Adi Shieber, Freescale Semiconductor, Inc.
אפשר להפעיל במקביל שני H-bridges או יותר, על מנת להגדיל את יכולת המעגל לטפל בקיבולת הזרם. במאמר זה, מתואר חיבור במקביל של H-bridges שנעשה בעזרת H-bridges כפולים בדגמים MC33932 ו-MC34932. ואולם, חיבור במקביל של H-bridges אינו משימה קלה, מפני שכל היסט או אי-התאמה בין שני טרנזיסטורי MOSFET עלולים לגרום לאחד מהם להקדים ולהגיע לגבול זרם-יתר או לגבול הטמפרטורה לפני האחר, ולאלץ בכך מעבר של זרם גבוה דרך אחד מה-H-bridges המחוברים בתצורה מקבילה, אשר עלול לגרום לכיבוי ההתקן.
מטרת המאמר היא להציג שיטה שבאמצעותה מקבלים פעמיים את הזרם מ-H-bridge כפול, על-ידי חיבור במקביל של שני H-bridges שנמצאים באותו שבב. מאמר זה יציג גם את השיטות השונות לחישוב טמפרטורת הצומת, על מנת להבטיח שההתקן יפעל בתוך טווח מגבלות החום המפורטות במפרט הטכני. המעגלים המשולבים האנלוגיים של ™Freescale מיוצרים בעזרת תהליך SMARTMOS, תהליך המשלב על שבב יחיד, שהינו כדאי מבחינת העלות, פונקציות אנלוגיות מדויקות ופונקצית הספק עם מעגלים לוגיים צפופים בטכנולוגיית CMOS.
רקע
בצורה אופיינית, יכולת העברת הזרם של H-bridges מוגבלת על-ידי פיזור ההספק הנגרם בגלל , הפסדי מיתוג, טמפרטורת הצומת, טמפרטורת המעגל המודפס, טמפרטורת הסביבה וההתנגדות התרמית על פני הצמתים השונים שבהם למבנה המעגל החשמלי יש תפקיד עיקרי. גם למארז של המעגל המשולב יש תפקיד חשוב בסילוק החום מהשבב ובשמירה על הטמפרטורה שלו הרחק מגבולות הטמפרטורה המקסימלית המצוינת עבור ההתקן.
שני הדגמים, MC33932 ו-MC34932, הם מעגלים משולבים להספק של H-bridge מונוליטיים כפול, ששובצו במארז משופר ויציב מבחינה תרמית. הם מתוכננים עבור יישומים של בקרת מצערת אלקטרונית בכלי רכב, במנועים תעשייתיים ובבקרת תנועה, במערכות רובוטיות וכן ביישומי חלל. אפשר להשתמש בהם גם עבור כל היישומים של בקרת מנועי צעד למתח ישר נמוך, הנמצאים בטווח גבולות הזרם, המתח והתדירות המצוינים במפרטים הטכניים.
בדגמים MC33932 ו-MC34932, כל H-bridge יכול לבצע בקרה על עומסים השראתיים עם זרמים שמגיעים לשיא של עד 5.0A. יכולת העברת זרם RMS תלויה ברמת צניחת פיזור-החום המסופקת למארז ההתקן. יש לו מגבלה פנימית של זרם שיא, שמופעלת בזרמי עומס מעל 6.5A ±1.5A. את עומסי המוצא אפשר לאפנן לפי רוחב-פולס (PWM) בתדירויות שמגיעות עד ל-11KHz. התכונה של משוב זרם העומס מספקת יציאת זרם יחסית (0.24% מזרם העומס) שמתאימה לניטור על ידי כניסת A/D של מיקרובקר. יציאת דגל המצב
(Status flag) מדווחת על תנאים של תקלות במתח חסר, זרם יתר וטמפרטורת יתר. קיימות שתי כניסות בלתי-תלויות המספקות בקרת קיטוב ליציאות מסוג push-pull של שני חצאי גשרים. קיימות שתי כניסות בלתי תלויות, על מנת לאלץ את היציאות של H-bridges למצב tri-state.
