לא כדאי יותר לייצר באופן עצמי

ניצחון בנקודות לממירי זרם ישר/זרם ישר מודולריים.

המבקרים בירידים בתחום ספקי זרם מזהה בנקל: הדיגיטלי הוא הקלף המנצח! תוכנה ומיקרו-בקר מגדירים את כושר הביצוע של מוצרים אלקטרוניים. הטכנולוגיה האנלוגית זוכה בקושי להערת שוליים. הירידים מהווים ראי למעבדות הפיתוח המודרניות. ידע ייחודי בעיסוק עם ליבות פֶריט ומסנני תאימות אלקטרו-מגנטית, כפי שהם נדרשים לתכנון ממירי זרם ישר/זרם ישר, חסרים בשוק לעתים קרובות. אין פלא כאשר מפתחים מהמרים על ממירים מודולריים עם רישוי.

כאשר מנהל RECOM אלקטרוניקה, מר ביר סניור (Bier Senior), קיבל את תעודת הגמר שלו, כל המתחים הישרים הנחוצים במכשיר, או במערכת, הוזנו עדיין מספק מרכזי. כך תוכנן המוצר בצורתו ובתפקודו באופן מיוחד. פיתוח הספק היה חלק בלתי נפרד של מיזם הפיתוח. באותה תקופה היו אמנם הרכיבים המתוכנתים הראשונים והמעגלים המשולבים, אך חישוב השנאי, ווסת המתח והמסנן היו חלק מההשכלה הכללית של המהנדס.

כאשר הגודל, המשקל והיעילות של אספקת הזרם קיבלו משמעות חשובה יותר, התחיל מסע הניצחון של הספקים הממותגים. מבחינה טכנית הם היו כה תובעניים כך שרק מפתחים מעטים עסקו בנושא זה. ספק רשת כזה סיפק לרוב רק מתח יציאה אחד, לכן הוא נדרש ליצור את כל המתחים הישרים האחרים. ממיר הזרם ישר/זרם ישר נולד וכך גם המגמה לחלוקת מערכות אספקה

מבנים גמישים יותר בגין אספקת מתח מבוזרת

הרעיון של אספקת מתח מבוזרת, כלומר הצרוף של ספק ממותג עם ממיר זרם ישר/זרם ישר מקומי הוא המפתח לתכנון מבנה מודולרי יעיל יותר. כאשר במסגרת שינויים עולה הצורך בהפקת הספק נוסף, או מתח ספק אחר, מתייחסים השינויים רק לממיר זרם ישר/זרם ישר בלוח המודפס המסוים ולא בספק הראשי. בנוסף לכך, מאפשרות מערכות מודולריות עיצוב תצורה קל יותר היות שלכל מודול (מכלל) נדרש רק מתח אספקה בודד. אספקת המתח העיקרית של רכיבי המיתוג השונים מתבצעת “על הלוח” באמצעות ממירי זרם ישר/זרם יחידים.

היעוד האידיאלי של ממירי זרם ישר/זרם ישר הוא להפריד או לבודד מכללים של מערכת, למשל לבודד שערי ממשק, או גששי מדידה לוח האם, או לבודד זה מזה את ערוצי ההגברה ה”צפים”. אספקת המתח המבוזרת מגמישה עוד יותר את רעיון המערכת כולה.

האם כדאי לפתח ממירי זרם ישר/זרם ישר באופן עצמאי?

כמוזכר במבוא, אף מפתח לא חושב ברצינות לפתח בעצמו את רכיב הספק. לשם כך נדרש ידע ייחודי בטכניקה האנלוגית, שלרוב אינו מצוי מספיק במעבדות הפיתוח. למשל, מפתח חייב לעסוק בעקומת ההיסטרזיס של ליבת פֶריט ובו בזמן להתחשב בהתנהגותה בטמפרטורות ותדירויות משתנות. לעתים קרובות זמינים רק הנתונים להפעלה בגל סינוס, אך וסתי מיתוג פועלים עם אותות גל מרובע ולזה יש כמובן השלכות גם על התאימות האלקטרו-מגנטית של כל המוצר. אין פלא שנושא עדין זה  מטופל מזה זמן על יד ידי מומחים.

