ไอซีไดรเวอร์ TPS92612-Q1 สำหรับคุมกระแส LED พร้อมวงจรตรวจจับกระแสไฟแบบ Low-Cost

ทำไมการขับ LED จึงต้องควบคุมกระแส เจาะลึกการทำงานของ TPS92612-Q1

September 14, 2026 Pawinphat Charoenrat

Highlight

การออกแบบระบบไฟ LED ในยานยนต์ที่ต้องการความปลอดภัยสูง (Functional Safety) มักต้องมีการเฝ้าติดตาม (Monitor) กระแสไฟ LED แยกเป็นอิสระ บทความนี้เสนอเทคนิคการสร้างวงจรตรวจจับกระแสไฟ LED แบบประหยัด (Low-cost) โดยใช้อุปกรณ์ดิสครีต (Discrete Components) ทำงานร่วมกับ Linear LED Driver รุ่น TPS92612-Q1 จาก Texas Instruments ซึ่งช่วยลดผลกระทบจากความผันผวนของแรงดันแบตเตอรี่รถยนต์ (VBAT 8V – 18V) และอุณหภูมิได้อย่างมีประสิทธิภาพ

In Detail

ในระบบอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ LED (Light-Emitting Diode) เป็นหนึ่งในอุปกรณ์ที่ถูกนำมาใช้งานอย่างแพร่หลาย โดยเฉพาะในระบบส่องสว่างและระบบแสดงสถานะของยานพาหนะ เนื่องจาก LED มีขนาดกะทัดรัด ใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ และสามารถควบคุมความสว่างได้อย่างแม่นยำ

อย่างไรก็ตาม การทำให้ LED ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพและเสถียร ไม่ได้ขึ้นอยู่กับตัว LED เพียงอย่างเดียว แต่ยังขึ้นอยู่กับวงจรที่ใช้ควบคุมกระแสและตรวจสอบสถานะการทำงานของ LED ด้วย บทความนี้จึงจะเริ่มจากพื้นฐานการทำงานของ LED และการควบคุมกระแส ก่อนต่อยอดไปสู่แนวคิดการตรวจวัดกระแสและตรวจจับความผิดปกติของวงจร

LED (Light-Emitting Diode) คืออุปกรณ์สารกึ่งตัวนำชนิดหนึ่งที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นแสงสว่าง มีจุดเด่นด้านประสิทธิภาพการประหยัดพลังงาน ความร้อนต่ำ และอายุการใช้งานยาวนาน

การควบคุมกระแสในวงจรขับ LED

LED เป็นอุปกรณ์ประเภท Current-driven Device ซึ่งหมายความว่า ความสว่างและความเสถียรในการทำงานขึ้นอยู่กับกระแสที่ไหลผ่าน LED เป็นหลัก

led and Series Resistor — รูป 2 การต่อ LED กับ Resistor

ในการออกแบบวงจรพื้นฐาน วิธีที่นิยมใช้คือการต่อตัวต้านทานอนุกรม (Series Resistor) เพื่อจำกัดกระแสที่ไหลผ่าน LED ซึ่งเหมาะสำหรับงานทั่วไปที่ไม่ได้ต้องการการควบคุมกระแสอย่างแม่นยำ อย่างไรก็ตาม สำหรับงานที่ต้องการความสว่างและกระแสที่มีความเสถียร วิธีนี้มีข้อจำกัดเมื่อแรงดันไฟเลี้ยง (Supply Voltage) เปลี่ยนแปลง เนื่องจากกระแสที่ไหลผ่าน LED จะเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย

สามารถคำนวณค่า LED Resistor Calculator ได้จาก LED Resistor Calculator

TPS92612-Q1 กับการทำงานเบื้องต้น

The TPS92612-Q1 constant-current LED driver — รูปที่ 3 *TPS92612-Q1 วงจร constant-current LED เบื้องต้น*

รูปที่ 3 แสดงแผนภาพอย่างง่ายของวงจรขับหลอด LED แบบเชิงเส้น (Linear LED Driver) รุ่น TPS92612-Q1 จาก Texas Instruments (TI) ซึ่งรับแรงดันไฟฟ้าเลี้ยงวงจรโดยตรงจากแบตเตอรี่ของยานพาหนะ $\large V_{\text{BAT}}$

