מדוע וכיצד להשתמש בממירי DC/DC מורידי מתח (Buck) סינכרוניים כדי‏ למקסם נצילות המרה-מטה

הצורך להקטין מתחי אפיק גבוהים למתחים נמוכים יותר כדי להזין מעגלים-משולבים ועומסים אחרים גדל לרוחב מגוון מערכות, כולל רכב, אוטומציה תעשייתית, טלקומוניקציה, מחשוב, מכשירי חשמל ביתיים ואלקטרוניקה לצרכנים. האתגר עבור מתכננים הוא לבצע המרה-מטה זו עם נצילות מקסימלית, העמסה תרמית מינימלית, בעלות נמוכה ובגודל פתרון הקטן ביותר האפשרי.

ממירי Buck אסינכרוניים קונבנציונליים מציעים פתרון ‏בפוטנציה בעלות-נמוכה, אך הם גם בעלי נצילויות המרה נמוכות יותר שאינן עומדות בצרכים של מערכות אלקטרוניות רבות. מתכננים יכולים לפנות לממירי DC/DC‏ סינכרוניים ובקרי DC/DC סינכרוניים כדי לפתח פתרונות קומפקטיים המספקים נצילויות גבוהות.

מאמר זה מתאר בקיצור את דרישות הביצועים של מערכות אלקטרוניות מהמרה DC/DC נצילות-גבוהה וסוקר את ההבדל בין ממירי DC/DC אסינכרוניים וסינכרוניים ‏. לאחר מכן הוא מציג מספר אפשרויות תכן של ממירי DC/DC סינכרוניים מ-Diodes, Inc.‎,‏ STMicroelectronics‏ ו-ON Semiconductor‏, יחד עם לוחות הערכה והנחיות תכנון שיכולות להתניע פיתוח של פתרונות נצילות-גבוהה.

מדוע יש צורך בממירי DC/DC סינכרוניים

הדרישות ההולכות וגדלות לנצילות גבוהה יותר בכל סוגי המערכות האלקטרוניות, בשילוב עם מורכבויות מערכת גדלות, מביאות לתוצאה של התפתחות מתאימה בארכיטקטורת מערכות אספקת-כוח וטופולוגיות המרת כוח. עם מספר הולך וגדל של תחומי מתח בלתי תלויים לתמיכה בפונקציונליות גדלה, ארכיטקטורות אספקת-כוח מבוזרות ‏(DPAs) משמשות ביותר ויותר מערכות אלקטרוניות.

במקום שיהיו מספר אספקות מבודדות כדי להזין את העומסים השונים, DPA הוא בעל ספק-כוח AC/DC מבודד אחד המייצר מתח חלוקה גבוה וממירים מורידי מתח (Buck) קטנים יותר הממירים מטה את מתח החלוקה למתח נמוך יותר, כפי הנדרש על ידי כל אחד מהעומסים האינדיבידואליים (איור 1). השימוש בממירים מורידי מתח (Buck) מרובים מציע את היתרונות של גודל קטן יותר, נצילות גבוהה יותר וביצועים טובים יותר.

איור 1: ארכיטקטורת אספקת-כוח מבוזרת המראה את ספק-הכוח AC/DC המבודד העיקרי (חזיתי) ואת ממירי ה-DC/DC הלא-מבודדים המרובים המזינים עומסי מתח נמוך. (מקור תמונה: DigiKey)

התהליך של בחירה בין ממירי buck אסינכרוניים וסינכרוניים מבוסס על שקלול תמורות בין עלות ונצילות. אם דרושה עלות פתרון נמוכה ביותר ונצילות נמוכה יותר והעמסה תרמית גבוהה יותר מקובלות, פתרון buck אסינכרוני עשוי להיות מועדף. מצד שני, אם נצילות היא העדיפות ומועדף פתרון שעובד קר יותר, ממיר buck סינכרוני בעלות גבוהה יותר הוא הבחירה הטובה בדרך כלל.

ממירי Buck סינכרוניים לעומת אסינכרוניים

יישום ממיר ‏buck אסינכרוני אופייני מוצג באיור 2. ה-LM2595 מבית ON Semiconductor‏ הוא מעגל-משולב מונוליתי שכולל את מתג הכוח הראשי ואת מעגלי הבקרה. הוא מקוזז פנימית כדי להקטין למינימום את מספר הרכיבים החיצוניים ולפשט את תכנון ספק-הכוח. הוא מעניק נצילות המרה אופיינית של 81% ומפזר 19% מההספק כחום, בעוד פתרון buck‏ סינכרוני יהיה בעל נצילות המרה אופיינית של בערך 90%, יפזר רק 10% מההספק כחום. זה אומר שההפסדים התרמיים בממיר buck אסינכרוני גדולים קרוב לכפליים מההפסדים התרמיים בממיר buck סינכרוני. על כן, השימוש בממיר buck‏ סינכרוני מפשט בהרבה אתגרי ניהול תרמי על ידי הפחתת כמות החום המופקת.

