בוב זולו, Agilent Technologies
DC אינו תמיד dc. כאשר מפותחות מערכות המיועדות לפעול באמצעות מתח dc, הסביבה החשמלית של מתח ה-dc צפויה להתאפיין ברעש וייתכן כי גם בהפרעות נוספות. מאמר זה יבחן את השיקולים לייצור הפרעות בתדרים נמוכים (תקלות, נפילות מתח, עליות מתח, שיאי מתח) אשר מתרחשות בטווח ה-100 מיקרו-שניות ומעלה ומתאפיינות ברוחבי פס של 10 קה”צ או פחות. בניגוד לכך, הרעש – אשר מצוי מחוץ להיקפו של מאמר זה – יכול להתאפיין בתדר נמוך (כגון זמזום של 50/60 הרץ) אולם מהווה אתגר של ממש כאשר יש לחוללו בטווחי הקה”צ, המה”צ ואף הגה”צ.
הפרעות עשויות להיגרם על-ידי שלל גורמים. הפרעות צדדיות במקור עלולות להיגרם על-ידי אירועים אשר מובילים לווריאציה של המקור כגון שינוי מתח המוצא של המקור בגין תנאים סביבתיים (למשל ענן החולף מעל קולט שמש או אלטרנטור של רכב אשר מסתובב במהירות שונה). הפרעות צדדיות של עומסים עלולות להיגרם על-ידי מיקום עומסים משתנים על מתח ה-dc, למשל בעת הטלת עומסים חדשים (התקנים) על dc rail, או הפעלה/כיבוי של תתי מערכות אשר מושבתות לצורך חיסכון בחשמל.
בעת תכנון מערכות אשר מופעלות באמצעות מתח dc, על המהנדסים לשקול את השפעותיהן של הפרעות ה-dc על פעולתה הכוללת של המערכת. ללא ספק, אירועים רגילים של הפרעות dc, כגון חיבור התקנים חדשים, אינם אמורים לגרום לקריסת ה-dc rail וכן אינם אמורים לגרום לכיבוי, איפוס, אובדן נתונים או כשל של התקנים אחרים המחוברים לאפיק מתח ה-dc. לפיכך, תיקוף תכנוני מערכות והתקנים מבוססי מתח dc מצריך הדמיה של הפרעות dc כבר בשלב הבדיקה, על מנת להבטיח פעילות נאותה של המערכת.
דוגמאות למערכות DC ולהפרעות אפשריות
מערכות והתקנים רבים פועלים באמצעות dc bias או dc rail. המערכת תפעל כראוי אם ה-dc rail ישמור על מתח פעולה נאות, תוך הותרת מרווח פעולה מסוים. להלן מספר דוגמאות למערכות dc ולאופן שבו הפרעות dc עלולות להתרחש ולגרום לתוצאות בלתי רצויות.
בדרך כלל, אנו חושבים על הסביבה החשמלית ברכב כעל מערכת של 12V dc. עם זאת, אפיק המתח במכונית מתאפיין בסטיות ובהפרעות רבות. שינוי במהירות המנוע עלול לגרום לתנודות מתח. עומסים משתנים, כגון הפעלת מנועי החלונות, יכול לגרום לצניחת אפיק ה-12V dc. באפיק ה-12V dc מיוצרים טרנזיינטים משמעותיים של מתח כבר במהלך התנעת המנוע. הרכיבים האלקטרוניים של הרכב, החל ביחידות בקרת המנוע, דרך מערכות הבידור וכלה במכשור, חייבות להיות עמידות בפני טרנזיינטים אלה; הרי אינך מעוניין שמחשב המנוע של רכבך יינעל בעת הלחיצה על הבלמים או בעת האצה.
כאשר תאורת לדים פועלת באמצעות מערכת הפצה מבוססת מתח dc, ההפרעות במערכת ה-dc עלולות להשפיע על תפוקת האור הגלוי של תאורת הלדים. הפרעות וטרנזיינטים עלולים לגרום לריצוד בלתי רצוי ומרגיז בנורות הלד.
כאשר מספר התקנים או תתי מערכות מופעלים באמצעות אפיק dc משותף, הוספה או הסרה של התקנים מן האפיק עלולה לגרום לטרנזיינט מתח אשר משפיע על כל שאר ההתקנים באפיק. כאשר התקן USB מחובר לראשונה, נחשולי זרם המבוא (inrush current) עלולים לחרוג מסיווג הזרם של קו ה-USB 5V. הדבר נכון במיוחד לגבי התקנים המתאפיינים במתח גבוה, כגון כוננים קשיחים תואמי USB, אשר צורכים זרמי מבוא גבוהים בעת שהמנוע מפעיל את הכונן. זרם ה-inrush גורם לצניחת המתח בקו ה-USB 5V וירידה חדה מדי של המתח עלולה לגרום לאיפוס התקנים נוספים בקו ה-USB. הדבר אינו רצוי, משום שהוא עלול להוביל לאובדן נתונים.
