האתגרים שבפניהם אנו עומדים בעת תכנון ממירים מתח ישר שפועלים בתדירות גבוהה ובמתח כניסה גבוה

ריצ’רד נוואקווסקי ובריאן קינג טקסס אינסטרומנטס

תדירויות המיתוג שעבורן מתוכננים ממירים מתח ישר גדלות בהתמדה מתוך מטרה להקטין את גודלם של הקבל והמשרן, על מנת לחסוך במקום על המעגל. כתוצאה מכך, אפשר למצוא כיום בשוק יותר ממירי מתח ישר שפועלים במתחי כניסה גבוהים המספקים הגנה מפני תופעות מעבר, והופכים את היכולת להשיג מתחים נמוכים בתדירויות גבוהות, לקשה יותר זאת, בעקבות מחזור מיתוג הקטן יותר. רבים מבין יצרני מעגלים משולבים (IC), משווקים באופן אגרסיבי ממירי מתח הפועלים בתדירות גבוהה, משום שלטענתם הם חוסכים בשטח המעגל. אין ספק שממיר מתח שפועל ב-1 או ב-2 מגה הרץ יכול היה להיות רעיון נפלא, אבל תדירות המיתוג משפיעה על המערכת של ספק הכוח בכמה דרכים, ולא רק על הגודל והנצילות שלה. מאמר זה מציג כמה דוגמאות של תכנון שמציגות את היתרונות והאתגרים של מיתוג בתדירויות גבוהות יותר.

איור 1 תרשים לייחוס של TPS54160

טבלה 1 בחירות של קבל ומשרן עבור שלושה תכנונים לדוגמה, של ספק כוח

טבלה 2. מתח מוצא מזערי עם זמן מזערי במצב פועל של 130 ננו שניות

טבלה 3. רכיבי פיזור ההספק

בחירת יישום
על מנת להציג את הפשרות הכרוכות בשימוש בתדירויות מיתוג גבוהות, נעקוב במאמר זה אחר שלושה ספקי כוח עצמאיים שתוכננו ונבנו עם תדירויות פעולה של 100, 300 ו-750 קילו–הרץ, בהתאמה. עבור כל שלושת התכנונים, מתח הכניסה היה 48 וולט, מתח היציאה היה 5 וולט וזרם היציאה היה 1 אמפר. אלו הן דרישות אופייניות לאספקת מתח שנדרש לחיבור USB שפועל ב-5 וולט או לקו אספקת מתח ביניים כללי שפועל ב- 5 וולט, אשר ישמש ממירי מתח אחרים. על מנת לקבוע את מגבלות התכנון, מתח האדווה (ripple) המותר שנבחר היה 50 מילי וולט, מתח זה מהווה כ-1 אחוז ממתח המוצא, ואמפליטודת זרם המשרן משיא לשיא שנבחר היה 0.5 אמפר. הרכיב TPS54160 של טקסס אינסטרומנטס, שהוא ממיר מתח ישר מסוג Buck אשר פועל ב-2.5 מגה הרץ, 60 וולט ו-1.5 אמפר, עם טרנזיסטור MOSFET פנימי, נבחר בכל אחד מהתכנונים. הרכיב TPS54160, המאופיין בפיצוי חיצוני ובתדירות ניתנת לבכירה, מיועד ליישומים תעשייתיים הפועלים במתחי כניסה גבוהים.

בחירת המשרן והקבל
המשרן והקבל עבור כל אחד מהתרחישים נבחרו על פי 4 הנוסחאות המפושטות הבאות:
עבור המשרן:
(1a) V = L x di/dt
מהמשוואה הזו אפשר להגיע למשוואה הבאה:
(1b)
כאשר D (מחזור העבודה) הוא 5 V/48 V = 0.104 ו- שווה ל-0.5 אמפר משיא לשיא עבור הקבל:
(2a) I = C x dv/dt
מהמשוואה הזו אפשר להגיע למשוואה הבאה:
(2b)