איור 2: יישום אופייני של ממיר buck אסינכרוני מציג את מיישר היציאה (D1), מסנן היציאה (L1 ו-Cout), ואת רשת המשוב (Cff,‏ R1 ו-R2). (מקור תמונה: ON Semiconductor)

ב‏ממיר buck סינכרוני, כמו ה-ST1PS01 מבית STMicroelectronics‏, מיישר היציאה מוחלף על ידי יישור MOSFET‏ סינכרוני (איור 3). התנגדות “מצב-מופעל” הנמוכה יותר של ה-MOSFET הסינכרוני ‏בהשוואה למיישר יציאה בממיר buck אסינכרוני מקטין הפסדים ומביא לתוצאה של נצילויות המרה גבוהות משמעותית. ה-MOSFET הסינכרוני פנימי למעגל-המשולב (IC), מונע את הצורך בדיודת יישור חיצונית.

איור 3: מעגל יישום buck סינכרוני מראה את ביטול הצורך בדיודת יישור יציאה חיצונית. עדיין דרושים רכיבי סינון יציאה ומשוב. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

יש מחיר לנצילות הגבוהה יותר ולהעמסה התרמית הנמוכה יותר המתאפשרות עם ממיר buck סינכרוני. עם MOSFET‏ מיתוג הספק יחיד ודיודה עבור יישור, בקרי ממיר buck אסינכרוני הם הרבה יותר פשוטים (וקטנים יותר) מאחר והם אינם צריכים להתעסק עם האפשרות של הולכה-צולבת או "Shoot-Through" ואין FET סינכרוני שיש לבקר. טופולוגיית ‏buck סינכרוני דורשת דוחף מסובך יותר ומעגלים נגד הולכה צולבת כדי לבקר את שני המתגים (איור 4). כדי להבטיח ששני טרנזיסטורי ה-MOSFET לא יופעלו בו זמנית וייצרו קצר ישיר נדרשת מורכבות גבוהה יותר והתוצאה היא מעגלים-משולבים גדולים ויקרים יותר.

איור 4: דיאגרמת מלבנים של מעגל-משולב ממיר buck סינכרוני מציג את שני טרנזיסטורי ה-MOSFET המשולבים (ליד הפין המסומן ‘SW’) ואת הדוחף/המעגלים נגד הולכה-צולבת הנוספים. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

למרות שממירי buck סינכרוניים מבוקרי אפנון רוחב פולס הם יותר נצילים תחת תנאי עומס בינוני או מלא, ממירי buck אסינכרוניים לעיתים קרובות מספקים נצילויות המרה גבוהות יותר תחת תנאי עומס נמוך. עם זאת, זה פחות ופחות המקרה מאחר והמימושים האחרונים של ממיר buck סינכרוני כוללים מצבי עבודה שונים המאפשרים למתכננים למטב נצילויות עומס נמוך.

ממיר buck סינכרוני עבור חלוקת כוח של 5 וולט ו-12 וולט

עבור מתכננים המשתמשים בחלוקת כוח של 5 ו-12 וולט במוצרים לצרכנים ומכשירי חשמל ביתיים, Diodes, Inc.‎ מציעה את ה-AP62600, ממיר Buck סינכרוני 6 אמפר (A‏) עם תחום כניסה‏ רחב של 4.5 עד 18 וולט. ההתקן משלב MOSFET הספק 36 מילי-אוהם (mΩ) צד-גבוה ו-MOSFET הספק 14‎ mΩ צד-נמוך כדי לספק המרה מורידת-מתח DC-DC בעלת נצילות גבוהה.

ה-AP62600 דורש מינימום רכיבים חיצוניים כתוצאה מבקרת זמן-מצב-מופעל-קבוע (Constant On-Time) (COT) שלו. הוא גם מספק הענות טרנזיינט מהירה, ייצוב חוג קל ואדווה נמוכה של מתח יציאה. תכן ה-AP62600 ממוטב במיוחד להפחתת הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI). להתקן דוחף שער (gate) קניני להתנגדות צלצול (ringing) של צומת המיתוג מבלי להקריב זמני הפעלה והשבתה של MOSFET, דבר המקטין רעש מוקרן EMI תדר-גבוה הנגרם על ידי מיתוג MOSFET. ההתקן זמין במארז V-QFN2030-12 (סוג A).