החיבור במקביל של שני H-bridges נפרדים בדגמים MC33932 ו-MC34932 יכול להתקיים בשתי תצורות אפשריות. בתצורה הנראית באיור 1, אין הכפלה של יכולת העברת זרם. תחת זאת, הביצועים התרמיים של ההתקן משתפרים בעקבות הקטנת הערך היעיל של ההתנגדות
. בתצורה הנראית באיור 2, אפשר להכפיל בקירוב את יכולת העברת הזרם, בהשוואה ל-H-bridge יחיד. במאמר זה, בוצע חיבור בתצורה מקבילה של H-bridges כפולים בעזרת שימוש במעגלי הפיתוח במבנה 2s2p המבוססים על דגם MC33932 שנתון במארז מסוג SOIC-EP.
בהמשך מופיע תיאור מפורט עם ניתוחים והסברים תיאורטיים לגבי כל אחת מהתצורות של H-bridges מקבילים.
פתרון היישום המוצע
באיור 1, החיבורים IN1 ,IN2,
ו-OUT1 ,OUT2, חוברו כדי ליצור זוג אחד של כניסה ויציאה. באופן דומה החיבורים IN3 ,IN4,
ו-OUT3 ,OUT4, חוברו יחד כדי ליצור חצי H-bridge נוסף, שמחובר במקביל. כתוצאה, שני התקני ההספק נמצאים עכשיו במקביל, בגלל הערך היעיל של , אשר מקטין למחצית את ערכו המקורי, ולמעשה יגרום להקטנה של 50% בפיזור ההספק בשבב. ואולם, תצורה זו לא מכפילה את זרם הדחיפה של H-bridge יחיד, מפני שמגבלת הזרם מבוססת על סכום הזרמים העוברים דרך טרנזיסטורי FET בצד הנמוך, שנותר ללא שינוי. תצורה זו משפרת את הביצועים התרמיים הכוללים, על ידי הקטנת פיזור ההספק במארז.
ההנחה הבסיסית היא שדרגות היציאה נמצאות בתיאום במידה סבירה, מפני שהן מהוות חלק מאותו מבנה מונוליטי. אם משתמשים בשני H-bridges עצמאיים (MC33926 נפרדים או דומים), חלוקת העומס עלולה להיות לא כל כך שווה, ולגרום להקטנה של יכולת הדחיפה המירבית. תצורה זו תינעל בכל תקלה, עד אשר המצב בפין EN משתנה. מגבלת הזרם תהיה בנקודת הסכום של זרמי המראה בשני טרנזיסטורי FET בצד הנמוך. אותו היגיון קיים במקרה של כיבוי בגלל זרם יתר. זרם המשוב מדורג בצורה נכונה (סכום הזרמים של טרנזיסטורי FET).
בתצורה הנראית באיור 2, הכניסות בצד הגבוה ובצד הנמוך מחוברות יחד, וכך גם נעשה עבור היציאות. במקרה זה, אפשר להכפיל את זרם הדחיפה של H-bridge יחיד, בעזרת שימוש
ב-H-bridge כפול מסוג MC33932 או MC34932. ההנחה הבסיסית היא שדרגות היציאה תואמות במידה סבירה, מפני שהן מהוות חלק מאותו מבנה מונוליטי. אם משתמשים בשני H-bridges עצמאיים (MC33926 נפרדים או דומים), חלוקת העומס עלולה לא להיות מספיק מאוזנת, עובדה שתגרום להקטנה של יכולת הדחיפה המירבית. התצורה הזו תינעל בכל תקלה, עד אשר המצב בפין EN יוחלף.
מגבלת הזרם תתרחש בסף הנמוך מבין שתי נקודות הסף של מגבלת הזרם בטרנזיסטור FET בצד הנמוך. מאחר ששני טרנזיסטורי FET נמצאים על אותו שבב, הם אמורים להיות מאוזנים במידה מספיק טובה, כדי שגבול הזרם בפועל יכפיל בקירוב את ערך הנקודה שהוגדרה עבור התקן יחיד, כפי שמצוין בדף המפרט הטכני של MC34932/MC33932. אותו היגיון קיים גם עבור כיבוי בגלל זרם-יתר. בתצורה זו, כ-10A של זרם שיא צריכים להיות זמינים עבור העומס, כל עוד טמפרטורת הצומת (TJ) נשמר מתחת ל-150°C. משוב הזרם מדורג כראוי (סכום הזרמים של טרנזיסטורי FET).
