כיצד לממש במהירות ממירי Buck‏ עבור אוטומציה במפעלים, 5G וה-IoT

ממירי DC/DC ‏Buck משמשים באופן נרחב בהרבה מערכות אלקטרוניות כגון תחנות בסיס 5G, ציוד אוטומציה במפעלים (FA‏) והתקני אינטרנט-של-דברים (IoT)‏ כדי להמיר מטה ביעילות מתחים גבוהים. לדוגמה, לעיתים קרובות יש להמיר מתח כמו 12‏ וולט זרם-ישר (V_DC) או ‎48 V_DC מסוללה או מאפיק חלוקת כוח למתח נמוך יותר, כדי להזין מעגלים-משולבים דיגיטליים, חיישנים אנלוגיים, מקטעי תדר רדיו RF והתקני ממשק.

אף-על-פי שמתכננים יכולים לממש ממיר buck‏ בדיד ולמטב אותו עבור תכן ספציפי מבחינת מאפייני ביצועים ופריסת לוח, ישנם אתגרים באימוץ גישה זו. אתגרים אלה כוללים את בחירת MOSFET ההספק המתאים, התכנון של רשת המשוב והבקרה, תכנון משרן והבחירה בין טופולוגיה‏ אסינכרונית או‏ סינכרונית. כמו כן, על התכן לכלול מספר פונקציות הגנה, לספק נצילות מקסימלית וגודל פתרון קטן. במקביל, מתכננים נדרשים לקצר זמן תכנון ולהקטין עלויות, מה שמצריך מציאת חלופות ממיר כוח מתאימות יותר.

במקום המסלול הבדיד, מתכננים יכולים לפנות אל מעגלים-משולבים ספק-כוח משולבים הכוללים טרנזיסטורים MOSFET עם מעגלי המשוב והבקרה הדרושים, שהם כבר ממוטבים עבור ממירי Buck נצילות-גבוהה.

מאמר זה סוקר את פשרות הביצועים בין ממירי Buck DC/DC אסינכרוניים וסינכרוניים וכיצד הם מתאימים לצרכי יישומים ספציפיים. המאמר מציג דוגמה של מעגל-משולב Buck אסינכרוני משולב ופתרון מעגל-משולב ממיר Buck סינכרוני מבית Rohm Semiconductor‏ ודן בשיקולי מימוש, כולל הבחירה של משרן וקבל היציאה ופריסת לוח המעגל המודפס. הדיון כולל את לוחות ההערכה כדי לסייע למתכננים בצעדים הראשונים.

למה להשתמש בממיר Buck?

ביישומים הדורשים זרם של מספר אמפר (A), ממיר Buck‏ מספק חלופה נצילה יותר ממיצב ליניארי. מיצב ליניארי יכול להיות בעל נצילות של 60% בערך, בעוד‏ ממיר Buck‏ אסינכרוני יכול להיות נציל ב-%‏85 ויותר.

ממיר Buck‏‏ אסינכרוני בסיסי מורכב‏ ממתג MOSFET‏, דיודת‏ שוטקי (Schottky), קבל ומשרן, ומעגלי בקרה/דחיפה (לא מוצגים) להפעלה והשבתה של ה-MOSFET‏ (איור 1‏). ממיר Buck‏ לוקח את מתח הכניסה DC‏ (V_IN) וממיר אותו לזרם דופק‏ AC‏ המיושר על ידי הדיודה, ומסונן אחר כך על ידי המשרן והקבל כדי ליצור מתח יציאה DC מיוצב (V_O). טופולוגיה זו מקבלת את השם שלה מהעובדה שהמתח על המשרן מנוגד או 'מקטין' (‘bucks’) את מתח הכניסה.

איור 1‏: טופולוגיית ממיר Buck אסינכרוני, לא כוללת את מעגלי הבקרה/דחיפה MOSFET. (מקור תמונה: ROHM Semiconductor)

מעגל הבקרה/דחיפה חש את מתח היציאה ומפעיל ומשבית באופן מחזורי את ה-MOSFET כדי לשמור על מתח היציאה ברמה המבוקשת.‏ עם שינוי העומס, מעגל הבקרה/דחיפה משנה את פרק הזמן בו ה-MOSFET‏ במצב מופעל כדי לספק יותר או פחות זרם ליציאה, כפי שנדרש כדי לשמור את מתח היציאה קבוע (ליצב). אחוז הזמן שה-MOSFET‏ נמצא במצב מופעל במהלך מחזור שלם אחד של הפעלה/השבתה נקרא יחס מחזור (duty cycle). לכן, יחסי מחזור גבוהים יותר תומכים בזרמי עומס גבוהים יותר.

