השתמשו במשרנים מצומדים בממירי Buck רבי-פאזות כדי לשפר את הנצילות

ממירי Buck רבי-פאזות משמשים באופן נרחב ביישומי V‏ 12‏ כגון מרכזי נתונים, מערכות בינה מלאכותית (AI) ותשתיות תקשורת. נושא משותף במקרי שימוש אלה הוא הצורך בשיפור הנצילות מבלי לפגוע בביצועים או להגדיל את חתימת-השטח הפיזית.

גישה מבטיחה אחת קשורה במשרנים מצומדים (CLs). באמצעות השראות הדדית בין פאזות, ה-CLs מאפשרים ביטול מעולה של אדוות הזרם, וכתוצאה מכך שיפורי נצילות משמעותיים תוך שמירה על תאימות עם פריסות קונבנציונליות.

מאמר זה מתאר בקצרה את אתגרי הנצילות והפריסה העומדים בפני מתכנני ממירי Buck רבי-פאזות. לאחר מכן הוא מציג את ה- CLs, תוצאות ניסיוניות המאמתות את שיפורי הנצילות, ומראה כיצד הם מיושמים בממירים של Analog Devices.

אתגר הנצילות של ממיר Buck‏ רב-פאזות קונבנציונלי

במערכות מחשוב ותקשורת בעלות ביצועים גבוהים, הפסדי נצילות בהספקת-הכוח יכולים להיות בעלי השפעות גדולות ביותר על עלות המערכת, אמינותה והניהול התרמי. מתכנני תכני Buck רבי-פאזות קונבנציונליים מתמודדים לעיתים קרובות עם אתגרים בהקשר זה, במיוחד בתנאי עומס קל שבהם הפסדי המיתוג ו-AC הופכים בולטים יותר.

במקביל, פריסת דרגות ההספק ואילוצים מכניים מגבילים את האפשרויות הזמינות לשיפור הביצועים. במערכות רבות יש מעט מקום להגדלת גודל הרכיבים, ושינויים בפריסת לוח המעגלים המודפסים (PC Board) עשויים לא להיות ברי ביצוע לנוכח אסטרטגיות נפוצות של חתימת-שטח.

כתוצאה מכך קיים עניין רב בגישות היכולות לספק נצילות גבוהה יותר מבלי לדרוש שינויים מהותיים בארכיטקטורת הספקת-הכוח. באופן אידיאלי, פתרונות כאלה ישמרו על אותה חתימת-שטח, יאפשרו שימוש בקיבוליות יציאה (_O‏C‏) קיימת, וישמרו על ביצועי טרנזיינטים על פני מגוון רחב של תנאי עומס.

CLs עונים על דרישות אלו על ידי מתן אפשרות להפחתת האדווה ושיפור הפסדי המיתוג, והכל באותו חתימת-שטח פיזית כמו תכנים קונבנציונליים.

כיצד CLs משפרים את המרת ההספק

CLS‏ מציעים דרך יעילה לשיפור הנצילות בממירי Buck רבי-פאזות מבלי לשנות את הפריסה. בניגוד לתכנים קונבנציונליים המתייחסים לכל פאזה כאל בלתי-תלויה חשמלית, ל-CLs יש מבנה מגנטי סטנדרטי המאפשר אינטראקציה בין פאזות.

שני פרמטרים עיקריים קובעים אינטראקציה זו: השראות זליגה (_k‏L‏) והשראות הדדית (_m‏L‏). השראות זליגה מתנהגת כמו השראות הפאזה (L) בתכנים מסורתיים, בעוד שהשראות הדדית מציגה צימוד מגנטי בין פאזות. ככל שהזרם עולה בפאזה אחת, הוא גורם למתח באחרות המתנגד לשינוי הזרם שלהן, וכתוצאה מכך ביטול משמעותי של זרם האדווה.

