מעגלי יישום לתחבורה חייבים לעמוד בתקני הפרעות אלקטרומגנטיות ((EMI קפדניים בכדי להימנע מהפרעות לתדרי שידור וסלולר. במקרים רבים פתרונות של Silent Switcher ו- Silent Switcher 2 יכולים להביא להבדל משמעותי ביכולות לעמוד בתקנים אלו. למרות זאת, בכל המקרים, תכנון ומערך קפדני הינו חיוני. במאמר זה אנו בוחנים במיוחד שני פתרונות אפשריים עבור בקר 4 מתגים ומשווים תוצאות של תא הפרעות אלקטרומגנטיות.
בקר הגבה / הנחתה בעל 4 מתגים משלב בקר הגברה / הנחתה לתוך IC יחיד, כאשר הממיר מתפקד כמנחית מתח DC-DC כאשר היציאה נמוכה מהכניסה וכמאיץ כאשר היציאה גבוהה מהכניסה. בתחום שבו הכניסה והיציאה שווים, כל ארבעת המתגים עשויים לפעול.
בשימוש בתא הפרעות אלקטרומגנטיות של חברת EDI בסנטה קלרה קליפורניה, צוות המחקר של חברת Power Products עסק בחקירת נושא האפקטיביות של המערך הסינכרוני של הלולאה הכפולה המקורית והאם ניתן להשתמש בלולאה חלופית עבור רמה נמוכה יותר של רעשי הפרעות אלקטרומגנטיות בכדי לעמוד בתקני ההפרעות אלקטרומגנטיות.
הלולאה הכפולה החמה מערבת מיקום סימטרי של קבלים קרמיים בלולאה חמה סביב אלמנטי כח MOSTEF לקבלת רעשי הפרעות אלקטרומגנטיות. המיקום הייחודי של נגד החישה של חברת ADI – לצד המשרן ומחוץ לולאות החמות – מאפשר ללולאות אלו להיות קטנות במיוחד ובכך למזער את אפקט האנטנה על הלולאות החמות. להשגת סימטריה זאת ובכדי לאפשר לצמתי המתגים להגיע למשרן הקרוב, נדרשים מסלולים לצמתי המיתוג, מה שעלול להגדיל את שטח הלולאה עצמה. בשימוש בתא ההפרעות אלקטרומגנטיות התואם מסוג CISPR 25, צוות המחקר מצא כי חשיפה של צומת המיתוג ושטח גדול של הלולאה החמה מייצר תוצאות לא רצויות ומייצרות הפרעות אלקטרומגנטיות במיוחד בתדר הגבוה מ 30 מגה-הרץ (תדר FM ברדיו) שהינו התדר המאתגר ביותר להחלשת ההפרעות.
המערך המקורי של הנחתה – הגברה הכולל לולאה חמה יחידה יכול לשפר את הלולאה החמה הקטנה ביותר שלו על ידי ארגון אלמנטי ה- MOSFET וקבלי הלולאה החמה. מערך זה ידוע כלולאה חמה בודדת וכחלק מקביל של הלולאה החמה הכפולה. היתרון בשימוש בלולאה חמה יחידה הינו לא רק אובדן מיתוג קטן יותר אלא גם שפליטות בתדר מעל 30 מגה-הרץ מוחלשות בשל הקטנת שטח הלולאה החמה והחשיפה של צמתי המיתוג. האפקטיביות של הלולאה מוודאת על ידי השוואת רעש ההפרעות האלקטרומגנטיות של המערך החדש לזה של לולאה חמה כפולה בשימוש באותו בקר IC ובאותם רכיבי כח. נעשה שימוש בניסוי בבקר הנחתה – הגברה בעל 4 מתגים LT8932 ושתי גרסאות מעגלי הדמו שלו (DC2626A מהדורה 2 ומהדורה 3).
