ספק ממותג שקט, ®Silent Switcher, עומד בתקן פליטת קרינה CISPR Class5, תוך כדי שמירה על נצילות המרה גבוהה

כאשר מזעור הפרעות רעשי (Electro Magnetic Interference) בתכנון נמצא בעדיפות עליונה, מייצב לינארי יכול להוות פתרון לרעש נמוך, אך דרישות לפיזור חום ונצילות יכולות למנוע בחירה זו ולכוון את התכנון למייצב ממותג. בתכנונים קריטיים מבחינת EMI, מייצב ממותג בדרך כלל יופיע כרכיב האקטיבי הראשון בקו כניסת המתח, ללא קשר לספקים הנוספים המופיעים אחריו בתכנון. מייצב ממותג משפיע באופן משמעותי על ביצועי ה-EMI הכוללים. עד היום, לא הייתה דרך להבטיח בו זמנית את דיכוא הפרעות ה-EMI ושימור ביצועי הנצילות ע”י בחירת רכיב הספק. המייצב LT8614 ממשפחת

ה-®Silent Switcher של ליניאר טכנולוגיות עושה את זה אפשרי.
לא פעם כאשר אני מגיע לבקר לקוחות, מעבר להצגת טכנולוגיות רכיבים חדשים אני מתבקש לעזור ללקוח לתכנן את מערכת אספקת המתחים כך שייווצר מינימום רעש בכדי שהמוצר יוכל לעבור את בדיקות התקינה בצורה חלקה. כיום נעשה קל יותר, גם בסביבות הרועשות ביותר, לעזור ללקוחות מעבר לשיטות עריכה וסנכרון שעוני המייצבים. במאמר הבא אחשוף אתכם לפתרון חדשני של ליניאר שמפחית משמעותית את תופעות ה-EMI.
ה-LT8614 מפחית רעשי EMI ביותר מ-20dB בהשוואה למייצבי מתח ממותגים הטובים ביותר הזמינים כיום. כהשוואה, השימוש
ב-LT8614 מפחית EMI פי 10 בתחום תדרים מעל 30MHz ללא צורך בהתפשרות על זמני מיתוג המייצב המינימאליים Ton/Toff או הנצילות, לעומת פתרון בעל שטח לוח זהה. ה-LT8614 משיג תוצאות אלו ללא הוספת רכיבים נוספים או סיכוך ומהווה פריצת דרך משמעותית בתכנון מייצבים ממותגים.

פתרון חדש לנושאי EMI
פתרון אמין ומעשי לבעיות EMI הוא השימוש בקופסת סיכוך לכלל המעגל. אך כמובן הדבר מוסיף עלות משמעותית לשטח הלוח, לרכיבים ולהרכבה בעוד הניהול התרמי והבדיקות נעשות סבוכות אף הן. עוד שיטה לפתור בעיות EMI היא להאט את קצוות מיתוג המייצב. שינוי זה נעשה ע”י הארכת זמני המיתוג של המייצב Ton ו-Toff וזמני ה-dead time בין זמנים אלו, האפקט של שינוי זה הוא פגיעה בנצילות ובנוסף, שינוי זה מביא להתפשרות על מהירות חוג בקרת הזרם.
המייצב Silent Switcher®,LT8614, מאפשר ביצועים כשל הוספת קופסת סיכוך ללא שימוש באחת כזו (איור 1). ל-LT8614 צריכת זרם עצמית IQ בת 2.5µA בלבד, בייצוב ללא עומס, פרמטר חשוב מאד למערכות מבוססות סוללה או אשר מגובות ע”י סוללות.
מתח ה-Dropout הוא המתח בין הכניסה למוצא שבו רכיב יפסיק לייצב אם מתח הכניסה יורד בערכו. ב-LT8614 מגבלת
ה-, Vin ל-Vout אינה מוכתבת לפי זמן מחזור מקסימאלי וזמני Toff מינימאליים כפי שקורה בפתרונות אלטרנטיביים. מתח
ה-Dropout הסופר נמוך ב-LT8614 מוגבל ע”י הטרנזיסטור הפנימי העליון. במתח
ה-Dropout הרכיב פוסח על מחזורי זמני Toff ומבצע רק מחזורים מינימאליים הנדרשים בכדי לשמר את מתח ה-boost לטרנזיסטור העליון הפנימי, כמופיע באיור 6.