ממירי Buck סינכרוניים

ביישומים הדורשים נצילויות גבוהות יותר מהאפשריות עם‏ Buck אסינכרוני, מתכננים יכולים לפנות אל ממיר Buck‏ סינכרוני‏ בו דיודת השוטקי (Schottky) מוחלפת על ידי MOSFET סינכרוני (איור 2‏). ל-MOSFET הסינכרוני‏ (S₂) יש ‏התנגדות מצב-מופעל נמוכה משמעותית מההתנגדות של השוטקי (Schottky), וכתוצאה מכך יש הפסדים נמוכים יותר ונצילות גבוהה יותר, אך במחיר גבוה יותר.

אתגר אחד הוא שיש עכשיו‏ שני טרנזיסטורי MOSFET‏ שיש להפעיל ולהשבית בתאום. אם שני טרנזיסטורי ה-MOSFET‏ הם במצב מופעל בו-זמנית, זה יוצר קצר‏ במעגל על ידי חיבור מתח הכניסה ישירות לארקה, ובכך לגרום נזק או להרוס את הממיר. מניעת הדבר מלקרות מגדילה את מורכבות מעגל הבקרה, מוסיפה עלות נוספת ומאריכה את זמן התכנון בהשוואה לתכנון אסינכרוני.

מעגל בקרה זה ב-Buck סינכרוני משלב ‘זמן מת’ בין מעברי מיתוג כששני המתגים מושבתים לזמן קצר מאוד כדי למנוע הולכה בו-זמנית. למזלם הרב של המתכננים, קיימים מעגלים-משולבים ספק-הכוח המשלבים את טרנזיסטורי ההספק MOSFET ומעגלי הבקרה הדרושים כדי ליצור ממירי Buck.

איור 2‏: טופולוגיית ממיר Buck סינכרוני מראה את ההחלפה של דיודת השוטקי (Schottky) ב-MOSFET יישור סינכרוני‏ (S₂). (מקור תמונה: ROHM Semiconductor)

מעגלים-משולבים ממיר Buck משולבים

דוגמאות של מעגלים-משולבים ממיר Buck משולבים ביותר הן התקני BD9G500EFJ-LA‏ (אסינכרוני) ו-BD9F500QUZ (סינכרוני) של ROHM, שבאים במארזים HTSOP-J8 ו-VMMP16LZ3030, בהתאמה (איור 3‏). ה-BD9G500EFJ-LA‏ הוא בעל מתח ‏עמידות של 80 וולט ומיועד לשימוש עם אפיקי כוח של ‎48 V, שנמצאים בתחנות בסיס 5G,‏ שרתים ויישומים דומים. הוא גם מתאים עבור מערכות עם אפיקי כוח של ‎60 V כמו אופניים חשמליים, כלי עבודה חשמליים, FA, והתקני IoT‏. הוא יכול לספק זרם יציאה של עד 5‎ A‏ והוא בעל נצילות המרה של 85% בתחום זרם היציאה שלו של 2 עד 5‎ A.‏ מאפיינים מובנים כוללים הגנות אתחול-רך, מתח-יתר, זרם-יתר, כיבוי תרמי והשבתת תת-מתח.

איור 3‏: המעגל-המשולב ממיר Buck אסינכרוני BD9G500EFJ-LA‏ בא במארז HTSOP-J8 והמעגל-המשולב Buck סינכרוני BD9F500QUZ בא במארז‏ VMMP16LZ3030. (מקור תמונה: ROHM Semiconductor)

מאחר ולמעגל-המשולב ספק-כוח Buck סינכרוני BD9F500QUZ יש‏ מתח פריצה של 39 וולט, מתכננים של מערכות עם אפיקי כוח של V‏ 24‏ יכולים להשתמש בו כדי להקטין עלויות מערכת על ידי הקטנת שטח הרכבה ומספר רכיבים במערכות FA כגון בקרים לוגיים ניתנים לתכנות (PLCs) ומהפכים. ה-BD9F500QUZ מקטין גודל פתרון בערך ב-60% ותדר המיתוג המקסימלי של 2.2‎ MHz מאפשר את השימוש במשרן‏ קטן של 1.5 מיקרו-הנרי (μH‏). ממיר Buck‏ סינכרוני זה עובד בנצילות של עד 90% עם זרם יציאה של ‎3 A.

