וסתי מחליפים שקטים מונוליטיים 2 בעוצמה גבוהה עומדים בתקן[ EMI 5 Class 25 CISPR], ומתאימים למקומות צרים

ככל שכמות המערכות האלקטרוניות בכלי רכב גדלה, כך גם הסיכון של הפרעות אלקטרומגנטיות בתוך הרכב. מסיבה זו, אלקטרוניקה ברכבים מודרניים חייבת לעיתים קרובות לעמוד במבחן תקן CISPR 25 Class 5 אשר מגביל בחומרה פליטות הנובעות מהולכה ומקרינה. החלפת אספקת החשמל, מטבעה, מלווה ב EMI [התאבכות אלקטרומגנטית], ומתרבה במהירות ברכב. EMI נמוכה היא כעת דרישת מפתח לאספקת חשמל ברכבים, לצד גודל פתרון קטן; יעילות גבוהה, יעילות תרמית, חוזק וקלות שימוש. משפחת וסתי המחליפים השקטים 2 עונה על הדרישות הקפדניות ל EMI של יצרני רכבים, עם גודל קומפקטי ו MOSFETs משולבים ויכולת זרם גבוהה.

טכנולוגיית המחליף השקט הרשומה כפטנט* מאפשרת ביצועי EMI מרשימים בתדר גבוה, עם אספקת חשמל גבוהה. מחליף שקט 2, הדור הבא של טכנולוגיה זו, מפשט את התכנון והייצור על ידי שילוב של ה hot loops caps למארז, כך של- PCB [כנראה חומר כימי רעיל]  ישנה השפעה מינימלית על ה EMI (ראה מסגרת צדדית).

וסת מחליף שקט 2 מספק כוח ל SOCS

מכשירי מערכת-על-צ’יפ (SOC) הקיימים בכלי הרכב של ימינו (והעתידיים) דומים רק מעט לאלה של הדורות הקודמים. הרחבת מאפיינים שגדלה בקצב מסחרר (exponential) של מערכות בידוריות ומערכות בטיחות הרכב קוראות ל SOCs לעבד נתונים בכמה סדרי גדלים מהר יותר מבעבר, כולל עיבוד של נתוני וידאו ברזולוציה גבוהה מכמה מקורות עם זמן תגובה מינימלי. לדוגמה, אם המצלמה הקדמית של הרכב ‘רואה’ סכנה, הרכב חייב להגיב מייד, אם על ידי אזהרת הנהג או הפעלת הבלם. על מנת לענות על דרישות מיחשוב מודרניות, SOCs דוחסות מספר הולך וגדל של מכשירים צורכי כוח לחבילות שלהם, אך איך הכוח הזה יסופק? ברכב, מסירת הכוח צריכה להיות יעילה, קומפקטית ובעלת EMI נמוכה. דרישות הכוח המוגברות של SOCs הופך את היכולת לעמוד בהן, לקשה יותר.

לדוגמה, SOC של R-Car H3 כוללת שמונה ליבות ARM, DSPs, מעבדי וידאו וגרפיקה, פלוס מכשירי עזר לתמיכה. כל אחד מרכיבים אלה דורש כוח מהימן, כולל שלושה ריילים (rails) (5V, 3.3V and 1.8V) לרכיבים פריפרליים ורכיבי עזר, שניים (1.2 ו 1.1V) ל DDR3 ו LPDDR4, ועוד 0.8V לליבות.

על מנת לתמוך ברמות הזרם הנדרשות ל SOCs , בקר (controller) מחליף כוח עם MOSFET חיצוני הוא הבחירה המסורתית למכשירי כוח מונוליטיים. מכשירים מונוליטיים מושכים משום שה MOSFETs הפנימיים שלהם מפחיתים עלות ואת גודל הפתרון, אך יכולת הזרם המוגבלת המסורתית שלהם ובעיות תרמיות, לרוב מגבילות את השימוש בהם. ה LT8650S ומשפחה חדשה של מווסתי מחליפים שקטים מונוליטיים הינם בעלי יכולת זרם ומאפייני ניהול תרמי לתמיכה ב SOCs.

