בקרת Current-Mode ו-Voltage-Mode עבור יצירת אותות PWM במייצבים ממותגים DC-DC ‏

ממירי ("מייצבי") מתח DC-DC ממותגים מכילים שני אלמנטים: בקר ודרגת הספק. דרגת ההספק כוללת את האלמנטים של מיתוג וממירה את מתח הכניסה ליציאה הרצויה. הבקר מפקח על פעולת המיתוג לייצוב מתח היציאה. השניים מקושרים על ידי חוג משוב המשווה את מתח היציאה בפועל עם היציאה הרצויה כדי לקבל את מתח השגיאה. 

הבקר הוא חיוני עבור היציבות והדיוק של ספק-הכוח, ולמעשה כל תכן משתמש בטכניקת אפנון רוחב פולס (PWM) עבור ייצוב. ישנן שתי שיטות עיקריות ליצירת אות ה-PWM: בקרת Voltage-Mode ובקרת Current-Mode. בקרת Voltage-Mode היתה הראשונה אך החסרונות שלה, כגון תגובה איטית לשינויי עומס והגבר חוג המשתנה עם מתח הכניסה עודדו את המהנדסים לפתח את השיטה החלופית מבוססת הזרם.

היום, מהנדסים יכולים לבחור מבין מגוון רחב של מודולי הספקת-כוח המשתמשים באחת משתי טכניקות הבקרה. מוצרים אלה כוללים טכנולוגיה המתגברת על החסרונות העיקריים של הדור הקודם.

מאמר זה מתאר טכניקות בקרה Current-Mode ו-Voltage-Mode עבור יצירת אותות PWM במייצבי מתח ממותגים ומסביר היכן כל אחד מהיישומים מתאים ביותר.

בקרת Voltage-Mode

מהנדסים העוסקים בתכנון ספק-כוח יכולים לבנות יחידה מרכיבים בדידים (ראה את מאמר TechZone "מייצבי מתח DC/DC: כיצד לבחור בין תכנון מרכיבים בדידים ומודולרי"), בקר ורכיבי הספק נפרדים או מודולי ספק-כוח המשלבים את שני האלמנטים בשבב יחיד.

אבל ללא הבדל באיזו טכניקה משתמשים, ישנה סבירות גבוהה שהייצוב ישתמש בטכניקת PWM של תדר קבוע (אופייני). (רצוי תדר מיתוג קבוע כי הוא מגביל הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) המיוצרות על ידי ספק-הכוח.)

במייצב מבוקר Voltage-Mode, אות ה-PWM מתקבל על ידי מתן מתח בקרה (V_C) באחת מכניסות המשוון ומתח שן-מסור (V_ramp) (או “PWM ramp”) בתדר קבוע, מיוצר על ידי השעון, בכניסה השניה (איור 1).


איור 1: מחולל אות PWM עבור מייצב מתח ממותג. (באדיבות Texas Instruments)

ה-duty cycle של אות ה-PWM יחסי למתח הבקרה וקובע את אחוז הזמן שאלמנט המיתוג מוליך ולכן, בהמשך, את מתח היציאה (ראה את מאמר TechZone "שימוש ב-PFM לשיפור נצילות מייצב DC/DC ממותג בעומסים נמוכים"). מתח הבקרה מתקבל מההפרש בין מתח היציאה המעשי ומתח היציאה הרצוי (או מתח ייחוס).

הגבר המאפנן Fm מוגדר כשינוי במתח הבקרה הגורם ל-duty cycle להשתנות מ-0 ל-100 אחוז ‏‎.(F_m = d/V_C = 1/V_ramp)¹‎‏

איור 2 מראה את אבני הבניין של מייצב ממותג אופייני. דרגת ההספק מכילה מתג, דיודה, משרן, שנאי (עבור תכנים מבודדים) וקבלי כניסה/יציאה. דרגה זו ממירה את מתח הכניסה (VIN) למתח היציאה (VO). חלק הבקרה של מייצב המתח מכיל מגבר שגיאה עם מתח הייחוס (שווה ליציאה הרצויה) בכניסה האחת ויציאה ממחלק מתח בכניסה השניה. מחלק המתח מוזן מרכיב משוב של היציאה. היציאה ממגבר השגיאה מספק את מתח הבקרה (V_C או "מתח השגיאה") המהווה כניסה אחת למשוון PWM.‏²


