מתגי ספקי כוח במצב מתג עם תדר קבוע שהוא או מתכוונן או מסונכרן לשעון חיצוני. הערך של תדר המיתוג קובע את הגודל הפיזי ובהתאם את העלות של אספקת קבלים ומשרנים. ישנה מגמה של בחירה בתדרי מיתוג גבוהים יותר המאפשרים תכנון מעגלים קומפקטיים בעלות נמוכה.
המתנדים המובנים בווסתי מיתוג IC לרוב מוגדרים לטווח רחב מאד של תדרים בגיליון הנתונים שלהם. לדוגמה, ל- ADP2386 buck converter IC המונוליטי מובטח 10% ± מתדר המיתוג שנקבע. מכשירי IC לוויסות מיתוג נפוצים אחרים מוגדרים ל- 20% ± ואף יותר. ה- ADP2386 עם RT לתדר מיתוג של kHz 600 יכול לשנות ב- 540 kHz וב- 660 kHz במקרי קיצון, בהינתן שונות הרכיב של 10% ± בתדר המיתוג של ADP2386.
איור 1: An ADP2386 buck converter with its switching frequency set with resistor RT
יש להביא בחשבון שונות זו תדר מיתוג אפשרית זו המסתכמת ב- 20% כאשר מתכננים מעגלים, משום שזרמי השיא במשרן שונים זה מזה בהינתן תדר המיתוג בפועל. כתוצאה מכך, ל- current ripple של המשרן יש השפעה ישירה על ה- voltage ripple היוצא.
איור 2: Coil current ripple peak to peak influenced by switching frequency variation
Figure 2. Coil current ripple peak to peak influenced by switching frequency variation.
תרשים 2 מציג את ההשפעה של תדר המיתוג על ה- current ripple של המשרן. תדר המיתוג הנומינלי של 600 kHz מוצג בצבע כחול. תדר המיתוג המינימלי (540 kHz) מוצג בצבע סגול והמקסימום (660 kHz) מוצג בצבע ירוק. בתצורה נומינלית של 600 kHz, אנו רואים peak-to-peak current ripple של 1.27 A כאשר הווסת משתנה ב- 540 kHz. אולם, תחת אותה הגדרת תדר של 600 kHz, ווסת המיתוג יכול להשתנות גם ב- 660 kHz, מה שתואם ל- current ripple של A 1.05. בדוגמה זו, הפרש coil current ripple של 220 mA יכול להיווצר בשל השונות של תדר המיתוג בין רכיבי המעגל. זה על גבי כל טווח הטמפרטורות המותר.
ההגדרות של גבול הזרם של ווסת מיתוג צריך להיות מותאם להשפעה זו. ה- peak currents צריכים להיות נמוכים מספיק כדי להבטיח שבמהלך פעולה רגילה לא תופעל כל הגנה קיימת מפני זרם יתר.
יש לשים לב שבדוגמה זו לא הובאו בחשבון כל השינויים האחרים שעלולים להתרחש, למשל בערכי המשרנים והקבלים.
ביחס ל- voltage ripple של הפלט, השינוי התואם ב- current ripple מפיק את הערכים המוצגים בתרשים 3. המעגל מתוכנן כך ש – voltage ripple של mV 4.41 מתרחש בתדר מיתוג של 600 kHz. בתדר מיתוג של 540 kHz, ה- voltage ripple הוא mV 5.45 וב- 660 kHz ניתן להבחין ב- voltage ripple של mV 3.66.
איור 3: Changes in output voltage ripple due to switching .frequency variation in a switch mode regulator IC
לצורך הדוגמה הנוכחית, השונות היחידה שהובאה בחשבון היא של רכיב תדר המיתוג על פני טווח הטמפרטורות המותר. בפועל, ישנם משתנים רבים נוספים, למשל שונות בערכים הממשיים של המשרנים והקבלים. אלה מושפעים גם מטמפרטורת ההפעלה. אולם, ניתן להניח שבמרבית המקרים, השונות בפועל בתדר המיתוג לא תגיע לערכי הגבול של 10% ±. לרוב ניתן יהיה להבחין בהתנהגות סביב הערך הרגיל המצוי באמצע הטווח שצוין. לשיקול שיטתי של כל המשתנים הדינמיים באספקת חשמל, ניתוח מונטה קרלו (Monte Carlo) יכול לספק תשובות. במקרה זה, משוקללים הווריאציות של רכיבים שונים והפרמטרים של המשתנים על פי הסתברות ההתרחשות שלהם והם מקושרים זה לזה. ניתן לבצע ניתוחי מונטה קרלו (Monte Carlo) באמצעות תוכנת הסימולציה הזמינה בחינם – available LTspice® simulation software מבית חברת Analog Devices.
למידע נוסף אודות שינוי פרמטרים בסימולציית LTspice, ניתן לקרוא את המאמר “Worst-Case Circuit Analysis with Minimal Simulation Runs” (ניתוח מעגלים במקרי קיצון תוך שימוש במספר סימולציות מינימלי), מאת גאבינו אלונסו (Gabino Alonso) וג’וזף ספנסר (Joseph Spencer)
אודות המחבר:
פרדריק דוסטל (Frederik Dostal) למד מיקרואלקטרוניקה באוניברסיטת Erlangen בגרמניה. הוא החל לעבוד בניהול חשמל בשנת 2001 ומילא מגוון תפקידים יישום, כולל ארבע שנים בפניקס אריזונה, שם עבד בתחום switch-mode power supplies. הוא הצטרף לחברת Analog Devices בשנת 2009 ועבד כמהנדס יישומי שדה לניהול חשמל בחברת Analog Devices במינכן. ניתן ליצור עימו קשר בכתובת המייל: frederik.dostal@analog.com