איור 2. נצילות של הרכיב TPS54160 בשלוש התדירויות ששימשו בדוגמה

כאשר האמפליטודה של שווה ל-0.5 אמפר משיא לשיא ו- שווה ל-50 מילי-וולט.
עבור משוואה 2b אנו מניחים שלקבל שנבחר יש התנגדות טורית (ESR) זניחה, שזו הנחה נכונה עבור קבלים קרמיים. (קבלים קרמיים נבחרו עבור כל שלושת התכנונים בזכות ההתנגדות הנמוכה שלהם וגודלם הקטן). הכופל 2 שמופיע במונה של משוואה 2b מייצג את ירידת הקיבול הקשורה לממתח המתח הישר, נציין זאת מאחר שהשפעה זו לא באה לידי ביטוי בדפי הנתונים של רוב הקבלים הקרמיים.
המעגל שבאיור 1 שימש כדי להעריך את הביצועים של כל אחד מהתכנונים. הרכיבים בתרשים, אשר להם אין ערכים, הם הרכיבים שהשתנו בכל אחד מהתכנונים. מסנן המוצא מורכב מהרכיבים L1 ו-C2. ערכי הרכיבים האלו, עבור כל שלושת התכנונים, מפורטים בטבלה 1 והם נבחרו בהתבסס על התוצאות שהתקבלו מהמשוואות 1a -2b. ראוי לשים לב שההתנגדות למתח ישר של כל אחד מהמשרנים יורדת ככל שהתדירות עולה. עובדה זו נובעת מאורך נחושת קצר יותר שנדרש עבור ליפופים מעטים יותר. רכיבי הפיצוי של מגבר השגיאה תוכננו באופן נפרד עבור כל תדירות מיתוג. החישובים לבחירת ערכי הפיצוי אינם נכללים בהיקף מאמר זה.

זמן מזערי במצב פעולה
המעגלים המשולבים של ממירי מתח ישר מאופיינים במגבלה של הזמן המזערי אשר בו יכול להימצא הטרנזיסטור במצב הולכה (ON TIME)… זהו רוחב אות (pulse) באפנון pulse-width-modulation הצר ביותר שאפשר להגיע אליו. ההגדרה של duty cycle בממיר מתח מסוג buck, היא אחוזי הזמן שבו טרנזיסטור ה-MOSFET נמצא בהולכה מתוך מחזור המיתוג כולו. duty cycle שווה ליחס שבין מתח המוצא למתח הכניסה. עבור TPS54160 ,duty cycle הוא 0.104 (5 וולט/48 וולט) והזמן המזערי במצב ההולכה של הטרנזיסטור, כפי שמצוין בדף הנתונים, הוא 0.130 ננו-שנייה. המגבלה של ON TIME מינימאלי קובעת את duty cycle הקטן ביותר שאפשר להגיע אליו. זאת ניתן לחשב בקלות באמצעות פעולת הכפלה של ON TIME מינימאלי בתדירות המיתוג. לאחר duty cycle המזערי ידוע, ניתן לחשב את מתח המוצא הנמוך ביותר שאפשר ליצור, על ידי הכפלה של VIN ב-duty cycle המזערי. כמו מכן מתח המוצא המזערי מוגבל על ידי מתח הייחוס של הממיר, שהוא 0.8 וולט עבור הממיר TPS54160.
בדוגמה זו, אפשר ליצור מתח מוצא של 5 וולט בתדירות מיתוג של 750 קילו-הרץ (עיין בטבלה 2). עם זאת, אם התדירות היא 1 מגה-הרץ, מתח המוצא הנמוך ביותר שאפשר ליצור יהיה מוגבל ל-6 וולט, שאם לא כן, ממיר המתח הישר למתח ישר ישמיט אותות. לפני ביצוע בחירה של תדירות המיתוג, כדאי לעיין בדף הנתונים של ממיר המתח הישר למתח ישר, על מנת לוודא מהו הזמן המזערי המובטח במצב פועל שניתן לבקרה.

איור 3. תרשים עקומות Bode ב- 100, 300 ו-750 קילו הרץ.

