מהנדס מערכות הספק: האמנם “גיבור העל” של התכנון ההנדסי?

Bill Laumeister, Maxim Integrated

איננו מצפים מיצרני בגדים שייצרו פרטי לבוש בגודל אחיד שמתאימים לכל אחד. באופן דומה, רכיב ESD אחד לא יכול לפתור את כל הבעיות – לכל יישום נדרש פתרון ESD אחר. מתוך ידיעת העובדה “שגודל אחד שיכול להתאים לכולם” אינו ישים בתכנון מערכות הספק, מתכנן מערכות ההספק, או “גיבור העל” ההנדסי חייב לקחת בחשבון את כל ההפרעות האפשריות שעלולות לעמוד בפני זרימה יציבה של ההספק, ואז לשקול את הדרכים השונות לשיכוכן. מאמר זה מתאר התקנים להגבלת מתח וזרם ומפחתי זמן עלייה שמשמשים לניהול ההספקים. כמו כן, הוא מצביע על כלי תוכנה שמסופקים חינם או בעלות נמוכה, אשר יסייעו בתכנון מסננים מעבירים נמוכים, בבדיקת התהודה העצמית של קבלים ובהדמיית מעגלים.

הקדמה
רבים מאתנו נתקלו בתווית “גודל אחיד לכולם” שמופיעה לרוב בתחום הביגוד ובשלטים המתפרסמים בשווקים, אשר טוענים שכל פרי טרי טוב באותה מידה. עובדה זו נכונה לעתים נדירות, כאשר מדובר בפרטי לבוש ובמזון טרי, אך אין ספק, שהיא אינה ישימה לניהול הספקים במערכות עם מעגלים משולבים. הפרעות בתדר רדיו (RFI), הפרעות אלקטרו מגנטיות (EMI), רגישות לתופעות אלקטרו מגנטיות (EMS) ופריקה אלקטרו סטטית (ESD) – כל אלו הם סיכוני בטיחות פוטנציאליים אשר יכולים להפריע ליישום ואפילו לסכן חיים. אפשר אם כן לסכם שדרישות שונות עומדות בפני כל יישום הספק, ולכל יישום הספק יש קו מאפיין שייחודי לו ומלכודות תכנון משל עצמו.
מהנדסי ההספק שעומדים בקו הראשון של ההגנה – הם “גיבורי העל” של ההנדסה – או “תרופת הפלא” לניהול הכוחות ההרסניים שפוגעים בהספקים, בכל היישומים.
מהנדסים אלו חייבים להיות הראשונים שמתחילים את הפרוייקט, היועצים המדריכים את המתכננים האחרים, והאחרונים הניצבים בשורת השיפורים הכוללת את נצילות האנרגיה במערכת.
מתוך הידיעה שהביטוי “גודל אחיד שמתאים לכולם” אינו ישים לתכנון מערכות הספק, ננסה למקד את תשומת הלב לפי הכלל 20%/80% בעת יצירת מעגל ניהול הספק שמתוכנן היטב. על פי עיקרון בסיסי זה, מתכנן ההספק חייב לקחת בחשבון את כל ההפרעות האפשריות שיפריעו לזרימה יציבה של הספק ולשקול את הדרכים השונות לשיכוכן. נציע התקני הגבלת מתח וזרם ומפחתי זמן עלייה, כדי לאפשר את ניהול ההספק. כמו כן, נצביע על כלי תוכנה שמסופקים בחינם או בעלות נמוכה, שיסייעו בתכנון של מסננים מעבירי נמוכים, בבדיקת התהודה העצמית של קבלים ובהדמיה של מעגלים.

