השתמשו במשרנים ייעודיים עבור ממירי DC/DC בעלי זרם גבוה עם טרנזיינטים מהירים

מרכזי נתונים וארונות שרתים דורשים קילוואטים של הספק ומאות אמפר של זרם. הספקת כמות זו של הספק DC היא אתגר תכנוני, אפילו במתחים נמוכים. הבעיה מחריפה עקב הצורך בזמני תגובה לטרנזיינטים של מיקרו-שניות כדי למנוע ירידת מתח של יותר מכמה מילי-וולטים בפס הספקת-הכוח, העלולה לגרום להתנהגות מעגל לא-סדירה.

כדי לשפר את התגובה לטרנזיינטים, המתכננים עברו לטופולוגיית ממירי DC/DC רב-פאזיים שבה משתמשים במספר ממירי Buck חד-פאזיים במקביל. עם זאת, לגישה זו יש מגבלות אינהרנטיות עקב ההשראות וההתנגדות הפרזיטיות הבלתי נמנעות של קבלי היציאה, ששניהם מאטים את התגובה לטרנזיינטים של הממיר.

כדי להתגבר על חולשה זו, פותחה טופולוגיה רב-פאזית מתקדמת המכונה מייצב מתח טרנס-משרן (TLVR). המפתח למימוש מוצלח של TLVR הם שני משרנים בעלי ערך נמוך וזרם גבוה, אחד לכל פאזה של ה-TLVR, ומשרן קיזוז יחיד בצד הראשוני של משרני ה-TLVR.

מאמר זה בוחן את האתגרים הכרוכים בממירי DC/DC לזרם גבוה וחוקר את היישום של טופולוגיות DC/DC רב-פאזיות כדי להתמודד עם אתגרים אלה. לאחר מכן הוא מתאר את התפקיד הקריטי של משרני קיזוז וכיצד ניתן לעמוד בדרישות הביצועים של רכיבי מעגל אלה באמצעות רכיבים לדוגמה של Abracon‏.

מטופולוגיות חד-פאזיות לרב-פאזיות

ישנם שני אתגרים קשורים בהספקת-כוח מיוצבת למערכות כגון מרכזי נתונים וארונות שרתים. ראשית, הם דורשים מאות אמפרים של זרם. את דרישת הזרם המקסימלית הסטטית הזו ניתן לספק באמצעות תכן ממיר ממותג מתאים המשתמש בקבלי Bulk‏ בעלי ערך גבוה כדי להחליק את אדוות המיתוג.

האתגר השני הוא הדינמי הנובע מטרנזיינטים בעומס, שכן עומסים עולים במהירות ממצב לא-פעיל ללא-עומס או עומס נמוך למצב פעיל במלואו, ולכן הכרחי להפחית את צריכת ההספק ולמזער בעיות תרמיות. הממיר חייב להגיב בתוך מיקרו-שניות, אך ללא Overshoot‏ או Undershoot‏ ממתח פס הספקת-הכוח הנומינלי.

בעוד שגישור על סתירות אלה הוא מאתגר, מתכנני ספקי-כוח וממירים פיתחו דרכים לעשות זאת.

נתחיל עם ממיר חד-פאזי

ממיר DC/DC סטנדרטי בעל טופולוגיית מיתוג להורדת מתח (Buck‏) משתמש בגישה חד-פאזית (איור 1, משמאל). הוא לוקח פס DC כניסה, קוצץ אותו לגל AC דמוי-ריבועי בתדר גבוה, ולאחר מכן ממיר אותו מטה באמצעות שנאי או סידור אחר. הזרם הישר הכמעט-טהור שנוצר מסונן דרך קבלי Bulk‏ כדי למזער את האדווה ולספק דחיפה לזרם אם העומס דורש פתאום זרם רב יותר. כדי לייצב את היציאה למתח הרצוי כאשר העומס משתנה, הממיר משתמש במשוב כדי להתאים את רוחב הפולס ויחס המחזור של האות הקצוץ (איור 1, מימין), תוך הבטחה שהערך הממוצע שלו תואם את ערך היעד.