הכוח באמצעות by Linear™ LT®8650S, LT8609S ו LT8645S הינם בעלי תפוקה גבוהה הרבה יותר של יכולות זרם מאשר וסתים מונוליטיים טיפוסיים, בשל יעילות גבוהה ומאפייני ניהול תרמי. תשומת הוולטאג’ שנעה בין 3V ל 42V (65V עבור ה LT8645S) מכסה את הספקטרום של מצבי סוללת הרכב. ה ICs המונוליטיים הללו שילבו MOSFETs ויכולים לפעול ביותר מ 2MHz, דבר המביא לגודל פתרון מופחת ולעלות מופחתת תוך כדי הימנעות מפס / רצועת AM (band). מווסתי מחליפים שקטים מיועדים לצמצום EMI, דבר ההופך אותם לבחירה פופולריות יותר ל SOCs.

תפוקה דואלית: 5V/4A ו 1V/4A

תרשים 1 מציג תפוקה דואלית,

2MHz 5V ב 4A ו 1V ב 4A, תמיסה המשתמשת בשני ערוצים של ה LT8650S. מעגל זה יכול להיות מתוקן בקלות כך שיתאים לשילובי תפוקה אחרים, כולל לדוגמה 3.3V & 1.8V או 3.3V & 1.1V, כדי לנצל את טווח התשומה הרחב של ה LT8650S. ה LT8650S יכול גם לשמש כממיר בשלב הראשון, שלאחריו החלפה בשלב שני בעוצמה נמוכה יותר או ווסתי LDO לתפוקות נוספות.

ה LT8650S כולל את המחליף השקט 2 עם ביטול EMI, עם מעבי לולאה חמה (capacitors)  משולבים כדי להפחית את גודל האנטנה המרעישה. זה, ביחד עם MOSFETs משולבים, מאפשר ביצועי EMI יוצאי דופן.

פתרון 16A ל AN SOC

תרשים 2 מציג את 3.3V/16A, פתרון בן 4 שלבים לכוח SOC. תרשים 3 מציג את תוצאות מבחן הקרינה של EMI.

SOCs של מכוניות גם מטיל דרישות כבדות על הספק התגובה של שינוי הזרם (transient) לאספקת החשמל. זה לא בלתי שכיח לראות קצב הספק זרם מסתובב ב 100A/µs לאספקות חשמל פריפרליות, וגבוהות יותר לאספקות ליבה / מרכזיות. ללא קשר לשינויים בהספק, אספקת החשמל חייבת לצמצם את תפוקת שינוי הזרם. תדר החלפה מהיר, כגון יכולת ה 2MHz של משפחת ה LT8650S מסייעת להאיץ את ההתאוששות משינוי הזרם. תדרי החלפה מהירים יותר תואמים לתגובות דינמיות מהירות יותר עם פיצוי לולאה מתאים. תרשים 2 מציג את ערכי הרכיב הנאותים. חשוב גם במערכי לוחות (board layout) לצמצם למינימום את סימני ההשראה ממעבי התפוקה של המעגל אל ההספק. תרשים 4 מראה את תוצאות מבחן שינוי הזרם של הפתרון המוצג בתרשים 2.

יעילות גבוהה, פתרון קומפקטי ליישומי כוח נמוכים יות

ר

בנוסף ליישומי זרם גבוה בוולטאג’ נמוך כמו SOC ו CPU, מכוניות וכלי רכב אחרים דורשים כוח להספקים בזרם נמוך, כגון קבוצת מכשירי לוח המחוונים, תצוגות אזהרה, V2X, חיישנים, מטעני USB ועוד.

בשל מרחב מוגבל וכוח סוללה מוגבל, יעילות גבוהה וגודל פתרון קטן הם דרישות מפתח לממירי כוח. רעש חלש הוא דבר נתון. LT8609S הוא פתרון מתאים לכל היישומים הללו. הוא מתוכנן עם טווח תפוקת וולטאג’ של 3V עד 42V לתנאי סוללה של מכונית. MOSFETs משולבים, מעגל פיצוי בנוי ותדר פעולה של 2MHz מצמצמים את גודל הפתרון של LT8609S. טכנולוגיית מחליף שקט 2 ומעבי לולאה חמה משולבים משמשים ב LT8609S כדי לצמצם למינימום את רמות הרעש ולספק יעילות יוצאת דופן כמו גם ביצוע EMI מצויין. תרשים 5 מציג יישום

5V/2A של 2MHz על ידי שימוש ב LT8609S.

תרשים 6 מראה וסת LT8609S שלם על לוח בן 2 שכבות. ה MOSFETs המשולבים ומעגל הפיצוי הבנוי של ה LT8609S  מצמצמים את מספר הרכיבים למכשיר עצמו פלוס כמה רכיבים חיצוניים. ביחד עם תדר החלפה במהירות גבוהה, הגודל הכולל של פתרון הליבה ליישום טיפוסי זה הוא רק 11.5mm × 12.3mm.

