מינוף דוחפי שער חצי-גשר לא-מבודדים עם הארקה צפה

מתכנני מוצרים חייבים לאזן בין מספר אילוצים - חתימת-שטח, עלות, אמינות וזמן יציאה לשוק. אתגר מפתח הוא בחירת ספק-כוח שמתאים למקומות הצרים הנדרשים עבור יישומים מודרניים.

דרגות הספקת-כוח קומפקטיות עם ביצועים עיליים נשענות על פתרונות דוחפי שער מהירים ואמינים. פתרונות אלה הם מדוחפי צד-נמוך פשוטים ועד לגרסאות מבודדות לחלוטין המתאימות עבור סביבות מתח גבוה. עבור תכנים רבים, דוחפי שער לא-מבודדים עם הארקה צפה מציעים נתיב יעיל להצלחה.

דוחפי שער פועלים כמתווכים בין אותות בקרה בהספק-נמוך - לעיתים ממיקרו-בקר או בקר אפנון רוחב-פולס (PWM) - ומתגי הספק-גבוה המווסתים את זרימת האנרגיה. הם מבטיחים מיתוג נקי, מהיר ומדויק כדי למטב את הספקת-הכוח.

בחירת דוחף השער הנכון כרוכה בהערכת דרישות המתח והזרם, הטופולוגיה ותדר המיתוג. דוחף מותאם-היטב משפר את הנצילות, דיוק התזמון והיציבות התרמית - כולם קריטיים עבור מערכות קומפקטיות עם ביצועים עיליים.

יתרונות טופולוגיית חצי-גשר

טופולוגיית חצי-גשר היא גישה נפוצה בהמרת הספק מודרנית, המאפשרת ייצוב מתח יעיל בתכנים קומפקטיים. היא מסתמכת על שני התקני מיתוג במהירות גבוהה - בדרך כלל טרנזיסטורי MOSFET או טרנזיסטורים ביפולריים עם שער-מבודד (IGBTs‏) - המשנים את מתח הכניסה בתכנים מבודדים ומזינים שנאי או לחלופין מזינים ישירות את העומס במערכות לא-מבודדות. טופולוגיה זו מוערכת בזכות הנצילות שלה והאפשרות לאופטימיזציה תרמית.

IC‏ דוחף שער משחק תפקיד חיוני בבקרת מתגים אלו, ופועל כממשק בין הבקר לבין דרגת ההספק. הוא מתרגם אותות PWM לאותות דחיפת זרם גבוה, ומבטיח מיתוג מהיר ומדויק של הטרנזיסטורים צד-גבוה וצד-נמוך. פעולה מהירה ויעילה זו ממזערת אובדן אנרגיה ומשפרת את ביצועי המערכת הכוללים.

במעגל חצי-גשר, מקור MOSFET צד-גבוה מתחבר לצומת המיתוג, המשתנה במהירות בין הארקה (V‏ 0‏) למתח הכניסה (לדוגמה, V‏ 12‏, V‏ 48‏, וכו') על בסיס מחזור המיתוג. עם דוחף שער לא-מבודד עם הארקה צפה, דוחף צד-גבוה "צף" עם המתח בצומת המיתוג ומאפשר מעברים נקיים ויעילים.

כאשר בידוד אינו נדרש, וקומפקטיות, מהירות ונצילות הן בראש סדר העדיפויות, דוחפי שער חצי-גשר לא-מבודדים עם הארקה צפה מספקים פתרון אידיאלי. דוחפים אלה, המתוכננים לבקר מתגי MOSFET צד-גבוה וצד-נמוך כאחד, חוסכים את מורכבות הבידוד תוך הבטחת ביצועי מיתוג מדויקים. מכיוון שהם אינם מספקים הפרדה גלוונית בין לוגיקת הבקרה לבין דרגת ההספק, הם פועלים בצורה הטובה ביותר במערכות שבהן לכל הרכיבים יש הארקה משותפת.

יצירת מתח דחיפת השער הנדרש עבור ה-MOSFET צד-גבוה מסתמכת בדרך כלל על קבל Bootstrap‏. קבל זה נטען כאשר מתג צד-נמוך הוא פעיל ומספק כוח כאשר מתג צד-גבוה מופעל.