המערך הניסויי
המערך הניסויי מורכב ממעגל הערכה של MC33932 שאפשר להגדיר את הקונפיגורציה שלו לפעולה במקביל.
עבור תצורה מקבילית יש להגדיר את הקונפיגורציה של המגשרים שבמעגל הפיתוח כמתואר בהמשך. יש לשים לב שלקבלת פעולה מקבילית יש לקצר את החיבורים 1 ו-2 של המגשר PAR_SEL, כפי שמוצג בהמשך.
ל-H-bridge נדרש פולס של 5V, שאפשר לספק אותו על ידי קיצור הפין החיובי של אספקת מתח 5V עם פין מספר 1 של SFA. אחרי מחיקת התקלה, המעגל יתחיל לתפקד כשני H-bridges המחוברים במקביל.
כאשר מפעילים את שני ההתקנים במקביל, חשוב לקחת בחשבון את טמפרטורת הצומת ולמדוד אותה, מפני שאם היא חורגת מערך טמפרטורת מצב הנסיגה (foldback – temperature ,), מעגל ה-PWM הפנימי מתחיל להגביל את הזרם במוצא. את סף טמפרטורת הצומת (TJ) אין אפשרות למדוד במדידה ישירה. עם זאת, בהתבסס על טמפרטורות המארז והמעגל, אפשר לבצע הערכה של טמפרטורת הצומת בעזרת ערכי ההתנגדות התרמית של הצומת אל המעגל ושל הצומת אל החלק העליון של המארז, בהתאמה, כפי שמוגדר במפרט הטכני. עם זאת לשתי השיטות נדרשים חישובי הספק של פיזור ההספק במארז. את פיזור ההספק אפשר לחשב כפי שמוצג בסעיף הבא.
חישוב פיזור ההספק
במעגל משולב המשמש לדחיפת מנוע קיימים מקורות רבים של פיזור הספק. ואולם, בפעולה במצב היציב, ללא פעילות מיתוג כלשהי, רוב פיזור ההספק מתבצע על פני ההתנגדות של התקן MOSFET. מקורות נוספים, כדוגמת פיזור הספק במצב המתנה בספקי הכוח והמייצבים הפנימיים, והספק זליגה, ייחשבו בדרך כלל לזניחים.
פיזור הספק שנובע מהתנגדות מצב
כאשר מעגל הדחיפה משמש במצב-יציב, ללא צורה כלשהי של מיתוג, המקור הגדול ביותר של פיזור הספק הוא המעגל המשולב המשמש לדחיפת המנוע. אפשר לחשב את ההספק המתפזר על טרנזיסטורי FET בצד הגבוה (HS) ובצד הנמוך (LS) ב-H-bridge כמתואר בהמשך.
(1)
הערכים ו-הם ערכי ההתנגדויות במצב פתוח (on) של מתגי הצד הגבוה (HS) והצד הנמוך (LS) בהתאמה. הוא הערך של RMS של זרם המוצא. חשוב לשים לב שההתנגדות גדלה עם עליית טמפרטורת הצומת. חישובי הספק שמבוססים על ערכי נומינליים שמוגדרים בדף הנתונים יובילו לשגיאות בחישובים. כדי לקבוע את הערך הנכון, יש להשתמש במערך הבא המופיע באיור 5.
מאחר שהזרם העובר דרך ההתקן קבוע בכל המעגל, מפל המתח על פני
ו- יספק את הערכים הנכונים של פיזור ההספק. אפשר להשתמש בנוסחה הבאה כדי לחשב את פיזור ההספק.
