כיצד לטפל בבעיות רעש, נצילות ופריסה באמצעות מודולי הספקת-כוח DC/DC‏ משולבים

זה לא נראה קשה לבנות מייצב DC/DC‏ מוריד מתח (Buck) בסיסי עבור מתחים נמוכים של 10 וולט או פחות ורמות זרם מתונות של בערך 2 עד 15 אמפר (A). המתתכנן רק צריך לבחור IC מתאים של מייצב ממותג ולהוסיף כמה רכיבים פסיביים לפי המעגל לדוגמה שבגיליון הנתונים או בדף היישומים. אבל האם התכן באמת גמור ומוכן להרצת פיילוט, או אפילו לייצור? כנראה שלא.

בעוד שהמייצב מספק את פס ה-DC הרצוי, עדיין יש לו כמה בעיות ונושאים פוטנציאליים. ראשית, ייתכן שהנצילות לא תעמוד ביעדי הפרויקט או בדרישות הרגולטוריות, ובכך תוסיף להשפעה התרמית, כמו גם לקיצור חיי הסוללה. שנית, ייתכן שיהיה צורך ברכיבים נוספים כדי להבטיח פעולה ראויה, ביצועי טרנזיינטים ואדווה נמוכה, אשר בתורם משפיעים על הגודל, זמן היציאה לשוק ועל מפרט החומרים (BOM) הכוללני. לבסוף, ואולי המאתגר ביותר, ייתכן שהתכנון לא יעמוד במגבלות המחמירות ההולכות וגדלות של הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) או הפרעות בתדר רדיו (RFI) כפי שהוגדרו על ידי הגופים הרגולטוריים השונים, ובכך לדרוש תכנון מחדש או רכיבים נוספים ובדיקות נוספות.

מאמר זה מתאר את הפער בין הציפיות לביצועים בין התכן בסיסי של מייצב DC/DC לבין התכן המעולה שעומד או עולה על הדרישות עבור נצילות, רעש מוקרן, אדווה נמוכה ואינטגרציה כוללת. לאחר מכן המאמר מציג את ה-Silent Switcher µModules‏ של Analog Devices‏ ומראה כיצד להשתמש בהם כדי לפתור מספר בעיות של מייצב Buck‏ DC/DC‏.

ה-ICs גורמים לזה להיראות קל, בהתחלה

מייצבי DC/DC‏ מורידי-מתח (Buck‏) נמצאים בשימוש נרחב עבור פסי DC‏. מערכת טיפוסית עשויה לכלול עשרות כאלו המספקים מתחי פס שונים או פסים מופרדים פיזית עם אותו המתח. מייצבי Buck‏ אלו מקבלים בדרך כלל מתח גבוה יותר, בין 5 ל-36 וולט DC, ומייצבים אותם עד לערך של וולטים בודדים, באמפרים בודדים או בערכי אמפר נמוכים של שתי-ספרות (איור 1).

איור 1: תפקידו של מייצב DC/DC (ממיר) הוא פשוט: לקבל מקור DC לא-מיוצב, היכול להיות מסוללה או מקו AC מיושר ומסונן, ולספק כיציאה פס DC‏ מיוצב באופן הדוק. (מקור התמונה: Electronic Clinic‏)

יש חדשות טובות וחדשות רעות בבניית מייצב בסיסי. החדשות הטובות הן שבדרך כלל לא קשה לבנות אחד שמספק ביצועים "טובים-מספיק" באופן נומינלי. ישנם ICs‏ ממותגים רבים הזמינים לבצע את עיקר המשימה שמצריכה רק טרנזיסטור אפקט שדה (FET) יחיד (או בכלל לא) וכמה רכיבים פסיביים כדי להשלים את העבודה. המשימה הופכת אפילו לקלה יותר מכיוון שגיליון הנתונים של ה-IC של המייצב מציג כמעט תמיד מעגל יישומים טיפוסי עם סכימות, פריסות לוח ו-BOM שעשוי לספק שמות יצרני רכיבים ומק"טים.

הדילמה ההנדסית היא שרמת ביצועים "טובה" עשויה להיות לא מספקת ביחס לפרמטרים לא-ברורים של ביצועי המייצב. בעוד שפס ה-DC של היציאה עשוי לספק מספיק זרם עם ייצוב קו/עומס והיענות לטרנזיינטים נאותים, גורמים אלה הם רק ההתחלה של הסיפור עבור פסי הספקת-כוח.

