מאת: גרג זימר Linear Technology, קובי גלברג Avnet Israel
עם העלייה בדרישה לחיסכון באנרגיה, יותר ויותר מוצרי אלקטרוניקה מתוכננים עם ווסתי מיתוג במקום ווסתים ליניאריים. מערכות הספק עם כמה ווסתי מיתוג הולכות ונהיות שכיחות, אולם ככל שעולה מספר הווסתים כך עולה גם השפעתה של ההפרעה האלקטרומגנטית, או ה-EMI. אחת הטכניקות הפשוטות והזולות ביותר להפחתת ה-EMI היא השימוש בשעון פריסת ספקטרום מרובה פאזות.
סינכרון מרובה פאזות
תדר העבודה של מרבית ווסתי המיתוג ניתן לשליטה באמצעות שעון חיצוני, וזה מה שקובע את התדר הבסיסי של ה-EMI שנוצר. תכונה זו יכולה להיות שימושית ולעזור להגדיר את ה-EMI מחוץ לפס הרגיש. מדובר בתכונה יקרת-ערך כאשר מפעילים כמה ווסתי מיתוג ביחד. לכמה ווסתי מיתוג הפועלים באופן עצמאי ואינם תלויים זה בזה יש את הפוטנציאל לחולל EMI שיא גבוה כיוון שתדרי השעון מתקרבים זה לזה ויוצרים תנאים להיווצרות תדר פעימות. בדומה, אם מפעילים כמה ווסתים על שעון יחיד, ה-EMI יסתנכרן ולכן יהיה מרוכז מאוד. אחד הפתרונות האפשריים הוא שכל הווסתים יופעלו עם אותו תדר שעון, אבל עם פאזות שונות.
סינכרון בריבוי פאזות מתייחס לטכניקה שבה מפעילים באופן חיצוני כמה מתגים עם תדר שעון יחיד, כאשר בין כל ווסת לווסת קובעים היסט זמן (time shift). שיטה זו מקטינה את זרם השיא של המיתוג באמצעות דירוג של ההדלקה של כל מתג כך שיש שאיבה של זרם כניסה במקום שבו במצבים קודמים היה פס “מת”. כתוצאה מכך, לכמה ווסתי מיתוג המסונכרנים מחוץ לפאזה יש זרם שיא נמוך יותר, ולכן גם EMI נמוכה יותר, בהשוואה לווסתים המסונכרנים בתוך הפאזה.
בנוסף, סינכרון פאזי מגדיל את התדר של ה-EMI שנוצרת (1), וזה מאפשר EMI פשוטה יותר כיוון שבתדרים הגבוהים יותר (2), גם הסינון נעשה יעיל יותר.
SSFM – אפנון תדרים בפריסת ספקטרום
בנוסף לסנכרון הרב-פאזי, ניתן לשפר את ה-EMI גם באמצעות שינוי תדיר של התדר של שעון ווסת המיתוג. טכניקה זו, המכונה SSFM, משפרת את ה-EMI בכך שאיננה מאפשרת לאנרגיה הנפלטת להישאר בפס אחד מסוים של המקלט למשכי זמן משמעותיים. ישנם ארבעה שיקולים עיקריים ליעילות מרבית של ה-SSFM: רוחב הפס של המקלט המושפע, שיטת אפנון התדר, כמות פריסת התדר, וקצב האפנון.
המקלט
בכל פעם שמתכנן בוחן את נושא ה-EMI, עליו להקפיד להבין את רוחב הפס של המקלט(ים) המושפע(ים) מה-EMI. המקלטים הללו יכולים להיות התקני מערכת אמיתיים, והם יכולים גם להיות מקלטים המשמשים לעמידה בתקנות בהתאם למפרטי CISPR 16-1. רוחב הפס של המקלט קובע שני מאפיינים חשובים: טווח התדרים שעבורם יגיב המקלט וזמן התגובה של המקלט כשהוא נחשף ל-EMI.
