Nik Ledoux , ADI
מעגלי גשר H משמשים ביישומי הספק רבים, כגון מתמרים ומפעילי מנועים, בנוכחות מתחים גבוהים וסיכוני חשמל אחרים. לשם אבטחה והגנה, המתכננים יכולים לבודד את מעגלי הבקרה מגשר ה-H על-ידי שני מזיני שער מבודדים דו-ערוציים דוגמת ה-ADuM1233, ADuM1234 או ADuM7234. רכיבים אלה מתאימים מאוד לצורכי הזנת גשרי H מאחר שהמוצאים בצד הגבוה (high side) שלהם ניתנים לייחוס למתחים גבוהים יותר מאשר הייחוס המוארק המבודד, ומאחר שמוצאים בצד הגבוה והנמוך (low side) של מוצרים אלה מבודדים אחד מהשני.
איור 1 מראה דוגמה של מעגל הזנת גשר H מבודד המשתמש ב- ADuM7234. המוצאים השולטים במתג ה- MOSFET בצד הגבוה בין VSS1/VSS2 ו- VSS1+15V/VSS2+15V, והמוצאים השולטים במתג ה- MOSFET בצד הנמוך בין ההארקה המבודדת וה- +15V. ה- ADuM7234 מספקים בידוד של 1 kV rms וזרם הזנת מוצא שיא של 4A, והם יכולים למתג עד 1 מגה-הרץ בתלות בעומסים שלהם. יתכן שיהיה צורך בנגדים טוריים עם שערי ארבעת ה- MOSFETs כדי למנוע צלצול אם המבודדים מזינים עומסים קלים.
פיתרון יותר קומפקטי המספק בידוד של 2.5 kV rms ורמות לוגיות של 3.3 וולט או רמות מתח להזנת השער נמוכות יותר משתמש בשני מזיני שער דו-ערוציים מבודדים ADuM3220 2.5 kV, 4A כמתואר באיור 2. אם כי ה- ADuM3220 מתוכנן ליישומי מיתוג בצד הנמוך, הוא יכול לשמש גם כמזין שער בצד הגבוה אם מציבים ADuM3220 אחד להזנת הצד הגבוה של ה- MOSFETs בעוד ADuM3220 אחר מזין את שני ה- MOSFETs בצד הנמוך. שים לב באיור 2 ששני ה- MOSFETs n-channel בצד הגבוה הוחלפו בשני MOSFETs p-channel .ADuM3220 אחד מזין את התקני ה- p-channel, והשני מזין את התקני ה- n-channel. באיור מוצגים גם נגדי ריסון אופציונליים בטור עם השערים.
איור 1: מזין גשר H מבודד עם ADuM7234s
ה- ADuM3220 בצד הגבוה ממתג את שערי ה- MOSFET p-channel מ- Vbridge ל- Vbridge-5.1V. האנודה של דיודת (זנר) Zener 5.1V היא ייחוס ההארקה עבור הצד הגבוה של ה- ADuM3220. צומת זה מקוצר להארקה המבודדת בעזרת קבלים בעלי 0.1µF ו-10µF. RBIAS מספק זרם מיקדם עבור הזנר. ערכו תלוי בזרם המרבי שיצרוך הצד הגבוה של ה- ADuM3220 והערך של Vbridge. הזרם המרבי תלוי בתדר המיתוג של היישום והגודל של ה- MOSFETs p-channel. יש לבחור את דיודת הזנר לפי מתח הזנת השער הרצוי ופיזור ההספק שייוצר כאשר ה- ADuM3220 צורך זרמים נמוכים מה- Vbridge וגורם שרוב הזרם העובר אל ה- RBIAS יעבור גם דרך הדיודה.
להלן דוגמה כיצד לבחור RBIAS כאשר Vbridge=24V, רמות ההזנה של השער (זנר של 5.1 וולט), תדר מיתוג של 1 מגה-הרץ ומטען שער של 20nC ב-Vgs=5V. ראשית יש לחשב את קיבול השער.
C=Q/V=20nC/5V=4nF
כאשר C הוא קיבול השער, Q מטען השער, V ה- Vgs הסופי.