כמו כן, מתח הכניסה המינימאלי הטיפוסי הוא 2.9 וולט (3.4 וולט מקסימום), ומאפשר לספק מתח בן 3.3 וולט כאשר הרכיב נמצא ב-Dropout כפי שיוסבר בהמשך.
בזרמי עומס גבוהים ל-LT8614 נצילות גבוהה בהשוואה למייצבי מתח ממותגים אחרים עקב התנגדות הטרנזיסטורים הפנימיים הנמוכה. ל-LT8614 יכולת סנכרון למקור תדר חיצוני הפועל מ-200KHz עד 3MHz ולמרות אפשרות הפעולה בתדר מיתוג גבוה, הפסדי המיתוג בטרנזיסטורים נמוכים ומכך ישנה אפשרות להפעיל את הרכיב בתדרי מיתוג גבוהים ולא לפגוע בנצילות. בתכנונים הרגישים ל-EMI כגון אלו הקיימים בתעשיית הרכב, ה-LT8614 מסוגל לעבוד בתדר מיתוג מעל לתדרי ה-AM או מתחת לתדרי ה-AM לביצועי EMI אף טובים יותר. לדוגמה, לוח הדמו הסטנדרטי של ה-LT8614 פועל בתדר של 700KHz ואינו חורג מרצפת הרעש במדידה של CISPR25 Class 5.
באיור 2 מופיעה מדידה שנלקחה בתא למדידת קרינה אלקטרומגנטית (Anechotic Chamer) כאשר מתח הכניסה 12 וולט, מתח היציאה 3.3 וולט, זרם העומס 2 אמפר ותדר המיתוג הוא 700 קילו הרץ. בכדי להשוות את ביצועי טכנולוגית ה-®Silent Switcher של ה-LT8614, הרכיב נמדד מול מייצב מודרני בעל טכנולוגיה חדשנית נוסף, ה-LT8610. המבחן נערך בתא GTEM, בשימוש באותו זרם עומס, מתח כניסה ואותו סליל הקיים בלוחות הדמו של שני הרכיבים. למרות שה-LT8610 הינו מייצב בעל טכנולוגיה חדשנית ואף לו ביצועי EMI טובים מאד, במיוחד בתחום התדרים הגבוהים הקשים לניהול, אפשר להסיק מאיור 3 כי בשימוש בטכנולוגית ה-®Silent Switcher המיושמת ב-LT8614, השיפור המושג הוא בערך של כ-20dB.
במישור הזמן, ה-LT8614 מציג התנהגות טובה מאד בקצוות אות המיתוג של צומת המתגים (Switch Node) כפי שמופיע באיורים 4 ו-5. מאיור 4 ניתן להבין כי אף במדידה ב-4nSec/Div, ה-LT8614 שמיושמת בו טכנולוגית ה-®Silent Switcher, מראה ריסון מהיר, שמירה על אמפליטודה נמוכה ו-ringing מינימאלי במעברי המיתוג. מאידך, ב-LT8610 ה-Ringing שמופיע עדיין מרוסן, אך ניתן לראות כי האנרגיה שנאגרה ב-Hot Loop של הרכיב (מבוא במייצב מסוג Buck) גבוהה יותר.
