מאת: Jeff Smoot, CUI INC
מאמר זה מתאר את הטופולוגיה החדשה בעלת הביצועים הגבוהים במיוחד הצפויה להיות הבסיס של ספקי הכוח הממירים מתח ישר למתח ישר במערכות “ירוקות” בעלות צפיפות גבוהה.
חברת CUI משתמשת בטופולוגיית Solus Power TopologyTM עשירת התכונות, כדי ליצור את הממיר Novum® Advanced Power החדש בגודל Quarter Brick בעל צפיפות הספק של 27 וואט לסמ”ק (445 וואט לאינץ’ מעוקב) לשימוש באפיק אשר מספק מוצא של 720 וואט, 60 אמפר ב–12 וולט.
איור 1. – תרשים טופולוגיית Solus עם ערכים יחסיים של ממוצע זרמים פנימיים (שים לב ש–M = יחס המתחים של היציאה לכניסה)
- איור 2 הפסד הספק המיתוג VDSxID של המתג בצד הגבוה בהשוואה של ממיר Solus לעומת ממיר מוריד רגיל
טופולוגיה חדשה
חברת CUI משפרת את הטופולוגיה Solus Power TopologyTM שלה עם השקת עידן חדש של ספקי הכוח שממירים ממתח ישר למתח ישר. Solus היא טופולוגיה עשירה בתכונות חדשה לגמרי, אשר מאיצה את נתיבי הביצועים על מנת לענות על ארבע הדרישות הגדולות של המרת הספק: (1) צפיפות הספק גבוהה יותר, (2) נצילות גבוהה יותר למען מערכות “ירוקות יותר”, (3) תגובה מהירה יותר לתופעות מעבר ו- (4) פליטה נמוכה יותר של הפרעות EMI. חברת CUI מוציאה לשוק את הממיר NQB2060 בטופולוגיית Solus ממשפחת ®Novum בגודל Quarter Brick המיועד לשימוש לאפיק, כדוגמה ראשית של ביצועי הספק מוצא של 720 וואט המתאימים למבחן ביצועים.
איור 3. צורות הגל של מיצוי מטען בחיבור (gate (GCE במתג הצד הגבוה (HSS)
איור 4. מדידת ההספק של GCE
התכונות החשובות של Solus
באופן פשוט למדי משלבת טופולוגיית Solus (הרשומה כפטנט) ממיר עם משרן ראשוני ליציאה יחידה (SEPIC) עם ממיר מוריד נפוץ, על מנת ליצור ממיר מוריד המוזן מממיר SEPIC. טופולוגיה חדשה זו משפרת את ספק הכוח הממיר מתח ישר למתח ישר בכמה מישורים. היכולת להקטין את הפסדי ההספק, נחשבת לתכונה החשובה ביותר מבין רשימת התכונות הארוכה של טופולוגיית Solus. הנצילות המוגדלת שמושגת באמצעות טופולוגיית Solus מפחיתה את הפסדי ההולכה וגם את הפסדי המיתוג בכמה נקודות חיוניות ביותר בתוך מעגל הממיר. הפחתת ההפסדים כה משמעותית, עד כי חברת CUI יכולה להגדיל את זרם המוצא ב-40 אחוזים בגודל נתון של מארז ספק הכוח. לחלופין, הקטנת ההפסדים מאפשרת הגדלת הנצילות בכמה אחוזים עבור תכנונים “ירוקים” בזרם מוצא ובגודל מארז נתונים בהשוואה לטופולוגיית הורדת מתח (buck) מסורתית.
השגת הפסדי הולכה נמוכים יותר באמצעות זרמים פנימיים נמוכים יותר
בעזרת מימוש התפישה של “הפרד ומשול”, טופולוגיית Solus משיגה הקטנה של הפסדי ההולכה על ידי תיעול הזרמים הנמצאים בפעולה אל כמה נתיבים. איור 1 מציג את התרשים של טופולוגיית ממיר מוריד המוזן על ידי ממיר SEPIC בטופולוגיית Solus. הטרנזיסטור Q1SB פועל כמתג הצד הגבוה עבור ממיר SEPIC וגם עבור פעולת הממיר המוריד. הטרנזיסטור Q2B פועל כמתג הצד הנמוך בפעולת הממיר המוריד. הטרנזיסטור Q2S פועל כחלק מפעולת ממיר SEPIC. ראוי לשים לב שברגע שזרם הכניסה נכנס לממיר בנקודה I1, הוא מתחלק מייד כתוצאה מהטופולוגיה לכמה נתיבים, כאשר כל אחד מנתיבי מעגל אלו נושא זרם רגעי קטן יותר מאשר הזרם שבמוצא, IOUT. במצב זה הפסדי ההולכה קטנים בריבוע הקטנת הזרם כפי שנראה באיור 1. באופן כזה הפסדי ההולכה קטנים באופן משמעותי מאשר משווים אותם להפסדים בממיר מוריד רגיל. הזרם דרך טרנזיסטורי MOSFET שמאולץ להיות קטן יותר, מאפשר להשיג בתכנון הפסדים נמוכים יותר עבור קבוצה נתונה של התקנים.
