מייצבי Buck‏ מתגברים על חסרונות הספק ותרמיים של LDOs

מתכננים משתמשים לעתים קרובות כברירת מחדל במייצבים עם מפל-מתח נמוך (LDOs) כדי להזין מערכות חישה תעשייתיות ומערכות IoT המשתמשות בתכני חוג זרם של mA‏ 20‏-4‏. אך LDOs הם התאמה פחות ופחות יעילה עבור יישומים רגישים-להספק ומוגבלי-מקום. זו הסיבה שמתכננים צריכים לשקול מעבר למייצבי Buck, המכונים גם ממירים מורידי-מתח, במיוחד ביישומים שבהם יעילות אנרגטית, ביצועים תרמיים וחיי סוללה ארוכים הם קריטיים.

חוג זרם mA‏ 20‏-4‏ היא שיטה חסונה ואמינה להעברת מדידות מחיישנים לבקרי לוגיקה ניתנים-לתכנות (PLC) ויציאות בקרה מ PLCs‏ להתקני אפנון תהליך. מערכת זו מבטיחה העברת אותות מדויקת וחסינה מפני רעשים על פני מרחקים ארוכים באמצעות כבל זוג-מפותל, ההופכת אותה לאידיאלית עבור סביבות תעשייתיות מגוונות. זרם עקבי, ללא קשר לאורך החוט, הפך זאת לסטנדרט ביישומי מפעל, מעבדה וניטור מרחוק.

הערכת הפשרות בין LDOs לבין מייצבים ממותגים עבור חוגי זרם עשויה לסייע בפתיחה של תכנים חכמים ויותר ברי-קיימא.

LDOs נותרים שימושיים עבור מקרי נישה שבהם הם העניקו היסטורית את היתרונות של רעש אולטרה-נמוך, מפרט חומרים פשוט או ייצוב עם מרווח מתח קטן ביותר. עם זאת, הם מטבעם פחות יעילים משום שהם מפזרים את ההפרש בין מתח הכניסה ליציאה כחום. אנרגיה מבוזבזת זו מובילה לעומס תרמי מוגבר ביישום ויכולה להפחית משמעותית את חיי הסוללה ביישומים ניידים או מרוחקים.

כאשר נצילות, ביצועים תרמיים או אורך החיים של הסוללה הם חשובים, מעגל Buck הסינכרוני הוא ככל הנראה האפשרות העדיפה. Buck‏ סינכרוני מודרני מעניק נצילות של 85% עד 95% אפילו בעומסי מיליאמפר, מפחיתים דרסטית את החום, וכעת יכולים להעניק זרמי רגיעה בתחום של מיקרו-אמפר נמוך. בעוד ש-LDO מפזר מתח עודף כחום, מייצב Buck‏ ממיר ביעילות את המתח הנוסף לזרם שימושי, ומאפשר ניצול יותר מאפיינים צמאי-הספק ללא התחממות-יתר או בזבוז אנרגיה.

תכונות אלה הופכות את מייצב Buck‏ לפתרון מועדף עבור כל חוג mA‏ 20‏-4‏ שיש לו יותר מכמה וולט של מרווח כניסה, דורש יעילות תרמית, או חייב לפעול למשך תקופות ארוכות בהספק מוגבל, כגון חיישנים מוזני סוללות.

אם לתכן יש מתח הספקה הגבוה בכ-6 וולט ממה שמשדר חוג הזרם דורש, ויש מקום על הלוח עבור משרן קטן וקבל יציאה, מייצב Buck סינכרוני עם נצילות גבוהה הוא בדרך כלל הבחירה הטובה ביותר. הוא מוריד את המתח ביעילות, ממזער בזבוז חום ומבטיח שיהיה מספיק זרם זמין כדי להפעיל מאפיינים נוספים בחוג mA‏ 20‏-4‏. זה הופך אותו לאידיאלי עבור משדרים מודרניים הזקוקים גם לאמינות וגם ליעילות אנרגטית בסביבות תעשייתיות.

היתרון התרמי של מייצב Buck‏ מפחית משמעותית את דרישות צלעות הקירור עבור מודולים תעשייתיים בזרם גבוה וטמפרטורה גבוהה. אפילו Buck‏ µA‏ 5‏ הוא עדיין יעיל יותר מ-LDO המבזבז חלק ניכר ממתח הסוללה כחום.