המציאות היא שבנוסף לאותם קריטריוני ביצועים בסיסיים, המייצב מוערך גם על ידי גורמים אחרים, שחלקם מונעים על ידי ציוויים חיצוניים. שלושת הבעיות הקריטיות שרוב המייצבים חייבים לטפל בהן אינן בהכרח ברורות, מנקודת המבט הפשטנית של בלוק פונקציונלי המקבל כניסת DC לא-מיוצבת ומספק יציאת DC מיוצבת. אלו הן (איור 2‏):

• יעילות: נצילות גבוהה והשפעה תרמית מינימלית קשורה.
• שקט: אדווה נמוכה לטובת ביצועי מערכת ללא-שגיאות, פלוס EMI נמוך כדי לעמוד בתקני רעש מוקרן (לא-אקוסטי).
• שלמות: פתרון משולב שממזער גודל, סיכון, BOM, זמן יציאה לשוק ושיקולים "רכים" אחרים.

איור 2‏: מייצב DC/DC‏ חייב לעשות יותר מאשר רק לספק פס הספקת-כוח יציב; הוא חייב להיות גם יעיל, "שקט" מבחינת EMI ועם פונקציונלית שלמה. (מקור התמונה: Math.stackexchange.com; עבר שינוי על ידי המחבר)

הטיפול בנושאים אלו מביא סט של אתגרים, ופתרונם עלול להפוך לחוויה מתסכלת. זה עולה בקנה אחד עם "כלל 80/20", שלפיו 80% מהמאמץ מוקדש לביצוע 20% אחרונים של המשימה. נבחן את שלושת הגורמים ביתר פירוט:

יעילות: כל מתכנן רוצה נצילות גבוהה , אבל איך בדיוק, ובאיזו עלות? התשובה היא הרגילה: זה תלוי בפרויקט ובפשרות שלו. נצילות גבוהה יותר חשובה משלוש סיבות עיקריות:

1. היא מתורגמת למוצר קר יותר המשפר את האמינות, עשויה לאפשר פעולה בטמפרטורה גבוהה יותר, עשויה לבטל את הצורך בקירור אוויר מאולץ (מאוורר), או עשויה לפשט את הקירור בקונבקציה במידת האפשר. בקצה העליון, ייתכן שיהיה צורך לשמור על רכיבים ספציפיים חמים במיוחד מתחת לטמפרטורה המקסימלית המותרת שלהם ובאזור הפעולה הבטוח שלהם.
2. גם אם גורמים תרמיים אלה אינם מהווים שיקול, הנצילות מתורגמת למשך פעולה ארוך יותר עבור מערכות מוזנות-סוללות או נטל מופחת על ממיר AC-DC במעלה-הזרם.
3. ישנם כיום תקנים רגולטוריים רבים המחייבים רמות נצילות ספציפיות עבור כל סוג של מוצר סופי. בעוד שתקנים אלה אינם מגדירים נצילות עבור פסי הספקת-כוח אינדיבידואליים בתוך המוצר, האתגר של המתכנן הוא להבטיח שהנצילות הכוללת עומדת בדרישות הרגולטריות. זה קל יותר כאשר מייצב DC/DC‏ של כל פס תורם הוא יעיל יותר, שכן הוא מספק שולי ביטחון כשמסכמים עם כל הפסים האחרים ועם מקורות אחרים של הפסדים.

שקט: בגדול, ישנם שני סוגים של רעש שמדאיגים מתכננים. ראשית, הרעש והאדווה ביציאה של מייצב DC/DC‏ חייבים להיות נמוכים מספיק כדי שלא ישפיעו לרעה על ביצועי המערכת. חשש זה גובר כאשר מתחי הפס יורדים למספרים חד-ספרתיים נמוכים במעגלים דיגיטליים, כמו גם עבור מעגלים אנלוגיים מדויקים שבהם אדווה של אפילו מילי-וולטים בודדים עלולה לפגוע בביצועים.