מאמצי מתח נמוכים יותר
הריבוי של נתיבי זרם, האופייניים לממיר בטופולוגיית Solus, גורם גם להפחתה של מאמצי המתח על הרכיבים ב–50 אחוזים כמעט. באופן כזה לצורך המרת מתח מסוימת, אפשר להשתמש בתכנון בטרנזיסטורי MOSFET ובקבלים המיועדים לשמש במתחי עבודה נמוכים יותר בהשוואה לממיר מוריד רגיל. כחלופה, אפשר גם להשתמש בטרנזיסטורי MOSFET בעלי התנגדות (Rds(on נמוכים יותר בגודל מארז נתון של התקן.
הפסדי מיתוג מופחתים
עם מתחים וזרמים קטנים יותר שפועלים בה, טופולוגיית Solus מקטינה את השטח של עקומת החפיפה VDSxID בערכים של:
VSolus = 0.5 (Vin + Vout)
ISolus = Iout / (2-D)
התוצאה טובה ביותר מ-75 אחוזים בהקטנת הפסדי ההפעלה של טרנזיסטור MOSFET שבצד הגבוה בהשוואה לממיר מוריד מהסוג המסורתי. תוצאה זו נראית בשפה המובילה של העקומה של ממיר מוריד רגיל באיור 2a בהשוואה לשפה המובילה של העקומה של ממיר בטופולוגיית Solus שבאיור 2b.
זמן כיבוי של פחות מ-1 ננו–שנייה בטרנזיסטור MOSFET מסיליקון
אולי מרשימה אף יותר היא היכולת של טופולוגיית Solus לבטל את הפסדי המיתוג בכיבוי. טופולוגיה זו מתאימה במיוחד למימוש מעגלי מיצוי מטען בחיבור gate , שלהם יש יכולת להעביר את ערוץ טרנזיסטור MOSFET מסיליקון למצב כבוי בתוך פחות מ-1 ננו-שנייה. איור 3 מציג את צורת הגל של כיבוי מעגל Solus במתג של הצד הגבוה (HSS). התמונה שלכד האוסצילוסקופ המופיעה באיור 3 מראה את צורות הגל במתח ובזרם עבור הכיבוי במתג של הצד הגבוה. העקומה בצבע אדום המופיעה באיור 4 מראה את ההספק הרגעי במהלך הכיבוי, בערך 50 וואט בשיא במשך 6.4 ננו-שניות עם הפסד כולל זניח של הספק בגודל 68 מילי-וואט ב-200 קילו-הרץ.
איור 5. השוואת הפסדי המיתוג הכוללים: מעגל Solus לעומת ממיר מוריד רגיל
הממיר Novum® Advanced Power בגודל Quarter Brick
פתיחה של דלת לממירים הפועלים בתדירות גבוהה יותר
בתדירויות מיתוג מוגדלות, השיפורים האלה הופכים להיות טובים אף יותר. ככל שתדירות המיתוג שאפשר ליצור תהיה גבוהה יותר, צפיפות ההספק תהיה גבוהה יותר, אם נצילות הממיר תישמר ברמה סבירה. אם נניח שהפסדי המיתוג בעת הפעלה והכיבוי של המתג בצד הגבוה הם שווי ערך לאלו שבממיר המוריד, לטופולוגיית Solus תהיה היכולת להקטין את הפסדי המיתוג ביותר מ-90 אחוזים. מצב זה מאפשר לממיר Solus לפעול בתדירות מיתוג גבוהה יותר, מבלי להקריב יותר מדי בתחום הנצילות, ומאפשר לו להשיג צפיפות הספק המהווה שיא במבחני ביצועים ברמות סבירות ביותר של נצילות.
יתרונות נוספים
כפי שתואר לעיל, טופולוגיית Solus משיגה שיפורי ביצועים בעזרת שיטות המרה חדשניות ולא באמצעות שימוש ברכיבים בעלי ביצועים גבוהים יותר או כתוצאה מבקרה מתוחכמת יותר. עם זאת, כל השיפורים שגורמים נוספים אלו יתרמו להם, ישפרו עוד את פלטפורמת הביצועים החדשים של טכנולוגיית Solus.
מאחר שזרם הכניסה אל ממיר בטופולוגיית Solus הוא זרם ישר לחלוטין כמעט, עם אדווה (ripple) קלה בלבד, אפשר להקטין את הגודל של קבלי הכניסה למעגל ב-95 אחוזים. תכונה זו מקטינה את הפרעות EMI בזכות האדוות הקטנות בזרם הכניסה.
