כמה כללי אצבע שעוזרים לנווט בין הניואנסים והמלכודות הנפוצות של תכנון מערכת כוח באמצעות מודולי כוח.
נוכח הדגש בתעשייה על מזעור בזבוז ומניעתו בכל מקום אפשרי, באחריותו של מתכנן המערכת למטב את ארכיטקטורת הכוח הכוללת. לכל פיסת ציוד אלקטרוני יש רשת אספקת כוח (PDN) שמכילה בדרך כלל, בין היתר, כבלים, פסי צבירה, מחברים, משטחי כוח מנחושת של לוחות מעגלים, ממירי ac-dc ו-dc-dc ווסתים. כל דבר בתוך הרשת הזו משפיע על טיב תפקוד התכן כשהוא רואה שינויים בקו, בעומס ובסביבה.
מבחינה היסטורית, ארכיטקטורות הכוח מוגדרות בשלבים המאוחרים של פיתוח המוצר, כאשר המקום והאפשרויות כבר מוגבלים. גישה יוזמת יותר, הממקמת את תכנון הארכיטקטורה בשלב מוקדם בתהליך, מתאימה לייצור מערכות חזקות יותר המסוגלות להתאים למפרטי תכן משתנים במהלך הפיתוח.
לעתים קרובות, מתכנני כוח מתמקדים בשלבי ההמרה כדי למקסם את יעילות ההמרה ולמזער אובדן כוח. המניע העיקרי היה ניהול תרמי, מכיוון ששלבי ההמרה הם בדרך כלל בין התורמים הגדולים ביותר לעומס התרמי. פיזור הספק גבוה דורש שיטות קירור מורכבות ונרחבות יותר, אשר כולן מוסיפות עלות וגודל, במיוחד עבור יישומים בסביבות קשות.
כוח מפוזר הוא ההפרש בין כוח מבוא לכוח מוצא. אחד קובע את הכוח המפוזר של ממיר הכוח על ידי חלוקת דירוג הכוח של הממיר במקבילה העשרונית של יעילותו: לממיר בדירוג 100 W עם יעילות של 80% יהיה הספק מבוא של 125 W והספק מפוזר של 25 W. ישנה חשיבות מכרעת להתחשבות בכל אלמנט במערכת באופן זה כדי לקבוע את סך אובדן המערכת. הגברת היעילות, אפילו בכמות קטנה, עשויה להפחית באופן משמעותי את האובדן. לדוגמה, עלייה של 10 נקודות ביעילות–ל-90% בדוגמה זו–אולי לא נראית גדולה, אבל היא מפחיתה את ההספק המופק ביותר מחצי: ירידה של 11.1 W מ-25 W.
כיצד הגברת יעילות זו מועילה לרשת אספקת הכוח? מלבד הפחתת השפעתו התרמית של ממיר, היא גם מפחיתה את הדרישה ממקור המבוא, שצריך לספק פחות כוח. שימוש מופחת זה בכוח משמעותו גם שעבור כוח מבוא נתון, זרם המקור נמוך יותר. לפי חוק אוהם, ניתן לראות את הכוח כמכפלת המתח בזרם וכמכפלת ההתנגדות בריבוע הזרם (P = VI = I2R). בניתוח של רשתות אספקת כוח, התנגדות הוא מונח שממנו נוהגים להתעלם לעתים קרובות. לכל הנתיבים מהמקור לעומס יש התנגדות קבועה. לכולם השפעה מצטברת על אובדן הכוח במערכת. ישנם גם רכיבי בטיחות ויציבות התורמים לאובדן הכוח הכולל שיש לתת עליהם את הדעת: נתיכים, מפסקים ומסננים להפחתת הפרעות אלקטרומגנטיות והחלקת מתח. בכל אחד מהאלמנטים הללו, נפילות מתח עלולות לפגוע ביציבות של וסתי המיתוג וליצור בעיות אחרות בתוך המערכת.
ציוד לשימוש קצה (המוזן משרשת אספקת הכוח) עם תנודות כוח גדולות, כמו מעבד, עומס בפעימות או מנוע, יגרום לשינויי מתח משמעותיים במבוא ובמוצא הממיר. כלל אצבע הוא שעכבת המקור שהממיר רואה צריכה להיות פי עשר פחות מהעכבה הנמוכה ביותר שהממיר מציג.