תפקידו של מהנדס ההספק
לא פעם אנו לא מעריכים כראוי את מהנדסי ההספק. לכל המעגלים יש צורך באספקת מתח, והנהלת הארגון אף יכולה לחשוב שהתהליך הזה פשוט וקל. אנו המהנדסים יודעים את התשובה האמיתית, אך עם זאת מכירים את האחריות והמקצועיות המצופות ממהנדס הספק מנוסה. הימים שבהם אפשר היה לרכוש מהמדף ספק כוח גדול באמת, מתוך תקווה שיפעל, חלפו זה מכבר. אפילו הצרכנים מודעים לצריכת ההספק ולעומסי הערפד (זרמי מצב המתנה), ומאחר שעומסי ההספק גדלים, כולנו דואגים לבעיות של בטיחות.
מתכנן ההספק של היום מפקח ואוכף קווי הנחיה בתכנון פרוייקט המתייחסים לנושאים של אספקת מתח והארקה, לרבות העברת מוליכים ועיגונם לתושבת, חישה מרחוק ונקודות כוכב של קווי המתח והארקה בשלדה ועל המעגלים. מערך הנחת הרכיבים במעגל מנוטר ומאורגן למען הקטנת רעש ושמירה על ביטול צימוד מתאים בטווח התדירויות האמור. רגישות לפגיעות מצד הפרעות ESD, EMI, ו-RFI נעוצה בנושאי הממשק, כאשר העולם החיצון והטיפול הטוב ביותר נעשים מתוך הרמוניה. מאחר שתכנון מערכות הספק מתחיל בממשק של העולם החיצוני עם מערכת אספקת המתח הפנימית, משימתו של איש התכנון, בדרך כלל, היא להתייעץ עם אנשי התכנון האחרים, על מנת להגן על נקודות הממשק האחרות ברחבי המערכת.
מתוך הבנת התפקיד המרכזי הזה, ההתמקדות העיקרית של איש תכנון מערכת ההספק צריכה לשקף את הכלל של 20%/80%. באופן כללי מערכות רבות פתוחות לבעיות דומות של RFI, EMI, EMS ו-ESD (אלו הם ה-80%) אבל ההתאמה וההוספה של כמה דרישות מיוחדות או רכיבים מיוחדים (שהם ה-20%) מספקות את ההגנה. (נכון אין זו אומנות מסתורית או אפופת קסם, אבל היא זו שהופכת את מהנדס ההספק לגיבור העל בחברות רבות.)

