การเลือกใช้ไอซีประเภท Current-Sense Amplifier (CSA) สำหรับการวัดกระแสในวงจรไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์#

Keywords: Current-Sense Amplifier, Current Shunt Monitor, Differential Amplifier

• การวัดกระแส (Current Measurement)
• วงจรตรวจจับสัญญาณและขยายกระแส (Current-Sense Amplifiers: CSA)
• แนวทางการเลือกใช้ไอซี CSA - Current Sense Monitor
• พารามิเตอร์ทางไฟฟ้าที่สำคัญสำหรับ CSA
• ตัวอย่างไอซีสำหรับการวัดกระแส (Current Monitor IC)
• แนวทางการสร้าง Differential Amplifier ด้วยออปแอมป์

---

▷ การวัดกระแส (Current Measurement)#

การวัดกระแสไฟฟ้าในวงจร มีหลายวิธี ได้แก่

• การวัดโดยใช้หลักการของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Magnetic Field): ใช้เซนเซอร์แบบ Hall Effect ซึ่งให้เอาต์พุตเป็นแรงดันไฟฟ้าที่แปรผันตามปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านขดลวดหรือสายไฟ
• การวัดโดยตรงในวงจร (Direct Current Sensing) โดยวัดแรงดันตกคร่อมตัวต้านทาน: เป็นการวัดแรงดันตกคร่อมที่เกิดขึ้นบนตัวต้านทานที่มีกระแสไหลผ่าน ซึ่งเรียกว่า Current-Sense Resistor หรือ Shunt Resistor
  • วิธีนี้ต้องใช้วงจรที่สามารถแปลงแรงดันไฟฟ้าอินพุตแบบ Differential (ซึ่งเป็นแรงดันตกคร่อมที่ตัวต้านทาน) ให้เป็นแรงดันไฟฟ้า-เอาต์พุต และใช้วงจรที่เรียกว่า Current-Sense Amplifier (CSA)
  • แรงดันเอาต์พุตสามารถนำไปใช้งานร่วมกับวงจรอื่น เช่น ADC (Analog-to-Digital Converter)
  • หากกระแสไฟฟ้ามีค่าต่ำมาก ต้องใช้วงจรขยายสัญญาณ เพื่อให้แรงดันอยู่ในช่วงที่เหมาะสมสำหรับการประมวลผล
  • หากกระแสไฟฟ้ามีปริมาณมาก ควรเลือกตัวต้านทานที่มีค่าความต้านทานต่ำ เพื่อลดการสูญเสียพลังงานในรูปของความร้อน (การสูญเสียพลังงานคิดจากสูตร: $P = I^2 \times R$)

วัตถุประสงค์ของการตรวจจับและวัดกระแสไฟฟ้าในวงจรอิเล็กทรอนิกส์

• เพื่อทราบปริมาณกระแสที่ไหลผ่านโหลด ซึ่งหากกระแสมีค่ามากเกินไป อาจทำให้เกิดความร้อนสูงหรือความเสียหายต่อวงจรไฟฟ้า
• เพื่อประเมินระดับการใช้พลังงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้งานแบบ Low-Power Applications

---

▷ วงจรตรวจจับสัญญาณและขยายกระแส (Current-Sense Amplifiers: CSA)#

• การวัดปริมาณกระแสไฟฟ้าโดยตรง โดยใช้ตัวต้านทานที่มีค่าความต้านทานต่ำ มักอาศัยวงจรที่เรียกว่า Current-Sense Amplifiers (CSA) เพื่อทำหน้าที่ขยายแรงดันตกคร่อมที่เกิดขึ้นบนตัวต้านทานซึ่งอยู่ในระดับที่ต่ำมาก และทำให้ได้สัญญาณเอาต์พุตในช่วงกระแสหรือแรงดันที่ต้องการ
• วงจรพื้นฐานของ CSA ประกอบด้วย "ตัวขยายสัญญาณแบบต่างศักย์" หรือ เรียกว่า วงจรขยายสัญญาณแบบ "ดิฟเฟอเรนเชียล" (Differential Amplifier) ซึ่งมีหลักการทำงานคล้ายคลึงกับวงจรภายในของ Operational Amplifier (Op-Amp) โดยเน้นการตรวจจับและขยายความต่างศักย์ระหว่างขาอินพุตสองขา
• จุดประสงค์หลักคือ การวัดแรงดันตกคร่อมที่เกิดขึ้นบนตัวต้านทานตรวจจับกระแส ($R_{SHUNT}$) ซึ่งมีค่าความต้านทานต่ำมาก เช่น 0.1Ω หรือ 0.05Ω เป็นต้น
• เมื่อมีกระแสไฟฟ้า (ใช้สัญลักษณ์ $I_{SENSE}$ หรือ $I_{LOAD}$) ไหลผ่าน $R_{SHUNT}$ ไปยังโหลด จะเกิดแรงดันตกคร่อมที่สองขาของตัวต้านทาน โดยใช้สัญลักษณ์ $V_{IN+}$ และ $V_{IN-}$ เป็นแรงดันที่ปลายทั้งสองของตัวต้านทาน ตามลำดับ
  • ผลต่างแรงดันคือ $V_{SENSE} = V_{IN+} - V_{IN-}$ และ CSA ทำหน้าที่ขยายผลต่างแรงดันนี้ เพื่อให้ได้แรงดันเอาต์พุตที่สามารถนำไปใช้งานได้ เช่น อินพุตของ ADC หรือไมโครคอนโทรลเลอร์
  • วงจร Differential Amplifier สามารถสร้างได้โดยใช้ไอซี Op-Amp หรือ Instrumentation Amplifier เป็นพื้นฐาน ซึ่งเป็นวงจรที่มีค่า Common-Mode Rejection Ratio สูงมาก
  • ไอซีประเภท CSA ถูกใช้อย่างแพร่หลายในระบบจัดการพลังงาน เช่น การวัดกระแสโหลด และ การตรวจสอบการชาร์จแบตเตอรี่ เป็นต้น