(2) פיזור ההספק ב-HS:
(3) פיזור ההספק ב-LS:
(4) פיזור ההספק הכולל הנובע מ- :
פיזור ההספק הנובע מאספקת המתח הפנימית הספקים והמייצבים הפנימיים צורכים כמות הספק מסוימת, כתוצאה מזרם האספקה IS המשמש בפעולה. ההספק שמתפזר מזרם האספקה לפעולה, שנובע מנוכחות של מתח האספקה VPWR במעגל המשולב, נתון בנוסחה הבאה:
(5)
פיזור ההספק הנובע ממיתוג
את פיני הכניסה שבמעגלים /MC33932 אפשר לחבר לאות PWM, על מנת לבקר את הזרם של עומס המוצא עד 11KHz. עם זאת, מיתוג גורם לפיזור הספק רב, אשר אחראי להפסדי מיתוג. אפשר לשייך את ההפסדים האלו למעברים של טרנזיסטורי MOSFET דרך האזור הליניארי שבו המיתוג גורם לצריכת הספק רבה יותר.
הפסדי המיתוג תלויים בגורמים הבאים:
• תדירות המיתוג (fSW)
• זמן עלייה (tR) שחל בעת מיתוג ממצב נמוך למצב גבוה, וזמן ירידה (tF) שחל בעת מיתוג ממצב גבוה למצב נמוך.
• מתח האספקה (VPWR)
• זרם המוצא ()
מתוך הגורמים המצוינים לעיל, די ברור שכל יישום שנדרש לו מיתוג רב, כמו למשל, מעגלי דחיפה של מנועי צעד, יהיה אחראי להפסדי מיתוג גבוהים. עם זאת, ביישומים ללא מיתוג אפשר להזניח את הפסדי המיתוג. אפשר להעריך את ההספק המתפזר בעת מיתוג בעזרת הנוסחאות הבאות:
(6)
(7)
(8)
פיזור ההספק הכולל
פיזור ההספק הכולל במעגל המשולב יכול להיות נתון על ידי המשוואה הבאה:
תצורה מקבילה של H-bridges
כאשר שני H-bridges מחוברים במקביל, חיבורי היציאה וחיבורי הכניסה של שני הגשרים הנפרדים במעגל
MC34932/MC33932 – הנוצרים על ידי HS1, LS1 ו-HS2, LS2 – מחוברים על המעגל כפי שמוצג באיור 6, אשר מראה גם את המעגל שווה הערך עבור תצורה 2 במצב לפנים, כפי שתואר קודם לכן.
בתצורה זו, בקרת שערים של שני H-bridges מחוברת יחד כדי ליצור בקרה מרכזית של שני התקנים.
אחת הנקודות החשובות שיש לקחת בחשבון היא ששני טרנזיסטורי MOSFET אלו הם טרנזיסטורים שונים על אותו שבב. ערכי הסף של הגבלת הזרם, הם כמעט אותם ערכים, אם לא שווים בדיוק. בזרם העובר דרך שני מעגלי H-bridge ייתכן שיהיו הבדלים קלים או היסט. אפשר לאמת את ההבדלים האלו, על ידי ניטור הזרם העובר דרך פיני המוצא של משוב הזרם FBA ו-FBB, אשר מעבירים 0.24% מזרם המוצא של ה-H-bridge היחידים, שמחוברים בתצורה המיועדת לפעולה מקבילית, וכן לאפיין כל חיבור משוב בנפרד על ידי הפעלתו בטמפרטורות שונות, במטרה להקטין עד למינימום את ההיסטים או השגיאות שבמדידה. כל הפרש בערכי הסף של הגבלת הזרם או בחלוקת הזרם בין שני H-bridges בתצורה המקבילה, יכול לגרום למצב של תקלה שאותה אפשר להסביר בעזרת הדוגמה הבאה:
הערכים בדוגמה זו התקבלו מניסוי אחד שבוצע במעגל הערכה עם MC33932. בניסוי זה חוברו השערים לאות PWM בתדירות של 3KHz ובמחזור עבודה של 50%, תוך כדי שמירה על טמפרטורת הצומת מתחת ל-TLIM. העומס ששימש בניסוי זה היה מנוע מפעיל בקרת מצערת בעל התנגדות של 1.17Ω והשראות של 100mH ב-100Hz. אפשר היה לצפות שיתקבלו ערכים דומים באותו התקן ובאותו מעגל.
