תכנון ספק-כוח ממותג (SMPS) באמצעות טופולוגיית Flyback מבודדת

מאת ‎ארט פיני

באדיבות ‎DigiKey's North American Editors

מאחר וכל המערכות האלקטרוניות דורשות ספק-כוח כלשהו, ספקי-כוח מאופיינים ומובנים היטב. עם זאת, תכנון ובחירת ספקי-כוח ממשיכים לאתגר מהנדסים בשל המגמה כלפי גודל קטן יותר, נצילות גבוהה יותר, אמינות גבוהה יותר ותקינות הספקת-כוח טובה יותר, ביישומים מהתקנים ניידים ועד לחומרה המוזנת מרשת החשמל.

עם מערכות תקשורת נתונים במהירות גבוהה כמו 5G המתפתחת, דרישות התזמון ושולי הרעש הופכות לקיצוניות למדי.

כדי לפתור את הבעיה של הספקת-כוח יעילה ואמינה בגורם צורה קטן, מתכנני הספקת-כוח משתמשים בספקי כוח ממותגים (SMPS) עם טופולוגיית Flyback. טופולוגיה זו, שהיא שימושית לרמות הספק של עד 150 וואט, מציעה תכנים עם מספר רכיבים קטן עבור גודל קטן ועלות נמוכה. היא גם מציעה בידוד כניסה/יציאה, ונצילות טובה.

מאמר זה ידון בפעולה של ספקי-כוח ממותגים ויבחן בקצרה את תהליך ההחלטה של בנייה לעומת קנייה עבור ספקי-כוח. הוא גם יחקור את תכנון ספק-כוח עם יציאה יחידה באמצעות טופולוגיית Flyback ויספק תכן לדוגמה תוך שימוש בחלקים ורכיבים זמינים מידית.

ספקי-כוח ממותגים

ה- SMPS, או Switcher, הוא מקור הספקת-כוח המשתמש במייצב ממותג כדי לשמור על מתח(י) יציאה יציב(ים) ממקור AC או DC. המייצב הממותג משתמש באחד או יותר רכיבי מוליכים-למחצה, כגון טרנזיסטור צומת ביפולרי, MOSFET או IGBT למיתוג בין 'מצב-מופעל', לבין 'מצב-מופסק' כדי לשמור על ייצוב מתח הכניסה. התקנים אלו יכולים לפעול עם זמן מצב-מופעל קבוע ותדר משתנה, או מה שיותר נפוץ, תדר קבוע ויחס מחזור משתנה. הנצילות הגבוהה היא תוצאה של פיזור ההספק הנמוך של ההתקן הממותג כאשר הוא ב'מצב-מופעל' או ב'מצב-מופסק'. ההתקן מפזר הספק רק בזמן המעברים בין המצבים. כמו כן, מאחר ותדר המיתוג הוא בדרך כלל עשרות קילוהרץ, השנאים, המשרנים והקבלים יכולים להיות הרבה יותר קטנים ובכך תורמים לנצילות נפחית גבוהה.

מול היתרונות של ה- SMPS קיים גם פוטנציאל להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI). זאת עקב טרנזיינטי המיתוג, ואת זה ניתן לשפר על ידי בחירת רכיבים, פרישה וסיכוך מוקפדים. כתוצאה מכך, היתרונות של ה- SMPS עולים בהרבה על חסרונותיו, והם אלו הופכים אותו לספק-הכוח הנפוץ ביותר, על חשבון ספקי-כוח ליניאריים המשמשים רק עבור יישומי האלקטרוניקה הרגישים ביותר.

טופולוגיית SMPS

ניתן לממש SMPS במגוון רחב של תכני מעגלים או טופולוגיות. קיימות מעל תריסר טופולוגיות נפוצות (טבלה 1).

