כיצד למזער מאפיינים פרזיטיים בספקי כוח ממותגים

ספקי כוח ממותגים (Switch Mode) הם התקנים נפוצים בזכות היעילות וגמישות הפעולה המאפיינים אותם. אך תהליך החדירה שלהם ליישומים חדשים כרוך באתגרים. תופעה בולטת במיוחד העלולה להיגרם כתוצאה ממיתוג בתדר גבוה היא ההפרעות האלקטרומגנטיות ביתר חלקי המערכת. נוסף לכך, אותם גורמים פוטנציאליים להפרעות אלקטרומגנטיות גם מפחיתים את רמת הנצילות ובכך פוגעים באחד היתרונות המרכזיים של ספקי הכוח הממותגים.

כדי להימנע מבעיות אלה, על המתכננים לנקוט משנה זהירות בעת הגדרת 'חוג חם' (Hot loop), אותו חלק של מעגל ספק הכוח שבו מתרחש המיתוג המהיר. מזעור ההפסדים הפרזיטיים הנוצרים בחוג החם עקב התנגדות טורית אקוויוולנטית (ESR) והשראות טורית אקוויוולנטית (ESL) הוא חיוני. ניתן להשיג זאת על ידי בחירה של רכיבי ספק כוח משולבים ביותר ושל פרישת לוח מעגלים מודפסים קפדנית.

במאמר זה נציג חוגים חמים ומקורות של הפסדים פרזיטיים, כולל קבלי צימוד, טרנזיסטורי אפקט שדה (FET) ומעברים (Vias‏) בלוחות המעגלים המודפסים. בהמשך נביא דוגמה של ממיר מתח משולב ביותר של Analog Devices ונציג פרישות שונות של לוחות מעגלים והשפעותיהם על המאפיינים הפרזיטיים. נסיים בעצות מעשיות להפחתת רמות ה-ESR וה-ESL.

כמה עקרונות לגבי חוגים חמים בספקי כוח ממותגים

כל תכנון של ספק כוח הכולל מיתוג מהיר של זרמים, כגון ממירי Boost‏, Buck-boost ו-Flyback, כולל חוגים חמים עם מיתוג זרמים בתדרים גבוהים. ניתן להמחיש את העיקרון האמור באמצעות ממיר Buck פשוט, המכונה גם ממיר מוריד מתח (Step-down converter) (איור 1). החוג משמאל (באדום) כוללת את כל רכיבי המיתוג, כאשר הזרמים בתדר גבוה שנוצרים על ידי המעגל מוכלים בתוכו ויוצרים את החוג החם.

איור 1: ממיר Buck פשוט ממחיש את העיקרון של חוג חם; המסומן באדום. (מקור התמונה: Analog Devices)

ההיבט ה'חם' נובע מהמרת אנרגיה ומיתוג אשר מתרחשים באזור זה של המעגל, המלווה לעתים קרובות ביצירת חום. פרישה ותכן ראויים של חוגים חמים אלה הם בעלי חשיבות קריטית כדי למזער את ההפרעות האלקטרומגנטיות ולהבטיח פעולת ספק מתח עם נצילות נאותה.

המעגל המעשי יותר המוצג באיור 2 כולל ממיר Buck סינכרוני DC-DC. בחוג חם זו, הרכיבים הפיזיים (מסומנים בשחור) הם קבל הכניסה (C_IN‎) וטרנזיסטורי המיתוג (רכיבי MOSFET)‏ M1 ו-M2.

איור 2: חוגים חמים של העולם-האמיתי כוללים בהכרח מאפיינים פרזיטיים; המסומנים באדום. (מקור התמונה: Analog Devices)

המאפיינים הפרזיטיים של החוג החם מסומנים באדום. רמת ה-ESL נמצאת בדרך כלל בתחום של ננו-הנרי (nH), ורמת ה-ESR נמצאת בתחום של מילי-אוהם (mΩ). המיתוג בתדר גבוה גורם ל-Ringing‏ בחלקי המעגל היוצרים את תופעת ה-ESL, וכתוצאה מכך – להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI). האנרגיה האצורה ב-ESL מתפזרת על ידי ה-ESR וגורמת להפסדי הספק.

הפחתת מאפיינים פרזיטיים באמצעות רכיבים משולבים

העכבות הפרזיטיות האלה (ESR‏, ESL) מתרחשות בתוך הרכיבים ולאורך מסלולי לוח המעגל של החוג החם. כדי למזער מאפיינים אלה, על המתכננים לבחור בקפידה את הרכיבים ולתכנן את פרישת לוח המעגל המודפס בצורה מיטבית.

אחת הדרכים להשיג את שתי המטרות האלה היא שימוש ברכיבים משולבים. רכיבים אלה מבטלים את הצורך בפסים מוליכים במעגל המודפס הדרושים לחיבור רכיבים בדידים ותורמים להפחתת השטח הכולל של החוג החם. שתי הדרכים תורמות להפחתת העכבה הפרזיטית.