ตัวอุปกรณ์มีขา EN/PWM สำหรับควบคุมการเปิด-ปิดของเอาต์พุต LED โดยสามารถเปิดให้ LED ทำงานอย่างต่อเนื่อง หรือป้อนสัญญาณ PWM เพื่อควบคุมระดับความสว่างของ LED ได้

ในส่วนของการควบคุมกระแส วงจร Control Loop จะตรวจวัดแรงดัน $\large V_{\text{SNS}}$ ที่ตกคร่อมตัวต้านทานวัดกระแส $\large R_{\text{SNS}}$ แล้วนำค่าที่ได้มาใช้ควบคุม FET ภายใน IC ซึ่งต่ออนุกรมกับหลอด LED เพื่อรักษากระแส $\large I_{\text{LED}}$ ให้คงที่ตามค่าที่กำหนด

เมื่ออุปกรณ์เปิดใช้งาน กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านตัวต้านทานวัดกระแส $R_{\text{SNS}}$ โดยวงจร Control Loop จะปรับการทำงานของ PASS FET ภายใน IC เพื่อรักษาแรงดันที่ตกคร่อม $R_{\text{SNS}}$ ให้คงที่่ $\large V_{\text{SNS}}$ = $\large 98\text{ mV}$ ดังนั้น เมื่อใช้ $\large R_{\text{SNS}}$ = $\large 2.5\ \Omega$ เราสามารถคำนวณกระแสที่ไหลผ่านหลอด LED $(\large I_{\text{LED}})$ ได้จากสมการที่ 1 ดังนี้

{\large I_{\text{LED}} = \frac{98\text{ mV}}{R_{\text{SNS}}} = \frac{98\text{ mV}}{2.5\ \Omega} = 39.2\text{ mA}}

เนื่องจาก TPS92612-Q1 เป็นไดรเวอร์ประเภทเชิงเส้น (Linear Driver) กำลังไฟฟ้าสูญเสียภายในตัวอุปกรณ์ $\large P_{\text{DISS}}$ จึงคำนวณได้ตามสมการที่ 2 ดังนี้

\large P_{\text{DISS}} = (V_{\text{BAT}} – V_{\text{F}}) \times I_{\text{LED}}

โดยที่ $\large V_{\text{F}}$ คือแรงดันตกคร่อมรวมแบบอนุกรมของหลอด LED (ในตัวอย่างคือ LED ของ Osram รุ่น LR H9GP) จำนวน 3 หลอดต่ออนุกรมกัน โดยแต่ละหลอดมีแรงดันตกคร่อมประมาณ 1.8 V ที่กระแส $\large I_{\text{LED}}$ = $\large 39.2\text{ mA}$ ดังนั้นแรงดันตกคร่อม LED ทั้ง 3 หลอดจึงมีค่าประมาณ $\large V_F = 3 \times 1.8 = 5.4\text{ V}$

เมื่อ $\large V_{\text{BAT}} = 18\text{ V}$ กำลังที่สูญเสียใน IC จะเท่ากับ $\large P_{\text{DISS}} = 0.49\text{ W}$

หากนำไปใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง การต่อตัวต้านทานชันต์ (Shunt Resistor) ขนานระหว่างขา IN และ OUT ของไอซี จะช่วยแบ่งกระแส $\large I_{\text{LED}}$ บางส่วนออกไปไหลผ่านตัวต้านทานแทน ส่งผลให้กำลังไฟฟ้าสูญเสีย $\large P_{\text{DISS}}$ ภายในตัวไอซีลดลง