טופולוגיה הספק מקסימלי (W) נצילות טיפוסית עלות יחסית מגנטיות דרושה
Buck 500 85 1 משרן
Boost 150 70 1 משרן
Buck-boost 150 70 1 משרן
Sepic‏ 150 75 1.2 משרן כפול או בצימוד
Cuk 150 75 1.2 משרן כפול או בצימוד
Fly-back 150 75 1.5 שנאי
Forward 150 75 1.8 משרן שנאי
Push-pull 500 80 1.8 משרן שנאי
חצי-גשר 500 85 2 משרן שנאי
גשר-מלא 1000 85 2 משרן שנאי

טבלה 1: 10 טופולוגיות ספקי-כוח ממותגים הנפוצות ביותר (מקור הנתונים: DigiKey)

טופולוגיית Flyback

ממיר Flyback הוא מעגל SMPS הנפוץ ביותר (איור 1).

דיאגרמה פונקציונלית של ממיר Flyback המשתמש ב- MOSFET יחיד ושנאי Flyback

איור 1: דיאגרמה פונקציונלית של ממיר Flyback המשתמש ב- MOSFET יחיד ושנאי Flyback. (מקור התמונה: DigiKey)

היתרון העיקרי של טופולוגיית Flyback הוא הפשטות שלה. בכל רמת הספק נתונה יש לה את מספר הרכיבים הקטן ביותר מבין טופולוגיות SMPS. ההזנה יכולה להיות ממקור הספקת-כוח DC או AC. כאשר היא מוגדרת לפעולה מקו AC (רשת החשמל), מתח הקו הוא בדרך כלל גל מלא מיושר. מקור הכניסה (i‏V) הוא DC.

לב המעגל הוא שנאי Flyback. בניגוד לליפופי שנאי קונבנציונלי, ליפופי הראשוני והשניוני של שנאי Flyback אינם נושאים זרם באותו הזמן. זאת בשל פאזת הליפוף שהיא הפוכה, כפי שמצוין על ידי סימון נקודה על הליפופים והדיודה הטורית בצד המשני.

השימוש בשנאי Flyback מציע מספר יתרונות. הראשון הוא שהצדדים הראשוני והשניוני של הספקת-הכוח הם מבודדים חשמלית. הבידוד מבטל את צימוד הטרנזיינטים מהצד הראשוני, מבטל חוגי הארקה ומציע גמישות רבה יותר בקוטביות יציאת הספקת-הכוח.

השנאי מאפשר לחולל מספר מתחי יציאה מהספקת-הכוח. ניתן להוסיף לשנאי ליפופים נוספים עבור כל מתח. הייצוב מבוסס על יציאה יחידה בלבד, ויציאות השניוני מיוצבות בדרך כלל מקומית.

פעולת המעגל מתחילה כשהמתג (כגון MOSFET) מועבר למצב-מופעל (איור 2).

דיאגרמת הפעולה של הספקת-כוח Flyback מראה את צורות-הגל העיקריות

איור 2: הפעולה של הספקת-כוח Flyback מראה את צורות-הגל העיקריות עבור כל אחד משני אופני הפעולה. (מקור התמונה: DigiKey)

כאשר המתג הוא במצב-מופעל, DRAIN‏V הוא קרוב לאפס וולט והזרם, P‏I, זורם דרך הליפוף הראשוני של השנאי. האנרגיה מאוחסנת בהשראות המגנטית של השנאי. זרם זה עולה ליניארית עם הזמן. בצד השניוני ממתח הדיודה הטורית הפוך ולא זורם זרם דרך השניוני. האנרגיה מאוחסנת בקבל היציאה מספקת את הזרם ליציאה.

כאשר מתג ה- MOSFET הוא במצב-מופסק, האנרגיה המאוחסנת בשנאי מוזנת ליציאה דרך הדיודה לתוך קבל היציאה ולעומס היציאה. זרם השניוני מתחיל בערך גבוה ויורד בהדרגה ליניארית. אם זרם השניוני יורד לאפס לפני שהמתג עובר שוב למצב-מופעל, ההספקה נקראת הספקת אופן זרם לא-רציף (DCM). אם זרם השניוני אינו יורד לאפס, אזי ההספקה נקראת הספקת אופן זרם רציף (CCM). כאשר האנרגיה המאוחסנת במשרן נפרקת במלואה בכל מחזור מיתוג, הספקת ה- DCM יכולה להשתמש בשנאי קטן יותר. בנוסף, ההספקה היא בדרך כלל יציבה יותר ומייצרת EMI נמוך יותר.