ตำแหน่งของตัวต้านทานตรวจจับกระแส (Current-Sense Configuration) แบ่งเป็น 3 กรณี ได้แก่:

• Low-Side Current Sensing:
  • เป็นการต่อตัวต้านทานตรวจวัดกระแส ระหว่างโหลดกับกราวด์
  • ข้อดี: วงจรอ่านสัญญาณมีระดับแรงดันต่ำและง่ายต่อการออกแบบวงจร
  • ข้อเสีย: กราวด์ของโหลดไม่ได้ต่อตรงกับกราวด์ของระบบ
• High-Side current sensing:
  • เป็นการต่อตัวต้านทานตรวจวัดกระแส ระหว่างแหล่งจ่ายแรงดันกับโหลด ต้องใช้ CSA ที่มีความสามารถในการรับช่วงแรงดันอินพุตแบบ Common-Mode Voltage ได้สูง
  • ข้อดี: กราวด์ของโหลดต่อตรงกับกราวด์ของระบบ
  • ข้อเสีย: วงจรมีความซับซ้อนมากกว่าและต้องใช้ไอซีที่รองรับแรงดันโหมดร่วม (Common-Mode Voltage) ระดับสูง
• In-Line Current Sensing:
  • เป็นการต่อตัวต้านทานตรวจวัดกระแสแบบอนุกรมในสายไฟ
  • โดยมักใช้ในระบบที่มีสายไฟแยกหลายเส้น เช่น มอเตอร์สามเฟส

รูป: การวัดกระแสโดยวงจร CSA แบบ Low-Side (ซ้าย) และ High-Side (ขวา)

ในปัจจุบันมีหลายบริษัทที่ผลิตและจำหน่ายไอซีประเภท Current-Sensor Monitor เช่น

• Linear Technology / Maxim / Analog Devices Inc. (ADI)
• Texas Instruments (TI)
• STMicroelectronics
• Renesas Electronics
• ROHM Semiconductor
• Microchip Technology
• ONsemi
• Infineon
• Silergy
• SGMICRO

รูป: ไอซี MAX437x สำหรับการวัดกระแสแบบ High-Side (Image Source: Maxim / Analog Devices)

รูป: ไอซี TSC101 สำหรับการวัดกระแสแบบ High-Side (Image Source: STMicrolectronics)

รูป: ไอซี INA210 สำหรับการวัดกระแสแบบ High-Side (Image Source: Texas Instruments)

รูป: ไอซี INA181 สำหรับการวัดกระแสแบบ Low-Side (Image Source: Texas Instruments)

รูป: ไอซี INA226 เชื่อมต่อด้วยบัส I2C (Image Source: Texas Instruments)

รูป: ไอซี ISL28006 ที่สามารถใช้วัดกระแสได้ทั้งแบบ Low-Side หรือ High-Side (Image Source: Renesas Electronics)

 