วงจรขับและตรวจวัดกระแส LED ในวงจรเดียว

รูปที่ 4 แสดงการเพิ่มวงจรตรวจวัดกระแส LED เข้ากับวงจรขับ LED โดยใช้ตัวต้านทานวัดกระแส $\large V_{\text{OUT}}$ ที่มีอยู่ในวงจร TPS92612-Q1 อยู่แล้ว ตัวต้านทานนี้ทำหน้าที่ตรวจจับและกำหนดกระแส LED และแรงดัน $\large V_{\text{SNS}}$ ที่ตกคร่อม $\large R_{\text{SNS}}$ ยังสามารถนำมาใช้เป็นสัญญาณสำหรับมอนิเตอร์กระแส LED ได้อีกด้วย

ในส่วนของวงจรมอนิเตอร์ ใช้ทรานซิสเตอร์ PNP 2 ตัว คือ T2A และ T2B ซึ่งรวมอยู่ในแพ็กเกจเดียวกันของ
PMP5201Y-Q จาก Nexperia โดยทรานซิสเตอร์ทั้งสองตัวมีคุณสมบัติใกล้เคียงกัน หรือเรียกว่า Matched Pair ทำให้สามารถนำมาใช้เปรียบเทียบกระแสระหว่างกันได้ สำหรับงานทั่วไปที่ไม่ใช่ยานยนต์ สามารถเลือกใช้ BCM857BS จาก Nexperia หรือ DMMT3906 จาก Diodes Inc. ได้เช่นกัน

หลักการทำงานคือ เมื่อกระแสที่ไหลผ่าน T2A และ T2B มีค่าเท่ากัน แรงดันระหว่างเบสกับอิมิตเตอร์ $V_{\text{BE}}$ ของทรานซิสเตอร์ทั้งสองตัวจะมีค่าเท่ากันด้วย จากการพิจารณาวงจรตามกฎแรงดันของเคอร์ชฮอฟฟ์ (KVL) จึงได้ว่าแรงดัน $\large V_{\text{SNS}}$ ที่ตกคร่อม $\large R_{\text{SNS}}$ จะเท่ากับแรงดันที่ตกคร่อม $\large R_{\text{1}}$ ทำให้สามารถคำนวณกระแส $\large R_{\text{1}}$ ที่ไหลผ่าน $\large R_{\text{1}}$ ได้จากสมการที่ 3 ดังนี้

\large I_{\text{R1}} = \frac{V_{\text{SNS}}}{R_1} = \frac{98\text{ mV}}{1\text{ k}\Omega} = 98\ \mu\text{A}

หากมองข้ามกระแสเบสของทรานซิสเตอร์ (T2A) ซึ่งมีค่าน้อยมาก กระแส $\large I_{\text{R1}}$ นี้จะไหลผ่าน $\large R_1$ ต่อไปด้วยเช่นกัน ส่งผลให้เกิดแรงดันตกคร่อม $\large R_2$ กลายเป็นแรงดันเอาต์พุต $\large V_{\text{OUT}}$ ที่อ้างอิงกับกราวด์ (Ground-referenced) เพื่อส่งต่อไปยัง ADC สำหรับตรวจจับค่า หรือส่งให้ Comparator ประมวลผลต่อไป

วงจรนี้จึงทำหน้าที่แปลงระดับแรงดัน (Level-shift) และขยายสัญญาณ โดยเปลี่ยนแรงดันส่วนต่างทางฝั่งด้านสูง
(High-side differential) $\large V_{\text{SNS}}$ ให้กลายเป็นสัญญาณ $\large V_{\text{OUT}}$ ที่อ้างอิงกับ 0V สมการที่ 4 แสดงการคำนวณค่า $\large V_{\text{OUT}}$ สำหรับอุปกรณ์ในวงจรนี้

\large V_{\text{OUT}} = \left(\frac{R_{\text{SNS}} \times R_2}{R_1}\right) \times I_{\text{LED}} = \left(\frac{2.5\ \Omega \times 10\text{ k}\Omega}{1\text{ k}\Omega}\right) \times I_{\text{LED}} = 25\ \Omega \times 39.2\text{ mA} = 980\text{ mV}

