ווילי חאן, Linear Technology
תחי אספקת ביניים במתח נומינלי של 24 עד 28 וולט נפוצים בשימוש במערכות תעשייתיות, במערכות חלל-אוויר ובמערכות צבאיות, שבהן יכולים להשתמש במצברים מחוברים בטור כבמקור מתח חלופי, וארכיטקטורות BUSS של 12 וולט הופכות להיות לא מעשיות, כתוצאה מהפסדי חלוקת המתח. פער המתחים המתרחב בין מתח המערכת וכניסות המתח של מעבדים ספרתיים מציבים אתגרי תכנון הקשורים לאספקת מתחים, לבטיחות ולגודל הפתרון. אם נשתמש בממיר מתח ישר למתח ישר, מוריד, לא מבודד ובדרגה יחידה, הוא יהיה חייב לפעול עם תזמוני PFM/PWM מדויקים ביותר. אירועים של אימפולס מתח בכניסה גורמים למאמצים נוספים שפועלים על הממיר שנמצא בשימוש ומציגים סיכון נוסף של מתח יתר לעומס. קבלים לא מתאימים או לא מקוריים, שמותקנים בייצור, עלולים לגרום לתנודות במתח המוצא החורגות מהגבולות המוגדרים עבור העומס, ולהביא את התקני FPGA ,ASIC או את מעבדי המיקרו לידי שריפה. בתלות בהיקף הנזק, התהליך לאיתור הסיבה השורשית עלול להיות מאתגר למדי והעלויות הגבוהות הכרוכות בתיקון, זמני ההשבתה היקרים והנזקים הגדולים שעלולים להיגרם למוניטין הנגזרים ממצב זה, כולם מתסכלים ביותר.
לכן, יש להעניק שיקול דעת קפדני לתוכנית של התמודדות עם סיכוני מתח יתר, על מנת להקטין למינימום את העלות ואת אי הנוחות שעלולים להיגרם ללקוחות. שיטות מסורתיות להגנה מפני מתח יתר שמערבות שימוש בנתיך אינן מתאימות להגנה על התקני FPGA ,ASIC ומעבדי מיקרו מודרניים במיוחד, כאשר המתח הנומינלי בקו אספקת המתח הוא 24 וולט או 28 וולט. לאחרונה נוצר פתרון חדש, שמשלב מייצב מתח ממותג, שממיר מתח ישר למתח ישר ומוגדר ל-38 וולט, עם מעגל המיועד להגנה מפני רבות מבין התקלות, לרבות מתח יתר במוצא. אספקת מתח והגנה על התקני הלוגיקה המתקדמים ביותר של ימינו קיימות מעתה בהתקן קומפקטי אחד.
חשיבות התזמון המדויק של מעגל מיתוג עולה עם המתח ועם SURGES (פולסים) של המתח בכניסה
כאשר קיים הפרש גדול בין מתח הכניסה למתח המוצא הרצוי, השימוש במייצבי מתח ממתגים שממירים ממתח ישר למתח ישר הופך לעדיף, בשל נצילותם הגבוהה של המייצבים. הפתרון של ממיר ממתג מוריד מתח ולא מבודד ובעל גודל קטן, הוא פתרון ברור, כזה שפועל בתדירות גבוהה מספיק כדי לצמצם את דרישות הגודל של התקני ההספק המגנטיים וקבלי הסינון שלו. ואולם, ממיר מתח ישר למתח ישר, ממתג, כמו זה, חייב לפעול בטווח צר של מחזור עבודה (duty cycle), עד כדי 3%, ואשר יש לו צורך בתזמון PWM/PFM מדויק. בנוסף, למעבדים הספרתיים נדרש ייצוב מתח הדוק, ונדרשת תגובה מהירה לתופעות מעבר, על מנת לשמור את המתח בתוך הגבולות הבטוחים. במתחי כניסה גבוהים יותר, השוליים של שגיאת הזמן במצב פתוח (on) בהתקן המיתוג שבצד העליון הופכים לקטנים יותר.
