פשט תכנון ספק כוח על ידי שימוש ב-Matrix ספק כוח ממותג (SMPS)

מתכננים של מוצרים או התקנים אלקטרוניים בהכרח יזדקקו לספק כוח מתאים. עם התקני הספק הנעים בין עשרות ואט למספר קילוואט (kW‏‏), יכול להיות מאתגר למצוא את הרכיבים הנכונים. עם אלפי אפשרויות, התאמת מיישרים, בקרי הספק, מתגים ודוחפי שער, הבעיה יכולה להאט את תהליך התכנון, ובכך להוסיף עלויות ולהעמיד בסכנה לוחות זמנים.

דרך אחת לפשט עניינים היא‏ להתחיל עם‏ קו התקני הספק אינטליגנטיים של ספק מהימן ולהשתמש בכלים המקוונים שלו כדי לסייע בקבלת החלטות מיטביות. לדוגמה, מטריצה של רכיבי ספק כוח ממותג (SMPS) המאורגנת על פי יישום, טופולוגיה, התקנים ומאפיינים קריטיים יכולה להאיץ את הבחירה ואת תהליך התכנון.

מאמר זה דן בקצרה בתכנון SMPS. אחר כך הוא מציג מטריצת רכיב‏י SMPS מבית onsemi‏ המקשרת בין מיישרי גשר, בקרים, דוחפי שער ומתגי הספק התואמים עם כל רמת הספק של יישום. המאמר מסביר את הגדרות המוצר הקריטיות ומספק דוגמאות לשימוש במטריצה כדי לפשט בחירת רכיבים.

תכנון SMPS

חשוב על האלמנטים העיקריים של SMPS בסיסי המוזן על ידי רשת AC ומיועד ליישום אספקת מתח ‏(PD) ‏USB עם רמת הספק של ‎100 W (איור 1). הקו או הצד הראשוני של האספקה בדרך כלל צריך‏ מיישר, בקר‏ תיקון גורם-הספק (PFC‏), בקר‏ הספק, מבדד אופטי (optocoupler), דוחפי שער ומתגי הספק. הצד השניוני צריך בדרך כלל בקר‏ מיישר סינכרוני (SRC), מתגי מיישר סינכרוני (SR), בקר‏ USB PD‏ ומבדד אופטי (optocoupler).

איור 1: מוצגים הרכיבים העיקריים של SMPS‏‏ W‏ 100‏ אופייני. (מקור תמונה: onsemi‏, מותאם על ידי הכותב)

הרכיבים עבור תכנון זה מתאימים לרמת ההספק. מתכננים חייבים לבחור את טופולוגיות הצד הראשוני של PFC‏ ובקרת הספק, וטופולוגיות הצד השניוני של מיישר ומייצב. בהתאם להחלטות אלה, הם יכולה אחר כך לבחור את הרכיבים הבדידים.

זהו‏ היכן ה-onsemi SMPS Matrix‏ מסייע בבחירת רכיבי ספק הכוח (איור 2‏).

איור 2: מוצג‏ SMPS Matrix אינטראקטיבי המסייע למתכננים לבחור רכיבים אקטיביים בהתאם לקטגוריית ההספק והטופולוגיות המועדפות. (מקור תמונה: onsemi‏)

ה-SMPS Matrix מבסס את אפשרויות התכנון על רמת וצפיפות ההספק, המופיעות בשתי העמודות הראשונות משמאל. רמות ההספק הגבוהות ביותר נמצאות למעלה והן קטנות בכיוון מטה. כלולות רמות הספק מ-‎5 W עד יותר מ-3‎ kW. כיוון שצפיפות הספק‏ היא מדד ההספק ליחידת נפח, צפיפות הספק אולטרה-גבוהה מניבה‏ ספק כוח קטן יותר ממארז צפיפות-גבוהה. חלופה לשתי אפשרויות האריזה הללו היא מארז הפרופיל-הנמוך. ה-Matrix קובע את רמת המתח של ספק הכוח פרופורציונלית לרמת ההספק.

לכל רמת הספק המצויינת ב-Matrix יש שורה עד שלוש שורות של רכיבים‏ מומלצים המתאימים לאפשרויות צפיפות הספק, מספקות רכיבים נבחרים עבור טופולוגיות הצד הראשוני והשניוני. נתונים המסומנים ב-N/A מציינים שהנתון אינו ישים לאותה רמת הספק וצפיפות ספציפית.