בדומה למתואר בדוגמה המתייחסת ל-USB, זרמי הדלקה עלולים לגרום לצרות גם כאשר המערכת הנה בעלת תצורה קבועה, ללא הוספה או חיבור של התקנים. עם הדלקתם של התקני FPGA, הם עלולים לגרום לזרמי inrush או זרמי הדלקה משמעותיים. שיאים אלה, אשר עלולים להיות בעלי עוצמה הגדולה x10 מעוצמת הזרם במצב יציב, יכולים בקלות לגרום לנפילת ה-dc rail שבמערכת ולהוביל לצניחה רגעית שעלולה להשפיע לרעה על רכיבים ותתי מערכות המופעלים באמצעות ה-rail, ואף לגרום לאיפוס או לכיבוי. ניתן אמנם למזער את השפעות זרמי ה-inrush וההדלקה על-ידי שימוש במקור מתח גדול יותר להפעלת ה-rail, אולם לא תמיד יש טעם מעשי לעשות כן, כך שייתכן ותידרש בדיקה של תתי המערכות כדי לבחון את עמידותם בפני זרמי inrush אשר נגרמים על-ידי הפרעות dc.
שיקולים מעשיים לייצור הפרעות DC במהלך הבדיקה
יש להפוך את תכנוני המערכות לעמידים בפני מגוון הפרעות מתח dc. הדבר נכון במיוחד לגבי מערכות אשר תלויות ביכולת הפעולה ההדדית של התקני “חבר-הפעל”. המשתמש הממוצע להוט לחבר את הגאדג’ט החדש ומצפה שיפעל ללא כל השפעה על התקנים אחרים המופעלים באמצעות אותו אפיק dc. הדרך היחידה להבטיח זאת היא על-ידי פיתוח תקנים או מפרטים תכנוניים שיבטיחו את יציבות אפיק ה-dc ואת איכות המתח וכן על-ידי תכנון התקנים שיהיו עמידים בפני הסטיות שצוינו. המהנדסים העוסקים במחקר ופיתוח ובאימות תכנונים מחפשים דרך שתאפשר להם ליצור אפיק מתח dc עם הפרעות מבוקרות והדירות, כדי שיוכלו לבדוק את תכנוניהם ולוודא כי הם תואמים לתקן או שהם עומדים במפרטים התכנוניים.
כדי לבדוק את סבילותו של תכנון להפרעות מתח dc באפיק המתח dc, יש צורך בסוג מסוים של ספק כוח. לא זו בלבד שעליו להיות מקור מתח dc, אלא שהוא נדרש לייצר מתח מוצא שאינו dc בצורת טרנזיינט מתח dc משתנה זמן, אשר ניתן לתכנות בהתאם לצורתה של הפרעת ה-dc.
מהנדסים ניסו בעבר – לעתים ללא הצלחה – ליצור ספק כוח לבדיקות שיוכל לחולל טרנזיינט מתח dc. תכנונים מסוימים מבוססים על מחולל צורת גל אקראית, אולם, להוציא מקרים שבהם ההתקן תחת בדיקה מתאפיין בדרישות מתח נמוכות ביותר, רוב מחוללי צורות הגל האקראיות אינם מצליחים לספק זרם מספיק להפעלת ההתקנים. מהנדסים שונים ניסו לשפר את מחולל צורת הגל על-ידי הוספת מגברי הספק. מגבר כזה יכול להיות תכנון מותאם אישית או מגבר מוכן לשימוש, כגון מגבר אודיו רכבי, אשר מסוגל לייצר מתח גבוה בצד רוחב פס מתאים. אולם פתרונות “עשה זאת בעצמך” אלה אינם יכולים להיחשב כפתרונות כלליים, שכן קשה מאוד לייצב את התכנונים על פני מגוון רחב של עכבות עומס. לפיכך, נדרשת התאמה של תכנון המקור עבור כל תנאי העומס.
בעת בחירת ספק כוח dc מוכן לשימוש אשר יכול לייצר טרנזיינט מתח dc, יש לקחת בחשבון מפרטים דינאמיים. ראשית, ה-power stage של ספק הכוח dc צריך להתאפיין במהירות מספקת, שתאפשר לו לייצר את קצב שינוי המתח המיועד. לעתים קרובות, מפרט זה מכונה זמן העלייה (rise time) של ספק הכוח או זמן תגובת התכנות של ספק הכוח.
בנוסף, ספק הכוח מצריך דרך שתאפשר תכנות מהיר לצורך שינוי מהיר של מתח המוצא, על מנת ליצור את ההפרעה הרצויה. אחת השיטות כוללת שימוש בספק אנלוגי מתוכנת. במסגרת סכמה זו, מחולל צורת הגל האקראית יוצר את ההפרעה ומוצא המחולל מניע את הכניסה האנלוגית לתוך ספק הכוח, אשר מתפקד במקרה זה כמגבר הספק. שיטה נוספת כוללת שימוש בספק כוח שהנו מהיר דיו כדי להגיב לסדרת פקודות של מחשב וכדי לתכנת מחדש/לשנות את אותות המוצא שלו לצורך עיצוב צורת ההפרעה הרצויה. שיטה אחרת מבוססת על הבחירה בספק כוח dc אשר מתאפיין ביכולת יצירת רצפים פנימית, אשר מאפשרת להוריד את צורת הגל של טרנזיינט ה-dc אל ספק הכוח כדי לגרום לו לבצע את הרצף לצורך יצירת צורת הגל.