---

▷ แนวทางการเลือกใช้ไอซี CSA - Current Sense Monitor#

• รูปแบบหรือตำแหน่งการต่อตัวต้านทานตรวจวัดกระแส (Measurement Topology): มี 3 กรณีหลัก ดังนี้
  • High-side Measurement: การต่อตัวต้านทานตรวจวัดกระแส ระหว่างแหล่งจ่ายไฟและโหลด ซึ่งช่วยให้สามารถตรวจจับกระแสที่ไหลเข้าสู่โหลดได้ทั้งหมด ข้อดีคือสามารถตรวจจับกระแสทั้งหมดที่ไหลเข้าโหลด แต่ต้องใช้ไอซีที่สามารถทนต่อแรงดัน Common-Mode สูงได้
  • Low-side Measurement: การต่อตัวต้านทานตรวจวัดกระแส ระหว่างโหลดและกราวด์ ซึ่งเป็นวิธีที่ง่ายและราคาถูกกว่าในการออกแบบ
  • In-Line Measurement: การต่อตัวต้านทานตรวจวัดกระแส ในสายที่เชื่อมต่อระหว่างแหล่งจ่ายไฟและโหลด ซึ่งเหมาะสำหรับการตรวจวัดกระแสในวงจรที่ไม่ต้องการแยกแหล่งจ่ายไฟออกจากกัน
• ทิศทางการไหลของกระแส (Current Flow Direction): สามารถจำแนกได้เป็น 2 กรณีตามทิศทางของการไหลของกระแส:
  • Unidirectional Current วัดกระแสที่ไหลในทิศทางเดียว เช่น การวัดกระแสที่ไหลจากแหล่งจ่ายไฟไปยังโหลด
  • Bidirectional Current วัดกระแสที่สามารถไหลได้ทั้งสองทิศทาง เช่น การวัดกระแสที่อาจไหลย้อนกลับจากโหลดไปยังแหล่งจ่ายไฟ
• ประเภทของสัญญาณเอาต์พุต (Output Type): สามารถมีเอาต์พุตหลายประเภท ขึ้นอยู่กับการใช้งาน:
  • เอาต์พุตแบบแอนะล็อก:
    • Current Output เอาต์พุตเป็นกระแสที่แปรผันตามกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานตรวจจับกระแส และในการใช้งานไอซีที่มีเอาต์พุตแบบนี้ จะต้องกับตัวต้านทานที่ขาเอาต์พุตไปยังกราวด์
    • Voltage Output เอาต์พุตเป็นแรงดันไฟฟ้าที่แปรผันตามแรงดันตกคร่อมที่ตัวต้านทานตรวจจับกระแส โดยทั่วไปจะเป็นเอาต์พุตแบบมีบัฟเฟอร์ และมีเอาต์พุต-อิมพีแดนซ์ต่ำ
    • ยกตัวอย่าง: ไอซี MAX4173 เป็นแบบ Voltage Output แต่ MAX4172 เป็นแบบ Current Output
    • อาจมีขาอินพุตสำหรับปิดการใช้งานขาเอาต์พุต (Output Enable Pin) เพื่อประหยัดพลังงาน หากไม่ได้ใช้งานตลอดเวลา
    • ในกรณีที่ให้แรงดันเอาต์พุต สามารถจำแนกออกเป็น 2 ตัวเลือก: Single-ended (เอาต์พุตอ้างอิงกับกราวด์) ซึ่งเป็นประเภทที่พบเห็นได้บ่อย และ Differential Output (เอาต์พุตเป็นแรงดันสองขั้ว VOUT+ และ VOUT-) ซึ่งเหมาะกับการส่งสัญญาณระยะไกลหรือลดสัญญาณรบกวน
  • เอาต์พุตแบบดิจิทัล:
    • มีวงจร ADC รวมอยู่ในไอซี เพื่อแปลงสัญญาณแอนะล็อกให้เป็นดิจิทัล
    • ใช้วิธีสื่อสารข้อมูลผ่านบัส เช่น I2C
    • อาจมีขาดิจิทัลเอาต์พุตสำหรับฟังก์ชันพิเศษ เช่น การเปรียบเทียบและแจ้งเตือน เมื่อกระแสสูงเกินกว่าระดับที่กำหนดไว้ (Over-Current Detection & Alert)
• สำหรับไอซีที่ทำงานแบบดิจิทัล ก็มีประเด็นที่ควรพิจารณาต่อไปนี้
  • รูปแบบการสื่อสารข้อมูลและโหมดการทำงานด้วยบัส I2C เช่น ความถี่สูงสุดของสัญญาณ Serial Clock การตั้งค่าแอดเดรสของอุปกรณ์
  • ความละเอียด หรือ จำนวนบิต (ADC Resolution) ของข้อมูลที่ได้
  • อัตราการแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นข้อมูลดิจิทัล (Samples / sec)
• การตั้งค่าอัตราขยายแรงดันตกคร่อมที่ขั้วอินพุต (Gain Setting / Selection): สามารถทำได้หลายวิธี:
  • External Resistors ใช้ตัวต้านทานภายนอก เพื่อกำหนดค่า Gain ตามที่ต้องการและอยู่ในช่วงที่เหมาะสม
  • Internal Resistors ใช้ตัวต้านทานภายใน ซึ่งมีความแม่นยำสูง ความคลาดเคลื่อนต่ำ (Low-Drift) และตั้งค่ามาจากโรงงาน
    • แบบอัตราขยายคงที่ (Fixed Gain) บางบริษัทจะมีไอซีรุ่นย่อย ให้เลือกใช้ตามค่า Gain
    • แบบโปรแกรมเลือกค่าได้ (Programmable Gain) ซึ่งมีการตั้งค่าขยายแรงดันในตัวโดยไม่ต้องใช้ตัวต้านทานภายนอก
• ขาแรงดันอ้างอิงสำหรับแรงดันเอาต์พุต (Reference Voltage Pin: $V_{REF}$)
  • ใช้ปรับระดับแรงดันศูนย์กลางเอาต์พุต (Mid-Range Voltage) หรือ กำหนดช่วงแรงดันเอาต์พุตได้ ในกรณีที่วัดกระแสได้ทั้งสองทิศทาง
  • ยกตัวอย่างเช่น $V_{OUT} = A_V \times I_{LOAD} \times R_{SHUNT} + V_{REF}$
• จำนวนช่องสัญญาณ
  • โดยทั่วไปจะมีช่องสัญญาณเอาต์พุต และหนึ่งคู่สัญญาณอินพุต (Single-Channel)
  • ไอซีบางรุ่น มีมากกว่าหนึ่งช่องสัญญาณ เช่น Dual-Channel หรือ Quad-Channel เป็นต้น
• ตัวถัง (IC Package) ขาแรงดันไฟเลี้ยง และขาสัญญาณ (I/O Pins)
  • เช่น SOT23-6 หรือ SO-8 เป็นต้น
• ความเสถียรต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิแวดล้อม
  • ควรเลือกอุปกรณ์ที่มี Low Offset Drift และ Low Gain Drift เพื่อให้ค่ากระแสที่วัดได้มีความแม่นยำในช่วงอุณหภูมิกว้าง

---

▷ พารามิเตอร์ทางไฟฟ้าที่สำคัญสำหรับ CSA#

ในการเลือกใช้งาน CSA ควรทำความเข้าใจพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าต่อไปนี้ ซึ่งมักพบได้บ่อยเกี่ยวกับไอซีสำหรับสัญญาณแอนะล็อก:

• ข่วงแรงดันไฟเลี้ยง (Supply Voltage: $V_S$ หรือ $V_{CC}$) สำหรับการทำงานของไอซีและวงจรภายใน:
  • เช่น +2.7V ~ +5.5V หรือ +2.7V ~ +36V เป็นต้น
  • ถ้าต้องการใช้งานแบบ Low-Power ก็อาจรองรับแรงดันไฟเลี้ยงในระดับต่ำ (ต่ำกว่า 3V) เช่น +3.0V, +2.7V หรือต่ำกว่า เป็นต้น
  • ไอซีบางรุ่น ไม่มีขาแรงดันไฟเลี้ยง $V_S$ แต่ใช้ขา VIN+ สำหรับเป็นแรงดันไฟเลี้ยงภายใน
• ปริมาณการใช้กระแส (Supply Current: $I_S$)
  • สำหรับการทำงานในลักษณะ Low-Power ค่า $I_S$ ควรอยู่ในระดับต่ำ เช่น ในช่วง 10μA - 100μA
  • บางกรณีก็ระบุเป็นพารามิเตอร์ Quiescent Current ($I_Q$) มีหน่วยวัดเป็น μA โดยมีเงื่อนไขในการทดสอบคือ $V_{SENSE} = 0mV$
• ช่วงแรงดันโหมดร่วม (Common-Mode Voltage Range: $V_{CM}$):
  • แบ่งเป็น2 กรณี: รองรับช่วงแรงดันเฉพาะช่วงที่เป็นบวกเท่านั้น หรือ รองรับช่วงแรงดันที่เป็นลบด้วย
  • ช่วงแรงดันอินพุตโหมดร่วม (Common-Mode) ส่งผลต่อความแม่นในการขยายสัญญาณเอาต์พุต โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการวัดแบบ High-side
  • โดยทั่วไป ไอซี CSA สำหรับ High-Side Sensing สามารถรองรับแรงดัน Common-Mode ได้สูงกว่าแรงดันไฟเลี้ยง บางรุ่นมีช่วง $V_{CM}$ ได้สูงถึง 30V, 80V หรือ 100V
• อัตราขยายแบบเต็มสเกล (Full-Scale Gain) และความแม่นของการขยาย (Gain Accuracy):
  • อัตราการขยายเต็มสเกลของแรงดันตกคร่อมที่ขั้วอินพุต ซึ่งเป็นตัวระบุความสามารถในการขยายสัญญาณแอนะล็อกอินพุต ให้มีขนาดที่เหมาะสมกับการใช้งานที่ต้องการ
  • Full-Scale Gain หมายถึงค่าอัตราขยาย ที่ใช้กับสัญญาณอินพุตสูงสุดที่ยังอยู่ในช่วงเชิงเส้นของวงจรขยายสัญญาณ
  • Gain Accuracy มักแสดงเป็นตัวเลข % เช่น ±0.5% หรือ ±0.1% (ดีกว่า) ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อความแม่นของการวัดกระแสหรือแรงดัน และก็ขึ้นอยู่กับปัจจัยแวดล้อม อย่างเช่น อุณหภูมิ
  • เอาต์พุตที่เป็นแรงดันไฟฟ้า: $V_{OUT} = V_{SENSE} \times A_V$ และ $A_V$ = Voltage Gain มีหน่วยเป็น V/V
  • เอาต์พุตที่เป็นกระแสไฟฟ้า: $I_{OUT} = V_{SENSE} \times G_m$ และ $G_m$ = Transconductance ("ทรานส์คอนดักแตนซ์") มีหน่วยเป็น µA/V หรือ mA/V และเรียกวงจรประเภทนี้ว่า Trans-conductance Amplifer
  • หากเอาต์พุตเป็นกระแสไฟฟ้า ก็สามารถแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้าได้ โดยการต่อกับตัวต้านทาน $R_L$ เชื่อมต่อระหว่างขาเอาต์พุตกับกราวด์ของวงจร: $V_{OUT} = I_{OUT} \times R_L = V_{SENSE} \times G_m \times R_L$
• การเลือกอัตราขยาย (Gain Selection)
  • เลือกตามไอซีสมาชิกในซีรีย์ของไอซี ซึ่งมีค่าอัตราขยายคงที่ แตกต่างกันตามค่าตัวต้านทานที่ใช้
  • บางรุ่นโปรแกรมเลือกค่าได้ เช่น ผ่านทางบัส I2C
• แรงดันอินพุตออฟเซต หรือ แรงดันออฟเซตที่ขาอินพุต (Input Offset Voltage: $V_{OS}$):
  • ค่าแรงดันผิดพลาดที่เกิดขึ้นแม้ไม่มีแรงดันต่างระหว่างขสอินพุต และส่งผลต่อความแม่นยำในการวัดกระแสที่ต่ำ
  • ในวงจรขยายเชิงอุดมคติ แรงดันออฟเซตระหว่างขาอินพุตบวกและลบจะเป็นศูนย์โวลต์ (0V) เมื่อมีแรงดันที่เหมือนกันป้อนเข้าสู่ขาอินพุต จะไม่สร้างแรงดันเอาต์พุตใด ๆ
  • ในวงจรจริง แรงดันออฟเซตนี้ทำให้เกิดแรงดันเอาต์พุตแม้ไม่มีความต่างแรงดันระหว่างขาอินพุต แรงดันออฟเซตนี้จะถูกคูณด้วยอัตราขยาย และส่งผลโดยตรงต่อแรงดันเอาต์พุต
  • อธิบายโดยใช้สมการต่อไปนี้: $V_{OUT} = A_V \times (I_S \times R_S + V_{OS})$
  • ค่า $V_{OS}$ ควรอยู่ในระดับต่ำมาก อยู่ในระดับไมโครโวลต์ (µV) เช่น 10µV ~ 100µV หรือต่ำกว่า
  • แรงดันออฟเซตที่ขาอินพุตมีแนวโน้มเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ เรียกการเปลี่ยนแปลงนี้ว่า "อัตราการลอยตามอุณหภูมิ" (Temperature Drift)"
• ช่วงแรงดันอินพุตสูงสุดสำหรับการตรวจจับกระแส (Max. Sense Voltage) เช่น 100mV หรือ 250mV เป็นต้น
• กระแสไบแอส-อินพุต (Input Bias Current: $I_{B+}$ และ $I_{B-}$):
  • กระแสไฟฟ้าที่ไหลเข้าสู่ หรือ ออกจากขั้วอินพุต IN+ และ IN- ของวงจร ทิศทางขึ้นอยู่กับการทำงานและการต่อวงจรภายนอก
  • คำนวณได้จากค่าเฉลี่ย: $I_B = (I_{B+} + I_{B-})/2$
  • กระแสไฟฟ้าขนาดเล็กมาก (ในระดับนาโนแอมป์ถึงไมโครแอมป์) ที่ไหลเข้าหรือออกจากขาอินพุต (IN+ และ IN−) ของวงจร CSA
• กระแสออฟเซตอินพุต (Input Offset Current: $I_{OS}$):
  • กระแสที่เกิดจากความแตกต่างของกระแสไบแอสระหว่างขาอินพุตบวกและลบ
  • $I_{OS} = (I_{B+} - I_{B-})$
  • ค่านี้บ่งบอกถึงความไม่สมดุลของการไหลของกระแสในอุปกรณ์ และอาจส่งผลต่อแรงดันอินพุตออฟเซตของวงจรด้วย
• อัตราการปฏิเสธสัญญาณโหมดร่วม (Common-Mode Rejection Ratio: CMRR):
  • วงจร CSA ทำหน้าที่ขยายสัญญาณโหมดต่าง และขจัดสัญญาณโหมดร่วมออก
  • CMRR เป็นตัวบ่งชี้ความสามารถในการกรองสัญญาณโหมดร่วม หรือตัดส่วนที่มีความเหมือนกันในสัญญาณอินพุตทั้งสองออกจากเอาต์พุต
  • หากมีค่า CMRR อยู่ในระดับสูง จะช่วยให้สามารถแยกสัญญาณผลต่างออกจากสัญญาณโหมดร่วมได้ดี
  • CMRR คำนวณได้จาก อัตราขยายโหมดผลต่าง ($A_{D}$) และ อัตราขยายโหมดร่วม ($A_{CM}$):
    • CMRR = $20\cdot log_{10} (A_{D}/ A_{CM})$
    • เช่น $A_{D}=10$ และ $A_{CM}=0.001$ จะได้ CMRR = 80dB
• แบนด์วิดท์ (Bandwidth):
  • มักระบุเป็นค่าความถี่ $f_{-3dB}$ ซึ่งหมายถึง ความถี่ (Hz) ที่ทำให้ค่า Gain ลดลงจากค่าสูงสุดลงมา 3dB" (หรือลดลงเหลือประมาณ 0.707 เท่าของค่าสูงสุด)
  • ช่วงความถี่ที่ CSA สามารถตอบสนองได้ดี ซึ่งมีผลต่อการวัดกระแสในสัญญาณที่มีความถี่สูง หรือมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว
  • สัญญาณอินพุตที่มีความถี่สูงจะส่งผลต่ออัตราขยายที่ลดลง แบนด์วิดท์ของวงจร CSA มีผลอย่างมากต่อการตรวจจับกระแสที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว

---

▷ ตัวอย่างไอซีวัดกระแส (Current Monitor IC)#

ไอซีที่ได้เลือกมานำเสนอเป็นตัวอย่างต่อไปนี้ มีโมดูลในลักษณะ Breakout Board ให้เลือกใช้และสะดวกต่อการใช้งาน เนื่องจากตัวถังของไอซี มีขนาดเล็กและเป็นแบบ SMD แนวทางในการเปรียบเทียบ ได้แก่

• การวัดกระแส: วัดแบบ high-side เท่านั้น หรือ ได้ทั้ง high-side และ low-side
• ทิศทางของกระแส: ได้ทิศทางเดียว (uni-directional) หรือ ได้ทั้งสองทิศทาง (bidirectional)
• เอาต์พุต: แรงดันไฟฟ้า หรือ กระแสไฟฟ้า หรือทำงานแบบดิจิทัล
• ช่วงแรงดัน Common-Mode และการใช้แรงดันไฟเลี้ยงแยกกันแบบอิสระ
• สำหรับการทำงานแบบดิจิทัล
  • ตัวเลือกสำหรับความละเอียดของ ADC ช่วงจำนวนบิตที่เลือกใช้ได้ ความเร็วในการแปลงข้อมูลของ ADC
  • ความละเอียดของข้อมูลต่อ 1 LSB สำหรับปริมาณทางไฟฟ้าที่วัดได้ เช่น กระแส และ แรงดัน
  • รูปแบบโปรแกรมเพื่อเขียนหรืออ่านค่าในรีจิสเตอร์ได้ และเชื่อมต่อด้วยบัส I2C
  • ปริมาณทางไฟฟ้าที่วัดได้ นอกจากการวัดกระแส (เรียกว่า Shunt Current) เช่น แรงดันไฟฟ้าได้ด้วย (เรียกว่า Bus Voltage) และนำไปคำนวณเป็นกำลังไฟฟ้า(Power)
• ข้อสังเกต:
  • ไอซีบางรุ่น ได้รวมตัวต้านทาน Current Sense Resistor ไว้ภายในแล้ว
  • ไอซีบางรุ่น ทำงานแบบดิจิทัล สามารถตั้งค่าอัตราขยาย (Programmable Gain) และเลือกช่วงแรงดันอินพุต V_SENSE ได้ รวมถึงความสามารถในการตั้งค่าปรับแก้ตัวเลข (Calibration)
• ตัวอย่างพารามิเตอร์สำหรับการเลือกใช้ไอซี CSA:
  • Low input offset volage: <100μV
  • Low gain error: <0.5%
  • Wide input common mode range: >30V
  • Low supply current: <100μA
  • High CMRR: >100dB

MAX4080 (Maxim / ADI)

• Current sensing: High-side, Unidirectional
• Output type: Buffered voltage output (analog)
• Output impedance: 0.1Ω
• Supply voltage ($V_S$): +4.5V ~ +76V
• Quiescent current ($I_Q$): 190μA (max)
• Common-mode voltage ($V_{CM}$): +4.5V ~ +76V
• Input offset voltage ($V_{OS}$): ±100μV (typ.)
• Gain accuracy: ±1.0% (max)
• Full-scale sense voltage (max): 100mV (F), 250mV (T), 1000mV (S)
• Fixed gain: 5V/V (F), 20V/V (T), 60V/V (S)
• Common-mode rejection ratio (CMRR): 124dB (typ.)
• Bandwidth (BW): 250kHz (typ.)