עמודת המיישרים מכילה את רכיבי מיישרי הגשר המומלצים לרמת ההספק התואמת. במקרים מסוימים, הנתון הוא חסר גשר. זה קורה כשאין צורך במיישר גשר כי רכיב אחר, כמו Totem Pole PFC‏, החליף את הפונקציה שלו. נתוני ה-“fast leg” ו-“slow leg” בשדות ה-PFC‏ מזהים במהירות בקרי Totem Pole PFC‏. לבקרי PFC‏ אלה יש מתגי slow leg הפועלים בתדר הרשת, בעוד מתגי ה-fast leg פועלים בתדר גבוה יותר, ‏תדר המיתוג אופייני יותר.

ה-Matrix מציע טופולוגיה ראשונית מבוססת על רמת ההספק הרצויה. היא ממליצה התקני בקרה עם אחת‏ מארבעת הטופולוגיות הנפוצות: Flyback‏ (ממתג‏), Flyback הידוק אקטיבי‏ (ACF‏), Flyback מעין-תהודה (QR‏) או משרן-משרן-קבל (LLC).

ממיר ה-Flyback‏ הוא ‏טופולוגיית ספק כוח מבודדת, ללא חיבור חשמלי ישיר בין הצד הראשוני לשניוני. כשהתקן מתג אספקת-הכוח נכבה, המשרן המצומד מעביר אנרגיה מהראשוני לשניוני. בקרת מתח הממיר נשמרת על ידי שימוש במיתוג אפנון רוחב פולס (PWM) בתדר קבוע.

תכן ה-ACF משתמש בעיקרון ה-flyback של משרן מצומד כדי להעביר אנרגיה מהראשוני לשניוני. בנוסף הוא משתמש בהתקן אקטיבי כדי לפרוק או להדק את השראות הדליפה של המשרן המצומד‏ אל קבל כדי להקטין מאמץ על מתג ההספק MOSFET‏.

טופולוגיית ה-QR Flyback‏ משתמשת בהשראות וקיבוליות הפרזיטית של המעגל כדי להשיג תגובה ‏קרובה-לתהודה ולהפעיל את מתג ההפעלה במינימום מתח השפך (drain). ‘מיתוג רך’ זה מקטין את הפסדי המיתוג של הממיר. תדר המיתוג המתקבל אינו קבוע ומשתנה עם העומס.

ממיר ה-LLC משתמש בתגובת תהודה מלאה כדי להבטיח מיתוג מתח שפך באפס אמיתי. הוא מקטין הפסדי מיתוג אפילו בתנאים ללא-עומס ומתאים היטב עבור רמות הספק גבוהות יותר.

הבקרים המומלצים מקובצים סביב טווחי הספק ספציפיים, משתמשים בממתג (Switcher‏) עבור רמות ההספק הנמוכות ביותר, ב-QR‏ ו-ACF‏ עבור ספקים בתחום-הביניים, ובממירי ה-LLC עבור רמות הספק גבוהות יותר.

ה-Matrix כולל דיאגרמות בלוקים SMPS מפורטות, המתארות את החיבורים בין הרכיבים עבור אחד עשר תכנים ספציפיים, המכסים חמש רמות וצפיפויות הספק שונות הקיימות בתגים מקוטלגים (איור 3‏).

איור 3‏: ה-Matrix כולל דיאגרמות בלוקים SMPS מפורטות עבור אחד עשר תכנים ספציפיים, המכסים חמש רמות וצפיפויות הספק שונות הקיימות בתגים מקוטלגים. (מקור תמונה: onsemi‏)

לאחר בחירת רמת וצפיפות ההספק, ניתן לבחור את הרכיבים משורות רמת ההספק המתאימה והעמודות הספציפיות לטופולוגיה של ה-Matrix. הקלקה על מספרי הרכיבים המקושרים פותחת תצוגה מורחבת של ה-Matrix, היכן שהמספרים המודגשים מקושרים אל מק"טים של DigiKey‏ (איור 4‏).

איור 4‏: הקלקה על כל מספר חלק מקושר ב-Matrix המקורי פותחת Matrix משני מורחב עם קישורים למספרי חלקים של DigiKey. (מקור תמונה: onsemi‏)

כל הרכיבים הרשומים בשורה ובטופולוגיה הנבחרת הם תואמים.

שימוש ב-Matrix

דוגמה מצוינת של רמת הספק ביניים להמחשה היא‏ ‎100 W SMPS עבור USB PD‏, דומה ליחידה שהוצגה קודם בדיאגרמת הבלוקים של איור 1. מהסתכלות על ה-Matrix, שורת רמת ההספק 70‎ W עד 200‎ W‏ מכסה את אספקת ה-100‎ W הדרושה. בחירת “High” בעמודת דירוג צפיפות ההספק מעלה את ה-Matrix המורחב עם קישורים לרכיבים הנחוצים (איור 5‏).

