังก์ชันถ่ายโอน)

ตัวอย่าง D-3

กระแสสูงสุดที่จ่ายได้ (capability)

กดปุ่ม "วัดศักยภาพการจ่ายกระแส" ที่ Vin 24 V แบบ peak current mode: แรงดันเริ่มตกต่ำกว่า 98 % หลังกระแส ≈ 3.5 A (1.17× ของ $I_{o,max}$ )
สาเหตุ: ชนขีดจำกัดกระแส $I_{lim} = 4.34$ A ตรวจด้วย D9: $I_{o,deliver} \approx 4.34 - 0.30 - m_aDT_s$ โดย $m_aDT_s = 0.6\cdot\dfrac{12}{100\mu}\cdot\dfrac{0.5}{100k} = 0.36$ → $4.34 - 0.30 - 0.36 = 3.68$ A สอดคล้องกับที่วัด (ระหว่าง 3.5–3.7 A ตามความละเอียดของจุดวัด)
ถ้าอยากจ่ายได้มากกว่านี้: เพิ่ม $I_{lim}$ (ต้องไม่เกิน $I_{sat}$ = 8 A และไม่เกินพิกัดไดโอด 10 A) หรือเปลี่ยนเป็นตัวเหนี่ยวนำที่ L ใหญ่ขึ้นเพื่อลดริปเปิล

วิธีอ่านกราฟศักยภาพการจ่ายกระแส (load line) พื้นฐาน

ส่วน ⑤ ในแล็บไล่กระแสโหลดตั้งแต่ 4 % ถึง 220 % ของ $I_{o,max}$ แล้ววัดสภาวะคงตัวของแต่ละจุด (ใช้ Vin ตามที่เลือก) กราฟมีสามภาพ:

Vo เทียบ Io: เส้นราบที่ 12 V คือช่วงควบคุมได้ พื้นเขียว/แดงบอกจุดที่แรงดันตกต่ำกว่า 98 % (สาเหตุถูกวิเคราะห์ให้ในกล่องสรุปด้านบนกราฟ)
iL,pk เทียบ Io: เทียบกับเส้น $I_{sat}$ (ตัวเหนี่ยวนำ) และ $I_{lim}$ (ชิป) เห็นว่าใครชนก่อน
ประสิทธิภาพ: โดยรวมสูงสุดที่โหลดปานกลาง ตกที่โหลดเบา (สูญเสียคงที่จากสวิตช์) และตกที่โหลดหนัก (สูญเสีย $I^2R$ ) · เส้นประคือสัดส่วนเวลาว่างของ DCM

Open loop vs peak current mode: open loop ไม่มีการจำกัดกระแส จ่ายได้เกินพิกัดจนส่วนประกอบพังแต่แรงดันตกเล็กน้อยตามความต้านทานแฝง (load regulation) ส่วน peak current mode จำกัดกระแสเด็ดขาด แรงดันจึงตกลงเป็นเส้นตรง (ลักษณะแหล่งจ่ายกระแสคงที่) เมื่อเกินขีดจำกัด — ซึ่งเป็นพฤติกรรมที่ต้องการเมื่อลัดวงจร

ใบงานทดลอง

ใบงาน D1 — ออกแบบตามข้อกำหนด: เริ่มจากชุด 24 V → 12 V · 3 A ตรวจตารางว่าทุกข้อผ่าน บันทึกประสิทธิภาพที่ 3 Vin เทียบตัวอย่าง D-1 แล้วสลับเป็น 12 V → 5 V และ 48 V → 12 V กด "แนะนำชิ้นส่วน" ดูว่าเลือกต่างกันอย่างไร

ใบงาน D2 — เลือกตัวเหนี่ยวนำผิด: เปลี่ยนเป็นชอกสัญญาณ 100 µH 0.3 A ดูทุกข้อที่เปลี่ยนเป็นแดง จากนั้นลอง Molded powder 100 µH 2.9 A (Isat ต่ำกว่าพีก 3.36 A) ว่าผลจำลองต่างจากชอกสัญญาณอย่างไร

ใบงาน D3 — อิ่มตัวฉับพลัน vs นุ่มนวล: ฟอร์ไรต์ drum 47 µH 2.2 A (อิ่มตัวฉับพลัน) กับ Molded powder 47 µH 4 A (นุ่มนวล) ใช้ข้อกำหนด 24 V → 12 V เทียบ iL สูงสุดในตารางและรูปร่างกราฟ iL

ใบงาน D4 — เลือกไดโอด: เปลี่ยนเป็น Schottky 3 A, 10 A/100 V, ultrafast 4 A, 1N4007 บันทึกกำลังสูญเสียของไดโอดและประสิทธิภาพ เทียบตารางในส่วน "เลือกชิ้นส่วน" แล้วลอง synchronous (ประสิทธิภาพควรสูงขึ้น ~1.5 จุด)

ใบงาน D5 — ตัวเก็บประจุ: เปลี่ยนเป็นอลูมิเนียมทั่วไป 470 µF แล้วดูริปเปิลขาออก (≈ 160 mV เกินเป้า) เปลี่ยนเป็น MLCC 22 µF และเพิ่มจำนวนขนานจาก 1 → 4 ดูว่าริปเปิลลดลงเท่าไร (ส่วนความจุลดลงเป็น 1/4)

ใบงาน D6 — โหลดเบา ↔ หนัก: โปรแกรมโหลดเบา ↔ หนัก ที่ peak current mode แล้วเปลี่ยนเป็น open loop เทียบ Vo ทุกช่วง ช่วงโหลดเบาที่ใดเข้า DCM และแรงดัน open loop สูงขึ้นเท่าไร

ใบงาน D7 — โอเวอร์โหลดและลัดวงจร: โปรแกรมโอเวอร์โหลด (150 → 250 → 500 %) ดูว่า Vo เป็นเท่าไรเมื่อเกิน $I_{lim}$ แล้วกดวัดศักยภาพ เปลี่ยน $I_{lim}$ เป็น 3.5, 4.34, 6 A เทียบกับ D9 แล้วดูว่า Isat ชนก่อนหรือไม่

ใบงาน D8 — แรงดันอินพุตตก/พุ่ง: โปรแกรม Vin ตก/ขึ้น (18 → 30 V) เทียบ PCMC กับ open loop · open loop ควรได้ 8.96 V และ 15.05 V ตามตัวอย่าง D-2

ต่อยอดสู่ของจริง

เมื่อค่าจากแล็บผ่านแล้ว: ออกแบบและพันตัวเหนี่ยวนำจริงตามหน้าออกแบบตัวเหนี่ยวนำ → ตรวจเลย์เอาต์และการวัดตามเทคนิคเชิงช่าง → ออกแบบตัวชดเชยด้วย $G_{vd}$ จากหน้าฟังก์ชันถ่ายโอน และตัวชดเชย Type II/III → ทดสอบด้วยแหล่งจ่ายจริงตามแหล่งจ่ายทดสอบ → ถ้ามีอาการเสีย ดูวิเคราะห์อาการเสีย · ซิมูเลเตอร์เต็มที่มีสโคปและฟังก์ชันเจนเนอเรเตอร์อยู่ที่แล็บจำลองคอนเวอร์เตอร์

คำถามที่พบบ่อย

ควรเลือกกระแสอิ่มตัว (Isat) ของตัวเหนี่ยวนำเท่าไร?