מודולי ספק כוח – בחיפוש אחר שילוב מנצח

תכנונים של רכיבי ציוד מנצלים יותר ויותר התקנים מסוג MCU,‏ DSP ו-FPGA כדי לספק את הפונקציונליות והביצועים הנדרשים מהם. לתחכום זה נלווה האתגר המחייב לספק להתקנים אלה את מגוון המתחים וההספקים הדרושים להם. השימוש במודולי ספק כוח שנבחרו בקפידה יכול לסייע לבצע את המשימה ביתר קלות ולאפשר למתכנני מערכות להגיע לשוק בזמן, מבלי להתפשר
בדיקה מהירה של מרבית פריטי הציוד הקיימים בענף התעשייה והטלקומוניקציה תראה בבירור שנדרש מספר גדול של אפיקי מתח DC נפרדים שפועלים בזרמים שונים כדי לספק מתח לכל מעגלי המשנה בדגם. כל אפיק מתח DC לרוב מקבל מתח מספק כוח ממותג מסוג DC-DC או מ-LDO שצריכים להתאים לשטחי PCB הולכים וקטנים, ועדיין לעמוד במפרטי ביצועים יותר ויותר נוקשים ותובעניים הקשורים ליעילות, ויסות מתח כניסה ויציאה וטמפרטורת הפעלה – וזוהי רק רשימה מצומצמת. מפרטים אלה נחוצים כדי להבטיח שהציוד יוכל לפעול לפרק זמן ארוך יותר, לפעול בטמפרטורה קרירה יותר ולהשיג מהימנות גבוהה יותר. כדי לתכנן ממירים אלה בארגון עצמו, חברות ציוד אלקטרוני נדרשות להעסיק מהנדסי חשמל מוסמכים ומנוסים, ובהתאם למספר הממירים הדרוש, לאפשר מספיק זמן בלוח הזמנים של הפרויקט לעיצוב ולאב-טיפוס של מערכת החשמל, כולל בדיקה ואימות מלאים. מדובר בתהליך יקר הגוזל זמן רב, שמשפיע הן על תקציב הפרויקט והן על זמן ההגעה לשוק בשוק תחרותי במיוחד שבו זמן ועלות הם מצרכים נדירים.

“רשימת משאלות” לעיצוב מערכת החשמל האולטימטיבית
ניתוח מהיר של דרישות המתח למערכת משנה מאפשר זיהוי קל של רשימת משאלות לפתרון אידאלי להספקת חשמל. על הפתרון:
1. לעמוד במפרטים הקפדניים ביותר של מערכת המשנה, לדוגמה סבילות וולטאג’.
2. לפעול ביעילות המרבית האפשרית – זה מאפשר פעולה ארוכה יותר של התקנים המופעלים על-ידי סוללות ומצמצם את פיזור המתח כך שההתקנים יכולים לפעול בטמפרטורה קרירה יותר ולהיות מהימנים יותר. כל עליה של 10°C בטמפרטורת ההפעלה מפחיתה במחצית את הזמן הממוצע בין תקלות (MTBF).
3. לספק תגובה זמנית מצוינת לפעולת FPGA ו-CPU כדי למנוע פעולה מלאכותית שנגרמת על-ידי מדידת זמן שגויה או רציפות מתח לא נכונה.
4. להציע מתח מוצא ותדר מיתוג ניתנים לתכנות, ולספק הגנה מפני מצבים של זרם יתר ומתח יתר.
5. באופן אידאלי, להימנע מדרישת פיצוי חיצונית – אחרת, המשימה להבטחת יציבות הדגם בתנאי התרחיש הגרוע ביותר של מתחי כניסה/יציאה וזרמי עומס, עלולה לגזול זמן רב.
6. לספק פתרון שיכול להתאים לשטחים קטנים ללא פשרות.
7. להשיג פשטות מסוג “הכנס-הפעל”, שאינה דורשת פתרון בעיות מערכת כאשר ה-PCB מתוכנן כהלכה.
8. להשיג את כל המטרות שצוינו לעיל בעלות נמוכה בכמויות ייצור בינוניות וגבוהות.
ניתן לאמוד את החשיבות של נקודות אלו על-ידי בחינה של מערכת משנה צנועה, הזקוקה לחמישה מתחי יציאה הנעים בין V0.6 ל-V3 ופועלת ממתח כניסה של V5 עד V20. לרוב נעשה שימוש בממיר מסוג Step-Down Buck להורדת מתח מסוג DC-DC כדי ליצור כל אחד מהמתחים, כפי שמצוין בסכמה הפונקציונלית המפושטת באיור 1. אולם בהיותו פתרון בדיד, עיצוב מסוג זה יכול בקלות להימשך בין 2 ל-4 חודשים, כאשר חלק ניכר מהזמן יוקדש כדי לוודא שניתן להבטיח בצורה מוחלטת את היציבות של לולאות הבקרה והתגובה הזמנית של יציאות המתח השונות בתנאי טמפרטורה גרועים ביותר ובערכי הפרמטרים של הרכיבים הבדידים בהתפלגות מסוג שש סיגמא. בחלק מהמקרים, פרק זמן כה ארוך עשוי לקבוע אם מוצר חדש יגיע או לא יגיע לשוק לפני המתחרה.

