עצות לתכנון של ממירי מתח מעלים לרכב

מתיאס אולמן, טקסס אינסטרומנטס

הקדמה
ביישומי רכב, זרם שקט נמוך הוא בבחינת חובה, מפני שמעגלים אלקטרוניים רבים מחוברים בקביעות למצבר, ולכן הם צורכים זרם כל הזמן. כך למשל המקרה במערכות ניווט, שמשולבות במערכות המולטימדיה במכוניות. רוב ספקי הכוח מוגדרים למצב המתנה כאשר הם לא נמצאים בשימוש או כאשר המנוע אינו פועל, אם כי הם עדיין צורכים זרם בטווח של כמה עשרות עד כמה מאות מיקרו אמפר. אם זרמי שקט אלו גבוהים מדי, המצבר שבמכונית עלול להתפרק לאחר כמה ימים של חוסר שימוש. מעבר לכך, ספק כוח לרכב חייב לפעול בתוך סביבה קשה, אשר במהלך התכנון צריך להתחשב בה. מתחים נמוכים בזמן סיבוב המנוע להתנעה ושיאי מתח גבוהים בזמן הפסקת פעולת עומס מערימים אף הם קשיים.
מאמר זה מציג כמה תכסיסים להקטנת הזרם השקט במצב כיבוי וכן הוא יציג כמה רמזים לתכנון של ממירים באופן כללי, ובמיוחד ממירי מתח מעלים שנתונים בסביבת כלי רכב. מובן שאפשר לממש את הטכניקות ולנצל את הרעיונות המוצגים כאן, ביישומים אחרים ובסוגים שונים של ממירי מתח.

דוגמת יישום
איור 1 מראה את תרשים הבלוקים של פתרון אופייני של מתח לרכב. המבוא של המערכת מחובר ישירות למצבר. הממיר Buck 1 תמיד נמצא במצב פעולה ומחולל מתח של 3.3 וולט, שמספק מתח לבקר מיקרו, בין דברים אחרים. אם המערכת אינה נמצאת בשימוש, הבקר מיקרו משבית את Buck 2, Buck 3 ואת הממיר המעלה, לפני שבקר המיקרו עצמו יעבור למצב שינה. הממיר Buck 1 נשאר עדיין פעיל ושומר על אספקת המתח שמקבל בקר המיקרו, אך הוא צריך לעבור למעין מצב שמדלג על אותות, כדי להקטין את ההפסדים. בנקודת הפעלה זו, מוגדר זרם שקט מרבי עבור רוב מערכות ההספק.
כאשר בקר המיקרו מקבל את האות להתעורר הוא מאפשר את הפעולה של הממירים המורידים Buck 2, Buck 3 ואת הפעולה של הממיר המעלה. הממיר
Buck 1 יעבור באופן אוטומטי ממצב של דילוג על אותות למצב פעולה רגיל. מצב זה יכול להיות מצב הולכה בלתי רציף בעומס נמוך או מצב הולכה רציפה כאשר נצרך ממנו הזרם הנומינלי.
מתח הכניסה של מערכות אלו, נמצא בטווח שבין 4.5 וולט כמינימום בזמן סיבוב המנוע להתנעה לבין 18 וולט בעת הפסקת פעולת עומס. כמו כן, הממירים צריכים לעמוד במתחי שיא שמגיעים עד ל-40 וולט. מאחר שאלו הם מצבים קצרים בלבד, בדרך כלל, הממירים אינם חייבים להיות מסוגלים לפעול במתח כניסה גבוה כזה, אך אין לאפשר להם מצב שבו הם יינזקו. מתח המצבר הנומינלי הוא 13.8 וולט בזמן שהמנוע פועל, לכן יש להתאים באופטימיזציה את הממירים המורידים עבור מתח כניסה זה.
