เทคนิคการตรวจจับกระแส ในวงจร ดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์

.

เทคนิคการตรวจจับกระแส ในวงจร ดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์

กองบรรณาธิการ

Nattapon@se-ed.com   

         

 

  มาเพิ่มประสิทธิภาพให้กับวงจร ดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์  กับการตรวจจับกระแสด้วยเทคนิคต่างๆ ในบทความนี้กันครับ.       

 

การตรวจจับกระแส ในวงจรคอนเวอร์เตอร์อิเล็กทรอนิกส์ เป็นสิ่งจำเป็นมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งในวงจรขับกำลังในปริมาณกระแสสูงๆ ทั้งนี้เพื่อต้องการป้องกันกระแสเกิน (Over-Current Protection) ให้กับวงจรขับกำลังและวงจรภายในต่างๆ เช่น เพาเวอร์ออดิโอแอมป์ปริไฟร์, วงจรดีซีทูดีซีคอนเวอร์เตอร์  และวงจรอินเวอร์เตอร์  เป็นต้น  สำหรับเป็นลักษณะการควบคุมของตัวคอนเวอร์เตอร์รวมทั้งการปรับชดเชยให้กับการทำงาน  ต้องการปรับเปลี่ยนโหมด (Mode Hopping) การทำงานให้วงจรมีประสิทธิภาพสูงขึ้นเมื่อโหลดมีค่าเปลี่ยนแปลง  ต้องการแชร์กระแสในวงจรที่ต้องการต่อคอนเวอร์เตอร์ขนานกันหรือการใช้คอนเวอร์เตอร์แบบหลายเฟส (Parallel/Multi-Phase Converters) ในวงจรคอนเวอร์เตอร์แบบหลายเอาต์พุตแต่ใช้ตัวเหนี่ยวนำเพียงตัวเดียว (Single-Inductor Multiple-Output converters : SIMO)

เทคนิคการตรวจจับกระแส ในวงจรดีซี ทู ดีซี  คอนเวอร์เตอร์  ในบทความนี้ต้องการนำเสนอวิธีการต่างๆ  เพื่อให้เราเลือกวิธีการนำไปใช้ได้อย่างเหมาะสม  โดยจะแบ่งออกเป็นการตรวจจับกระแสแบบเกิดการสูญเสียพลังงานและการตรวจจับกระแสแบบเกิดการสูญเสียพลังงานน้อยมาก (Lossless) และการตรวจจับกระแสแบบไม่เกิดการสูญเสียพลังงานจะมีหลายวิธี   ซึ่งไอซีควบคุมดีซี ทู ดีซี  คอนเวอร์เตอร์รุ่นใหม่ๆ  ก็จะออกแบบให้ใชักับการตรวจจับกระแสลักษณะนี้กันมากขึ้น

1. การตรวจจับกระแส แบบใช้ตัวต้านทานต่ออนุกรม (Series Sense Resistor)

การตรวจจับกระแสแบบนี้จะเป็นลักษณะทั่วไปที่นิยมใช้  โดยลักษณะการต่อตัวต้านทานนั้นจะต่อแบบอนุกรมระหว่างตัวเหนี่ยวนำดังในรูปที่ 1 โดยตัวต้านทาน (Rsense) ที่นำมาต่อนั้นเราจะรู้ค่าแน่นอน  นั้นหมายความว่ากระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำจะมีค่าเดียวกันกับที่ไหลผ่านตัวต่านทานนี้ ตามกฏของโอห์มซึ่งจะอยู่ในรูปของแรงดันที่ตกคร่อมตัวต้านทาน (Vsense) 