האנרגיה שאוחסנה בהשראות הזליגה של השנאי זורמת לתוך הראשוני כאשר המתג עובר למצב-מופסק ונספגת במהדק היציאה או במעגל "Snubber", שתפקידו להגן על מתג המוליכים-למחצה מפני מתחים השראתיים גבוהים. הספק מתפזר רק בזמן מעבר המתג בין 'מצב-מופעל' ל'מצב-מופסק' (איור 3).

תמונה של מדידת הספקת Flyback המראה את צורות-הגל של המתח והזרם ב מתג MOSFET

איור 3: מדידת הספקת Flyback המראה את צורות-הגל של המתח והזרם ב מתג MOSFET, לצד פיזור ההספק הרגעי. (מקור התמונה: DigiKey)

התרשים העליון באיור 3 הוא של המתח על פני מתג ה- MOSFET בספק-כוח Flyback. השכבות הצבעוניות שמעל התרשימים מציינות את מצב ה- MOSFET. השכבה הכחולה מציינת שההתקן מוליך, בעוד שהאזורים באדום מציינים שההתקן הוא במצב-מופסק. התרשים במרכז הוא של הזרם דרך ההתקן. התרשים התחתון מראה את ההספק הרגעי, המחושב כמכפלה של המתח המיושם והזרם כתוצאה ממנו. שימו לב שפיזור ההספק הוא המשמעותי ביותר בזמן מעברי המיתוג. הקריאות מתחת לתצוגת התרשימים מראות (משמאל לימין): הפסדי הספק בזמן מצב-מופעל, הולכה, מצב מופסק, בזמן מצב מופסק והסיכום של הפסדי ההספק עבור כל האזורים.

בקרים/מייצבים

התקן המיתוג, כגון ה- MOSFET בדיאגרמה (איור 2 שנית), מונע על ידי בקר או מייצב ממותג. ברוב המקרים, הבקר מיישם צורת-גל עם אפנון רוחב פולס (PWM) עבור רכיב הבקרה של המתג, כשעבור ה- MOSFET הוא השער. יציאת ההספקה מצומדת חזרה לבקר, המשנה את יחס המחזור של אות דוחף השער כדי לשמור על מתח יציאה קבוע. ככזה, הבקר יוצר מערכת בקרה בחוג-סגור סביב ממיר ה- Flyback.

בקרים יכולים גם לטפל במספר פונקציות עזר, כגון הגנה על ההספקה מפני תנאי עומס -יתר, מתח-יתר או מתח רשת נמוך. הם יכולים גם לנהל את האתחול של ההספקה כדי להבטיח אתחול מבוקר היטב ('רך'), תוך מזעור טרנזיינטי זרם ומתח התחלתיים.

תכנון SMPS

מספר ספקי רכיבי מוליכים-למחצה מציעים כלי תכנון כדי לעזור בתכנון ספקי-כוח ממותגים, כגון WEBENCH Power Designer מבית Texas Instruments (איור 4).

תמונה של מרכז תכנון הספקת-כוח WEBENCH מבית Texas Instruments

איור 4: דף הפתיחה של מרכז הטכנולוגיות WEBENCH Power Design מבית Texas Instruments מציג את המפרט הבסיסי של תכן SMPS של ספק-כוח Flyback של 25 וואט 5 וולט. (מקור התמונה: DigiKey)

התכנון מתחיל עם מפרט ספק-הכוח הכולל את תחום מתחי ההספקה ומתח וזרם היציאה המבוקשים שהוכנסו על ידי המשתמש. במקרה זה התכן המבוקש היה עבור ספק-כוח של 5 וולט, 5 אמפר הפועל מ- AC עם טופולוגיה מבודדת. עבור ספקי-כוח מורכבים יותר עם מספר יציאות, קיים כלי התכנון המתקדם Power Architect.

מנקודה זו, התוכנה יוזמת סדרה של תכנים ומפנה את המשתמשים לבחירת הבקר המתאים. המשתמשים יכולים לעיין בכל תכן כדי לראות את הסכמות, עלויות מפרט-החומרים (BOM), הנצילות ותריסר מפרטי מעגל נלווים.