שיטת האפנון
רוב ווסתי המיתוג מציגים אדווה המשתנה עם התדר: יותר אדווה בתדרי מיתוג נמוכים ופחות בתדרי מיתוג גבוהים. כתוצאה מכך, אדווה של מתג תציג אפנון משרעת אם שעון המיתוג הוא מאופנן תדר. אם האות המאפנן של השעון הוא תקופתי, כמו גל סינוס או גל משולש, יהיו אפנון אדווה תקופתי ורכיב ספקטרלי מובחן בתדר המאפנן. כיוון שהתדר המאפנן הוא הרבה יותר נמוך משעון המתג, ייתכן שיהיה קשה לסננו. קושי זה יכול להוביל לבעיות שונות, כמו טונים נשמעים לאוזן או עיוותי תצוגה נראים לעין, בגלל צימוד רעש הספק או בגלל דחיית ספק מוגבלת במעגלי “מורד הזרם” (downstream). את האדווה התקופתית הזו אפשר למנוע בעזרת אפנון תדר פסבדו-אקראי. עם אפנון תדר פסבדו-אקראי, השעון עובר מתדר אחר לאחר באופן פסבדו-רנדומלי. כיוון שאדוות המוצא של המתג היא מאופננת משרעת על-ידי אות דמוי רעש, המוצא נראה כאילו אין אפנון והשלכות “מורד הזרם” על המערכת הן זניחות.
כמות האפנון
עם העלייה בטווח תדרי ה-SSFM יורד האחוז של זמן “בתוך הפס” (ה-in-band). אם האות הפולט נכנס לפס של המקלט מעט פעמים ולמשכי זמן קצרים יחסית לזמן התגובה שלו, נוצרת הפחתה משמעותית ב-EMI. לדוגמה, אפנון תדר של ±10% יהיה הרבה יותר אפקטיבי להפחתת ה-EMI בהשוואה לאפנון תדר של ±2%. עם זאת, לווסתי מיתוג יש טווח מוגבל של תדרים שהם יכולים לשאת. ככלל, רוב ווסתי המיתוג מסוגלים בקלות לשאת השתנות תדר של ±10%.
קצב האפנון
בדומה לכמות האפנון, כאשר קצב אפנון התדר עולה, הזמן שה-EMI תהיה “בתוך הפס” עבור מקלט נתון יתקצר וה-EMI תפחת. עם זאת, יש גבול לקצב השתנות התדר (dF/dt) שאחריו מסוגל המקלט לעקוב. הפתרון הוא למצוא את קצב האפנון הגבוה יותר שאיננו משפיע על וויסות המוצא של המתג.
פתרון אידיאלי
מתנדי סיליקון מספקים פלטפורמה אידיאלית לשעוני ווסתי מיתוג בפריסת ספקטרום וריבוי פאזות. בנוסף לקיומו של מחולל שעון על הלוח, התקני ה-solid state הללו מסוגלים לשלב אפנון פריסת ספקטרום ויציאות רב-פאזיות. חברת Linear Technology לקחה כל זאת בחשבון כאשר פיתחה את ה-LTC6909, מתנד סיליקון מדויק בפריסת ספקטרום עם שמונה יציאות רב-פאזיות נפרדות. נגד יחיד בוחר את תדר המוצא מ-12.5 קילוהרץ עד 6.67 מגהרץ. שלוש כניסות לוגיקה קובעות את יחסי פאזת המוצא בטווח של 45 עד 120 מעלות, מה שמאפשר להתקן ה-LTC6909 לספק סנכרון עבור כמות של עד 8 פאזות. ניתן לאפשר אפנון תדר פסבדו-אקראי עם פריסת תדר של ±10% ממרכז התדר. המשתמש בוחר אחד משלושה קצבי אפנון כדי להבטיח שקצב האפנון אינו עולה על רוחב הפס של הווסת. בנוסף יש ל-LTC6909 מסנן חדשני שעוקב אחרי קצב אפנון ה-SSFM ומספק החלקה בין מעברי תדר.
מסקנות
השימוש בכמה ווסתי מיתוג במערכת אחת יכול ליצור בעיה משמעותית של EMI. השיטה של סינכרון רב-פאזי ואפנון תדר בפריסת ספקטרום יכולה לא רק לשפר את ההתנהלות בכל הנוגע לתקנים, לסינון ולסיכום, אלא לשפר באופן ניכר גם את ביצועי ה-EMI. ה-LTC6909 מבית Linear Technology מציע פתרון ישיר ופשוט. עם מעט מאוד מאמץ, מתנד הסיליקון הקטן, דל ההספק והיציב הזה יכול בקלות להוכיח את כדאיותו ואת תרומתו לתכנון.