השוואת מערכים
תמונה 1 מציגה את המערך ואת הלוחות המורכבים של לולאה חמה כפולה ולולאה חמה יחידה. כל לוח כולל ארבע שכבות. שכבה עליונה (שכבה 1), שכבה 2, שכבה 3 ושכבה תחתית (שכבה 4). עם זאת, מוצגות רק השכבה העליונה והתחתונה. כפי שמוצג בתמונה 1a , קבלים של הלולאה החמה מוצבים בצד השמאלי והימני של אלמנט ה- MOSFET המרכזי ויוצרים לולאות חמות זהות. נעשה שימוש בנתיבי צמתי מיתוג כדי לחבר בין הצמתים SW1, SW2 למשרן הכח המרכזי דרך השכבה התחתונה (מוצגת בתמונה (1C ושכבה 3. צמתי הנחושת בשכבה העליונה של SW1, SW2 מונחים ביזור גדול לצורך פיזור החום של מקור הכח ואלמנט MOSFET. יחד עם זאת צמתי הנחושת SW1, SW2 בעלי רמת החשיפה הגבוהה הינם מקור של פליטת הפרעות אלקטרומגנטיות. אם הלוח ממוקם ליד אדמה כתשתית, נוצרת קיבוליות פרזיטית בין התשתית וצומת המיתוג מנחושת. הדבר מייצר שטף רעש בתדר גבוה מצומת המיתוג לתושבת הקרקע ומשפיע על מעגלים אחרים במערכת. בתא ה- CISPR 25 תואם הפרעות אלקטרומגנטיות, הרעש בתדר הגבוה זורם דרך משטח הקרקע של מערך ההפרעות אלקטרומגנטיות וה- LISN. צומת המיתוג החשוף פועל גם כאנטנה ובשל כך גורם לרעש הפרעות אלקטרומגנטיות מוקרן.
עם זאת, לולאה חמה בודדת לא כוללת צומת מיתוג חשופה בשכבה התחתית, כמוצג בתמונה 1d. בשכבה העליונה, המוצגת בתמונה 1b , קבלי הלולאה החמה מוצבים רק בצד אחד של אלמנט ה- MOSFET, דבר המאפשר לצומת המיתוג להיות מחובר לספק הכח ללא שימוש בנתיב דרך צומת מיתוג.
תמונה 1 :loop hot single and loop hot dual a of photograph and L
במערך של לולאה חמה בודדת, אלמנטי ה- MOSFET העליונים והתחתונים אינם מיושרים, אחד מהם הינו מסובב ב- 90 מעלות בכדי להפוך את הלולאה החמה לקטנה ככל האפשר. הגדלים של הלולאה החמה הכפולה והבודדת מושווים בתמונה 1e ו- 1f בתיבה עם הרקע הצהוב. תיבות אלו מציגות ששטח הלולאה החמה הבודדת הינו כחצי משטח הלולאה החמה הכפולה.
חשוב לציין ששני קבלי 0402 של הלולאה החמה הכפולה המוצגים בתמונה 1a אינם בשימוש ובקרי ה- 1210 מוצמדים לאלמנטי ה- MOSFET בכדי ליצור את הלולאה החמה הקטנה ביותר.
המיסוך המולחם ליד קבל 0402 מקולף ליצירת קישוריות טובה של קבלי 1210. בנוסף לכך, המיסוך המולחם ליד משטח הספק מוסר בכדי לעשות שימוש באותו משרן בלולאה החמה הבודדת. לולאה חמה קטנה יותר משמעותה שההשראות הכוללת של הלולאה הינה נמוכה יותר. בכך מוקטנים הפסדי מיתוג וצלצול LC של צומת המיתוג וזרם המיתוג מופחתים. בנוסף לכך, הלולאה המוקטנת תורמת לפליטה מוקטנת של הפרעות אלקטרומגנטיות בתדר מעל 30 מגה-הרץ שכן פליטות מוקרנות משפיעות על הולכת הפרעות אלקטרומגנטיות בטווח תדרים זה.
בקר ארבעת המתגים להנחתה – הגברה של ADI יכול ליצור את הלולאה החמה הקטנה ביותר בשל סכמת הבקרה המתאימה לפיקים של הגברה והנחתה במצב זרם. נגד החישה לזרם מחובר בטור עם המשרן הראשי. בשונה מכך, חלקי בקרים של המתחרים עושים שימוש בסכמת בקרה שונה של פיקים של הגברה והנחתה כאשר נגד החישה לזרם נמצא בין המקור של אלמנט ה- MOSFET התחתון ביותר לבין האדמה. תמונה 2 מציגה את מערך ההנחתה – הגברה המומלץ של אחד מחלקים אלו. כפי שמוצג בתוך התיבה הצהובה, הלולאה החמה הינה גדולה יותר מהלולאה החמה הכפולה או הבודדת. בנוסף לכך, הקיבוליות הפרזיטית של נגד החישה מגדילה את ההשראות הכוללת של הלולאה החמה.
