איך להאיץ את הנצילות בעומסים נמוכים

מאת: מטיאס אולמן, טקסס אינסטרומנטס

הקדמה
במכונית מודרנית, חייבים להיות מותקנים כמה מעבדי מיקרו עבור מערכות החשמל לצורך שמירת על בטיחות, ניווט, בילוי-פנאי ולנוחות. רוב אלו נמצאים במצב כבוי כאשר המנוע אינו פועל, אך כמה מהם חייבים להיות במצב פועל כל הזמן. לדוגמה, חלק ממערכת הניווט נשאר במצב המתנה על מנת לאפשר התחלת פעולה מהירה. אך גם ביישומים אחרים, בין אם הם מופעלים מהמצבר או שאינם, הדרישה לנצילות גבוהה ובהתאם לכך להפסדים נמוכים במהלך מצב המתנה מתרחבת והולכת.
על מנת לשמר את מצבר הרכב, מותר למשוך ממנו זרם מוגבל של כמה מאות מיקרו אמפר בלבד. לעתים קרובות מבצעים אופטימיזציה בבקרי וממירי מתח מורידים כדי לקבל נצילות גבוהה במצבים של עומס נמוך, למשל ברכיב TPS54240 של טקסס אינסטרומנטס עם המצב ECO-MODETM שלו. ואולם, עבור כמה יישומים, הזרם המשמש במהלך מצב המתנה עודו גבוה מדי.
במאמר זה, נראה כיצד מעגל קטן נוסף יכול להאיץ את הנצילות עד כדי 90% במצב של עומסים נמוכים.

הוספת מנהל מתחים
הרעיון המובא כאן הוא להשתמש במנהל מתחים שיבטל את פעולת הממיר במהלך זמן המתנה. כאשר מתח המוצא יגיע למתח מסוים, פעולת הממיר לא תהיה מאופשרת. לאחר שהעומס יפרק את הקבל במוצא לרמה נמוכה יותר, המנהל יאפשר לממיר לחזור ולטעון את הקבל. רעיון זה מיישם סוג של בקרה בהיסטרזיס [Histeretic Control] כאשר המתח נע בין הרמה הנמוכה יותר לרמה גבוהה יותר. התנאי המוקדם למימוש כזה הוא האפשרות לספק לעומס במהלך זמן ההמתנה, את המתח שיכול להשתנות בתוך פרק זמן נתון.
הרכיב TPS3806I33/TPS3806J20 מבית היוצר של טקסס אינסטרומנטס הוא גלאי מתח כפול עם היסטרזיס ניתן לכוונון ויציאות collector פתוח. במתח הכניסה, עם סף קבוע, אפשר להשתמש כדי לנטר יישומים רגילים של 3.3 וולט או 2.0 וולט. מאידך, את סף המתח הנמוך ואת סף המתח הגבוה אפשר לכוונן באופן חופשי בעזרת נגדים. יש צורך בנגד חיבור למתח (pull–up) במוצא של collector הפתוח ב–/RSTSNS.
כאשר מתח החישה מגיע לסף הנמוך, עובר המוצא /RSTSNS כלפי מטה. הוא לא ישוחרר, אלא לאחר שמתח החישה יגיע שוב לסף הגבוה יותר.
באיור 1 אנו רואים תרשים עם ממיר מוריד מתח מפושט. במהלך פעולה רגילה, העומס צורך זרם של 2.0 אמפר במתח נומינלי של 3.3 וולט. במצב המתנה, צריכת הזרם של העומס מופחתת עד ל- 500 מיקרו אמפר והמתח יכול לרדת עד ל- 2.7 וולט.
חיבור היציאה של מנהל המתחים מתחבר דרך טרנזיסטור FET קטן אל כניסת האפשור (enable) של הממיר. מאחר שבזמן הפעלת אות נמוך על כניסת האפשור הרכיב TPS54240 אינו מאופשר, אות היציאה של מנהל המתחים צריך להיות מהופך.
כאשר טרנזיסטור FET מחובר במקביל אל R3, הממיר עובר במיתוג בין פעולה רגילה לבין מצב המתנה. כאשר טרנזיסטור FET אינו מוליך, מחלק המתח של R1, R2  ו- R3  יהיה פעיל.
כאשר טרנזיסטור FET מוליך ומקצר את R3, המתח ב- HSNS יהיה תמיד 0V (אפס וולט). מצב זה קובע את מתח היציאה /RSTSNS במצב נמוך והממיר יהיה מאופשר ויפעל באופן רגיל.
אם בהתקן שנמצא בשימוש אין כניסת אפשור, אפשר להשתמש גם בכניסת ההפעלה הרכה כדי לכבות אותו. כאשר קבל ההפעלה הרכה מקוצר על ידי טרנזיסטור FET קטן להארקה [GND], הממיר יפסיק לפעול במיתוג. ואולם, במימוש כזה רק הפסדי המיתוג מבוטלים, ועדיין יש צריכה של הזרם הנדרש לתחזוקת הבקר. לדוגמה, ברכיב TPS54240, צריכת הזרם במהלך כיבוי ממשי דרך כניסת האפשור הוא 4 מיקרו אמפר לכל היותר. אם רק כניסת ההפעלה הרכה מוצבת במצב נמוך, הזרם המשמש לתחזוקה יהיה גבוה יותר בהרבה ויגיע ל- 200 מיקרו אמפר.
ומעבר לזאת, ראוי לשמור את הקבל של ההפעלה הרכה קטן ככל האפשר, כדי להקטין את הזמן הכולל הנדרש להתחלת ההפעלה כאשר טוענים מחדש את הקבל ביציאה במהלך מצב המתנה.