דחיפת החוג

חוג זרם mA‏ 20‏-4‏ הוא אחת הדרכים הנפוצות ביותר לשליחת מידע בין חיישנים בשטח לבין מערכות הבקרה המשתמשות בנתונים שלהם. האות יכול לייצג טמפרטורה, לחץ, זרימה או אפילו פקודה להזיז שסתום. הוא פשוט, אמין, ועובד היטב למרחקים ארוכים.

חוג זרם (איור 1) יכול לשאת אותות מדידה ממכשירים (כגון חיישני טמפרטורה או לחץ) או אותות בקרה להתקנים המזיזים או מכוונים מנגנונים (כגון ממקמי שסתומים).

איור 1: סכמת חוג זרם mA‏ 20‏-4‏ הממחישה כיצד הוא משדר אותות אנלוגיים באמצעות זרם במקום מתח באוטומציה תעשייתית, מערכות חיישנים ויישומי בקרת תהליכים. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

חוג זרם משלב ארבעה אלמנטים עיקריים

• ספק כוח DC: בהתאם להתקן, הוא יכול להיות V‏ 9‏, V‏ 12‏, V‏ 24‏ או יותר. על הספק לספק מתח נוסף קטן - לפחות כ-10% מעל למה שכל הרכיבים בחוג "מורידים" כאשר הזרם זורם (משדר, מקלט, חיווט). לאחר מכן המייצבים המקומיים מורידים את המתח הזה כדי להפעיל את החיישנים והאלקטרוניקה.
• המשדר בצד החיישן מעביר אותות חשמליים המייצגים את העולם הפיזי: החיישן מייצר אות גולמי על טמפרטורה, לחץ, מרחק או מדידות פיזיקליות אחרות. אם מדובר במתח אנלוגי, ממיר המתח-לזרם של המשדר ממיר אותו לזרם פרופורציונלי בין mA‏ 4‏ ו-mA‏ 20‏. אם מדובר בחיישן דיגיטלי, היציאה הופכת בחזרה לזרם אנלוגי דרך DAC‏. למשדר יש ספק כוח משלו, כגון LDO או מייצב Buck‏.
• המקלט בצד הבקרה: המקלט קורא את אות mA‏ 20‏-4‏ וממיר אותו למתח שמערכת הבקרה יכולה למדוד, להציג או לפעול לפיו.
• חיווט החוג מחבר את ספק הכוח, המשדר והמקלט בטור: החוג יכול להתפרש על אורך של אלפי מטרים. במערכת 2-חוטים, אותם שני חוטים נושאים גם את הספקת-הכוח וגם את זרם האות. מערכת 4-חוטים משתמשת בזוגות נפרדים עבור הספקת-הכוח והאות.

חלקי חוג הזרם צריכים להיות מדויקים, חסכוניים באנרגיה ואמינים, אפילו בסביבות תעשייתיות קשות שבהן הטמפרטורות יכולות לנוע בין C‏°‏40‏- עד C‏°‏105‏+. בנוסף לכך, עליהם לתמוך גם במאפייני האבטחה ורמת-המערכת הדרושים כדי לשמור על בטיחות ואמינות החוג.

התגברות על מגבלות ה-LDO

מייצבים ליניאריים הם קלים-לשימוש ובעלי רעש נמוך, אך הם מבזבזים אנרגיה עודפת כחום ופוגעים בתקרה קשה של הזרם הזמין. ככל שהמתכננים מוסיפים מאפיינים נוספים למשדר, כגון אבחון, ממשקים דיגיטליים או בינה מקומית, הדרישה להספק עולה ויכולה לעלות על מה ש-LDO פשוט יכול לספק. אפשרות טובה יותר היא להשתמש במייצב ממותג יעיל יותר, כגון סדרת LT8618‏ של .Analog Devices, Inc‏.

ה-LT8618 הוא ממיר Buck‏ קטן אך רב-עוצמה המיועד עבור סביבות קשות, כולל יישומים תעשייתיים, רכב ויישומים אחרים עם מקורות הספקת-כוח בלתי-צפויים. הוא פועל היטב במיוחד במערכות חוג זרם mA‏ 20‏-4‏, ומציע זרם רגיעה אולטרה-נמוך, נצילות גבוהה, תחום מתחי כניסה רחב מ-V‏ 3.4‏ עד V‏ 60‏ עבור פעולה רצופה, ועד V‏ 65‏ עבור תנאים טרנזיינטיים.