החשש העיקרי הנוסף קשור ל-EMI. ישנם שני סוגים של פליטות EMI: מולכות ומוקרנות. פליטות מולכות רוכבות על החוטים והפסים המוליכים המתחברים למוצר. מכיוון שהרעש ממוקם בקרבת הדק או מחבר ספציפי בתכן, לעתים קרובות ניתן להבטיח עמידה בדרישות פליטות מולכות בשלב מוקדם יחסית בתהליך הפיתוח עם תכנון טוב של הפריסה ומסנן.

פליטות מוקרנות, לעומת זאת, הן יותר מסובכות. כל מוליך על לוח המעגלים הנושא זרם מקרין שדה אלקטרומגנטי: כל פס מוליך על הלוח מהווה אנטנה, וכל משטח נחושת מהווה מראה. כל דבר מלבד גל סינוס טהור או מתח DC מייצר ספקטרום אותות רחב.

הקושי הוא שאפילו עם תכנון קפדני, המתכנן אף פעם לא באמת יודע כמה גרועות יהיו הפליטות המוקרנות עד שהמערכת תיבדק, ולא ניתן לבצע בדיקות פליטות מוקרנות באופן פורמלי עד שהתכנון הוא שלם בעיקרון. מסננים משמשים להפחתת EMI על ידי הנחתת הרמות בתדרים ספציפיים או בתחום של תדרים באמצעות טכניקות שונות.

חלק מהאנרגיה המוקרנת במרחב מונחתת הודות לשימוש ביריעת מתכת כסיכוך מגנטי. תחום התדרים הנמוכים יותר הרוכבים (=מולכים) על פסי המוליכים של לוח המעגלים המודפסים מבוקר באמצעות חרוזי פרייט (Ferrite‏) ומסננים אחרים. הסיכוך עובד אך מביא איתו סט חדש של בעיות. הוא חייב להיות מתוכנן היטב עם תקינות אלקטרומגנטית טובה (ולעיתים זה קשה באופן מפתיע). הוא מוסיף עלות, מגדיל את השטח הדרוש, מקשה על ניהול תרמי ובדיקות, ומכניס עלויות הרכבה נוספות.

טכניקה נוספת היא להאט את קצות המיתוג של המייצב. עם זאת, לכך יש השפעה לא-רצויה של הפחתת הנצילות, הארכת זמני מצב-פעולה (ON) ומצב-הפסקה (OFF) המינימליים וכן את הזמנים המתים הנדרשים, ופגיעה במהירות חוג בקרת הזרם.

גישה נוספת היא לכוונן את תכן המייצב כך שיקרין פחות EMI הודות לבחירה קפדנית של פרמטרי התכן העיקריים. המשימה של איזון פשרות מייצב אלו כוללת הערכת האינטראקציה של פרמטרים כגון תדר המיתוג, חתימת השטח, הנצילות וה-EMI שכתוצאה מכך.

לדוגמה, תדר מיתוג נמוך יותר מפחית בדרך כלל את הפסדי המיתוג ואת ה-EMI ומשפר את הנצילות, אך דורש רכיבים גדולים יותר עם ההגדלה הקשורה של חתימת-השטח. השאיפה לנצילות גדולה יותר מלווה בזמני פעולה והפסקה מינימליים קצרים, וכתוצאה מכך תוכן הרמוני גבוה יותר בגלל מעברי המיתוג המהירים יותר. ככלל, עם כל הכפלה של תדר המיתוג, ה-EMI הופך לגרוע יותר ב-6 דציבלים (dB), בהנחה שכל שאר הפרמטרים כגון קיבוליות המתג וזמני המעבר נשארים קבועים. ה-EMI רחב-הפס מתנהג כמו מסנן מעביר-גבוהים מסדר-ראשון עם פליטות גבוהות יותר ב-20dB כאשר תדר המיתוג גדל בפקטור של עשר.

כדי להתגבר על זה, מתכנני לוחות PC מנוסים יקטינו את חוגי הזרם ("חוגים חמים") של המייצב וישתמשו בשכבות הארקה מסככות קרוב ככל האפשר לשכבה הפעילה. עם זאת, מערך-הפינים, מבנה המארז, דרישות התכן תרמי וגודלי המארז הדרושים עבור די אחסון אנרגיה ברכיבי ביטול-הצימוד (Decoupling) מכתיבים גודל חוג-חם מינימלי מסוים.