איור 1: לצורך ייצוב, הממיר החד-פאזי (משמאל) מאפנן את יחס המחזור מופעל/מופסק של רוחב הפולס הממותג (מימין) כדי לשמור על יציאת DC יציבה למרות שינויים בזרם העומס. (מקור התמונה: Abracon‏)

עם זאת, לתכן חד-פאזי זה יש חסרונות בתגובה לטרנזיינטים שלו. האפקטים הפרזיטיים הבלתי-נמנעים של ההתנגדות הטורית האפקטיבית (ESR) וההשראות הטורית האפקטיבית (ESL) של הקבל מאיטים את זמן התגובה שלו כשהוא מנסה לספק את הזרם הנדרש כאשר העומס עובר מאופן שינה לאופן דרישה מקסימלית.

יתר על כן, הזרם הנוסף המופנה לקבל כאשר המתח המסופק מתחיל לרדת חייב לעבור דרך המשרן של הממיר. בעוד שמשרן בעל ערך גדול יותר עדיף עבור היבטים מסוימים של ביצועי הממיר, הוא גם גורם לקצב שינוי זרם איטי יותר. לכן ייקח למשרן זמן רב יותר להגיע לערך הזרם הדרוש לטעינת הקבל ולעמוד בדרישת העומס. כך, גודל המשרן הוא אחד הפשרות הרבות בתכנון ממירים.

אז נעבור לרב-פאזות

טופולוגיה גאונית המתגברת על המגבלות של ממיר חד-פאזי היא ממיר רב-פאזי, המשתמש במספר ממירי Buck‏ חד-פאזיים הפועלים במקביל. זה מספק למתכננים את הגמישות להשתמש בו-זמנית במספר משרנים קטנים יותר כדי לדחוף את העומס, במקום להסתמך על משרן גדול יחיד.

הזרם לעומס הוא סכום הזרמים מכל הפאזות (איור 2, משמאל). מכיוון שההשראות בכל פאזה נמוכה יותר מאשר בתכן חד-פאזי, הזרם עולה מהר יותר. התוצאה היא תגובה מהירה יותר וירידת מתח נמוכה יותר במהלך טרנזיינטי העומס (איור 2, מימין).

איור 2: על ידי שימוש במספר פאזות בסידור מקבילי (משמאל) וסיכום היציאות האינדיבידואליות שלהן, התגובה לטרנזיינטים של הממיר הרב-פאזי מהירה בהרבה ועם ירידת מתח נמוכה יותר (מימין) לעומת טופולוגיה חד-פאזית. (מקור התמונה: Abracon‏)

פרקטיקת תכן טיפוסית היא להגביל פאזה יחידה ל-30 עד 40 אמפר (A), אם כי זה יכול להיות גבוה יותר. תכן רב-פאזי מורכב בדרך כלל משניים עד שמונה פאזות, אם כי אפשריות יותר פאזות. הבחירה בין פחות פאזות חזקות יותר לעומת מספר גבוה יותר של פאזות פחות חזקות כרוכה בפשרות רבות בין היבטים שונים של ביצועים חשמליים, גודל פיזי, מפרט החומרים (BOM) ועלות.

שיפור טופולוגיה רבת-פאזות עם TLVR‏

יציאת מעגל רב-פאזות דורשת זמן כדי להתאים את הפאזות כשהן מופעלות ברצף. בשיפור חכם של המעגל, ניתן להפחית את זמן התגובה של הממיר על ידי בקרת האופן שבו כל פאזה מופעלת בתגובה לטרנזיינטי עומס. זה נעשה באמצעות גישת TLVR.

טופולוגיית ממיר DC/DC רב-פאזי זו מעניקה תגובה לטרנזיינטים מהירה יותר על ידי הוספת חיבור טורי של ליפופים שניוניים באמצעות משרנים המחברים את כל הפאזות יחד. זה, בתורו, מאפשר אינדוקציה סימולטנית של זרם על פני הפאזות בתגובה לעלייה בעומס (איור 3).