הממיר Buck 3 מספק מתח מוצא של 9.5 וולט. זו אינה בעיה במתח כניסה נומינלי או מעט נמוך ממנו, אך במהלך סיבוב המנוע להתנעה, מתח המצבר יכול לרדת עד ל-4.5 וולט. במצב זה, אין עוד אפשרות להגיע למתח המוצא המוגדר של 9.5 וולט. דבר דומה חל עבור הממיר Buck 2. לכן מציבים ממיר מתח מעלה לפני שני הממירים המורידים. כל עוד מתח המצבר שווה
ל-10.0 וולט או גבוה ממנו, הוא לא ימתג. ואולם, כאשר מתח המצבר ירד מתחת ל-10.0 וולט, הוא יתחיל באופן אוטומטי להעלות את המתח ל-10.0 וולט, על מנת לספק לשני הממירים המורידים מתח גבוה, מספיק כדי לשמור על מתחי המוצא קבועים.
זהו פתרון פשוט, אך יש לו חיסרון קטן. גם במצב שבו הממיר המעלה אינו ממתג, דיודת המוצא שלו נמצאת תמיד בטור לעומס וגורמת למפל מתח, ולכן, להפסדים נוספים. אפשר לחשוב על עוד גישות נוספות, למשל שימוש בממיר מסוג SEPIC במקום בממיר מעלה ובממיר מוריד בטור (ממיר מסוג SEPIC יכול לפעול עם מתח כניסה שהוא נמוך או גבוה ממתח המוצא) או לבצע מעקף של הדיודה של הממיר המעלה, בעזרת טרנזיסטור FET. אך גם לגישות אלו יש כמה יתרונות וכמה חסרונות. בסופו של דבר, המערכת שמוצגת באיור 1 היא הנפוצה ביותר לשימוש, בשל פשטותה ואמינותה.

בחירת חלקים רגילה
כפי שכבר הוזכר, על הממירים לעמוד בשיאים של עד 40 וולט. תכונה זו חלה גם על Buck 2 ו-Buck 3, מפני שהם מחוברים למצבר דרך הדיודה של הממיר המעלה. הממירים או הבקרים חייבים להיות בעלי דירוג מרבי מוחלט על פי מתח הכניסה הגבוה מ-40 וולט. אם משתמשים בבקר בעל טרנזיסטור FET חיצוני, טרנזיסטורי FET שמוגדרים ל-60 וולט יהיו בחירה טובה. וקביעה זו חלה גם על דיודת החזרה (freewheeling diode) של הממירים המורידים.
עבור כל קבלי הכניסה וקבלי המוצא של הממיר המעלה, יתאימו קבלים קרמיים המוגדרים ל-50 וולט (X7R) ו/או קבלים אלקטרוליטיים. מסנן בכניסה, בשילוב עם קיבול כניסה גבוה, יכול להוריד את נחשולי המתח (spike) של המתח, ולכן ייתכן שיהיה מעשי להשתמש במוליכים למחצה, שמוגדרים ל-40 וולט.
אחד הפרמטרים החשובים ביותר בעת בחירת הקבלים עבור דרגת ההספק הוא היכולת לזרם חילופין (AC). עובדה ידועה היא, שאדוות (ripple) הזרם של המשרן של הממיר המעלה, מפעילות מאמצים על קבלי המוצא. ואולם, יש לקחת בחשבון גם את הקבלים בכניסה. כאשר משתמשים בקבלים קרמיים ובקבלים אלקטרוליטיים במקביל, הדברים מסתבכים קצת יותר. השיתוף של זרם האדוות מוגדר במצב זה מוגדר על ידי העכבה (אימפדאנס) של הקבלים, ולא רק על ידי ההתנגדות הטורית שוות הערך (ESR) שלהם. הדרך הפשוטה והבטוחה ביותר, כדי לבדוק אם כל הקבלים נדחפים בתחום המפרט, היא על ידי ביצוע הדמיה של דרגת ההספק.