קיים מחוון‏ אספקת-כוח-תקינה המתריע למשתמשים על כל תנאי תקלה שעלולים לצוץ. מצב אתחול-רך ניתן-לתכנות מבקר את זרם ההתנעה בהדלקה, מאפשר למתכננים ליישם הדלקה ברצף כשמשתמשים בממירים AP62600 מרובים כדי להזין התקנים משולבים גדולים, כגון מערכי שער ניתנים-לתכנות בשדה (FPGAs), מעגלים-משולבים יעודיים ליישום (ASICs), מעבדי אותות דיגיטליים (DSPs) ויחידות מיקרו-מעבד (MPUs).

ה-AP62600 מעניק למתכננים בחירה של שלושה מצבי עבודה כדי לעמוד בצרכים הספציפיים של יישומים פרטניים (איור 5). ניתן להשיג נצילות גבוהה לרוחב כל העומסים עם תפעול אפנון תדר פולסים (PFM). שיטות אחרות קיימות כוללות אפנון רוחב פולס (PWM), כדי להשיג את ביצועי האדווה הטובים ביותר, ושיטה על-קולית (USM) שמונעת רעש נשמע בעומסים קלים.

איור 5: ה-AP62600 מעניק למתכננים בחירה של שלוש שיטות עבודה כדי לעמוד בצרכים של יישומים פרטניים: PFM, ‏USM ו-PWM. (מקור תמונה: Diodes, Inc.‎)

כדי לסייע למתכננים בתחילת השימוש ב-AP62600, חברת Diodes, Inc.‎ מציעה את לוח ההערכה AP62600SJ-EVM (איור 6). ה-AP62600SJ-EVM הוא בעל ‏מערך פשוט ומאפשר גישה לאותות המתאימים באמצעות נקודות בדיקה.

איור 6: לוח ההערכה AP62600SJ-EVM מעניק סביבת הערכה‏ פשוטה ונוחה עבור ה-AP62600. (מקור תמונה: DigiKey)

ממיר buck סינכרוני עבור אפיקי 24 וולט

ה-L6983CQTR מבית STMicroelectronics‏ מתאפיין בתחום כניסה של‏ 3.5 עד 38 וולט ומספק זרם יציאה של עד ‎3 A‏. מתכננים יכולים להשתמש ב-L6983 במגוון רחב של יישומים, כולל מערכות הספק תעשייתיות 24 וולט, ציוד מוזן סוללה 24 וולט, צמתים חכמים מבוזרים, חיישנים ויישומים במצב-מופעל תמידי ורעש-נמוך.

ה-L6983 מבוסס על ארכיטקטורת מצב זרם שיא עם קומפנסציה פנימית וארוז ב-QFN16 ‏3‎ מ"מ x‏ 3 מ"מ, בכך מקטין למינימום מורכבות תכן וגודל. ה-L6983 זמין בגרסאות צריכה נמוכה (LCM) ורעש נמוך (LNM). גרסת LCM ממקסמת את הנצילות בעומסים קלים עם אדוות מתח יציאה מבוקרת, דבר העושה את ההתקן מתאים עבור יישומים מוזני-סוללה. גרסת LNM עושה את תדר המיתוג לקבוע ומקטינה למינימום את אדוות מתח היציאה עבור עבודה בעומס קל, עומדת במפרטים עבור יישומים רגישים לרעש. ה-L6983 מאפשר את בחירת תדר המיתוג בתחום ה-200 קילו-הרץ (kHz) עד 2.3 מגה-הרץ (MHz‏) עם Spread Spectrum אופציונלי עבור תאימות אלקטרומגנטית (EMC) משופרת.

STMicroelectronics‏ מציעה את לוח ההערכה STEVAL-ISA209V1 כדי לאפשר למתכננים לחקור את היכולות של מייצב מוריד-המתח המונוליתי L6983 ולהתניע את התכנון שלהם.