รูปที่ 1 การตรวจจับกระแส แบบใช้ตัวต้านทานต่ออนุกรม

วิธีการตรวจจับกระแสแบบนี้จะทำให้เกิดพลังงานสูญเสียขึ้น  และมีผลต่อประสิทธิภาพการทำงานลดลง  โดยทั่วไปการเลือกใช้ตัวต้านทานจะคำนวณให้เกิดแรงดันตกคร่อมตัวเองที่ 100mV เมื่อมีกระแสไหลผ่านไปยังโหลดแล้ว 100 เปอร์เซ็นต์  เพื่อให้เป็นการง่ายต่อการเข้าใจสำหรับออกแบบ  อย่างเช่น  เมื่อเราให้กระแสให้ผ่านตัวต้านทานนี้ 1 แอมป์นั้นก็หมายความว่าเกิดพลังงานสูญเสียขึ้น 0.1 วัตต์ที่ตัวต้านทานนี้  และถ้าเกิดแรงดันตกคร่อมขึ้นเท่ากับ 3.3V ก็จะทำให้เกิดพลังงานสูญเสียขึ้น 3.3 วัตต์  นั้นหมายความว่าเกิดพลังงานสูญเสียกับระบบเพิ่มขึ้นเป็น 3.3 เปอร์เซนต์นั้นเอง  ในวงจรที่ออกแบบให้แรงดันเอาต์พุตมีค่าต่ำๆ  ก็จะทำให้ปริมาณพลังงานสูญเสียก็จะมีค่าสูงขึ้นด้วย

2. การตรวจจับกระแส แบบอาศัยค่าความต้านทานภายในเพาเวอร์มอสเฟต (Rds Sensing)

การตรวจจับกระแสแบบนี้จะใช้ค่าความต้านทานภายในตัวเพาเวอร์มอสเฟต (Rds) ที่เราเลือกใช้  โดยเมื่อเพาเวอร์มอสเฟตอยู่ในสภาวะนำกระแส นั้นหมายความว่ากระแสที่ไหลผ่านระหว่างขา D และขา S คูณด้วยค่าความต้านทาน (Rds) ก็จะเกิดแรงดันตกคร่อมขึ้น  ซึ่งค่าภายในตัวเพาเวอร์มอสเฟตนั้นจะเกิดขึ้นดังสมการที่ (1)

                          RDS = L/(WmCOX(VGS– VT))                        ………………….  (1) 

            เมื่อ         L   คือ  พื้นที่ด้านความยาวของเกต (gate length)

                           W  คือ  พื้นที่ด้านความกว้างของเกต (gate width)

                          m  คือ  ความสามารถในการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน (mobility)

                        COX คือ  อ๊อกไซค์คาปาซิแตนซ์ (oxide capacitance)

                              VT   คือ  ค่าแรงดันแทรดโฮล (Threshold voltage)                       

 

รูปที่ 2 การตรวจจับกระแส แบบอาศัยค่าความต้านทานภายในเพาเวอร์มอสเฟต 

ลักษณะการตรวจจับกระแสแบบนี้จะให้ความถูกต้องของการวัดไม่สูงนัก  ทั้งนี้เพราะค่า RDS จะไม่เป็นเชิงเส้นซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของตัวมอสเฟต  ดังนั้นการเลือกใช้มอสเฟตสิ่งสำคัญที่ของตัวแปร  ที่ไม่ได้กล่าวถึงที่เกิดขึ้นกับ mCOX  และ VT  คืออุณหภูมิที่เกิดขึ้น  ทั้งนี้ค่า RDS จะเปลี่ยนแปลงกับอุณหภูมิในลักษณะเอ็กโปแนนเชียล  และถึงแม้วิธีการนี้จะให้ความถูกต้องในการตรวจจับกระแสไม่สูง  แต่ก็เป็นวิธีที่นิยมในทางการค้าในด้านต้นทุนที่ต้องการประสิทธิภาพสูงขึ้น  (ทั้งนี้โดยไม่ต้องใช้ตัวต้านทานและไม่เพิ่มการสูญเสียพลังงาน)

 3. การตรวจจับกระแส ด้วยการกรองสัญญาณที่เกิดขึ้นบนตัวเหนี่ยวนำ (Filter-Sense the Inductor)

การตรวจจับกระแสแบบวิธีนี้  จะใช้ลักษณะของวงจรกรองสัญญาณความถี่ต่ำ (Low-Pass RC) เข้ามาช่วยในการตรวจจับกระแส  โดยการอาศัยแรงดันตกคร่อมที่ตัวเหนี่ยวนำ  ที่เกิดจากค่าความต้านทานภายในตัวเหนี่ยวนำแฝงเสมือน (Equivalent series resistance: ESR) ลักษณะการตรวจจับกระแสแบบวิธีนี้แสดงดังรูปที่ 3