דרך אחת להפחית את עליות הפתרון היא לצמצם את מספר שכבות PCB הדרושות, אך יש לצפות להשפעה על הביצוע. לדוגמה, פתרון של לוח בן 2 שכבות לא צפוי להניב ביצועי EMI שווים לביצועי EMI עם פתרון בן 4 שכבות. תוצאות EMI בתרשים 7 מראות שה LT8609S על לוח בן 2 שכבות עונה על פליטות EMI של CISPR 25 Class 5. ביצוע ה EMI מושווה בין פתרונות שווי ערך על לוחות בני 2 ו 4 שכבות.

באופן כללי, טכנולוגיית מחליף שקט 2 מניבה ביצוע EMI מצויין עם לוחות בני 2 שכבות ואפילו עם לוחות בני שכבה אחת, דבר שעשוי להפחית באופן ניכר את עלויות הייצור.

ביצועים תרמיים לרוב מהווים בעייה כאשר עושים שימוש בלוחות מעטים יותר, אך לא עם ה LT8609S. רמת הרעש הנמוכה של טכנלוגיית המחליף השקט 2 והיעילות הגבוהה שלה, מציגים יתרון של הפסד כוח נמוך ממעברי ההחלפה. זה, בשילוב עם חבילת פיזור תרמי משופרת, מאפשר ל LT8609S להפגין ביצוע תרמי מרשים. תרשים 8 מציג את ההשוואה של הביצוע התרמי בין לוחות עם 2 שכבות לבין לוחות עם 4 שכבות. לגבי תשומות סוללה של 12V, ה LT8609S פועל עם עלייה בטמפרטורה של פחות מ 11 מעלות צלסיוס בהספק מלא.

פתרון מחליף שקט 2 למערכות רכב 48V

כלי רכב קונבנציונליים משתמשים בסוללות 12V כדי לספק את הכוח להצתה, תאורה, מכשירי אודיו ומכשירי מידע ובידור אלקטרוניים, ומאפייני בטיחות, בין יתר המערכות. לרוע המזל, יכולת הכוח של מערכת הרכב 12V מוגבלת ל 3kW, קו אשר מאותגר יותר ויותר על ידי המספר הגדל של מכשירים אלקטרוניים ברכב.

זה, לצד ההתקדמות של כלי רכב חשמליים ומערכות אוטומטיות, קוראים תגר על אספקת הכוח, כאשר תעשיית המכוניות פונה לכוח סוללה של 48V כפתרון. בהשוואה למערכת חשמלית של 12V, מערכת חשמלית של 48V מפחיתה את הפסד הפיזור [של הכוח] כאשר דרישות הכוח הן גבוהות, ומשפרת את היעילות הכוללת.

האתגר שהוצג לממירי DC/DC במערכות של 48V הוא לשמור על יעילות המרה, גודל ו EMI נמוכה, בדומה למערכות של 12V, כאשר יחס step-down גבוה מקשה עוד יותר על עמידה במפרטים אלה. הרווח של שימוש ב 48V לא אמור ללכת לאיבוד בתהליך ההמרה של DC/DC. וסתי החלפה מונוליטיים אשר יכולים לפעול ב 2MHz כדי להימנע מהתערבות ברצועת AM, הינם אידיאליים למערכות חשמל ברכבים עם 48V, כל עוד הם יכולים לעשות זאת ביעילות.

יש מספר מוגבל של וסתים מונוליטיים (buck regulators) אשר יכולים לקבל תשומות נומינליות של 48V, כשהרוב תומכים בפחות מ 5A. הווסת המונוליטי LT8645S תומך בהספקים של 8A, מוולטאג’ התשומה עד ל 65V. ה 40ns minimum TON שלו עם קצוות החלפה נקיה מהירה (תרשים 9) מאפשרים תדרי החלפה גבוהים ויעילות גבוהה, של עד 94% ב 2MHz.

מעבי פיצוי ומעקפים משולבים מצמצמים את גודל הפתרון הכולל ומפשטים את מערך ה EMI. עם מסנן ferrite bead, ה LT8645S יכול לעבור את CISPR 25 Class 5 specs עם שוליים.

