Steve Munns, Linear Technology Corporation
חברת ליניאר טכנולוגיות (Linear Technology) סיפקה מעגלים מוכללים אנלוגיים (analogue integrated circuits) בעלי ביצועים מעולים לתעשיית האלקטרוניקה במשך מעל ל-30 שנים וממשיכה להפנות משאבים לתמיכה בצרכים מיוחדים של השוק. החברה מציעה מגוון רחב של דרגות מוצרים, לרבות טווחי טמפרטורה לתנאים התעשייתיים, בתעשיית הרכב, וצבאיים, בעלי איכות ראשונה במעלה בתעשיה ורמת אמינות “הטובה – ביותר – MTBF של 0.1FITS.
הקדמה
יחידות הניתנות להחלפה על הקו – (Line Replaceable Units) הינם תתי מכלולים מודולאריים אשר חולקים בממשקים חשמליים ופיסיים סטנדרטיים. LRUsהינם בשימוש נרחב על ידי התעשיות הצבאיות ובתוך התעופה האזרחית, אשר בה פעילויות תחזוקה במיקומים מרוחקים יכולות להיות מפושטות במידה רבה על ידי החלפה פשוטיה של יחידות. כל LRU חייב להיות מתוכנן כדי לעמוד במפרטים ותקנים מחמירים על מנת להבטיח תאימות ופעולה אמינה בתנאי סביבה קשים.
המאמר הזה דן בממשק הכח של ה-LRU, באופן ספציפי בדרישות הקשורות להגנת ממירים DC/DC במורד הזרם ובווסתים ליניאריים מפני חריגות בספק הכח בצורת עליות מתח פתאומיות חדות וקצרות (spikes), מתחי על (surges) וגלים קטנים (ripple).
קפיצות פתאומיות של מתח, מתחי על, וגלים קטנים – Spikes, Surges & Ripple
ההגדרות עבור spikes and surges שונות במעט בין הסטנדרטים השונים. מדינות בודדות פיתחו סטנדרטים של הממשלה הלאומית משלהם עבור הצבא, בעוד יצרני המטוסים מצטטים מפרטים משלהם וה-RTCA (הוועדה הטכנית לרדיו עבור אווירונוטיקה – Radio Technical Commission for Aeronautics) מפתחת סטנדרטים בינלאומיים על מנת לגשר בין שני העולמות. טבלה 1 מציגה שלושה סימוכי מפתח ומסכמת את הדרישות לתופעות המעבר (transient) שלהם.
המקום המוגבל מחייב שזה יהיה סיכום של הדרישות; כל מפרט מכיל דיאגרמות של מעטפת ביצועיום מפורטות ותנאי בדיקה. מפרט ה-ripple עבור מוד של מחולל חשמלי בלבד לפי MIL-STD-1275D מוצג כדוגמה הקיצונית ביותר (worst-case example); מוד העבודה הנורמאלי מפורט ב- מתנאי המצב היציב (steady state conditions). קיימים מפרטים לאומיים נוספים רבים כגון זה הבריטי DEFSTAN עבור כלי רכב צבאיים אשר יש לו באופן נרחב ביותר דרישות דומות לאלו של MIL-STD-1275D אבל עבור מערכות של 12V ושל 24V.
על המערכת להיות מתוכנת על מנת לשרוד את התנאים במקרה הגרוע ביותר שצוין, אך בדרך כלל המטרה היא לפתח מעגל אשר ממשיך לפעול גם דרך החריגות הארעיות שצויינו עד שמגיעים לנקודת כיבוי בשל בטיחות שנקבעה מראש. במקרים מסוימים, לא ניתן להשיג עמידה מלאה בדרישות מפרט במגבלות של מידות תיבת ה-LRU שהותרו, בשל הגודל הפיזי הדרוש של רכיבי הדיכוי (suppression components), וזה מוביל לתיקונים במפרטים שהופכים למוסכמים בין הלקוח לבין הספק.
גיוון כזה מקשה על פיתוח פתרון אחד שמתאים לכל הצרכים, בנוסף ישנן וריאציות רבות על דרישות התקן בין פרוייקט לפרוייקט, עם התאמה לדרישות תאימות המשקפת את הנסיבות המבצעיות עבור ה-LRU בפיתוח. כתוצאה מכך, מעצבים (designers) נוטים לאמץ גישה של כל-מקרה ומקרה עבור מעגלי הגנה.
אתגרים
החל בקפיצות מתח גבוהות וקצרות (voltage spikes), אלו נוטות להיות מאופיינות בתור כמה מאות של וולטים למשך מספר עשרות של מיקרו שניות, שנוצרו ממכות ברק או מצימוד השראה של מדרגות עומס (inductive coupling of load steps). הפתרונות הקיימים המשתשמשים במנחית מתחי מעבר (transient voltage suppressor) במכלול המחבר של ה-LRU, בשילוב עם מסנן PI וסידור חרוז פֶריט (ferrite bead arrangement) והם יעילים וחסכוניים בשטח.