אם נחזור לדוגמה של ממיר 100-W היעיל ב-90%, נניח שטווח המבוא התפעולי של התקן זה הוא 18–36 V. במבוא של 18 V, הממיר שואב כ-6.2 A. לכן עכבת הכניסה של הממיר (R) היא V/I או 18/6.2 = 2.9 Ω. ב-36 V זרם המבוא הוא חצי, כך שהעכבה היא 11.7 Ω. בעכבת הכניסה הנמוכה ביותר של הממיר, כלל האצבע מכתיב שכדי להבטיח פעולה יציבה, על עכבת המקור להיות לא יותר מ-0.29 Ω.
תמונה 1 :V-12 PDN מתח נמוך המספק חמישה עומסים עצמאיים. קרדיט: VICOR
בדוגמה זו, העומסים הם במתח נמוך (< 5 Vdc), ובינם לבין הממירים זורם זרם גבוה יותר (מסומן בסימון העבה).
נקודה שיש לציין היא שיציבות המערכת חשובה בעת תכנון מערכת כוח. דיון פשטני זה בהתנגדות אינו מסביר את האלמנטים התגובתיים, למשל, קיבול והשראות, הן אמיתיים והן מדומים, במקום שבו הם עלולים לגרום לתהודה ולבעיות אחרות אם לא מבינים אותם היטב. נושאים אלו לא נדונים במאמר זה.
מה ניתן לעשות כדי לייעל את ה-PDN בכל הנוגע לאובדן כוח מערכת?
בין אם מדובר בניתוח של תכן קיים או ביצירת ארכיטקטורה חדשה מאפס, הגישה היא זהה.
PDN משופר עם העלאת מתח המקור מ-12 ל-48 Vdc. קרדיט: VICOR
לחמשת העומסים העצמאיים יש את אותן דרישות מתח כמו אלו המוצגות בדוגמה הראשונה. כתוצאה ממתח המקור הגבוה יותר, הזרם הזורם מהסוללה לשלב ההמרה נמוך יותר (מסומן בסימון הדק). ראשית: אם כי ייתכן שזה נשמע מובן מאליו, השתמש בממירים היעילים ביותר הזמינים. שקול את ה-PDN בשני חלקים: התפוקות מעומס היישום/ים בפועל לשלב ההמרה הראשון, לרבות כל שלבי ההמרה ביניים, והמבוא מהמקור לשלב ההמרה הראשון.
לעומס היישום תהיה דרישת מתח מזערית קבועה מראש. דרישות הזרם במערכות אלקטרוניות מודרניות עלולות להיות גבוהות, ובמקרים מסוימים לעלות על 1,000 A ברמות הנמוכות מ-1-V. כדי למזער את האובדן ביישומים אלה, ממירי נקודת עומס (PoL) ממוקמים ליד העומס שצורך את הכוח.
PoL נמנע ממרחקי חיווט ארוכים בין הממיר לעומס, המאפיינים ספקי כוח קונבנציונליים, ומספק אספקת מתח מדויקת העונה על צורכי מתח נמוך/זרם גבוה. על שלב ה-PoL להיות ממוקם קרוב ככל האפשר מבחינה פיזית לעומס שהוא מזין כדי למזער את התנגדות חיבור הגומלין.
ככל שמתקרבים למבוא, על מתח המבוא של ה-PoL להיות גבוה ככל האפשר. שקול PDN 12-V במתח נמוך המספק חמישה עומסים עצמאיים. בדוגמה זו, העומסים הם במתח נמוך (< 5 Vdc), ובינם לבין הממירים זורם זרם גבוה יותר.
הגדרה כזו יכולה להיות ספק מחשב מדור קודם, מערכת כוח לרכב או מטען של רחפן. ישנה התנגדות קבועה למבוא ל-PoLs, שיהיה לה פיזור כוח נתון עבור כל רמה נתונה של כוח הפעלה. אם נוכל להגדיל את המתח פי ארבע (כלומר, ל-48 V) באותו כוח, הזרם הזורם ברגל זו הוא כעת רבע מהרמה הקודמת. הודות למונח הזרם בריבוע במשוואת הכוח, פיזור הכוח החדש קטן משמעותית, וישנה גם הפחתה בסטיית המתח.
בנוסף, 48 V הוא מתח הפצה טוב, מכיוון שהוא נמצא גם בגבולות מתח הבטיחות הנמוך במיוחד (SELV) המוגדרים על ידי חברת החשמל כבעלי סיכון נמוך להתחשמלות. עבור יישום קיים, להעלאת המתח יידרשו PoLs שונים. במקרה זה, יהיה קל להמיר גישה מודולרית באמצעות התקן בעל אותו גודל חבילה, מכיוון שהממירים יהיו ניתנים להחלפה ללא צורך בשינויים אחרים.