INA169 (TI)

• Current sensing: High-side, Unidirectional
• Output type: Current output (analog)
• $V_S$: +2.7V ~ +60V
• $I_Q$: 60μA (typ.), 125µA (max)
• $V_{CM}$: +2.7V ~ +60V
• $V_{OS}$: ±200μV (typ.), ±1mV (max)
• Gain accuracy: ±0.5% (typ.)
• Full-scale sense voltage (max): 100mV (typ.), 500mV (max)
• Transconductance: 1mA/V (typ.)
• External resistor for output: $R_L$
• Voltage output: $V_{OUT} = (I_S \times R_S / 1kΩ) \times R_L$
• CMRR: 115 dB (typ.)
• BW: 440kHz (typ.), $R_L$=10kΩ
• IC package: 5-Pin, SOT-23

INA219B (TI)

• Current sensing: High-side, Bidirectional
• Output type: I2C (digital)
• $V_S$: +3V ~ +5.5V
• $I_Q$: 700μA (typ.)
• $V_{CM}$: 0V ~ +26V
• $V_{OS}$: ±10μV (typ.) for PGA=/1
• Programmable gain: GPA=/1,/2,/4,/8
• Sense voltage (max): ±40mV (/1), ±80mV (/2), ±160mV (/4), ±320mV (/8)
• Gain accuracy: ±0.5% (max)
• CMRR: 120dB (typ.)
• ADC resolution: 9 ~ 12 bits
• ADC conversion: 586 μs (max) for 12 bits
• Voltage measurement: Input voltage multiplexing
  • Shunt voltage: $V_{SHUNT} = (V_{IN+} - V_{IN-})$
  • Bus voltage: $V_{BUS} = V_{IN-}$ (no VBUS pin)
• On-chip calculation:
  • Current (I)
  • Power (P)
• Current measurement error: ±0.2% (typ.)
• Bus voltage measurement error: ±0.2% (typ.)
• I2C clock:
  • Fast mode: 1kHz ~ 400kHz
  • High-speed mode: 1kHz ~ 2.56MHz
• I2C slave address: 0x40 (default: A0=A1=0)
• I2C address pins: A0 & A1
• IC package: 8-Pin SOT-23 and 8-Pin SOIC

INA226 (TI)

• Current sensing: High-side, Bidirectional
• Output type: I2C (digital)
• $V_S$: +2.7V ~ +5.5V
• $I_Q$: 420μA (max)
• $V_{CM}$: 0V ~ +36V
• Shunt voltage offset: ±10μV (max)
• Bus voltage offset: ±7.5mV (max)
• Shunt voltage (max): ±81.92mV (full-scale input range)
• Bus voltage (max): +36V
• Fixed gain
• Gain accuracy: ±0.1% (max)
• CMRR: 140dB (typ.)
• ADC front-end: Delta-Sigma (ΔΣ)
• ADC resolution: 9 ~ 16 bits
  • ADC conversion: 9.068 ms (max) for 16 bits
• Voltage measurement: Input-voltage multiplexing
  • Shunt voltage
  • Bus voltage (single-ended): via VBUS pin
• On-chip calculation:
  • Current (I)
  • Power (P)
• I2C clock:
  • Fast mode: 1kHz ~ 400kHz
  • High-speed mode: 1kHz ~ 2.94MHz
• I2C slave address: 0x40 (default: A0=A1=0)
• I2C address pins: A0 & A1
• Alert function & pin

INA228 (TI)

• Current sensing: High-side, Low-side, Bidirectional
• $V_S$: +2.7V ~ +5.5V
• $I_Q$: 750μA (max)
• $V_{CM}$: –0.3V ~ +85V
• Shunt voltage input full-scale range:
  • 163.84mV (ADCRANGE=0)
  • 40.96 mV (ADCRANGE=1)
• Shunt offset voltage: ±0.3µV (typ.)
• VBUS offset voltage (via VBUS pin): ±1mV (typ.)
• Shunt voltage gain error: ±0.05% (max)
• VBUS voltage gain error: ±0.05% (max)
• Voltage measurement: Input multiplexing
  • Shunt voltage: $V_{SHUNT} = (V_{IN+} - V_{IN-})$
  • Bus voltage: $V_{BUS} = V_{IN+}$ (via VBUS pin)
• On-chip calculation:
  • Current (I)
  • Power (P)
  • Energy (E)
• ADC front-end: Delta-Sigma (ΔΣ) ADC
• ADC resolution: 9 ~ 20 bits
• Alert function & pin
• I2C Clock:
  • Fast mode: 1kHz ~ 400kHz
  • High-speed mode: 1kHz ~ 2.94MHz
• I2C slave address: 0x40 (default: A0=A1=0)
• I2C address pins: A0 and A1
• Alert function & pin
• IC package: 10-Pin VSSOP

INA260 (TI)

• Current sensing: High-side, Low-side, Bidirectional
• Output type: I2C (digital)
• $V_S$: +2.7V ~ +5.5V
• $I_Q$: 310μA (typ.)
• $V_{CM}$: 0V ~ +36V
• Integrated current sense resistor: 2mΩ (±0.1%)
• Total package resistance: 4.5mΩ (between the IN+ and IN- pins)
• Sense current (max): ±15A
• Bus offset voltage: ±1.25mV (typ.)
• Current sense offset: ±1.25mA (typ.)
• System current sense gain error: 0.15% (max)
• Bus voltage gain error: 0.1% (max)
• CMRR: 150µA/V (max)
  • 2mΩ x 150µA/V = 0.3μV/V => CMRR = 130dB
• ADC front-end: Delta-Sigma (ΔΣ) ADC
• ADC resolution: 9 ~ 16 bits
  • ADC conversion: 9.068ms (max) for 16 bits
  • Current: 1.25mA / LSB
  • Bus voltage: 1.25mV / LSB
  • Power: 10mW / LSB
• I2C slave address: 0x40 (default: A0=A1=0)
• I2C address pins: A0 & A1
• Alert function & pin
• IC package: 16-pin TSSOP

TI INA240

• Current sensing: Bidirectional, Low-side, High-side, Inline
• Output type: Voltage
• Enhanced PWM rejection: Reducing common-mode transients
• $V_S$: +2.7V ~ 5.5V
• $I_Q$: 2.6mA (max)
• $V_{CM}$: –4V to +80V
• $V_{OS}$: ±25μV (max)
• Max. output voltage: $(V_S – 0.2V)$
• Gain options:
  • 20V/V (A1), 50V/V (A2), 100V/V (A3), 200V/V (A4)
• Gain accuracy: +/-0.2% (max)
• CMRR: 132dB DC (typ), 93dB AC (f=50kHz)
• VREF pins: REF1 & REF2
• BW: 400kHz (typ)
• IC package: 8-pin TSSOP & 8-pin SOIC