תחום יותר מאתגר הוא מניעת התפשטות של עליות מתח (voltage surges) של בדרך כלל פחות מ-100 וולט לפרקי זמן של עשרות או מאות של מילי שניות כתוצאה מניתוק עומס ממקור המתח שלו (load dump). דבר זה מתרחש כאשר הניתוק של מעגל עומס אחד גורם לעלייה קצרה ומהירה של מתח על פני ה-alternator ולכן גם בעומסים אחרים המשותפים לאותו מקור אספקה. פתרון אחד הוא להשתמש ברשת פסיבית הכוללת סליל בטור וקבל אלקטרוליטי בעל ערך גבוה למעקף (bypass), בשילוב עם מנחית מתחי מעבר (transient voltage suppressor), ונתיך. פתרונות כאלה נוטים להיות מגושמים, ועדיין יכול להתרחש איזה שהוא שידור של מתחים גבוהים יותר, מה שדורש מהרכיבים שבמורד הזרם ולעמוד במתחי כניסה גבוהים יותר מאשר היה נחוץ אחרת.
סביב התעשייה, מעצבים באופן עצמאי פיתחו פתרונות אקטיביים מבוססים מסביב לרכיבים נפרדים באמצעות רכיב מעבר MOSFET אך אלה בדרך כלל דורשים זמן משמעותי בשולחן הבדיקות על מנת לבצע אופטימזציה של החישה, של לולאת הבקרה, ושל המעגל החשמלי המעביר הטרנזיסטורי. שמירה על רכיב המעבר MOSFET מלהתחמם יתר על המידה ובתוך סביבת הפעולה הבטוחה שלו, (Safe Operating Area)מצוטט לעתים קרובות כחלק המאתגר ביותר של העיצוב. לפעמים עדיין נדרש נתיך כדי להגן על ה-MOSFET ממצב תקלה short-circuit הפלט. באופן טבעי החלפת הנתיכים השרופים יכולה להציב סיבוכי לוגיסטיקה בלתי רצויים עבור התעופה האזרחית, או יכולה להוציא ציוד צבאי חשוב זמנית מכלל פעולה במהלך פעולות חיוניות.
לבסוף גליות מתח הקטנה (voltage ripple) על אספקת מתח הכניסה ל-LRU יכולה להציג עוד יותר אתגרים לעיצוב, במיוחד המפרט MIL-STD-1275D עבור כלי רכב צבאיים במצב גנרטור הוא קיצוני למדי (עיין טבלה 1). נעשה שימוש בגישות שונות, כולל לאפשר למעגל הגנה לעבור דרך גליות מתח הקטנה אל השלב של ויסות מתח, או במקום שבו גליות המתח הקטנה נמצאת במשרעות (amplitudes) צנועות יותר, להחליק אותן בתוך מעגל ההגנה עצמו. במקרה אחרון זה, מעגל ההגנה חייב להיות ממוטב (optimised) כדי להתמודד עם המאפיינים השונים של עליות מתח (voltage surges) גדולות ומשרעות (amplitudes) קטנות של גליות המתח הקטנה (voltage ripple) המשתנה לאט לאט.
אפשרות אחת כדי לטפל בתנאים שונים אלה היא להשתמש במעצור קפיצות של גלי מתח ייעודי IC כבסיס לפתרון, ל-Linear Technology יש משפחה הולכת וגדלה של חלקים (ראה טבלה 2), לרבות אלה שהוצגו לאחרונה LT4363 ו-LTC4366 אשר פעולתם תתואר ביתר פירוט בהמשך.
מגמות
הלחץ על עלויות, שטח ומשקל בשילוב עם הדרישה הגוברת למסילות מרובות אספקת מתח נמוך, זרם- גבוה לשם הזנת FPGAs מורכבים ומעבדים, הדגישו את הצורך לספקי כוח בעלי יעילות גבוהה מאוד. מוצרים חדשים מציגים את האתגר של מתחי הליבה מתחת ל1- וולט וזרמים עד בשילוב עם חלון וויסות של 3%. הגישות המסורתיות של הרגולטורים המורכבים בקופסה, מוברגים, עם תפוקות מרובות שמזינות את מסילות המתח הסופי ברמת לוח באמצעות לוח אם, פותחות כעת את הדרך לווסתים ממתגים מסוג POL (נקודה של עומס – Point of Load) מבוזרים ויעילים מאד כגון משפחת ה-®µModule של LTC (ראה איור 1).
תוצאה אחת של המעבר אל ארכיטקטורות כוח של POL היא הזדמנות לבזר את הגנת מתחי המעבר (הארעיים) מלוח אספקת מתח מרכזי אל המעגלים הבודדים בתוך ה-LRU. העומס הנמוך יותר מאפשר פתרון קטן ויעיל באמצעות שימוש במעגל הגנה ייעודי IC כנגד מתחי – על (overvoltage).