הערה: ערכי הזרם בסעיף זה מתייחסים לערכי שיא-לשיא. ערכי RMS יהיו שונים ותלויים במחזור העבודה ובערך השיא של אות PWM.
על פי המפרט הטכני, לערך הסף של הגבלת הזרם (ILIM) יש ערך מזערי של 5.2A עם ערך אופייני של 6.5A וערך מרבי של עד 8.0A. נניח שהזרם ILIM הוא 6.5A עבור שני H-bridges.
קיים היסט קל של 0.1A בין זרמי המוצא של שני הגשרים, על אף שהם נמצאים על אותו השבב. מצב זה יכול לנבוע כתוצאה מכמה סיבות שקשורות בתהליך, למשל, מתנאים סביבתיים מקומיים או מתנודות בתהליך. במקרה הקודם, שבו ; כאשר
, H-bridge יתחיל בהגבלת
הזרם הפנימי לפני H-bridge , על ידי ההפעלה של מעגל ה-PWM הפנימי. בתרחיש זה, כאשר הזרם ב-H-bridge 2 יגיע לערך המינימלי שלו, שהוא קרוב ל-0.0A, כל הזרם במעגל ייאלץ לעבור דרך H-bridge – זרם שהוא
(6.5 + 6.6). כתוצאה מכך, הזרם חורג מהערך המינימלי של סף זרם הקצר (ISCL) שהוא 9.0A, וכן מהערך האופייני של 11A, וגורם ליצירת תנאי תקלת קצר ומעביר את המעגל למצב שינה. מצב זה מגביל את הזרם המרבי שעובר דרך H-bridge בתצורה מקבילה לעד 13.0A. הפעלה אסינכרונית של הגבלת הזרם כתוצאה מחלוקת זרם לא שווה בין H-bridges, יוצרת מגבלה, שהיא מעבר לערך סף הגבלת הזרם (ILIM), בגודל הזרם שמטופל על ידי שני H-bridges שנתונים בתצורה מקבילה.
גורמים שמשפיעים על יכולת העברת הזרם
הדוגמה לעיל מצביעה על כמה מגבלות שקיימות בשימוש בשני H-bridges במקביל, בעת הפעלת PWM פנימי, כאשר ההתקן מתחיל להגביל את הזרם. קיימים כמה גורמים שאותם יש לקחת בחשבון בעת חיבור שני H-bridges עצמאיים בתצורה מקבילית. בסעיפים הבאים נדון בחלק מהם.
חלוקת זרם דינמית
על אף ששני התקני ההספק נמצאים על אותו שבב, במבנה מונוליטי, עם התנגדות מצב זהה כמעט לחלוטין ועם תמסורת מוליכות (gm) שגם כן זהה כמעט לחלוטין, קיימים כמה פרמטרים אחרים שיכולים לגרום לחלוקת זרם לא זהה בין טרנזיסטורי MOSFET בתנאים דינמיים. בזמן ששני ההתקנים פועלים במקביל עם חיבורי שער שמחוברים לאות PWM במחזורי עבודה נמוכים מאוד, החלוקה של זרם בין ההתקנים במצב יציב, שמתבססת על התנודות ב- ביחס לשינויים בטמפרטורה (אשר אפשר להזניח אותם במצב יציב), עלולה לא להיות נכונה. עבור אותות PWM המחוברים לשערים, יש לקחת בחשבון גם את אי ההתאמה בין הדוחפים של חיבורי השערים. את המצב הזה אפשר לשייך לקיבול פרזיטי, להתנגדות פרזיטית ולנתיבי השהיה בתוך המעגל. בתוך המעגל המודפס יכולים להתקיים קיבול והתנגדות פרזיטיים נוספים, אשר יהפכו את המצב למורכב אף יותר. הפעלה של אות PWM פנימי תוך כדי הגבלת זרם, עלולה לגרום לחלוקה רגעית לא שווה בין שני ההתקנים. מצב כזה עלול להפוך לבעייתי בעת הפעלת ההתקן בקרבת זרם גבול הסף העליון (ILIM), כפי שהוסבר בדוגמה לעיל.
