Wurth Elektronik’s eiSos engineers
מייצבי מיתוג הם רכיבים שצוברים בימים אלה חשיבות הודות לנצילויות הגבוהות שלהם. המגמה נוטה היום לעבר מייצבים עם מתחי מוצא נמוכים מ-1V, זרמי עומס עד 60A ותדרי מיתוג עד 2 מגהרץ. במקביל ממשיכים המשתמשים לדרוש את הממדים הקטנים ביותר שהיצרניות יכולות להציע.
תכנון של מייצב מיתוג נתמך על-ידי תוכנות מיוחדות, לדוגמה אלה שמציעה Texas Instruments (SWIFT/TPS40K Designer) או Linear Technology (Switcher CAD III).
הערכות הרלוונטיות של WÜrth Elektronik לתכנון עם סלילים בהשמה משטחית (SMD) מציעות גישה מהירה למגוון רכיבים לצורך בנייה של אבות-טיפוס ללא מיקור חוץ או לצורך מיטוב. אבל מה חשוב לקחת בחשבון כשמשתמשים בסלילים?
מדריך מעשי לבחירת סלילים עבור ממירי DC/DC
תדר מיתוג
תדר המיתוג של ממיר טיפוסי בשוק הוא בטווח של 100 קילוהרץ עד 2 מגהרץ. מייצבים מהדור הראשון פעלו בטווח של 30 קילוהרץ עד 55 קילוהרץ. וזה מוביל אותנו להמלצות הבאות:
טיפ תכנון מס’ 1
תדר מיתוג < 100 קילוהרץ: מתאים לחומרי ליבה: אבקת ברזל, פֶריט
תדר מיתוג > קילוהרץ: מתאים לחומרי ליבה: פֶריט
ערך השראוּת
אם אין ברשותנו את דפי התכנון הטכני או התוכנה, ניתן לחשב את ערכי ההשראה באמצעות הנוסחה הבסיסית הבאה:
מייצב step-down:
מייצב step-up
עם אפקט זרם אדווה 0.2 עד 0.4 (בדוגמאות בחרנו ב-0.2 ו-0.3), ה-Iout הוא זרם ההפעלה של המעגל שיסופק, ה-Uout הוא מתח המוצא וה-Uin הוא מתח הכניסה. f הוא תדר המיתוג של המייצב. את הערכים הסטנדרטיים עבור השראת הסליל- L – ניתן לבחור על בסיס הערך המחושב. אם, לדוגמה, התוצאה המושגת היא ערך של 37.36µH – ערכי הסטנדרט שתבחרו יהיו 33µH, 39µH ואולי גם 47µH לצורך בדיקות.
טיפ תכנון מס’ 2
ערך ההשראה
=>השראה גבוהה יותר – זרם אדווה קטן יותר
=>השראה נמוכה יותר – זרם אדווה גבוה יותר.
זרם האדווה הוא חיוני לקביעת הפסדי ליבה.
מלבד תדר המיתוג מדובר, אם כן, בפרמטר חשוב ביותר לצמצום הפסד ההספק של סליל ההספק.
זרם הסליל
את עומס הזרם עבור משרני הספק ניתן לחשב במידה רבה של דיוק במונחים של עומס זרם DC ועומס זרם אדווה (הפסדי ליבה) בעזרת תוכנות סימולציה של היצרניות. כדי לחשב חישוב גס לצורך הערכה ניתן להשתמש בגישה הבאה:
Step-down regulator:
Nominal current of the inductor: IN= Iout
Maximum coil current: Imax= 1,5 x IN
Step-up regulator:
Nominal current of the inductor: IN= (Uout/Uin)Iout
Maximum coil current: Imax= 2 x IN
טיפ תכנון מס’ 3
שימו לב להגדרות עבור מפרט גיליון הנתונים.
הזרם הנומינלי עבור סלילי הספק קשור בדרך-כלל להתחממות העצמית המוגדרת עם זרם DC – כאן התחממות של 40 מעלות צלסיוס שכיחה בזרם הנומינלי. על-פי ההמלצות של יצרניות המוליכים למחצה, זרם הרוויה נמצא בנקודה שבה ערך ההשראה יורד ב-10%. לרוע המזל לא מדובר בערך סטנדרטי שמופיע במפרט גיליון הנתונים של סליל ההספק ולעתים קרובות זה מוביל לפרשנות שגויה מצד משתמשים.
התנגדות DC
משחישבנו את הערכים הנדרשים של השראת L ושל זרמי הסליל, ניתן לבחור סליל הספק עם התנגדות DC הנמוכה ביותר שאפשר. כאן הדרישות עומדות הרבה פעמים בסתירה זו עם זו:
ממדים קטנים, צפיפות אחסון אנרגיה גבוהה והתנגדות DC נמוכה.