שילוב טוב יותר עוזר, אבל מודול הוא הפתרון המנצח
כיום, חברות רבות של מוליכים למחצה מספקות פתרונות ממיר DC-DC המשלבים רבים מרכיבי הבקרה של ספק כוח ממותג, למשל מגבר פיצוי, מחולל אותות “שן משור” (Ramp) ומשווה, אשר יוצרים אפנון PWM שמפקח על מתג הכוח. אולם זה עדיין משאיר את מסנני המוצא מסוג MOSFET,‏ LC ואת רוב רכיבי משוב הפיצוי הפסיביים מחוץ לשבב. יש לבחור רכיבים אלה בקפידה יתרה ולבחון היטב את הפעולה שלהם, ואפילו השימוש בכלי העיצוב שספקים רבים מציעים גוזל זמן.
מומלץ אף יותר – בעיקר עבור מתכנני מערכות שאינם מומחים בתכנון מערכות בקרת הספק – להשתמש במודולי מתח המשלבים בקר PWM, מתגי כוח MOSFET וסליל השראה במארז קטן. מודולים אלה לרוב מתוכננים, ממוטבים ונבדקים על-ידי צוות רב-תחומי של מהנדסים, שכל אחד מהם מומחה בתחומו. כך מקבל מהנדס האפליקציה התקן המספק ביצועים מובחרים, מהימנות גבוהה ואת היתרון של זמינות מיידית, המקצרת את זמן ההגעה לשוק בכמה חודשים.
דוגמאות טובות להתקנים מסוג זה הן המודולים האחרונים שהצטרפו למשפחת המודולים המתרחבת של Exar; הדגמים XR79103/06 ו-XR79203/06 מספקים מוצאים של A3 ו-A6 בערכי מתח המגיעים עד V0.6 מהספקות כניסה של עד V22 ו-V40 בהתאמה.

מה מציעים המודולים הללו?
מודולים אלה של ספקי כוח – המיושמים כממירי Buck סינכרוניים להורדת מתח – משתמשים בבקרת זרם בלולאת בקרה קבועה בזמן (COT). הם לא דורשים פיצוי לולאה חיצוני והם יציבים לחלוטין הודות לקבלי מוצא קרמיים ופועלים בתדר מיתוג כמעט קבוע, הדורש מעט מאוד רכיבי תחזוקה חיצוניים. טווח מתח הכניסה הרחב מאפשר לדגם XR79103/06 לפעול במסילות של V5,‏ V12 ו-V19.6 בתקן התעשייה, בעוד הדגם XR79203/06 יכול להתמודד עם כניסות DC סטנדרטיות של V24 ו-V18 עד V36, ואף כניסות של V18 AC ו-V24 AC.
יתרה מכך, המודולים הללו לא רק עונים על רשימת המשאלות שצוינה קודם לכן – אשר שימשה בסיס להגדרות המוצרים ולכן עומדים בדרישות לציוד אלקטרוני מודרני – הם גם עושים זאת במחיר תחרותי.

