เมื่อข้อกำหนดด้าน DCR สำหรับตัวแปลงไฟฟ้ากระแสตรง-กระแสตรง (DC-DC) ประสิทธิภาพสูงและโมดูลจ่ายพลังงานสำหรับปัญญาประดิษฐ์ (AI) ลดลงเรื่อยๆ จนถึงระดับมิลลิโอห์ม หรือแม้แต่ไมโครโอห์ม วิธีการวัดแบบสองสายแบบดั้งเดิมจะก่อให้เกิดความคลาดเคลื่อนที่มากเกินไป จึงจำเป็นต้องใช้วิธีการเชื่อมต่อแบบสี่สาย (เคลวิน) ในการวัดแทน วิศวกรหลายคนเข้าใจผิดว่าการวัดค่า DCR นั้นทำได้ง่าย โดยคิดว่าสามารถทำได้เพียงแค่หนีบชิ้นส่วนด้วยปลายวัดของมัลติมิเตอร์หรือเครื่องวัด LCR เท่านั้น อย่างไรก็ตาม ในกระบวนการผลิตจริง มักเกิดปัญหาต่างๆ ขึ้นบ่อยครั้ง เช่น การอ่านค่าที่ไม่สอดคล้องกันระหว่างเครื่องมือหลายเครื่องเมื่อวัดขดลวดเหนี่ยวนำชิ้นเดียวกัน ค่าที่เปลี่ยนแปลงไปเนื่องจากแรงกดที่แตกต่างกันบนปลายวัด และค่าที่สูงผิดปกติอย่างมากเมื่อวัดขดลวดเหนี่ยวนำที่มีค่าอินดักแตนซ์ต่ำ ต่อไปนี้เราจะพิจารณาสาเหตุที่แท้จริงของปัญหาเหล่านี้
1- การเข้าใจแก่นแท้ของค่าความต้านทานกระแสตรงของขดลวดเหนี่ยวนำ (Inductor DCR) และความยากลำบากในการวัดค่า
ความต้านทานกระแสตรง (DCR) ของขดลวดเหนี่ยวนำ หมายถึง ส่วนประกอบเชิงต้านทานแบบบริสุทธิ์ที่เกิดขึ้นจากขดลวดของตัวเหนี่ยวนำภายใต้แรงขับกระแสตรง ซึ่งเกิดจากความต้านทานโดยธรรมชาติของลวดทองแดงที่ใช้พันขดลวดเหนี่ยวนำ พารามิเตอร์นี้มีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน การกระจายความร้อน และความน่าเชื่อถือในระยะยาวของระบบจ่ายพลังงาน
ความยากทางเทคนิคหลักในการวัดค่า DCR อย่างแม่นยำ คือ ค่า DCR ของขดลวดเหนี่ยวนำทั่วไปมักอยู่ในช่วงไม่กี่มิลลิโอห์ม ถึงหลายร้อยมิลลิโอห์ม เมื่อความต้านทานที่ต้องการวัดลดลงถึงระดับมิลลิโอห์ม ความต้านทานของสายวัดเอง (โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 0.1 โอห์ม ถึง 0.5 โอห์ม) และความต้านทานการสัมผัสของหัววัด (ตั้งแต่ไม่กี่มิลลิโอห์ม ถึงหลายสิบมิลลิโอห์ม) ในการวัดแบบสองสายแบบดั้งเดิม จะมีค่าใกล้เคียงกับความต้านทานที่ต้องการวัดมากจนทำให้ค่าที่วัดได้เบี่ยงเบนจากค่าจริงอย่างรุนแรง
2- วิธีการวัดแบบเคลวินสี่สาย (Kelvin Four-Wire Method) — วิธีพื้นฐานที่ช่วยขจัดความคลาดเคลื่อนจากสายนำ
วิธีมาตรฐานสำหรับการวัดค่าความต้านทานต่ำคือการเชื่อมต่อแบบเคลวินสี่สาย ซึ่งวิธีนี้ถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยลอร์ดวิลเลียม ธอมสัน เคลวิน เมื่อปี ค.ศ. 1861 และยังคงเป็นเกณฑ์อ้างอิงสำหรับการวัดค่าความต้านทานต่ำอย่างแม่นยำจนถึงปัจจุบัน