כאשר ה-MOSFET צד-נמוך מוליך, צומת המיתוג נמשך להארקה ומאפשר למעגל דיודה-קבל קטן לטעון את קבל Bootstrap‏ מפס ההספקה. כאשר ה-MOSFET צד-גבוה צריך להיות מופעל, הדוחף משתמש במטען מאוחסן זה כדי לדחוף את השער למתח גבוה יותר לעומת צומת המיתוג - לעתים קרובות גבוה יותר ב- V‏ 10‏ עד V‏ 15‏.

על המתכננים לוודא שמתג צד-נמוך מופעל בתדירות מספקת כדי לטעון מחדש את קבל ה-Bootstrap‏. ביישומים בעלי יחס-מחזור גבוה, ייתכן שיהיה צורך באמצעי זהירות נוספים, כגון בחירת ערך הקבל הנכון ומזעור ירידת המתח על פני דיודת ה-Bootstrap‏.

על ידי מינוף ארכיטקטורת Bootstrap‏ ועקיבה אחר מתח צומת המיתוג, דוחפי חצי-גשר לא-מבודדים עם הארקה צפה חוסכים את מורכבות הבידוד תוך אבטחת בקרת צד-גבוה חסונה. הפשטות והיעילות שלהם הופכות אותם למתאימים היטב עבור יישומי מיתוג בתדר גבוה כמו ממירי Buck‏ ו-Boost‏, מיצבים סינכרוניים, דוחפי מנועים ומגברי אודיו Class-D.

בחירת IC‏ דוחף שער הנכון

בחירת דוחף השער הנכון היא חיונית להבטחת פעולה יעילה, אמינה ובטוחה של דרגת ההספק, במיוחד ביישומי מיתוג במהירות גבוהה כמו ממירי Buck, מנועים ומערכות אנרגיה סולארית. בעוד שיסודות דחיפת שער חלים באופן נרחב, קריטריוני בחירה מסוימים הופכים קריטיים במיוחד בהתאם לדרישות המערכת.

במערכות המרת אנרגיה סולארית ומערכות מוזנות סוללות, למשל, דוחף השער חייב להתאים עצמו לשינויים רחבים במתח הכניסה ולתנאי עומס משתנים. דירוגי מתח צד-גבוה עם שולי ביטחון מספיקים הם הכרחיים לעמידה בפלוקטואציות פס הספקת-כוח מלאות ולהבטחת אמינות ארוכת-טווח.

חסינות טרנזיינטי אופן-משותף (CMTI‏) מהווה שיקול מפתח נוסף. אירועי מיתוג מהיר יכולים ליצור הפרשי מתח תלולים בין טרנזיסטורי MOSFET צד-גבוה לצד-נמוך, הגורמים לרעש ו-Ringing‏. דוחפי שער עם CMTI‏ גבוה מעניקים יציבות טובה יותר בסביבות רועשות חשמלית.

זרם דחיפה שיא הוא חשוב בדיוק באותה מידה, במיוחד ביישומי הספק גבוה. על הדוחף לספק די זרם כדי לטעון במהירות את שער ה-MOSFET ולהתגבר על קיבוליות פרזיטית, להפחית את הפסדי המיתוג ולשפר את הביצועים התרמיים.

לבסוף, בקרת זמן מת ממלאת תפקיד מכריע בתצורות חצי-גשר. ללא שיהוי קצר בין כיבוי מתג אחד להפעלת השני, יכול להתרחש Shoot-Through‏ - כאשר שני טרנזיסטורי ה-MOSFET מוליכים בו-זמנית. דוחפי שער רבים משלבים אפשרויות הגדרת זמן מת מובנות או מתכווננות כדי למנוע בעיה זו ולאפשר פעולה בטוחה ויעילה בתנאי עומס משתנים.