איור 2: חלק הבקרה ודרגת ההספק של מייצב ממותג עם בקרה Voltage-Mode (באדיבות Microsemi)

היתרונות של בקרת Voltage-Mode כוללים: חוג משוב יחיד מקל על התכנון וניתוח המעגל; שימוש בצורת גל מדרגה בעלת אמפליטודה גדולה מספק שולי רעש טובים עבור תהליך אפנון יציב, ויציאת כוח בעלת עכבה נמוכה מספקת וויסות צולב עבור הספקות מרובות יציאה.

אך לטכניקה יש גם מספר חסרונות משמעותיים. לדוגמה, שינויים בעומס יש לחוש קודם כשינויי יציאה ורק לאחר מכן יתוקנו על ידי חוג משוב, והתוצאה היא תגובה איטית. מסנן היציאה מסבך את קיזוז המעגל, אשר יכול להיות אפילו קשה יותר בשל העובדה שהגבר החוג משתנה עם מתח הכניסה.

בקרת Current-Mode

בשנות ה-80 המוקדמות, מהנדסים באו עם מייצב מתח ממותג בטכניקה חלופית שמבטלת את החסרונות של שיטת הבקרה Voltage-Mode. הטכניקה, שנקראת Current-Mode, מפיקה את מדרגת ה-PWM על ידי הוספת חוג שני של משוב זרם משרן. אות משוב זה מכיל שני חלקים: זרם האדווה AC וזרם משרן DC או ערכו הממוצע. צורה מוגברת של האות מנותבת לכניסה אחת של משוון ה-PWM כאשר מתח השגיאה מהווה את הכניסה השניה. כמו בשיטת בקרה Voltage-Mode, שעון המערכת קובע את תדר אות ה-PWM (איור 3).


איור 3: מייצב ממותג בקרת Current-Mode. כאן מדרגת PWM מיוצרת מאות שנגזר מזרם משרן היציאה. (באדיבות Texas Instruments)

בקרת Current-Mode מטפלת בתגובה האיטית של בקרת Voltage-Mode כי זרם המשוון עולה בשיפוע שנקבע על ידי ההפרש בין מתחי הכניסה והיציאה ועל כן מגיב מיידית לשינויי מתח קו או עומס. יתרון נוסף הוא שבקרת Current-Mode מבטלת את החיסרון של שיטת הבקרה Voltage-Mode, שינוי הגבר החוג עם מתח הכניסה.

יתר על כן, מאחר ובמעגל בקרה Current-Mode מגבר השגיאה קובע זרם יציאה ולא מתח, השפעת משרן היציאה על תגובת המעגל קטנה למינימום וקיזוז נעשה קל יותר. המעגל מפגין גם רוחב-פס-הגבר גבוה יותר בהשוואה להתקן בקרה Voltage-Mode.

יתרונות נוספים של בקרת Current-Mode כוללים הגבלת זרם פולס-לפולס אינהרנטית על ידי הידוק הפקודה ממגבר השגיאה, ושיתוף עומס מפושט כאשר משתמשים ביחידות הספקת-כוח מרובות במקביל.

לרגע נראה כאילו בקרת Current-Mode שיגרה את בקרת Voltage-Mode להיסטוריה. אולם, למרות שלקח להם פרק זמן מסויים לצוף, מהנדסים גילו שמייצבים עם בקרת Current-Mode באים עם אתגרי תכנון משלהם.