יש לחשב לאחר מכן את הזרם הדרוש כדי להזין שערים אלה ולהוסיף אותו לזרם הריקם של ה-ADuM3220. זה מייצג את זרם המיקדם המזערי עבור דיודת הזנר:
I=CVF=4nF(5V)(1MHz)=20mA
כאשר C הוא קיבול השער, V=Vgs ,F הוא תדר המיתוג.
זרם הריקם המרבי VDD2 של ה- ADuM3220 הוא 10 מילי-אמפר. לכן, דיודת הזנר צריכה לקבל ממתח של לפחות 30 מילי-אמפר. מאחר ש Vbridge- הוא 24 וולט ומשתמשים בזנר של 5.1 וולט, RBIAS צריך להיות לא יותר מאשר W630.
RBIAS(max)=(Vbridge-Vzener)/I=(24V-5.1V)/30mA=630 Ω
איור 2: מזין גשר H מבודד עם ADuM3220s
בנוסף לערכי הבידוד הגבוהים יותר (2.5kV rms לעומת 1kV rms) והיכולת להשתמש ברמות לוגיות של 3.3 וולט, למעגל באיור 2 גם תחום מתח מוצא רחב יותר מאשר המעגל באיור 1, שהוא 4.5 וולט עד 18 וולט במקום 12 וולט עד 18 וולט. אולי עוד יותר חשוב, הוא דורש רק מחצית המקום על הכרטיס מאשר המעגל באיור 1, מאחר ששני 8-SOICs מחליפים שני 16-SOICs צרי-גוף. דבר זה אינו כולל את המקום הנחסך בשל דרישות ההספק הפחות מסובכות.
קיימות מספר התראות שמתכנן המעגל חייב להתחשב בהן. הראשונה היא שהוא מחליף את מתגי הצד הגבוה ב- MOSFETs p-channel. עבור מספר יישומים, הדבר עלול להיות בלתי-מעשי בשל מטען השער היותר גבוה וחסרונות ה- rds(on) ביחס ל- MOSFETs n-channel. התראה נוספת מתייחסת למוצאי ה- LOW החסרים של ה- ADuM3220. אם צד המבוא איננו מוזן, ה- VOA וה- VOB יונמכו עד GNDA ו- GNDB. דבר זה מנתק את ה- MOSFETs n-channel ומחבר את ה- MOSFETs p-channel. לא תיווצר הולכה צולבת כאשר המוצאים מגיעים לערכי הקבע מאחר שמתחי הצד הנמוך מנותקים, אך Vbridge יחובר לכל קצות העומס.
איור 3 ואיור 4 מראים את התוצאות של מעגל בדיקה שבנינו כדי להציג מימוש זה של ה- ADuM3220. גשר ה- H מתוכנן להתמתג בין 16± וולט ב-1 מגה-הרץ. איור 3 מראה את מוצאי ארבעת האותות של הזנת השער. איור 4 מראה את אותות הבקרה והמוצא של גשר ה- H. מעגל הבדיקה השתמש בשני כרטיסים נפרדים וסבלו מהרבה השפעות פרזיטיות בשל טכניקות-האבטיפוס שלנו אשר הפחיתו את כלילות האות של המדידות. נהלי עריכה טובים עם עקבות הזנת שער קצרים ורחבים ותזמון זהיר של אותות הבקרה יניבו צורות-גל ברורות יותר. חשוב לחבר קבלי מעקף בין הצד הגבוה GND2 והצד הנמוך GND2.
להלן פרטים נוספים על ההתקנה:
ספקי כוח:
Vbridge=16V, VDD1=3.3V
רכיבים:
1N4733A Zener (5.1 V)
FD4141 P-channel MOSFETs
FD8447L N-Channel MOSFETs
RBIAS=200 Ω
נגדים טוריים לשער 1Ω
אם כן, ניתן להשתמש בשני ADuM3220s במקום מזיני גשר מלא כדי למתג גשר H בתדרים של עד 1 מגה-הרץ. סכימת הזנת שער זו מהווה יתרון פוטנציאלי כאשר דרוש בידוד של 2.5 kV rms עם רמות לוגיות של 3.3 וולט, זרם הזנה מרבי של 4 אמפר, או מתחי מוצא נמוכים עד כדי 4.5 וולט. הוא תופס משמעותית פחות מקום מאשר שני מזיני מחצית-הגשר, כך שהוא מתאים לתכנונים בהם המקום על הכרטיס הוא קריטי.