משפחת LTC706x‏ של ADI‏

הפשטות ויכולות המיתוג במהירות גבוהה של דוחפי חצי-גשר לא-מבודדים עם הארקה צפה הופכות אותם לפתרון אופטימלי עבור תכנים רבים. .Analog Devices, Inc‏ (ADI‏) מציעה מגוון של התקני מתח-גבוה עתירי-מאפיינים המתוכננים עבור יישומים תובעניים.

דוחפי שער חצי-גשר לא-מבודדים עם הארקה צפה LTC706x של ADI (איור 1) מציעים פתרונות ורסאטיליים לעמידה בדרישות המרת הספק במהירות גבוהה ובמתח גבוה. התקנים אלה, המשרתים מגוון רחב של יישומים, החל מתחום הרכב ועד לבקרה תעשייתית, מספקים בקרת תזמון מדויקת, הגנה מפני Shoot-Through‏ ודחיפה חזקה בתוך מארזים קומפקטיים.

איור 1: גורם הצורה של דוחפי חצי-גשר לא-מבודדים עם הארקה צפה LTC706x‏ של ADI‏. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

מוצרי ADI, המספקים מגוון אפשרויות המתאימות עבור דרישות המתח, הלוגיקה והפריסה, עוזרים למתכננים להשיג את האיזון הנכון בין ביצועים ברמת המערכת לבין פשטות. כולם תומכים ב-MOSFETs תעלת-N‏ כדי לספק התנגדות מצב-מופעל (_ON‏RDS‏) נמוכה יותר, מהירויות מיתוג גבוהות יותר ויכולות טיפול בזרם גבוה יותר בהשוואה ל-MOSFETs תעלת-P‏.

שני התקנים תומכים במתח הספקה מקסימלי של V‏ 100‏:

• ה-LTC7060‏ ממוטב עבור מערכות המסתמכות על כניסת PWM יחידה עם יכולת שלושה-מצבים (Tri-State‏) המאפשרת לו להפיק את תזמון דחיפת השער צד-גבוה וצד-נמוך מקו בקרה אחד. זה מפשט את ממשקי הבקר הדיגיטלי ומפחית את מספר הפינים לשימוש ביישומים מוגבלי-מקום. אופן כניסת שלושה-מצבים גם מאפשר מצב אימפדנס גבוה בטוח, המוסיף שכבה של טולרנס תקלה בתנאי תקלה מסוימים. זוהי בחירה טובה עבור מתכננים המעדיפים פשטות וקומפקטיות.
• ה-LTC7061‏ מתוכנן עבור יישומים המספקים כניסות לוגיקה CMOS או TTL עצמאיות עבור מתגי צד-גבוה וצד-נמוך. גישת כניסה-כפולה זו מאפשרת גמישות ובקרה רבה יותר על התזמון - דבר בעל ערך רב במיוחד במערכות בהן הזמן המת מנוהל חיצונית על ידי מיקרו-בקר או בקר PWM. עבור מתכננים הזקוקים לבקרה הדוקה על התנהגות המיתוג או על מימוש אסטרטגיות תזמון מותאמות-במיוחד, ה-LTC7061 מציע ממשק סתגלני יותר עם גמישות בקרה עבור כוונון הביצועים.

עבור יישומים בהם מתחי הכניסה עולים על V‏ 100‏ - כגון דוחפי מנועים תעשייתיים, פסי V‏ 48‏ ברכב או תשתיות Power-over-Ethernet - המתכננים יכולים לנצל שתי אפשרויות התומכות במתחי הספקה מקסימליים של V‏ 140‏:

• ל-LTC7063‏ יש כניסת PWM בעלת שלושה מצבים, המאפשרת בקרה על טרנזיסטורי MOSFET צד-גבוה וצד-נמוך גם יחד באמצעות אות כניסה יחיד. תצורה זו מפשטת את ממשק הבקרה, שכן פין ה-PWM קובע את מצב ה-MOSFETs על סמך רמת המתח שלהם. המתכננים עשויים להעדיף זאת עבור יישומי הספק גבוה הנהנים מממשק בקרה פשוט, מספר פינים מופחת ומורכבות ניתוב אותות מופחתת על לוחות מעגלים מודפסים צפופים. יישום מעשי אחד של ה-LTC7063 הוא בתכן ממיר מוריד-מתח 2:1 עם עומס מרוחק (איור 2). תצורה זו, הפועלת ממתח כניסה של עד V‏ 80‏, מספקת מחצית ממתח הכניסה (_IN‏V‏ ½‏) לעומס מקסימלי של A‏ 5‏.

