ברוס האוג Linear Technology
קובי גלברג Avnet Israel
מערכת RFID מתבססת על טכנולוגיית אלחוט השומרת ומאחזרת נתונים מרחוק על התקנים המכונים תגי RFID. מערכות מסוג זה מתאימות למגוון רחב של יישומים, מתגים שמוצמדים לבגדים ועד לאחסון במחסנים ומעקבי מלאי. מערכת RFID כוללת בדרך כלל קוראי תגים ומסד נתונים. במערכת טיפוסית מציידים כל פריט בתג קטן וזול המכיל טרנספונדר (משדר משיב) עם שבב זיכרון דיגיטלי וקוד מוצר אלקטרוני ייחודי. קורא התג מורכב ממקמ”ש ומפענח הפולט אות שמפעיל את התג כך שהוא מסוגל לקרוא את התג ולכתוב אליו. בדרך כלל מצריך המקמ”ש מתח של עד 700V כדי לשדר מידע כראוי, בעוד שמתח גבוה נחוץ גם כדי לנטל סוגים מסוימים של תגים.
איור 1. LT3751, מעגל יישומים עם חישת מתח מוצא בצד השנאי הראשוני
איור 2. LT3751צורת גל טעינה עבור המעגל המוצג באיור 1
תכנון של ספק או מטען קבל למתח גבוה שיכול להגיע עד 1,000 וולט איננו משימה פשוטה. פתרון דיסקרטי המשתמש בבקר PWM לכל מטרה מסוג flyback עם תכונות של מצמד אופטי, ניטור, סטטוס והגנה, מצריך בדרך כלל שפע של מעגלים ורמה גבוהה מאוד של מורכבות תכנון. חשוב מאוד להימנע ממצב של כניסה על זרם בעומס יתר (foldback) – דבר שיכול לקרות בזמן ההדלקה כאשר העומס הקיבולי יכול להיראות בטעות כמו קצר. כתוצאה מכך חשוב לוודא שסוג כזה של ממיר יודלק רק כאשר מתח הכניסה נמצא בתוך טווח הפעלה מוגדר ובטוח על מנת להבטיח אמינות בטווח הארוך. בנוסף לכך, נוח לקבוע מתי קבל המוצא בעל המתח הגבוה טעון לגמרי ללא חיבור חישה למתח הגבוה שלו, מה שמבטל את הצורך בחלק נוסף שחוצה את מחסום הבידוד. ביישומים מסוימים עשוי המשתמש להיות מעונין גם באפשרות לבחור מתח gate drive שמתאים לו. אמינות, עלות, בטיחות, ממדים וביצועים – כל אלה הם מכשולי תכנון מרכזיים שעמם מתמודדים מתכנני ספקי מתח גבוה. אך ה-LT3751 שהוצג לאחרונה על-ידי ליניאר טכנולוג’י הופך את משימת התכנון להרבה יותר פשוטה.
ה-LT3751 הוא בקר flyback עתיר תכונות המתוכנן לטעינה מהירה של קבלים גדולים למתחים גבוהים עד כדי 1000 וולט. מדובר בדור שני וגרסה משופרת של ה-LT3750 עם תוספת של תכונות כמו היכולת לחוש את מתח המוצא מהצד הראשוני או המשני של השנאי, לקבל מתח כניסה גבוה יותר, ומקביל להציע יותר תכונות ויכולות של הגנה ותכנות. ה-LT3751 מניע N-Channel MOSFET חיצוני ויכול לטעון קבל של 1000uF ל-500 וולט תוך פחות משנייה. יתרה מכך, ניתן להגדירו לחישת מתח מוצא בצד המשני ללא צורך במצמד אופטי. כאשר מדובר ביישומי ויסות עם מוצא הדוק ורעש נמוך, ניתן להשתמש ברשת נגד-מפצל היוצאת ממתח המוצא כדי לייצב את המוצא ולהפוך את ההתקן למותאם במיוחד לדרישות של ספקי מתח גבוה. תכנון של יחס מספר הכריכות בשנאי ושל שני נגדים חיצוניים עוזר לתכנת בקלות את מתח המוצא. בנוסף יש ל-LT3751 מייצב shunt המונע על-ידי נגד טורי ומסוגל לפעול ממתחים של 4.75V עד 400V, מה שמאפשר למשתמש הקצה להתמודד עם טווח רחב של מקורות הספק בכניסה, דבר שעד כה היה בלתי אפשרי בחבילה אחת יחידה. כניסת ה-Vcc מקבלת מתחים הנעים בין 5V ל-24V.