בדוגמה זו נבחר ממיר Flyback‏ UCC28740 מבית Texas Instruments וסכמות התכן מוצגות (איור 5).

סכמה של ספק-כוח SMPS‏ AC‏ 25 וואט המשתמש במשוב מבודד אופטית

איור 5: סכמה של ספק-כוח SMPS‏ AC‏ 25 וואט המשתמש במשוב מבודד אופטית. (מקור התמונה: DigiKey)

הצבעה על כל רכיב בסכמה מעלה תיאור מפורט של החלק ואת האפשרות לבחור רכיב חלופי. הבקר (U1) מקבל משוב מהיציאה באמצעות מבדד-אופטי PS2811-1-F3-A מבית CEL. שיטה זו של משוב שומרת על בידוד חשמלי בין החלקים הראשוניים והשניוניים של המעגל. הבקר מספק את אות הדחיפה PWM למתג הספקת-הכוח M1‏, רכיב MOSFET‏ STB21N90K5‏ 900 וולט, 18.5 אמפר מבית STMicroelectronics. כלי התכנון גם עוזר לבחור או לתכנן את שנאי ה- Flyback.

דף סיכום תכנון מספק מבט כולל על רכיבי התכן העיקריים (איור 6).

תמונה של סיכום התכנון המרכז את כל האלמנטים של התכן המוצע

איור 6: סיכום התכנון המרכז את כל האלמנטים של התכן המוצע. (מקור התמונה: DigiKey)

חלק ה- Tuning של האופטימייזר מאפשר למשתמש למטב את התכן עבור עלות BOM הנמוכה ביותר, חתימת-השטח הקטנה ביותר או הנצילות הגבוהה ביותר. השימוש בכלי זה מאפשר למתכננים חסרי ניסיון לצבור ניסיון על ידי בחינת מספר תכנים ובדיקת ההשפעות שמייצרים שינויי הרכיבים.

לבנות או לקנות?

אין ספק כי אלא אם כן למהנדס יש ניסיון עם ספקי-כוח SMPS, תהיה עקומת למידה. אם זמן היציאה לשוק מהווה שיקול חשוב, אזי עדיף לקנות ספק-כוח סטנדרטי או להעביר לקבלן משנה את תכנון ספק-כוח מותאם-במיוחד. במידה ויש את הזמן ואת הצוות הטכני, במיוחד אם מספר פרויקטים זקוקים להספקת-כוח, אזי משתלם לתכנן את הספקת-הכוח. עם זאת, חשיפה חוזרת ונשנית לתכנון SMPS תוסיף את המומחיות הנדרשת לצוות התכנון.

סיכום

ספקי-כוח ממותגים מציעים נצילות גבוהה וגודל קטן. עבור רמות הספק מתחת ל- 150 וואט, ספקי-הכוח בטופולוגיית Flyback מציעים את היתרונות של מספר יציאות, מספר רכיבים קטן ובידוד מרשת החשמל.

DigiKey logo

מיאון אחריות: דעות, אמונות ונקודות מבט המובעות על ידי מחברים שונים ו/או משתתפי פורום באתר אינטרנט זה לא בהכרח משקפות את הדעות, האמונות ונקודות המבט של חברת DigiKey או את המדיניות הרשמית של חברת DigiKey.

אודות כותב זה

Image of Art Pini

ארט פיני

ארתור (ארט) פיני הוא כותב תורם אצל DigiKey. יש לו תואר ראשון בהנדסת חשמל ממכללת סיטי קולג' בניו יורק ותואר שני בהנדסת חשמל מאוניברסיטת סיטי בניו יורק. יש לו ניסיון של למעלה מ- 50 שנה בתעשיית האלקטרוניקה והוא עבד בתפקידי הנדסה ושיווק מרכזיים בחברות Teledyne LeCroy‏, Summation‏, Wavetek‏ ו- Nicolet Scientific‏. תחומי העניין שלו הם בטכנולוגיית מדידות ויש לו ניסיון רב באוסצילוסקופים, נתחי ספקטרום, מחוללי צורות-גל כלשהן, דיגיטייזרים ומדי הספק.

אודות מוציא לאור זה

DigiKey's North American Editors