פתרון LT4363
קוצץ ספייקים של מתח גבוה LT4363 מגן על העומסים מפני גלי מתח גבוה ארעיים, ומפני תקלות של זרם גבוה (overcurrent). יש לו טווח פעולה רחב מ-4 וולט ועד 80 וולט והוא ניתן לקונפיגורציה בקלות כדי לעמוד עד 250 וולט כמוצג באיור 2. בתנאי פעולה רגילים, MOSFET חיצוני של N-ערוצים מופעל באופן מלא ופועל כהתקן מעביר עם מעט מאוד נפילת מתח. אם מתח הכניסה עולה מעל לנקודת הוויסות שנקבעה על-ידי נגד מפריד ב-, ה-MOSFET מסדיר את המתח ב-pin המוצא (OUT) ומאפשר למעגל העומס להמשיך ולפעול בזמן אירוע המעבר (transient).
נגד אופציונלי בין SNS ובין פיני המוצא משמש לבקרה באירועי overcurrent; לולאת הגבלת הזרם קובעת את מתח שער על MOSFET כדי להגביל את מתח החישה על פני הנגד עד כדי .
הן אירועים של overvoltage או של overcurrent יגרמו למקור זרם להתחיל טעינה של הקבל המחובר אל הפין (12) ב-TMR. זרם הטעינה נמצא ביחס לדיפרנציאל במתח קלט לפלט כך שתקופת שעון העצר מתקצרת עם תקלות חמורות יותר ויותר, ומבטיח כך שה-MOSFET נשאר בתוך סביבת ההפעלה הבטוחה שלו. כאשר ה-VTMR מגיע למתח של 1.275 וולט, פין (10) של ה-FLT מושך נמוך כדי לציין את הזיהוי של תופעת מעבר (transient). אם תנאי תופעת מעבר נמשכים, כאשר VTMR מגיע לערך של 1.375 וולט
ה-MOSFET נכבה. ה-LT4363-1 הינו גירסת LATCH הדורש איפוס באמצעות ה-פין (6) של ה-SHDN, ל-LT4363-2 יש פונקצית איתחול מחדש כאשר פין ה-TMR מתפרק מעומס על-ידי היפוך הזרם ומתן פרק קצר של קירור זמן מה ל-MOSFET. מידע מפורט על קביעת הממדים של ה-MOSFET ועל הבחירה של הקבל TMR ניתנים בגליון הנתונים.
עוצר עליות-מתח צף (Floating Surge Stopper)
עבור עליות מתח מעבר גבוהות מאוד,
ה-LTC4366 משתמש בטופולוגיה צפה אשר בה הגבול העליון מוכתב על ידי הדירוג של ה-MOSFET.
ה-LT4363 ועוד בני המשפחה הזאת מופעלים על ידי אספקת הקלט, ולכן מוגבלים על-ידי מתח הפריצה של פיני הקלט. ה-LT4366 משיג את יכולת הפעולה במתח גבוה באמצעות השימוש בפלט לצורך הזנת החלק כמוצג באיור 4. במהלך האתחול זרם טיפין טיפין (trickle current) דרך RIN משמש כדי לטעון את השער ולספק זרם שנקבע מראש (bias current) ל-MOSFET החיצוני. כאשר הפלט גבוה מספיק כדי להפעיל את משאבה הטעינה הפנימית, זה משתלט ונקבע מצב העבודה. במצב וויסות, מפל המתח על פני RFB1 מושווה למתח הייחוס של 1.23 וולט, ומשמש לבקרה/שליטה של מתח שער
ה-MOSFET. קביעת היחס הנכון של RFB1 ו-RFB2 מתבטאת בנעילת מתח המוצא (output voltage clamping) וה-IC צף כלפי מעלה על תופעת המעבר עם רוב מפל המתח שנפל בין RFB2 ו-RSS.
מסקנות
השימוש במעגלי הגנה איתנים (robust) ב-LRUs הוא חיוני כדי לעמוד בהדרישות האמינות של ציוד צבאי ותעופתי. המגוון הרחב של תקנים, מפרטים, מגמות ומעבר של ציוד לכיוון ארכיטקטורות הספק של POL הובילו אל הצורך בסכימות הגנה קטנות ויעילות שניתן לבזר על פני הלוחות ב-LRU. מעגלים כאלה נבנו באופן מסורתי מְרכיבים נפרדים (discrete), והם קשים וצורכים זמן רב כדי למטב (to optimise). עוצרי הגל LT4363 ו-LTC4366 יכולים ליצור את הבסיס של מעגל הגנה יעיל של מתח על (overvoltage) וזרם-על (overcurrent).
באדיבות חברת אבנט
