מאת: יובל אידלסון, בורן טכנולוגיות בע”מ. כללי: מאז ומתמיד, היה צורך בממירי מתח כדי לשרת צרכנים על גבי המעגלים של כל מוצרי האלקטרוניקה, בכל קשת המוצרים הידועים לנו. צרכנים אלו, הם בעצם הרכיבים האלקטרוניים, על גבי המעגל לרבות מעגלים משולבים הדורשים מתחים מסוימים כדי לעבוד ולספק את הדרישות של המוצר שלשם כך הוא נבנה.
ניתן למיין ממירי מתח אלו על פי אמות מידה מגוונים ורבים אך עם זאת ישנם מספר הבדלים ברורים בין קבוצת ממירי מתח אחת לקבוצה אחרת.
מאמר זה יעסוק בממירי מתח ישר למתח ישר אחר – ממירי מתח DC ל-DC.
כיום, קיימים מספר תחומים שאליהם פונים המוצרים האלקטרונים וע”י כך ניתן גם להבדיל בין סוגי ממירים אלו. התחומים העיקריים הידועים לנו הם תחום מוצרי הצריכה, התחום התעשייתי, הרפואי, תחום התקשורת, התחום הצבאי ותחום החלל.
ארכיטקטורת POL
ממירים ופילטרים בסטנדרט צבאי מלא וסטנדרט לעבודה בסביבת חלל:
הממירים נבדלים זה מזה בתכונות החשמליות והסביבתיות בין תחום לתחום.
כל תחום עם רמת הקושי ודרישותיו. התחום הצבאי הוא מהמחמירים שיש ותחום החלל הוא מהמחמירים אף יותר.
המוצרים אשר נועדו לשוק הצבאי, “סובלים”, מיתר תשומת לב, בכל מה שקשור לאופן היצור שלהם, המבנה ותנאי הבדיקה הקיצוניים המיועדים לעבודה בתנאים מאוד קיצוניים כגון, טמפרטורת עבודה -55Cº עד 125Cº, גבהים של מעל 50,000 רגל, עמידה בקפיצות מתח גבוהות לזמן קצוב לפי סטנדרט MIL Spec – 704A. כמו כן עמידה בסטנדרטים של EMI – MIL-1275 ו-461E.
עמידה בטלטולים ורעידות – SHOCK & VIBRATION, לפי סטנדרט MIL- 810 ומערכי הבדיקה (METHOD) שקשורים אליו.
בדרך כלל, ממירים אלו יורכבו באפלקציות הקשורות למטוסים ומסוקי קרב במקומות הקרובים למנוע וטמפ’ הסביבה מאוד גבוהה או במקום שיש בו טלטולים רבים.
אין הרבה יצרנים בתחום הזה כי יצור מוצרים אלו כרוך במאמץ כלכלי גבוה. היצרן צריך לבחור רכיבים שיעמדו בסטנדרט הצבאי המחמיר וימשיכו לעבוד בתנאים קיצוניים. כמו כן עלויות הבדיקה גבוהות מאוד ומבוצעות ברוב המקרים בכל ממיר היוצא מהמפעל.
אחת הטכנולוגיות, אם לא הטכנולוגיה היחידה שיכולה להתמודד בסביבות עבודה כאלו היא טכנולוגיית ה-HYBRID הכלאה.
אנו מכירים את הרכיבים האלקטרוניים – נגדים, קבלים, סלילים, ג’וקים וכו’ כרכיבים הבאים במארז כל שהוא.
בטכנולוגית ה-HYBRID מה שנעשה בפועל, זו בניה של מעגל על ידי שימוש ברכיבים ללא המארז אלא ברכיב הגולמי עצמו -DIE, הדבקתו בדבק מיוחד לבסיס מעגל ה-HYBRID לרוב על מצע (SUBSTRATE) קרמי ועל ידי שימוש בטכנולוגית Chip & Wire, הלחמת חוטים בין הרכיבים בעובי של מיקרו מילימטרים.
כאשר נעשה שימוש בטכנולוגיה זו בממירי DC ל-DC היתרונות הבולטים שממירים אלו מקבלים הם:
נצילות גבוהה יחסית בגלל הקירבה בין הרכיבים והשימוש הישיר ב-DIE עצמו.
גודל פיסי קטן לעיתים פי 2 ממעגל רגיל.
התנהגות תרמית טובה יותר ממוצרים שאינם מיוצרים בשיטה זו.
יכולת עמידה בתנאי עבודה עם הרעדות קיצוניות.
החיסרון הבולט בשיטה זו הוא שהממירים שנוצרים הם יקרים מאוד בגלל התהליך הנעשה ע”י מכונות יקרות.
בנוסף, ממירים אלו עוברים תהליך בדיקה של 100% מהתוצרת. הבדיקות שנעשות הן בדיקות הרעדה, עמידה בטמפרטורות קיצוניות של -55 (מינוס) עד 125 מעלות צלסיוס ועוד בדיקות עמידות בתנאי עבודה קיצוניים. בסופו של דבר, הממירים הנוצרים בתהליכים אלו, הם בעלי רמת אמינות ו-MTBF מאוד גבוהים. ממירים אלו יכולים לעבוד באפליקציות צבאיות עשרות שנים ללא תקלות כלל, לעיתים עד להוצאת אפליקציה מחוץ לשירות.