היכן מתחילים
אתה אמור להאיץ את הפרוייקט, ומהנדס אחר מציע לך “קנה מסנן מהקטלוג. הצב אותו בחזית ספק כוח מתוך קטלוג שנמצא במלאי. זה אמור להספיק”. המעגל המופיע באיור 1, הוא דוגמה אופיינית למסנן כזה.
האם הפתרון טוב מספיק? אולי, אבל כדאי לבדוק ולוודא זאת. וזה בעצם תפקידו של מהנדס ההספק בעל הניסיון, אשר יבדוק את הפתרון מתוך גישה מערכתית, מבחינה מתמטית ומבחינה פיסיקלית.
יש דמיון בין יישומים תעשייתיים ויישומים של מוצרי צריכה, כאשר בוחנים את הנקודות הפגיעות שלהם. עבור יישומים אלו, שנראים שונים, חשוב מאוד שממשק העולם החיצוני (ESD, EMI, RFI ו-EMS) לא יסכן את הבטיחות. אנו מוצאים במפעל מערכות של בקרים מתוכנתים (PLC) שבהם מוליכי חוטים ארוכים פועלים כאנטנות ומתחים של מנועים שפועלים בטווח של מאות וולטים, אשר יכולים להתקצר למוליכים שבהם עוברים נתונים. המפעל או מתקנים תעשייתיים אחרים יכולים גם להימצא מחוץ למבנה, במקום שבו מזג אוויר, ברקים ו”לולאות הארקה” מתקיימים. התקנים של מוצרי צריכה יהיו תמיד פגיעים להפרעות מצד קווי מתח.
ביודענו זאת, אנו מנסים לחזות את הנקודות הפגיעות ל-ESD, EMI ול-RFI של היישום. מעגל ממשק פשוט שמופיע באיור 2, מדגים את החלק המשותף של ה-80% שקיים במעגלים, ומציין היכן יש לצפות לאותם 20% של תכנון המותאם באופן אישי.
מתוך איור 2 אפשר לקבץ את התקני ESD ,EMS ,EMI ו-RFI לשלוש קטגוריות:
1. התקני הגבלת מתח: מגבלי פריקה בגז (arrestor), וריסטורים של תחמוצת מתכתית
(metal oxyde varistor), דיודות דיכוי, התקני triac, התקני diac ומתגים.
2. התקני הגבלת זרם: נתיכים, מפסקים ראשיים ומפסקים תרמיים אוטומטיים.
3. מפחתי זמן עלייה: נגדים, סלילים, ferrite beads וקבלים שכולם מאטים את זמן העלייה של נחשולי מתח, ומספקים בכך מרווח זמן לפעולתם של התקנים אחרים שמשמשים להגנה.
אם נבחן בתשומת לב את המעגל שבאיור 2 נוכל למצוא:
• R1 ,R2: נגדים מדויקים שמנחיתים את מתחי הכניסה הגבוהים, כך שאפשר להשתמש בממיר ADC שפועל בטווח של 3 וולט – מומלץ להשתמש למשימה זו במחלק המתח לנגדים MAX5490
• R1, C1, D1: נגדים שאפשר להחליפם בנתיך או ferrite beads, FD1, על מנת להגביל את הזרם ולהגן על C1 ו-D1 וליצור מסנן מעביר נמוכים.
• R2: אם נגד זה בן 250 אוהם, הוא ממיר זרם של 4 עד 20 מילי אמפר למתח של 1 וולט עד 5 וולט, עבור ממיר ADC.
• C1, C2, C3: קבלים המשמשים להקטנת הפרעות RFI ונגד קיפול תדרים.
• R3-C2, R4-C3: מסנני RC מעבירי נמוכים.
• D1: דיודה של 5.6 וולט לדיכוי נחשולי מתח (TVS) אשר מבצעת ריתוק מ0.6 וולט עד 5.6 וולט. מומלץ להשתמש למשימה זו בדיודה VCUT0505-HD1 של ®Vishay.
• D1-D3: דיודות סיליקון לריתוק (0.6 וולט עד 0.7 וולט מתח קדמי) – למטרה זו מומלץ להשתמש בדיודה המהירה 1N4148. כמו כן מומלצות דיודות ריתוק גדולות יותר – הדיודות לשימוש כללי, 1N4001-7.
• D4-D5: דיודות schottky לריתוק עם מתח קדמי של 0.25 וולט עד 0.3 וולט – למטרה זו מומלץ להשתמש בדיודות BAT54 או SD101.
• R1, R3, R4: מגבילים את הזרמים בדיודות הריתוק שמצוינות לעיל.
• L1 כתחליף ל-R4: מסנן מעביר נמוכים בעל 2 או 3 קטבים.
• R5: סיומת מוצא למסנן.
• L1, C2, C3: מסננים בעלי 2 או 3 קטבים.
• C4: צימוד למתח חילופין או במקביל לסליל L1 לקבלת מסנן.
קבלים בשימוש עם נגדים; ferrite beads וסלילים פועלים כמסננים מעבירי נמוכים. גישה זו מבקרת את הסינון נגד קיפול תדרים (anti alias) עבור ממירי נתונים. היא מאיטה את זמן העלייה של הפרעת ESD ומפזרת את אות הדופק (impulse) על פני הזמן, ומאפשרת לקבלים להיות יעילים יותר. נקודת מתח ההפעלה והתהודה העצמית של כל קבל צריכה להתאים לתדירות הפעולה ולרוחב הפס של היישום. כל אחת מהרשתות האלו פועלת באופן דו כיווני. הן מגינות על המערכת מפני העולם החיצוני ומגינות על העולם החיצוני מפני כל אות שההתקן עלול להקרין באופן לא מכוון. כלי התוכנה פועלים עם המערכת באיור 2 כדי ליצור ולהדמות את המעגל הסופי.

מסקנות
ברור שמאמר קצר זה הוא הקדמה בלבד לטווח של אמצעי הגנה מפני ESD
,EMS, EMI ו-RFI, שעומדים לרשותו של מהנדס תכנון ההספקים, ואת השימוש בהם הוא זה שצריך לשקול. עלינו לחשוב במונחי הכלל 80%/20% בזמן התכנון ועל הסכנות הפוטנציאליות, שמפניהם עלינו להגן ביישום הממשי שלנו.
גרסה דומה של מאמר זה הופיעה בגיליון נובמבר 2012 של המגזין How2Power Today.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת טרייטק