מגבל זרם אוניברסאלי

מאת: מתיאס אולמן, טקסס אינסטרומנטס

הקדמה
על מנת להגן על המשתמש ועל המעגל האלקטרוני, בכל ספק כוח יש צורך לשלב סוג כלשהו של הגבלת זרם. לדוגמה, למייצבי מתח ליניאריים יש כיבוי בטמפרטורת יתר, וממירי מתח מורידים (buck) מודדים את נפילת המתח על פני נגד, טרנזיסטור FET או משרן מקביליים (shunt). אם זרם היציאה יהיה גבוה יותר מערך סף מסוים, הממיר יתנתק מהעומס למשך פרק זמן מסוים או שהוא יעבור למצב הגבלת זרם, שבו הזרם ביציאה נשאר קבוע ומתח המוצא יורד.
בממירי מתח מעלים (boost) דיודה מחברת את המוצא ישירות אל הכניסה. גם כאשר אין הוא פועל, מתח הכניסה נשאר במוצא. מאחר שאין אפשרות לסגור את הדיודה, אין אפשרות ליצור הגבלת זרם באמצעות הממיר עצמו. בעיה נוספת קיימת בממירים עם שנאי flyback, שבהם יש כמה כריכות מוצא מבודדות. במקרה כזה, אפשר לייצב רק את אחד המתחים, שעה שהאחרים נוצרים באופן חופשי באותו מחזור פעולה (duty cycle). אם נוצר קצר במוצא המיוצב, הבקר מקטין את מחזור הפעולה על מנת להגן על דרגת ההספק. ואולם, מצב זה גורם גם להקטנה של כל היציאות האחרות, והממיר לא מספק עוד הספק, למעשה, באף לא אחת מהיציאות.
עבור שתי הדוגמאות האלו ועבור כל היישומים שבהם יש למשתמש גישה אל מתח, יש צורך בהגבלת זרם נוספת. מאמר זה מציג את האופן שבו אפשר להשתמש במעגל משולב (IC) המיועד לדחיפת נוריות LED כמגבל זר, אם בממיר או במקור המתח לא משולב הגנה.

הרעיון
השאלה שיכולה להישאל היא מדוע כדאי להשתמש במעגל לדחיפת נוריות LED כבמגבל זרם. הסיבה לכך פשוטה למדי, מפני שהוא ממלא בדיוק את כל הדרישות לצורך כך. ביסודו של דבר, מעגל לדחיפת נוריות LED הוא מקור זרם. אין הוא מבקר ומייצב את מתח היציאה בדומה לממירים “רגילים”, אלא הוא מייצב את זרם היציאה. כל עוד הזרם נמוך מהזרם שהוגדר, יגדל מחזור הפעולה של ההמרה. כאשר הזרם יגיע לערך הנומינלי, מחזור הפעולה יישאר בערך הקיים שלו. הגדלת העומס מקטינה עוד את מחזור הפעולה, על מנת לשמור על זרם קבוע ולהקטין את מתח המוצא באותה העת. אם זרם היציאה לעולם לא יגיע לערך הנומינלי, מחזור הפעולה יגדל עד אשר יגיע לגבול של 100 אחוזים. אופן פעולה זה מאפשר להשתמש במעגל לדחיפת נוריות LED כבמגבל זרם ביישומים שונים. ראשית, יש צורך שהמעגל המשולב יוכל לפעול במחזור עבודה של 100 אחוזים. לכן אין אפשרות להשתמש כמעט בכל ממירי המתח המורידים מבוססי טרנזיסטור N-FET, מפני שיש צורך למתג מדי פעם את טרנזיסטור FET של הצד הנמוך, על מנת לפרק את מעגל העקיבה (bootstrap) אשר דוחף את טרנזיסטור FET של הצד הגבוה. ממירי מתח מעלים שמשתמשים בטרנזיסטורי P-FET הם הבחירה הנכונה, מפני שהם יכולים לפעול במחזור פעולה של 100 אחוזים. שנית, המעגל המשולב צריך להיות בעל יכולת חישת זרם בצד הגבוה, כלומר לפני המוצא. אם יש למשתמש גישה אל המוצא, נתיב החזרה הוא בדרך כלל דרך ההארקה, כך שאין אפשרות לחיבור רכיב מקבילי בין נתיב החזרה לבין ההארקה. ושלישית, הסף של חישת הזרם צריך להיות נמוך, כדי שהיא תגרום למפל מתח מזערי על פני הרכיב המקבילי בלי שתהיה לכך השפעה גדולה מדי על מתח המוצא בעומס מלא.
