תכן מגביל זרם (Snubber) נגד-קבל (RC) עבור מתגי הספק

מתגי ההספק הם לב לבו של כל ממיר הספק. פעולתם תקבע ישירות את אמינות המוצר ואת יעילותו. במטרה לשפר את ביצועי מעגל המיתוג של ממירי ההספק, מוסיפים מגבילי זרם על גבי מתגי ההספק כדי לשכך את שיאי המתח ואת ההדהוד הנגרם על ידי השראות המעגל בעת פתיחת המתג. תכנון נכון של מגביל הזרם יכול להביא לאמינות גבוהה יותר, נצילות גבוהה יותר ורמת הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) נמוכה יותר. בין הסוגים הרבים והשונים של מגבילי הזרם (Snubber), מגביל הזרם נגד-קבל (RC) הוא מעגל מגביל הזרם הנפוץ ביותר. מאמר זה מסביר מדוע יש צורך במגביל זרם עבור מתגי הספק. מובאות בו גם כמה עצות מעשיות לתכן מגביל זרם מיטבי.

קיימות טופולוגיות רבות ושונות המשמשות בממירי הספק, דוחפי מנועים ומשנקי תאורה. איור 1 מציג ארבעה מעגלי מיתוג הספק בסיסיים. בכל ארבעת המעגלים הבסיסיים האלו, ובמרבית מעגלי מיתוג ההספק, קיימת רשת מתג-דיודה-משרן דומה המוצגת בתוך הקווים הכחולים. ההתנהגות של רשת זו זהה בכל המעגלים האלו. לכן, ניתן להשתמש במעגל מפושט, כמוצג באיור 2, לצורך ניתוח ביצועי המיתוג של מתגי ההספק במהלך טרנזיינט מיתוג. מאחר שהזרם במשרן כמעט ואינו משתנה במהלך טרנזיינט המיתוג, המשרן מוחלף במקור זרם כמוצג באיור. רמת המתח וצורת גל מיתוג הזרם האידיאליים של המעגל מוצגים גם הם באיור 2.

כאשר מתג ה- MOSFET עובר למצב-מופסק, המתח עליו עולה. עם זאת, הזרם I_L‎ ימשיך לזרום דרך ה- MOSFET עד שמתח המתג יגיע ל- Vol. הזרם I_L‎ יתחיל לרדת ברגע שהדיודה עוברת למצב-מופעל. כאשר מתג ה- MOSFET מופעל, המצב מתהפך, כמוצג באיור. סוג זה של מיתוג נקרא 'מיתוג קשיח'. במהלך טרנזיינט המיתוג יש לתמוך במתח המקסימלי ובזרם המקסימלי בו-זמנית. לכן, 'מיתוג קשיח' כזה חושף את מתג ה- MOSFET למאמצים גבוהים.


במעגלים מעשיים, מאמצי המיתוג גבוהים בהרבה עקב ההשראות (L_p‎‏) והקיבוליות (C_p‎) הפרזיטיות, כמוצג באיור 4. הערך C_p‎ כולל את קיבוליות היציאה של המתג ואת הקיבוליות התועה עקב מערך המעגל המודפס וצורת הרכבתו. הערך L_p‎ כולל את ההשראות הפרזיטית של המוליכים על לוח המעגל המודפס ואת השראות מוליכי ה- MOSFET. מצבים אלה של השראות וקיבוליות פרזיטיות מהתקני ההספק יוצרים מסנן הנכנס לתהודה מיד לאחר המעבר למצב-מופסק, ולכן גורם להדהוד מתח (Voltage Ringing) חריג על ההתקנים כמוצג באיור 3. כדי לשכך את מתח השיא, מגביל זרם (Snubber) ‏RC טיפוסי מיושם על המתג, כמוצג באיור 4. ערך הנגד חייב להיות קרוב לעכבת התהודה הפרזיטית שאותה הוא מיועד לשכך. קיבוליות מגביל הזרם חייבת להיות גדולה מקיבוליות מעגל התהודה, אך היא חייבת להיות קטנה דיה כדי לשמור את פיזור ההספק של הנגד במינימום.


כאשר פיזור ההספק אינו קריטי, קיימת גישת תכנון מהיר עבור מגביל הזרם נגד-קבל. בחר באופן אמפירי את הקבל C_snub של מגביל הזרם השווה לפעמיים סכום קיבוליות היציאה של המתג וקיבוליות ההרכבה המשוערת. הנגד R_snub‎ של מגביל הזרם נבחר כך ש: . אפשר להעריך את פיזור ההספק על R_snub‎ בתדר מיתוג (fs) נתון כ:



כאשר תכן פשוט ואמפירי זה אינו מגביל את מתח השיא באופן מספק, אזי יש ליישם את פרוצדורת המיטוב.

מגביל זרם RC ממוטב: במקרים שבהם פיזור ההספק הוא קריטי, יש להשתמש בגישת תכנון מיטבית יותר. מדוד תחילה את תדר ההדהוד (F_ring) בצומת מתג ה- MOSFET כשהוא במצב-מופסק. הלחם קבל מסוג ציפוי ‎100 pF בעל רמת ESR (התנגדות טורית שקולה) נמוכה על גבי ה- MOSFET. הגדל את הקיבוליות עד שתדר ההדהוד (Ringing) יהיה חצי מהערך המדוד המקורי. כעת, קיבוליות היציאה הכוללת של המתג (הקיבוליות המוספת פלוס הקיבוליות הפרזיטית המקורית) מוגדלת בפקטור של ארבע, כיוון שתדר ההדהוד עומד ביחס הפוך לשורש הריבועי של מכפלת ההשראות בקיבוליות המעגל. באופן זה, הקיבוליות הפרזיטית C_p‎ היא שליש מערך הקבל החיצוני שהוסף. כעת, ניתן לקבל את ההשראות הפרזיטית L_p‎ באמצעות המשוואה הבאה:



עם מציאת ההשראות הפרזיטית L_p‎ והקיבוליות הפרזיטית C_p‎‏, ניתן לבחור את הנגד R_snub‎ ואת הקבל C_snub‎ של מגביל הזרם על סמך החישוב הבא.





ניתן להמשיך ולסובב בעדינות את הנגד של מגביל הזרם כדי להפחית את ההדהוד במידה ונמצא שהוא אינו מספיק.

פיזור ההספק על R_snub‎ בתדר מיתוג נתון (‎f_s‎) הוא .

באמצעות כל הערכים שחושבו, התכן עבור מגביל הזרם של מתג ספק-הכוח הושלם וניתן לשלב אותו ביישום.