השמטת אותות
השמטת אותות מתרחשת כאשר הממיר מתח ישר למתח ישר אינו יכול לכבות את הטרנזיסטור במהירות שמספיקה לשמור על מחזור העבודה הרצוי. ספק הכוח ינסה לייצב את מתח המוצא, אך מתח אדווה (ripple) יגדל. השמטת האותות תגרום להופעה של רכיבים תת הרמוניים במתח המוצא אשר עלולים להוביל לבעיות של רעש. ייתכן גם הגבלת הזרם לא תפעל בצורה תקינה, מאחר הרכיב לא יוכל להגיב לתופעות מעבר חדות בזרם. תופעה זו, במקרים מסוימים, עלולה לגרום לחוג הבקרה להיות בלתי יציב.

טבלה 4 דרישות לגבי גודל הרכיבים והשטח הכולל

טבלה 5 התגובה לנחשולי מתח

טבלה 6 היחס בין הריצוד (jitter) לבין זמן במצב פועל (ON) במחזורי עבודה קטנים

נצילות ופיזור הספק
הנצילות של ממיר מתח ישר היא אחד המאפיינים החשובים ביותר שיש לקחת בחשבון בעת תכנון של ספק כוח. נצילות גרועה מתבטאת בפיזור הספק גבוה יותר, שיש צורך לטפל בו באמצעות גופי קירור נפרדים או בעזרת תוספת של נחושת במעגל המודפס (PCB). פיזור הספק גבוה מעמיד גם דרישת זרם גבוהה יותר בפני אספקת המתח בכניסה. לפיזור ההספק יש כמה רכיבים, המוצגים בטבלה 3.
רכיבי ההפסדים החשובים בשלוש הדוגמאות הם הפסדי דחיפת טרנזיסטור ה-FET, הפסדי המיתוג בטרנזיסטור ה-FET והפסדי המשרן. ההתנגדות של טרנזיסטור FET והפסדי המעגל המשולב הם ערכים קבועים, מאחר שאותו מעגל משולב שימש בכל שלושת התכנונים. מאחר שבכל אחת מהדוגמאות נבחרו קבלים קרמיים עם התנגדות טורית שוות ערך נמוכה, הפסדי הקבלים נחשבים לזניחים. על מנת להדגים את ההשפעות של תדירות מיתוג גבוהה על הנצילות, נמדדה הנצילות בכל אחת מהדוגמאות והתוצאות מוצגות באיור 2. באיור זה אפשר לראות בבירור שהנצילות פוחתת ככל שתדירות המיתוג עולה. על מנת לשפר את הנצילות בתדירות מיתוג כלשהי, יש לחפש ממיר מתח עם מפרט בעל התנגדות נמוכה במצב הולכה של הטרנזיסטור (ON) בין ה-drain לבין ה-source, טעינה נמוכה של ה-gate או quiescent-current נמוך כאשר המעגל עובד בעומס מלא. כמו כן, פשוט ניתן לחפש קבלים ומשרנים בעלי התנגדות נמוכה יותר.
גודל הרכיבים
בטבלה 4 מוצג שטח המעגל הכולל הדרוש עבור שלושת התכנונים, עם שטחי רפידות ההלחמה של הקבלים ושל המשרנים, יחד. השטח המומלץ לרפידת הלחמה של קבל או משרן גדול במקצת מהרכיב עצמו ונלקחה בחשבון בכל אחת משלוש דוגמאות התכנון. השטח הכולל נקבע על ידי סיכום הערכים המגדירים את השטח שתופס כל אחד מהרכיבים: שטחי רפידות ההלחמה של המעגל המשולב, המסנן וכל הנגדים והקבלים הקטנים האחרים, הכפלנו את התוצאה ב-2, על מנת לקחת בחשבון את המרווחים שבין הרכיבים. החיסכון הכולל בשטח, בהיקף של 250 ממ”ר, שנמצא בין התכנון ב-100 קילו-הרץ לבין התכנון ב-750 קילו-הרץ, הוא משמעותי ומהווה הקטנה של 50 אחוזים בגודל המסנן והקטנה של 55 אחוזים בשטח המעגל. עם זאת, חוק “התפוקה השולית הפוחתת” פועל גם כאן, מאחר שאין אפשרות להקטין את ערכי הקיבול וההשראות עד אפס! במילים אחרות, שינוי התדירות כלפי מעלה לא יקטין את הגודל הכולל עד אין קץ. זאת מאחר שקשה מאוד להשיג משרנים וקבלים בעלי גודל אחיד שמיוצרים בייצור המוני. ראוי לשים לב שמשרנים בעלי ערך של 33 מיקרו-הנרי ו-15 מיקרו הנרי תופסים שטח זהה. מצב זה מתאפשר כתוצאה מכך שגובהו של משרן בערך של 33 מיקרו-הנרי הוא 3.5 מ”מ וגובהו של משרן בעל ערך של 15 מיקרו-הנרי הוא רק 2.4 מ”מ. שני המשרנים האלו נבחרו על מנת לתאר את הנקודה שבה ההשראות עומדות ביחס ישר לנפח.