דוגמה מצוינת לרכיב משולב ביותר היא LTM4638 – מייצב µModule מוריד-מתח שלAnalog Devices. כפי שניתן לראות באיור 3, מדובר במייצב מיתוג של 15 אמפר (A) המשלב בקר מיתוג, טרנזיסטורי FET, משרן ורכיבי תמיכה – כל אלה במארז זעיר בגודל 6.25 × 6.25 × 5.02 מ"מ.

איור 3: מייצב µModule‏ LTM4638‏ משלב רבים מהרכיבים הדרושים עבור ממיר Buck. (מקור תמונה: Analog Devices)

ה-LTM4638 משלב כמה מאפיינים אחרים המפחיתים הפסדים פרזיטיים. אלה כוללים:

• היענות מעבר מהירה: מאפשרת להתאים במהירות את מתח היציאה בתגובה לשינויים בעומס או בכניסה ולמזער את משך ההשפעה ואת מידת ההשפעה של הפסדים פרזיטיים על ידי מעבר מהיר דרך מצבי פעולה תת-מיטביים.
• פעולה באופן לא-רציף: מאפשרת לזרם המשרן לרדת לאפס לפני תחילת מחזור המיתוג הבא. אופן זה משמש בדרך כלל בתנאי עומס קל ומפחית את הפסדי המיתוג והליבה במשרן על ידי פריקת האנרגיה שלו למשך חלק ממחזור הפעולה.
• עקיבה אחר מתח היציאה: מאפשר התאמה דינמית בין יציאת הממיר לבין מתח כניסה המשמש כפרמטר ייחוס. תכונה זו מבקרת במדויק את העלייה והירידה של מתח היציאה, ובכך מפחיתה את הסבירות לתגובות-יתר (Overshoots) או לתגובות-חסר (Undershoots) העלולות להחמיר את ההפסדים הפרזיטיים.

מזעור מאפיינים פרזיטיים על ידי תכנון מיקום הרכיבים

בניית ממיר Buck סינכרוני המבוסס על LTM4638 דורשת הוספת קבלים גדולים בכניסה וביציאה, C_IN‎ ו-C_OUT‎ , בהתאמה. למיקום של קבלים אלה עשויה להיות השפעה משמעותית על המאפיינים הפרזיטיים.

הניסויים שערכה Analog Devices בלוח ההערכה DC2665A-B עם LTM4638 ממחישים את השפעת המיקום של C_IN‎.לוח זה הוחלף מאז על ידי לוח DC2665B-B, אך העקרונות החלים זהים. איורים 4 עד 6 ממחישים שלוש פרישות שונות עבור C_IN‎ והחוגים החמים הרלוונטיים להן. החוגים החמים האנכיים 1 (איור 4) ו-2 (איור 5) ממקמים את C_IN‎ בשכבה התחתונה של המעגל המודפס, ישירות מתחת למייצב או בצדו, בהתאמה. בחוג החם (איור 6) ממקמים את הקבל על גבי השכבה העליונה של המעגל.

איור 4: חוג חם אנכי 1, מבט על ומבט צד. ה-C_IN‎ נמצא ישירות מתחת למייצב, מחובר באמצעות מעברים (Vias‏). (מקור התמונה: Analog Devices)

איור 5: חוג חם אנכי 2 מבט מלמטה ומהצד. ה-C_IN‎ נמצא מתחת למייצב אך לצדו, דבר הדורש פסים מוליכים ומעברים בלוח המעגל המודפס. (מקור התמונה: Analog Devices)

איור 6: חוג חם אופקי, מבט על ומבט צד. ה-C_IN‎ נמצא על השכבה העליונה של הלוח ומתחבר למייצב באמצעות פסים מוליכים. (מקור התמונה: Analog Devices)

חוג חם אנכי 1 מתאפיין בנתיב הקצר ביותר ללא שימוש בפסים מוליכים בלוח המעגל. לפיכך, המאפיינים הפרזיטיים שלו צפויים להיות הנמוכים ביותר. ניתוח כל חוג חם באמצעות תוכנת הסימולציה FastHenry בתדר 600 קילו-הרץ (kHz‏) ו-200 מגה-הרץ (MHz‏) מאמתים זאת (איור 7).

איור 7: כצפוי, הנתיב הקצר ביותר היה זה שבו העכבה הפרזיטית הייתה הנמוכה ביותר. (מקור התמונה: Analog Devices, הותאמה על ידי המחבר)

אף שלא ניתן למדוד ישירות את המאפיינים הפרזיטיים האלה, ניתן לחזות ולבדוק את השפעותיהם. ספציפית, ESR נמוך יותר אמור להגדיל את הנצילות, ואילו ESL נמוך יותר אמור להפחית את האדווה. אימות בדרך של ניסוי אישר את החיזויים האלה, ונמצא כי חוג חם אנכי 1 הציג ביצועים טובים יותר בשני המדדים (איור 8).

