סקירה של מיתוג במתח-אפס וחשיבותו לייצוב מתח

תכנונם של מעגלים למייצבי DC-DC‏ מורידי מתח (Buck) נעשה קשה יותר מפני שצפיפות ההספק (W/m3) עולה, רמות מתח הספקת-הכוח DC עולות ודרישות המתח בסיליקון יורדות כדי לשפר את הנצילות. ההפרש בין מתח ההספקה למתח הנדרש על ידי השבב יוצר מפל מתח גדול על פני המייצב, דבר המגדיל את הפסדי המיתוג וגם מגביל בסופו של דבר את תדר המיתוג של ההתקן.

לדוגמה, מערכת בקרת תהליכים עשויה להזדקק לייצוב מ-‎24 V עד ‎3.3 V - מרווח המכוסה בדרך כלל באמצעות שתי דרגות ייצוב, ובכך מגדיל את הבעייתיות של שטח הלוח, העלויות והאמינות. יתרה מזו, תדר מיתוג מוגבל הוא חיסרון מפני שהוא מאלץ את המהנדסים להשתמש ברכיבים מגנטיים ורכיבים פסיביים אחרים גדולים יותר עבור מעגלי הסינון, המביאים לממדי פתרון מוגדלים הפועלים בניגוד להספקת-כוח צפופה יותר.

אחד הפתרונות המאפשרים חזרה לתדר מיתוג מהיר יותר במתח כניסה ועם מפל מתח גבוהים יותר הוא מיתוג במתח-אפס (ZVS). טכניקה זו, כמו כמעט כל מייצבי המתח הממותגים בני זמננו, משתמשת בפעולה המבוססת על שיטת אפנון רוחב פולס (PWM), אך עם פאזה נוספת נפרדת לתזמון ה- PWM המאפשרת פעולת ZVS. מיתוג במתח-אפס (ZVS) מאפשר למייצב המתח לבצע 'מיתוג-רך', תוך הימנעות מהפסדי המיתוג הנגרמים בדרך כלל במהלך הפעולה והתזמון הקונבנציונליים של ה- PWM.

מאמר זה מתאר את המיתוג במתח-אפס (ZVS) ומסביר את יתרונותיו.

הפסדי מיתוג-קשיח

מרבית המייצבים מורידי-המתח (Buck) הלא-מבודדים בני זמננו נושאים הפסדי מיתוג-גבוהים עקב ההתרחשות בו-זמנית של מאמצי זרם ומתח גבוהים הנכפים על מתג ה- MOSFET המשולב של המייצב בזמן המעברים בין מצב-מופעל ומצב-מופסק. הפסדים אלו גדלים עם תדר המיתוג ועם מתח הכניסה ומגבילים את תדר הפעולה המקסימלי, הנצילות וצפיפות הספקת-הכוח.

מיתוג-קשיח מתרחש בזמן החפיפה בין מתח לזרם בעת מיתוג ה- MOSFET בין מצב-מופעל למצב-מופסק. יצרנים של מייצבי מתח מנסים להקטין את החפיפה למינימום כדי שיוכלו במקביל להקטין למינימום את הפסדי המיתוג על ידי הגדלת קצב השינוי של הזרם (di/dt) והמתח (dv/dt) בצורת-גל המיתוג. איורים 1 ו- 2 ממחישים היכן מתרחשים הפסדי המיתוג ומראים צורת-גל מיתוג בפועל עם מתח המשתנה במהירות ומיועד להקטין הפסדים אלו למינימום.


איור 1: הפסדי מייצב מתח המתרחשים במהלך חפיפת מתח/זרם כאשר ה- MOSFET מתמתג (באדיבות חברת Infineon Technologies).


איור 2: יצרנים מגדילים את ה- dv/dt בכדי להקטין למינימום את החפיפה ולשפר את הנצילות (באדיבות חברת Infineon Technologies).

החיסרון של מיתוג מהיר הוא העלייה בהפרעות האלקטרומגנטיות (EMI) שמקורן במעגלי מייצב המתח.

אחת הדרכים להקטין למינימום את תופעות ה- EMI, ועדיין לנצל את יתרונות המיתוג המהיר לשיפור הנצילות, היא לבחור מייצב ממותג הפועל בטכניקת מיתוג-קשיח משופרת הנקראת מיתוג כמו-תהודתי (מוכרת גם כמיתוג "עמק"). חברת Infineon Technologies מציעה מגוון של רכיבי MOSFET להספק, כגון סדרת CoolMOS שלה, עבור מייצבי מתח Flyback כמו-תהודתיים.