בעיית הפריסה היא מאתגרת אפילו עוד יותר, מכיוון שללוח המעגלים המודפסים הטיפוסי יש צימוד מגנטי או בסגנון-שנאי בין הפסים המוליכים מעל 30 מגה-הרץ (MHz). צימוד זה יחליש את מאמצי הסינון מאחר שככל שתדרי ההרמוניות גבוהים יותר, כך הצימוד המגנטי הלא-רצוי הופך אפקטיבי יותר.

אלו תקנים הם רלוונטיים?

אין תקן מנחה אחד בעולם ה-EMI, מכיוון שהוא נקבע במידה רבה על ידי היישום ועל ידי הדרישות הרגולטוריות הרלוונטיות. בין התקנים המצוטטים ביותר יש את EN55022, CISPR 22 ו-CISPR 25. EN 55022 הוא נגזרת של CISPR 22 שעברה התאמה וחלה על ציוד טכנולוגיית מידע. התקן נקבע על ידי CENELEC‏, הוועדה האירופית לתקינת אלקטרו-טכניקה, והיא אחראית על התקינה בתחום ההנדסה האלקטרומכנית.

תקנים אלו הם מורכבים ומגדירים את נוהלי הבדיקה, הבחונים, המכשור, ניתוח הנתונים ועוד. בין הגבולות הרבים המוגדרים בתקן, גבול הפליטה המוקרנת Class B היא לרוב המעניינת ביותר את המתכננים.

שלמות: גם כאשר מצב התכן הוא מובן למדי, הבחירה והשימוש ברכיבי התמיכה הדרושים בדיוק בצורה הנכונה מהווה אתגר. הבדלים קלים במיקום הרכיבים ובמפרטיהם, ההארקה ופסי המוליכים על לוח המעגלים המודפסים וגורמים אחרים יכולים להשפיע לרעה על הביצועים.

מודלים וסימולציה הם נחוצים ויכולים לעזור, אך קשה מאוד לאפיין את האפקטים הפרזיטיים הקשורים לרכיבים אלה, במיוחד אם הערכים שלהם משתנים. יתר על כן, החלפת היצרן (או שינוי ללא-הודעה אצל היצרן המועדף) עלולים לגרום לשינוי עדין בערכי פרמטרים מהרובד השני או השלישי (כגון התנגדות DC של המשרן (DCR)), העשויים להיות בעלי השלכות משמעותיות ולא-צפויות.

יתר על כן, אפילו שינוי מיקום קל של הרכיבים הפסיביים או הוספת "רק עוד אחד", יכולים לשנות את תרחיש ה-EMI ולגרום לפליטות החורגות מהגבולות המותרים.

SilentSwitcher µModules פותרים את הבעיות

הטרמת וניהול סיכונים הם חלק בלתי-נפרד מעבודתו של המתכנן. הפחתת מספרם ועוצמתם של סיכונים אלו היא אסטרטגיית מוצר-סופי סטנדרטית. הפתרון הוא להשתמש במייצב DC/DC שלם פונקציונלית, שבאמצעות תכנון ומימוש טובים הוא יעיל, שקט ושלם. שימוש בהתקן מוכר מפחית את אי הוודאות תוך התמודדות עם סיכוני גודל, עלות, EMI, BOM והרכבה. עשיית כל זה גם מאיצה את זמן היציאה לשוק ומפחיתה את חרדת הציות לרגולציה.

על ידי בחינת משפחה שלמה של מייצבים כאלה, כמו ה-Silent Switcher µModules של Analog Devices, המתכננים יכולים לבחור מייצב DC/DC המותאם למתח וזרם הנומינליים הדרושים, תוך שהם בטוחים שהדרישות הרגולטוריות לגבי ה-EMI יתקיימו, הגודל והעלות יהיו ידועים, ולא תהיינה הפתעות.

מייצבים אלו משלבים הרבה יותר מאשר סכמות וטופולוגיות חדשניות. בין הטכניקות שהם משתמשים בהן:

• טכניקה מס' 1: המיתוג של המייצב פועל כמתנד/מקור RF ומשתלב עם חוטי החיבור (Wirebond‏), הפועלים כאנטנות. זה הופך את המכלל למשדר RF עם אנרגיה לא-רצויה העלולה לחרוג מהגבולות המותרים (איורים 3, 4 ו-5).