תגובה לנחשולי מתח
תגובת המעגל לשינוי מתח (transient) היא אבן בוחן טובה לרמת הביצועים של ספק כוח. תיעדנו את עקומת Bode של כל אחד מספקי הכוח, על מנת להציג השוואה בתדירויות מיתוג גבוהות יותר (עיין באיור 3). כפי שאפשר לראות, עודף מופע של כל אחד מספקי הכוח נמצאים בין 45 ל-55 מעלות. המשמעות של תוצאה זו היא תגובת מעגל שמשככת היטב את שינוי המתח. תדירות המעבר (crossover frequency) היא בערך שמינית מתדירות המיתוג. כאשר משתמשים בממיר ממותג מהיר, יש להקפיד שלמגבר השגיאה יהיה רוחב פס מספיק כדי לתמוך תדירות המעבר הגבוהה. מכפלת היחידה האופיינית של מגבר השגיאה של TPS54160 היא 2.7 מגה-הרץ. זמני התגובה הממשיים לשינוי מתח חדים מופיעים בטבלה 5 עם הערכים המיוחסים להם לגבי overshoot בשיא המתח. הערך של overshoot נמוך באופן משמעותי בתדירויות מיתוג גבוהות יותר, וזאת בזכות רוחב הפס הגדול יותר.
שיקולים לעניין הריצוד (jitter)
רעש עלול להוות בעיה ביחסי המרה גדולים ובתדירויות גבוהות. בעת בחירה של תדירות מיתוג גבוהה, יש לקחת בחשבון את הריצוד (jitter) ואת הזמן ההולכה המזערי של הטרנזיסטור (ON TIME) של ממיר המתח. רעש הריצוד הופך לאחוזים ניכרים יותר של אות המיתוג כאשר מחזור Duty Cycle קטן. בטבלה 6 נראה היחס בין הריצוד לבין ON TIME עבור המרה של 48 וולט ל-5 וולט. התוצאות מתבססות על ההנחות שקיים הפרש מתחים של 0.5 וולט על פני הדיודה וריצוד של 20 ננו-שנייה.

מסקנות
קיימות פשרות בתכנון של ממירים ממותגים בתדר גבוה. בין היתרונות המוצגים במאמר זה אפשר למנות את התגובה המהירה לשינוי מתח ואת over shuts v קטנים יותר במתח. בין החסרונות העיקריים אפשר למנות את הנצילות הנמוכה יותר ואת פיזור החום הגדול יותר. קיימות גם כמה מהמורות נוספות בהגדלת התדירות, השמטת אותות ובעיות של רעש. בבחירה של ממיר מתח בעל מתח כניסה גבוה לשימוש בתדירות גבוהה, יש לעיין בדף הנתונים של היצרן ולבדוק את פרטי המפרט החשובים: הזמן ההולכה המזערי של הטרנזיסטור, רוחב פס של מגבר השגיאה, התנגדות טרנזיסטור, והפסדי המיתוג של טרנזיסטור. העלות של רכיבים אשר שפועלים היטב עם דרישות אלו תהיה גבוהה יותר, אם כי היא תהיה כדאית ברמת המערכת.