השילוב של נצילות גבוהה ומארז יעיל תרמית משמעותו שטמפרטורת העבודה שלו היא בסביבות 60 מעלות צלזיוס (C°) ללא הצורך בגוף קירור כלשהו, ובכך חוסכים מקום, משפרים אמינות ומקטינים עלויות. מאפיינים מובנים כוללים פונקציית פריקה של קבל יציאה, הגנות מתח-יתר, זרם-יתר, קצר מעגל, כיבוי תרמי והשבתת תת-מתח.

בחירת המשרן והקבל

אף-על-פי של-BD9G500EFJ-LA ול-BD9F500QUZ יש טרנזיסטורי הספק MOSFET משולבים, מתכננים עדיין צריכים לבחור את משרן וקבל היציאה האופטימליים, שקשורים זה לזה.. לדוגמה, הערך האופטימלי של השראות הוא חשוב כדי להשיג את הגדלים המשולבים הקטנים ביותר של המשרן וקבל היציאה, כמו גם אדוות מתח יציאה נמוכה מספיק. דרישות טרנזיינט הן חשובות גם כן ומשתנות ממערכת למערכת. משרעת טרנזיינט העומס, מגבלות סטיית מתח ועכבת קבל, לכולן השלכות על ביצועי טרנזיינט ובחירת קבל.

למתכננים יש מספר טכנולוגיות קבל זמינות, כל אחת מהן מציעה סט‏ שונה של פשרות עלות וביצועים. בדרך כלל, קבלים קרמיים רב-שכבתיים (MLCCs‏) משמשים עבור קיבולת היציאה בממירי Buck, אך תכנים מסוימים יכולים להפיק תועלת משימוש בקבלים אלקטרוליטיים אלומיניום או קבלים אלקטרוליטיים היברידיים פולימר מוליך.

ROHM הפכה את תהליך הבחירה של משרן וקבל לפשוט יותר על ידי הצעת דוגמאות מעגלי יישום שלמות למתכננים בגיליונות הנתונים של המעגלים-המשולבים ספק-כוח האלה, כולל:

• מתח כניסה, מתח יציאה, תדר מיתוג וזרם יציאה
• שרטוט מעגל
• מפרט חומרים (BOM) מוצע עם ערכים, מק"טים ויצרנים
• צורות-גל עבודה

שלושה מעגלי יישום מפורטים עבור ה-BD9G500EFJ-LA‏, כולם עם תדר מיתוג של‏ 200 קילו-הרץ (kHz):

• 7 עד 48‎ V_DC כניסה, עם יציאה של ‎5.0 V_DC ב-5‎ A
• 7 עד 36‎ V_DC כניסה, עם יציאה של ‎3.3 V_DC ו-5‎ A
• 18 עד 60‎ V_DC כניסה, עם יציאה של ‎12 V_DC ו-5‎ A

שבעה מעגלי יישום מפורטים עבור ה-BD9F500QUZ:

• 12 עד ‎24 V_DC כניסה, עם יציאה של 3.3‎ V_DC ו-5‎ A, עם תדר מיתוג של 1‎ MHz
• 12 עד ‎24 V_DC כניסה, עם יציאה של 3.3‎ V_DC ו-5‎ A, עם תדר מיתוג של 600‎ kHz
• ‎5 V_DC כניסה, עם יציאה של 3.3‎ V_DC ו-5‎ A, עם תדר מיתוג של 1‎ MHz
• ‎5 V_DC כניסה, עם יציאה של 3.3‎ V_DC ו-5‎ A, עם תדר מיתוג של 600‎ kHz
• ‎12 V_DC כניסה, עם יציאה של 1.0‎ V_DC ו-5‎ A, עם תדר מיתוג של 1‎ MHz
• ‎12 V_DC כניסה, עם יציאה של 1.0‎ V_DC ו-5‎ A, עם תדר מיתוג של 600‎ kHz
• ‎12 V_DC כניסה, עם יציאה של 3.3‎ V_DC ו-3‎ A, עם תדר מיתוג של 2.2‎ MHz

נוסף לכך, ROHM מציעה למתכננים דף יישומים על “סוגי הקבלים המשמשים עבור החלקת יציאה של מיצבים ממותגים ואמצעי זהירות שלהם.”