איור 3‏: חוטי החיבור מפיסת-הסיליקון של ה-IC אל המארז פועלים כאנטנות זעירות ומקרינים אנרגיית RF‏ לא-רצויה. (מקור התמונה: Analog Devices)

איור 4‏: מכלל Silent Switcher שבו חוטי החיבור מוחלפים עם טכנולוגיית Flipchip‏, המבטלת את החוטים מקריני-האנרגיה. (מקור התמונה: Analog Devices)

איור 5‏: גישת Flipchip מבטלת למעשה את האנטנות וממזערת את האנרגיה המוקרנת. (מקור התמונה: Analog Devices)

• טכניקה מס' 2: השימוש בקבלי כניסה סימטריים מגביל את ה-EMI על ידי יצירת זרמים מאוזנים ומנוגדים (איור 6).

איור 6: מתווספים גם קבלי כניסה כפולים עם שיקוף כדי להגביל את ה-EMI. (מקור התמונה: Analog Devices)

• טכניקה מס' 3. לבסוף, השימוש בחוגי זרם מנוגדים לביטול שדות מגנטיים (איור 7).

איור 7‏: פריסה פנימית עם חוגי זרם בכיוונים מנוגדים מבטלת שדות מגנטיים לא-רצויים. (מקור התמונה: Analog Devices)

Silent Switcher µModules אלו מייצגים את ההתפתחות של תכני מייצב מוריד-מתח והמארז מ-IC עם רכיבי תמיכה, ל-IC במארז LQFN עם קבלים מובנים וממנו ל-µModule עם הקבלים והמשרנים הנדרשים (איור 8).

איור 8: על ידי שילוב קבלים ומשרן בתוך המארז, ה-Silent Switcher µModules‏ הם השלב השלישי בהתפתחות של מייצבים ממותגים ממוקדי-IC‏. (מקור התמונה: Analog Devices)

היצע רחב נותן מענה לצרכים ולפשרות

ה-Silent Switcher µModules מורכבים מיחידות בודדות רבות עם דירוגים שונים עבור תחום מתחי כניסה, פסי מתח יציאה וזרמי יציאה. לדוגמה, ה-LTM8003 הוא μModule‏ עם כניסה של 3.4 עד 40 וולט, יציאה של 3.3 וולט, זרם רצוף של A‏ 3.5‏ (שיא של A‏ 6‏) העומד בגבולות של CISPR 25 Class 5, אך ממדיו הם עדיין רק 9 × 6.25 מילימטרים (מ"מ) וגובהו 3.32 מ"מ (איור 9).

איור 9: ה-LTM8003 Silent Switcher הוא מארז עצמאי זעיר העומד בקלות בגבול האנרגיה של הקרנת שיא של CISPR 25 Class 5 מ-DC עד MHz‏ 1,000‏. (מקור תמונה: Analog Devices)

הוא מוצע במערך-פינים תואם Failure Mode Effects Analysis‏ (FMEA‏) (LTM8003-3.3‏), שמשמעותו היא שהיציאה נשארת במתח הייצוב או מתחתיו במהלך קצר פין-סמוך או הפין נותר צף. זרם הרגיעה הטיפוסי הוא 25 מיקרו-אמפר (µA) בלבד, והגרסה בדירוג-H מדורגת עבור פעולה ב-150°C.

לוח ההדגמה DC2416A זמין עבור המתכננים כדי להתנסות עם המייצב ולהעריך את הביצועים שלו עבור היישום שלהם (איור 10).

איור 10: לוח ההדגמה DC2416A מפשט את החיבור וההערכה של התקן LTM8003 Silent Switcher. (מקור התמונה: Analog Devices)

שני בני משפחת Silent Switcher µModule הדומים נומינלית, ה-LTM4657‏ (כניסה של 3.1 עד 20 וולט; יציאה של 0.5 עד 5.5 וולט ב-A‏ 8‏) וה-LTM4626‏ (כניסה של 3.1 עד 20 וולט; יציאה של 0.6 עד 5.5 וולט ב-A‏ 12‏), מציגים את אופי הפשרות שההתקנים מציעים. ה-LTM4657 משתמש במשרן בעל ערך גבוה יותר מה-LTM4626, המאפשר לו לפעול בתדרים נמוכים יותר כדי להפחית את הפסדי המיתוג.