รูปที่ 3 การตรวจจับกระแส ด้วยการกรองสัญญาณที่เกิดขึ้นบนตัวเหนี่ยวนำ 

แรงดันที่ตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำในรูปที่ 3 เขียนเป็นสมการคือ 

          VL= (RL+sL)IL                                     …………………….  (2) 

เมื่อ     L    คือ  ค่าความเหนี่ยวนำ

           RL  คือ  ค่าความต้านทานแฝงเสมือนของตัวเหนี่ยวนำ                

            แรงดันตกคร่อมตัวเก็บประจุ (VC) ในรูปที่ 3 และในสมการที่ 4 จะหมายถึง (Cf)             

                                   VC =  VL/ (1+sRf Cf) = ((RL+sL)IL)/(1+sRf Cf)

                                         =  RL(1+s(L/RL))IL / (1+sRfCf)

                                         =  RL(1+sT)IL/(1+sT1)                                          …………………..  (3)  

 

เมื่อ   T = L/RL  และ T1 = RfCf โดยกำหนดให้  T = T1  และให้  VC = RL iL ซึ่งหมายความว่า  Vc

จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับ iL  และการใช้วิธีเทคนิคการตรวจจับกระแสแบบนี้  เราควรจะรู้ค่าความเหนี่ยวนำ (L) และค่าความต้านทานภายในตัวเหนี่ยวนำแฝงเสมือน (RL) รวมทั้งการเลือกใช้ค่าความต้านทาน (R) และค่าความจุ (C) ตามที่ได้คำนวณไว้  ซึ่งโดยทั่วไปวิธีการนี้จะไม่เหมือนกับการใช้วงจรอินทีเกรต  เนื่องจากการใช้อุปกรณ์ในวิธีการนี้จะเป็นเพียงตัวต้านทานและตัวเก็บประจุเท่านั้น  อย่างไรก็ตามความในการออกแบบนั้นขึ้นอยู่กับ  อุปกรณ์ในแต่ละตัวที่จะต้องปรับให้เหมาะกับการแก้ปัญหาที่เกิดขึ้นนั้นๆ  โดยจะแปรตามขนาดของค่าความเหนี่ยวนำที่เลือกใช้

 4. การตรวจจับกระแส ด้วยการตรวจจับแรงดันตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำ (Sensorless Observer Approach)

การตรวจจับกระแสด้วยแบบนี้จะคล้ายกับแบบที่กล่าวมาแล้วในข้อที่ 3 เป็นลักษณะของการวัดค่าแรงดันตกคร่อมบนตัวเหนี่ยวนำ  โดยวิธีการนี้เป็นวิธีการพื้นฐานของ นั่นคือแรงดันตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำ  จะเกิดขึ้นจากกระแส  VL = Ldi/dt  และกระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำนี้  สามารถคำนวณได้จากการอินทิเกรตให้อยู่ในรูปของแรงดันบนช่วงเวลาที่เกิดขึ้น  ดังนั้นการตรวจจับกระแสด้วยแบบนี้เราควรรู้ค่าของตัวเหนี่ยวนำที่ใช้ด้วย  ลักษณะการตรวจจับแรงดันตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำแสดงดังรูปที่ 4

รูปที่ 4 การตรวจจับกระแสด้วยการตรวจจับแรงดันตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำ

 5. การตรวจจับกระแส ด้วยการใช้ค่าเฉลี่ยกระแส (Average Current)

การตรวจจับกระแส ด้วยการใช้ค่าเฉลี่ยกระแสนี้  จะใช้ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุต่อในลักษณะวงจรกรองสัญญาณความถี่ต่ำผ่าน (Low-pass filter) ด้วยการต่อระหว่างตำแหน่งสวิตช์ (หมายถึง เพาเวอร์มอสเฟต หรือทรานซิสเตอร์ ) ของคอนเวอร์เตอร์  ดังแสดงในรูป 5  ซึ่งจากในรูปนั้นค่าเฉลี่ยกระแสจะไหลผ่านตัวต้านทาน R จะไม่มี  แต่ค่าเฉลี่ยกระแสจะเกิดขึ้นจากสูตร 

IO = `IL = (VOUT –`VC)/RL                                           ………………… (4) 

