היתרונות של אפנון תדר פולסים עבור ממירי מתח ממותגים DC/DC

הנפוצות של ממירי מתח ממותגים DC/DC נובעת בעיקר מהייצוב בנצילות הגבוהה שלהם בתחום רחב של מתחי כניסה וזרמי יציאה בהשוואה למייצבים ליניאריים. למרות זאת, בעומסים נמוכים יותר, הנצילות יורדת ככל שזרם הרגיעה של המעגל-המשולב (IC) של הממיר עצמו הופך לתורם משמעותי להפסדי המערכת.

יצרנים מובילים של רכיבי הספקת-כוח מציעים כעת מגוון של ממירים ממותגים עם "אופן-כפול" העובר אוטומטית משיטת הייצוב הנפוצה של אפנון רוחב פולס (PWM) לטכניקת אפנון תדר פולסים (PFM) בסף זרם מוגדר-מראש, בכדי לשפר את הנצילות בעומסים נמוכים.

מאמר זה מתאר כיצד עובד PFM, מסביר את היתרונות שלו וכמה מהחסרונות שלו, ואחר כך שוקל כיצד כמה מיצרני הסיליקון מיישמים את הטכניקה במעגלי הספקת-הכוח המשולבים.

PWM לעומת PFM

‏PWM היא לא הטכניקה היחידה עבור ייצוב היציאה של ממיר ממותג. במקום לשנות את יחס המחזור של גל ריבועי בתדר קבוע בכדי לייצב את הספקת הכוח, ניתן גם להשתמש ביחס-מחזור קבוע ולאפנן את תדר הגל הריבועי (PFM) להשגת ייצוב. ממירי מתח DC/DC המצוידים בבקרת מצב-מופעל-קבוע או מצב-מופסק-קבוע הם דוגמאות טיפוסיות לארכיטקטורת PFM.

דוגמה שנייה לארכיטקטורת PFM הוא מה שנקרא ממיר מתח היסטרטי המשתמש בשיטה פשוטה עבור הייצוב בה ה- MOSFET מופעל ומופסק בהתבסס על שינויי מתח היציאה אותם חש הממיר. ארכיטקטורה זו מכונה לפעמים "מייצב אדווה" או "בקר Bang-Bang" מאחר והוא מסיע את מתח היציאה הלוך וחזור לערך שהוא מעט מעל או מתחת לנקודה שהוגדרה. ההיסטרזיס משמש לשמירה על פעולה צפויה ולמנוע Chatter במתגים. מאחר וארכיטקטורה היסטרטית משנה את אות הדחיפה לרכיבי ה- MOSFET בהתבסס על תנאי הפעולה של המעגל, תדר המיתוג משתנה.

ארכיטקטורות PFM אכן מציעות כמה יתרונות עבור המרת DC/DC, כולל נצילות המרה טובה יותר בהספק נמוך, עלות פתרון כוללת נמוכה יותר וטופולוגיות ממירים פשוטות שאינן דורשות רשתות קיזוז-חוג-בקרה, אך הן נפוצות פחות מאשר התקני PWM בשל כמה חסרונות בולטים.

הראשון הוא בקרת EMI. מעגלי סינון עבור ממיר ממותג קלים הרבה יותר לתכנון מאשר אלו עבור התקן הפועל בתחום רחב של תדרים. השני, ארכיטקטורות PFM נוטות להוביל לאדוות מתח גדולה יותר ביציאה העלולה לגרום לבעיות עבור הסיליקון הרגיש המסופק. השלישי, פעולת PFM בתדר נמוך (או אפילו אפס) מגדילה את זמן התגובה לטרנזיינטים של הממיר הממותג, העלול להוביל לתגובה איטית ולאכזבה אצל צרכנים בכמה יישומים נישאים.