בקר buck סינכרוני עבור תכני מחשוב וטלקום

ה-NCP1034DR2G מבית ON Semiconductor‏ הוא‏ בקר PWM מתח גבוה המתוכנן עבור יישומי buck DC/DC סינכרוניים, ביצועים עיליים, עם מתחי כניסה של עד 100 וולט. התקן זה מתוכנן לשימוש בהמרת כוח לא-מבודדת של 48 וולט ביישומי טלקומוניקציה, רשתות ומחשוב משובצים. ה-NCP1034 דוחף‏ זוג טרנזיסטורים MOSFET תעלה-N חיצוניים כפי שמוצג באיור 7.

איור 7: מעגל יישום אופייני עבור המעגל-המשולב בקר buck סינכרוני NCP1036 המראה את טרנזיסטורי ה-MOSFET צד-גבוה וצד-נמוך (Q1 ו-Q2, בהתאמה). (מקור תמונה: ON Semiconductor)

ה-NCP1036 מתאפיין בתדר מיתוג ניתן-לתכנות מ-25‎ kHz‏ עד 500‎ kHz‏ ופין‏ סנכרון המאפשר בקרה חיצונית על תדר המיתוג. אספקת שתי בקרות תדירות אלו מאפשרת למתכננים לבחור את הערך האופטימלי עבור כל יישום ספציפי ולסנכרן את העבודה של בקרי NCP1034 מרובים. ההתקן גם כולל השבתת תת-מתח ניתנת-לתכנות משתמש והגנת מגבל זרם Hiccup‏. עבור תכני מתח-נמוך, ניתן להשתמש במתח ייחוס מקוצץ פנימית של 1.25 וולט עבור ייצוב מתח יציאה מדויק יותר.

כדי להגן על ההתקן וגם על המערכת, כלולים ארבעה מעגלים של השבתת תת-מתח. שלושה מוקדשים לפונקציות ספציפיות; שניים מגינים על דוחפי הצד-הגבוה והצד-הנמוך החיצוניים ואחד מגן על המעגל-המשולב (IC) מפני התחלה מוקדמת מדי, לפני שה-VCC נמצא מתחת לסף מוגדר. מעגל השבתת תת-מתח רביעי ניתן-לתכנות על ידי המשתמש תוך שימוש במחלק נגד חיצוני: כל עוד VCC נמצא מתחת לערך סף מוגדר על ידי המשתמש, הבקר נשאר במצב כבוי.

כדי לסייע למתכננים בתחילת השימוש ב-NCP1034, חברת ON Semiconductor מציעה את לוח ההערכה NCP1034BCK5VGEVB (איור 8). לוח הערכה זה תוכנן עם מספר אפשרויות כדי לתמוך במגוון צרכי מערכת. קיים‏ מייצב ליניארי המספק-כוח למעגל-המשולב (IC) והמתכנן יכול לבחור באם יעשה כן תוך שימוש בדיודת‏ זנר (Zener) או בטרנזיסטור מתח-גבוה על ידי בחירת הנגד המתאים. למתכננים ניתנת גם הברירה לבחור בין קומפנסציה מסוג שני (מצב-מתח) או מסוג שלישי (מצב-זרם), קבלי יציאה קרמיים או אלקטרוליטיים לפי בחירה וערכי קיבוליות כניסה שונים. ישנם שני פיני פס-פינים: אחד עבור חיבור נוח למקור חיצוני של פולסי סנכרון כדי לאפשר חיבור ישיר של הלוח ללוח ההדגמה NCP1034 האחר; השני כדי להתחבר לפין ה-SS/SD, שיכול לשמש לכבוי הבקר על ידי החיבור שלו להארקה.

איור 8: לוח ההערכה NCP1034BCK5VGEVB כולל אפשרויות מרובות כדי לסייע למתכננים להתחיל מהר תכנים חדשים. (מקור תמונה: DigiKey)

מסקנה

דרוש יותר ויותר להקטין מתחי אפיק גבוהים למתחים נמוכים יותר כדי להזין מעגלים-משולבים ועומסים אחרים לרוחב מגוון מערכות, כולל רכב, אוטומציה תעשייתית, טלקומוניקציה, מחשוב, מכשירי חשמל ביתיים ואלקטרוניקה לצרכנים.

כפי שהראנו, מתכננים יכולים לפנות לממירי כוח buck סנכרוניים לממש המרה-מטה זו עם נצילות מקסימלית, העמסה תרמית מינימלית, בעלות נמוכה ובגודל פתרון הקטן ביותר האפשרי.

קריאה מומלצת

1. ממירי buck אסינכרוניים מציעים נצילות גבוהה בעומסים קלים יותר
2. להפיק יציאות מרובות מממיר buck סנכרוני יחיד הוא פשוט