เมื่อ `VC  ค่าแรงดันเฉลี่ยที่เกิดกับตัวเก็บประจุ  จากสมการที่ 5 หมายความว่า  กระแสที่เอาต์พุตจะเกิดขึ้นจากผลต่างของแรงดันทางด้านเอาต์พุต (VOUT) กับแรงดันที่ตัวเก็บประจุ (Vc) หารด้วยค่าความต้านทานภายในตัวเหนี่ยวนำแฝงเสมือน (RL) นั้นหมายความว่า ตัวควบคุมที่เราเลือกใช้จะต้องประมวลผลที่เกิดขึ้นจากค่าแรงดันจากทั้งสองแหล่งนี้เพิ่มขึ้น 

รูปที่ 5 การตรวจจับกระแสด้วยการใช้ค่าเฉลี่ยกระแส           

เทคนิคการตรวจจับกระแสด้วยวิธีการนี้นั้นถ้าเรารู้ค่า RL ก็ไม่จะเป็นปัญหาในการออกแบบไอซีควบคุม และเป็นวิธีการที่ขึ้นอยู่กับค่า RL เพียงอย่างเดียว  โดยไม่ขึ้นอยู่กับในตัวค่าความต้านทานภายในของ  เพาเวอร์สวิตช์  หรือปริมาณของค่าความต้านทาน (R) และตัวเก็บประจุ (C) มากนัก  การตรวจจับกระแสด้วยวิธีการนี้จะถูกใช้ในกลุ่มของ การแชร์กระแสให้กับโหลด (Load Sharing) ในดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์ แบบหลายเฟส ซึ่งต่างเฟสกัน (Multiphase DC-DC converters)         

 6. การใช้หม้อแปลงตรวจจับกระแส (Current Transformers)

ลักษณะของการตรวจจับกระแสด้วยการใช้หม้อแปลงตรวจจับหรือเรียกว่า (CT) ส่วนใหญ่จะพบเห็นในระบบที่ต้องการพลังงานสูงมากๆ    โดยอาศัยหลักการเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในรูปสนามแม่เหล็กไฟฟ้า  บนตัวนำในรูปแบบคุณสมบัติเดียวกันกับหม้อแปลงไฟฟ้า

ข้อด้อยของวิธีการนี้จะทำให้ต้นทุนและขนาดของวงจรเพิ่มขึ้น  นอกจากนี้ไม่สามารถตรวจจับกระแสไฟฟ้าที่เป็นกระแสตรง (DC Current) ได้  และไม่แนะนำให้ใช้หม้อแปลงตรวจจับกระแสนี้ในการออกแบบในส่วนของวงจรป้องกันกระแสเกิน  ลักษณะของหม้อแปลงตรวจจับกระแสแสดงดังรูปที่ 6           

                รูปที่  6  ลักษณะและการใช้หม้อแปลงตรวจจับกระแส 

 7. การใช้เพาเวอร์มอสเฟตที่มีขาการตรวจจับกระแส (SENSEFETs)

เป็นเทคนิคอีกแบบหนึ่งที่ใช้กับเพาเวอร์มอสเฟตรุ่นใหม่  โดยโครงสร้างภายในจะมีเพาเวอร์มอสเฟส 2 ตัวต่อขนานกัน  โดยขาของเพาเวอร์มอสเฟตแบบนี้จะมีเพิ่มขึ้นอีก 1 ขาคือขา S (Is) โดยจะเป็นมอสเฟตสำหรับตรวจจับกระแส  ดังในรูปที่ 7  โดยที่ขา M (Im) จะเป็นขาสำหรับนำกระแสหลัก  ซึ่งก็หมายความว่า  การสร้างเพาเวอร์มอสเฟตลักษณะนี้  จะใช้พื้นที่ในการนำกระแสหลักกว้างกว่าพื้นที่ของมอสเฟตสำหรับการตรวจจับกระแส (SENSEFET)  นั้นก็จะทำให้การตรวจจับกระแสแบบนี้จึงทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานน้อยมาก  หรืออาจเรียกจะเรียกได้ว่าไม่เกิดการสูญเสีย (Quasi-lossless)  ที่ตำแหน่งขา M และขา S จะมีแรงดันเท่ากัน  ซึ่งก็หมายความว่า  สัญญาณกระแสที่ได้ยังไม่เหมาะสมสำหรับนำไปใช้ในการตรวจจับกระแสได้โดยตรง  ดังนั้นเราจึงสามารถใช้ออปแอมป์มาต่อร่วมดังในรูปที่ 8 เพื่อให้เราสามารถปรับขนาดสัญญาณที่เกิดขึ้นระหว่างเพาเวอร์มอสเฟตหลัก (M1) และมอสเฟตสำหรับการตรวจจับกระแส (M3) ได้ถูกต้องและเป็นสัดส่วนกัน

