จาก RCD Snubber สู่ HF300: แนวทางใหม่ในการจัดการ Leakage Energy ใน Flyback Converter

Flyback Converter เป็นหนึ่งใน Topology ของวงจร Switching Power Supply ที่ได้รับความนิยมสำหรับ Low-Power Isolated Power Supply จุดเด่นของ Flyback Converter คือความสามารถในการแบ่ง Buck-Boost Inductance ออกเป็นสองส่วนคือ Primary และ Secondary ของ Transformer ทำให้สามารถกำหนด Voltage Ratio และ Current Ratio ได้อย่างยืดหยุ่น พร้อมทั้งมีข้อดีเพิ่มเติมด้าน Isolation

ด้วยข้อดีดังกล่าว Flyback Converter จึงใช้ชิ้นส่วนไม่มาก ออกแบบได้ง่าย และยังคงให้ประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ตลอดช่วงการทำงาน

อย่างไรก็ตาม การออกแบบ Flyback Converter ยังคงต้องเผชิญกับปัญหาแรงดันกระชาก (Voltage Spike) ที่เกิดจากพลังงานซึ่งสะสมอยู่ในค่า Leakage Inductance ของหม้อแปลง หากแรงดันกระชากมีค่าสูงเกินพิกัดของสวิตช์กำลัง ก็อาจทำให้อุปกรณ์เกิดความเสียหายได้

นอกจากนี้ แรงดันกระชากยังเป็นต้นเหตุของสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Interference: EMI) เนื่องจากก่อให้เกิดฮาร์มอนิกความถี่สูง ซึ่งส่งผลกระทบต่อทั้งประสิทธิภาพของระบบและการผ่านมาตรฐานด้าน EMC

วงจร Snubber แบบ Resistor-Capacitor-Diode (RCD)

แนวทางที่นิยมใช้มาอย่างยาวนานคือการเพิ่ม วงจร RCD Snubber (Resistor-Capacitor-Diode) เพื่อดูดซับพลังงานจาก Leakage Inductance ของหม้อแปลง ซึ่งช่วยลดแรงดันกระชากที่เกิดขึ้นกับสวิตช์กำลัง โดยรูปที่ 1 แสดงวงจร Flyback Converter แบบทั่วไปที่ใช้ RCD Snubber

อย่างไรก็ตาม RCD Snubber มีข้อจำกัดหลายประการ ทั้งด้านประสิทธิภาพและการจัดการความร้อน เนื่องจาก Magnetizing Energy และ Leakage Energy ถูกสูญเสียไปในวงจร Snubber ส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมลดลงและเกิดความร้อนสะสม

นอกจากนี้ เมื่อกำลังไฟของระบบเพิ่มสูงขึ้น ปัญหา Reverse Recovery ของไดโอดในวงจร RCD Snubber จะยิ่งจัดการได้ยาก ส่งผลให้ประสิทธิภาพในการลดแรงดันกระชากลดลง และในบางกรณีอาจทำให้การออสซิลเลชัน (Oscillation) ภายในวงจรคอนเวอร์เตอร์(converters) รุนแรงมากขึ้น

ด้วยเหตุนี้ จึงมีความจำเป็นต้องใช้แนวทางที่มีประสิทธิภาพมากกว่าในการลดแรงดันกระชาก เพื่อให้การออกแบบ Flyback Converter มีความน่าเชื่อถือสูงขึ้น ลดปัญหาสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และเพิ่มประสิทธิภาพของระบบโดยรวม

Active-Clamp Flyback (ACF)

ในทางทฤษฎี วิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดคือการกักเก็บพลังงานทั้งหมดที่เกิดจาก Leakage Energy แล้วส่งพลังงานดังกล่าวกลับเข้าสู่ระบบโดยไม่เกิดการสูญเสีย

แนวคิดนี้สามารถนำไปใช้ได้ด้วย วงจร Active-Clamp Flyback (ACF) ซึ่งเพิ่มสวิตช์แอ็กทีฟสำหรับวงจรแคลมป์ (QC) เข้ามาแทนไดโอดที่ใช้ในวงจร RCD Snubber ดังแสดงใน รูปที่ 2

เมื่อควบคุมจังหวะการเปิด-ปิดของสวิตช์ QC ได้อย่างเหมาะสม ตัวเก็บประจุในวงจร Snubber จะเกิดการออสซิลเลชัน(oscillation) ร่วมกับความเหนี่ยวนำของหม้อแปลงอย่างเหมาะสม จึงสามารถกำจัดแรงดันกระชากได้ อีกทั้งพลังงานจากค่าความเหนี่ยวนำรั่วยังถูกส่งกลับไปยังเอาต์พุตผ่านการออสซิลเลชันดังกล่าว

ข้อจำกัดของวงจร Active-Clamp Flyback (ACF)