כל הדרישות האלה מתמלאות באמצעות LM3409, ועוד יותר מכך, הוא בעל גודל קטן (מארז 10-MSOP) ויש לו צורך בכמות מינימלית של רכיבים חיצוניים.

מצב זרם קבוע
כאשר מתכננים את המעגל לדחיפת נוריות LED כמעגל המשולב, הוא מתנהג כמקור זרם. אם זרם היציאה נמוך מערך הסף, מחזור הפעולה הוא 100 אחוזים. בעומס גדול יותר מחזור הפעולה יקטן, על מנת לשמור על זרם קבוע, אך בו בזמן, מתח המוצא יקטן. התנהגות זו תישאר בעינה, עד אשר מתח המוצא יירד ל-1.24 וולט. מתח זה הוא מתח המוצא המינימלי שממיר המבוסס על NM3409 יכול לספק. מתחת למתח זה, הממיר יכבה לפרק זמן מסוים עד אשר יופעל מחדש.
איור 1 מציג תרשים של מעגל הפועל במצב זרם קבוע.
בתכנון המתואר, המוצא של 12 וולט מוגבל ל-1.0 אמפר. להקלת התכנון עומד לרשותך גיליון תכנון ב-Excel שאותו אפשר לאתר באמצעות מילת המפתח PMP8531 באתר החברה.
מיתוג הממיר מתבצע רק כאשר זרם היציאה מוגבל ל-1.0 אמפר. מבחינת שיקולי חום, יש לתכנן את הממיר המוריד כך שיוכל לפעול במצב ממותג כל הזמן. לכן, יש לקבוע את תדירות המיתוג אשר נקבעת באמצעות הנגד ROFF והקבל COFF לערך סביר. בדוגמה זו, 400 קילו הרץ הוא ערך מתאים לשמירת הפסדי המיתוג בטווח מתון ובו בזמן לקבלה של השראות קטנה.
ההשראות תלויה בערך הנבחר של גודל האדוות (ripple). ביישומים רגילים ערך זה נקבע בדרך כלל ל-20 עד 30 אחוזים, אך במקרה זה בחרנו ב-100 אחוזים. המשמעות היא שהזרם המינימלי במשרן הוא 0.5 אמפר והזרם המקסימלי הוא 1.5 אמפר. לצורך החישובים בגיליון Excel, יש להניח מתח מוצא של 6.0 וולט, מאחר שזרם האדוות המקסימלי מתקיים במחזור פעולה של 50 אחוזים. השימוש בנתונים אלו בחישובים הניב ערך של 6.8 מיקרו הנרי עבור ההשראות. השלב הבא הוא לבחור את נגד החישה RSNS אשר קובע את זרם המוצא המקסימלי. המעגל המשולב מודד את מפל המתח על פני הרכיב המקבילי בחיבור CSP (פין 8) ובחיבור CSN (פין 7). הסף אינו קבוע אולם אפשר לכוון אותו לפי שלוש אפשרויות באמצעות IADJ (פין 2).
אפשרות ראשונה – IADJ במצב פתוח IADJ הוא מקור זרם של 5 מיקרו אמפר שמרותק למתח של 1.24 וולט כאשר פין זה נשאר פתוח. הסף הוא תמיד 1/5 מהמתח המוגדר ב-IADJ כלומר מתח של 248 מילי וולט.