למרות זאת, על ידי שילוב התכונות של ארכיטקטורת PWM עם אלו של התקן PFM בממיר ממותג מונוליתי עם "אופן-כפול", יצרנים יכולים להציע פתרון עם נצילות גבוהה על פני מלוא תחום הפעולה. החששות מפני הפרעות EMI הנלוות ל- PFM מרוככות במידה רבה מאחר והגורם שבשורשן של הפרעות אלו הוא המיתוג המהיר בזרמים גבוהים ובמתחים גבוהים, בעוד שבשבבי אופן-כפול הפעולה בתדר משתנה משמשת רק בפעולה בזרם נמוך ובמתח נמוך.

הפסדי אנרגיה במייצבי מתח ממותגים

הטכניקה הנפוצה ביותר בייצוב המתח של התקן ממותג הוא השימוש במתנד ובבקר PWM בכדי לייצר גל פולס ריבועי הממתג את רכיב ה- MOSFET הפנימי (או רכיבי ה- MOSFET בהתקן אסינכרוני) של היחידה בתדר מוגדר שהוא בדרך כלל בתחום של מאות מגה-הרץ. (תדרים גבוהים יותר מאפשרים רכיבים מגנטיים קטנים יותר במחיר של אתגרי הפרעות אלקטרומגנטיות [EMI] גדולים יותר.) מתח היציאה של המייצב הוא פרופורציונלי ליחס המחזור של צורת גל ה- PWM.

הטכניקה עובדת היטב בדרך כלל, אך הנצילות יורדת בעומסים נמוכים. בכדי להבין מדוע, ראוי לבחון היכן ההפסדים, אותה אנרגיה הנצרכת בכניסת מייצב המתח ואינה מועברת לעומס ביציאה, נגרמים.

ישנם ארבעה מקורות עיקריים להפסדים במייצב ממותג. הראשון הוא ההפסד הדינמי בשל האנרגיה המשמשת לטעינה ופריקה של קיבוליות שער ה- MOSFET, והוא הגבוה ביותר כאשר הטרנזיסטור(ים) פועל(ים) בתדר גבוה. הפסדי מיתוג אלו נוצרים כאשר זרם זורם דרך תעלת המקור-מרזב בעוד שישנו הפרש מתח משמעותי על פניה. הפסדי MOSFET אחרים נוצרים כאשר עוברים זרמים גבוהים דרך ההתנגדות שאינה אפס בתעלה של האלמנטים של מיתוג הכוח. (זאת הסיבה שיצרנים של רכיבי הספקת-כוח עובדים כה קשה כדי להפחית את "התנגדות-מצב-מופעל" של מוצריהם).

בנוסף לרכיבי המיתוג, הרכיבים הפסיביים במעגלי המייצב הממותג נוטים גם כן לנצילות נמוכה. במשרן, ההפסדים נובעים מההולכה (בליפופים) ומהליבה המגנטית. בקבלים, ההפסדים הם בדרך כלל אלו המיוחסים להתנגדות הטורית האקוויולנטית (ESR) של ההתקן, לתדר הפעולה שלו ולזרם העומס.

ישנן שתי דרכים ליישם מייצב ממותג. המהנדס יכול לבנות התקן מאפס תוך שימוש ברכיבים בדידים או שהוא יכול לבסס את ספק-הכוח על מעגלים-משולבים (IC) רבים של ממירים הזמינים מיצרני הסיליקון העיקריים כגון Texas Instruments,‏ Linear Technology‏ ו- Fairchild Semiconductor. היתרון של המודולים הוא שתהליך התכנון הוא פשוט יותר. (ראה המאמר ב- TechZone "מייצבי מתח DC/DC: איך לבחור בין תכן בדידים לתכן מודולרי.")

בכל מקרה, המעגל-המשולב (IC) של הממיר עצמו תורם להפסדים הכוללים של המייצב הממותג. לדוגמה, דרושה אנרגיה מסוימת בכדי לספק זרמי ממתח קדמי עבור המגברים, המשוונים והייחוסים, אך ההפסדים הדומיננטיים של המעגל-המשולב (IC) הם אלו הקשורים למתנד ולמעגלי הדחיפה הפנימיים של בקר ה- PWM. הפסדים אלו אינם משמעותיים באופן יחסי כאשר המייצב הממותג נתון תחת עומס גבוה, אך ככל שהעומס קטן, ההפסדים הקשורים במיתוג ובהתקנים הפסיביים החיצוניים קטנים בעוד שאלו הקשורים במעגל-המשולב (IC) של הממיר נשארים קבועים.