משוואות 1 ו-2 מגדירות את זרם האדווה הצפוי עבור תכני משרנים בדידים (DL) קונבנציונליים (_DL‏dIL‏) ותכני CL‏ (_CL‏dIL‏). זרמים אלה תלויים במתחי הכניסה והיציאה (_IN‏V‏, _O‏V‏), בהשראויות L‏, _k‏ ו-_m‏L‏, בתדר המיתוג (_S‏F‏) וב"ספרת האיכות" (FOM‏).

משוואה 1‏

משוואה 2‏

כאשר:

ρ‏ = מקדם הצימוד = L‏/_m‏L‏

D‏ = יחס המחזור

_pH‏N‏ = מספר הפאזות המצומדות

משוואה 3 מפרטת את החישובים עבור ה-FOM. משוואה זו מסכמת את מידת ביטול האדווה כפונקציה של פרמטרים שונים. ספציפית, ה-FOM תלוי ב-ρ‏, _pH‏N‏ ו-D‏.

משוואה 3‏

כאשר:

j‏ = floor‏ (D‏ ×‏ _pH‏N‏)

בעוד שה-FOM תלוי בגורמים רבים, מקדם הצימוד ρ משחק תפקיד משמעותי. כדי להמחיש נקודה זו כדאי לשקול דוגמה מעשית.

הערכת זרם אדווה עבור משרנים מצומדים

איור 1 ממחיש ערכי FOM עבור יישום עם _IN‏V‏ של V‏ 12‏ ו-_O‏V‏ של V‏ 1‏, כאשר D‏ של 0.083~ וערכי DL‏ קונבנציונליים של 100‏ ננו-הנרי (nH‏). כדי לשדרג תכן זה ל-CL תוך שמירה על ביצועי טרנזיינטיים עם אותו _O‏C‏, ה-_k‏L‏ עבור CL‏ חייב להיות nH‏ 100‏. זה משאיר את _m‏L‏ כמשתנה התכנון. ערכים גבוהים יותר של _m‏L‏ מובילים לאדווה נמוכה יותר, אך _m‏L‏ שמרני של nH‏ 260‏ הוא מספיק כדי להשיג את רוב היתרונות הרצויים.

איור 1: מוצגים ערכי FOM עבורCL‏ 4-פאזי עבור ערכי _k‏‏L‏/_m‏L‏ שונים כפונקציה של D; האזור המעניין מודגש. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

אפילו עם תכן שמרני למדי זה, הפחתת האדווה מספיקה כדי לאפשר תדרי מיתוג נמוכים יותר. זה מודגם באיור 2 אשר משווה את אדוות הזרם עבור תצורות משרנים ותדרי מיתוג שונים. הגרף מדגים כי CL הפועל בתדר של 400 קילוהרץ (kHz) שומר על אדווה נמוכה יותר בהשוואה לתכן קונבנציונלי ב-kHz‏ 800‏.

איור 2‏: אדוות הזרם עבור DL‏ = nH‏ 100‏ (kHz‏ 800‏) ו-CL‏ = 4‏ ×‏ nH‏ 100‏ (kHz‏ 800‏, kHz‏ 400‏) עבור _IN‏ = V‏ 12‏ כפונקציה של _O‏V‏. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

תדר המיתוג המופחת מתורגם ישירות להפסדי מיתוג נמוכים יותר, הכוללים הפסדי מיתוג של טרנזיסטורים, הפסדי זמן מת בדיודות גוף MOSFET, הפסדי התאוששות אחורנית והפסדי דחיפת שער. הפסדים תלויי-תדר אלה פוחתים באופן יחסי ככל שתדר המיתוג מופחת, וכתוצאה מכך משפרים משמעותיים את הנצילות.

שיפורי הנצילות בולטים לעין ביותר בעומסים קלים, שבהם הפסדי AC בולטים יותר בשל אופיים הקבוע ללא קשר לזרם היציאה. עם זאת, היתרונות משתרעים על פני כל תחום העומסים. איור 3 מציג תוצאות ניסיוניות המשוות מערכת בת 8 פאזות עם משרנים מצומדים בתדר kHz‏ 400‏ לעומת תכן קונבנציונלי בתדר kHz‏ 600‏, המדגימות שיפור של כ-1% בנצילות שיא ושיפור של 0.5% בעומס מלא.

