A Current-mode Multicarrier Phase Shifted PWM Circuit Using Commercially Available IC

Abstract

This thesis has synthesized and designed a multi phase-shifted pulse width modulation circuit in the current mode that can be electronically controlled. Its purpose is to develop pulse width modulation and optimize the output signal. It can provide an output signal that is closer to a sinusoidal waveform. Nowadays, commercial IC devices are widely synthesized and designed into various types of analog circuits instead of electronic building block devices because commercial ICs are cheap, thus reducing the cost of synthesizing and designing the required circuits.

The pulse width modulation circuit consists of two main circuits: a four-phase current-mode triangular signal generator and a current-mode comparator. The circuit analysis presented is divided into two cases, the ideal case and the non-ideal case. There are two methods of testing the performance of the pulse width modulation circuit: simulation in PSpice and practical testing. It is designed to use four triangular wave carrier signals with the amplitude of 100µApeak at 1kHz and 90 degrees phase-difference, modulated to a reference signal of a sinusoidal waveform of 62.5µApeak at 50kHz, where the amplitude and frequency modulation are 0.625 and 20, respectively.

The results of the synthesized pulse width modulation circuit's performance testing by both methods, it is found that they were consistent and in accordance with the theory analyzed. The current-mode four-phase triangular wave generator circuit can generate a triangular carrier signal according to the intended objectives, with the amplitude, the frequency, and the phase difference of the triangular carrier signal in the simulation results deviating from the theoretical maximum of 6%, 7.43% and 1.02%, respectively. In practice, the amplitude, the frequency and the phase difference of the triangular carrier signal have the maximum errors of 5.35%, 5.53%, and 8.22%, respectively. Pulse width modulation uses the principle of comparison between a triangular carrier signal and a sinusoidal reference signal by a current-mode comparator, which can generate four PWM signals. The amplitude of the PWM signal in simulation has a maximum theoretical deviation of 0.84%. The error has a maximum error of 14.5%. The duty cycle of the PWM signal in the simulation results and the practical results are consistent with the calculated theory. Combining the four PWM signals, the PS-PWM signal can be generated, which is the output signal of the proposed pulse width modulation circuit, in accordance with the theory predicted. The amplitude of the output signal can be electrically controlled and linearly. In simulation results, it can be adjusted up to 8mApeak and the theoretical maximum error is 0.84%. In practice results, it can be adjusted up to 7.6mApeak and the theoretical maximum deviation is 4.06%. Moreover, the outside temperature does not affect the change in the output amplitude, which is confirmed by the simulation results.

วิทยานิพนธ์ฉบับนี้ได้สังเคราะห์และออกแบบวงจรมอดูเลตความกว้างพัลส์ชนิดเลื่อนเฟสหลายสัญญาณพาห์ในโหมดกระแสที่สามารถควบคุมได้ด้วยวิธีทางอิเล็กทรอนิกส์ มีจุดประสงค์เพื่อพัฒนาการมอดูเลตความกว้างพัลส์และเพิ่มประสิทธิภาพของสัญญาณเอาต์พุต โดยสามารถให้สัญญาณเอาต์พุตที่มีลักษณะใกล้เคียงสัญญาณรูปคลื่นไซน์มากยิ่งขึ้น ในปัจจุบันอุปกรณ์ไอซีเชิงพาณิชย์ถูกนำมาสังเคราะห์และออกแบบเป็นวงจรแอนะล็อกประเภทต่าง ๆ แทนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำเร็จรูปกันอย่างแพร่หลาย เนื่องจากไอซีเชิงพาณิชย์มีราคาถูก จึงสามารถลดต้นทุนในการสร้างวงจรที่ต้องการได้