תכונה זו מציגה כעין דילמה עבור המתכנן של מוצר נישא. המהנדס נתון תחת הלחץ של ניהול תקציב הסוללה, כך שהבחירה של מייצב ממותג עם נצילות גבוהה (בהשוואה, לדוגמה, למייצב לינארי) נראית הבחירה הברורה. (ראה המאמר ב- TechZone "טכניקות תכנון להארכת חיי סוללות ליתיום-יון (Li-Ion).") בכל מקרה, מוצרים נישאים נמצאים במשך תקופות משמעותיות באופני הספק נמוך של "מצב-המתנה" או "שינה", בהם הדרישה מהממיר הממותג היא מועטה והוא פועל בנצילות נמוכה באופן יחסי.

התקן נישא-ביד טיפוסי עשוי למשוך זרם של אמפר אחד כאשר הוא בפעולה מלאה אך דורש פחות ממילי-אמפר אחד כשהוא באופן מצב-המתנה או שינה. בהתחשב בכך שהמעגל-המשולב (IC) של הממיר יכול לצרוך עד כמה מילי-אמפרים פשוט כדי לשמר את מצב הפעולה שלו, אין זו הפתעה שנצילות ההמרה היא נמוכה בתנאי עומס נמוך מאחר וזרם הרגיעה של המייצב מייצג חלק משמעותי מהעומס הכולל.

שיפור הנצילות

בכדי להתמודד עם ההפסדים הדומיננטיים (כלומר, אלו הקשורים במתנד ובמעגלי הדחיפה הפנימיים של בקר ה- PWM), המתכנן יכול לבחור אחד מתוך הממירים הממותגים הרבים עם אופן-כפול הקיימים בשוק. התקנים אלו משלבים פעולת PWM רגילה עם טכניקת PFM (אשר היא בדרך כלל עם תדרים משתנים שהם לרוב נמוכים יותר מאשר התדר הקבוע הרגיל בפעולת PWM).

כאשר ממיר ממותג עם אופן-כפול פועל בזרמים בינוניים עד גבוהים, הוא עובד באופן הולכה-רציפה (בו הזרם במשרן לעולם אינו נופל לאפס). כאשר זרם העומס יורד, הממיר עשוי להתחלף לאופן לא-רציף (כאשר הזרם במשרן בכל זאת נופל לאפס בשל העומס הקל). בעומסים קלים, הממיר עובר לאופן PFM (הנקרא לעיתים "אופן חיסכון בהספק" [PSM] על ידי יצרנים). יצרנים אחרים לוקחים את הפעולה בתדר-משתנה לקיצוניות על ידי עצירת המתנד לחלוטין (נקרא לעיתים "דילוג פולסים").

יש לציין כי השימוש ב- PFM בעומסים נמוכים אין משמעותו שהממיר הממותג משתמש בארכיטקטורת PFM, אלא שהוא מנצל ארכיטקטורת PWM המסוגלת להשתמש בפעולת PFM כאשר היא נדרשת.

בתנאי עומס קל, הקבל ביציאת הממיר הממותג יכול לשמור על מתח היציאה למשך זמן מסוים בין פולסי המיתוג. במקרה האידיאלי, ניתן לכבות לגמרי את המתנד בתנאים של ללא-עומס ומתח היציאה יישאר קבוע הודות למצב הטעון של קבל היציאה. למרות זאת, הפסדים פרזיטיים מרוקנים את הקבל והמעגל דורש, לפחות מידי פעם בפעם, פולסים ממתגי הספקת-הכוח בכדי לשמר את מתח היציאה המיוצב תחת ייצוב.

במהלך פעולת PFM הספקת-הכוח ביציאה היא פרופורציונלית לתדר הממוצע של רכבת הפולסים, והממיר פועל כאשר מתח היציאה יורד מתחת למתח היציאה המוגדר כפי שנמדד על ידי חוג בקרת המשוב. תדר מיתוג הממיר מוגדל עד שמתח היציאה מגיע לערך הטיפוסי בין מתח היציאה המוגדר ו- 0.8 עד 1.5 אחוז מעל למתח היציאה המוגדר (איור 1 מדגים את הטכניקה).