איור 3: מוצגת השוואת נצילות מדודה של 8 פאזות של DL = 100 nH (עקומות מקווקוות) ו-nH‏ 100‏ ×‏ 4‏ = CL‏ ×‏ 2‏ (עקומות מלאות) עם אותה חתימת-שטח. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

שיפור הנצילות מבלי להתפשר על ההיענות לטרנזיינטים

ראוי לציין ששיפורי נצילות אלה מושגים מבלי לפגוע בביצועי טרנזיינטים. איור 4 ממחיש את התנהגות הטרנזיינטים של ממיר Buck עם 4 פאזות, תוך השוואת צורות גל מתכן עם 8 פאזות עם משרנים בדידים (DL = 100 nH ב-kHz‏ 600‏) ותצורה המשתמשת בשני CLs, שכל אחד מהם משרת 4 פאזות (nH‏ 100‏ ×‏ 4‏ = CL‏ ×‏ 2‏ ב-kHz‏ 400‏) עם V‏ 12‏ = _IN‏V‏, V‏ 0.9‏ = _O‏V‏ עבור צעדי עומס של A‏ 135‏. אותם קצב שינוי זרם ו-_O‏C‏ מניבים היענויות טרנזיינטים דומות.

איור 4‏: מוצג טרנזיינט עבור 8 פאזות DL = 100 nH‏ (kHz‏ 600‏) ו-nH‏ 100‏ ×‏ 4‏ = CL‏ ×‏ 2‏ (kHz‏ 400‏) עבור V‏ 12‏ = _IN‏V‏, V‏ 0.9‏ = _O‏V‏ עבור צעדי עומס של A‏ 135‏, אותו לוח, אותו _O‏C‏, אותם תנאים. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

בעוד שתדר המיתוג הנמוך יותר של ה-CL עשוי בדרך כלל להפחית את רוחב הפס של המשוב, שני גורמים פועלים בניגוד למגבלה זו: היתרונות האינהרנטיים בארכיטקטורה רבת-פאזות ומרווח הפאזה המשופר המסופק על ידי התכן המצומד. שיפור מרווח פאזה זה מתרחש משום שכל זרמי הפאזה המצומדים מגיבים בו-זמנית כאשר יחס המחזור משתנה בתגובה לאירוע טרנזיינט בפאזה אחת.

הפסדים נמוכים יותר מובילים לביצועים תרמיים טובים יותר, אשר בתורם יכולים לשפר את האמינות לטווח ארוך עם אפשרות להפחית את דרישות הקירור במערכות מוגבלות תרמית. כל היתרונות הללו מושגים תוך שמירה על תאימות עם פריסות קיימות.

בחירת רכיבים עבור ממירי Buck רבי-פאזות

כדי לממש ממיר Buck רב-פאזות יעיל, יש למקד את תשומת הלב בשלושה רכיבים עיקריים: בקר מייצב המתח, המעגל המשולב (IC) של דרגת ההספק, וה-CL. הבקר מנהל את תזמון וסנכרון הפאזות, דרגת ההספק מטפלת במיתוג זרם גבוה, וה-CL מאפשר ביטול אדווה, וביחד הם מביאים לשיפור הנצילות.

עבור הבקר, ה-MAX16602GGN+T‏ של Analog Devices (איור 5) הוא בחירה טובה. התקן זה, המוצע במארז QFN‏-56‏ (7 מ"מ ×‏ 7 מ"מ) תומך בפס 8-פאזות ובפס חד-פאזי נפרד. בין המאפיינים הבולטים ניתן למנות ניתוק פאזות אוטונומי, טלמטריה דרך PMBus, הגנה ורישום משולבים של תקלות, ומייצב ממתח V‏ 1.8‏ פנימי. מאפיינים אלה מאפשרים בקרה מדויקת, מספר רכיבים מופחת והיענות לטרנזיינטים משופרת במערכות מייצבי מתח רבות-פאזות.