במהלך מיתוג כמו-תהודתי, ה- MOSFET מופעל כשהמתח על פני המרזב (Drain) והמקור (Source) הוא במינימום (כלומר ב"עמק") במטרה להקטין למינימום את הפסדי המיתוג. הדבר מאפשר להתקן לפעול עם קצב שינוי מתון יותר במתח או בזרם, ובכך מצמצם את תופעות ה- EMI. תופעת לוואי חיובית נוספת של מיתוג כמו-תהודתי נובעת מכך שהמיתוג מופעל כאשר מזוהה "עמק", ולא בתדירות קבועה, וכך נוצרת מידה מסוימת של ריצוד בתדירות תוך הרחבת ספקטרום פליטת ה- RF והפחתה נוספת של תופעות ה- EMI.

במיתוג הכמו-תהודתי אכן קיים חיסרון של גרימת הפסדים גבוהים יותר בעומסים קלים, אך הבעיה נפתרת בהתקנים מודרניים על ידי שימוש במעגל מהדק תדר בכדי להגביל את תדר הפעולה המקסימלי. איור 3 מראה צורת-גל של מיתוג כמו-תהודתי עבור ממיר Flyback שבו ה- MOSFET ממותג ב"עמקים".


איור 3: צורת-גל של מיתוג כמו-תהודתי עבור ממיר Flyback (באדיבות חברת Infineon Technologies).

מיתוג-רך במתח אפס

מיתוג כמו-תהודתי הוא טכניקה טובה לשיפור הנצילות של ממיר המתח, אך ניתן לשפר את הדברים עוד יותר על ידי יישום של מיתוג-רך מלא. בזמן מיתוג-רך המתח יורד לאפס (ולא רק למינימום) לפני שה- MOSFET מופעל או מופסק, תוך ביטול כל חפיפה בין המתח לבין הזרם והקטנה למינימום של ההפסדים. (ניתן להשתמש בטכניקה זו גם לצורך מיתוג ה- MOSFET כאשר הזרם, ולא המתח, מגיע לאפס. זה מוכר כמיתוג בזרם-אפס (ZCS).) יתרון נוסף הוא שצורות-הגל של המיתוג החלק מקטינות למינימום את תופעות ה- EMI (איור 4).


איור 4: צורת-גל של זרם ומתח ה- MOSFET במיתוג-רך (באדיבות חברת Infineon Technologies).

הדרך הטובה ביותר להגדיר מיתוג-רך (ZVS) היא כהמרת הספק בשיטת אפנון רוחב פולס (PWM) קונבנציונלית בזמן מצב-מופעל של ה- MOSFET אך עם מעברי מיתוג "תהודתיים". ניתן להחשיב טכניקה זו כהספקת-כוח PWM המשתמשת בבקרת זמן מצב-מופסק קבוע (Constant Off-Time) המשנה את תדר ההמרה, או בבקרת זמן מצב-מופעל כדי לשמור על ייצוב מתח היציאה. עבור כל יחידת זמן נתונה, שיטה זו דומה להמרה בתדר קבוע באמצעות יחס מחזור ניתן לכוונון.

ייצוב מתח היציאה מושג על ידי כוונון יחס המחזור האפקטיבי (ובכך כוונון זמן מצב-מופעל) על ידי שינוי תדר ההמרה. בזמן מצב-מופסק של מתג ה- ZVS, מעגל ה- L-C של המייצב הוא בתהודה ומעביר את המתח על פני המתג מאפס עד לשיא ובחזרה לאפס כאשר ניתן להפעיל מחדש את המתג, ולאפשר ZVS ללא הפסדים. הפסדי המעבר של ה- MOSFET הם אפס - ללא קשר לתדר הפעולה ולמתח הכניסה - והם מייצגים חיסכון ניכר בהספקת-הכוח ושיפור משמעותי בנצילות (איור 5). מאפיינים אלו הופכים את ה- ZVS לטכניקה טובה עבור תכנים של ממירים בתדר גבוה ובמתח גבוה.¹


איור 5: אפנון PWM קונבנציונלי משתמש בתדר קבוע, אך משנה את יחס המחזור כדי להשיג ייצוב; לעומת זאת, מיתוג ZVS משנה את תדר ההמרה (ובכך משנה את זמן מצב-מופעל) כדי לשמור על מתח היציאה (באדיבות חברת Texas Instruments).

שני יתרונות נוספים של מיתוג במתח-אפס (ZVS) הם צמצום ספקטרום ההרמוניות של כל תופעת EMI (כך שמרכזו הוא בתדר המיתוג) ואפשור פעולת תדר גבוה יותר הגורם להפחתת הרעש ולהקלת סינונו תוך שימוש ברכיבי מסנן קטנים יותר.

