הפכו את הנצילות לנושא העיקרי עם מייצב המתח הממותג הנכון

הנצילות היא בעלת חשיבות עליונה בכל הנוגע לבחירת מייצב המתח הממותג הנכון. יכולת הספקת-כוח אמינה בפורמט קטן נדרשת עבור ההתקנים הממוזערים של ימינו.

דרישה בסיסית של תכן אלקטרוני היא היכולת לייצר מתחים יציבים המסוגלים לספק כמויות משמעותיות של זרם. מייצבים ממותגים הם מרכיב חיוני עבור יצירת מתחי הספקה יציבים ותרגום מתחים מעלה או מטה.

אפשר לקרוא למייצבי מתח ממותגים בשמות שונים: ממתגים (Switcher‏) או מתגים, ספקי-כוח ממותגים (SMPS‏), מייצבי או ממירי DC/DC‏. הפופולריות ממשיכה לגדול הודות ליתרונות שהם מציעים עבור דרישות המרת הספק עם נצילות גבוהה יותר, הגמישות של יציאה יציבה ממקור מתח כניסה יחיד, והיכולת להפיק מתחי יציאה רבים בעלי קוטבית שונה.

סוגי הממירים הממותגים הנפוצים ביותר הם:

• Boost‏, מתח הכניסה מוגבר ומאוכשר עבור היציאה
• Buck‏, מתח הכניסה מונחת ומאוכשר עבור היציאה‏
• Buck-boost‏, מתח הכניסה מוגבר או מונחת עם אפשרות לקוטביות שלילית
• Flyback‏, סוג של Buck-Boost‏ המספק גם בידוד גלווני

מייצבי מתח ליניאריים עם מתח קבוע ומתכוונן

במשך שנים רבות, תכני ספקי כוח הסתמכו על מייצבי מתח לינאריים, שהוכיחו את עצמם כמצוינים בהספקת יציאת מתח קבוע רציף. ישנם מייצבי מתח לינאריים אחרים, כמו ה-LM317‏, שהם מתכווננים.

סוגי מייצבי מתח יציאה לינארי וקבוע פופולריים הם אלו של סדרות מתח יציאה חיובי 78xx‏ ומתח יציאה שלילי 79xx‏. מייצבי מתח אלה מייצרים יציאה יציבה בתחום של V‏ 5‏ עד V‏ 24‏.

מייצבי מתח לינאריים אינם ספקי-כוח ממותגים. למייצבי מתח יש את היתרון של פשטות ועלות נמוכה. יש להם בדרך כלל יציאת הספק של מתחת ל-W‏ 10‏, הנצילות שלהם נוטה להיות נמוכה יותר, ולכן הם מייצרים חום, ויש להם תכונות של אדווה ורעש נמוכים. למייצבים ליניאריים יש ייצוב עם הורדת-מתח בלבד, בעוד ש-SMPS‏ יכול לספק ייצוב עם העלאת-מתח, הורדת-מתח והיפוך מתח הכניסה באמצעות רכיבי Buck‏, Buck-Boost‏ ו-Boost‏.

מערכות ספקי-כוח ממותגים

מרבית ההתקנים המודרניים, כמו טלוויזיות, מחשבים אישיים, דוחפי מנועי DC‏ ומגברי הספק דורשים SMPS‏ מתקדמים עם נצילות גבוהה, המשתמשים בטכניקות מיתוג מוליכים-למחצה במקום שיטות לינאריות סטנדרטיות עבור הספקת מתחי יציאה. הממיר הממותג הבסיסי מורכב מדרגת מיתוג הספק וממעגל בקרה.

הודות לפיזור הספק נמוך יותר, ל-SMPS‏ יש את היתרון של נצילות גבוהה יותר על ידי מיתוג פנימי של טרנזיסטור (או MOSFET להספק) בין מצבי "ON‏" רוויה לבין "OFF‏" ניתוק.