לעובדה שנתון זה עדיין אינו תקף באותה מידה לגבי ממירי זרם ישר/זרם ישר יש שתי סיבות יסודיות. הראשונה, מצד אחד פועלים ממירי זרם ישר/זרם ישר בכניסה במתחים ישרים נמוכים ולכן קל לשלוט בהם. מצד שני, הם חלק מכרטיס מודפס, דבר המחייב לצייד את כל החלקים הבודדים במהלך עבודה אחד.

לעובדה שנתון זה עדיין אינו תקף באותה מידה לגבי ממירי זרם ישר/זרם ישר יש שתי סיבות יסודיות. הראשונה, מצד אחד פועלים ממירי זרם ישר/זרם ישר בכניסה במתחים ישרים נמוכים ולכן קל לשלוט בהם. מצד שני, הם חלק מכרטיס מודפס, דבר המחייב לצייד את כל החלקים הבודדים במהלך עבודה אחד.

במבט ראשון נראה רעיון החיווט  פשוט. שני FET בצד הראשוני מקצצים את המתח הישר בכניסה ל-kHz100 אחדים. שנאי עם ליבת טבעת ממיר למתח הרצוי ומספק את הבידוד הנחוץ. מתח היציאה מיושר ומהוקצע. תוכניות זמינות אחדות מאפשרות מתן מידות בפשטות – לפחות בתיאוריה. לעומת זאת בהליך עבודה זה נראה אחרת. סביב טרנזיסטורי המיתוג, קבלי הטעינה, השנאים, המישרים והמסננים אנו בעולם אנלוגי שאינו שחור אך גם אינו לבן. אורך כל מוליך והרווח שלו מיתר המוליכים,מהאדמה ומהרכיבים, יוצר קיבולים טפיליים ולהשראות, שאינם רשומים באף תוכנית חיווט. גם לשנאי יש נקודות חולשה. כושר תפקודו תלוי בחומר הפֶריט בליבה ובתחום הפעלת עקומת ההיסטרזיס. אם הוא נוטה יותר מדי לכיוון “רוויה”, הוא יתחמם וההתנהגות המגנטית תעורער. לכל אלה יש השפעות על היעילות ועל התאימות האלקטרו-מגנטית, ולרוב עולה הצורך בתכנון מחדש. מאמצע המאה הקודמת דבר לא השתנה בהקשרים בסיסיים אלו, אך הידע המעשי מצוי כיום עדיין בשלביו הראשונים.

נוכח הממירים התקניים הבדוקים הרבים על כל מנהל פיתוח לחשוב היטב, אם כדאי לו לשאת בנזקי הפיתוח באופן עצמאי. וזאת במידה שלצוות שלו יש ניסיון ייחודי, שהוא מכיר את הקשיים ויודע כיצד לעקוף אותם. אם תכנון מיטבי אכן יצליח כבר בשלב הראשון, הרי זה מוטל בספק. אצל יצרן מוביל כמו RECOM 80% מזמן הפיתוח מוקדש לתכנון מיטבי ולבדיקות אורך חיי השרות. עלויות אלו לא יוכל לקוח להשקיע בממיר הנבנה באופן עצמאי.

יעילות: ניצחון בנקודות למכללים שלמים

מי שמדבר על יעילות ממירי זרם ישר/זרם ישר, חושב לרוב על מקדם היעילות. בדרך כלל הוא גבוה, לפחות בהסתמך על ערכי השיא המתפרסמים בעלוני הנתונים. ממירים בדרג 1 ואט, כגון סדרת R1S של RECOM מגיעים בעומס מלא לערך של כמעט 85%, ממיר של 10 ואט אפילו עד ל-90%. הבסיס לכך הוא הקפדה מתמדת על יעילות מיטבית בתכנון, כך שניתן להשיג גם בתחום עומס הביניים החשוב ערכים טובים דומים.

הניסיון לבנות באופן עצמאי ממיר כזה, לא יצלח כמעט בשלב הראשון. תוצאות ניסויי השוואה עם תכנון על ידי לקוח בעומסים משתנים, הוכיחו שניתן להשיג עלייה ביעילות של יותר מ-50%. היות שאין אלה תוצאות של מקרה בודד, מתברר כי הניצחון בנקודות של הפתרון המודולרי מובן מאליו.