נחשולי המתח באפיק, שלעיתים קיימים ביישומי תעופה וחלל וביישומים צבאיים, מעמידים בסכנה לא רק את ממירי המתח הישר למתח הישר, אלא גם את העומס. הממיר של מתח ישר למתח ישר חייב להיות מוגדר באופן כזה שיוכל לייצב את נחשולי מתח היתר בעזרת חוג בקרה מהיר, על מנת להשיג דחיית קו אספקה מספקת. אם ממיר המתח הישר למתח ישר לא יצליח לייצב את נחשולי מתח האפיק או לא יצליח לשרוד אותם, יועבר מתח יתר לעומס. תקלות של מתח יתר עלולות גם להופיע כאשר קבלי מעקף העומס מאבדים את תכונותיהם עם חלוף הזמן ועם שינויי הטמפרטורה, והתוצאה יכולה להיות תגובה חלשה יותר לתופעות מעבר בתקופת סיום חיי המוצר. אם תכונות הקבלים מתדרדרות אל מחוץ לגבולות התכנון של חוג הבקרה, העומס עלול להיות חשוף למתח יתר כתוצאה משני מנגנונים אפשריים. הראשון, אירועים חמורים של תופעת מעבר בעומס אשר גורמים לתנודות מתח גבוהות יותר מאשר היה צפוי בעת יצירת התכנון, גם אם חוג הבקרה נותר יציב. המנגנון השני, אם חוג הבקרה יהפוך להיות יציב רק באופן מותנה, (או, גרוע מכך, לא יציב), מתח המוצא עלול להתנדנד עם מתחי שיא שחורגים מהגבולות המותרים. קבלים עלולים גם לאבד מתכונותיהם באופן בלתי צפוי או מוקדם מהמוגדר, אם נשתמש בחומר דיאלקטרי לא מתאים או כאשר רכיבים מזויפים יחדרו לרצף הייצור.
רכיבים זולים ומזויפים עלולים לגרום לכאבי ראש שעלותם יקרה
שוק אפור או שוק שחור, העלות האטרקטיבית של רכיבים מזויפים עלולה להתגלות כפיתוי גדול מדי עבור חלק מהאנשים שלא יכולים לעמוד בפניה, אפילו שרכיבים אלו לא עומדים בתקנים, שבהם עומד הפריט המקורי (לדוגמה, ייתכן שהם ממוחזרים מפסולת אלקטרונית או מיוצרים תוך כדי שימוש בחומרים שאיכותם ירודה). החיסכון המושג בטווח הקצר הופך להיות הוצאה אדירה כאשר מופיעה תקלה במוצר המזויף. למשל, קבלים מזויפים עלולים להתקלקל בכמה דרכים. התברר שבקבלי טנטלום מזויפים התפתח חום עצמי פנימי עם מנגנון של משוב חיובי עד לנקודה שבה הם הגיעו ל”בריחה תרמית”. קבלים קרמיים מזויפים עלולים להכיל חומר דיאלקטרי ירוד או נחות, אשר מביא לירידה מואצת בקיבול עם הזמן או בטמפרטורות עבודה גבוהות. כאשר קבלים מתקלקלים באופן פתאומי או אם ערכיהם יורדים וגורמים לאי יציבות בחוגי בקרה, צורות הגל במתח עלולות להיות גדולות במשרעת (אמפליטודה) שלהן, הרבה מעל התכנון המקורי, ולסכן את העומס.