איור 5: המסגרות הירוקות מציינות ב-Matrix המורחב את בחירת הרכיבים עבור ‎100 W SMPS צפיפות-גבוהה. המק"טים הכחולים מקושרים אל דף מסנן מוצרים נלווה של DigiKey‏. (מקור תמונה: onsemi‏)

תקנות בינלאומיות, במיוחד באיחוד האירופי, דורשות שימוש ב-PFC‏ ברמות הספק של ‏75‎ W או יותר. בקר ה-PFC המומלץ כאן הוא ה-onsemi NCP1623. ה-NCP1623 הוא בקר PFC מגביר בעל גורם צורה קטן התומך במתאמי אספקת-כוח טעינה-מהירה וספקי כוח מחשב מודולריים עד ‎,300 W היכן שיחס עלות-תועלת, אמינות, גורם הספק גבוה ונצילות הן דרישות חיוניות. הוא דורש מיישר גשר חיצוני, ומומלצים ה-onsemi GBU6M או ה-GBU6K. מתג הספק PFC‏ תואם הוא ה-onsemi NTP125N60S5H,‏ ‏MOSFET‏ מהיר מדורג מתח שפך-למקור (drain-to-source)‏ מקסימלי (V_DSS) של‏ ‎600 V‏, זרם שפך‏ מקסימלי (I_D) של 22 אמפר (A‏), והתנגדות שפך-מקור מצב-מופעל (R_DS(ON)) של‏ 125‏ מילי-אוהם (mΩ‏).

בקר הצד-הראשוני המומלץ הוא ה-onsemi NCP1343, בקר QR Flyback‏ תדר-גבוה. זהו בקר אידיאלי עבור מתאמי AC/DC‏ וספקי כוח מסגרת-פתוחה כיוון שהוא משלב את כל הרכיבים הדרושים בתכן SMPS מודרני. הוא מתואם עם מתג ההספק NVD260N65S3 המדורג 650‎ V_DSS,‏ ‎12 A I_D ו-R_DS(ON) של 260‎ mΩ.

ה-onsemi NPC4307‏ הוא דוחף יישור סינכרוני בצידו השניוני של ספק הכוח. הוא מבטיח יישור סינכרוני יעיל כשמשתמשים בו עם מתג ה-MOSFET‏ onsemi NTMFSC010N08M7 המדורג ‎80 V_DSS,‏ ‎61 A I_D ו-R_DS(ON) של ‎10 mΩ.

השלב העיקרי הסופי בתכנון הוא‏ בחירת בקר ה-USB PD‏ שיכול לנהל את המבדד האופטי (optocoupler) בצד השניוני של‏ מתאם AC/DC‏ או מייצב מתח יציאת‏ DC/DC. ה-Matrix מציע את בקר הפרוטוקול onsemi FUSB15101 PD3.0 (עם תמיכת ספק כוח ניתן לתכנות (PPS) ‏USB) ביציאת ספק הכוח תוך שימוש ב-‏MOSFET תעלת-N ‏onsemi NTTFS4C02NTAG מדורג ‎30 V_DSS ו-‎164 A I_D. ה-R_DS(ON) שלו הוא ‎2.25 mΩ ב-‎10 V ו-‎3.1 mΩ ב-‎4.5 V‏.

תחום מתחי היציאה של ספק הכוח המתקבל, הזמין כלוח הערכה onsemi NCP1343PD100WGEVB, הוא ‎3.1 V עד ‎21 V (איור 6). ‎הנצילות הממוצעת שלו היא 92% בכניסות של 115‎ V או 230‎ V_AC. הוא מתאים בתוך מארז במידות 60 x 60 x‏ 19‏ מ"מ ולו‏ צפיפות הספק של‏ ‎24 W לאינץ' מעוקב (W/in.³).

איור 6: מוצגים מבטים מלמעלה (שמאל) ומלמטה (ימין) של תכן ספק כוח הייחוס onsemi 100 W USB PD המבוסס על רכיבים שנבחרו תוך שימוש ב-SMPS Matrix. (מקור התמונה: onsemi‏)

סיכום

ה-onsemi SMPS Matrix מספק‏ מסלול קל לשימוש לבחירת רכיבי ספק כוח, שמבטיח את הבחירה של רכיבים קריטיים תואמים המתאימים לרמת ההספק של התכן. הוא מקצר את הזמן הדרוש למצוא חלקים ומספק קישורים מיידיים לגליונות נתונים והצעות מחיר.