איור 2: תכן ממיר מוריד-מתח עם עומס מרוחק המשתמש בדוחף שער חצי-גשר לא-מבודד עם הארקה צפה LTC7063. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

• ה-LTC7066‏ מקבל כניסות רמות-לוגיקה CMOS/TTL עצמאיות עבור דוחפי צד-גבוה וצד-נמוך, ומספק אותות בקרה נפרדים עבור כל MOSFET‏. זה מאפשר בקרה מדויקת וגמישה, ומאפשר למתכננים לנצל באופן מלא את היתרונות של תזמון, זמן מת והתנהגות המיתוג. זה הופך אותו לאידיאלי עבור מערכות עם בקרה דיגיטלית עם כוונון-עדין, כגון אלו המשתמשות בבקרים דיגיטליים בעלי ביצועים עיליים או FPGAs.

בין אם הם פועלים בסביבות מתח נמוך או גבוה, כל התקן בסדרה כולל הגנות חיוניות ופרמטרי כוונון המסייעים למתכננים להפיק ביצועים מקסימליים מדרגות ההספק.

כל מוצר מעניק הגנת Shoot-Through‏ אדפטיבית כדי למנוע מ-MOSFETs צד-גבוה וצד-נמוך להוליך בו-זמנית. בנוסף, כל התקן תומך בזמן מת מתכוונן, המאפשר למתכננים לכוונן את השיהוי בין מעברי המיתוג כדי למזער הפסדים ולמנוע מוליכות-צולבת מבלי להתפשר על הנצילות. נעילת תת-מתח (UVLO) היא מאפיין נפוץ נוסף, המבטיח שדוחף השער יפעל רק כאשר מתחי ההספקה נמצאים בתוך תחום ספי הבטיחות.

בהיבט הביצועים, כל התקני LTC706x מציעים אימפדנס דוחף שער חזק עם ערכי Pull-Up‏ טיפוסיים של Ω‏ 1.5‏ וערכי Pull-Down‏ טיפוסיים של Ω‏ 0.8‏. זה מאפשר טעינת ופריקת שער מהירות - קריטי עבור מיתוג מהיר, בקרת תזמון מדויקת והפחתת הפסדי מיתוג ביישומי מהירות גבוהה.

עבור יישומים בעלי יחס-מחזור גבוה, בהם שיטות Bootstrap‏ קונבנציונליות אינן מספקות, המתכננים יכולים לשקול טכניקות דחיפת שער חלופיות. יש צורך לשקול את הפשרות של כל חלופה מבחינת המורכבות, נצילות ועלות. דוחפי שער מבודדים, לדוגמה, משתמשים בשנאים או מבודדים דיגיטליים כדי לספק מתחי דחיפת שער עצמאיים, ובכך מבטלים את הצורך במנגנוני טעינה Bootstrap‏, בעוד שספקי ממתח ישיר יכולים לספק מתח דחיפת שער יציב ללא תלות במחזורי המיתוג.

סיכום

ביישומי הספק גבוה בהם מהירות, נצילות ותכן קומפקטי הם בעלי חשיבות עליונה, דוחפי שער חצי-גשר לא-מבודדים עם הארקה צפה מספקים פתרון אופטימלי עבור בקרת טרנזיסטורי MOSFET צד-גבוה וצד-נמוך גם יחד. הודות למינוף מעגל Bootstrap‏ כדי לייצר את מתח דחיפת השער הדרוש, דוחפים אלה מבטלים את המורכבות של תכנים מבודדים תוך שמירה על ביצועי מיתוג מדויקים. משפחת מוצרי LTC706x של ADI מספקת מגוון פתרונות ורסאטיליים כדי לענות על הדרישות של המרת הספק במהירות גבוהה ובמתח גבוה.