המרת הורדה נאה עבור יישומי 24 וולט תעשייתיים

Frederik Dostal, Analog Devices

ספקי כוח תעשייתיים זקוקים כיום ליעילות גבוהה מאוד ולעתים קרובות עליהם להיות גם מאוד קומפקטיים. בשילוב עם הפס 24 וולט האופייני, פתרונות רבים משתמשים בווסתים ממותגים מדורגים ל-36 וולט Vin max. למרבה הצער, רוב הפתרונות הזמינים הם וסתים ממתגים לא-סינכרוניים עם דיודת Schottky חיצונית. פתרונות סינכרוניים חדשים המשלבים את הצד הגבוה כמו גם את הצד הנמוך של MOSFETs בשבב אחד מהווים פתרון בעל ממד קטן, יעילות גבוהה ובייחוד רעש מיתוג נמוך.
מאמר זה יציג וידון בפיתרון ממיר 24 וולט היורד ל-5 וולט עם IC של וסת buck תעשייתי ADP2441.
איור 1 מראה את דיאגרמת המעגל של ממיר הורדה () 24 וולט ל-3.3 וולט עבור יישומים תעשייתיים. ביישומים כאלה, מתח מבוא נומינלי פירושו לרוב שמתח המבוא האמיתי יהיה הרבה יותר גבוה. לרוב, ±20% היא אפיצות די מקובלת. בשילוב עם קוצים (spikes), לעתים מאוד קרובות יישומים דורשים Vin max של 36 וולט. לרוב ככל שיכולת מתח המבוא של ממיר DC ל-DC נתון היא יותר גבוהה, המצב טוב יותר. לעתים קרובות מאוד, פס ההספקה של 24 וולט מחולק בין רצפות-מפעל גדולות עם עומסים מאוד שונים מצורפים. כל השראות טפילית של הכבל והמחבר כמו גם עומסים שונים המתחברים ומתנתקים יפיקו סביבה רועשת ונוטה לקוצי מתח.

EMI נמוך,
תסדיר כרטיס קל
המצב מאוד נאה כאשר אין צורך לדאוג לדיודת Schottky חיצונית. בסה”כ זהו רכיב אחד פחות שיש לדאוג עליו. כמו כן תסדיר כרטיס מיוטב בעל EMI נמוך הופך לפשוט מאוד. איור 2A ו-B מראה את התזרים בווסת buck במהלך תקופת ה-on והתזרים במהלך תקופת ה-off של וסת buck סינכרוני. איור 2C מראה את תזרים הזרם AC. אלו הן העקבות אותן יש לשמור כקצרות והדוקות כדי למנוע לולאות גדולות עם השראות טפילית מופרזת אשר תייצר רעש. תוך שימוש בווסת מיתוג סינכרוני עם הצד הגבוה והנמוך של המתג משולבים, העקבה בין הצד הגבוה והצד הנמוך של המתג נשארת כולה פנימית על הפיסה. עקבת AC זאת לא תצטרך לעבור דרך תילי חיבור, פיני מארז IC ועקבות כרטיס בעלי השראות טפילית די גבוהה. עקבת AC זאת תישאר מקומית עם השראות טפילית נמוכה ולכן EMI מאוד נמוך.
העקבות היחידות שמהנדס התכנון חייב לדאוג להן הן עקבות החיבור של קבל המבוא. אלה חייבות להיות קרובות ככל האפשר ל-Vin ופיני ההארקה של ה-IC. זוהי מטלה פשוטה ולכן תסדיר הכרטיס הוא קל מאוד. בדרך זו ניתן להשיג התנהגות EMI מאוד טובה.

יעילות גבוהה
וסתי מיתוג סינכרוניים (שני מתגים פעילים במקום מתג אחד פעיל ודיודה אחת) הם לרוב יותר יעילים מאשר וסתים לא-סינכרוניים. יתרון היעילות הזה הופך למשמעותי בשעה שמתח המוצא הופך לנמוך יותר ויותר ביישומים חדשים. מפל המתח על-פני דיודה של כ-0.6 וולט לעומת מפל המתח על-פני MOSFET מופעל במלואו (0.2 וולט כדוגמה) הוא גבוה יותר. כאשר מעיינים במתח מוצא של 12 וולט, ההפרש במפל המתח הזה איננו כה משמעותי. אולם כאשר דנים במתחי מוצא של 2.5 וולט או 1.8 וולט, מפל המתח על-פני רכיב המיתוג בצד הנמוך הופך לחשוב דיו לגבי היעילות הכוללת. לפני חמש שנים, רוב היישומים התעשייתיים המוזנים מפס של 24 וולט, חייבו מתח מערכת של 5 וולט עבור אותה הפונקציה. כיום, אנחנו רואים יישומים בהם מתח המערכת הגבוה ביותר הוא 3.3 וולט או אף 2.5 וולט. עבור מערכות כאלה, יתרון היעילות שבשימוש בווסת מיתוג סינכרוני הופך ליותר גדול.