חיסרון עיקרי הוא שניתוח המעגל הוא קשה כי טופולוגיית המייצב כוללת עכשיו שני חוגי משוב. סיבוך נוסף הוא אי-היציבות של חוג הבקרה ה"פנימי" (הנושא את אות זרם המשרן) ב-duty cycles מעל 50 אחוז. אתגר נוסף נובע מהעובדה שמאחר וחוג הבקרה נגזר מזרם היציאה של המשרן, תהודות מדרגת ההספק יכולות לגרום לרעש בחוג בקרה פנימי זה.³

הגבלת מייצב בקרת Current-Mode ל-duty cycles של פחות מ-50 אחוז מטילה הגבלות רציניות על מתח הכניסה של ההתקן. למרבה המזל, ניתן לפתור את בעית אי-היציבות על ידי "הזרקה" של קיזוז שיפוע קטן לתוך החוג הפנימי. טכניקה זו מבטיחה עבודה יציבה עבור כל ערכי ה-duty cycle של PWM.

קיזוז שיפוע מושג על ידי הפחתה של צורת גל שן-מסור (רץ בתדר השעון) מיציאת מגבר השגיאה. לחלופין, ניתן לחבר את מתח שיפוע הקיזוז ישירות לאות זרם המשרן (איור 4).


איור 4: מייצב בקרת Current-Mode עם קיזוז שיפוע. (באדיבות Texas Instruments)

ניתוח מתמטי מראה שכדי להבטיח יציבות חוג זרם, שיפוע של הקיזוז חייב להיות גדול ממחצית שיפוע הירידה של צורת גל הזרם.⁴

קיימים הרבה מייצבים עם בקרת Current-Mode מסחריים. Microsemi, לדוגמה, מציעה את מייצב מוריד המתח (Buck) הסנכרוני NX7102 עם בקרת Current-Mode. השבב יכול לקבל תחום כניסה של 4.75 עד 18‎ V ומציע יציאה מתכווננת מטה עד 0.925‎ V. זרם יציאה מקסימלי הוא 3‎ A ונצילות שיא נמצא בין 90 ל-95 אחוז, תלוי במתח הכניסה.

באופן דומה, Texas Instruments מציעה מגוון רחב של מייצבים עם בקרת Current-Mode. דוגמה אחת היא ה-TPS63060, מייצב buck/boost סינכרוני ‎2.4 MHz המציע יציאה של 2.5 עד 8‎ V (עד 1‎ A) מהספקה של 2.5 עד 12‎ V. ההתקן מציע עד 93 אחוז נצילות ומיועד עבור יישומים ניידים, כגון מחשבים ניידים וציוד מדידה תעשייתי.

STMicroelectronics מספקת גם כן מגוון של התקני בקרה Current-Mode, כולל את ה-STBB2. זהו מייצב buck/boost סינכרוני ‎2.5 MHz המספק יציאה של 2.9 או 3.4‎ V מכניסה של 2.4 עד 5.5‎ V. ההתקן מסוגל לספק עד ‎800 mA בנצילות של 90 אחוז ומסופק במארז מערך סריג כדורים (BGA).

החזרה של Voltage-Mode

בדיקת קטלוגים של מספר ספקי שבבים מגלה שמייצבי בקרת Voltage-Mode לא עברו מן העולם. הסיבה לכך היא שהחסרונות העיקריים של הדור הקודם טופלו על ידי שימוש בטכניקה הנקראת היזון מקדים (feed-forward) של מתח.

היזון מקדים (feed-forward) של מתח מושג על ידי שינוי שיפוע אות ה-PWM במתח יחסי למתח הכניסה. זה מספק אפנון מתקן מתאים ל-duty cycle, בלתי תלוי בחוג המשוב.

הטכניקה משפרת את תגובת המעגל לטרנזיינטים של קו ועומס, תוך ביטול הרגישות לנוכחות של מסנן כניסה. היזון מקדים (feed-forward) של מתח גם מייצב את הגבר החוג כך שהוא אינו משתנה יותר עם מתח הכניסה. חסרון קטן הוא תוספת מסויימת למורכבות המעגל מאחר ודרוש חיישן לגילוי מתח הכניסה.