สิ่งที่เกิดขึ้นของการผลิตเพาเวอร์มอสเฟตลักษณะนี้คือ  ในกรณีของพื้นที่การนำกระแสหลัก  กว้างกว่าพื้นที่ของมอสเฟตสำหรับการตรวจจับกระแสมากๆ  จะทำให้ความถูกต้องของการตรวจจับกระแสจะลดลง  แบนด์วิดธ์การตอบสนองความถี่ก็ลดลง  รวมทั้งผลของปรากฏการณ์ผิดปกติที่เรียกว่า  ผลกระทบในลักษณะของหม้อแปลง (Transformer effect) และด้วยเช่นกัน  ดังนั้นอัตราส่วนระหว่างเพาเวอร์มอสเฟตหลัก กับมอสเฟตสำหรับการตรวจจับกระแสควรจะอยู่ที่ประมาณ 100:1 หรือถ้าน้อยกว่านี้ก็อาจจะส่งผลในเรื่องของความสามารถในการตรวจจับสัญญาณได้ยากขึ้น  และสัญญาณสไปก์ขนาดที่ค่าสูงๆ  ด้วยเช่นกัน

 รูปที่ 7 การใช้เพาเวอร์มอสเฟตที่มีขาการตรวจจับกระแส (SENSEFETs)

 รูปที่ 8  แสดงตัวอย่างการต่อวงจรกับเพาเวอร์มอสเฟตที่มีขาการตรวจจับกระแส (SENSEFETs)

ในตารางที่ 1 นั้นจะเป็นการเปรียบเทียบเทคนิคการตรวจจับกระแส  ด้วยวิธีการต่างๆ  ที่กล่าวมาแล้วถึงจุดเด่นจุดด้วยของวิธีการนั้นๆ  ประสิทธิภาพและกลุ่มของการตรวจจับกระแสที่ไม่ทำให้เกิด  และไม่เกิดการสูญเสียพลังงานขึ้น

 

  ตารางที่ 1 จะเป็นการเปรียบเทียบเทคนิคการตรวจจับกระแสแบบต่างๆ 

         

ในการนำเสนอบทความนี้เพื่อเน้นไปที่เทคนิคของการตรวจจับกระแสแบบไม่เกิดการสูญเสียพลังงานหรือเกิดน้อยที่สุด  เพื่อให้ประสิทธิภาพการทำงานสูงขึ้น โดยเฉพาะวงจร ดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์ที่ต้องการแรงดันเอาต์พุตต่ำแต่กระแสสูง (Low-Voltage High-Current Output) และจะยังผลอื่นๆ ตามมาอีกอย่างเช่น  ขนาดของคอนเวอร์เตอร์จะเล็กและน้ำหนักลดลง  ลดต้นทุนของอุปกรณ์ที่ใช้  รวมทั้งจะเป็นแนวทางในการวิจัยและพัฒนา  เพื่อออกแบบวงจรให้เกิดการสูญเสียพลังงานน้อยลงในวงจรขับกำลังกระแสสูง 

 

เว็บไซต์ข้อมูลอ้างอิง

  1. H. Pooya and A. Gabriel,”Current-Sensing Techniques for DC-DC Converters”, IEEE,:1-3.

  2. www.powerpulse.net/techPaper.php?paperID=169&print

  3. www.eetimes.com/design/power-management-design/4011552/Accurate-and-Lossless-Current-Sensing-Techniques-for-Power-Applications–A-Practical-Myth-

  4. http://en.wikipedia.org/wiki/MOSFET#cite_note-Malik-15

  5. http://ecee.colorado.edu/~bart/book/mosintro.htm

  6. www.scitechpub.com/hawkins/hawkins_ch_3.pdf

  7. http://bbs.dianyuan.com/bbs/u/31/1122343862.pdf

 

 

Leave a Comment