תכנון ממיר מעלה
הדבר הראשון שיש לבדוק לפני שמתחילים בתכנון ממיר מעלה הוא, באיזה מתח כניסה מזערי הממיר המעלה אמור לפעול, ובמשך כמה זמן, וכן מהו הספק המוצא הנדרש ממנו. באופן כללי, העלאת המתח פעילה רק במהלך סיבוב המנוע בהתנעה, אשר נמשך כמה שניות בודדות עד כמה עשרות של שניות. משך זמן סיבוב המנוע בהתנעה וכן גם משך הזמן שחולף בין כמה מצבים של סיבוב מנוע להתנעה, משתנה בתלות בתקן שבו יש לעמוד. ואולם, בכל המקרים, הממיר המעלה אינו נדרש לפעול ברצף. ברור שעליו להיות מסוגל לטפל בהספקי השיא לפי המוגדר בלי כל בעיה, אך מנקודת מבט של החום, עליו לפזר הפסדי חום ממוצעים בלבד. עובדה זו מאפשרת לא רק לחסוך מקום, אלא היא גם מאפשרת לאיש התכנון להשתמש בחלקים קטנים יותר ולכן גם זולים יותר.
שרטוט מפושט של ממיר מעלה מוצג באיור 2. יש בו כמה מעגלים נוספים, שהם שימושיים לא רק ליישומים בכלי רכב.
המתח לבקר מסופק על ידי חיבור OR של דיודות (D-OR) ממתח המבוא או ממתח המוצא, בתלות במתח הגבוה בין שניהם (בדרך כלל מתח המוצא). חיבור דיודות זה מספק שני יתרונות. האחד, הממיר המעלה יכול לפעול במתח כניסה שיכול להיות נמוך מהמתח המוגדר בדף הנתונים. לדוגמה, ל-TPS40210 נדרש מתח כניסה מזערי של 4.5 וולט כדי להתחיל לפעול. ואולם, מהרגע שבו הממיר התחיל לפעול והוא מספק לעצמו מתח מהמוצא, מתח הכניסה עבור דרגת ההספק יכול להיות נמוך אף יותר מ-4.5 וולט. היתרון השני הוא שמעגל הדחיפה של חיבור gate פועל במתח גבוה יותר מאשר מתח הכניסה הנמוך, עובדה שמקטינה את ההפסדים של טרנזיסטור FET החיצוני (Q-SW). מייצב ליניארי משולב מחולל מתח מיוצב של 8 וולט, כדי לספק מתח למעגל המשולב והוא מחובר עם קבל קרמי חיצוני חוצץ (C-BP). אם מתח הכניסה אינו גבוה דיו כדי לאפשר את פעולת המייצב הליניארי, מתח הכניסה הנמוך יותר יסופק ישירות למעגל המשולב ולכן גם למעגל הדחיפה של חיבור gate. התוצאה היא נצילות נמוכה יותר, מאחר שההתנגדות של טרנזיסטור FET במצב פועל, כאשר המתח בין חיבור gate לחיבור source הוא 4.5 וולט תהיה גבוהה יותר מאשר ההתנגדות כאשר מתח זה הוא 10 וולט.
בקרים מסוימים יכולים לפעול במתחים נמוכים אף יותר מאשר 4.5 וולט ללא חיבור OR כזה של הדיודות. אבל למשל, מתח בין חיבור gate לחיבור source של 3.0 וולט בלבד, עלול להיות כבר נמוך יותר ממתח הסף של כמה טרנזיסטורי FET. כפי שכבר הוסבר קודם לכן, ההפסדים על טרנזיסטור FET גדלים, ומצב זה עלול להיות חמור יותר מפני שכאשר יש מתח כניסה נמוך, זרם הכניסה גדל.
בבסיסו של דבר, יש צורך להוסיף דיודה לכל ממיר מעלה, במצבים שבהם מתח הכניסה יכול לרדת אל מתחת למתח המוצא של המייצב הליניארי המשולב. התוצאה היא נצילות גבוהה יותר והפסדים נמוכים יותר, עם תוספת קטנה בלבד לעלויות.