לוחות הערכה מאיצים את תהליך התכנון

כדי להאיץ עוד יותר את תהליך התכנון, ROHM מציעה את לוחות ההערכה BD9G500EFJ-EVK-001 ו-BD9F500QUZ-EVK-001 עבור ה-BD9G500EFJ-LA‏ וה-BD9F500QUZ, בהתאמה (איור 4‏).

איור 4‏: לוחות ההערכה BD9G500EFJ-EVK-001 (שמאל) ו-BD9F500QUZ-EVK-001 (ימין) עבור המעגלים-המשולבים ממיר Buck‏ BD9G500EFJ-LA ו-BD9F500QUZ, בהתאמה, עוזרים למתכננים להבטיח במהירות שההתקנים עומדים בדרישות שלהם. (מקור תמונה: ROHM Semiconductor)

ה-BD9G500EFJ-EVK-001 מייצר יציאה של‏ ‎5 V_DC מכניסת‏ ‎48 V_DC. תחום מתחי הכניסה של ה-BD9G500EFJ-LA‏ הוא ‏7 עד ‎76 V_DC, ומתח היציאה שלו ניתן להגדרה באמצעות נגדים חיצוניים מ-‎1 V_DC עד 0.97‎ x V_IN. ניתן גם להשתמש בנגד חיצוני כדי לקבוע את תדר העבודה בין 100 ל-‏650‎ kHz.

לוח ההערכה BD9F500QUZ-EVK-001 מייצר יציאה של‏ ‎1 V_DC מכניסה של‏ ‎12 V_DC. תחום מתחי הכניסה של ה-BD9F500QUZ הוא ‏4.5 עד ‎36 V_DC, ומתח היציאה שלו ניתן להגדרה באמצעות נגדים חיצוניים מ-‎0.6 עד 14‎ V_DC. למעגל-המשולב ספק-כוח זה יש שלושה תדרי מיתוג ניתנים-לבחירה; ‎600 kHz‏‏, MHz‏ 1‏ ו-MHz‏ 2.2‏.

שיקולי פריסה של לוח

שיקולי הפריסה הכלליים של לוח המעגל המודפס כשמשתמשים ב-BD9G500EFJ-LA‏ ו-BD9F500QUZ כוללים:

1. דיודת ה-Freewheeling וקבל הכניסה צריכים להיות על אותה שכבת לוח מעגל מודפס כמו הדקי המעגל-המשולב וקרוב ככל האפשר למעגל-המשולב.
2. יש לכלול מעברים ((Vias) קדחי חיבור בין שכבות נחושת) תרמיים בכל פעם שאפשר כדי לשפר פיזור חום.
3. למקם את המשרן וקבל היציאה קרוב ככל האפשר למעגל-המשולב.
4. להרחיק פסי מוליך מעגל במסלול חוזר ממקורות רעש, כגון המשרן והדיודה.

פרטי פריסה יותר ספציפיים ניתן למצוא בגיליונות הנתונים של ההתקנים המתאימים ובדף היישומים של ROHM על “טכניקות פריסה PCB של ממיר Buck‏”.

מסקנה

כמתואר, ניתן להשתמש בממירי Buck‏ אסינכרוניים וסינכרוניים כדי לספק נצילויות המרה גבוהות יותר בהשוואה למיצבים ליניאריים במגוון יישומי FA‏, IoT‏ ו-5G‏. אף-על-פי שאפשר לתכנן ממירי Buck‏ מותאמים במיוחד עבור תכן נתון, זו משימה מורכבת וגוזלת זמן.

במקום זה, מתכננים יכולים לבחור במעגלים-משולבים ספק-הכוח המשלבים את MOSFET ההספק יחד עם מעגלי הבקרה והדחיפה כדי ליצור פתרונות קומפקטיים ומשתלמים. כמו כן, לרשות המתכננים עומדים מגוון כלים כדי להאיץ את זמן היציאה לשוק, כולל דפי יישומים על בחירת קבל ופריסת לוח מעגל-מודפס, דוגמאות מעגלי יישום מפורטות ולוחות הערכה.

קריאה מומלצת

1. יסודות: הבנת המאפיינים של סוגי קבלים כדי להשתמש בהם נכון ובביטחון
2. כיצד ליישם בצורה נכונה את התקני ההספק הנכונים כדי לעמוד בדרישות ספק-כוח תעשייתי