תרשים 10 מראה יישום EMI 2MHz 5V/8A נמוך במיוחד על ידי שימוש ב LT8645S. תרשים 11 מציג את יעילות LT8645S ותרשים 12 מראה את גודל פתרון LT8645S.

ל LT8645S יש יכולת יוצאת דופן לתמוך ביחס step-down גבוה אפילו כאשר הוא פועל בתדרי החלפה גבוהים, בשל ה 40ns minimum on-time שלו. לדוגמה, ה LT8645S יכול ליצור 1.8V מתשומה של עד 30V בתדר החלפה של 1MHz. התשומה יכולה לעלות עד לדירוג המקסימלי של 65V במידה שדילוג על מעגלי החלפה הינו מקובל.

כאשר תפוקה הינה נמוכה מ 3.1V, פין ה BIAS של ה LT8645S צריך להיות מחובר למקור חיצוני אשר הינו גבוה יותר מ 3.1V כדי לשפר את היעילות. אם מקור כזה אינו נגיש, קשור את פין ה BIAS ל GND. תרשים 13 מראה פתרון של 1.8V/8A ב 1MHz אשר פועל לאור תשומת שינוי זרם של 65V.

בנוסף ל EMI נמוך, יעילות גבוהה בתדר גבוה, וטווח תשומת וולטאג’ רחב, ה LT8645S מציג זרם רגוע איטי במיוחד והפסקות מועטות. הזרם הרגוע האיטי במיוחד יכול להרחיב את פעולת הסוללה ב[מצב]סרק. מאפיין ההפסקות המועטות הינו קריטי לפעולה מתמשכת בתנאי סיבובי [מנוע] בקור.

מסקנה

וסתי מחליף שקט ומחליף שקט 2 עונים על דרישות פליטת EMI התובעניות של סביבות רכבים. ראה טבלה 1 לרשימה של מכשירים מחליפים שקטים, כולל אלה המוצגים כאן.

לגבי החלקים שהודגשו כאן, וסתי מחליף שקט 2 מונוליטיים סינכרוניים בעלי ערוץ כפול LT8650S מציעים ליישומי SOC טווח תשומת וולטאג’ רחב, ביצוע EMI יוצא דופן, גודל פתרון קטן, תוך כדי מתן תפוקות זרם גבוהות ותגובת שינוי זרם מהירה. וסת המחליף השקט 2 המונוליטי הסינכרוני LT8609S מציע טווח תשומת וולטאג’ רחב, שינוי זרם נמוך, ביצוע EMI מצויין, גודל פתרון קטן ויעילות גבוהה – הוא מתאים בקלות למערכות כוח אוניברסליות הנמצאות ברכבים של ימינו. ה LT8645S  (inputs to 65V) מאפשר פתרונות EMI קומפקטיים ונמוכים למערכות רכב של 48V.

טבלה 1. וסתי step-down סינכרוניים של מחליף שקט EMI ומחליף שקט 2 (“S”). המכשירים המתוארים במאמר זה מודגשים.

מכשיר	# תפוקות	טווח VIN	תפוקת זרם	יעילות שיא ב 2MHz, 12V to 5V	IQ	מאפיינים	מארזים
LT8650S	2	3V–42V	4A + 4A on both channels or 6A on either channel	94.60%	6.2µA	מחליף שקט 2	6mm × 4mm × 0.94mm LQFN
LT8645S	1	3.4V–65V	8A	94%	2.5µA	מחליף שקט 2	6mm × 4mm × 0.94mm LQFN
LT8643S	1	3.4V–42V	6A continuous 7A peak	95%	120µA	מחליף שקט 2 פיצוי חיצוני	4mm × 4mm × 0.94mm LQFN
LT8640S	1	3.4V–42V	6A continuous 7A peak	95%	2.5µA	מחליף שקט 2	4mm × 4mm × 0.94mm LQFN
LT8609S	1	3V–42V	2A continuous 3A peak	93%	2.5µA	מחליף שקט 2	3mm × 3mm × 0.94mm LQFN
LT8641	1	3V–65V	3.5A continuous 5A peak	94%	2.5µA	מחליף שקט	3mm × 4mm QFN-18
LT8640, LT8640-1	1	3.4V–42V	5A continuous 7A peak	95%	2.5µA	Silent Switcher, LT8640 pulse skipping, LT8640-1 forced continuous	3mm × 4mm QFN-18
LT8614	1	3.4V–42V	4A	94%	2.5µA	מחליף שקט Low ripple Burst Mode operation	3mm × 4mm QFN-18