2.1 เหตุใดวิธีการวัดแบบสองสายจึงไม่สามารถใช้งานได้
ในการวัดแบบสองสายทั่วไป วงจรกระตุ้นกระแสไฟฟ้าและวงจรตรวจจับแรงดันไฟฟ้าจะใช้คู่ของสายเดียวกัน ค่าความต้านทานที่มิเตอร์วัดได้คือ
R_measured = R_DUT + 2 × (R_lead + R_contact)
โดยที่ R_lead คือค่าความต้านทานของสายวัดแต่ละเส้นหนึ่งเส้น (โดยทั่วไปอยู่ในช่วงไม่กี่โอห์มถึงหลายร้อยโอห์ม) และ R_contact คือค่าความต้านทานการสัมผัสระหว่างหัววัดกับจุดที่ทำการวัด (อยู่ในช่วงไม่กี่โอห์มถึงหลายสิบโอห์ม) เมื่อค่า R_DUT มีเพียงไม่กี่มิลลิโอห์ม ความคลาดเคลื่อนที่เกิดจากความต้านทานของสายวัดและจุดสัมผัสอาจสูงกว่าค่าที่แท้จริงได้ถึงหลายสิบเท่า
2.2 หลักการสำคัญของวิธีเคลวินสี่สาย
วิธีเคลวินสี่สายช่วยแก้ปัญหานี้โดยแยกเส้นทางการไหลของกระแสไฟฟ้าออกจากเส้นทางการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าอย่างชัดเจน เส้นลวดทั้งสี่เส้นจะแบ่งออกเป็นสองคู่ โดยแต่ละคู่ทำหน้าที่ต่างกันอย่างชัดเจน
◾ สายแรงขับ (สายจ่ายกระแส, 2 เส้น): จ่ายกระแสตรง (DC) ที่ทราบค่าและคงที่ไปยังขดลวดเหนี่ยวนำที่อยู่ระหว่างการทดสอบ อาจมีค่าแรงดันตกคร่อมวงจรจ่ายกระแส แต่ความต้านทานของสายนำและค่าความต้านทานที่จุดสัมผัสจะไม่ส่งผลต่อความแม่นยำของการวัด
◾ สายตรวจจับ (สายวัดแรงดัน, 2 เส้น): วัดค่าแรงดันตกคร่อมปลายทั้งสองด้านของขดลวดเหนี่ยวนำโดยอิสระ (แทนที่จะวัดที่ขั้วต่อของอุปกรณ์ทดสอบ) เนื่องจากอิมพีแดนซ์ขาเข้าของวงจรตรวจจับแรงดันมีค่าสูงมาก (โดยทั่วไปในเครื่องมือวัดสมัยใหม่มีค่ามากกว่า 1 GΩ) ทำให้กระแสที่ไหลผ่านสายตรวจจับมีค่าใกล้เคียงศูนย์ ดังนั้น ความต้านทานของสายนำและค่าความต้านทานที่จุดสัมผัสจึงไม่ก่อให้เกิดแรงดันตกที่มีนัยสำคัญบนสายตรวจจับ
ตามกฎของโอห์ม ค่า DCR ของขดลวดเหนี่ยวนำสามารถคำนวณได้จากสูตรต่อไปนี้:
DCR = V_Sense / I_Force
V_Sense คือแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมขดลวดเหนี่ยวนำซึ่งวัดโดยตรงผ่านสาย Sense โดยไม่รวมแรงดันตกคร่อมที่เกิดจากสายนำ ส่วน I_Force คือกระแสคงที่ที่ทราบค่าล่วงหน้า การหารค่าทั้งสองนี้จะให้ค่าความต้านทานแบบกระแสตรงที่แท้จริง ซึ่งไม่ขึ้นกับความต้านทานจากการสัมผัสหรือความต้านทานของสายนำในวงจรภายนอกทั้งหมด
2.3 ข้อควรระวังในการวัดแบบสี่สาย
