Ken Marasco, analog
ממירים ממתגים dc-to-dc משמשים לשינוי מתח dc אחד לאחר בצורה יעילה. ממירי dc-to-dc בעלי יעילות גבוהה קיימים בשלוש טופולוגיות בסיסיות: מורידי-מתח (buck), מעלי-מתח (boost) ו-step-down/step-up (). ממיר ה-buck משמש ליצירת מתח מוצא dc נמוך יותר, ממיר ה-boost משמש ליצירת מתח מוצא dc גבוה יותר, וממיר ה-buck/boost משמש ליצירת מתח מוצא גדול יותר, או שווה למתח המבוא. מאמר זה מתמקד על האופן של יישום ממירי dc-to-dc buck/boost.
איור 1 מראה מערכת להספק-נמוך טיפוסית המוזנת מסוללת lithium-ion () יחידה. המוצא השימושי של הסוללה משתנה מכ-3 וולט כאשר היא מפורקת עד 4.2 וולט כאשר היא טעונה במלואה. המעגלים המשולבים (ICs) של המערכת דורשים 1.8 וולט, 3.3 וולט ו-3.6 וולט לשם תפקוד מיוטב. בשעה שסוללת הליתיום-איון מתחילה ב-4.2 וולט ומסיימת ב-3.0 וולט, וסת
() buck/boost יכול לספק 3.3 וולט קבוע, ואילו וסת buck או וסת
low-dropout () יכול לספק את ה-1.8 וולט בשעה שהסוללה מתפרקת. ברור שווסת buck או LDO יכול לשמש עבור ה-3.3 וולט, כאשר מתח הסוללה הוא מעל 3.5 וולט, אך המערכת תפסיק לפעול כאשר מתח הסוללה ירד מתחת ל-3.5 וולט. כיבוי מוקדם יותר של המערכת מקצר את משך הפעולה של המערכת לפני שצריך לטעון את הסוללה.
וסתי buck/boost משפרים את יעילות המערכת
מספר גדול של מערכות ניידות הנמצאות בשימוש כיום מוזנים על-ידי סוללת Li-Ion נטענת בעלת תא יחיד. כפי שצוין לעיל, הסוללה תתחיל לפעול ממצב של טעינה מלאה של 4.2 וולט ותתפרק באיטיות עד 3.0 וולט. כאשר מוצא הסוללה יורד מתחת ל-3.0 וולט, המערכת נכבית כדי להגן על הסוללה בפני נזק בשל התפרקות יתירה. כאשר משתמשים בווסת low-dropout כדי ליצור פס של 3.3 וולט, המערכת תכבה ב-:
VINMIN=VOUT+VDROPOUT=3.3 V+0.2V=3.5 V
ותנצל רק 70% מהאנרגיה האגורה של הסוללה. אולם, שימוש בווסת buck/boost, דוגמת ה-ADP2503 או ADP2504, מאפשר למערכת להוסיף לפעול עד כדי מתח הסוללה המעשי הנמוך ביותר.
ה-ADP2503 ו-ADP2504 (ראה נספח) הם
ממירי dc-to-dc step-up/step-down
() בעלי יעילות גבוהה, זרם מנוחה של 600 מילי-אמפר ו-1000 מילי-אמפר, הפועלים במתחי מבוא גדולים, שווים או פחותים ממתח המוצא המווסת. מתגי ההספק הם פנימיים, תוך מזעור מספר הרכיבים החיצוניים ושטח המעגל המודפס. גישה זו מאפשרת למערכת לפעול בכל התחום עד 3.0 וולט, תוך שימוש ברוב האנרגיה האגורה של הסוללה, והעלאת זמן הפעולה של המערכת לפני שדרושה טעינה של הסוללה.
כדי לחסוך אנרגיה במערכות ניידות, תת-מערכות שונות – דוגמת המיקרו-מעבד, התאורה האחורית ומגברי ההספק – כאשר הם לא בשימוש, ממותגים תדיר בין מצב on מלא ו-sleep, דבר העשוי לגרום לתופעות מעבר גבוהות בקו ההספקה של הסוללה. תופעות-מעבר אלה עשויות לגרום להפחתה קצרה של מתח המוצא מתחת ל-3.0 וולט ולתחל את אזהרת ה-“סוללה הנמוכה”, דבר אשר יגרום לכיבוי המערכת לפני שהסוללה התרוקנה כליל. פיתרון ה-buck-boost יקבל שינויי מתח עד כדי 2.3 וולט, ויסייע לשמור על זמן הפעולה הפוטנציאלי של המערכת.
מפרטי-מפתח והגדרות של וסת ה-buck/boost
אופציות של תחום מתח המוצא: וסתי buck/boost זמינים עם מתחי מוצא קבועים מפורטים או באופציה המאפשרת שמתח המוצא יתוכנת דרך מחלק נגדים חיצוני.
זרם הארקה או ריקם: זרם משוב DC לא זמין עבור העומס (). ככל שה- נמוך יותר היעילות טובה יותר, אולם ניתן לפרט תחת תנאים רבים, הכוללים ממותג off’, עומס אפסי, פעולה ב-pulse-frequency mode () או pulse-width mode
(), כך שהטוב ביותר הוא לבחון את יעילות הפעולה במתחי פעולה וזרמי עומס ספציפיים כאשר קובעים את הוסת הטוב ביותר עבור היישום.
