אופטימיזציה של תגובת מעבר בממיר POL באמצעות Tunable LoopTM

מאת: Vijayan Joseph Thottuvelil, Ph.D / Avi Vidro, Aviv Energy

הקדמה
מודולים של ממירי POL (ממיר בנקודת העומס) DC-DC נפוצים מאד כיום בתחום היישומים המספקים מתח DC מווסת למגוון של עומסים. מאחר שממיריPOL הם קטנים, יעילים ויחסית זולים, התועלת שהם מביאים באספקת מתחי הפעלה משותפים לקבוצות של מעגלים משולבים, הביאה לאימוצם המהיר ולשגשוגם. במורכבות ההולכת וגדלה של הלוחות כיום, מספר המתחים הנפרדים הנדרשים כדי להפעיל את כל עומסי המעגלים המשולבים נע בין שלושה (3) לעשרה (10) או אפילו יותר. המענה הנהוג כיום לצורך זה ניתן על ידי ארכיטקטורות שמשלבות ממירים מבודדים של DC-DC או ספקי AC-DC עם התקני POL.
עם עליית מספר המתחים בלוח, המעגלים המשולבים הפכו תובעניים יותר. הדור החדש של הסיליקון דורש ויסות מחמיר יותר של המתח כבר ב-sub-1V ופחות להשגת ביצועים אופטימליים. זוהי מטלה מורכבת מאחר שהמתכננים שואפים להוסיף יותר פונקציונליות לסיליקון ובאותה עת לא להגדיל את ההספק. מתחים נמוכים יותר באותה רמה של צריכת הספק מביאים לעלייה בולטת בזרם. במעגל משולב שפועל בהספק מרבי של 20 וואט, יזרום זרם של 11A במתח של 1.8V, אבל יזרום זרם של A‏16.7 במתח של 1.2V. זוהי רק אחת המשמעויות של ההפחתה במתח ההפעלה. ישנם היבטים חמורים יותר שיש לשקול.

איור 1: רכיבי סטיית המתח שעל POL לעמוד בה כדי לעמוד בדרישות ההפעלה של מעגלים משולבים. Static Variation (2) Ripple (3) Transient Response

