Steve Knoth & Steve Munns
Linear Technology
קובי גלברג, Avnet Israel
חברת ליניאר טכנולוג’י מספקת מעגלים משולבים ליניאריים ברמות ביצועים גבוהות לתעשיית הביטחון כבר שלושים שנה וממשיכה להקדיש משאבים לא מבוטלים לתמיכה בצרכיו המיוחדים של שוק זה. מחויבות מתמשכת זו באה לידי ביטוי בתמיכה ארוכת הטווח במוצרים מסורתיים ובפיתוחים הספציפיים לתעשייה, כדוגמת מוצרי הפלסטיק הצבאיים שבהם נדון במאמר זה.
מאז יצאה תקנת Perry בשנת 1994 נהנים המתכננים של מערכות צבאיות ברמת אמינות גבוהה מהחופש לבחור רכיבים על בסיס הביצועים שלהם במקום להיות מוגבלים לרכיבים שאושרו לפי תקנים מקומיים. היום, השימוש ברכיבים מסחריים (0-70 מעלות צלסיוס) או ברכיבים תעשייתיים (85/-40 מעלות צלסיוס) כבר הפך לנורמה ולרוב מתייחסים אליהם כאל רכיבי COTS, או “רכיבי מדף”.
עם זאת, רבים מהיישומים המוטסים עדיין מציבים מפרטים מחמירים ביותר, עם טמפרטורות עבודה של מינוס 40 מעלות צלסיוס ופחות, ועם מערכות קריטיות למשימה המצריכות אמינות מלאה ומוחלטת של הביצועים. מערכות בקרה וחישה בשלדת המטוס או במנועים עלולות להיחשף לטמפרטורות קיצוניות ולכן הניהול התרמי נהיה שיקול קריטי.
כדי להתמודד עם כל הדרישות הללו מציעה ליניאר טכנולוג’י מגוון התקנים המתוכננים באופן מיוחד לעבודה אמינה בסביבות קשות, מוצרים המוגדרים כ”פלסטיק לשימושים צבאיים”, או “MP-grade”.
האתגרים של עבודה בטווח טמפרטורות רחב
טמפרטורות קיצוניות עלולות לגרום לבעיות פרמטריות בשבבים, ולעתים אפילו לבעיות הרות אסון. בעיות של טמפרטורה גבוהה מאוד, לרבות הגירה חשמלית, סחיפה פרמטרית, זליגה פרזיטית, נקודות “חמות” ופיזור הספק גבוה שלרוב מתמודדים עמן המתכננים באמצעות שיפור התכנון וטכניקות פריסה שונות.
בטמפרטורות נמוכות בסביבות עבודה קיצוניות ובגובה רב הבעיות הן לרוב סחיפה פרמטרית, התעבות/זליגת לוח, תנודות של טמפרטורות נמוכות, חוסר יציבות, overshoot וביצועי מסנן לקויים.
תכנון מעגל משולב לעבודה בטמפרטורות נמוכות חייב לדאוג לפיצוי קפדני לכל הבעיות הללו. בתרחיש של הדלקה “קרה”, לא מספיק שהרכיבים “יתפקדו” ולאחר מכן פשוט ימתינו עד שהמערכת כולה תתחמם. הפעלה מלאה בטמפרטורה של מתחת למינוס 40 מעלות צלסיוס יכולה להידרש למשך 30 דקות לפחות, והיא נשמרת על-ידי מערכות הקירור שבהן משתמשים.
הגנה על התקני הספק
התקני הספק מציבים בפני מתכנני המעגלים המשולבים את האתגרים שתיארנו לעיל, אך בנוסף לכך גם את הצורך להבטיח הגנה על ההתקן עצמו ועל המעגל כנגד שימוש שגוי או תנאים קשים שבהם יש להיזהר מלעורר את הכשל האפשרי.