המעגל המוצג באיור 1 מראה איך ה-LT3751 עובד כאשר חישת מתח המוצא מתבצעת באמצעות ליפוף בשנאי הראשוני. שיטה זו של חישת מתח מוצא בצד הראשוני שומרת על בידוד בעזרת חלק אחד בלבד, שנאי ההספק החוצה את מחסום הבידוד והוא, למעשה, מעגל פשוט לגמרי. חישת מתח המוצא מתבצעת על-ידי פין ה- RVOUTומתוכנתת על-ידי הבחירה של R8, R9 ויחס הכריכות של השנאי. מעגל מבודד זה טוען קבל ל-450V מכניסת 12V-24V תוך שימוש במשווה (קומפרטור) DCM (מוד של הולכה דיפרנציאלית לא רציפה) על הלוח. מספר החלק של השנאי (T1) הוא: 75031040. זהו חלק של חברת Wurth Electgronics והוא זמין ומוכן לשימוש “מהמדף”.
ה-LT3751 פועל בשיטת boundary-mode, משהו בין CCM (עבודה בהולכה רציפה) לבין DCM. בקרת boundary-mode מצמצת את ההפסדים בהעברה, מקטינה את ממדי השנאי ומגדירה את החלק לבצע בקלות הגדלת תפוקה (ramp-up) מבלי להיכנס למצב של מגבלת זרם בזמן הנעת עומס קיבולי. יתרון נוסף של שיטת ה-boundary-mode הוא צמצום בעיות היציבות עם אותות גדולים, המתרחשת לעתים כתוצאה משימוש בטכניקת PWM או voltage-mode והאפשרות לספק נצילות של עד 88% לצד תגובת טרנזיינט מהירה. ייצוב מתח המוצא מושג באמצעות אפנון חופף וכפול תוך שימוש באפנון זרם שיא ראשוני בשילוב עם אפנון מחזור פעולה (duty cycle).
העבודה הדיפרנציאלית של משווה ב-DCM מאפשרת ל-LT3751 לפעול בצורה מדויקת מכניסות מתח גבוה של עד 400V ואף יותר. בנוסף, משווה ה- VOUTומשווה ה-DCM נחוצים עבור מתחי כניסה נמוכים יותר, עד כדי 4.75V, עם השימוש ב-MOSFET חיצוני ברמת הלוגיקה. שיטת עבודה זו מאפשרת למשתמש להתמודד עם טווח רחב במיוחד של מקורות הספק. יש צורך בחמישה נגדים חיצוניים בלבד כדי להפעיל את ה-LT3751 כמטען קבל. את ה- VOUTניתן לכוונן מ-50V ועד 450V בעזרת המשוואה שלהלן:
R9 =
איור 3. יישומים אופייניים ועקומת נצילות עם חישת מוצא בצד המשני
איור 4. מטען קבל עם מוצא 500V וכניסת 100V-400V
כאשר N הוא יחס מספר הכריכות של השנאי ואילו VDIODES הוא נפילת המתח ב- D1 וב- D2.
ה-LT3751 מפסיק לטעון את קבל המוצא ברגע שהוא מגיע לנקודת ה- VOUT המוגדרת של מתח המוצא. מחזור הטעינה חוזר על עצמו באמצעות בחירה של כפתור ה-CHARGE. יחס הטעינה/פריקה המרבי בקבל המוצא מוגבל על-ידי עלייית הטמפרטורה בשנאי ופיזור ההספק ב-MOSFET החיצוני. כדי להגביל את טמפרטורת פני השטח של השנאי המוצג באיור 1 ל-40 מעלות צלסיוס מעל לטמפרטורת הסביבה ללא זרימת אוויר חייב הספק המוצא הממוצע להיות 40W או פחות, כפי שניתן לראות במשוואה שלהלן:
PAVE = ½ • COUT • freq • ( 2 • VOUT • VRIPPLE – V2RIPPLE ) >ַ 40W
כאשר VOUT הוא מתח ה-trip במוצא, ה- VRIPPLEהוא מתח האדווה במוצא, ואילו freq הוא תדר הטעינה/פריקה. ניתן להגדיל את הספק המוצא באמצעות שימוש בשנאי גדול יותר ובקירור באוויר מאולץ. כאשר מדובר במתחי מוצא גדולים מ-450V יש להחליף את השנאי המוצג באיור 1 בשנאי בעל יחס מספר כריכות גבוה יותר והשראות ראשונית גבוהה יותר. באיור 2 מוצגים צורת גל הטעינה וזרם הכניסה הממוצע עבור קבל מוצא 100µF הטעון ל-400V תוך פחות מ- 100ms.