◾ อิสระ ติดต่อ สายทั้งสี่ต้องสัมผัสจุดที่แตกต่างกันทั้งสี่จุดบนขั้วต่อทั้งสองขั้วของขดลวดเหนี่ยวนำอย่างอิสระ ในชุดยึดจริงแต่ละขั้วต่อจะถูกสัมผัสพร้อมกันด้วยหัววัดสองหัว (Force + Sense) แต่หัววัดทั้งสองนี้ไม่เชื่อมต่อกันภายในชุดยึด และจะเชื่อมต่อกันเฉพาะที่แผ่นสัมผัสเท่านั้น
◾ ความสะอาดของหัววัด: การเกิดออกซิเดชันของแผ่นสัมผัสหรือคราบฟลักซ์ที่เหลืออยู่อาจทำให้ค่าความต้านทานการสัมผัสไม่เสถียร แม้ว่าปัญหานี้จะไม่ส่งผลต่อสาย Sense แต่อาจก่อให้เกิดความไม่เสถียรในวงจรกระแสไฟฟ้า หรือทำให้แหล่งจ่ายกระแสคงที่ทำงานเกินขีดจำกัด (saturation) ก่อนทำการวัด โปรดทำความสะอาดแผ่นสัมผัสโดยใช้แอลกอฮอล์ไร้น้ำหรือเช็ดเบาๆ ด้วยยางลบ
3- การตรวจสอบเปรียบเทียบข้อมูลการทดสอบ
ตัวอย่างที่ใช้ในการทดสอบเปรียบเทียบคือ คอยล์เหนี่ยวนำแบบโมลด์สำหรับแอปพลิเคชัน AI ที่ระบุไว้บนเว็บไซต์ทางการของบริษัท CODACA โดยเลือกรุ่น CSHN100760-56NN มาทดสอบเปรียบเทียบด้วยเครื่องมือวัดทั่วไปสามชนิดในตลาด ได้แก่ เครื่องวัดความต้านทานกระแสตรง (DC resistance tester), มัลติมิเตอร์ และเครื่องวัด LCR แบบสะพาน (LCR bridge)
รูปที่ 1 ลักษณะทางไฟฟ้าของคอยล์เหนี่ยวนำแบบโมลด์รุ่น CSHN100760-56NN
รูปที่ 2 เครื่องวัดความต้านทานกระแสตรง (วิธีสี่สายเคลวิน): โซนการวัด DCR
รูปที่ 3 มัลติมิเตอร์ (วิธีสองสาย)
รูปที่ 4 เครื่องวัด LCR แบบสะพาน (การทดสอบด้วยชุดยึด): โซนการวัด LCR
ดังแสดงในรูปที่ 1 แผ่นข้อมูลจำเพาะสำหรับ CSHN100760-56NN ระบุค่า DCR สูงสุดไว้ที่ 0.22 มิลลิโอห์ม ผลการทดสอบโดยใช้เครื่องวัดความต้านทานแบบกระแสตรง (วิธีเคลวินสี่สาย) คือ 0.196 มิลลิโอห์ม ซึ่งสอดคล้องกับข้อกำหนดในแผ่นข้อมูลจำเพาะ โดยผลการวัดจริงแสดงไว้ในรูปที่ 2 เมื่อใช้มัลติมิเตอร์ทั่วไป (วิธีสองสาย) ที่ปรับช่วงการวัดให้อยู่ในช่วงพื้นฐานของการวัดความต้านทานที่ 200 โอห์ม ซึ่งให้ความละเอียดในการวัดเท่ากับ 0.1 โอห์ม ผลการทดสอบคือ 600 มิลลิโอห์ม ซึ่งไม่เป็นไปตามข้อกำหนดในแผ่นข้อมูลจำเพาะ ดังแสดงในรูปที่ 3 เมื่อใช้เครื่องวัด LCR (การทดสอบด้วยฟิกซ์เจอร์) ที่ปรับให้อยู่ในช่วง DCR แล้วทำการปรับศูนย์ก่อนวัด ผลการทดสอบคือ 0.387 มิลลิโอห์ม ซึ่งใกล้เคียงกับค่าเป้าหมายมากขึ้น แต่ยังไม่เป็นไปตามข้อกำหนดในแผ่นข้อมูลจำเพาะ
ดังนั้น เพื่อให้มั่นใจในความแม่นยำของผลการทดสอบ จึงแนะนำให้ใช้เครื่องวัดความต้านทานแบบกระแสตรงเฉพาะ-purpose (วิธีเคลวินสี่สาย) สำหรับการทดสอบค่า DCR บนชิ้นส่วนแม่เหล็ก เช่น คอยล์เหนี่ยวนำ
EN