בהמשך נבחן את היעילות מזווית ראייה רחבה יותר, כלומר מנקודת המבט של צפיפות ההספק והמקום הנדרש. צפיפות המארז המושגת ביציקת מכלול גדולה בבירור ממה שניתן למימוש על כרטיס רגיל. ממירים מודולריים דורשים לרוב פחות ממחצית המקום המוקצה בפתרון של פיתוח עצמאי. היבט חשוב לפחות כאשר לא קיים “מרחב פעולה” בשפע על הכרטיס. גם בסבב זה הממיר המודולרי יוצא כמנצח.

כיום כמעט כל יצרן מקפיד על הגבלת הרכיבים השונים והספקים. מכיוון שכאשר מדובר באחזקת מלאי ועודפים ברמת הרכיבים, מתברר שה”פחות” הוא לפעמים “יותר”. שיבוץ ממירי זרם ישר/זרם ישר מתאים אכן להתפתחות זו. רכיבים כמו ליבות פֶריט, סלילים וטרנזיסטורי מיתוג הם רכיבים מיוחדים, שנדיר למצוא אותם ברשימת חלקים. בעיה זו נפתרת תוך רכישת מודול מוכן מהיצרן. סיבוב שלישי אף הוא לטובת הממיר המודולרי.

מה לרישוי וליעילות? מההיבט הטכני לא כלום, אך בהיבט השיקול המסחרי יש חשיבות רבה! מי שמשקיע בממיר מושלם ומורשה ולא על פיתוח עצמאי, מקל על רישוי המוצר הסופי שלו באופן משמעותי. כדי למנוע הפתעות של “הרגע האחרון”, יש לוודא מבעוד מועד שהספק הינו במצב שיוכל להציג את דו”חות הבדיקה הנדרשים, כגון דו”ח CB, או דיווח בדיקת UL. במידה שדו”חות אלה  נחוצים, יש לדחות מוצרים “רבי רישום”, המהווים “העתק חוקי” תחת שם אחר בשוק.

האם מחיר יקר יותר פירושו עלויות גדולות יותר?

מבחינה טכנית ממירים מודולריים מהווים פתרון יעיל. אך איך זה נראה מבחינת העלויות? כידוע זה המניע החשוב ביותר בפיתוח. כאשר מחשבים בעלויות רכיבים וייצור, עלות בניית ממיר היא כמחצית ממחיר של ממיר מודולרי. דוגמה: מחיר מכשיר מדידה הוא 1,000 אירו, אורך חיי השרות שלו 3 שנים ובתקופת זמן זו הוא אמור להיבנות 10,000 פעמים. על הכרטיס מורכבים שני ממירים שונים, שנרכשו יחדיו ב-10 אירו. עלות החומר והייצור הם כמחצית. האפשרות לחיסכון מגיעה עד לסכום של 50,000 אירו. לעומת זאת העלויות הישירות הן לפיתוח עצמי, לבדיקה ולבסוף לרישוי.

במידה שיכולת הפיתוח הזמינה תהיה בהערכה 10 ימי עבודה לכל ממיר. גם הצורך בתכנון  מחדש בא בחשבון, כי הרי זהו יותר הכלל מאשר החריג.

למרות כל הנקודות שהועלו, נראה שהפיתוח העצמאי הוא החסכני יותר. אך מה יקרה כאשר ההשקה של המוצרים החדשים לשוק תדחה ב-8 שבועות, מכיוון שהפיתוח לא התקדם כמתוכנן? איחור של 8 שבועות הוא יקר כאשר מדובר במוצר שאורך חיי השרות שלו שלוש שנים. בחישוב מהיר מהווים 8 שבועות 5% מאורך חיי השרות המיועדים. כלומר, המחזור האבוד הוא כ-550,000 אירו והפסד ברווחים הוא מכפלה של ההוצאות הנוספות שממיר טוב היה עלול לגרום. וזו אינה המילה האחרונה.