האומנות היצירתית האין-סופית של השיווק היא כלי עוצמתי המסייע לחברות להדגיש את ההבדלים והיתרונות שלהם לעומת המתחרים בשוק. השאלה היא, האם יתרונות משוערים אלה מהווים הבדל ביישום הפרטי שלך? האם באמת משנה אם המוצר בעל עניין הוא קטן-יותר מהיר-יותר חזק-יותר? כפי שמסתבר, כמו רוב הדברים בחיים, התשובה היא “תלוי”.
מאמר זה ישאף להתבונן מאחורי מפרטי השיווק האופייניים כדי להבין באמת חלק מהבדלי המפתח בביצועי ממירים dc-dc נקודה של עומס (point-of-load – POL) וכיצד הם מתייחסים לתכנון המערכת המיוחדת שלכם. במיוחד, אנחנו נסתכל על היעילות, קיבול המוצא, סכמות קיזוז ודרישות קירור.
איור 1: עקומת יעילות אופיינית
יעילות-שיא לעומת יעילות בתנאי העומס של העולם הממשי
היעילות של ממירי הספק מסומנת בד”כ על-ידי האות היוונית ῃ, והיא מבוטאת כיחס של ההספק המסופק למוצא ביחס להספק הנצרך על-ידי המבוא היחס האידיאלי, או היעילות, של כל ממיר הוא 1. דבר זה מראה ש-100% של ההספק המגיע לממיר מועברים לעומס עם אפס הפסדים. ביישומי העולם הממשי, אולם, יהיה תמיד איזה הפסד/אי-יעילות הכרוך בהמרת האנרגיה מצורה אחת לשנייה, ודבר זה יפחית את ה-ῃ מ-1 למשהו קטן יותר.
ביודעם ש-100% יעילות היא אידיאלית, צוותי שיווק מספסרים לעתים קרובות את יעילות ההמרה הגבוהה ביותר האפשרית במטרה להבליטה כ”טובה ביותר” עבור היישום שלך. דבר זה מכונה לעתים קרובות “יעילות שיא”. האתגר הוא שיעילות איננה רק מספר בודד, אלא לעתים קרובות פונקציה רבת-משתנים המבוטאת אופיינית כפונקציה של זרם המוצא/הספק המסופק לעומס. כדי להדגים כיצד היעילות מושפעת על-ידי עומס המוצא, להלן דוגמה משוערת של עקומת יעילות של נקודת-העומס ׁ(איור 1)
באיור 1 שיא עקומת היעילות קורה כאשר עומס המוצא הוא ב-50% של העומס המלא. בעומסים קלים היעילות היא הרבה יותר נמוכה
איור 2: השוואה בין עקומות יעילות ותנאי העמסה של היישום
ובעומסים מתחת לשיא, היעילות יורדת בהדרגה. חשוב להבין את העקומות הללו כאשר אתה מתכנן מערכת הספקת הספק, בגלל שפעולה בכל עומס מעל או מתחת לנקודת יעילות השיא תגרום להספק מבוזבז וחום בלתי רצוי במערכת שלך. להלן איור המציג שעל אף של-POL B יש יעילות שיא גבוהה יותר, POL A היא הבחירה המועדפת עבור יישום זה (במונחים של יעילות) בשל כמות ההספק הדרושה על-ידי העומס (איור 2)
קיבול המוצא הדרוש כדי להשיג ביצועים רצויים של גליות/תופעות מעבר
מידה אחרת של עניין בממירי POL היא כמות הקיבול ברמת-המערכת הדרושה כדי להשיג את ביצועי הגליות ותופעות המעבר הדרושים לך. הפרטים הנוגעים לתורת הכמות וסוג הקבל החיצוני הם מחוץ למטרת מאמר זה, אך יש לציין שלא כל המודולים POL נוצרו שווים כאשר מדובר בביצועים, אף אם דפי הנתונים מציגים מספרים דומים. לכאורה נראה של-POLs שונים יש ביצועי גליות ותופעות מעבר דומים, אולם אם אתה חוקר עמוק יותר בתוך תנאי הבדיקה, תגלה הבדלים גדולים שיכולים להשפיע על העלות הכוללת והגודל של פיתרון הספקת ההספק שלך.