השימוש בשיטות ליפוף מתאימות ובסדרות חדשות של מוצרים, כדוגמת סלילי כבל-שטוח WE-HC מבית WÜrth Elektronik, מקרב אותנו למימוש המצב האידיאלי הזה. גם כאן חשוב לעבור על המפרט של גיליון הנתונים:
האם התנגדות ה-DC מוגדרת כערך אופייני או כערך המרבי הנדרש לחישוב נתוני המעגל בתרחישים הגרועים ביותר?
טיפ תכנון מס’ 4
התנגדות DC עם אותם ממדים
=>השראה גבוהה יותר – התנגדות DC גבוהה יותר
=>השראה נמוכה יותר – התנגדות DC נמוכה יותר
=>אותה השראה עבור סליל מסוכך – התנגדות DC נמוכה יותר
התנגדות ה-DC חיונית לקביעת הפסדי ההתחממות של הכבל; זהו פרמטר חשוב נוסף לצמצום הפסד ההספק של סליל ההספק.
סוג הסליל והתמודדות
עם EMC
סלילי הספק בסיכוך מגנטי דוגמת WE-PD, WE-TPC, WE-DD או WE-HC מומלצים עבור יישומים קריטיים ל-EMC (תאימות אלקטרו-מגנטית). הסיכוך המותאם מבחוץ מונע צימוד מגנטי בלתי נשלט של הליפוף עם מסלולי סליל סמוכים או עם רכיבים קרובים.
טיפ תכנון מס’ 5
השתמשו בסלילי הספק עם סיכוך מגנטי בכל פעם שהדבר מתאפשר. אל תנתבו מסלול של סליל מתחת לרכיב ואל תציבו לוחות מעגלים בצורה ישירה מעל לרכיב, כיוון שזה עלול להוביל לצימוד דרך חללי האוויר שנותרים.
סלילי הספק לא מסוככים, דוגמת WE-PD4, מתאימים לשימוש ביישומים לא קריטיים או במעגלים דלי הספק. סדרות רבות של מארזים ניתנות לשינוי מגרסה מסוככת לגרסה בלתי מסוככת, תוך שמירה על תאימות משטח ההלחמות.
טיפ תכנון מס’ 6
היתרון של סלילים עם סיכוך מגנטי מאותו סוג:
=>ערך AL גבוה יותר, מה שמוביל התנגדות DC נמוכה יותר עבור אותה השראה = הפסדי כבל נמוכים יותר
מסנן L-C ביציאה
מסנן L-C ביציאת ממיר ה-DC מומלץ אם רוצים להשיג מתח מוצא נקי מאוד.
את הרכיבים ניתן לבחור כדלקמן:
תדר מיתוג f=550 קילוהרץ; Uin=5V; Uout=3.3V; Iout=5.65A
טיפ תכנון מס’ 7
=> בחרו תדר קטעון (cutoff) ב-1/10 מהתדר של מייצב המיתוג
=> בחרו קבל מוצא (לדוגמה 22µF)
=> חשבו השראה
נצילות
לבסוף, כדאי לערוך מדידה השוואתית בין סלילי הספק מסוככים לבלתי מסוככים. השתמשנו בלוח האבלואציה של Texas Instruments עבור מייצב מדגם TPS54610 עם הפרמטרים הבאים:
סלילי הספק הלא מסוכך WE-PD4 XL מבית WÜrth Elektronik,
מס’ 74457047 מציע את נתוני המאפיינים הבאים:
L=4.7µH, RDC=8.8mΩ typ., IN=8.5A, Isat=15A; ממדים=22x15x7 מ”מ רבועים
הסליל עם סיכוך מגנטי WE-PD XL מבית WÜrth Elektronik,
מס’ 74477004 מציע את נתוני המאפיינים הבאים:
L=4.7µH, RDC=12mΩ typ., IN=6.8A, Isat=12A; ממדים=12x12x8 מ”מ רבועים
למרות ממדיו הקטנים הציע מעגל ה-WE-PD XL את אותה נצילות גבוהה של 90.7%; ההתחממות העצמית של הרכיבים הייתה 46 מעלות צלסיוס. הדוגמה מראה באורח מרשים שניתוח ביצועיהם של משרני הספק שונים בשלב התכנון הוא כדאי ומשתלם:
הגרסה המסוככת משיגה את אותם נתונים מצוינים ומצריכה פחות שטח לוח. לכן היא רכיב מוצלח יותר מנקודת המבט של ה-EMC.
סיכום
השלבים לבחירת סליל הספק המתוארים כאן מבוססים על הטיפים לתכנון וקשורים למפרט גיליון הנתונים. תוכנות התכנון הרלוונטיות של יצרניות המוליכים למחצה עוזרות לקצר את זמני הפיתוח. סלילי הספק מבית WÜrth Elektronik מופיעים בפתרונות התוכנה של היצרניות המובילות ולכן זמינים וניתן לכלול אותם באופן מיידי בסימולציות. בדומה, ערכות דגימה מורכבות עוזרות במיטוב אבות טיפוס. משרני הספק עם סיכוך מגנטי מתאימים לפריסה ביישומים קריטיים ל-EMC.