אחד החסרונות הוא שאין אחריות (במיוחד בתדרים גבוהים) לכך שה- MOSFET יפזר את כל האנרגיה שלו לפני כיבויו. בטווח הארוך, אנרגיה "מאוחסנת" זו יכולה לגרום לתקלה ברכיב, במיוחד במייצב מתח עם מיתוג מהיר. יצרנים של מודולי הספקת-כוח מתגברים על בעיה זו על ידי הוספת דיודת גוף (Body Diode) מהירה במקביל למתג כדי לוודא שכל האנרגיה מהטרנזיסטור התנקזה (איור 6).²


איור 6: טופולוגיות ZVS כוללות בדרך כלל דיודת גוף (Body Diode) מהירה במקביל ל- MOSFET כדי להבטיח שכל האנרגיה תתנקז מהטרנזיסטור (באדיבות חברת Infineon Technologies).

מיתוג במתח-אפס בפעולה

איור 7 מציג שרטוט של טופולוגיית Buck ‏ZVS. מעגל זה זהה למייצב Buck קונבנציונלי למעט מתג הידוק נוסף המחובר על פני משרן היציאה. מטרת המתג הנוסף היא לאפשר לאנרגיה המאוחסנת במשרן היציאה לשמש כדי ליישם ZVS.


איור 7: טופולוגיית Buck ‏ZVS (באדיבות חברת Vicor).

ממיר Buck‏ ZVS פועל בשלושה מצבים עיקריים. הם מוגדרים כ- Q1 בפאזה, Q2 בפאזה ופאזת-הידוק. Q1 מופעל בזרם אפס וכאשר מתח המרזב-למקור הוא כמעט אפס. הזרם עולה ב- MOSFET ובמשרן היציאה לזרם שיא הנקבע על ידי זמן מצב-מופעל של Q1, המתח על פני המשרן וערך המשרן. בזמן Q1 בפאזה, האנרגיה מאוחסנת במשרן היציאה ומסופק מטען לקבל היציאה. בזמן Q1 בפאזה, פיזור ההספק ב- Q1 הוא בעיקר בהתנגדות מצב-מופעל של ה- MOSFET ואילו הפסדי המיתוג זניחים.

לאחר מכן, Q1 מופסק במהירות ולאחריו יש זמן הולכה קצר ביותר של דיודת הגוף (Body Diode) (המוסיף פיזור הספק זניח). במהלך קומוטציית הזרם לדיודת הגוף, Q1 אכן עובר הפסדי כיבוי שהם פרופורציונליים לזרם השיא של המשרן. לאחר מכן, Q2 מופעל והאנרגיה המאוחסנת במשרן היציאה מסופקת לעומס ולקבל היציאה. כאשר זרם המשרן מגיע לאפס, Q2 של ה- MOSFET הסינכרוני מוחזק במצב מופעל זמן ארוך דיו כדי לשמור כמות מסוימת של אנרגיה במשרן היציאה מקבל היציאה.

כאשר הבקר קבע כי נשמרה אנרגיה מספקת במשרן, ה-MOSFET הסינכרוני מופסק ומתג ההידוק מופעל תוך שהוא מהדק את צומת VS ל- VOUT. מתג ההידוק מבודד את זרם משרן היציאה מהיציאה תוך מיחזור האנרגיה המאוחסנת כזרם באופן שהוא כמעט ללא הפסדים. במהלך הזמן (הקצר ביותר) של פאזת-ההידוק היציאה מסופקת על ידי קבל היציאה.

בסיום פאזת ההידוק, מתג ההידוק נפתח. האנרגיה המאוחסנת במשרן היציאה היא בתהודה עם השילוב המקבילי של קיבוליות היציאה של Q1 ו- Q2, וגורמת לצומת ה- VS ל- Ringing לרמת V_IN‎. ה- Ringing הזה פורק את קיבוליות היציאה של Q1, מפחית את מטען השער-למרזב (Miller) של Q1 וטוען את קיבוליות היציאה של Q2. זה מאפשר ל- Q1 לפעול ללא הפסדים כאשר צומת VS כמעט שווה ל- V_IN.‏³

מודולי הספקת-כוח עם ZVS‏

חברת Vicor היא דוגמה מעולה לחברה שאימצה את טופולוגיית ZVS. החברה הפיקה מסמך מידע המסביר כיצד פועל מיתוג במתח-אפס (ZVS) ביישומי מייצב Buck לא-מבודד לנקודת-עומס (POL).