בטבלה 1 ניתן לראות השוואה בין שני מודולי POL מתחרים. ממספרי הנקודה בעלי רמה גבוהה שבמסמך השיווק, שני פתרונות פוטנציאליים אלה נראים זהים במונחים של גליות ורעש.
אולם, כאשר מנתחים את האותיות הקטנות אנחנו רואים שאחד המודולים (POL B) דורש ב-300% יותר קיבול חיצוני כדי להשיג אותם
טבלה 1: השוואת קיבול המוצא בין שני POLs
ביצועי סטיית המתח מאשר השני. דבר זה מייצג כמות משמעותית של עלות נוספת ומקום בכרטיס לא-מנוצל דיו.
למרבה המזל, מודולי POL מתקדמים יותר מציעים עתה מימושים דיגיטליים מלאים, המאפשרים שיפור משמעותי לעומת מודולים אנלוגיים מסורתיים במונחים של גליות/ביצועי מעבר ביחס לגודל של הפיתרון המלא.
סדרת ה-NDM3Z-90 של CUI היא דוגמה טובה לאחד מפתרונות אלה, כאשר היא מספקת עד 90 אמפר של זרם אל העומס עם ביצועי גליות/תופעות מעבר משופרים, לעתים קרובות עם הקטנה משמעותית בקיבול המוצא.
סכמות קיזוז
מודול נקודת-עומס מספק מוצא יציב ומוסדר במגמה ליצור פס מתח נקי אל העומס שלו. דבר זה רומז שה-POL מכיל בצורה טבעית לולאת משוב שלילית, כך שכאשר קורית סטייה מהמוצא האידיאלי, רשת המשוב של ה-POL תקזז ותשאף להביא את המוצא בחזרה אל הכיוונון האידיאלי.
איור 4: משפחת POL הדיגיטלית של CUI
קיימות סכמות קיזוז שונות רבות בשוק, אך להלן אנחנו נסקור את החיזוקים והחולשות ברמה גבוהה הכרוכים בקיזוז אנלוגי ודיגיטלי מקובל.
קיזוז אנלוגי: ברשת של קיזוז אנלוגי, מוצא המודול מגולה, מסונן ומושווה למתח ייחוס כדי ליצור אות שגיאה. אות שגיאה זה משמש לקיזוז המוצא ולתיקון כל הסטיות שעשויות לקרות.
היתרון של סכמות קיזוז אנלוגיות הוא בכך שהן קיימות מזה זמן רב ושניתן לממש אותן תוך שימוש ברכיבים תקניים מהמדף. החיסרון בסכמות אנלוגיות אלו הוא בכך שדי מאתגר להיות יציבות במשך כל תנאי הפעולה תוך שימוש ברוחב-פס רחב לשם תופעת מעבר מהירה. דבר זה דורש אופיינית שעות רבות במעבדה לשם הלחמה, בדיקה, הלחמה חוזרת, בדיקה חוזרת וכד’. סכמות קיזוז אנלוגיות חשופות גם לקליטה של רעש חיצוני, שיכול להתחבר בטעות למוצא. על אף שסכמת הקיזוז האנלוגי בגרסאותיה הרבות היו לתקן במשך זמן די רב, קיימות סכמות קיזוז דיגיטליות חדשות יותר שהופיעו בעשור האחרון או דומה, המציעות מספר יתרונות משמעותיים.
קיזוז דיגיטלי: בדומה לסכמות האנלוגיות, מימוש מפוצה דיגיטלית קולט את המוצא, מסנן אותו, משווה אותו לייחוס, מפיק שגיאה ולבסוף מקזז את המוצא כדי לתקן כל סטייה שעשויה לקרות.
ההבדל העיקרי הוא בכך שכל הדבר הזה מנוהל בתחום הדיגיטלי בעל 1’s ו-0’s. ה”חישה” של המוצא נעשית על-ידי ממיר אנלוגי לדיגיטלי ולאחר מכן כל ההשוואה, הפקת השגיאה והקיזוז נעשים דיגיטלית בתוך מעגל משולב (integrated circuit – IC). פעולה במסגרת התחום הדיגיטלי מאפשרת גם שיפור משמעותי בדחיית הרעש, דבר המסייע למנוע ממקורות רעש חיצוני להתחבר בטעות למוצא.