המייצבים הליניאריים של LTC משלבים כמה תכונות הגנה שהופכות אותם למתאימים במיוחד לשימוש במערכות ברמת אמינות גבוהה. בנוסף לתכונות ההגנה הרגילות של מייצבים מונוליתיים, כמו הגבלת זרם וכיבוי/הגבלה תרמית, המעגלים המשולבים הללו מגנים גם מפני מתחי כניסה מהופכים, מתחי יציאה מהופכים, ומתחי יציאה-לכניסה מהופכים. התקן אחד שהוצג לאחרונה, ה-LT3070, משתמש בהגנה של הגבלת זרם ובהגנה של עומס תרמי , ובנוסף לכך גם בתכונת foldback כדי לדאוג שטרנזיסטור ההספק יישאר בתוך אזור ההפעלה הבטוחה שלו, או מה שמכונה SOA. ההגנה הזו על ה-SOA מקטינה את הגבלת הזרם כאשר מתח הכניסה-ליציאה עולה, ושומרת על טרנזיסטור ההספק בתוך האזור הבטוח שלו עבור כל הערכים של מתח הכניסה-ליציאה עד למתח הנקוב המרבי ביותר.
בתנאים של זרם עומס מרבי ו-VIN-VOUT מרבי, פיזור ההספק של ההתקן מגיע לשיא בערך ב-3W. אם טמפרטורת הסביבה גבוהה מספיק הרי שהטמפרטורה בצומת השבב תעלה על טמפרטורת ההפעלה המרבית של 125 מעלות צלסיוס. במצב כזה מסתמך ה-LT3070 על שתי תכונות נוספות של הגנה תרמית. בסביבות ה-145 מעלות צלסיוס מושכת יציאת ה-PWRGD כלפי מטה ומספקת התרעה מוקדמת על סכנה אפשרית של כיבוי תרמי.
בסביבות 165 מעלות צלסיוס נכנס לפעולה הכיבוי התרמי של ה-LT3070 והיציאה נכבית עד שהטמפרטורה של המעגל המשולב יורדת אל מתחת לגבול ההיסטרזיס התרמי. הגנת SOA מנמיכה את הגבלת הזרם כאשר מתח ה-IN-to-OUT עולה ושומרת על פיזור ההספק ברמות הבטוחות עבור כל ערכי מתח הכניסה-ליציאה. ה-LT3070 מספק כמה זרמי יציאה בכל הרמות של מתח הכניסה-ליציאה עד למתח המרבי ביותר (ראו איורים 1 ו-2). ה-LT3070 זמין ב-MP-grade ויש לו תכונות רבות נוספות שהופכות אותו למתאים במיוחד ליישומים המצריכים אמינות גבוהה בסביבות קשות ותובעניות.
מוצרי פלסטיק צבאיים מספקים ביצועים ואמינות
LTC מובילה בתעשייה באיכות עם רמת אמינות “טובה מסוגה” של 0.1 FITS (כשלים בזמן למיליארד שעות התקן) בכל סוגי ומשפחות המוצרים. בנוסף, מוצרי ה-MP-grade מספקים ביצועים מובטחים בהתאם למפורט בגיליון הנתונים תודות לבדיקה של 100% של המוצרים במינוס 55 וב-125 מעלות צלסיוס. כל מוצרי ה-MP עוברים גם סריקות קפדניות, מעקב אמינות ובקרות פעולה הדוקות תוך כדי תהליך. המחשבה על אישורי ה-MP מלווה את המוצר משלב התכנון ואילך והיא משותפת לכל המוצרים הנמכרים עם אחריות לכל החיים ומוצרים הזמינים כנטולי עופרת או עם גימור טרמינלים מסוג tin-lead.
מסקנות
מאמר זה עוסק בצורך המתמשך במעגלים משולבים ברמת אמינות גבוהה המסוגלים לפעול בטווח טמפרטורות של מינוס 55 עד 125 מעלות צלסיוס ביישומים קריטיים למשימה. דנו באתגרים שמציב תכנון מעגלים משולבים עבור עבודה בטמפרטורות קיצוניות ונתנו דוגמה של האופן שבו התקנים חדשים, כדוגמת ה-LT3070, מתמודידם עם הבעיות והאתגרים. מוצרי ה-MP-grade של LTC הוצגו כפתרון לדרישות האיכות והאמינות של יישומים בסביבות קשות ותובעניות, המציע ביצועים בהתאם למפורט בגיליון הנתונים גם במצבים של טמפרטורות קיצוניות.
*המאמר באדיבות חברת Avnet Israel
נציגתה הבלעדית של חברת Linear Technology בישראל.