איור 5: בקר מייצב מתח MAX16602GGN+T תומך בעד 8 פאזות. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

את דרגת ההספק ניתן לממש באמצעות ה-MAX20790GFC+T‏ של Analog Devices (איור 6). דרגת הספק חכמה זו משלבת טרנזיסטורי MOSFET, דוחפי שער וחישת זרם בתוך התקן יחיד FC2QFN‏-12‏ (3.25 מ"מ ×‏ 7.4 מ"מ). פועל בתחום תדרי מיתוג של kHz‏ 300‏ עד 1.3 מגה-הרץ (MHz‏), הוא מאפשר למתכננים אופטימיזציה של ביצועי תכני CL‏. המאפיינים העיקריים שלו כוללים טלמטריה ודיווח תקלות באמצעות בקר PMBus‏, כמו גם מאפייני הגנה-עצמית מתקדמים.

איור 6: דרגת ההספק החכמה MAX20790GFC+T משלבת טרנזיסטורי MOSFET, דוחפי שער וחישת זרם בתוך התקן יחיד. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

דוגמה ל-CL מתאים היא ה-CLB1108-4-50TR-R‏ של Eaton‏ (איור 7), המשלב ארבע פאזות nH‏ 50‏ בצימוד הדוק בתוך מארז יחיד. מבנה הרכיב תומך בזרם רוויה ובביצועים תרמיים גבוהים, ההופכים אותו למתאים היטב עבור עומסי עבודה תובעניים של בינה מלאכותית ומרכזי נתונים.

איור 7‏: ה-CLB1108-4-50TR-R‏ הוא משרן מצומד nH‏ 50‏ x‏ 4‏. (מקור התמונה: Eaton‏)

בתצורה טיפוסית, בקר MAX16602 יפעיל עד שמונה דרגות הספק MAX20790, כאשר כל פאזת יציאה מחוברת לליפוף המתאים של CL‏ 4-פאזות כפול. בהשוואה לתכנים קונבנציונליים, ארכיטקטורה זו מספקת שיפורים ניתנים-למדידה בנצילות הספקת-הכוח תוך שמירה על אותה חתימת-שטח פיזית וביצועי טרנזיינטים.

בדיקת תכנים של משרנים מצומדים עם חומרת הערכה

עבור מתכננים המעוניינים לבחון פתרונות CL, ערכת ההערכה #‏MAX16602CL8EVKIT‏ של Analog Devices (איור 8) מספקת פלטפורמה נוחה עבור בדיקות ופיתוח. לוח זה תוכנן במיוחד כדי להדגים את היכולות של בקר MAX16602 ו-ICs‏ דרגת הספק MAX20790 בשילוב עם משרנים מצומדים.

איור 8‏: ה-#‏MAX16602CL8EVKIT‏ יכול לשמש עבור בחינת תכני ממיר Buck‏ רבי-פאזות. {מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

ערכת ההערכה היא תכן עזר מעשי המדגים כיצד ניתן לשלב רכיבים אלה ביעילות. הוא כולל את כל המעגלים הדרושים לתמיכה בפתרון המרת הספק 8-פאזות ומשלב נקודות מדידה מקיפות המאפשרות ניטור של פרמטרים עיקריים כגון היענות לטרנזיינטים.

סיכום

ממירי CL מציעים יתרונות משמעותיים עבור תכני ממירי Buck‏ רבי-פאזות. על ידי הכנסת השראות הדדית בין הפאזות, רכיבים אלה מאפשרים ביטול משמעותי של זרם האדווה, ומאפשרים תדרי מיתוג מופחתים ונצילות כוללת משופרת. חשוב ביותר לציין שניתן להשיג יתרונות אלה מבלי להגדיל את חתימת-השטח הפיזית או לפגוע בביצועי הטרנזיינטים. בשילוב עם ערכות שבבים של בקר ודרגות הספק, פתרונות אלה מספקים נתיב מעשי למתכננים העוברים מטופולוגיות קונבנציונליות לחלופות מצומדות מגנטית יעילות יותר.