השתמש במשרני מיני יצוקים כדי לחסוך מקום, להקטין הפסדים ולשפר שלמות מתח וזרם (Power Integrity) ונצילות

משרנים הם רכיב חיוני בתכני ממירים ומייצבי מתח. בשל תפקידי אגירת ושחזור אנרגיה שלהם, הם נמצאים כמעט בכל מעגל שמווסת מתח. ככל שהיישומים נוטים לכיוון תכנים קטנים וקומפקטיים יותר החייבים להיות יותר ויותר יעילים מבחינת הספק, מתכננים צריכים להיות יותר מודעים לגבי בחירת המשרן שלהם כדי להתאים למגמות אלה תוך התמודדות עם זרמים גבוהים יותר.

הפחתת הפסדי הספק ושיפור נצילות תלויים במידה רבה בתכנון של המשרן וחומרי הליבה. לדוגמה, השימוש במשרני מיני יצוקים מקטין נפח משרן, תוך קבלת כל היתרונות של משרנים קונבנציונליים יותר, יחד עם סיכוך טוב יותר מפני הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), צפיפות הספק גבוהה יותר והפסדי ליבה נמוכים יותר.

מאמר זה מתאר משרנים והשראה. אחר כך הוא מציג משרני מיני‏ יצוקים מבית Abracon LLC ודן בבחירה וביישום שלהם.

משרנים והשראה

משרנים הם רכיבים פסיביים בעלי שני הדקים שאוגרים ומשחזרים אנרגיה בצורה של שדה מגנטי. הם בדרך כלל לובשים צורה של תיל מבודד מלופף לסליל. זרם המופעל על המשרן יוצר שדה מגנטי פרופורציונלי לאותו הזרם בסליל. אם הזרם המופעל משתנה, הוא יוצר שדה מגנטי משתנה-בזמן המשרה כוח‏ אלקטרו-מניע (EMF) במוליך. למתח המושרה יש קוטביות המתנגדת לשינוי בזרם שיצר אותו. משרנים מאופיינים על ידי ההשראות שלהם, שהיא היחס בין המתח המושרה לקצב שינוי הזרם. ה-Henry‏ (H)‏ היא יחידת ההשראות, שניתן להגדילה על ידי יצירת סליל בעל מספר ליפופים גדול יותר, בניית‏ חתך-רוחב גדול יותר, קיצור אורך הסליל, או שימוש בליבה העשויה מחומר בעל ‏פרמאביליות מגנטית גבוהה יותר (איור 1‏).

איור 1: מוצגים הגורמים הקובעים את ההשראות של סליל. (מקור תמונה: Abracon)

פרמאביליות מגנטית היא מאפיין מגנטי, וחומרי ליבה עם פרמאביליות מגנטית גבוהה יותר מחוללים צפיפות‏ גבוהה יותר של שטף‏ מגנטי, דבר המאפשר אגירה של יותר אנרגיה. לפיכך, השראות היא‏ גם פרופורציונלית לפרמאביליות המגנטית של חומר הליבה של המשרן. ליבה עם פרמאביליות מגנטית גבוהה יכולה להקטין את הגודל והמשקל של המשרן מבלי להקטין את ערך ההשראות, והתוצאה היא מארז כולל קטן וקל יותר.

חומרי ליבה כוללים אוויר, ברזל, פלדה‏, אבקת ברזל, אבקת מתכת, קרמיקה ופריט (Ferrite). פריטים (Ferrites‏) הם חומרים קרמיים בשילוב עם אבקת תחמוצת ברזל ו/או אבקת מתכות אחרות כדי לספק חומר‏ ליבה עם פרמאביליות מגנטית גבוהה. ליבות אבקה משתמשות באבקת מתכות מגנטיות מעורבבת עם חומר מקשר וציפוי. הבחירה של המתכת, החומר המקשר, ואפילו הכללת בועות אוויר בתמהיל קובעים את הפרמאביליות המגנטית של‏ חומר הליבה המתקבל.

מפרטי משרן

המפרטים הקריטיים של משרנים המשמשים ביישומי הספק הם השראות, התנגדות DC ‏(DCR)‏, זרם רוויה, זרם עליית טמפרטורה, זרם נקוב, תדר תהודה-עצמית (SRF‏), וגורם איכות (Q).

ה-DCR, לעיתים נקראת הפסדי תיל, היא ההתנגדות הנמדדת של‏ משרן למקור‏ DC. ה-DCR משתנה פרופורציונלית להשראות בשל האורך ושטח חתך-הרוחב של‏ התיל. למשרני הספק, באופן כללי, יש DCR בתחום עשרות מילי-אוהמים (mΩ‏) כדי להבטיח הפסדי הולכה נמוכים. ברוב המקרים DCR מצוינת כדירוג מרבי.