מודולים לא חייבים להוות פשרה
הבקרים המשמשים את מודולי ספק הכוח של Exar מציעים ביצועים זהים לבקרי ה-IC המקבילים להם ומספקים ויסות קו ועומס חסרי תקדים. כמו כן, כדי להשיג יעילות מרבית בשני הקצוות של טווח זרם המוצא, ניתן להפעיל את הפעולה ממצב הזרם הקבוע הרגיל (CCM) למצב של הולכת זרם לא רציפה (DCM) כדי לחסוך מתח בזרמי עומס קלים. מודולים אלה גם מספקים את כל תכונות ההגנה הרגילות, כגון זרם יתר, טמפרטורת יתר, קצר חשמלי והשבתת תת מתח, כדי להבטיח פעולה בטוחה בתנאי פעולה חריגים. להלן תכונות נוספות: התחלה רכה הניתנת לתכנות, הגבלת זרם ניתנת לתכנות מסוג hiccup עם פיצוי תרמי, סימוני Power-Good (“הספקת מתח תקינה”) ו-Precision Enable (“אפשר דיוק”) ודיודת עקיבה משולבת.
המקום שבו הגישה של המודול מנצחת באמת טמון בשילוב ה-IC של הבקר, עם ערכת התכונות העשירה שלו, עם רכיבי רכבת הכוח, אשר נבחרו לביצועי מיתוג מיטביים, במארז קטן וחסכוני. מארזי ה-QFN המשמשים מודולים אלה (ראה איור 2) כוללים לוחות גדולים המתחברים לצמתי מפתח ברכבת הכוח, מבטיחים מגע אוהמי טוב ומצמצמים למינימום הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI). לוחות אלה גם מספקים למודול קירור מצוין, שמוביל להתנגדות תרמית JC ‏(junction-to-case) וביצועים תרמיים מעולים.
בשילוב עם יעילות ההמרה הפנימית במתח גבוה של הווסת, אשר מפחיתה למינימום הפסדי מתח פנימיים, מודולים אלה יכולים לספק מתח מלא עם צורך קטן בפיצוי, אם בכלל – ראה איור 3. מפרט זה של ביצועים יציבים מאפשר שימוש קל במודולים באפליקציות מרובות, פשוט על-ידי החלפת כמה רכיבים פסיביים. כך מתקצר זמן הפיתוח והוצאות המחקר והפיתוח קטנות – מה שמוביל לזמן הגעה לשוק מהיר יותר ומיצוב תחרותי יותר של המוצר.

סיכום
סביבת העיצוב האלקטרוני החדשנית של ימינו, המתפתחת בקצב מהיר, מפעילה לחצים עצומים על מהנדסים להשלים את העיצובים שלהם/ן בזמני שיא, מבלי להתפשר על ביצועים או עלויות. לעזרתם באה משפחת מודולים של ספקי כוח, המשולבים באופן מלא – אשר תוכננו, עוצבו ויוצרו באופן שעוזר להפוך את פיתוח מערכת המשנה של הספקת המתח לתהליך פשוט בן חמישה שלבים:
(1) דע מה הדרישה
(2) בחר את המודול המתאים
(3) חשב את הערכים של רכיבי התחזוקה – ראה איור 4
(4) תכנן את ה-PCB
(5) בדוק ואמת את אב-הטיפוס… ולאחר מכן עבור להישג הבא!
שלוש המשימות הראשונות אמורות להימשך פחות מ-30 דקות להשגת ביצועים ומהימנות מוכחים.

מסגרת: מודולים עדיין יכולים להיות יעילים ביותר
מודולים אינם חייבים להתפשר על הביצועים של ממיר המתח, ועוד פחות על היעילות שלו – שניהם צריכים להיות גבוהים ככל האפשר כדי לצמצם הפסדי מתח ובעיות עם פיזור חום. תרשים היעילות של XR79206 באיור 5 להלן מראה שהוא משיג כ-95% יעילות בתדר מיתוג של KHz700. איור 6 מראה גם איך המודול מחליף מצבים במהירות מפעולת DCM לפעולת CCM כדי להפעיל תגובה זמנית מהירה לפני שהוא חוזר ל-DCM כדי לחסוך מתח.