משפחת LT8618 מציעה מערך ורסאטילי של מייצבי Buck‏ המתאימים עבור מגוון רחב של יישומים תעשייתיים ויישומים מוזני-חוג. לדוגמה:

• ה-LT8618EDDB-3.3#TRPBF‏ (ראו סכמה באיור 2) מספק יציאה קבועה של V‏ 3.3‏, אידיאלית עבור תכנים הזקוקים למתח יציב ומוגדר היטב כדי להתמודד עם הפסים הבלתי-צפויים הנפוצים בסביבות תעשייתיות ושטח. עם זרם יציאה שיא של mA‏ 100‏, הוא מתאים עבור הזנת חיישנים, משדרים ומעגלים תומכים אחרים. זרם רגיעה אולטרה-נמוך ממזער הפסדי הספק במהלך פרקי-זמן של פעילות נמוכה, מסייע לשפר את נצילות המערכת ולהאריך את חיי הסוללה.

איור 2: תצורת מייצב Buck‏ המשתמשת ב-LT8618-3.3, המוציא מתח קבוע של V‏ 3.3‏. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

• ה-LT8618EDDB#WTRMPBF‏ מציע את אותו תחום מתחי כניסה רחב ויציאה של mA‏ 100‏, אך עם יציאה מתכווננת המשתרעת מ-V‏ 0.778‏ עד V‏ 40‏. זה הופך אותו למתאים עבור הזנת מעגלים אנלוגיים, דיגיטליים או מעגלי ייחוס בתוך משדר - במיוחד כאשר נדרשים מספר פסי הספקת-כוח. כמו מקבילו בעל היציאה קבועה, הוא משלב תגובה מהירה לטרנזיינטיים עם הגנה חסונה מפני קצר וכיבוי תרמי, מה שמבטיח פעולה אמינה בתחום התעשייתי המלא של C‏°‏40‏- עד C‏ִ°‏125‏+.

גמישות זו מאפשרת למתכננים לבחור את המייצב המתאים עבור צורכי המתח והזרם של מערכת חוג זרם mA‏ 20‏-4‏, ולהבטיח פעולה אמינה תוך מזעור החום וההספק המבוזבז.

עם זרם רגיעה נמוך של µA‏ 2.5‏ בפעולת ®Burst Mode‏, ה-LT8618 לא יבזבז הספק חוג, וישאיר יותר מקום פנוי לחיישנים, ממירים ותקשורת. שילוב זה של נצילות וצריכת הספק נמוכה באופן המתנה עונה ישירות על האתגר של הוספת יותר פונקציונליות מבלי להעמיס על תקציב הזרם.

במשדר חוג זרם mA‏ 20‏-4‏, משרן קטן וקבל יציאה ממוקמים ליד ה-LT8618 על גבי לוח המעגלים המודפסים כדי ליצור מסנן יציאה, אשר מחליק את המתח ומעניק הספק יציב הן לחיישן והן למעגלים התומכים. מתח כניסה מתאים, כגון VDC‏ 24‏, מספק מרווח רחב מעל מתח הפעולה של המשדר, מעניק ייצוב מדויק ותגובה לטרנזיינטיים, ומבטיח הספק יציב גם כאשר זרם החוג משתנה עם עומסי חיישן משתנים.

ה-LT8618 מאפשר הרחבת יכולות המשדר לתמיכה בחיישנים מתקדמים, לוגיקה דיגיטלית ומאפייני אבטחה מבלי לחרוג ממגבלת mA‏ 20‏-4‏ של חוג הזרם.

מאפייני הגנה משולבים, כולל הגנה מפני מתח-יתר, כיבוי תרמי והגנה מפני קצר, מעניקים פונקציונליות חסונה בסביבות שטח קשות. המארז הקומפקטי של ה-LT8618 והרכיבים החיצוניים המינימליים שלו מפשטים את סידור הלוח, שהוא חיוני במיוחד במשדרים מוגבלי-מקום.

סיכום

על ידי החלפת מייצבים ליניאריים לא-יעילים במייצב ממותג קומפקטי ובעל נצילות גבוהה כמו ה-LT8618‏ של ADI‏, המתכננים יכולים להתגבר על המגבלות של LDOs ולהוסיף פונקציונליות חדשה תוך עמידה בדרישות הדיוק, האמינות והטמפרטורה הנדרשות על ידי יישומים תעשייתיים מודרניים.