אתגרים בוויסות מוצא ה-POL
כדי לקבל ביצועים אופטימליים, יצרני מעגלים משולבים מציבים בדרך כלל מגבלות קשות על השינויים המותרים במתח הכניסה כדי למנוע שגיאות. האפיון המקובל הוא שעל המתח לא לסטות ביותר מאשר ±5 ולפעמים אף מחמירים את המגבלה ל- ±3. כאשר מתח ההפעלה יורד, מרווחי הסיבולת הופכים להיות צרים מאד. מרווח של ±5 במתח של 1.8V, הוא 180mV, אבל במתח של 1.2V הוא רק 120mV.
ה-POL שמפעיל את המעגל המשולב צריך לשמור על הסיבולת בתנאים שונים של מתח כניסה, זרם עומס, טמפרטורה, שינויי רכיבים וסחיפה במשך זמן החיים של המוצר. איור 1 מדגים את הדרישה הזו. הגבול העליון והגבול התחתון של המתח המסופק מוכתבים על ידי המעגל המשולב. הסטייה הכוללת מורכבת משלשה חלקים: (1) סטיות סטטיות (שינויים במתח הממוצע של ה- POL עקב סיבולת רכיבים, טמפרטורה, קו וויסות עומס) (2) אדוות המוצא של מיתוג (POL (3 שינויים דינמיים במתח עקב שינויי מעבר בעומס.
בדרך כלל ניתן להשתמש בתהליך תקצוב סטיות כדי להקצות את סטיות המתח בין הגורמים התורמים לסך הסטייה המותרת. לדוגמה, מתוך 10% מותרים ממתח ההפעלה הנומינלי, הסטייה הסטטית הגדולה ביותר האפשרית היא 3% , אדוות היציאה יכולה להגיע ל-1%, ועם 2% שולי בטיחות, אנו נשארים עם 4% לסטיית המעבר. סטיית המעבר המותרת בפועל עבור שינוי מינימלי עד מקסימלי בזרם העומס היא חצי מ-4% שהם 2%. במתח של 180V הערך הוא 36‏mW, במתח 1.2V, הערך יורד ל-24mV‏‏. אם נתייחס שוב לעומס כולל של 20W, שינוי מעבר של 50% בעומס במתח 1.8V מתורגם ל-5.6A, אבל במתח 1.2V, הערך הוא 8.3A.
כאשר מתח ההפעלה יורד, הסיבולת של סטיית המתח קטנה, וקפיצת המדרגה של העומס עולה. תוצאת ההשפעה המורכבת הזו היא בעיה בעלת קושי גדול פי שניים ואף יותר (קפיצת מדרגה בזרם לערך גבוה פי 1.5 / הסטייה המותרת קטנה ל-0.67 מערכה).
באופן היסטורי, הפתרון לשיפור תגובת המעבר של מודולי POL היה להגדיל את הקיבול בין מודול ה-POL ובין המעגל המשולב. האנרגיה הנוספת שנאגרת בקבל מפחיתה את הסטייה במתח המוצא במהלך תופעת מעבר של קפיצת מדרגה בעומס. המשמעויות הן עלויות מוגדלות, שטח לוח גדול יותר ואמינות מופחתת. יותר מכך, פתרון כפוי זה מפסיק לפעול בסופו של דבר, מתחיל להנחית את טיב תגובת המעבר וגורם לזמני התאוששות שהולכים ומתמשכים. לבסוף, גישה זו גורמת למצב גבולי שבו הוספת קיבול גורמת ליציבות בתחום צר מאד ובסופו של דבר לאי יציבות מוחלטת.

איור 2. מתח המוצא וצורות הגל של הזרם מראים כיצד תגובת המעבר משתפרת עם הוספת קבלים חיצוניים ואת האפקט של Tunable LoopTM. בכל הגרפים צורת הגל האדומה היא מתח המוצא (50mV לשנתה), צורת הגל הירוקה היא זרם העומס (A‎2‏‏‏‎‏ לשנתה) וקנה המידה של הזמן בציר האופקי הוא sµ10 לשנתה.

איור 3. תרשימים וצורות גל שמסבירים את תפקיד קיבול המוצא בסיוע לממיר POL DC-DC להפחית את סטיית מתח המוצא עקב שינוי מעבר בעומס.

איור 4. הגרפים מציגים את ההשפעה של רוחב פס בקרה משופר על מתח המעבר הנוצר. הקיבול זהה בשני הגרפים.