יכולת מועילה נוספת של ה-LT3751 היא לשנות הספק מתח נמוך להספק מתח גבוה ביישומים לא מבודדים. את השינוי הזה ניתן לבצע באמצעות הנחת רשת נגד-מפצל ממתח המוצא אל פין ה-FB והארקה, מה שגורם ל-LT3751 לפעול כמייצב מתח. שיטה זו מספקת ייצוב מתח מוצא הדוק יותר ומתח אדווה נמוך יותר במוצא. ניתן להפוך את המעגל ל-flyback מבודדעם חישת מתח מוצא ישירה באמצעות שימוש במצמד אופטי לסגירת לולאת המשוב. באיור 3 מוצגים ה-LT3751 כממיר לא מבודד ועקומת הנצילות/ייצוב שהוא מאפשר להשיג בתצורה כזו. הנצילות עולה ל-88% בעומס מלא ושומרת על ייצוב עומס של 0.25% בטווח של 5mA עד 100mA.
תכונות של בטיחות ואמינות
קבלים גדולים הטעונים למתחים גבוהים יכולים לספק כמות קטלנית של אנרגיה אם לא מטפלים בהם נכון. חשוב במיוחד לנקוט אמצעי בטיחות הולמים כאשר מתכננים יישומים עם ה-LT3751. על המתכנן ליצור מעגל פריקה המאפשר פריקה בטיחותית של קבל המוצא. בנוסף חשוב ליצור מרווח מספק בין צמתי המתח הגבוה לבין עקבות סמוכים כדי לעמוד בדרישות של פסיקות המתח על לוח המעגל המודפס. למידע נוסף, נא עיינו בתקני התכנון של לוחות מעגלים מודפסים ב-IPC-2221 (www.ipc.org) ובמהדורה השנייה של ה- Underwriters Laboratory Standard UL60950-1.
תכונות הבטיחות והאמינות של ה-LT3751 כוללות שני מערכי UVLO (נעילת תת-מתח) ו-OVLO (נעילת יתר מתח) עבור כניסות ה- VTRANS וה- VCC. אלה מאפשרים למשתמש למנוע מצב שבו ספק הכוח נדלק כאשר מתחי הכניסה נמצאים מחוץ לטווח הבטוח. פין ה-FAULT נכנס לפעולה כשמתחי הכניסה נמצאים מחוץ לטווח הפעולה הבטיחותי שהוגדר על-ידי המשתמש. בנוסף יש ל-LT3751 הגנת נעילה במצב של התחממות והוא נכנס לעבודה במצב של Burst במצב של היעדר טעינה. ל-LT3751 יש לולאת משוב עם פיצוי פנימי בתצורת הייצוב, מה שהופך את פיצוי היציבות לפשוט יותר, וכמו כן ישנו פין DONE על הלוח שנכנס למצב פעיל כשמגיעים למתח הטעינה של קבל המוצא. פין CHARGE יוזם מחזור טעינה חדש או מאפשר לרכיב להיות במצב של ייצוב מתח. סף חישת זרם דיפרנציאלי נמוך של 106mA מגביל באופן מדויק את השיא של המתג ומאפשר שימוש בנגד חישת זרם על שנאי ראשוני דל הספק. ה-LT3751 מזווד במארז QFN-20 משופר מבחינה תרמית שממדיו 4×5 מ”מ ומוצע בטווח טמפרטורות תעשייתי או מורחב ממינוס 40 ועד 125 מעלות צלסיוס.