วงจรมอดูเลตความกว้างพัลส์ที่สังเคราะห์ประกอบไปด้วยวงจรหลัก 2 วงจร คือ วงจรกำเนิดสัญญาณสามเหลี่ยม 4 เฟสโหมดกระแสและวงจรเปรียบเทียบสัญญาณโหมดกระแส การวิเคราะห์วงจรที่นำเสนอแบ่งออกเป็น 2 กรณี ได้แก่ กรณีอุดมคติและกรณีไม่เป็นอุดมคติ การทดสอบสมรรถนะของวงจรมอดูเลตความกว้างพัลส์แบ่งออกเป็น 2 วิธี ได้แก่ การจำลองผ่านโปรแกรม PSpice และการทดสอบในทางปฏิบัติ ซึ่งออกแบบให้ใช้สัญญาณพาห์รูปคลื่นสามเหลี่ยม 4 สัญญาณที่มีขนาดเท่ากับ 100µApeak ความถี่ 1kHz และมีความต่างเฟส 90 องศา มอดูเลตกับสัญญาณอ้างอิงรูปคลื่นไซน์ที่มีขนาดเท่ากับ 62.5µApeak ที่ความถี่ 50kHz ซึ่งทำให้มีอัตรามอดูเลตด้านขนาดและอัตรามอดูเลตด้านความถี่เท่ากับ 0.625 และ 20 ตามลำดับ

ผลการทดสอบสมรรถนะของวงจรมอดูเลตความกว้างพัลส์ที่สังเคราะห์ทั้ง 2 วิธีพบว่ามีความสอดคล้องกันและเป็นไปตามทฤษฎีที่ได้วิเคราะห์ไว้ ซึ่งวงจรกำเนิดสัญญาณสามเหลี่ยม 4 เฟสโหมดกระแสสามารถสร้างสัญญาณพาห์รูปคลื่นสามเหลี่ยมได้ตรงตามเป้าหมายที่ได้ออกแบบไว้ โดยขนาด ความถี่ และความต่างเฟสของสัญญาณพาห์รูปคลื่นสามเหลี่ยมในผลการจำลองคลาดเคลื่อนไปจากทฤษฎีสูงสุด 6%, 7.43% และ 1.02% ตามลำดับ ส่วนในทางปฏิบัติขนาด ความถี่ และความต่างเฟสของสัญญาณพาห์รูปคลื่นสามเหลี่ยมมีความผิดพลาดสูงสุด 5.35%, 5.53% และ 8.22% ตามลำดับ การมอดูเลตความกว้างพัลส์ใช้หลักการการเปรียบเทียบระหว่างสัญญาณพาห์รูปคลื่นสามเหลี่ยมกับสัญญาณอ้างอิงรูปคลื่นไซน์โดยผ่านวงจรเปรียบเทียบสัญญาณโหมดกระแส ซึ่งสามารถสร้างสัญญาณ PWM ได้ทั้งหมด 4 สัญญาณ ขนาดของสัญญาณ PWM ในการจำลองมีค่าเบี่ยงเบนจากทฤษฎีสูงสุด 0.84% ส่วนในทางปฎิบัติมีค่าผิดพลาดสูงสุด 14.5% ค่าดิวตี้ไซเคิลของสัญญาณ PWM ในผลการจำลองและผลทางปฏิบัติสอดคล้องกับทฤษฎีที่ได้คำนวณไว้เป็นอย่างดี เมื่อรวมสัญญาณ PWM ทั้ง 4 สัญญาณสามารถสร้างสัญญาณ PS-PWM ซึ่งเป็นสัญญาณเอาต์พุตของวงจรมอดูเลตความกว้างพัลส์ที่สังเคราะห์และให้ผลลัพธ์ตรงตามทฤษฎีที่ได้คาดการณ์ไว้ ขนาดของสัญญาณเอาต์พุตสามารถควบคุมได้อย่างเป็นเชิงเส้นด้วยวิธีทางอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งในผลการจำลองสามารถปรับขนาดได้สูงสุดถึง 8mApeak และมีความผิดพลาดไปจากทฤษฎีสูงสุดเพียง 0.84% ส่วนในทางปฏิบัติสามารถปรับขนาดได้สูงสุดถึง 7.6mApeak และมีค่าเบี่ยงเบนไปจากทฤษฎีสูงสุด 4.06% ยิ่งไปกว่านั้น อุณหภูมิภายนอกไม่ส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงขนาดของสัญญาณเอาต์พุต ซึ่งยืนยันด้วยผลการจำลอง