עם גידול הזרם דרך משרן, גדל השדה המגנטי באופן פרופורציונלי עד להגעתו לרוויה; בנקודה הזאת, הפרמאביליות המגנטית מתחילה לקטון. הגדלת זרם מעבר לנקודה זו גורמת לנפילת ההשראות. זרם הרוויה הוא הזרם שבו ההתנגדות מורידה כמות מסוימת של ההשראות הנומינלית. משרני הספק בדרך כלל משתמשים בהפחתה‏ של‏ ‏10 עד 30%‏ כגבול המפרט.

זרם עליית הטמפרטורה מוגדר כרמת ה-DC‏ בה ‏טמפרטורת האריזה של משרן עולה ב-C‏°‏40‏.

הזרם הנקוב ‏מוגדר כערך הנמוך מבין זרם הרוויה וזרם עליית הטמפרטורה, שמאפשר למשרן לעבוד מתחת לגבול הנמוך מבין השניים.

SRF‏ הוא התדר בו ההיגב (reactance) של הקיבול הפרזיטי של‏ משרן‏ שווה להיגב. בנקודה זו, משרן עובד כמעגל תהודה מקבילי. ההיגב נטו הוא‏ אפס, והעכבה גבוהה מאוד והתנגדותית לחלוטין. משרנים בדרך כלל מופעלים מתחת ל-SRF שלהם ביישומי הספק.

ה-Q של‏ משרן‏ הוא מדד של נצילותו‏ והוא היחס בין ההיגב ההשראתי שלו להתנגדותו בתדר נתון. Q‏ גבוה יותר משמעותו הפסדים נמוכים יותר, והתנהגות משרן קרובה יותר לזו של משרן אידיאלי.

משרני הספק יצוקים

משרני הספק יצוקים הם התקני הרכבה-משטחית (SMDs) המשתמשים בטכנולוגיית יציקה כדי להקיף ולעטוף את הסליל של משרן. להבדיל ממשרני תיל-מלופף מסורתיים, חומר אבקה מגנטית נלחץ לתוך תבנית סביב סליל תיל המקיף את המוליכים. תרכובת היציקה, בדרך כלל אבקת מתכת וחומר מקשר, קובעת את הפרמאביליות המגנטית של ליבת המשרן. מילוי אבקת המתכת מציע תגובת רוויה רכה יותר מחומרי מילוי פריט (Ferrite). הוא מספק גם סיכוך מגנטי יעיל ביותר הגורם לזליגה נמוכה של שטף מגנטי. משרן יצוק הוא רכיב מוצק המתאים לסביבות קשות, מגן מפני לחות, אבק, מכות ורעידות. משרן‏ יצוק אינו פולט רעש אקוסטי בגלל שאין לו ליבת למינציה. המבנה הפשוט, מחתיכה אחת, מציע יציבות מכנית מצוינת והוא קומפקטי וקל משקל.

משרני מיני‏ יצוקים של Abracon מציעים את כל היתרונות של משרנים יצוקים במארז קטן בגודל מתחת ל-3 מ"מ (mm). מעבר לגודלם הקומפקטי, משרני מיני‏ יצוקים כוללים צפיפות הספק גבוהה, הפסדי ליבה והולכה נמוכים וסיכוך EMI מצוין‏.

משרני מיני‏ יצוקים מהסדרות AOTA-B1412 ו-AOTA-B2012 מוצעים עם תחום‏ השראות מ-1‏0.1‏ עד ‎‏2.2‎ micro Henries‏ (µH‏), והם בעלי מידות מארז מ-1.4‏ x‏ 1.2 מ"מ (0.055 X‏ 0.047 אינץ' (in.)) עד 2.0 x‏ 1.2 מ"מ (0.079 x ‏0.047‎ אינץ') עם גובה מקסימלי נמוך עד כדי 0.65 מ"מ (0.026 אינץ'). משרנים אלה מטפלים בזרמים נקובים מ-1.9 עד 6.4 אמפר (A), ומדורגים לעבוד בתחום טמפרטורות של 40°C- עד 125°C+.

דוגמה אחת מסדרת ה-AOT-B201 היא ה-Abracon AOTA-B201208SR11MT, משרן מיני יצוק 0.11‎ µH SMD עם‏ זרם נקוב של‏ 5.6‎ A‏‏ וזרם רוויה של‏ 10‎ A‏ (איור 2‏). יש לו‏ DCR של‏ ‎13 mΩ‏ ו-SRF‏ של‏ 185‏ מגה-הרץ (MHz‏). הוא מורכב במארז של 2.0 מ"מ x ‏1.2 מ"מ ("0.079 x‏ "0.047) עם גובה ישוב של 0.8 מ"מ ("0.031).