ה-LTM4657 הוא פתרון טוב יותר עבור הפסדי מיתוג גבוהים והפסדי הולכה נמוכים, כגון ביישומים שבהם זרם העומס נמוך ו/או מתח הכניסה גבוה. כשבוחנים את ה-LTM4626 וה-LTM4657 בפעולה באותו תדר מיתוג, ועם אותו כניסת 12 וולט ויציאת 5 וולט, ניתן לראות את הפסדי המיתוג הטובים יותר של ה-LTM4657 (איור 11). בנוסף, המשרן בעל הערך הגבוה יותר שלו מפחית את אדוות מתח היציאה. עם זאת, ה-LTM4626 יכול לספק זרם עומס גדול יותר מאשר ה-LTM4657.

איור 11: השוואת הנצילויות של LTM4626 ו-LTM4657 ב-1.25 מגה-הרץ עם אותה תצורה בלוח ההדגמה DC2989A מראה הבדלים צנועים אך מוחשיים. (מקור התמונה: Analog Devices)

המשתמשים יכולים להעריך את הביצועים של ה-LTM4657 באמצעות לוח ההדגמה DC2989A‏ (איור 12), בעוד עבור אלה שצריכים להעריך את ה-LTM4626, קיים לוח DC2665A-A‏ (איור 13).

איור 12: לוח ההדגמה DC2989A מתוכנן להאיץ את ההערכה של ה-LTM4657 Silent Switcher. (מקור התמונה: Analog Devices)

איור 13: עבור מודול LTM4626 Silent Switcher, קיים לוח ההדגמה DC2665A-A כדי להקל על ההתנסות וההערכה. (מקור התמונה: Analog Devices)

ה-Silent Switcher µModules‏ אינם מוגבלים למודולים עם יציאה-יחידה. לדוגמה, ה-LTM4628‏ הוא מייצב ממותג DC/DC שלם כפול של A‏ 8‏, שניתן להגדירו בקלות לספק יציאה דו-פאזית יחידה של A‏ 16‏ (איור 14). המודול מוצע במארזי LGA‏ של 15 מ"מ × 15 מ"מ × 4.32 מ"מ LGA ו-BGA‏ של 15 מ"מ × 15 מ"מ × 4.92 מ"מ.  הוא כולל את בקר המיתוג, רכיבי FET‏ להספק, משרן ואת כל הרכיבים התומכים.

איור 14: ניתן להגדיר את ה-LTM4628 כמייצב ממותג DC/DC‏ עם שתי-יציאות ו-A‏ 8‏ לכל ערוץ, או בתצורת יציאה של A‏ 16‏ עם יציאה-יחידה. (מקור תמונה: Analog Devices)

המודול פועל על פני תחום מתחי כניסה של 4.5 עד 26.5 וולט ותומך בתחום מתחי יציאה של 0.6 עד 5.5 וולט, המוגדר על ידי נגד חיצוני יחיד. המשתמשים יכולים לבחון את הביצועים שלו כהתקן עם יציאה אחת או שתי יציאות באמצעות לוח ההדגמה DC1663A‏ (איור 15).

איור 15: ההערכה של ה-LTM4628 עם יציאה אחת או שתי יציאות מואצת הודות לשימוש בלוח ההדגמה DC1663A שלו. (מקור התמונה: Analog Devices)

סיכום

תכנון מייצב DC/DC מתפקד הוא די קל עם ה-ICs הזמינים. עם זאת, תכנון מייצב המצטיין בו-זמנית בנצילות גבוהה, הוא שלם מבחינה פונקציונלית, ועונה על הדרישות הרגולטוריות המחמירות השונות ולעיתים מבלבלות אינו קל. ה-Silent Switcher µModules‏ של Analog Devices‏ מפשטים את תהליך התכנון. הם מבטלים סיכונים על ידי עמידה ביעדי פעולה קרה ויעילה, פליטת EMI מתחת לגבולות המותרים ושלמות התכן.