דוגמת מוצר – הממיר ®Novum בגודל Quarter Brick לאפיק
טופולוגיית Solus של CUI נמצאת כיום בפרישה בקו המוצרים Novum Advanced Power של החברה. הממיר NQB2060 בגודל Quarter Brick הוא המוצר הראשון שחברת CUI מוציאה לשוק. החברה פיתחה את NQB2060 על מנת להשלים היצע מוצרי האספקה לנקודת העומס בסדרת Novum Advanced Power. עם זאת, הממיר Novum בגודל Quarter Brick יכול לספק מתח לכל נקודת POL שנדרש לה מתח כניסה של 12 וולט ישר. הרכיב NQB2060 בעל נצילות גבוהה בכל טווח מתחי הכניסה, כך שאין כל ירידה ביכולת אספקת הזרם שעלולה לנבוע ממתח הכניסה, כשהממיר בגודל Quarter Brick עומד באספקת זרם היציאה המלא של 60 אמפר גם במתח כניסה מרבי.
המיפרט של המוצר NQB2060 הוא:
טווח מתחי הכניסה Vin = 36 – 60 וולט ישר
מתח היציאה Vout = 12 וולט ישר
זרם מוצא מרבי Iout_max = 60 אמפר על פני טווח מתחי הכניסה כולו
מידות = 58.4 מ”מ x 36.8 מ”מ x 12.2 מ”מ
צפיפות הספק = 27 וואט לסמ”ק (445 וואט לאינץ’ מעוקב)
נצילות: (מתח כניסה Vin = 48 וולט ישר, ומתח מוצא Vout = 12 וולט ישר)
בעומס מלא – יותר מ-95 אחוזים
בערך שיא של η (בעומס של 60 אחוזים בערך) = 96 אחוזים
בטווח המלא של מתח הכניסה – יותר מ-95 אחוזים
אפשר לקבל בקונפיגורציית DOSA בדור ראשון (שני פיני מוצא) וגם בקונפיגורציית DOSA בדור שני (ארבעה פיני מוצא).
ומה הלאה
טופולוגיית Solus יכולה לשמש בתכנונים של ספקי כוח הממירים מתח ישר למתח ישר, הן מבודדים וגם לא מבודדים. היא נחשבת לטופולוגיה מצוינת עבור ספקי כוח לנקודת אספקת עומס (POL) בהמרת מתח ישר למתח ישר לא מבודדת, בזכות יכולתה לספק מחזור עבודה “D” רחב יותר עבור יחס נתון של מתח מוצא למתח כניסה “M”. תכונה זו מועילה במיוחד עבור נקודות POL בעלות יחס המרה רחב.
בממיר המוריד המסורתי, המונח D, או יחס רוחב האות, שווה למונח M שהוא יחס מתח היציאה למתח הכניסה. עבור ממיר Solus, מתקיים (M = D/(2-D. בתרגום ביטוי זה ליתרון תפעולי, ביחס מתחים נתון, רוחב האות יהיה רחב יותר מאשר בממיר מוריד רגיל. מכאן, מתח אפיק ביניים של 12 וולט עדיין מתאים להפעלת שבבים אפילו עד 0.5 וולט. טופולוגיית Solus אמורה לתמוך בשימוש רציף במתח אפיק הביניים של 12 וולט עם חלוקת הזרם הנמוך יותר, במקום מעבר מוקדם מדי למתח נמוך יותר של אפיק הביניים עם חלוקה של זרם גבוה יותר.
מאחר שטופולוגיית Solus שומרת על הנצילות שלה בלי תלות בשיטת הבקרה המשמשת אותה, היא יכולה לפעול עם בקרת מתח אנלוגית, בקרת זרם אנלוגית ועם פרופילים שונים של בקרה ספרתית. יכולת זו פותחת אפשרות לחברת CUI לממש את הטופולוגיה הזו במגוון רחב של פלטפורמות מוצרים של ספקי כוח.
ובנוסף, טופולוגיית Solus יכולה גם לשפר את הביצועים של חלק ממיר המתח הגבוה המבודד של מתח ישר למתח ישר שבספקי כוח הממירים מתח חילופין למתח חילופין. מאחר שהיא יכולה לפעול בנצילות גבוהה ביותר בטווח מתחים רחב, אפשר להקטין באופן משמעותי את הכמות של קבלי הצבירה ולהפחית את העלות הכוללת של ספק הכוח.
במאמר קצר זה נעשה ניסיון לתאר כמה שיותר תכונות מבין התכונות הרבות המשפרות את הביצועים שאותן מספקת טופולוגיית Solus. תיאורי התכונות שהובאו בקצרה מספקים מבט חטוף לפוטנציאל הגלום בטופולוגיה חדשה זו. המוצר הראשון מבית CUI, הממיר לאפיק NQB2060 בגודל Quarter Brick ממשפחת Novum, שמבוסס על טופולוגיית Solus, מספק אימות, שעליו אין עוררין, ביחס לפוטנציאל של הטופולוגיה החדשנית. מידע מורחב לגבי התכונות של הטופולוגיה ומפרטי מוצרים אפשר לקבל בתיעוד המוצרים של חברת CUI.