לרוע מזלה של התעשייה, רכיבים מזויפים מוצאים יותר ויותר את דרכם אל תוך שרשרת האספקה ואל רצף הייצור של מערכות אלקטרוניות, גם ביישומים הרגישים ביותר והמאובטחים ביותר. על פי דוח שחובר על ידי ועדת הסנט של ארצות הברית לנושאים הקשורים בשירותי הכוחות המזוינים (SASC), אשר יצא לאור במאי 2012, מסתבר שרכיבים אלקטרוניים מזויפים נפוצים במערכות של מטוסים צבאיים ושל כלי נשק, והם עלולים לסכן את הביצועים ואת האמינות של מערכות אלו. המערכות יוצרו על ידי ספקי העילית של התעשייה הצבאית. אם נצרף לכך את המספר הגדל של רכיבים אלקטרוניים המשולבים במערכות כאלה – למשל יותר מ-3,500 מעגלים משולבים המשמשים במטוס הקרב-תקיפה המשולב (JSF)- נמצא שרכיבים מזויפים מעמידים בסכנה את הביצועים והאמינות של המערכות, סכנה שאין עוד אפשרות להתעלם ממנה.
התוכנית לשיכוך סיכונים
בכל תוכנית המיועדת לשיכוך סיכונים, יש לקחת בחשבון את האופן שבו המערכת תגיב למצב של מתח יתר ואת הדרך שבה היא תשתקם ממנו. האם אפשר להסכים לאפשרות של עשן או אש כתוצאה מתקלה של מתח יתר? האם הניסיונות לקבוע את הסיבה הבסיסית לתקלה ולבצע פעולות תיקון ייפגעו כתוצאה מהנזק הנגרם מתקלה של מתח יתר? אם מפעיל מקומי ינתק את המתח ויחזור ויחבר אותו (יבצע אתחול), במערכת שנתונה בסכנה, האם יגרום לנזק גדול אף יותר במערכת שיוביל לפגיעות נוספות במאמצי השיקום שלה? מה הוא הזמן והתהליך הדרושים כדי שאפשר יהיה לקבוע מהו הגורם לתקלה ולהחזיר את המערכת לפעולה רגילה?
אי ההתאמה של מעגלי ההגנה המסורתיים
שיטה מסורתית להגנה מפני מתח יתר מתבססת על נתיך, התקן יישור סיליקון מבוקר (SCR) ודיודת Zener. מעגל זה (איור 1), מגן על העומס באופן הבא. אם מתח האספקה בכניסה חורג מזרם הפריצה של דיודת Zener, התקן SCR מופעל ומזרים זרם שמספיק לניתוק הנתיך. הפתרון פשוט באופן יחסי וזול, אך בין החסרונות הטמונים בגישה זו נכללים הדיוק של מתח פריצת דיודת Zener, שינויים בסף ההפעלה של התקן SCR, זמני תגובה משתנים של התקן SCR ושל הנתיך, והרמה של המאמץ הנדרש לשיקום המערכת מהתקלה (כלומר שירות פיזי של החלפת הנתיך ואתחול המערכת). אם קו אספקת המתח האמור מפעיל את הליבה הספרתית, יכולת ההגנה של התקן SCR מוגבלת, מאחר שמפל המתח הקדמי שלו בזרמים גבוהים שווה למתח הליבה של המעבדים הספרתיים המתקדמים ביותר או גבוה ממנו. כתוצאה מחסרונות אלו, שיטת ההגנה המסורתית מפני מתח יתר אינה מתאימה להמרת מתח ישר גבוה למתח ישר נמוך לצורך הפעלת עומסים כדוגמת התקני ASIC או FPGA, אשר ערכם יכול להגיע למאות דולרים, אם לא לאלפים.
המעגל אמנם זול, אך זמן התגובה שלו לא מספיק כדי להגן באופן אמין על המעגלים הספרתיים המתקדמים ביותר, במיוחד כאשר קו האספקה הוא אפיק מתח הביניים. בנוסף, פעולת השיקום מתקלה של מתח יתר – ולו הפשוטה ביותר – היא פולשנית וצורכת זמן רב.