אפשרות שנייה – חיבור מתח חיצוני
ל-IADJ
אפשר לחבר מתח חיצוני בטווח של 0 עד 1.24 וולט לחיבור IADJ ובכך להגדיר את הסף לטווח 0 עד 248 מילי וולט.
אפשרות שלישית – נגד חיצוני שמחובר בין חיבור IADJ להארקה
מקור הזרם של 5 מיקרו אמפר יוצר מתח על פני הנגד. שוב, הסף הוא 1/5 ממתח זה.
באפשרות הראשונה נוצר הסף המקסימלי שגורם למפל מתח של 248 מילי וולט, שהוא כבר 2 אחוזים ממתח המוצא שבדוגמה זו, שהוא 12.0 וולט. באפשרות השנייה נדרש מתח מדויק נוסף שבדרך כלל לא קיים. הבחירה הנכונה עבור יישום זה היא האפשרות השלישית בזכות הגמישות הגדולה שלה. בעזרת הנגד החיצוני אפשר לקבוע בקלות את הסף לערך שמאפשר למתכנן להשתמש בערך של נגד סטנדרטי. אפשר באותה העת לקבוע את הסף לערך נמוך מאוד על מנת להקטין למינימום את ההפסדים ברכיב המקבילי. סף של 75 מילי וולט נקבע על ידי חיבור נגד של 75 קילו אוהם בין הנקודה REXT וההארקה. עבור דוגמה זו יש צורך בנגד חישה של 50 מילי אוהם, שגורם למפל מתח של 0.625 אחוזים בלבד ממתח המוצא של 12.0 וולט בזרם מקסימלי של 1.0 אמפר.
טרנזיסטור P-FET גורם אף הוא למפל מתח מאחר שהוא נמצא תמיד בטור ליציאה. אפשר לחשב את מפל המתח הכולל ולקחת אותו בחשבון. עבור רוב היישומים בדרך כלל אין בעיה עם מפל מתח סביב אחוז אחד. במעגל המופיע בדוגמה, מפל המתח הכולל במחזור עבודה של 100 אחוזים הוא 177 מילי וולט שהם שווי ערך ל-1.5 אחוזים בעומס של 1.0 אמפר.
אם מחברים את המעגל הזה בצורה ישירה אחרי ממיר אחר, נדרש רק קיבול קטן או לא נדרש קיבול כלל, מאחר שקבלי המוצא של הממיר ממלאים את התפקיד של קבלי הכניסה שלו.
הקיבול במוצא תלוי בעוצמת אדוות המתח המותרת במוצא כאשר הממיר מבצע מיתוג. לקבלת פונקציונליות מתאימה, קבל קרמי של 1 מיקרו פראד מספיק ביישום זה.
איור 2 מראה כיצד מיוצב הזרם ביציאה. העקומה הכחולה מייצגת את הזרם במשרן ומתחתיה באדום מופיע זרם היציאה לעומס.
יש לשים לב שהממיר מתחיל לבצע מיתוג רק אם הזרם הגיע לערך השיא שלו. ILimit הוא זרם היציאה המקסימלי (1.0 אמפר), IPeak הוא זרם הגבול ועוד מחצית מזרם האדוות (0.5 אמפר ב-100 אחוזים של אדוות). בחירה בעוצמה נמוכה יותר של אדוות מקטינה את הערך של IPeak והתוצאה היא ניתוק (tripping) מוקדם יותר.
כאשר הזרם מגיע ל-1.5 אמפר, הממיר מתחיל לבצע מיתוג. לאחר מכן זרם היציאה הממוצע מוגבל ל-1.0 אמפר, כפי שניתן לראות בעקומה האדומה. זרם המשרן נראה כמו בממיר מוריד רגיל.
כאשר זרם העומס יורד אל מתחת ל-1.0 אמפר, הממיר מפסיק את המיתוג ומעביר את טרנזיסטור FET למצב פתוח באופן קבוע (מחזור פעולה של 100 אחוזים). אם למשל זרם העומס נותר ב-1.25 אמפר, כלומר מתחת לזרם השיא, עדיין לא מופעלת ההגבלה. יש לזכור זאת בעת תכנון המערכת.