איור 5 מציג מדידה של ה-Switch Node, כאשר במבוא הרכיב מתח בן 13.2 וולט וכיצד ה-LT8614 משיג תוצאה של גל ריבועי הקרוב מאד לאידיאלי. יש לציין כי כל המדידות במישור הזמן המוצגות ב איורים 4, 5 ו-6, בוצעו בעזרת גששים (Probes) מחברת טקטרוניקס המתמחה בציוד בדיקה, ה-500MHz Tektronix P6139A בעלי קצה מסוכך המחובר למישור
ה-GND ב-PCB. נעשה שימוש בלוחות הדמו הסטנדרטיים של הרכיבים לצורך המדידות. מתח הכניסה המקסימאלי ה-Absolute Maximum Rating של משפחת ה-LT861x הוא 42 וולט וזהו פרמטר חשוב לפיתוחים בסביבות של Industrial ו-Automotive. כמו כן, בפיתוחים לתעשיית הרכב, להתנהגות ה Dropout של הרכיב חשיבות רבה. לדוגמה, מתחים לוגים בני 3.3 וולט, חייבים להיות מסוגלים לעמוד ב-cold crank של הסוללה (מתח נמוך של הסוללה בן 7.2 וולט באפס מעלות צלסיוס לעומת 12 וולט נומינאלי). מכיוון שה-LT8614 יכול לעבוד ממתח נמוך ומתח ה-Dropout על הרכיב הנמוך אף הוא, ניתן לעמוד בכך. בנוסף, במצב זה ה-LT8614 שומר על אופיין ההתנהגות הקרוב לאידיאלי של משפחת ה-LT861x. מכך, במקום לבחור במתחי UVLO גבוהים יותר והידוק של זמן המחזור המקסימאלי הקיימים ברכיבים אחרים, ה-LT8610/11/14 פועלים ממתח נמוך של 3.4 וולט ומדלגים על מחזורים כפי שמופיע באיור 6. התוצאה המתקבלת היא התנהגות Dropout אידיאלית כפי שהיא נראית באיור 7. ל-LT8614 זמן הולכה מינימאלי, Ton של 30nSec, המאפשר יחס המרה מטה גבוה, תוך כדי פעולה בתדרי מיתוג גבוהים. לכן, באמצעות דרגה אחת של ה-LT8614, ניתן לספק מתחי ליבה במערכת ממתחים בגובה של 42 וולט.

לסיכום
ידוע כי שיקולי תכנון EMI מצריכים תשומת לב רבה כבר במהלך השלבים הראשונים של תכנון מייצב מתח ממותג ע”מ לעבור בדיקות EMI בסיום שלבי תכנון המערכת. ה-LT8614, המתבסס על טכנולוגיית ה-®Silent Switcher המאפשר הבטחה להצלחה בתאימות מבחני EMI ע”י בחירה נכונה של רכיב הספק פשוט. ה-LT8614, מפחית EMI לעומת המייצבים בעלי הטכנולוגיה האחרונה הקיימים בשוק ביותר מ-20dB, תוך כדי שמירה על נצילויות המרה גבוהות וללא צורך ברכיבים נוספים או בסיכוך נוסף.

מייצבי מתח ממותגים ו-EMI
תכנון נכון של לוח ה-PCB מהווה הצלחה או כישלון של כל תכנון ספק כוח. תכנון
ה-PCB קובע את ההתנהגות הפונקציונאלית בהיבטי ביצועי EMI והביצועים התרמיים. למרות שעריכת PCB לספקי כוח אינה קופסה שחורה, יש לעיתים נטייה להתעלם ממנה בתחילת הליך התכנון. מכיוון שיש לעמוד בדרישות פונקציונאליות ו-EMI, מה שטוב מבחינה פונקציונאלית ליציבות ספק הכוח, בד”כ גם יתרום להפחתת פליטות EMI. יש לציין כי תכנון עריכה נכון משלבים מוקדמים אינו מוסיף עלות אלא מספק חסכון בעלויות, מכיוון שתכנון נכון יבטל הוספת פילטרים, סיכוך מכני, זמני בדיקות EMI ושינוי גרסאות PCB.
תופעת הפרעות ה-EMI קיימת בשני סוגים. הראשונה היא הפרעת EMI בהולכה (Conducted). זוהי הפרעת EMI המועברת בחוטים ובמוליכים על ה-PCB שמחוברים למוצר. מכיוון שהרעש שנוצר הוא מקומי לטרמינל ספציפי או מחבר בתכנון, השגת תאימות לדרישות הפרעות EMI המעוברות בהולכה, מובטחות בד”כ בזמן מוקדם של תחילת הליך התכנון בעזרת עריכה נכונה ופילטר מתאים.