כאשר הממיר המעלה מועבר למצב כבוי על ידי בקר המיקרו, זרם השקט חייב להיות נמוך ככל האפשר. אין אפשרות להשפיע על זרם הכניסה אל תוך המעגל המשולב, במצב כיבוי, מאחר שהוא נקבע במהלך תכנון המעגל המשולב. ואולם, יש לבדוק בקפדנות את כל המעגלים החיצוניים.
נתיב המשוב בדרך כלל, מורכב משני נגדים שיוצרים מחלק מתח (R-FBH, R-FBL) בין היציאה וחיבור ההארקה. מחלק מתח זה קיים תמיד, והוא גורם לזרם נוסף מאחר שמתח המוצא שווה למתח הכניסה כאשר הממיר המעלה נמצא למצב כבוי. על מנת להקטין את הזרם העובר דרך מחלק המתח, אפשר לאמץ פתרון פשוט, והוא הפיכתו לבעל התנגדות גבוהה במיוחד. לרוע המזל, ביישומים של כלי רכב, ההתנגדות המרבית מוגבלת בדרך כלל ל-100 קילו אוהם. כדי להתמודד עם בעיה זו, מציבים טרנזיסטור FET קטן (Q-EN) בין נגד הצד הנמוך לבין ההארקה. אות האפשור משמש כדי לחבר את מחלק הנגדים אל הפוטנציאל של ההארקה, וגורם לו לתפקד.
ואולם, תהליך זה יוצר בעיה חדשה, קטנה. כאמור קודם לכן, שיאים של עד 40 וולט נראים בכניסה ובמוצא של הממיר המעלה. לכן, הם גם נראים במחלק המתח במשוב ומוקטנים בפין המשוב. אם המחלק יהיה מחובר להארקה כל הזמן, לא תהיה כל בעיה, מפני שנגד הצד הנמוך (R-FBL) בדרך כלל קטן יותר בהרבה מהנגד בצד הגבוה (R-FBH), והדירוג המרבי המוחלט של פין המשוב הוא 10 וולט ב-TPS40210. כאשר הנגד בצד הנמוך מבודד מהארקה בזמן הכיבוי, מתח השיא המלא נראה בפין המשוב. דיודת זנר (D-CLAMP) שמחוברת מ-FB להארקה, מרתקת את המתח לערך סביר ומגינה על המעגל המשולב (IC). את המתח בדיודת זנר יש לבחור קרוב לדירוג המרבי של הפין (FB וולט, במקרה הזה), מפני שבמצב כיבוי המצבר עודו מחובר וזרם נמוך עובר תמיד דרך R-FBH ודיודת הריתוק. זו גם הסיבה לכך שמשתמשים בהתנגדות מרבית של 100 קילו אוהם עבור הנגד בצד הגבוה של מחלק המתח.
אם למעגל המשולב שמיושם יש כניסה ייעודית עבור נעילה של מתח חסר (מחלק מתח), יש לבדוק גם את דירוג המתח המרבי שלו, ואם נדרש, להוסיף דיודת ריתוק.
בתרשים שנראה באיור 2 יש כניסת אפשור (J3), אך היא אינה מחוברת באופן ישיר לכניסת האפשור של המעגל המשולב עצמו (DIS/). הורדת הכניסה DIS/ (פחות מ-0.7 וולט) או השארתה במצב פתוח, תאפשר פעולה של הממיר המעלה, העלאתו למצב גבוה (יותר מ-1.3 וולט) ותשבית אותו. פין המשוב מחובר אל כניסת האפשור DIS/ דרך שתי דיודות המחוברות בטור. אם הממיר המעלה יהיה מושבת על ידי הכניסה J3, טרנזיסטור FET () יבודד מההארקה את הנגד R-FBL שבצד הנמוך של מחלק המתח, והמתח בפין FB יהיה מרותק ל-8.2 וולט. מתח זה מחובר אל כניסת האפשור דרך שתי דיודות, כך שהוא הרבה מעל למתח המזערי של 1.3 וולט. אם הממיר המעלה יקבל את אות האפשור, מחלק המתח יתחבר להארקה ויגרום למתח בכניסה DIS/ לרדת מתחת ל-0.7 וולט. הממיר יתחיל לפעול וייצב את מתח המוצא, כך שהמתח בכניסת המשוב FB יהיה 700 מילי וולט. בגלל שתי הדיודות המחוברות בטור, מתח זה אינו מופיע בפין DIS/ והנגד המשולב המושך מטה (pull down) מחזיק את הכניסה DIS/ בפוטנציאל ההארקה.