איור 1: ‏PFM משנה את תדר רכבת הפולסים הריבועיים עם יחס מחזור קבוע בכדי לעמוד בדרישות העומס.

תופעות לוואי של פעולת PFM

לעיתים קרובות ניתן לצפות בגידול באדוות מתח היציאה כאשר הממיר הממותג עובר לאופן PFM, בשל הצורך בפס אפיצות (ולא בנקודת אפיצות קבועה) בכדי לחוש מתי מתגי הכוח צריכים להיות מופעלים שוב. אם משתמשים בפס אפיצות צר יותר, הממיר ממותג בתדירות רבה יותר, ולכן החיסכון בהספק יורד. המהנדס צריך להחליט מהי הפשרה הטובה ביותר בין שיפור הנצילות בעומס נמוך לבין אדוות יציאת מתח מוגדלת. איורים 2א ו- 2ב מדגימים את ההבדל באדוות המתח עבור ממיר ממותג הפועל באופני PWM ו- PFM, בהתאמה.


איור 2: אדוות מתח עבור פעולות אופן PWM (א) ואופן PFM (ב) (באדיבות חברת Analog Devices).

במהלך טרנזיינטים בעומס, כל ממיר ממותג יציג מידה מסוימת של Overshoot בזמן טרנזיינט עומס מגבוה-לנמוך או Undershoot בזמן טרנזיינט עומס מנמוך-לגבוה. במקרה של ממיר הפועל באופן PSM, רמת העומס היא גם כך נמוכה, כך שהטרנזיינט הבא יהיה מזרם נמוך-לגבוה (אשר בדרך כלל מתאים למעבר מאופן שינה לאופן אקטיבי). העומס המוגדל על יציאת המייצב גורם לעיתים קרובות ל"צניחת מתח-היציאה" עד שלחוג הממיר יש זמן להגיב.

כמה ממירים ממותגים כוללים אמצעי להקטנה למינימום של צניחת מתח זו. ה- TPS62400 מבית TI משתמש ב"מיקום מתח דינמי". במהלך פעולת PSM, נקודת ההגדרה של מתח היציאה מוגדלת מעט (לדוגמה, ב- 1 אחוז) בכדי להקדים את טרנזיינט צניחת המתח המידית המתרחשת כאשר העומס עולה בפתאומיות. זה מונע ממתח היציאה מליפול מתחת לחלון הייצוב הרצוי במהלך טרנזיינטים התחלתיים של העומס.

מספר התקנים מציעים גם שיפור שניתן להשתמש בו בכדי לאזן את הפשרה בין היענות טובה לטרנזיינטים (הטובה ביותר באופן PWM) לבין צריכת הספק נמוכה (הטובה ביותר באופן PSM). השיפור הוא אופן ביניים אשר המהנדס יכול ליישם תוך שימוש בפקודות I²C למעגל-המשולב (IC) של הממיר והמציע היענות טובה יותר לטרנזיינטים מאשר באופן PSM, אך הוא בעל נצילות טובה יותר מאשר PWM. אופן הביניים היא אופציה טובה עבור מערכת העוברת מעומס גבוה לעומס נמוך ביותר (לדוגמה, אופן שינה).

PFM בשבבים מסחריים

פעולת PFM בעומסים נמוכים יכולה להקטין את זרם הרגיעה של המעגל-המשולב (IC) ממספר mA ל- μA בודדים. איור 3 מראה את נצילות המרת הכוח של הממיר הממותג TPS62400 כאשר הוא פועל באופן PWM בהשוואה לאופן PSM ברמות עומס נמוכות.


איור 3: שיפורים בנצילות כאשר מיישמים PSM עבור ה- TPS62400 מבית TI.