แม้ว่า Active-Clamp Flyback (ACF) จะมีข้อดีหลายประการ และปัจจุบันมีโซลูชัน ACF ให้เลือกใช้งานในตลาดจำนวนมาก แต่ก็ยังไม่สามารถเข้ามาแทนที่ Flyback Converter แบบดั้งเดิมได้อย่างแพร่หลาย โดยเฉพาะในงานแหล่งจ่ายไฟ AC/DC แรงดันสูง เนื่องจากมีข้อจำกัดสำคัญ 3 ประการ ได้แก่

• ต้นทุนของอุปกรณ์สวิตช์กำลังสูงขึ้น
  วงจร ACF ต้องเพิ่มสวิตช์แคลมป์ (QC) อีกหนึ่งตัว โดยสวิตช์ตัวนี้ต้องรองรับแรงดันและมีค่า On-Resistance ใกล้เคียงกับสวิตช์หลัก (QP) หรือในบางกรณีอาจต้องใช้สเปกสูงกว่า เนื่องจากพลังงานจะไหลผ่าน QC ตลอดการทำงาน ส่งผลให้ต้นทุนของอุปกรณ์สวิตช์กำลังเพิ่มขึ้นเกือบสองเท่าเมื่อเทียบกับ Flyback Converter แบบเดิม
  
• ต้นทุนของคอนโทรลเลอร์ ACF สูงขึ้น
  คอนโทรลเลอร์ ACF มีราคาสูงกว่าคอนโทรลเลอร์สำหรับ Flyback อย่างมาก เนื่องจากต้องเพิ่มวงจรขับสวิตช์แบบ High-Side (High-Side Driver) ใช้รูปแบบการควบคุมที่ซับซ้อนกว่า และใช้แพ็กเกจ IC ที่มีขนาดใหญ่กว่าต้นทุนและความเสี่ยงในการออกแบบสูง
  
• การนำวงจร ACF มาใช้งานจำเป็นต้องปรับเปลี่ยนการออกแบบในแทบทุกด้าน ทั้งระบบควบคุม ฮาร์ดแวร์ และลอจิกสำหรับการดีบัก (Debugging Logic) ด้วยต้นทุนและความเสี่ยงในการออกแบบที่สูง ทำให้นักออกแบบผลิตภัณฑ์มีเพียงไม่กี่รายที่เลือกเปลี่ยนจาก Flyback มาใช้ ACF

แนะนำโซลูชัน Clamping Controller ด้วย HF300

เพื่อแก้ปัญหาแรงดันกระชากในวงจร Flyback Converter โดยมีต้นทุนและการเปลี่ยนแปลงการออกแบบให้น้อยที่สุด MPS จึงนำเสนอโซลูชัน Clamping Controller ในตระกูล HF300

ดังแสดงในรูปที่ 3 HF300 สามารถขับสวิตช์แคลมป์ MOSFET (Q’C) ได้โดยอิสระ ผ่านการตรวจจับกระแสที่ไหลผ่าน Q’C โดยไม่จำเป็นต้องสื่อสารกับคอนโทรลเลอร์ Flyback ฝั่ง Primary

HF300 เป็น Flyback Controller IC แบบ 6-Pin ที่อยู่ใน Package แบบ SOT23 ขนาดเล็กพิเศษ โดยมีขนาดตัวเพียง 1.6mm × 2.9mm เท่านั้น MOSFET เพิ่มเติม (Q’C) ที่จำเป็นสำหรับ HF300 ก็มีขนาดเล็กเช่นกัน เนื่องจากมีเพียง Leakage Energy ปริมาณเล็กน้อยไหลผ่าน Q’C เท่านั้น โดยรวมแล้ว HF300 มีข้อได้เปรียบที่สำคัญเมื่อเทียบกับ ACF Solution ได้แก่ ต้นทุนที่ต่ำกว่า ใช้พื้นที่ติดตั้งน้อยกว่า และมีการเปลี่ยนแปลงด้านการออกแบบเพียงเล็กน้อย

รูปที่ 4 แสดงหลักการทำงานพื้นฐานของ HF300 เมื่อ Primary Switch ของ Flyback หยุดนำกระแส Inductance Current จะไหลผ่าน Diode ของ Q’C โดย HF300 จะตรวจวัดกระแสผ่านขา CS และเมื่อแรงดันที่ขา CS (VCS) ลดลงต่ำกว่า Turn-On Gate Threshold (VCS_ON) HF300 จะสั่งให้ Q’C ทำงาน

ด้วยวิธีนี้ Leakage Inductance Energy ทั้งหมดจะถูกส่งเข้าสู่ Clamping Capacitor ทำให้แรงดันที่ตกคร่อมระหว่างขา Drain และ Source (VDS) ของ Primary Switch ถูกจำกัดไม่ให้สูงเกินค่า VIN + Clamping Voltage (VC)