เพื่อให้แรงดัน $\large V_{\text{BE}}$ ของ T2A และ T2B เท่ากัน กระแสที่ไหลผ่านทรานซิสเตอร์ทั้งสองตัวจึงต้องมีค่าเท่ากัน ดังนั้น เมื่อมีกระแส $\large 98 \mu\text{A}$ ไหลผ่าน T2A เราจึงต้องทำให้กระแสที่ไหลผ่าน T2B มีค่า $\large 98\, \mu\text{A}$ เช่นเดียวกัน แต่เนื่องจาก $\large R_{\text{SNS}}$ ต่ออยู่ทางฝั่งขาเข้า ซึ่งถ้าใช้แรงดันจากแบตเตอรี่ยานพาหนะ $\large V_{\text{BAT}}$ ที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตั้งแต่ 8 V ถึง 18 V จึงต้องมีวงจรสำหรับกำหนดกระแส $\large I_{\text{BIAS}}$ ในฝั่ง T2B ให้คงที่

วงจรนี้ประกอบด้วย Shunt Regulator รุ่น TL431 และทรานซิสเตอร์ NPN เบอร์ 2N3904 โดย TL431 มีแรงดันอ้างอิง $\large V_{\text{REF}} = 2.5\text{ V}$

การคำนวณ $\large I_{\text{BIAS}}$ เพื่อให้ T2A และ T2B เท่ากันมีสูตรดังนี้

\large I_{\text{BIAS}} = \frac{V_{\text{REF}}}{R_4} = \frac{2.5\text{ V}}{25.5\text{ k}\Omega} \approx 98\ \mu\text{A}

เพื่อให้วงจรทำงานได้อย่างถูกต้อง ตัวไอซี TL431 จำเป็นต้องได้รับกระแสแคโทด $\large I_{\text{K}}$ สูงกว่าค่าขั้นต่ำซึ่งอยู่ที่ $\large 80\ \mu\text{A}$ (ที่อุณหภูมิ 25°C) โดยค่ากระแสแคโทดขั้นต่ำ $\large I_{\text{K(MIN)}}$ ของ TL431 ในวงจรนี้จะเกิดขึ้นเมื่อแรงดันแบตเตอรี่ลงไปแตะระดับต่ำสุด $\large V_{\text{BAT(MIN)}}$ ซึ่งคำนวณได้ตามสมการที่ 6 ดังนี้

\large I_{\text{K(MIN)}} = \frac{V_{\text{BAT(MIN)}} – V_{\text{REF}} – V_{\text{BE(T1)}}}{R_3} = \frac{8\text{ V} – 2.5\text{ V} – 0.7\text{ V}}{10\text{ k}\Omega} = 0.48\text{ mA}

จากผลการคำนวณพบว่า กระแส $\large I_{\text{K(MIN)}}$ = $\large 0.48\text{ mA}$ (หรือ $\large 480\ \mu\text{A}$ ) สูงกว่าค่ากระแสขั้นต่ำ $\large 80\ \mu\text{A}$ ที่ไอซีกำหนดไว้ จึงเพียงพอสำหรับการทำงานของวงจรและช่วยให้สามารถรักษากระแส $\large I_{\text{BIAS}}$ ได้ตลอดช่วงแรงดันแบตเตอรี่ที่กำหนด

จากนั้นจึงทำการทดสอบวงจรจริง โดยรูปที่ 4 แสดงผลการวัดแรงดัน $\large V_{\text{OUT}}$ เมื่อแรงดันแบตเตอรี่ $\large V_{\text{BAT}}$ เปลี่ยนแปลงตั้งแต่ 8 V ถึง 18 V ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่า วงจรตรวจวัดกระแสสามารถลดผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงของแรงดัน $\large V_{\text{BAT}}$ ซึ่งเป็นแรงดันโหมดร่วม (Common-mode voltage) ได้

จากการคำนวณ แรงดัน $\large V_{\text{OUT}}$ ได้ ที่คาดหวังว่าจะมีแรงดัน 980 mV ขณะที่ผลการทดสอบจริงพบว่า $\large V_{\text{OUT}}$ มีค่า 989 mV ที่ $\large V_{\text{BAT}}$ = $\large 8\text{V}$ และเพิ่มขึ้นเป็น 1,027 mV ที่ $\large V_{\text{BAT}}$ = $\large 18\text{V}$ ได้