מייצבים ממותגים Buck‏

סדרת BD9x‏ של ROHM Semiconductor‏ מספקת למתכננים ממירי Buck‏ DC/DC‏ עם נצילות גבוהה, אופציה קומפקטית עבור יישומים הדורשים המרת הספק יעילה, כולל תכני רכב ותעשייה. סדרת BD9x‏ מציעה תכן מפושט עם מספר רכיבים מופחת החוסך מקום ומייעל את תהליך הייצור. זרם ההמתנה הנמוך שלהם מאפשר הארכת חיי הסוללה ביישומים ניידים תוך שמירה על מתח יציאה יציב עבור ביצועים אמינים, כדוגמת מייצב ממותג Buck‏ BD9A201FP4-LBZTL‏ (איור 1‏).

איור 1‏: מייצב ממותג Buck‏ BD9A201FP4-LBZTL‏ מספק מתח יציאה יציב (מקור התמונה: ROHM Semiconductor‏)

מייצב ממותג Buck‏ BD9E105FP4-ZTL‏ (איור 2‏), שהוא בעל יציאה מתכווננת יחידה, הוא מייצב זרם ישר המתוכנן במיוחד עבור צורכי מתחים נמוכים יותר. עם MOSFETs להספק עם התנגדות מצב-מופעל נמוכה וממיר DC/DC‏ Buck‏ סינכרוני, המייצב BD9E105FP4-ZTL‏ מעניק נצילות גבוהה ביותר בתנאי עומס-קל. הוא אידיאלי עבור התקנים וציוד הדורשים צריכת הספק מינימלית באופן-המתנה.

עם היענות טרנזיינטים טובה, הוא מציע חתימת-שטח קטנה על ה-PCB‏ ועדיין מעניק צפיפות הספק גבוהה במארז קטן, מושלם עבור מכשירי חשמל ביתיים כגון מקררים ומזגני-אוויר, התקני טלקומוניקציה, מתאמים וציוד הספקת כוח משני.

איור 2: ניתן לספק צורכי מתח נמוך יותר עם המייצב הממותג Buck‏ BD9E105FP4-ZTL. (מקור התמונה: ROHM Semiconductor)

מייצבים ממותגים Boost‏

המייצב הממותג MP3414AGJ-Z‏ הוא בעל יציאה מתכווננת והפרופיל הצר שלו מועיל עבור יישומי הרכבה משטחית כאשר המקום הוא מוגבל. הוא מסוגל לבצע בקלות בתחום הטמפרטורות של 40°C ~ +125°C- והוא יכול להתחיל לפעול ממתח כניסה הנמוך עד כדי V‏ 1.8‏ תוך מתן הגנה מפני זרם התנעה וקצר ביציאה (SCP).

היכולת לפעול באופן זרם סינכרוני תוך שמירה על נצילות גבוהה היא הכרחית כאשר נדרש ממיר מעלה-מתח עם ניתוק יציאה. כמו כן, אין צורך בדיודת שוטקי (Schottky‏) חיצונית, שכן הנצילות שופרה עם מיישר סינכרוני תעלת-P‏ משולב. מאפיין ניתוק יציאה כאשר ה-MP3414A‏ מכובה מאפשר פריקה מלאה תוך צריכת זרם הספקה של פחות מ-μA‏ 1‏ באופן כבוי.

קטן יותר הוא טוב יותר

ניתן לממש פחות רכיבים חיצוניים באמצעות ה-MP3414A. הוא משתמש בתדר מיתוג של MHz‏ 1‏ כדי לאפשר רכיבים חיצוניים קטנים יותר, בעוד שמאפיין האתחול הרך שלו ממזער את מספר החלקים החיצוניים. הוא יכול לטפל בתחומי עומס זרם רחבים. בנוסף, ה-MOSFET להספק המשולב תומך בזרם מיתוג שיא מעל A‏ 3‏ עם יציאה המגיעה ל-V‏ 5.5‏.

הורסאטיליות ותחום ההספק הרחב בתוך גודל קומפקטי הם אידיאליים עם יישומים כמו מוצרי סוללת Li חד-תאית, כולל פורמטי אלקליין שני-תאים ושלושה-תאים, NiMH או NiCd. ציוד היקפי לאלחוט, אביזרי משחקים, התקנים רפואיים אישיים ונגני מדיה ניידים כולם נהנים מממיר מעלה-מתח כדוגמת ה-MP3414A.