שימוש בסכמת קיזוז דיגיטלית פירושו שאתה כבר לא צריך לבלות שעות במעבדה בהלחמה של רכיבים שונים כדי לשפר את לולאת המשוב. במקום זאת, אתה יכול פשוט לשנות פרמטרים דיגיטליים מעטים בתוך ה-IC ולשנות את התנהגות ה-POL כדי לענות לצורכי היישום שלך. ה-POLs הדיגיטליים המתקדמים יותר הנמצאים בשוק כיום מובילים מותרות אלה צעד אחד הלאה כדי להציע תכנונים “חופשיים מקיזוז”. בתכנונים אלה ה-POL מבצע את כל המדידות והכיולים הדרושים עבורך בתוך המערכת כדי לספק בצורה שוטפת פס מתחי מוצא מהיר-תגובה ויציב.
דרישות קירור
אחד הגורמים המגבילים הגדולים ביותר במודולי נקודת-עומס הוא פיזור החום. חוסר יעילות בתכנון המודול גורם ליצירת חום פנימי בלתי-רצוי הגורם לרכיבים קריטיים (דוגמת FETs, סלילים, קבלים וכו’) להתקרב לטמפרטורת הפעולה המרבית הנקובה. פעולה בגבולות התרמיים הללו או מעליהם יכולה להקטין את האמינות ולגרום לכשל בחומרה.
כדי להילחם בהשפעות המזיקות של הפקת חום פנימי, יצרני ה-POL ממליצים לעתים קרובות על כמות מזערית של זרימת אוויר כדי להרחיק את החום מהמודול. דבר זה מונע שהחום יצטבר בתוך הרכיבים והטמפרטורה תעלה מעבר לגבולות הנקובים. שימוש בזרם אוויר כדי להרחיק את החום מהמודול עשוי לגרום לעתים קרובות להעלאת כמות ההספק שניתן להעביר לעומס וגם לשפר את תחום טמפרטורת הפעולה הסביבתית. להלן איור המראה את היכולת של מודול POL לפעול בסביבות זרימת אוויר שונות החל מהסעת חום טבעית (אוויר עומד) עד ל-3 מ’/שנייה.
אנחנו רואים שבתנאי הסעה טבעית (אוויר עומד) (המסומנים בקו המלא הנמוך ביותר באיור 7), המודול יכול לספק 43 אמפר לעומס עד 600C. הוספת 2 מטר/שנייה בלבד של זרימת אוויר מגדילה הן את היכולת השוטפת ואת תחום טמפרטורת הפעולה הסביבתית עד כדי 50 אמפר ב-640C סביבתי (המסומן בקו המקווקו באיור 7). אולם, לקירור באוויר מאולץ חסרונות משלו – הוא צורך הספק, דבר המסוגל לשלול חלק משבחי היעילות וליצור רמות בלתי-מקובלות של רעש. מתכננים צריכים לשקול בזהירות את הדרישות התרמיות של מודול ההספק לעומת יכולות הקירור של המערכת שלהם כאשר בוחרים ב-POL.
סיכום
כל יישום הוא שונה ובעל ערכי ביצועים שונים. עבור אחדים, תגובת מעבר מהירה עשויה להיות השיקול החשוב ביותר. אחרים יכולים לדרוש את הממד הקטן ביותר, היעילות הגבוהה ביותר, או תחום טמפרטורת הפעולה הרחב ביותר. אין כל POL המסוגל לענות לכל הדרישות הללו עבור כל יישום ולא חשוב מה צוותי השיווק יגידו לך. חיוני להבין קודם כל את צורכי היישום שלך בתנאי הפעולה המיוחדים שלו. רק אז תוכל להשוות ולבחור את ה-POL המיטבי עבור התכנון שלך.
מידע נוסף על מודולי ה-POL ניתן למצוא באתר CUI.