תמונה 2 :LM5176 part competitor of layout boost-buck recommended T
השוואת הפרעות אלקטרומגנטיות
ההפרעות האלקטרומגנטיות של הלולאה החמה הבודדת והכפולה נמדדות בתא EMI תואם מדגם CISPR25 המוצג באיור 3 עם תקן CISPR 25 ברמה 5. תוצאות ההפרעות אלקטרומגנטיות משורטטות באותו הגרף על מנת להציג את ההבדלים. כאשר הלולאה החמה הכפולה מסומנת בקו הצהוב והלולאה החמה הבודדת מסומנת בקו האדום. הקו האפור הינו בסיס הרעש הנמדד בתנאי הסביבה. כפי שמוצג בתמונה 4, צמתי המיתוג החשופים של השכבה התחתונה של לולאה חמה כפולה נחסמו מהקרקע על ידי סרט נחושת בכדי להראות כמה לולאה חמה קטנה אפקטיבית יותר. הפליטה של הלולאה החמה הכפולה ללא המגן מנחושת הינה גבוהה בהרבה מהתוצאה המוצגת באיור 3. היציאה הינה 12 וולט, 8 אמפר ומתח הכניסה כוון ל- 13 וולט בכדי לאפשר ללולאה לפעול במצב מיתוג של 4 מיתוגים.
תמונה EMI comparison graph of a dual hot loop and single hot loop: (a) voltage :3 method conducted emissions peak and average, (b) current probe method conducted emissions 50 mm peak and average, (c) current probe method conducted emissions .750 mm peak and average, and (d) radiated emissions vertical peak and average
תמונה 3a מראה את השיא ואת הממוצע של המתח של הפליטות בהתאמה. לולאה חמה בודדת הינה בעלת CE נמוך ב- 5 dBµV מעל תדר של 30 מגה-הרץ ועומדת בתקן רמה 5 של CISPR 25 עבור רמות שיא וממוצע של CE בעוד שלולאה חמה כפולה מציגה חריגה בערכים הממוצעים בתדרי FM ו- VHF (68-108 מגה-הרץ), כפי שמוצג בתיבה המודגשת בצהוב.
שימו לב שהפחתה של 5 dBµV בתדרים אלו הינה מאתגרת במיוחד. לולאה חמה בודדת הינה אפקטיבית לא רק בטווחי התדרים הגבוהים של 30 מגה-הרץ שהינה התחום המאתגר ביותר להפחתה, אלא גם בתדרים הנמוכים מתחת ל- 2 מגה-הרץ הכוללים רצועת AM (0.53-1.8 מגה-הרץ). המצב טוב יותר כאשר הפליטות נמוכות יותר, במיוחד אם הן CE, מכיוון שהן משפיעות על כל המערכת החשמלית המחוברת.
שיטת גשוש הזרם הינה שיטת מדידה נוספת המוגדרת על ידי CISPR 25. היא מודדת פליטות נפוצות בשני מצבים שונים – 50 מ”מ ו- 750 מ”מ מה- DUT בעוד ששיטת המתח מודדת פליטות מעורבות במצב רגיל ובמצב דיפרנציאלי. תמונות 3b, 3c משוות את הפליטות הנמדדות בשיטת גשוש הזרם בלולאה חמה בודדת וכפולה. התוצאות מראות כי לולאה חמה בודדת הינה בעלת פליטות נמוכות יותר מעל 30 מגה-הרץ ובמיוחד ברצועת ה- FM, כפי שמוצג בתיבות עם הרקע הצהוב. שלא כמו במדידת מבוססת מתח של הפליטות, אין יתרון משמעותי ללולאה חמה בודדת על פני לולאה חמה כפולה בתדר נמוך סביב רצועת תדר AM.
לבסוף, תמונה 3d מראה את פליטות הקרינה (RE) של שני מערכי ההגברה-הנחתה. התוצאות הינן זהות כמעט לחלוטין למעט העובדה שבלולאה החמה הכפולה יש קפיצה סביב תדר של 90 מגה-הרץ שהינה גבוהה ב 5 dBµV מאשר בלולאה החמה הבודדת.