הטכנולוגיה מתקדמת במהירות, והיא נעשית יותר ויותר קומפקטית. בהשוואה ל-SOP-J8, ה-MP3414AGJ-Z במארז TSOT23‏ הוא קטן בכ-72%, מה שמאפשר הפחתה משמעותית של חתימת-השטח (איור 3).

איור 3: ככל שהרכיבים מתוכננים קטן יותר ויותר, יש צורך במזעור סוגי המארזים כמו ה-TSOT23. (מקור התמונה: ROHM Semiconductor)

מקסום הנצילות תוך הפחתת צריכת ההספק

הצורך במזעור הוא כוח מניע קבוע, ובמקביל לכך קיים הצורך לשמור על אמינות ויעילות הספקת הכוח. המייצב הממותג Buck‏ BD9E202FP4-ZTL‏ מספק יציאה מתכווננת והספק אמינים בתכן קומפקטי (איור 4‏).

איור 4: ה-BD9E202FP4-ZTL הוא מייצב ממותג Buck‏ המספק הספק אמין בתכן קטן וקומפקטי יותר. (מקור התמונה: ROHM Semiconductor)

אמנם ייתכן שיש תפיסה שהקטנה פירושה ויתור על יכולות עומס או העברת הספק אמינה, אך זה לא המקרה. ה-BD9E202FP4-ZTL אכן מספק נצילות המרה גבוהה תוך שהוא תורם לדרישת צריכת הספק נמוכה יותר (איור 5).

הודות לזרם אופן-המתנה נמוך, התקנים מוזני-סוללות יכולים להפיק תועלת מצריכת הספק מינימלית כשהם לא פעילים. כמו כן, מתן אפשרות לפעולה יעילה במהלך עומסים קלים מושגת באמצעות בקרת זמן-מצב-מופעל-קבוע.

איור 5: המתכננים מחפשים ממירי DC/DC עם נצילות גבוהה היכולים לספק ביעילות ובאמינות. (מקור התמונה: ROHM Semiconductor)

ממירי Flyback עבור AC/DC ו-DC/DC

ממיר Flyback‏ הוא ממיר Buck-Boost‏ המשלב שנאי Flyback‏. הוא משמש בהמרת הן AC/DC והן DC/DC, כאשר יש בידוד גלווני בין כל היציאות לכניסה, ומציע הכפלה של יחסי המתח עם יתרון נוסף של בידוד.

ממיר הספק מבודד כולל בקרת אופן מתח ובקרת אופן זרם כשתי סכמות הבקרה שלו. במרבית המקרים, בקרת אופן זרם צריכה להיות דומיננטית עבור יציבות הפעולה.

ממירי DC-ל-DC‏ Buck-Boost‏

ממיר DC-DC טיפוסי עם מתח יציאה שהוא גדול יותר או קטן יותר ממתח הכניסה הוא ממיר Buck-Boost‏. יצירת מתחים שליליים אפשרית גם כן. הוא דומה לממיר Flyback, אך במקום להשתמש בשנאי, הוא משתמש במשרן יחיד. במיוחד, ממיר Buck-Boost‏ מורכב משתי טופולוגיות שונות, כאשר שתיהן מייצרות תחום של מתחי יציאה, החל מגדול מהכניסה ועד לאפס.

נקראים לעיתים "קוצצים", ספקי DC/DC‏ כוללים מעגלי Buck-Boost‏, המתפקדים או כממיר מעלה-מתח או כממיר מוריד-מתח, בהתאם ליחס המחזור.

מסקנות

המרת הספק יעילה עבור תכני הרכב והתעשייה של ימינו אינה יכולה לתפקד ללא מייצבי מתח ממותגים. ככל שהתכנים של היום הופכים קומפקטיים יותר, הדרישה לרכיבים ורסאטיליים ויעילים השומרים על רמות הספק עקביות מעולם לא הייתה גדולה יותר.

בעוד שמייצבי מתח ממותגים עשויים להופיע תחת שמות שונים - SMPS, ממתג (Switcher‏) DC/DC, מייצב או ממיר - ROHM מציעה מגוון רחב של אפשרויות קומפקטיות עבור יישומים שונים הדורשים המרת הספק יעילה.