Variation in current-monitoring circuit VOUT as VBAT varies — รูป 5 การเปลี่ยนแปลงของ $V_{\text{OUT}}$ เมื่อ $V_{\text{BAT}}$ เปลี่ยนแปลง

รูปที่ 5 แสดงค่าแรงดันเอาต์พุต $\large V_{\text{OUT}}$ ที่คาดว่าจะเกิดขึ้นภายใต้สภาวะการทำงานปกติ ทั้งนี้ หากเกิดสภาวะผิดปกติ (Fault Condition) ขึ้น และตัวไอซี TPS92612-Q1 ไม่สามารถควบคุมกระแสได้อย่างถูกต้อง รูปที่ 6 จะแสดงลักษณะการตอบสนองของแรงดัน $\large V_{\text{OUT}}$ เมื่อกระแส $\large I_{\text{LED}}$ มีการเปลี่ยนแปลงไปการต่อซีเนอร์ไดโอด (Zener Diode) สำหรับจำกัดแรงดัน (Clamp) ขนานไว้กับตัวต้านทาน $\large R_2$ จะช่วยป้องกันไม่ให้ระดับแรงดัน $\large V_{\text{OUT}}$ สูงเกินไปจนเกิดความเสียหายเมื่อเกิดสภาวะผิดปกติขึ้นในวงจร

Figure 4: Variation in current-monitoring circuit VOUT as ILED varies (Source: Texas Instruments) — รูป 6 การเปลี่ยนแปลงของแรงดัน $V_{\text{OUT}}$ ของวงจรตรวจวัดกระแสเมื่อกระแส $I_{\text{LED}}$ เปลี่ยนแปลง

เมื่อกระแส $\large I_{\text{LED}} = 0\text{ mA}$ แรงดันเอาต์พุต $\large V_{\text{OUT}}$ จะวัดค่าได้ $\large 318\text{ mV}$ ซึ่งระดับแรงดันนี้จะปรากฏที่ $\large V_{\text{OUT}}$ เช่นกันในกรณีที่ไอซี TPS92612-Q1 ตรวจพบสภาวะการลัดวงจรลงกราวด์ (Short-to-ground) ที่ฝั่งเอาต์พุต แล้วสั่งปิดการทำงานของตัวมันเองเมื่อทดสอบปรับเปลี่ยนอุณหภูมิของวงจรที่แรงดันขาเข้า $\large V_{\text{IN}}$ $\large = 12\text{ V}$ ผลการทดสอบจะแสดงดังในรูปที่ 5 โดยพบว่า ที่อุณหภูมิ 90°C แรงดัน $\large V_{\text{OUT}}$ เพิ่มขึ้นไปอยู่ที่ $\large 1,030\text{ mV}$ เมื่อเทียบกับค่าเริ่มต้น $\large 1,004\text{ mV}$ ที่อุณหภูมิ 17°C

เมื่อกระแส $\large I_{\text{LED}}$ = $\large 0 \text{mA}$ แรงดันเอาต์พุต $\large V_{\text{OUT}}$ ที่วัดได้มีค่าประมาณ $\large 318 \text{mV}$ โดยแรงดันระดับนี้สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อไอซี TPS92612-Q1 ตรวจพบการลัดวงจรลงกราวด์ (Short-to-ground) ที่ฝั่งเอาต์พุต และสั่งปิดการทำงานของเอาต์พุต

นอกจากนี้ ได้ทำการทดสอบการเปลี่ยนแปลงของแรงดัน $\large V_{\text{OUT}}$ เมื่ออุณหภูมิของวงจรเปลี่ยนแปลง โดยกำหนดแรงดันขาเข้า $\large V_{\text{IN}} = 12\text{V}$ ผลการทดสอบแสดงในรูปที่ 7 พบว่า เมื่ออุณหภูมิเพิ่มจาก $\large 17^\circ\text{C}$ เป็น $\large 90^\circ\text{C}$ แรงดัน $\large V_{\text{OUT}}$ เพิ่มขึ้นจาก $\large 1{,}004\text{ mV}$ เป็น $\large 1{,}030\text{mV}$