השוואה תרמית
תמונה 4 :of nodes switching Shielded
loop hot dual a of layer bottom.
השוואה תרמית בין לולאה חמה בודדת וכפולה מוצגת בתמונה 5. התמונות התרמיות נלקחו במתח כניסה של 9.4 וולט עם SSFM מופעל. 9.4 וולט הינה הנקודה הנמוכה ביותר של תחום הפעולה של ארבעת המתגים לפני שמצב ההפעלה משתנה להגברה טהורה בעלת 2 מתגים כאשר מתח היציאה הינו 12 וולט. אי לכך תנאי הבדיקה הינם הקשים ביותר. הרכיב החם ביותר של הלולאה החמה הכפולה, אלמנט ה MOFSET בצד ההגברה התחתון והלולאה החמה הבודדת הינם כמעט בעלי אותה טמפרטורה. למרות שבלולאה החמה הבודדת בוטלו נתיבי צומת המיתוג ובוצעה חסימה עם נחושת בשכבה התחתונה לצורך פיזור החום, הפסדי המיתוג של לולאה זאת הינם נמוכים יותר משל הלולאה החמה הכפולה בשל היותה קטנה יותר בשטחה. בנוסף, בשל אי השימוש בנתיבי צמתי המיתוג, הלולאה החמה הבודדת הינה בעלת יכולת גבוהה יותר לפיזור חום בשכבה העליונה מכיוון שאזור המגע של משטח ניקוז החום של אלמנט ה- MOSFET וצומת המיתוג הינם גדולים יותר מאשר בלולאה החמה הכפולה.
מסקנות
המערך החדש המוצע להגברה-הנחתה בלולאה חמה בודדת, מומלץ עבור תכנונים חדשים בהספקים גדולים. בשל החשיפה המינימלית של צמתי המיתוג ושטח הלולאה החמה. קים יתרון משמעותי ללולאה החמה הבודדת להקטנת פליטות הולכה והקרנה ללא כל חסרון תרמי. בנוסף יש לציין שלולאה זאת מפחיתה את הפליטות גם מעל 30 מגה-הרץ שהינו תחום התדר המאתגר ביותר מבחינת יכולות ההפחתה. תודות למערך הבקרה המתאים להגברת פיק / הנחתת פיק של בקרי הגבה/הפחתה בעלי 4 מתגים של חברת ADI ((LT8390/ LT8390A, LT8391/LT8391A, LT8392, LT8393, LT8253, הלולאה החמה יכולה להפוך לקטנה בהרבה מאשר לולאה כזאת עם רכיבים של המתחרים. מאפיין הבקרה מביא ליעילות גבוהה יותר והפרעות אלקטרומגנטיות נמוכות יותר והופך את בקר ההנחתה/הגברה בעל 4 המתגים של חברת ADI לבחירה המועדפת עבור יישומים לתעשיית הרכב או לכל יישום הרגיש לפליטות הפרעות אלקטרומגנטיות.
Data Sheet
על המחבר
יונגהאון צ’ו הינו מהנדס יישומים בכיר בחברת Analog Device בסנטה – קלרה, קליפורניה. הוא עובד על רגולטורים למיתוג DC-DC כולל רגולטורי מתח בעלי 4 מיתוגים להנחתה / הגברה ודרייברים של LED ליישומים בתחבורה. יונגהאון קיבל את תואר הד”ר בהנדסת חשמל ב- 2017 באוניברסיטת צפון-קרולינה. ניתן ליצור עימו קשר ב- yonghawn.cho@analog.com.
על המחבר
קיית זולשה הינו דירקטור יישומים בחברת Analog Device בסנטה – קלרה, קליפורניה. קיית עבד בקבוצת מוצרי BBI מאז שנת 2000 כאשר הוא מתמקד במוצרי הגברה, הנחתה / הגברה ו- LED, בנוסף לניהול תא ההפרעות אלקטרומגנטיות של Power Products. הוא קיבל את תואר ה- B.S.E.E ב- 1997 ותואר M.S.E.E ב- 1998 ב MIT בקיימברידג’ מסצ’וסטס בהתמקדות בכתיבה טכנית. ניתן ליצור עימו קשר ב- keith.szolusha@analog.com.