מאיור 3 ניתן לראות כי בעוד שאופן PWM שומר על נצילות טובה מעל mA ‏100, השימוש ב- PSM מגדיל את הנצילות לבין 80 עד 90 אחוז אפילו בזרמי עומס של מתחת ל- mA ‏1. אם הממיר פועל באופן PWM במהלך עומסים קלים כאלו, זרם הפעולה שלו יהיה גבוה יותר משמעותית מאשר זרם העומס, כשהתוצאה היא נצילות המרה עלובה ביותר (הרבה מתחת ל- 30 אחוז).

חברת Analog Devices מציעה מספר ממירים ממותגים עם אופן PSM. כאשר אופן זה נכנס לפעולה, ההיסט המושרה ברמת הייצוב של ה- PWM גורם למתח היציאה לעלות, עד שהוא מגיע בערך ל- 1.5 אחוז מעל רמת הייצוב של ה- PWM, נקודה בה פעולת ה- PWM מופסקת: שני מתגי ההספק הם במצב-מופסק, והרכיב נכנס למצב סרק. לקבל היציאה מתאפשר להתפרק עד אשר _OUT‏V יורד למתח הייצוב של ה- PWM. ההתקן דוחף אז את המשרן, וגורם ל- _OUT‏V לעלות שוב לסף העליון. תהליך זה חוזר על עצמו כל עוד זרם העומס הוא מתחת לסף זרם ה- PSM.

מייצב המתח ADP2108 של החברה משתמש ב- PWM בכדי לשפר את הנצילות מ- 40 ל- 75 אחוז עם מתח כניסה של V ‏2.3 וזרם יציאה של mA ‏10. השבב הוא ממיר מוריד-מתח ('Buck') ‏MHz ‏3 המציע יציאה של V ‏3.3 מכניסה של 2.3 עד V ‏5.5 וזרם של עד mA ‏600. איור 4 מציג את הנקודה בה מתרחש המעבר בין PWM ל- PSM.


איור 4: סף המעבר בין PWM ל- PSM ב- ADP2108 מבית Analog Devices.

יצרני רכיבי הספקת-כוח אחרים מציעים גם ממירים ממותגים עם אופן-כפול. חברת Linear Technology מספקת את ה- LTC3412A, שהוא בעל "אופן פרץ (Burst)" כמו גם פעולת דילוג-פולסים לשיפור הנצילות בעומסים נמוכים. השבב הוא ממיר Buck המסוגל לפעול על פני תחום מתחי כניסה של 2.25 עד V ‏5.5 ומספק יציאה של 0.8 עד V ‏5 עם זרם של עד A ‏3.

אופן פרץ (Burst) הוא דוגמה לטכניקת PFM ביניים שתוארה לעיל המשפרת את הנצילות תוך שמירה על היענות סבירה לטרנזיינטים. לדוגמה, על ידי יישום אופן פרץ (Burst), הנצילות בזרם יציאה של mA ‏10 (V_IN 3.3 V, V_OUT 2.5 V) משופרת מ- 30 ל- 90 אחוז. ה- LTC3412A יכול גם לכלול אופן פעולת דילוג-פולסים קונבנציונלי אשר מקטין עוד יותר את הפסדי המיתוג בעומסים נמוכים.

הארכת חיי הסוללה

ממירים ממותגים מבוקרי-PWM הם הבחירה הנפוצה כאשר מהנדס התכנון צריך להאריך את חיי הסוללה במוצר נישא. בכל מקרה, חשוב לזכור כי מוצרים נישאים רבים נמצאים זמן רב באופני שינה עם הספק נמוך קרוב לנקודת הפעולה בה הממיר הוא בנצילות הנמוכה ביותר. למרות שהדרישה מהסוללה היא מועטה, בטווח הארוך הזרם מצטבר וחיי הסוללה מתקצרים.

הודות לשימוש בממיר המנצל ארכיטקטורת PWM אך נהנה גם מ- PFM או טכניקות PSM אחרות מתחת לסף עומס מסוים, המתכנן יכול להנות מהיתרונות של PWM בזמן פעולה רגילה, אך לשמר את קיבולת הסוללה במהלך תקופות ממושכות בהן התקנים נישאים רבים אינם בפעולה.