תדרי מיתוג גבוהים
תכנון של ספק כוח בעל תדרי מיתוג גבוהים מעלה את הפסדי המיתוג ולכן מפחית את היעילות הכוללת ברוב המקרים. אולם, יישומים אחדים דורשים עלות פיתרון נמוכה כמו גם ממד פיתרון קטן. דרישות אלו מוליכות לשימוש בתדר מיתוג גבוה במטרה לחסוך מקום ועלות של הסליל והקבל הנמצאים בשימוש. ל-ADP2441 יש תדר מיתוג מתכוונן של עד 1 מגה-הרץ. ה-ADP2442 דומה מאוד ל-ADP2441 אולם תדר המיתוג ניתן לסנכרון לתדר שעון של עד 1 מגה-הרץ. בעוד 1 מגה-הרץ איננו נדיר עבור ווסת מיתוג, קיימת מגבלה חשובה שיש לרבים מההתקנים בשוק. זהו זמן ה-on המזערי. זהו פרק הזמן בו ווסת המיתוג שומר על הצד הגבוה של המתג ומופעל טרם יכבה אותו. בעוד בתדרים נמוכים זמן ה-on המזערי איננו משנה הרבה, בתדרי מיתוג גבוהים יותר זוהי תכונה חשובה מאוד. בתדר מיתוג של 1 מגה-הרץ, יש 1000 ננו-שניות במחזור אחד. כאשר מורידים מ-24 וולט ל-2.5 וולט, זמן המחזור יהיה בקירוב 10%. כך שווסת המיתוג יצטרך להפעיל את המתג בצד הגבוה למשך 100 ננו-שניות. אם קורה שה-24 הוולט הנומינלי יהיה מעט גבוה יותר בזמן מסוים, זמן ה-on יופחת לפרקי זמן קצרים מ-100 ננו-שניות. לווסתי מיתוג 36 וולט רבים בשוק יש זמן on מזערי גבוה מ-150 ננו-שניות, ובמקרים רבים זמן ה-on אף איננו מוגדר. מתכנני המעגלים מגלים אז שהווסת מדלג על מחזורי מיתוג ושתדר המיתוג איננו קבוע עוד ל-1 מגה-הרץ. ה-ADP2441 תוכנן עבור תדרי מיתוג גבוהים ביחסי הורדה (step-down) גדולים. יש לו זמן on מזערי מוגדר של 50 ננו-שניות אופייני ו-65 ננו-שניות מובטח כערך המקרה הגרוע ביותר. דבר זה מאפשר תכנון של ממירי הורדה ב-1 מגה-הרץ ממתח מבוא גבוה למתח מוצא נמוך מאוד.

דוגמת מעגל וכלי תכנון
איור 3 מראה מעגל המפחית מתח פס תעשייתי של 24 וולט ל-5 וולט. הוא פועל ב-500 קילו-הרץ המהווה פשרה טובה בין יעילות גבוהה, ממדי פיתרון קטנים ועלות רכיבים נמוכה. הכרטיס תוכנן על-ידי המפיץ הגרמני בעל הזיכיון כדי לשמש כתחליף לווסתים ליניאריים 24 וולט ל-5 וולט במארז TO-220 הנמצאים עדיין בהרבה יישומים תעשייתיים בעלי זרם נמוך של היום. עבור מהנדסי תכנון קיים כלי תכנון מעגלים זמין היכול לסייע לבחירה מהירה מאוד של רכיבים חיצוניים ופרמטרי מעגל כגון תדר המיתוג. הכלי מסוגל לבחור את הרכיבים החיצוניים הנכונים מתוך בסיס נתונים של רכיבים פאסיביים כדי להתאים לתנאי הפעלה מורכבים. המשתמש יכול להתחבר לשינוי עומס צפוי במוצא וכמות עליית-היתר או ההפחתה במתח המוצא שהיא סבירה. לאחר מכן הכלי יבחר את הסוג הנכון של מסנן מוצא כדי לענות לדרישות אלה. ניתן להעריך שיקולי יציבות בעזרת ה-Bode plot section המשולב. ניתן להוריד את הכלי ללא עלות מתיק המוצר של ADP2441 באתר של החברה.