איור 1. תרשים עם ממיר מוריד מתח מפושט.

תהליך התכנון
הצעד הראשון היה הגדרה של הסף הנמוך והסף הגבוה ב- TPS3806I33/TPS3806J20. כדי להקטין הפסדים עד למינימום, הסכום של שלושת הנגדים R1, R2 ו-  R3 צריך להיות סביב 1 מגה אוהם. נתון זה חל עבור נגד החיבור למתח R4 ועבור נגדי המשוב של TPS54240 שאינם מופיעים בתרשים המפושט.
על מנת לשמור על שוליים מסוימים, יש להגדיר את הסף הנמוך ל- 2.8 וולט ואת הסף הגבוה ל- 3.2 וולט. באופן כזה אנו מבטיחים שהעומס יקבל תמיד את המתח הגבוה מ- 2.7 וולט.
החישוב פשוט למדי עם הנתונים הבאים:
Vref =  אופייני (הסף התחתון של מעגל ההשוואה הפנימי)
VLSNS =  וולט (במתח יציאה זה המוצא של מנהל המתחים צריך לעבור למצב נמוך)
VHSNS =  וולט (במתח יציאה זה המוצא של מנהל המתחים צריך לעבור למצב גבוה)
R1 + R2 + R3 ≈  מגה אוהם
משוואה מס’ 1 ומשוואה מס’ 2 מראות את ההתאמה שבין נקודות הסף לבין שלושת הנגדים.
משוואה מס’ 1
משוואה מס’ 2
לפי הנתונים המופיעים למעלה, הערך של R1 הוא 562 קילו-אוהם, R2 הוא 53.6 קילו-אוהם ו-R3 הוא 374 קילו-אוהם.
הצעד הבא הוא חישוב הקיבול הנדרש במוצא בעזרת משוואה מס’ 3.
משוואה מס’ 3
Istandby הוא צריכת הזרם במצב המתנה, בדוגמה זו 500 מיקרו אמפר.
tinterval הוא הזמן שבין מחזורי המיתוג המשמשים לטעינה מחדש של הקבל במהלך זמן זה העומס מקבל אספקה רק מהקבל והממיר אינו מפעיל מיתוג.
ליישום זה מתאים פרק זמן של 100 מילי שניות.
Vdrop הוא ירידת המתח האפשרית במתח המוצא.
ביישום זה ירידת המתח היא 3.2 וולט -2.8 וולט = 400 מילי וולט.
משוואה מס’ 4
הקיבול של שני קבלים קרמיים בני 100 מיקרו פאראד (1210, X5R, 6.3 וולט) המחוברים במקביל הוא בערך 150 מיקרו פאראד, אם לוקחים בחשבון יצירת ממתח מתח ישר באמצעות 3.3 וולט. יתר על כן, לקבלים קרמיים יש ביצועים טובים יותר, בנוסף לשיקולים אחרים בנוגע ליכולת אדוות זרם, התנהגות בחימום והתיישנות בהשוואה לקבלים אלקטרוליטיים. על כן, עבור סביבת הרכב, לדוגמה, קבלים קרמיים הם הסוג המועדף.