המצאה חדשה המשלבת מעגלי הספק והגנה
פתרון טוב יותר יהיה לגלות במדויק את מתח היתר שעומד להתרחש ולהגיב עליו בניתוק מהיר של מתח האספקה שבכניסה, תוך כדי פריקת המתח החריג בעומס דרך נתיב בעל אימפדנס נמוך. פתרון כזה אפשרי מעתה עם תכונות ההגנה הנרחבות הכלולות במייצב ®µModule מוריד המתח LTM4641. בלב ההתקן מותקן מייצב מתח מוריד ל-10 אמפר עם הגדרת מתח של 38 וולט, עם משרן, מעגל בקרה, מתגי הספק ומעגל פיצוי הכל במארז יחיד להתקנה משטחית. עם זאת, להוספה של רמת הגנה עבור התקני עומס שערכם רב, כמו התקני ASIC ,FPGA ומעבדי מיקרו, כלולים בהתקן מעגלי ניטור והגנה נרחבים. מוריד המתח LTM4641 מבצע מעקב תמידי אחר תנאים של מתח חסר ומתח יתר בכניסה, טמפרטורת יתר ומתח יתר וזרם יתר במוצא, ופועל בהתאם כדי להגן על העומס. כדי למנוע ביצוע שגוי או מוקדם מדי של פעולות ההגנה, יש לכל אחד מהפרמטרים האלו, הנמצאים במעקב, חסינות מובנית מפני תופעות מעבר וסף הפעלה ניתן לכיוון על ידי המשתמש. יוצאת מן הכלל היא ההגנה מפני זרם יתר הממומשת באופן אמין באמצעות בקרה מחזורית במצב זרם. במקרה של תנאי מתח יתר במוצא, LTM4641 יגיב תוך 500 ננו-שנייה מגילוי התקלה (איור 2).
הארכיטקטורה הפנימית של LTM4641 מאפשרת לו להגיב בזריזות ובאמינות, והוא יכול אף לאתחל ולדרוך את עצמו באופן אוטומטי לאחר שחלף מצב התקלה. מגבר חישה הפרשי משמש לייצוב המתח בחיבורי האספקה לעומס ומקטין למינימום את השגיאות שמקורן ברעש בחיבור משותף ומנפילות מתח במסלולי החיבורים במעגל המודפס שבין LTM4641 לבין העומס. המתח הישר בעומס מיוצב לדיוק טוב מ- ±1.5% בתנאי כניסת המתח, העומס והטמפרטורה. מדידה מדויקת זו של מתח המוצא מוזנת גם למעגל השוואה מהיר לבדיקת מתח יתר במוצא, אשר מעורר את תכונות ההגנה של LTM4641.
כאשר מתגלה מצב של מתח יתר, מייצב µModule נוקט במהירות כמה דרכי פעולה בו זמנית. טרנזיסטור MOSFET חיצוני (MSP באיור 3) מנתק את אספקת המתח בכניסה ומסיר את נתיב המתח הגבוה מהמייצב ומהתקן העומס יקר הערך. טרנזיסטור MOSFET חיצוני נוסף (MCB באיור 3) מממש פונקצית עומס (crowbar) באימפדאנס נמוך ופורק במהירות את קבלי המעקף של העומס (C באיור 3). המייצב מוריד המתח, שממיר מתח ישר למתח ישר, שבתוך LTM4641, עובר למצב כיבוי נעול ומפיק אות תקלה, שמצוין על ידי פין HYST ואשר המערכת יכולה להשתמש בו כדי להתניע היטב רצף כיבוי נוהל ו/או אתחול מערכת. מקור מתח ייחוס ייעודי עצמאי ממתח הייחוס של חוג הבקרה משמש על מנת לגלות מצבי תקלה. מערך זה מספק עמידות בפני תקלות בדידות במקרים שבהם מתרחשת תקלה במתח הייחוס של חוג הבקרה.