כמו כן, הפילטרים שתפקידם לסנן רעשים וספייקים עבור ממירי ה-DC ל-DC עומדים אף הם בסטנדרטים צבאיים אלו.
אחד מהתהליכים הנוספים המבוצעים לממירים מסוג זה הוא תהליך הקרנה (SCREENING) וזאת כדי שהממיר יוכל לעבוד בסביבת עבודה מוקרנת, שיש בה סביבה עם EMI גבוה. לרוב במקום קטן וצפוף, לדוגמא מטוס קרב או בסביבת חלל שבו יש קרינה באופן קבוע.
אחת החברות המעטות בתחום המייצרות בטכנולוגיה זו היא חברת Crane-Interpoint שמייצרת ממירי DC ל-DC ופילטרים שמיועדים למטרות צבאיות מוטסות בעיקר למטוסי קרב ולמטרות עבודה בחלל בלוויינים.
הממירים של חברת Interpoint יודעים לעבוד בסביבת עבודה בטמפ’ של -55ºC עד 125ºC ואף 135ºC, בגבהים אין סופיים (חלל). לצורך עמידה בתנאי חלל, היצרן מבצע בדיקות הקרנה של עד 100Krad לממירים וישנם ממירים הנבדקים ב-300Krad כדוגמת סידרת 28SMRT.
סדרת ממירי ה-SMRT28 בנויה בצורה מאוד רובוסטית המאפשרת לה לעבוד בתנאי חלל קיצוניים. עמידה בקרינה גבוהה, טלטולים רבים, רעשים וקפיצות מתח רגעיים. לממיר ישנו פילטר פנימי העומד בMil-STD-461 וכניסת המתח יכולה לעמוד בקפיצות מתח רגעיים (Transient) לפי Mil STD-704A.
אחד מאותם ממירים מסדרת SMRT28 שולב בחללית המחקר שנחתה במאדים ועל פי הנתונים שהתקבלו משם הממיר המשיך לעבוד גם בטמפ’ של 90C- מתחת לאפס.
SMRT28515T/OO בחלל
ממירי מתח DC ל-DC POL, עם אדמה משותפת ללא בידוד כניסה יציאה לתחום הצבאי/חלל.
אחת מארכיטקטורות המרות המתח ובניית יחידת ספק הכוח שהמהנדסים מתכננים כאשר הם בונים מוצר, הוא על ידי המרת מתח הכניסה, לדוגמא 28V במקרה של מוצר צבאי/חלל, למתח 5V שיהווה את המתח הראשי באפליקציה
(BUSS) שממנו יתבצעו המרות למתחים קטנים יותר בהתאם לצרכנים באפליקציה, לרוב אלו כל מיני מקרו פרוססורים, קונטרולרים, חוצצים דיגיטליים ועוד… שמתח העבודה שלהם בד”כ נא בין 3.3V ומטה עד 1V.
לשם כך מיוצרים ממירי מתח לא מבודדים. אין צורך בבידוד כניסה יציאה כי הנ”ל מבוצע בדרגה הראשונה, בה יודעים לקבל את מתח ה-BUSS, במקרה הנ”ל 5V ולהמיר אותו למתח מוצא של בין 0.6V עד 3.4V כאשר מתח המוצר נקבע ע”י טרימר חיצוני.
ממירים אלו נקראים ממירי Point Of Load או בקיצור POL.
אגב, רעיון זה קיים גם בתחום התעשייתי ובעיקר בתעשיית מוצרי התקשורת שמוצריה מבוססת הרבה מאד על מעבדים חזקים ועבודה רבה בסביבת עבודה דיגיטלית.
ישנם ממירים דומים שעושים פחות או יותר את אות הדבר לדוגמא רגולטורים, ו-LDO אך לרוב רכיבים אלו פחות מורכבים ועבודתם מבוססת על המרת מתח פשוטה יותר באמצעות DIEs- רכיבי הסיליקון (המרה ליניארית) מה שעושה אותם פחות יעילים בהשוואה לממירי ה-POL שנצילותם מעל 90%.
המרת המתח ברכיבי POL מתבצעת באמצעות טכנולוגיות מיתוג (Switching) מה שעושה אותם יעלים יותר ובעלי הספק גבוה יותר.
מאחר ואנו עוסקים בתחום הצבאי/חלל, לחב’ INTRPOINT ישנו רכיב POL שיכול לעבוד בסביבת עבודה עם דרישות לפי סטנדרטים צבאיים וחלל.
רכיב זה שייך לסדרת ממירי ה-MFP שמתח העבודה שלו הוא בין 3V עד 6V ומתח המוצא שלו הוא בין 3.4V ומטה עד ל-0.64V ומתכוונן באמצעות טרימר חיצוני.
ה-MFP יכול לעבוד בסביבת עבודה קיצונית בטמפ’ של בין 70ºC- מתחת לאפס עד 150ºC, כמו כן יש לו יכולת עבודה בקרינה עד 300Krad.
ניתן גם “לשרשר” מספר רכיבי MFP ולסנכרן בינהם .
יובל אידלסון הינו ראש צוות ומנהל מוצר קבוצת POWER, בחברת בורן טכנולוגיות בע”מ.