תמונה 3 :דוגמה: רשת אספקת כוח לכטב”מ חוטי קרדיט: VICOR
למעלה, השוואה של זרם, נפילת מתח והפחתת אובדן כוח עבור מתחי מקור שונים בכל מוליך חוטי עבור כלי הטיס הדורש 500 W. למטה, PDN מיטבי של כטב”מ חוטי מאספקת הקרקע לכלי הטיס. ה-800 V המשמש בתוך החוט ממזער את אובדן ההולכה ושינויי המתח הקריטיים עקב פעולת הכטב”מ. מכיוון שהזרם נמוך משמעותית מאשר עם מתחי אספקה נמוכים יותר, למעבר ל-800 V יש יתרון נוסף של פוטנציאל להפחתת הרוח והמשקל של החוט על ידי מתן אפשרות לשימוש במוליכים בעלי קוטר קטן יותר. שקול את הדוגמה הקיצונית יותר של כטב”מ או רחפן חוטיים, ובמיוחד את ההשפעות של שלב ההמרה בין המקור לראשון. החוט מייצג את הממשק עם אספקת הקרקע.
נניח שרצועת הכטב”מ היא באורך 100 רגל ומכילה מוליכי 24-AWG, שלכל אחד מהם יש התנגדות של כ-2.5 Ω לכל 100 רגל. בחלוקה ל-48-V, הזרם בחוט זה הוא כ-10 A; ההתנגדות היא 5 Ω עבור 100 רגל בשני הכיוונים, כך שאובדן הכוח בחוט זה הוא 500 W! ניכר שהכטב”מ הזה לא יכול לטוס כי החוט מפזר את כל הכוח ולא משאיר כלום לכלי הטיס.
כעת, שקול להשתמש במתח מבוא גבוה יותר. נניח שישנה מערכת 400-V עם אותם תנאים כמו לעיל.
בהתפלגות של 400-V, זרם החוט יורד לכ-1.25 A והחוט מפזר רק כ-8 W. הכפלת המבוא ל-800 W מורידה את זרם החוט לכ-0.6 A ומפחיתה את פיזור הכוח בחוט לכ-2 W. זרם מוצא נמוך יותר מאפשר באופן פוטנציאלי את השימוש במוליכי חוט בעלי קוטר קטן יותר, מה שעשוי להפחית את השפעות הגרר והרוח, ואולי גם את צרכי הכוח של הכטב”מ.
מעבר לפיזור הכוח, גם הוויסות בקצה החוט חשוב. הווסתים על סיפון הכטב”מ יהיו בעלי טווח מתח מבוא מוגדר. ישנה נפילת מתח על פני התנגדות החוט. במקרה של חוט 24-AWG 100 רגל, אשר לו התנגדות 5-Ω בשני הכיוונים, ישנה נפילה של 5-V לכל אמפר של זרם. הפחתת המתח שנופל על פני החוט מפחיתה גם את היחס בין נפילת המתח למתח המיושם, ומשפרת עוד יותר את הוויסות: אם המתח מכפיל את עצמו והזרם מצטמצם בחצי, הנפילה על פני חצאי החוט והיחס בין הנפילה בחוט למתח העומס קטן פי ארבע.
לכאורה, מעבר למקור 800-V עבור אספקת הקרקע הוא הדרך למטב את הולכת הכוח במעלה החוט. עם זאת, הכטב”מ חייב להמיר 800 V אלה למתחים נמוכים כדי לספק כוח למנועים ולאלקטרוניקה שלו. עבור חלק זה של ה-PDN, הגיוני ביותר להשתמש ב-48 V עבור האלקטרוניקה שעל הסיפון, מסיבות שתוארו קודם לכן.
בסך הכול, ניתן לסכם את הדרך לייעול PDN בשישה שלבים:
- חשוב קודם כל על כוח. ברגע שדרישות הכוח הראשוניות ידועות, פנה מקום לתכן כוח מודולרי. גישה מודולרית היא גמישה וניתנת להרחבה בקלות.
- שים לב לכל אחד מהאלמנטים בנתיב הזרם.
- השתמש במתחים הגבוהים ביותר המותרים כדי להפחית את כמות הזרם הדרושה.
- השתמש ברכיבי ההמרה היעילים ביותר האפשריים כדי לצמצם את הפסדי ההמרה.
- השתמש בהתקנים עם צפיפות הכוח הגבוהה ביותר כדי לאפשר מיקום קרוב לעומסים.
- מזער את התנגדות החיבורים ככל האפשר כדי להפחית הן את נפילת המתח והן את אובדן הכוח.