הפסדי מיתוג
במעגלי מיתוג של מערכות אלקטרוניות להספק, הפסדי המיתוג מהווים חלק עיקרי של פיזור ההספק הכולל, שגורם לעלייה בטמפרטורות הצומת. בדוגמה המוזכרת לעיל, עם זמני עלייה וירידה (tR ו-tF) של 8.0µs, הפסדי המיתוג אחראיים לאחוזים ניכרים של פיזור ההספק הכולל, עם העלייה בתדירות, והם עלולים לגרום לכיבוי תרמי, על ידי המרה לחום של ההספק המתפזר.
בעת הוספת הערכים מטבלה 1 ובמצב
ש- , הערך של יהיה 5.9736W. בחיבור שער שמחובר לאות PWM עם תדירות של 3.0KHz ומחזור עבודה של 50%, הפסדי המיתוג יהיו החל מ-7.81% של פיזור ההספק הכולל. בתדירות הגבוהה ביותר של 11KHz, הפסדי המיתוג באותם התנאים יהיו 23.7% מפיזור ההספק הכולל.
מסקנות
הסיכום הבא מפרט את הממצאים וההמלצות ביחס לתצורת הפעלה במקביל של H-bridges כפולים.
מאחר ששני H-bridges נמצאים על אותו שבב מונוליטי, השינויים בחלוקת זרם סטטית יהיו מינימליים, כי הם תלויים בעיקר בשינויים מינימליים שמתרחשים
ב- . אם נניח שפיזור החום מספיק כדי למנוע כיבוי תרמי של ההתקן, בעת הפעלת ההתקן במצב קרוב לערכי סף הגבול של הזרם, די יהיה בשינוי הקל ביותר בחלוקת הזרם, כדי לעורר כיבוי כתוצאה מזרם יתר, מפני שאחד מטרנזיסטורי FET בצד הנמוך, המחוברים במקביל, יתחיל להגביל את הזרם לפני שיעשה זאת הטרנזיסטור השני, ויגרום לכל הזרם לעבור דרך הזרוע האחרת, עם חריגה מערך הסף של הכיבוי בזרם יתר.
כאשר ממתגים באות PWM חיצוני את חיבורי השערים של התקן מחובר במקביל, חלוקת הזרם הדינמית תהיה שונה מחלוקת הזרם הסטטית. התפקיד החשוב של חלוקת זרם דינמית מתחיל להתקיים כאשר אחד מבין שני חיבורי השער ממותג באות PWM או כאשר מעגל PWM פנימי מקבל אות הפעלה ממעגל הגבלת הזרם התרמי. מצב כזה יכול להתרחש כתוצאה מקיבולים והתנגדויות פרזיטיים ומנתיבי השהייה בתוך המעגל ובמעגל המודפס, אשר הם תלויים במערך הרכיבים של ההתקן ושל המעגל המודפס. על מנת להקל על הבעיה הכרוכה בחלוקת זרמים דינמיים לא שווים, כדאי לנסות ליצור את ה-layout של המעגל באופן סימטרי, על-מנת לשאוף לתיאום בתחום הקיבול, ההשראות וההתנגדות הפרזיטיים.
הפסדי מיתוג אחראיים לחלק משמעותי של פיזור ההספק הכולל שמומר לחום ועלול לעורר כיבוי בטמפרטורת-יתר. או, במקרים שבהם יכולת פיזור ההספק במערכת לא מספיקה כדי להעביר את החום לסביבה החיצונית, תוך כדי שמירה על ההתקן מתחת לסף הטמפרטורה של הכיבוי התרמי, רצוי לשקול את האפשרות להוסיף גוף קירור חיצוני.
אפשר לשפר את יכולת פיזור ההספק של המערכת באמצעות תוספת של נחושת, הוספה של מעברי חום, גופי קירור חיצוניים, שכבות נוספות במעגל המודפס ושימוש ב-layout סימטרי של המעגל.