תכונת  Tunable LoopTM
הפתרון המסורתי לשיפור תגובת המעבר על ידי הוספת קיבול מתואר באיורים 2a ו-2b. האיורים מציגים את התגובה של מודול POL Lineage PicoTLynx™ 6A במתח מוצא של 1.8V במצב של קפיצת מדרגה של 50%  בזרם העומס (A‏‎‏3) כשמשתמשים בקבל יחיד של 47μF ובקבלים עם קיבול 2×47μF. ברור שיש שיפור, אבל הפתרון אינו מצליח לבצע אופטימיזציה של התגובה לעומס מעבר. תכונת Tunable Loop™  .1 שרשומה כפטנט של Lineage Power מספקת את התשובה. (איור c) מדגים את השינוי המשמעותי שמושג באמצעות המימוש של ה-Tunable Loop. ברור שעם תקציב שמתהדק והולך של סטיות מתח, ודרישות גדלות לקפיצת מדרגה בעומס, ההשפעה המידית של טכנולוגיה זו ברורה מאליה.
התגובה של מתח המוצא ב-POL היא פונקציה של שני פרמטרים: (1) הקיבול החיצוני וכן (2) רוחב הפס של הבקרה של POL + עומס. איור 3 מתאר את תפקיד הקיבול החיצוני בהפחתת הסטייה של מתח המוצא עקב שינוי מעבר בעומס . עקב רוחב הפס המוגבל של ה-POL (ככלל, הגבר חוג הבקרה חוצה את נקודת 0dB בתדר שאינו גבוה מ-1/10 תדר המיתוג), הקבלים החיצוניים מספקים את פרץ הזרם הראשון. כאשר חוג הבקרה של ה-POL יכול לפעול, הרמה החדשה של זרם עומס מסופקת על ידי ה-POL והזרם מהקבל החיצוני כמעט מתאפס. לכן הקבלים החיצוניים משפרים את תגובת המעבר של המתח על ידי אספקת אנרגיה נוספת במהלך המעברים בין רמות זרם העומס. כאשר נוסף קיבול חיצוני, הסטייה הראשונית קטנה עקב עומס מעבר, והמסקנה היא שהוספת עוד קיבול גורמת להקטנת סטיית מתח המעבר.
רוחב הפס של בקרת ה-POL הוא הפרמטר האחר ששולט בסטיית המעבר. איור 4 מראה שכאשר רוחב הפס של הבקרה גדל, תגובת המעבר משתפרת בתנאי קיבול חיצוני קבוע. כתוצאה מכך, ניתן לראות שכל עוד נשמרת היציבות, הגדלת רוחב הפס של הבקרה ממשיכה לשפר את תגובת המעבר.
הן הגדלת רוחב פס הבקרה והן הגדלת הקיבול החיצוני משפרות את תגובת המעבר, אבל הן אינן בלתי תלויות. למעשה, קיימת אינטראקציה חזקה ביניהן כך שהגדלת הקיבול החיצוני מקטינה את רוחב הפס של בקרת המערכת. מאחר שכך, לא ניתן לממש את התועלת המלאה של קיבול חיצוני אלא אם מצליחים לבטל את הקטנת רוחב הפס. זוהי הפונקציה של תכונת Tunable Loop (חוג מתכוונן). היא מאפשרת למתכנן לכוונן מחדש את חוג הבקרה כדי לפצות על הקיבול החיצוני הנוסף, וכתוצאה ליצור שיווי משקל אופטימלי בין הקיבול ובין רוחב הפס ולהפיק את תגובת המעבר הטובה ביותר עבור מערך נתון של דרישות של היישום.
כוחה של תכונת Tunable Loop טמון בפשטות מימושה. כפי שמדגים איור 5, רשת חיצונית של נגד וקבל בטור, מחוברת לפין ה-TRIM ולפין ה-Vout (או SENSE) במודול ה-POL. התקנים פסיביים אלו בדרך כלל קטנים מאד וזולים. את הנגד ניתן לבחור מרכיב SMT 0603, 0805 או 0402 עם התנגדות שגודלה נע בין כמה אוהם לכמה קילו אוהם. באותו אופן, הקבל הוא בעל קיבול של כמה מאות pF עד כמה מאות nF. באופן בסיסי, דבר זה מאפשר לבצע במאמץ מינימלי אופטימיזציה חיצונית של מודול POL יחיד ביישומים רבים המציבים דרישות שונות משמעותית, ולהפיק מכך: שטח לוח, עלות, תגובה ואמינות מיטביים. הטמעת המודול באמצעות תכונה פשוטה ומתוכנתת זו, מביאה תועלת משמעותית הן ברמה הטכנית והן ברמה המסחרית.

איור 5. התרשים מציג כיצד ניתן ליישם את Tunable LoopTM באמצעות הוספת שני רכיבים לא יקרים CTune ו-RTune כדי לקבוע מחדש את חוג בקרת המתח של ה-POL.

איור 6. הגרפים מציגים את ההשפעה של הוספת קיבול חיצוני למודול .12V Pico TLynxTM 6AA הגרפים בצד שמאל מציגים את הגבר החוג וצורות הגל בצד ימין מציגות את תגובת מתח המעבר לשינוי של קפיצת מדרגה של 3A בזרם העומס.