באיור 3 מוצגת דוגמה נוספת לאופן שבו אפשר לבקר את טרנזיסטור FET של מחלק המתח במשוב. בניגוד למופיע באיור 2, אות האפשור לא דוחף ישירות את טרנזיסטור FET. חיבור gate מחובר למוצא של המייצב הליניארי המשולב בפין VCC. כאשר הממיר מאופשר, ואז גם המייצב הליניארי שבתוך LM3481 מופעל, הוא מפעיל באופן אוטומטי את מחלק המתח של המשוב. הפעולה מתרחשת מהר מאוד בהשוואה לעלייה ההדרגתית של מתח המוצא, מבלי שתגרום לתגובת יתר (overshoot) של המתח במוצא. נגד מושך מטה וקבל קטן מוצבים ישירות בין חיבור gate לחיבור source ומחזיקים אותו באופן ודאי במצב נמוך, כל עוד לא מופעל כל מתח.
כניסת האפשור של LM3481 היא במידה מסוימת מיוחדת, מאחר שיש לה פונקציות מרובות. ראשית, עם נגד המחובר להארקה נקבעת תדירות המיתוג החופשית. שנית, היא מהווה את הכניסה עבור אות הסנכרון, אם יש צורך לסנכרן את תדירות המיתוג של הממיר לזו של ממירים אחרים. ושלישית, אם מחברים מתח של 1.4 וולט או יותר לפין של כניסה זו, הממיר עובר למצב כיבוי.
בדוגמה זו, המייצב TPS7A1633 להפרש מתחים נמוך (LDO) עם טווח גדול של מתח כניסה (עד 60 וולט) ועם זרם שקט נמוך (5 מיקרו אמפר) מחובר ישירות בין המצבר לבין פין האפשור. אם מייצב LDO מאופשר, מתח המוצא של 3.3 וולט יהיה מחובר לפין זה ויאלץ את הממיר המעלה למצב כיבוי. בנוסף, אפשר להשתמש ביציאת 3.3 וולט, כדי להפעיל מעגלים אחרים שיש צורך שיהיו במצב פועל כאשר המערכת במצב כבוי, כמו למשל בקר המיקרו שבאיור 1. שימוש כזה יכול לספק נצילות גבוהה יותר מאשר השימוש בממיר המוריד Buck 1 כדי ליצור את מתח האספקה לבקר המיקרו כאשר המערכת נמצאת במצב כבוי. על מנת להפעיל את הממיר המעלה, מייצב LDO מושבת והמוצא שלו הופך להיות בעל התנגדות גבוהה. במצב זה רק הנגד R-FA, אשר קובע את תדירות המיתוג, מחובר מבחינה חשמלית לפין זה.

מסקנות
הדוגמאות ועצות התכנון שהוצגו לעיל יכולות לשפר בבירור את הנצילות הכוללת ואת הביצועים הכלליים של ממירים מעלים בסביבות של כלי רכב. המעגלים הנוספים קטנים מאוד, אם כי השיפור משמעותי. מכאן שהשימוש בהם יכול שלא להיות מוגבל ליישום זה, באופן בסיסי הם עוזרים לחסוך הספק ולהקטין את זרם השקט בכל הסביבות האחרות.
כאשר מתחילים לתכנן את מערכת אספקת המתח הזו, יש לשים לב לנחשולי המתח המוגדרים במערכת ובאלו חלקים שלה הם עלולים להופיע. בחירה נכונה של חלקים ומעגלי ריתוק, אם נדרשים כאלה, יכולים למנוע בעיות.