דרייבר שער ומעגל ריתוק פנימי (Clamping)
השימוש בדרייבר שער מוביל לארבע בעיות עיקריות אפשריות: יכולת הנעת זרם המוצא, מתח שיא במוצא, צריכת הספק והשהיית התפשטות. ה-LT3751 מצויד בדרייבר push-pull ראשי של 1.5A המסוגל להניע שערים גדולים של 80nC.
לרוב ה-MOSFETs דיסקרטים יש מגבלה של 20V עבור תצורת השער למקור (gate to source). לכן הנעת MOSFET ליותר מ-20V עלולה לגרום לקצר בתחמוצת השער הפנימית, מה שיוביל לנזק חסר תקנה. כדי לפתור את הבעיה הזו יש ל-LT3751 מעגל ריתוק של 5.6V או של 10.5V בדרייבר השער. אין צורך ברכיבים חיצוניים, אפילו לא בקבל. כל שעליכם לעשות הוא לחבר את פין ה-CLMAP אל הארקה עבור עבודה ב-10.5V או אל VCC לעבודה ב-5.6V. לא זו בלבד שמעגל הריתוק הפנימי יגן על ה-MOSFET החיצוני מפני נזק, הוא גם יקטין את כמות האנרגיה המוחדרת אל השער, מה שיגדיל את הנצילות הכללית ויפחית את צריכת ההספק במעגל דרייבר השער.
מטען קבל מבודד, מתח גבוה בכניסה
כפי שכבר ציינו, משווה ה-DCM הדיפרנציאלי ומשווה ה- VOUTמאפשרים לרכיב ה-LT3751 לעבוד בצורה מדויקת ממתחי כניסה גבוהים. באיור 4 מוצג מטען קבל offline עם יישור גשר מלא. השנאי מספק בידוד בין הראשוני למשני וחישת מתח המוצא מתבצעת מסליל השנאי הראשוני. מתחי כניסה של יותר מ-80V מצריכים את השימוש במפצלי נגד על משווי ה-DCM וה- VOUT. כלומר, המעגל המוצג באיור 4 פועל ממתח כניסה של 100V עד 400VDC.
יש לציין כי R14, R15 ו- Q1 נוספו כדי להגן על ה- M1 MOSFETולשמור שלא יעבור את מקצב הפולסים המרבי. בתנאים נורמליים חייב ה-MOSFET הזה לפרוק את כל הקיבוליות שוות הערך שנמצאת על צומת ה-MOSFET drain. כיוון שצומת זה יכול להיטען בתחילה ליותר מ-400V, הרי שכאשר מדליקים את ה-MOSFET לראשונה יכולות להתרחש קפיצות זרם חדות (spikes), מה שעלול לגרום לנזק בלתי הפיך ל-MOSFET. החדרת R14 מגדירה את קפיצת הזרם החדה המרבית על פי המשוואה הבאה:
ISPIKE = 0.7____ = 3.6A
ISPIKE = 0.7____ = 3.6A
R13 + R14
מסקנות
מערכת RFID, הזקוקה למטען קבל במתח גבוה, תספק אבטחה והגנה נוספת. ה-LT3751 מאפשר נתיב קל לתכנון של מטען קבל וספק כוח במתח גבוה על-פני טווח מתחי כניסה נרחב. היכולת לדעת מתי קבל המוצא טעון לגמרי ללא חיבור פיסי למתח המוצא הגבוה מקטינה את מספר החלקים החוצים את מחסום הבידוד. ההגנה, הסטטוס והבחירה של מתח ה-gate drive שמאפשר ה-LT3751 – כל אלה עוזרים לצמצם את מספר הרכיבים החיצוניים הדרושים להפעלה אמינה. בקרת ה-boundary mode מונעת מהממיר להיכנס למצב של זרם יתר בעת ההדלקה והפעלת עומס קיבולי ומאפשרת שימוש בשנאי קטן יותר, מה שדורש מהמתכנן פחות שטח לוח. בנוסף, התכנון המבוסס על רכיב ה-LT3751 יכול להשיג נצילות העולה על 85% ולהפוך את התכנון לפשוט יותר.