איור 8. הפחתת גודל ועלות הודות לשימוש ב-Tunable LoopTM בתכנון לדוגמה עם מודול Pico TLynxTM.

דוגמה לממיר עם  Tunable LoopTM
נתבונן בדוגמה של ממיר 12V Pico TLynxTM 6A. באמצעות סימולציה נוכל לבחון בקלות הן את התנהגות תגובת המעבר והן את התנהגות חוג הבקרה. תחילה נדון בהשפעה של הוספת קיבול. איור 6 מראה את תגובת המעבר של הממיר לקפיצת מדרגה ש 50% בעומס (3 A) ברמות שונות של קיבול חיצוני (0,1×47μF, 2×47μF,3×47μF). יש לציין שבעוד שהסטייה המרבית של המתח משתפרת מ-415mV (ללא קיבול) ל- (235mV (3×47μF, רוחב הפס של חוג הבקרה יורד מ-KHz‏78 ל-21KHz. דבר זה ניכר בהתאוששות המסורבלת של המתח ולכן בעוד שהוספת קיבול אכן מורידה את שיא סטיית המתח, היא מגדילה בה בעת את משך המהלך של המתח. תופעה זו קשורה להפחתה ברוחב הפס של הבקרה ולשולי מופע צרים שנגרמים עקב הגדלת הקיבול.
המטרה הסופית היא להגדיל מחדש את רוחב הפס שהוקטן עקב הגדלת הקיבול, באמצעות שימוש ב-Tunable Loop. כדי להדגים את התהליך, אנו קובעים את ערך Rtune ל-150 אוהם ומשנים את CTune מ-0pF ל-pF‏7500. איור 7 מציג את הגדלת רוחב הפס של הבקרה כתוצאה מהגדלת Ctune: מ-KHz‏21 (בקיבול 0pF) ל-KHz‏82 (בקיבול pF‏7500‏). ה-Tunable Loop שיקם את ההפסד ברוחב הפס ואפילו שיפר את רוחב הפס, אבל התועלת האמתית מתבטאת בשיפור סטיית המתח מ-235mV ל-49mV. יש לציין שצורת הגל של המתח מתייצבת מהר יותר וללא overshoot. Tunable Loop מקטין את סטיית המתח פי 4.8 באותה רמת קיבול.

איור 9. הגרף מציג את הסטייה של מתח המוצא עקב זרם עומס מעבר של 10A כפונקציה של קיבול חיצוני במקרה של מודל של 40A עם וללא .Tunable LoopTM