איור 3: טופולוגיית TLVR מוסיפה משרנים בין-פאזות (למעלה) כדי לחבר את הפאזות ולאפשר להן "ידע" מוקדם יותר על דרישת הזרם (למטה). (מקור התמונה: Abracon)

משרני TLVR ומשרן הקיזוז הם חיוניים עבור טופולוגיית TLVR‏. הראשונים הם שנאים ייעודיים שבהם ליפופי הראשוני והשניוני מורכבים משני מהדקי נחושת כדי למזער את הפסדי ה-DC (איור 4). שני המהדקים נתונים בתוך ליבה מגנטית העשויה מחומר מבוסס פרייט (Ferrite‏) או ברזל, ובכך מחברים מגנטית את הצדדים הראשוני והשניוני. ההבדל העיקרי בין תכן TLVR לבין תצורה רבת-פאזות בסיסית הוא השימוש בליפוף הראשוני של כל משרן TLVR כמשרן יציאה עבור כל פאזה.

איור 4: משרן TLVR הוא שנאי ייעודי המקשר את היציאה של כל פאזה לפאזה הבאה. (מקור התמונה: Abracon)

בנוסף, קווי השניוניים של כל הפאזות מחוברים בטור למשרן קיזוז (LC) יחיד (איור 3, למעלה מימין). כל מתח של ליפוף ראשוני משתקף על הליפוף השניוני המתאים. מכיוון שכל השניוניים מחוברים בטור, משרן הקיזוז רואה את הסיכום של כל צורות הגל הללו.

בפעולה, כאשר נמשך יותר זרם מהממיר, המתח ביציאה מתחיל לרדת עקב ה-ESR וה-ESL הפרזיטיים של הקבל. חוג בקרת המשוב חש את הירידה הזו ומגיב על ידי הגברת הדחיפה של הפאזה הפעילה באותו זמן, תוך הספקת זרם רב יותר דרך אותה פאזה כדי להגביל את ירידת המתח ולעמוד בדרישת העומס החדשה.

זו הסיבה שממירי TLVR מעניקים ביצועים מעולים בהשוואה לממירים רבי-פאזות מסורתיים. כאשר פאזה נתונה דורשת זרם רב יותר, צורת גל חדשה זו משתקפת בכל הליפופים הראשוניים מכיוון שהשניוני מחובר לכל יתר הפאזות. התוצאה היא עלייה כמעט מיידית בזרם בכל הפאזות, עקב תגובת פאזה אחת למערכת המשוב, אשר משרה זרם דרך הפאזות האחרות.

ה"טרנס-משרן" בשם TLVR נובע מגישה זו של קישור-משרן על פני הפאזות. התגובה הקולקטיבית של כל הפאזות לשינויים בעומס עוקפת את מרווח הזמן שהבקר צריך כדי להפעיל כל אחת מהפאזות האחרות, ומובילה לתגובה לטרנזיינטים מהירה יותר.

למשרני TLVR יש בדרך כלל יחס ליפופים של 1:1, כאשר שני ערכי ההשראות זהים. ערך ההשראות הוא בעיקר פונקציה של יחס המחזור וכמות זרם האדווה הסבירה.

תכן המשרן הוא המפתח לביצועי TLVR

רכיבים פסיביים, כגון נגדים, קבלים ומשרנים, נתפסים לעתים קרובות כהתקנים פשוטים. למרות שמבחינה עקרונית הם פשוטים, המציאות היא מורכבת עם דקויות רבות. המשרן הוא אולי המטעה ביותר, שכן, באופן עקרוני, הוא "רק" חתיכת חוט או מוליך כפוף או מלופף.

כפי שצוין, משרן TLVR‏ (_n‏Lm‏) נדרש בטופולוגיות TLVR עבור כל פאזה (איור 5, למטה), מה שמאפשר להספקת הזרם ברמת המערכת לעלות מעל מאות אמפר.