ไอซี CSA แต่เดิมมักใช้วงจร Op-Amp + Resistor Network แบบพื้นฐาน แต่เพื่อให้สามารถวัดกระแสได้แม่นยำมากขึ้นในระบบที่ซับซ้อน เช่น รองรับแรงดันอินพุตระดับสูง (High Common-Mode Input Range) หรือ ต้านทานสัญญาณรบกวนจากการใช้สัญญาณแบบ PWM หรือ สัญญาณที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว (Switching Transients) ได้ดีขึ้น ผู้ผลิตจึงได้พัฒนาเทคนิควงจรใหม่ ๆ เช่น

• Current-Feedback Amplifier (CFA):
  • TI: INA280, INA290
• Capacitively-Coupled Amplifier (CCA):
  • TI: INA186, INA28x
  • ROHM: BD1421xG-LA

---

▷ แนวทางการสร้าง Differential Amplifier ด้วยออปแอมป์#

ในการเรียนรู้หลักการทำงานของวงจรขยายสัญญาณผลต่าง สามารถสร้างวงจรโดยใช้ออปแอมป์ 1 ตัว และตัวต้านทานอีก 4 ตัว และนำมาศึกษา เช่น การวิเคราะห์วงจร การจำลองการทำงานของวงจร รวมถีงการทดลองจริงโดยการต่อวงจรบนเบรดบอร์ด

รูป: แนวทางการสร้างวงจรขยายสัญญาณผลต่าง โดยใช้ไอซีออปแอมป์ และตัวต้านทาน 4 ตัว โดยจำลองสถานการณ์การชาร์จแบตเตอรี่ โดยมีแบตเตอรี่เป็นโหลดไฟฟ้า และอุปกรณ์ชาร์จเป็นแหล่งจ่ายกระแส

รูป: ไอซีที่มีวงจรขยายสัญญาณผลต่างและมีขา REF สำหรับ Reference Voltage (ถ้าไม่ใช้ ให้ต่อขา REF กับ GND)

จากรูปตัวอย่าง วงจรนี้ประกอบด้วยออปแอมป์ 1 ตัว และตัวต้านทาน 4 ตัว ได้แก่ $R_1$, $R_2$, $R_3$ และ $R_4$ (โดยทั่วไปแล้ว ไอซีมักจะร่วมตัวต้านทานที่มีความแม่นยำสูงไว้ด้วยในตัวถัง) การต่อวงจรออปแอมป์ในลักษณะนี้ มักเรียกว่า Difference Amplifier (Subtractor) Circuit ซึ่งเป็นการหาผลต่าง และสามารถขยายสัญญาณผลต่างได้ด้วย เพื่อใช้เป็นเอาต์พุต

ถัดไปเป็นการกำหนดสัญลักษณ์ต่อไปนี้ เพื่อใช้ในการวิเคราะห์วงจร

• $V_{IN+}$ และ $V_{IN-}$ แรงดันที่ปลายทั้งสองของตัวต้านทาน $R_{SENSE}$
• $V_+$ และ $V_-$ แรงดันที่ขา Non-inverting (+) และ Inverting Input (-) ของออปแอมป์
• $V_{OUT}$ แรงดันเอาต์พุตของออปแอมป์

การต่อวงจรใช้งานออปแอมป์ มีลักษณะที่เรียกว่า Negative Feedback Configuration มีตัวต้านทาน $R_2$ เชื่อมต่อระหว่างขา (-) และขาเอาต์พุต และจะทำให้ระบบเข้าสู่สภาวะสมดุล เมื่อ $V_+ \approx V_-$

ดังนั้นในการวิเคราะห์วงจร จะให้เงื่อนไขต่อไปนี้

• ให้กระแสไหล $I_{SENSE}$ ผ่านตัวต้านทาน $R_{SENSE}$ ไปยังโหลดในทิศทางเดียว เกิดแรงดันตกคร่อม $V_{SENSE} \geq 0$ ที่ตัวต้านทานดังกล่าว และ $V_{IN+} \geq V_{IN-}$
• อินพุตอิมพีแดนซ์ (Input Impedance) ของออปแอมป์สูงมาก ๆ มีกระแสไหลเข้าที่ขา (+) และ (-) น้อยมาก ๆ ใกล้เคียงศูนย์ ดังนั้นในการวิเคราะห์วงจร ไม่ต้องพิจารณากระแสที่ไหลเข้าขาออปแอมป์
• แรงดันที่ขา (+) และ (-) ของออปแอมป์ ให้ถือว่า $V_+ = V_-$ เท่ากัน (เรียกว่า Virtual Short) และให้เท่ากับ $V_x$
• แรงดันไฟเลี้ยงของออปแอมป์ $V_{CC}$ และ $V_{EE}$ อยู่ในช่วงที่กว้างว่า แรงดันเอาต์พุต และแรงดันอินพุตอยู่ในช่วงแรงดัน Common-Mode ของออปแอมป์

$$\begin{align} \frac{ V_{IN+} - V_+ }{R_3} &= \frac{ V_+ }{R_4} \\ \frac{ V_{IN-} - V_- }{R_1} &= \frac{ V_- - V_{OUT} }{R_2}\\ \end{align}$$

เนื่องจาก $V_+ = V_- = V_x$ จึงเขียนสมการใหม่ได้ดังนี้

$$\begin{align} \frac{ V_{IN+} - V_x }{R_3} &= \frac{ V_x }{R_4} \\ \frac{ V_{IN-} - V_x }{R_1} &= \frac{ Vx - V_{OUT} }{R_2} \\ \frac{R_4}{ R_3+R_4 } \cdot V_{IN+} &= V_+ = V_x \\ \end{align}$$

จากสมการข้างต้น สามารถหาสมการที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันอินพุตและเอาต์พุตได้ดังนี้

$$\begin{align} V_{OUT} &= \Big(1+ \frac{R_2}{R_1}\Big) \cdot \frac{R_4}{R_3 + R_4} \cdot V_{IN+} - \Big(\frac{R_2}{R_1}\Big) \cdot V_{IN-} \\ \end{align}$$