ในช่วงที่ Q’C อยู่ในสถานะ Turn-On ค่า Leakage Inductor และ Clamping Capacitor จะเกิดการออสซิลเลชัน (oscillation) ร่วมกัน โดย HF300 จะตรวจสอบกระแสที่เกิดจากการออสซิลเลชันผ่าน CS อย่างต่อเนื่อง

เมื่อแรงดัน VCS ลดลงต่ำกว่าค่า Zero-Current Detection (ZCD) Threshold (VCS_ZCD) HF300 จะสั่งให้ Q’C หยุดนำกระแส

หมายความว่า หากช่วงเวลาในการเกิด Resonant มีค่าน้อยกว่า 4/3 ของช่วงเวลาปิดขั้นต่ำ (Minimum Off Time) ของ QP จะช่วยให้ QP และ Q’C ทำงานร่วมกันได้อย่างปลอดภัย โดยไม่เกิด Shoot-Through

ค่าช่วงเวลาในการเกิด Resonant ที่เหมาะสมสามารถกำหนดได้ง่ายด้วยการออกแบบค่า Clamping Capacitance ให้เหมาะสมกับ Leakage Inductance

รูปที่ 5 แสดงผลการทดลองจาก Flyback Power Supply แบบ AC/DC ขนาด 65W โดยเปรียบเทียบผลกระทบของ RCD Snubber และ HF300 ต่อ Voltage Spike

เมื่อใช้ RCD Snubber พบ Voltage Spike อยู่ที่ 115V ขณะที่การใช้ HF300 สามารถลด Spike Voltage ลงเหลือ 46V

ผลการทดลองเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความสามารถของ HF300 ในการลด Voltage Stress ที่เกิดขึ้นใน Flyback Converter ขณะเดียวกัน ค่า Peak Voltage ที่ต่ำลง รวมถึงความถี่การออสซิลเลชันที่ลดลง ยังช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพด้าน EMI ของระบบโดยรวม

รูปที่ 7 แสดงผลการทดสอบ EMI ของ HF300 ที่ดีขึ้นอย่างชัดเจนเมื่อเทียบกับผลการทดสอบของ RCD Snubber โดยเฉพาะในช่วงความถี่ 1 MHz ถึง 30 MHz

สรุปบทความ

Flyback Converter เป็นวงจรแหล่งจ่ายไฟแบบ Switching ที่ได้รับความนิยมในงาน Low-Power Isolated Power Supply เนื่องจากมีโครงสร้างไม่ซับซ้อน ใช้ Components จำนวนน้อย และสามารถให้ Isolation ระหว่างด้าน Input และ Output ได้ อย่างไรก็ตาม ปัญหาสำคัญของ Flyback Converter คือ Voltage Spike ที่เกิดจาก Leakage Inductance Energy ของ Transformer ซึ่งส่งผลต่อความเสียหายของ Power Switch รวมถึงการเกิดปัญหา EMI

แนวทางดั้งเดิมในการแก้ปัญหานี้คือการใช้ RCD Snubber เพื่อดูดซับพลังงานและลด Voltage Spike แต่ข้อจำกัดของวิธีนี้คือมีการสูญเสียพลังงานใน Snubber ทำให้ประสิทธิภาพลดลงและเกิดความร้อนสะสม ขณะที่ Active-Clamp Flyback (ACF) สามารถนำ Leakage Energy กลับมาใช้ใหม่ได้ แต่มีข้อจำกัดด้านต้นทุนที่สูงขึ้น ทั้งจาก Additional MOSFET, ACF Controller และการปรับเปลี่ยนการออกแบบระบบ

บทความนี้นำเสนอ HF300 Clamping Controller จาก MPS ซึ่งเป็นอีกทางเลือกในการลด Voltage Spike สำหรับ Flyback Converter โดย HF300 สามารถควบคุม Clamping MOSFET เพิ่มเติมเพื่อจัดการ Leakage Energy โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนโครงสร้าง Flyback Converter เดิมมากนัก

ด้วยขนาด IC ที่เล็ก ต้นทุนที่ต่ำกว่า ACF และการปรับเปลี่ยนการออกแบบเพียงเล็กน้อย HF300 สามารถช่วยลด Voltage Spike เพิ่มประสิทธิภาพด้าน EMI และเพิ่ม Efficiency ของระบบ เมื่อเทียบกับ RCD Snubber แบบเดิม จึงเป็นโซลูชันที่เหมาะสำหรับการพัฒนา Flyback Power Supply ที่ต้องการความน่าเชื่อถือ ประสิทธิภาพ และต้นทุนที่เหมาะสม

Evo-board : The EVHF300-J-00A (demo of HF300)
explore MPS’s solutions : Flyback Controller | Secondary Side Regulation | MPS | Monolithic Power Systems

Source : A Simple, Effective Way to Suppress Voltage Spikes in Flyback Converters – Industry Articles

Translated and edited by Bunpajarn
Switching | SMPS | Flyback converter |