שיקול נוסף הוא הקיבוליות של ההתקן המופעל, אשר מופיע כעומס במוצא ספק הכוח. הזרם הנדרש לצורך הנעת ההתקן מוגדר באמצעות המשוואה I=C*dv/dt. לפיכך, כאשר קצב שינוי המתח עולה, גם זרם ההנעה הדרוש מתגבר. אם ההתקן מתאפיין בקיבוליות מבוא גבוהה, ואתה מעוניין בשינוי מהיר של המתח לרוחב מבוא ההתקן הנבדק, הרי שהזרמים עלולים להיות גבוהים עד מאוד. לפיכך, כדי לקבוע את גודל ספק הכוח dc, עליך לשקול מהו הזרם הדרוש במהלך הטרנזיינט ולא רק את זרם ה-dc הדרוש במצב יציב.
שיקול נוסף ואחרון נוגע למהירות שבה ספק הכוח מוריד את רמת המתח שלו. מפרט זה מוגדר כזמן הירידה (fall time) של ספק הכוח. ספקי dc רבים הקיימים בשוק אינם מצליחים לבצע את שינוי המתח כלפי מטה במהירות שבה הם משנים את המתח כלפי מעלה; במילים אחרות, זמן הירידה ארוך בהרבה מזמן העלייה. במקרים רבים, מפרט זמן העלייה הנו 20 אלפיות שנייה, בעוד שמפרט זמן הירידה הנו 200 אלפיות שנייה. כאשר ההתקן תחת בדיקה מתאפיין בקיבוליות גבוהה במבוא, הרי שלאחר הטעינה, הקבל מאחסן את המטען ושומר על יציבות מתח לרוחב הקבל. אם עליך להוריד את המתח שבהתקן תחת בדיקה, יש לפרק את הקבל מן המטען לצורך צניחת המתח. ספקי כוח מסוימים מצוידים במעגל מיוחד המכונה down programmer או במנגנון הורדה אקטיבי, אשר מפעיל עומס אלקטרוני קטן בספק הכוח לצורך הסרת הזרם מן הקבל. עבור ספקים אלה, מפרט זמן הירידה יהיה זהה לזמן העלייה וכך יאפשר זרמי טרנזיינט מהירים יותר בכל כיוון.
בחירת ספק כוח מוכן לשימוש עבור הפרעות DC
לאחר הבנת השיקולים המעשיים לייצור הפרעות, הבה נבחן את פתרונות ספקי הכוח המוכנים לשימוש.
בשוק קיימים ספקי כוח רבים אשר מסוגלים לתת מענה לדרישות הזרם הגבוה הנחוץ במהלך הפרעות, אולם רוב ספקי הכוח גבוהי הזרם מתאפיינים בזמני עליה/ירידה איטיים, ומשום כך אינם מתאימים לייצור הפרעות. יצרנים מסוימים של ספקי כוח מייצרים ספקים מהירים יותר המתאפיינים בזמני עלייה קצרים ומצוידים בהתקני down programmer ואף בפעילות 2-quadrant מלאה, אשר מאפשרים שינויים מהירים גם בכל הנוגע להורדת מתח. ספקים אלה מתאימים יותר לייצור הפרעות, אולם גם במקרה זה נדרש פתרון המאפשר תכנות מהיר לצורך ייצור זרמי הטרנזיינט. גם כאן יש צורך בתכנות מוצא מהיר דרך בקרת מחשב או ברצפי מתח מוצא פנימיים.
מהנדסים מסוימים בוחרים בספקי כוח 4-quadrant או בספקי כוח מבוססי מגבר דו קוטבי. ספקים אלה זמינים בדרך כלל בהספקים נמוכים (< 50 ואט) ומתאפיינים בדיוק גבוה (קרויים לעתים SMU), או בהספק גבוה (1000 ואט) – אולם במקרה זה הנם כבדים ומגושמים מאוד. בכל מקרה, ספק כוח עם פעולת 4-quadrant יקר בהרבה מאשר ספק כוח dc רגיל, המתאפיין ברמת הספק זהה. אף על פי שספק כזה הנו מהיר יותר מאשר ספק כוח dc רגיל, הרי שיש בכל זאת לקחת בחשבון את מהירות המוצא גם בעת בחירת ספק מסוג זה. מעבר לכך, לאור אפשרות הבחירה המוגבלת, עצם החיפוש אחר ספק כוח 4-quadrant שמבטיח מהירות, מתח וזרם ברמות נאותות עלול להוות אתגר של ממש.