שיפור ההגנה המוצע על ידי LTM4641 לעומת שיטת ההגנה המסורתית באמצעות נתיך והתקן SCR מקבל חיזוק נוסף מהאופן שבו המערכת מתאוששת מתקלה. בשיטות המסורתיות של הגנה מפני מתח יתר, אנו מסתמכים על נתיך שיפריד את ספק הכוח מהתקן העומס יקר הערך. לכן יש צורך שמישהו יהיה נוכח פיזית, כדי להסיר את הנתיך ולהחליף אותו, על מנת שהמערכת תחזור לפעולה רגילה, לאחר שתקלה התרחשה. בניגוד לכך, LTM4641 יכול לחזור במהירות לפעולה רגילה מייד לאחר שמצב התקלה נעלם, על ידי שינוי מצב פין הבקרה ברמה לוגית, או על ידי הגדרת LTM4641 לאתחול אוטונומי, אחרי שפוקע זמן שמוגדר על ידי המשתמש. אין צורך להחליף רכיב כלשהו, ויש לכך חשיבות עליונה במערכות בעלות דרישות גבוהות בנוגע לזמן הפעולה או במערכות הפועלות באתרים מרוחקים. אם מופיעים שוב תנאי תקלה, אחרי ש-LTM4641 חזר לפעולה, ההגנות המוזכרות לעיל חוזרות ופועלות מייד, כדי לחזור ולהגן שוב על התקן העומס.
הגנה מפני נחשולי מתח בכניסה
במקרים מסוימים הגנה רק מפני מתח יתר במוצא אינה מספיקה ונדרשת הגנה מפני מתח יתר בכניסה. מעגל ההגנה של LTM4641 יכול לנטר את מתח הכניסה ולהפעיל את תכונות ההגנה שלו במקרה של חריגה מסף מתח שמוגדר על ידי המשתמש. אם מתח הכניסה צפוי לחרוג מהגדרת 38 וולט של המודול, אפשר להרחיב את הגנת נחשולי המתח בכניסה עד 80 וולט, כאשר LTM4641 עדין פועל באופן מלא, על ידי הוספה של מייצב חיצוני למתח גבוה בעל מתח ניתוק נמוך (LDO) שישמור במצב פועל את מעגלי הבקרה וההגנה (איור 4).
סיכום
כאשר עומדות בפני המהנדסים דרישות השוק, בנוגע לביצועים גבוהים יותר של המערכות ולזמני פעולה מתמשכים, ומצטרפות לכך הוצאות עצומות הכרוכות בשימוש במעבדים הספרתיים המתקדמים ביותר, הם צריכים לקחת בחשבון אסטרטגיות של עמידה בפני סיכונים, במיוחד כאשר כרוכים בכך אפיקים מבוזרים לאספקת מתח שנמצא בטווח שבין 12 ל-28 וולט, או אפיקים שיש בהם נחשולי מתח. להתקני FPGA ו-ASIC ולמעבדי המיקרו עם העלות הגבוהה יש מתחי אספקה עם מגבלה מרבית נמוכה של עד כדי 3% – 10% מהמתח של קווי הביניים לאספקת מתח, עובדה שהופכת אותם לפגיעים ביותר לנזק, בצד האפשרות שהם יישרפו אף מתקלת מתח יתר. תקלות כאלו עלולות להיגרם משגיאות תזמון במייצב מתח ממותג, מנחשול מתח בכניסה או מרכיב לא מתאים שהורכב בשלב הייצור. התגובה וזמן השיקום של שיטת ההגנה מפני מתח יתר חייבות
להיות מהירות יותר, מדויקות יותר ועקביות יותר מאשר אלו של המעגלים המסורתיים המתבססים על נתיך והתקן
. LTM4641, שמשלב מייצב מוריד של מתח ישר למתח ישר ל-10 אמפר, בעל נצילות גבוהה, עם מעגל מהיר ומדויק להגנה מפני מתח יתר במוצא, הנתון במארז יחיד להתקנה משטחית, עומד בדרישות קפדניות אלו ויוצר חלק אינטגרלי מאסטרטגיית שיכוך הסיכונים עבור המערכות המתקדמות ביותר, בעלות החשיבות העליונה לביצוע המשימה.
אודות הכותבים:
ווילי חאן הינו מהנדס בכיר לשיווק מוצרים,
מוצרי µModule להספק בחברת Linear Technology
ג’ייסון סאקנינה הינו מהנדס תכנון מוצרי µModule להספק בחברת Linear Technology
הכתבה נמסרה באדיבות חברת אבנט.