זרם כיבוי: זרם המבוא הנצרך כאשר פין ה-enable נקבע למצב off. נמוך חשוב למקרים של זמני המתנה ארוכים כאשר התקן מוזן סוללה נמצא במצב sleep. במהלך כיבוי מסוקר-לוגיקה, המבוא מנותק מהמוצא ומושך פחות מ-1 מיקרו-אמפר ממקור המבוא.
התחלה רכה (soft start): חשוב שתהיה פונקציית התחלה רכה המעלה את מתח המוצא בצורה מבוקרת כדי למנוע עליית-יתר (overshoot) מופרזת של מתח המוצא בתחילה.
תדר המיתוג: ממירי buck-boost להספקים נמוכים פועלים בד”כ בין 500 קילו-הרץ ו-3 מגה-הרץ. תדרי מיתוג גבוהים יותר מאפשרים שימוש בסלילים קטנים יותר ומקטינים את השטח הדרוש בכרטיס, אולם היעילות יורדת בערך ב-2% עבור כל הכפלה של תדר המיתוג.
כיבוי תרמי (thermal shutdown – TSD): אם טמפרטורת הצומת עולה מעל הגבול המוגדר, מעגל הכיבוי התרמי מכבה את הוסת. טמפרטורות גבוהות קבועות של הצומת עשויות להיות תוצאה של פעולה בזרם גבוה, קירור מעגל-כרטיס לקוי, ו/או טמפרטורת סביבה גבוהה. מעגל ההגנה כולל היסטרסיס כך שלאחר כיבוי תרמי, ההתקן לא יחזור לפעולה רגילה עד שטמפרטורת השבב יורדת מתחת לגבול שנקבע מראש.
סיכום
וסתי buck-boost בעלי הספק נמוך, ביצועים מוכחים ותמיכה מעמיקה מאפשרים תכנונים המשתמשים בממירי dc-to-dc ממותגים. בנוסף לדף נתונים נרחב, בעל חישובי תכנון הקיימים בפרק יישומים, כלי התכנון ADIsimPower מפשט את המשימה של המשתמש הסופי. מדריכי בחירת הוסת, דפי נתונים ודפי יישומים ניתן למצוא באתר החברה.
סימוכין
Marasco, K. “How to Apply DC-to-DC Step-Up (Boost)
Regulators Successfully.” Analog Dialogue. Volume 45.
September 2011.
Marasco, K. “How to Apply DC-to-DC Step-Down (Buck)
Regulators Successfully.” Analog Dialogue. Volume 45. June 2011.
Marasco, K. “How to Apply Low-Dropout Regulators
Successfully.” Analog Dialogue. Volume 43. August 2009.
המחבר
Ken Marasco הוא מנהל יישומי מערכת. כאחראי לתמיכה הטכנית של מוצרי הספק ניידים, הוא היה חבר ב-Analog Devices Portable Application Team במשך שלוש שנים. הוא בוגר NYIT בעל תואר בפיסיקה שימושית והוא בעל ניסיון של 37 שנים בתכנוני במערכות ורכיבים.
נספח
ממירי מיתוג DC-to-DC Buck-Boost פועלים ב-2.5 מגה-הרץ
ה-ADP2503 ו-ADP2504 הם ממירי
dc-to-dc step-up/step-down בעלי יעילות גבוהה, זרם שקט נמוך, היכולים לפעול במתחי מבוא גדולים, שווים או פחותים ממתח המוצא המווסת. מתגי ההספק והמיישרים הסינכרוניים הם פנימיים כדי למזער את השפעת החלקים החיצוניים. בזרמי עומס גבוה, הם משתמשים בסכימת בקרה של מצב-זרם, תדר קבוע אפנון רוחב-פולס (PWM) לשם יציבות מיוטבת והיענות לתופעות מעבר. כדי להבטיח את חיי הסוללה הארוכים ביותר ביישומים ניידים, להתקנים יש מצב אופציונלי חוסך-הספק המקטין את תדר המיתוג בתנאי עומס קל. עבור יישומי אלחוט ונמוכי-רעש אחרים כאשר מצב החיסכון בהספק בעל תדר משתנה עשוי לגרום להפרעות, המבוא המסונכרן של בקרת הלוגיקה מאלץ פעולה PWM בתדר קבוע בכל תנאי העומס.
ה-ADP2503 ו-ADP2504 יכולים לפעול במתחי מבוא בין 2.3 וולט ו-5.5 וולט, המאפשרים תא ליתיום יחיד או ליתיום פולימר, תאים אלקליניים מרובים או תאי NiMH, PCMCIA, USB, ומקורות הספק תקניים אחרים. אופציות של מוצא-קבוע מרובות זמינות, או, על-ידי שימוש בדגם המתכוון, מתח המוצא ניתן לתכנות דרך מחלק נגדים חיצוני. הקיזוז הוא פנימי כדי למזער את מספר הרכיבים החיצוניים.