מייצבי Buck ‏Cool-Power ZVS של החברה מהווים משפחה של מודולי ממירים ZVS‏ DC-DC מבודדים בצפיפות גבוהה המשלבים בקר, מתגי כוח, מגנטיות שטוחה ורכיבים תומכים במארז להרכבה-משטחית בצפיפות גבוהה.

מודולי הספקת-כוח אלו מוצעים בשלושה תחומי פעולה של מתחי כניסה: ‎48 V עבור יישומי תקשורת, ‎28 V עבור יישומים עמידים בטמפרטורות גבוהות ו- ‎24 V עבור יישומים תעשייתיים. המודולים מצוידים במגוון פונקציות ניתנות-לתכנות, הכוללות קיזוז מתח יציאה ויכולת אתחול-רך ניתנת-לתכנות (איור 8).


איור 8: מייצבי Buck‏ Cool-Power ZVS מבית Vicor מהווים משפחה של מודולי ממירים ZVS‏ DC-DC מבודדים בצפיפות גבוהה.

החברה טוענת כי ZVS מביא לשיפור של עד 12 אחוז בנצילות בהשוואה להתקנים מתחרים (איור 9).


איור 9: עקומות הנצילות של טופולוגיית ZVS ב-Picor PI13312 מבית Vicor בהשוואה להתקן מתחרה.

יצרנים אחרים מציעים בקרים מודולריים שביכולתם לשמש לאסטרטגיות בקרת ZVS עבור ממירי גשר-מלא. לדוגמה, חברת Linear Technology מספקת את הרכיב LTC3722 למטרה זו. בקר הסטת-פאזה זה מעניק את כל הבקרה ופונקציות ההגנה הדרושות כדי ליישם ממיר הספקת-כוח גשר-מלא ZVS עם נצילות גבוהה. מעגלי ZVS אדאפטיביים משהים את אותות ההפעלה של כל MOSFET ללא תלות באפיצויות הפנימית והחיצונית של הרכיבים. השבב יכול לשמש בסיס עבור מייצבי מתח עם נצילות של עד 93 אחוז.

מצידה היא, חברת Texas Instruments‏ (TI) מציעה את הבקר הממותג DC-DC לייצוב ZVS, ה- UCC28950. בקר זה יכול ליישם פיקוח על ממיר גשר-מלא עם בקרה אקטיבית של דרגת היציאה של המיישר הסינכרוני. אותות הצד-הראשוני מאפשרים השהיות ניתנות-לתכנות כדי להבטיח פעולת ZVS על פני תחום רחב של זרמי עומס ומתחי כניסה, כאשר זרם העומס מכוונן את השהיות מיתוג המיישר הסינכרוני בצד-השניוני, תוך מקסום נצילות המערכת.

דחיפת צפיפות האנרגיה כלפי מעלה

מייצבים בצפיפות גבוהה נאבקים כדי לעמוד בקצב הדרישות של מערכות אלקטרוניות מודרניות בעיקר בשל הפסדי מיתוג הפוגעים בביצועים של רכיבי ה- MOSFET שבמייצבים. מיתוג במתח-אפס (ZVS) מטפל בהפסדים אלו וניתן ליישמו במרבית התכנים להמרת הספק, אך הוא כדאי ביותר לאלו המופעלים מכניסת מתח גבוה. ניתן להשיג שיפורים משמעותיים בנצילות של יישומי ZVS למתח גבוה, חצי גשר וגשר-מלא לעומת יישומים אקוויוולנטיים מבוקרי PWM.

יתר על כן, טכנולוגיית ZVS מאפשרת שימוש במתגים בעלי ערכי מתח נומינליים נמוכים יותר, כיוון שאין מתח-יתר טרנזיינטי, והמתח האחורני המיושם על המתגים הראשיים מוגבל לשיא מתח הכניסה, לכל היותר. זה משחרר את המהנדסים מהצורך להשתמש ברכיבים בעלי תכונות מעולות, כגון הפסדי הולכה נמוכים יותר, זרמי דחיפה נמוכים יותר וצפיפות אנרגטית גבוהה יותר.

לפרטים נוספים על החלקים שהוזכרו במאמר זה, השתמש בקישורים לדפי המידע על המוצרים באתר האינטרנט של DigiKey.

מקורות:

1. ‎'Zero Voltage Switching Resonant Power Conversion,' Bill Andreycak, Texas Instruments, 1999.‎
2. ‎'CoolMOS™ Benefits in both Hard and Soft Switching SMPS topologies,' Infineon Technologies, November 2011.‎
3. ‎'High-Performance ZVS Buck Regulator Removes Barriers to Increased Power Throughput in Wide Input Range Point-Of-Load Applications,' C. R. Swartz, Vicor, August 2012.