מהנדסים יכולים לבחור ממגוון רחב של מייצבי בקרת Voltage-Mode מהספקים העיקריים. לדוגמה, Maxim מציעה בסל המוצרים שלה מספר התקני בקרה Voltage-Mode, כולל את ה-MAX5073. מייצב ממותג זה הוא התקן buck/boost 2.2 MHz העובד מהספקה של 5.5 עד 23‎ V ונותן יציאה של 0.8 עד 28‎ V. במצב עבודה buck, המייצב יכול לספק עד 2‎ A.

באופן דומה, Intersil מציעה את ה-ISL9110A, מייצב ממותג ‎2.5 MHz הכולל בקרת Voltage-Mode. ההתקן עובד מתחום מתחי כניסה של 1.8 עד 5.5‎ V, ומספק יציאה של 3.3‎ V בזרם עד 1.2‎ A ונצילות של 95 אחוז.

באופן דומה, International Rectifier מספקת את ה-IR3891, מייצב buck בקרת Voltage-Mode עם תחום כניסה רחב של 1 עד 21‎ V ותחום יציאה של 0.5 עד 18.06‎ V. השבב הוא בעל תדר מיתוג בתחום 300‎ KHz עד 1.5‎ MHz ויכול לספק עד 4‎ A. ל-IR3891 יש שתי יציאות.

בחירת הטכנולוגיה

למעשה כל מייצבי המתח הממותגים משתמשים בבקרת PWM עבור האלמנטים הממותגים. אות ה-PWM נוצר ממתח בקרה (הנגזר מהפחתת מתח היציאה ממתח הייחוס) משולב עם גל שן-מסור הרץ בתדר השעון, עבור מייצב ה-Voltage-Mode, או על ידי הוספת חוג משוב שני של זרם המשרן, עבור סוג ה-Current-Mode. התקנים מודרניים התגברו במידה רבה על החסרונות העיקריים של תכנים ישנים על ידי שימוש בטכניקות כגון היזון מקדים (feed-forward) של מתח עבור תכני בקרת מתח וקיזוז שיפוע עבור יחידות Current-Mode. 

התוצאות של חידושים אלה הן שלמהנדסים יש מבחר רחב משני סוגי הטופולוגיות. מייצבים ממותגים בקרת Voltage-Mode מומלצים כאשר ייתכנו שינויים רחבים בקו כניסה או עומס יציאה, בעומסים קלים (כאשר שיפוע אות הבקרה Current-Mode הוא קטן מדי עבור עבודת PWM יציבה), ביישומים רועשים (כאשר רעש מדרגת ההספק ימצא את דרכו לחוג משוב הבקרה Current-Mode), וכאשר נדרשים מתחי יציאה מרובים עם ייצוב צולב טוב.

התקני בקרה Current-Mode מומלצים עבור יישומים בהם יציאת ההספקה היא זרם גבוה או מתח גבוה מאד; נדרשת תגובה דינמית מהירה ביותר בתדר מסוים, שינויי מתח כניסה מוגבלים, וביישומים בהם עלות ומספר הרכיבים חייבים להיות מינימליים. 

לפרטים נוספים אודות החלקים שהוזכרו במאמר זה, השתמש בקישורים לדפי מידע על המוצרים שבאתר האינטרנט של DigiKey.

מקורות: 

1. "להבין וליישם את תאוריית בקרה Current-Mode - מדריך תכנון פרקטי עבור עבודה במצב הולכה רציפה בתדר קבוע," רוברט שיהן, National Semiconductor, אוקטובר 2007.
2. "Voltage-Mode, ‏Current-Mode (ובקרה היסטרתית)," סנייה מניקטלה, Microsemi, ‏TN-203, ‏2012.
3. "טופולוגיית ספק-כוח ממותג Voltage Mode לעומת Current Mode," רוברט ממנו, Unitrode, ‏DN-62, יוני 1994
4. "דיגום, ניתוח וקיזוז של ממיר Current-Mode,"‏ Texas Instruments, ‏U-97, ‏1999. ‏