לחלופין, ניתן לעמוד בדרישה לסטיית מתח נמוכה יותר באמצעות Tunable Loop עם קיבול נמוך משמעותית. איור 8 מציג באופן גרפי את הפחתת הגודל והעלות אותן משיגים באמצעות ה- Tunable Loop בתכנון לדוגמה אחר שמשתמש במודול 6A Pico TLynxTM כדי לספק כוח ליישום עם מתח כניסה של 5V המותמר למתח מוצא 1.2V בזרם של 4A ועם דרישה לסטיית מתח מוצא שאינה גבוהה מ-4% (48mV). אם אין משתמשים ב- Tunable LoopTM, נדרשים שלושה קבלים אלקטרוליטיים פולימריים, בעוד שכאשר משתמשים ב- Tunable LoopTM, יש צורך בשלושה קבלים קרמיים בלבד. השימוש ב- Tunable LoopTM מביא להפחתה של 0.6$ בעלות קבל חיצוני והפחתה של mm2‏111 ממ”ר בשטח הדרוש למעגל המודפס  (0.173in2). מאחר שהמודול עצמו תופס רק 149mm2‎‎, ההפחתה הכוללת בשטח הלוח היא מאד משמעותית.
ההפחתה שניתן להפחית את העלות ואת שטח הלוח הדרוש עם קיבול חיצוני גדולה יותר עם מודולים של זרם גדול יותר. איור 9 מציג גרפים של קיבול חיצוני לעומת הסטייה במתח המוצא עבור מודול של 40A, בהפעלת קפיצת מדרגה של 10A בעומס. בנוסף להפחתה בקיבול החיצוני הודות ל-Tunable LoopTM, תחום הקיבולים החיצוניים שניתן לצרף למודול, גדול פי ששה מהתחום ללא הכוונון. יכולת רבת עצמה זו מאפשרת גם שימוש בערכים גבוהים בהרבה של קיבול חיצוני באמצעות POL, כאשר נדרשים ערכים נמוכים מאד של אדוות מוצא או סטיות מתח מעבר נמוכות מאד.
בעוד שהחיסכון בעלות ובשטח לוח משמעותי מאד, מתווספת ליתרונות אלו גם אמינות גבוהה יותר הודות לשימוש במספר קטן יותר של קבלים ולאפשרות להשתמש בקבלים קרמיים בלבד. בנוסף לכך, הזמינות של שימוש בכלים פשוטים בתצורת הפרמטרים של ה-Tunable Loop, מובילה לאפיון טוב יותר בתכנון וכן לתכנון חסין יותר עם סיכוי גבוה יותר לביצועים נכונים “כבר בפעם הראשונה”. כאשר פרמטרי התכנון רגישים לשינוי, גם אופייני היציבות עלולים להשתנות. דוגמה לכך היא שינויי התנגדות ESR בקבל עקב שינויים בהצטיידות. היכולת לשנות את המאפיינים הדינמיים של התכנון ולכוונון אותם באמצעות רכיבי ה-Tunable Loop מאפשר רמה עוצמתית של חסינות.

סיכום
הראינו ש- Tunable LoopTM היא טכניקה רבת עוצמה שמסייעת למתכננים לבצע אופטימיזציה של הקיבול החיצוני הנדרש בשימוש במודולי POL סטנדרטיים. הפחתת מספר הקבלים מובילה לעלות נמוכה יותר, תכנונים קומפקטיים יותר ואמינות משופרת. חברת
(Lineage Power‏‎(www.lineagepower.com. מציעה בימים אלו את Tunable LoopTM בתחום רחב של מודולי POL, בסדרת מודולי TLynxTM SMT ובסדרת מודולי Naos RaptorTM SIP המכסים תחומי זרם מוצא מ-2A ועד 60A. גיליונות הנתונים של מודולים אלו מספקים
מערך ראשוני של ערכים מומלצים עבור CTune ו-RTune לתחום נתון של יישומים. אנו מספקים גם מודלים לסימולציה וכלי בחירה עבור כלל הממירים שתומכים בתחום רחב יותר של ברירות אופטימיזציה, ועימם יתרונות נוספים הודות ליכולת לחזות ביצועי תכנון לפני התחייבות לחומרה נתונה. הגמישות של מודולי Tunable Loop מאפשרת מיזוג משמעותי של דרישות ובכך מאפשרת ניידות אמיתי בין תכניות ופלטפורמות.
לבסוף, מאחר שה- Tunable Loop מציעה רצף של גמישות תכנונית, היא מציעה יכולת מיטבית בהשוואה לפתרונות אחרים שבהם זמינה רק קבוצה של הגדרות שנקבעו מראש. כפי שתכנות מתח באמצעות נגד חיצוני היה פעם חידוש ביישום של מודולי POL, יכולת התכנות של ה-Tunable Loop באמצעות נגד וקבל חיצוניים עם הגמישות ויכולת האופטימיזציה שהיא מאפשרת, צפויה להיות היכולת התקנית והמקובלת.

מקורות
[1] Thomas G. Wang, Vijayan J. Thottuvelil, Cahit Gezgin, “Circuit and Method for Changing Transient Re-
sponse Characteristics of a DC/DC Converter Module”, U.S. Patent 7,432,692, 2008