Common-Mode Voltage ($V_{CM}$) และ Differential Voltage ($V_{D}$):

$$\begin{align} V_{D} &= (V_{IN+} - V_{IN-}) \\ V_{CM} &= \frac{1}{2}(V_{IN+} + V_{IN-}) \\ V_{IN+} &= V_{CM} + \frac{ V_{D} }{2} \\ V_{IN-} &= V_{CM} - \frac{ V_{D} }{2} \\ \end{align}$$

ดังนั้นสมการสำหรับ $V_{OUT}$ ที่มีอินพุตเป็น $V_{D}$ และ $V_{CM}$ เขียนได้ดังนี้

$$\begin{align} V_{OUT} &= \Big(1+ \frac{R_2}{R_1}\Big) \cdot \frac{R_4}{R_3 + R_4} \cdot (V_{CM} + \frac{ V_{D} }{2}) - \Big(\frac{R_2}{R_1}\Big) \cdot (V_{CM} - \frac{ V_{D} }{2}) \\ &= [(1+a)\cdot b - a] \cdot V_{CM} + \frac{1}{2}[(1+a)\cdot b + a]\cdot V_{D} \\ a &:= \frac{R_2}{R_1}, \; b := \frac{R_4}{R_3 + R_4} \\ \end{align}$$

หรือเขียนให้อยู่ในรูปของการขยายสัญญาณในโหมดร่วม และโหมดต่าง และคำนวณหาค่า CMRR จากอัตราขยายของสัญญาณ Differential-Mode ($A_{D}$) และอัตราขยายของสัญญาณ Common-Mode ($A_{CM}$)

$$\begin{align} V_{OUT} &= A_{CM} \cdot V_{CM} + A_{D} \cdot V_{D} \\ A_{CM} &:= \big[(1+a)\cdot b - a\big] \\ A_{D} &:= \frac{1}{2}\big[(1+a)\cdot b + a\big] \\ \frac{A_{D}}{A_{CM}} &= \Big(\frac{1}{2}\Big)\Big( \frac{ b + \frac{a}{1+a} }{ b - \frac{a}{1+a} } \Big) \\ &= \Big(\frac{1}{2}\Big) \frac{ \Big( \frac{R_4}{R_3+R_4} + \frac{R_2}{R_1+R_2} \Big) }{ \Big( \frac{R_4}{R_3+R_4} - \frac{R_2}{R_1+R_2} \Big) } \\ CMRR &= 20 \cdot \log_{10} \big( \frac{A_{D}}{A_{CM}} \big) \;\;\; \mbox{[dB]}\\ \end{align}$$

ถ้าเลือกค่าความต้านทานตามเงื่อนไข Matched Resistor Ratio:

$$G := \frac{R_2}{R_1} = \frac{R_4}{R_3}$$ $$\Rightarrow \; A_{D} = G, A_{CM} = 0, \;\; CMRR \rightarrow \infty$$

จะได้สมการสำหรับแรงดันเอาต์พุต

$$\begin{align} V_{OUT} &= G \cdot( V_{IN+} -\cdot V_{IN-}) = G \cdot V_{D} \\ &= \frac{R_2}{R_1} \cdot (V_{IN+} - V_{IN-}) \\ &= \frac{R_2}{R_1} \cdot R_{SENSE} \cdot I_{SENSE} \\ &= A_V \cdot I_{SENSE}, \;\; A_V := \frac{R_2}{R_1} \cdot R_{SENSE} \\ \end{align}$$

ซึ่งจะเห็นได้ว่า แรงดันเอาต์พุต เกิดจากการขยายสัญญาณผลต่างของแรงดันอินพุต โดยอัตราขยายคงที่ ซึ่งกำหนดโดยค่าของตัวต้านทาน หรือเขียนให้อยู่ในรูปความสัมพันธ์ระหว่างกระแสอินพุตและแรงดันเอาต์พุตได้เช่นกัน

อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ ค่าตัวต้านทานอาจความคลาดเคลื่อน และส่งผลต่อสัญญาณเอาต์พุต โดยเฉพาะในกรณีที่ต้องการวัดสัญญาณที่มีค่าน้อย ๆ ในช่วงมิลลิโวลต์

ถ้าให้ $G = R_2/R_1$ และ $R_4/R_3 = G'$ โดยที่ $G - G' = \epsilon$ (Mismatched Resistor Ratio)

$$\begin{align} \frac{A_{D}}{A_{CM}} &= \Big(\frac{1}{2}\Big) \frac{ \Big( \frac{1}{1+G'} + \frac{1}{1+G} \Big) }{ \Big( \frac{1}{1+G'} - \frac{1}{1+G} \Big) } \\ &= \Big(\frac{1}{2}\Big) \frac{ (1 + G) + (1 + G') }{ (1 + G) - (1 + G') } \\ &\approx \Big(\frac{1}{2}\Big) \Big(\frac{ 2 + 2\cdot G}{ \epsilon }\Big) \\ \end{align}$$

จะคำนวณหาค่า CMRR ที่เกิดจากความคลาดเคลื่อนของค่าความต้านทาน ดังนี้ $$\begin{align} \mbox{CMRR} &\approx 20 \cdot log_{10} \big( \frac{1 + G}{\epsilon} \big) \end{align}$$

ยกตัวอย่างเช่น ถ้า $G=10$ และ $\epsilon = 0.01$ (ความคลาดเคลื่อน +/-0.1%) จะได้ค่า CMRR = 60.83 dB

 

---

▷ กล่าวสรุป#

บทความนี้ได้นำเสนอเนื้อหาเกี่ยวกับแนวทางการเลือกใช้งานไอซีประเภท Current-Sense Amplifiers (CSA) เพื่อนำมาใช้ในการวัดกระแสไฟฟ้าในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งจะเป็นประโยชน์ต่อการนำไปใช้ศึกษาและวิเคราะห์การใช้พลังงานของวงจร หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

 

---

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Created: 2025-05-09 | Last Updated: 2025-05-12