באיור 3 אפשר לראות בערוץ 3 (בכחול) את זרם המשרן בעת שזרם העומס מוגבל ל-1.0 אמפר. מתח המוצא (ערוץ 2, באדום) כבר ירד ל-8.0 וולט, בעוד שמתח הכניסה נשאר 12.0 וולט. יש בו אדוות בעוצמה משמעותית אשר נגרמות בגלל קיבול המוצא הקטן של 1 מיקרו פראד בלבד. על מנת להקטין אותן יש להוסיף קיבול.
אם מקצרים את המוצא, טרנזיסטור FET עובר למצב כבוי כאשר הזרם מגיע ל-1.5 אמפר. בעקבות הקצר במוצא, מתח המוצא לא יכול לעלות ולכן הממיר עובר למצב כבוי למשך 300 מיקרו שנייה, על מנת להגן על המעגל עד אשר הוא מתחיל שוב לפעול עם מחזור יחיד.

מצב מעגל השוואה
שימוש במעגל המשולב במצב מעגל השוואה פשוט אף יותר וחוסך כמה חלקים. הפונקציונליות פשוטה למדי. בניגוד למקרה הקודם, טרנזיסטור FET עובר למצב כבוי ומנתק את העומס ממתח המקור מיד כאשר הזרם מגיע לגבול שכוון מראש. אחרי השהייה של 300 מיקרו שנייה טרנזיסטור FET מופעל שנית. הוא פועל כמקור זרם בדומה לאופן שבו פועל המעגל בדוגמה הקודמת.
איור 5 מציג את התרשים של מצב מעגל ההשוואה שבו משמשים חלקים בכמות קטנה יותר בהרבה (קבלי כניסה ויציאה, משרן, דיודה).
בחירה בנגד החישה RSNS וקביעת סף הגבול באמצעות IADJ מתבצעים כפי שתואר בחלק הקודם. תצורה זו נתמכת אף היא בגיליון התכנון ב-Excel אשר מקילה את התכנון.
איור 6 מציג את הפונקציונליות של המעגל שמהווה בעצם נתיך אלקטרוני.
טרנזיסטור FET הנמצא במצב פתוח באופן רציף בלי לבצע מיתוג כל עוד זרם העומס נמוך מהגבול. אם הזרם עובר את הגבול, טרנזיסטור FET מנתק את העומס מהמקור למשך 300 מיקרו שניה עד שהוא ממותג שנית למצב פתוח.

מסקנות
מאמר זה מראה שמעגל משולב, אשר בדרך כלל מיועד ומשמש כדוחף נוריות LED, יכול לשמש כמגבל זרם עבור יישומים שונים. הפונקציונליות וההתנהגות ממלאים את כל הצרכים ובתלות במעגל החיצוני קיימת אפשרות להשתמש בו בשני מצבים. במצב של זרם קבוע, הוא פועל כמקור זרם, ובמצב של מצב מעגל השוואה הוא פועל כנתיך אלקטרוני.
בהשוואה לכל הפתרונות האחרים אשר מבוססים בעיקר על טרנזיסטורים שפועלים כמייצבים ליניאריים, לפתרון זה יש רק הפסדים נמוכים במצב זרם, בזכות טופולגיית ספק הכוח הממותג שיש לו. כתוצאה מהסף הנמוך של חישת הזרם הניתנת לכוונון, ההפסדים ברכיב המקבילי יכולים אף להיות נמוכים מאוד.
גודל הפתרון השלם עבור מצב זרם קבוע עם דרגת הספק שלימה של ממיר מוריד יכול להיות 10 מ”מ 20 מ”מ. במצב של מעגל השוואה, נדרשים פחות רכיבים והשטח על הנדרש על פני המעגל קטן אף יותר.
אפשר למצוא גיליון תכנון ב-Excel באמצעות מילת המפתח PM8531 באתר החברה. הגיליון מקצר את זמן התכנון ומאפשר למשתמש להגיע במהירות לפתרון עובד.