הסוג השני של הפרעות EMI, הוא EMI מוקרן (Radiated). כל מוליך על הלוח שעובר דרכו זרם, מקרין שדה אלקטרומגנטי, כל קו על ה-PCB הוא אנטנה (חוגים לא מכוונים בעריכה באורך גל מתאים), חוץ מגל סינוס טהור או מתח DC שעובר דרך ה-PCB מייצר אות רחב ספקטרום. למרות תכנון מוקפד, מתכנן לא יכול באמת לדעת מה רמת ה-EMI המוקרנת, עומדת להיות עד אשר המערכת נבדקת והמערכת אינה יכולה להיבדק עד אשר התכנון לא הסתיים.
השימוש בפילטרים פופולארי לצורך הפחתת הפרעות EMI, ע”י ניחות העוצמה בתדר ספציפי או בטווח תדרים מסוים. חלק מהאנרגיה המועברת דרך האוויר (Radiated) מונחתת ע”י הוספת מיגון מגנטי בצורה של גיליונות נחושת או אלומיניום, ספוגים בולעי קרינה ועוד. הפתרון הנבחר תלוי בתדר וברמת ההנחתה הנדרשת. חלק התדר הנמוך שעובר על קווי ה- (Conducted), נשלט ע”י הוספת Ferrite Beads ופילטרים אחרים. הנחתת הפרעות EMI לחלוטין אינה ישימה, לכן ההנחתה נעשית לרמה שמקובלת על ידי מרכיבי תקשורת ודיגיטאליים אחרים. בנוסף על כך ישנם מספר גופים רגולטוריים שאוכפים סטנדרטים להבטחת תאימות EMI.
לרכיבי פילטר כניסה מודרניים המיוצרים בטכנולוגית (Surface Mount Technology), יש ביצועים טובים יותר מפילטרים המיוצרים בטכנולוגית Through Hole. למרות שיפור זה, יש לזכור כי תדר המיתוג במייצבים ממותגים עלה וכי זמני Ton ו-Toff התקצרו כמו כן הנצילויות השתפרו ואלו גורמים לתוכן הרמוני רב יותר עקב מעברי המיתוג המהירים. לכל הכפלה של תדר המיתוג,
ה-EMI נעשה גרוע יותר ב-6dB, כאשר כל שאר הפרמטרים האחרים כגון הקיבול וזמני מעברי המיתוג נשארים קבועים. ה-EMI רחב הסרט מתנהג כמעביר גבוהים מסדר ראשון כאשר הפליטות גבוהות יותר ב-20dB אם תדר המיתוג גדל פי 10. מתכנני PCB מתמצאים ידאגו למזער את שטח הלולאות החמות של מייצב המתח וישתמשו במישורי האדמה למיסוך המישור האקטיבי ככל שייתכן. אף על פי כן, סידור הפינים, גודל וצורת האריזה והדרישות התרמיות בתכנון מכתיבים את גודל הלולאה החמה. בכדי להמשיך לסבך את הדברים, במישורים של PCB, הצימוד המגנטי בין מוליכים בתדר גבוה מ-30MHz יפחית את כל מאמצי הפילטר, מכיוון שככל שהתדרים גבוהים יותר צימוד האנטנה או הצימוד המגנטי הלא רצוי נעשה אפקטיבי יותר. הבעיה הפוטנציאלית של הפרעה ורעש יכולה להחמיר כאשר מספר מייצבי מתח ממותגים עובדים במקביל לצורך אספקת זרם והספק גבוהים יותר לעומס. אם כל מייצבי המתח הממותגים מופעלים בתדר מיתוג דומה, השילוב של האנרגיה הנוצרת מכמה מייצבים במעגל מרוכזת בתדר מיתוג זה ובהרמוניות שלו. הנוכחות של אנרגיה זו יכולה להוות מקור לדאגה, במיוחד לשאר המעגלים המשולבים על ה-PCB וללוחות PCB במערכת הקרובים אחד לשני ורגישים לאנרגיה מוקרנת זו. דבר זה יכול להיות מטריד במיוחד לתכנונים בתעשיית הרכב אשר מאוכלסים בצפיפות גבוהה ומורכבים בד”כ בקרבה למעגלי אודיו, RF,CAN bus ומעגלי קליטה שונים.