איור 8: תוצאות הניסוי מאשרות כי בחוג חם אנכי 1 מושגות נצילות ואדווה משופרות. (מקור התמונה: Analog Devices)

מזעור המאפיינים הפרזיטיים ברכיבים בדידים

על אף היתרונות הרבים שמציעים התקנים משולבים, ספקי כוח ממותגים מסוימים מצריכים את השימוש ברכיבים בדידים. לדוגמה, יישום בעל הספק גבוה עלול להציב דרישות החורגות מהביצועים של התקנים משולבים. במקרים כאלה, המיקום וגודל המארז של טרנזיסטורי FET בדידים עשויים להשפיע באופן משמעותי על ה-ESR וה-ESL של חוגים חמים. ניתן להיווכח בהשפעות האלה על ידי בדיקת שני לוחות הערכה, ששניהם כוללים בקרי Buck-Boost סינכרוניים בעלי 4 מתגים הפועלים בנצילות גבוהה – כמוצג באיור 9:

• לוח ההערכה DC2825A מבוסס על מייצב Buck-Boost ‏LT8390. רכיבי ה-MOSFET שלו ממוקמים במקביל, כלומר באותו כיוון.
• לוח ההערכה DC2626A מבוסס על מייצב Buck-Boost ‏LT8392. הוא כולל שני זוגות של רכיבי MOSFET הממוקמים בזווית של ‎90˚‎ זה לזה.

איור 9: ב-DC2825A (משמאל) רכיבי ה-MOSFET ממוקמים במקביל, וב-DC2626A (מימין) הם ממוקמים בזווית של ‎90˚‎ זה לזה. (מקור התמונה: Analog Devices)

שני הלוחות הכוללים רכיבי MOSFET וקבלים זהים נבדקו בפעולת הורדת מתח של 36 וולט עד 12 וולט ב-10 אמפר וב-300 קילו-הרץ (kHz‏). מהתוצאות עולה כי מיקום הרכיבים בזווית של ‎90˚‎ מקטין את אדוות המתח ומגדיל את תדר תהודה, ומכאן שה-ESL של לוח המעגל קטן יותר עקב קיצור נתיב החוג החם (איור 10).

איור 10: ה-DC2626A עם רכיבי MOSFET בזווית של ‎90˚‎ מציג אדווה נמוכה יותר ותדר תהודה גבוה יותר. (מקור התמונה: Analog Devices)

שיקולי פרישה אחרים

המיקומים והתצורה של מעברים (Vias‏) בלוח המעגל של החוג החם משפיעים גם הם על מאפייני ה-ESR וה-ESL של החוג. בדרך כלל, הוספת מעברים מפחיתה את העכבה הפרזיטית של לוח המעגל המודפס. עם זאת, ההפחתה אינה פרופורציונלית ליניארית למספר המעברים. מעברים הקרובים יותר למוליכי ההדקים מפחיתים משמעותית את ה-ESR וה-ESL. לכן, יש למקם מספר גדול ככל האפשר של מעברים קרוב למוליכים של הרכיבים הקריטיים (C_IN‎ ו-µModule או רכיבי MOSFET) כדי למזער את עכבת החוג החם.

ישנן דרכים רבות נוספות להשפיע בצורה חיובית על הביצועים החשמליים והתרמיים. במטרה לקבל חוג חם מיטבי, מומלץ לפעול בשיטות הבאות:

• שימוש במשטחי נחושת רחבים בלוח המעגל המודפס בנתיבי הולכה של זרם גבוה, כולל V_IN‏, V_OUT‎ והארקה כדי למזער הפסדי הולכה ומאמץ תרמי בלוח המעגל.
• הוספת שכבת הארקה חשמלית ייעודית מתחת ליחידה.
• שימוש במעברים רבים לחיבור בין שכבות ההולכה העליונות לבין שכבות ההולכה האחרות במטרה למזער הפסדי הולכה ולהפחית את המאמץ התרמי במודול.
• לא לקבוע מעברים ישירות על גבי הפס המוליך אלא אם הם מכוסים או מצופים.
• שימוש במשטח נחושת נפרד עבור הארקת אותות ברכיבים המחוברים לפינים של אותות, וחיבור הארקת האותות לפין ההארקה הראשי מתחת ליחידה.
• קביעת נקודות בדיקה על פיני האותות לצורכי ניטור.
• הפרדה ברורה בין הפסים המוליכים של אותות השעון לבין אלה של כניסת התדר כדי למזער את האפשרות של רעש עקב ערב דיבור (Crosstalk).

סיכום

המאפיינים הפרזיטיים של החוג החם משפיעים במידה רבה מאוד על ביצועיהם של ספקי כוח ממותגים. מזעור המאפיינים האלה חיוני להשגת נצילות גבוהה ו-EMI נמוך.

אחת הדרכים הפשוטות ביותר להגיע ליעדים אלה היא באמצעות מודולים של מייצבי מתח משולבים. עם זאת, ספקי כוח ממותגים מצריכים בדרך כלל שימוש ברכיבים גדולים כגון קבלים, ולכן יש חשיבות להבנת ההשלכות של פרישות חוגים חמים.