Variation in current-monitoring circuit VOUT as temperature varies — รูป 7 การเปลี่ยนแปลงของแรงดัน $V_{\text{OUT}}$ ของวงจรตรวจวัดกระแสเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง

การควบคุมความสว่าง LED ด้วย PWM (PWM Dimming)

ขา EN/PWM ของ TPS92612-Q1 สามารถรับสัญญาณ PWM เพื่อควบคุมความสว่างของ LED ได้ รูปที่ 8 แสดงรูปคลื่นที่ได้จากการป้อนสัญญาณ PWM ความถี่ 100 Hz และ Duty Cycle 50%

เมื่อสัญญาณ PWM เปลี่ยนเป็นลอจิกต่ำ (Low) แรงดันที่ขา OUT ของ TPS92612-Q1 จะลดลงอย่างรวดเร็วในช่วงแรก จนเมื่อแรงดันลดลงถึงระดับแรงดันนำกระแสรวม $\large V_{\text{F}}$ ของ LED ทั้ง 3 หลอด กระแส $\large I_{\text{LED}}$ จะลดลงจนเป็นศูนย์ ส่งผลให้ LED ดับลง จากนั้นคาปาซิเตอร์ที่ต่ออยู่ที่ขา OUT และขนานกับ LED จะค่อย ๆ คายประจุผ่านกระแสรั่วไหล (Leakage Current) ทำให้แรงดันที่ขา OUT ยังคงลดลงอย่างช้า ๆ และอาจยังไม่ลดลงถึง 0 V

อย่างไรก็ตาม แม้แรงดันที่ขา OUT จะยังไม่เป็น 0 V แต่เมื่อ $\large I_{\text{LED}}$ = 0 LED ก็ดับแล้ว ดังนั้น การทำงานของการหรี่แสงจึงยังคงเป็นไปตาม Duty Cycle ของสัญญาณ PWM ที่ป้อนเข้ามา

สรุปส่งท้าย (Conclusion)

ในการออกแบบระบบไฟ LED ที่ต้องการความเสถียรและความปลอดภัยสูง การควบคุมกระแส LED ให้คงที่เพียงอย่างเดียวอาจยังไม่เพียงพอ การมีวงจรตรวจวัดกระแส (Current Monitoring) ที่สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของกระแสได้อย่างแม่นยำ จึงมีส่วนสำคัญในการตรวจสอบสถานะการทำงานของระบบ

วงจรตรวจวัดกระแสที่นำเสนอในบทความนี้ เป็นตัวอย่างของการนำอุปกรณ์ที่มีอยู่ในวงจรขับ LED มาต่อยอด โดยใช้ตัวต้านทานวัดกระแส $\large R_{\text{sns}}$ ร่วมกับทรานซิสเตอร์แบบคู่ที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงกัน (Matched Pair) และ Shunt Regulator เพื่อสร้างแรงดันเอาต์พุต $V_{\text{OUT}}$ ที่อ้างอิงกับกราวด์ ซึ่งสามารถนำไปใช้เป็นสัญญาณสำหรับ ADC หรือ Comparator ได้โดยตรง ขณะเดียวกัน วงจรยังสามารถลดผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงของแรงดันแบตเตอรี่และอุณหภูมิที่มีต่อสัญญาณเอาต์พุตได้

แนวทางนี้จึงเป็นอีกทางเลือกสำหรับนักพัฒนาและวิศวกรที่ต้องการเพิ่มความสามารถในการตรวจวัดกระแสให้กับวงจรขับ LED โดยไม่ต้องเพิ่มวงจรที่มีความซับซ้อนมากนัก และสามารถนำแนวคิดไปประยุกต์ใช้กับงานออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องการตรวจสอบกระแสหรือสถานะของโหลดได้

Translated and edited by Bunpajarn

Source : Powerelectronicsnews.com
Schematic (Draw by Bunpajarn) : TPS92612-Q1 LED driver plus current-monitoring

Bunpajarn | Learn • Share • Grow Together.
พื้นที่สำหรับคนที่รักและสนใจ Electronics & Embedded