איור 2‏: ה-AOT-B201208SR11MT‏ הוא‏ משרן מיני יצוק‏ Abracon‏ טיפוסי במארז SMD תת-3 מ"מ‏ המגן מפני גורמי סביבה כגון לחות, אבק, מכות ורעידות. (מקור תמונה: Abracon)

בתחום ההשראות הגבוהה יותר של סדרת ה-Abracon AOTA-B2012 נמצא ה-AOTA-B201208S2R2MT, עם‏ השראות של‏ 2.2‎ µH‏, זרם נקוב של‏ ‎1.8 A,‏ התנגדות DCR של‏ ‎130 mΩ ו-‏SRF‏ של‏ 42‎ MHz‏. ההשראות הגבוהה יותר דורשת מספר גדול יותר של ליפופים,‏ שמגדיל את ה-DCR ומקטין את הזרם הנקוב ו-SRF בהשוואה ל-AOT-B201208SR11MT. ממדי המארז זהים ל-AOTA-B201208SR11MT, ‏2.00 מ"מ x‏ 1.20 מ"מ ("0.079 x "‏0.047) עם גובה של 0.8 מ"מ ("0.031).

דוגמאות של‏ סדרת ה-Abracon AOTA-B1412 הן ה-AOTA-B141206SR33MT וה-AOTA-B141206SR47MT. למשרני מיני יצוקים אלה יש את המארז הקטן ביותר עם ממדים של 1.4 מ"מ x ‏1.2 מ"מ ("0.055 x‏ "0.047) וגובה מארז של 0.65 מ"מ ("0.026) בלבד. ל-AOTA-B141206SR33MT יש השראות של‏ 0.33‎ µH‏, זרם נקוב של‏ ‎3.5 A,‏ התנגדות DCR של‏ ‎32 mΩ ו-‏SRF‏ של‏ 120‎ MHz‏. ל-AOTA-B141206SR47MT יש השראות של‏ 0.47‎ µH‏, זרם נקוב של‏ ‎2.9 A,‏ התנגדות DCR של‏ ‎41 mΩ ו-‏SRF‏ של‏ 115‎ MHz‏.

יישומים עבור משרני מיני יצוקים

למרות גודלם הקטן, משרני המיני היצוקים Abracon מטפלים בהספקים משמעותיים עם הפסדי ליבה והולכה נמוכים, תוך כדי היצע סיכוך EMI מעולה‏. מאפיינים אלה הופכים אותם לבחירה אידיאלית לעמידה בביקוש חסר התקדים לממירי כוח בגורמי צורה קטנים יותר ויותר.

יישומים אופייניים עבור רכיבים אלה כוללים הפרדת (Decoupling) כוח, סינון, וממירי DC/DC‏ (איור 3‏).

איור 3: יישומים אופייניים של משרן מיני יצוק Abracon כוללים הפרדת (Decoupling) כוח, סינון וממירי DC/DC‏. (מקור תמונה: Art Pini)

הפרדת (Decoupling) מעגלים משולבים מאפיק כוח (power bus) משתמשת בעכבה המשתנה עם התדר של המשרן בשילוב עם מאפייני העכבה המשלימה של קבל כדי להנחית אותות תדר-גבוה ורעש, לבודד אותם מכניסות אספקת-הכוח של המעגל המשולב. DCR נמוכה ו-SRF‏ גבוה הם המאפיינים החשובים של משרן.

מסננים מבקרים את תגובת התדר של נתיב האות וניתן להגדירם כמעבירים תדרים נמוכים, תדרים גבוהים, פס-תדרים או חוסמים פס-תדרים. מסנני משרן-קבל (LC‏) מספקים תגובות פסיביות סלקטיביות-בתדר עבור התקני הספק נמוך שאינם דורשים התקנים אקטיביים.

משרנים הם האלמנטים העיקריים לאגירת אנרגיה בממירי DC/DC‏. הם אוגרים אנרגיה בזמן שהמתג סגור ומשחזרים אותה כשהוא נפתח.

סיכום

משרני מיני יצוקים Abracon מציעים את היתרונות של משרנים יצוקים במארז קומפקטי קטן מ-3 מ"מ. למרות גודלם הקטן, הם יכולים לטפל ברמות הספק משמעותיות עם הפסדי ליבה והולכה נמוכים, תוך הבטחת שלמות מעולה של מתח וזרם (power integrity) בהתקנים אלקטרוניים קטנים.