מדידות והשוואה
העומס במהלך המדידות הוא 500 מיקרו אמפר ואפשר להעביר את המעגל למצב המתנה. איור 2 מציג את כניסת האפשור של הממיר המוריד עם TPS54240. במשך כל הזמן כמעט, הממיר אינו מאופשר. כאשר בוחנים בהגדלה את התמונה, זמן במצב פועל הוא 400 מיקרו שניות בערך. בהשוואה לזמן במצב כבוי שהוא 122 מילי שניות בערך, מחזור הפעולה הוא 0.33 אחוזים בלבד.
איור 3 מראה שמתח המוצא עובר בין 2.8 וולט ל- 3.3 וולט. הוא לעולם לא יירד מתחת ל- 2.7 וולט, ולכן מובטחת לעומס אספקה מתאימה.
הנתונים החשובים ביותר מוצגים בתמונה הבאה. היא מראה את זרם הכניסה שנמדד על פני נגד של 100 אוהם בטור לכבל המחובר לכניסה.
מתח הממוצע החשבוני בנגד הוא 14 מילי וולט בערך, נתון שהוא שווה ערך לזרם כניסה ממוצע של 140 מיקרו אמפר.
ללא מנהל מתחים מחובר או ממיר מוריד שמועבר למצב המתנה, זרם הכניסה הנמדד של הממיר המוריד הוא 500 מיקרו אמפר בערך. תוצאה זו מראה נצילות גרועה של 27.5%, שהיא זהה למצב שבו משתמשים במייצב ליניארי (הזרם בכניסה שווה לזרם ביציאה).
משוואה מס’ 5 מציגה את הנצילות המרשימה במצב המתנה משופר.

איור 2.

איור 3.

איור 4.

משוואה 5.
מסקנות
אפשר לשפר במידה רבה מאוד את הנצילות של ממיר מוריד במצב המתנה בעזרת מעגל נוסף קטן. העיקרון המוצג אינו תלוי בטופולוגיה של המיר.
ביישומים של הספקי המתנה נמוכים ונמוכים ביותר אפשר מעתה להשתמש בבקרים של ספקי מתח לאופן פעולה ממותג, שבהם לא קיימת אפשרות למצב הספק נמוך בהמתנה, ואפשר לשפר את השימוש בבקרים עם מצב המתנה ייעודי, כפי שהראנו עם TPS54240.
ביישומים אלקטרוניים רבים שבסביבת כלי רכב, יש צורך להשאיר את זרם הכניסה במצב המתנה מתחת ל- 250 מיקרו אמפר. אפשר להשיג זאת בקלות באופן המתואר לעיל. וכמובן, כל התקן שמופעל בסוללה, מקבל יתרון מהנצילות הגבוהה ביותר האפשרית.
אודות המחבר
מטיאס אולמן [Matthias Ulmann] נולד באולם שבגרמניה בשנת 1980. הוא קיבל תואר בהנדסת חשמל מאת אוניברסיטת אולם בשנת 2006. לאחר שעבד כמה שנים בתחום בקרת המנועים וממירים סולריים, (התמחה בדוחפי IGBT) הוא הצטרף לאקדמיה האנלוגית של טקסס אינסטרומנטס לתוכנית הדרכה של שנה אחת. משנת 2010 אולמן עובד בקבוצת שירותי התכנון לאזור EMEA כמהנדס תכנונים לייחוס בפרייזיניג שבגרמניה. פעילות התכנון שלו כוללת ממירי מתח ישר למתח ישר מבודדים ולא מבודדים עבור כל מגזרי היישומים. אולמן פרסם כמה מאמרים וכן רשום על שמו פטנט בתחום האלקטרוניקה להספק.