בניגוד לכך, בצד הראשוני של טופולוגיית TLVR, נדרש רק משרן קיזוז יחיד (_1‏Lc‏) (איור 5, למעלה) כדי לייצב את ההספקה. הוא משיג זאת על ידי החלקת והתאמת הפאזה יחסית למתח, ובכך מגדיל את מרווח הפאזה ומבטיח פעולה יציבה.

איור 5: ממיר רב-פאזות TLVR שלם דורש משרן TLVR אחד לכל פאזה עבור חיבור בין-פאזי, בתוספת משרן קיזוז יחיד לתמיכה בפעולה יציבה. (מקור התמונה: Abracon)

משרני מכלל סדרה AVR‏

משרן הקיזוז המשמש בתכני TLVR חייב להיות בעל התנגדות DC נמוכה, להתמודד עם זרמים גבוהים, להיות מוגדר על פני תחום טמפרטורות רחב, ולהיות קטן פיזית. סדרה AVR‏ של משרני מכלל (איור 6) של Abracon עומדת בדרישות אלו עם מבנה מבוסס פרייט (Ferrite‏), תחום השראות של 22 ננו-הנרי (nH) עד nH‏ 680‏ תחום טמפרטורות פעולה של C‏°‏40‏- עד C‏ִ°‏125‏+, התנגדות DC‏ (DCR‏) נמוכה עד כדזי 0.100 מילי-אוהם (mΩ), וזרמי רוויה של עד A‏ 160‏.

איור 6: סדרה AVR של משרני מכלל תוכננה במיוחד, עם מבנה, תחום ערכי פרמטרים עיקריים, גודל ועוד, כדי לענות על הצרכים הייחודיים של ממירי DC/DC מסורתיים ועבור קיזוז בטופולוגיות TLVR. (מקור התמונה: Abracon)

מארז משרן הקיזוז תורם גם הוא להצלחתו של תכן ממיר קומפקטי. בעוד שקודם לכן משרנים יצוקים היו סטנדרטיים עבור יישומי ממירים קומפקטיים, משרני מכלל אלה מציעים ביצועים משופרים בעלות נמוכה יותר.

לדוגמה, ה-AVR-1F070605S90NLT הוא משרן nH‏ %‏15‏± 90‏ מסוכך (V‏ 1.0‏/MHz‏ 0.1‏) בממדים של כ-6‏ מ"מ ×‏ 7‏ מ"מ. ה-DCR‏ שלו הוא mΩ‏ ‎0.17 ±30%‏, וזרם הרוויה הטיפוסי שלו הוא A‏ 50‏ ב-C‏°‏25‏+, ויורד רק במעט ל-A‏ 45‏ ב-C‏°‏100‏+.

עבור יישומים עם זרם גבוה יותר, ה-AVR-1Z090610SR12KT‏ הוא משרן לא-מסוכך של nH‏ ‎120 ±10%‏ (kHz‏ 800‏ ו-V‏ 0.8‏). רכיב זה בגודל 9.5 מ"מ × 10 מ"מ הוא בעל זרם DCR טיפוסי של mΩ‏ 0.10‏ (מקסימום של mΩ‏ 0.12‏) לצד זרם רוויה של A‏ 90‏ ב-C‏°‏25‏+ ו-A‏ 75‏ ב-C‏°‏100‏+.

סיכום

המעבר מממיר DC/DC חד-פאזי לגישה רב-פאזית ולאחר מכן לטופולוגיית TLVR מניב ביצועים מעולים ביישומים בהם זרמי העומס גבוהים ומהירים, ודורשים תגובה לטרנזיינטים חדה ודיוק יציאה גבוה. שיפור תכן רב-פאזי עם הוספת משרן TLVR לכל פאזה, כמו גם משרן קיזוז יחיד, מאפשר לגישה זו לעמוד ביעדי התכן. עבור משרן הקיזוז הדרוש, סדרת משרן המכלל AVR של Abracon מציעה פתרונות מתקדמים, יעילים וחסכוניים עבור ייצוב מתח רב-פאזות.