מעגלים משולבים מתקדמים מניעים את הדרישה להמרת כוח מושלמת

מאמר זה שוקל מגבלות תכנון מעשיות וחוקר מספר פיתוחים חכמים המזיזים את ההתמקדות בשנים הבאות מ’סתם’ המרת כוח להמרת כוח ‘מושלמת’ לוויסות POL.

דרישה מרקיעה שחקים לשירותי נתונים, כולל הזרמת וידאו לצרכן, מטילה עומס גדל והולך על היכולת ועל מהירות התשתיות; לדרישה זו נודעה השפעה על התעשייה האלקטרונית בכללותה. זהו תהליך המלבה הימצאות, ומניע את מהלך הדברים להגדלת מהירות העיבוד וקצב העברת הנתונים. כל שנה, חברות המעגלים המשולבים מייצרות מעבדים מהירים יותר על ידי דחיסה גדולה יותר מתוך של חוק מוּר (Moore). בכל אותה עת, מתקיים מאבק אדיר להעלאת צפיפות אספקת הכוח בעוד מנסים להשיג יעילות רבה יותר במאמץ רב, וזאת, לא בקלות.

בעשור האחרון בלבד, המתח המסופק ללוגיקה רבת – צפיפות ולהתקני עיבוד, ירד, במקרים מסוימים, מממוצע של 3 וולט, לערך ברמת סף נמוך עד כדי 0.6 וולט. באופן דומה, דרישות הכוח עבור ציוד שרתים, המוגבלים תרמית, בדרך כלל, עדיין נמצאות בעלייה לכיוון של 100 וואט ומעבר לכך. התוצאה היא דרישת זרם המתקרבת לסף של 100 אמפר בנקודת העומס (POL) עם אפיצויות מתח הולכות ומקשיחות. זהו שינוי המדגיש את היבט ארכיטקטורת ההמרה הקונבנציונלית ואת ההיבט של תכנון המעגלים. כמו כן, הדבר דורש מהפכה בדרך שבה ספקי מערכות ויצרני רכיבים מטפלים בפשרות העולות המאולצות לתוך בליל התכנון.

מדוע נקודת עומס

השימוש בהמרת כוח בנקודת העומס, נמצא בעלייה כבר שנים רבות, ועם זרמי נקודת עומס, נראה הגיוני להניח פס כוח יחיד בכל רחבי מערכת, ואז, באופן מקומי, להמיר אותו לסיפוק דרישות מתח אחרות. היתרונות של גישה זו מובָנים היטב כבר עכשיו, והם כוללים: קלות חלוקה וניתוב במערכות מדף מורכבות, הגבלת היווצרות נקודות חמות בפיזור חום, וויסות מתח מיטבי, והחלפה – חמה תפקודית המאפשרת מודולריות במערכת.

ארכיטקטורות חלוקת כוח עבור מערכות רבות – מעבדים, הסתמכו על פס כוח – ביניים לחלוקת זרם ישר ב-12 וולט, ואז, הם חוללו את מתח המערכת במקום, בנקודת הצורך. תחומי מתחי המערכת נעים בין דרישות של פחות מ-1 וולט עבור ליבות מעבד עד לרמה של בין 2 ל-5 וולט בתמיכה לרכיבי קצה. אף שמגמה זו נמשכת ללא הרף, צרכי כוח מקומיים מגיעים לנקודה שבה מגבלות פיזיות מסוימות מאלצות חשיבה מחודשת. הנושא השליט, הוא מתח ליבת המעבד ההולך וקטן. ההיגיון המניע צמצום זה הוא החלק הגדול יותר אשר צריכת הכוח הדינמית תורמת לתקציב הכוח הכולל של המערכת בימים אלו. הכוח הדינמי הנצרך על ידי מעבד הינו יחסי לתדר השעון שלו ולריבוע מתח ההספק שלו. כך, המגמה לכיוון מתחי ליבה נמוכים יותר, ברורה (במיוחד בקצבי שעון גבוהים).

גרוע אף יותר, מנקודת מבט של יישום, עם הירידה במתחי הליבה, אמצעי וויסות המתח הופכים לקשוחים יותר. ניתן לזהות מספר נושאים: הענקת וויסות אפיצות קשוח דורשת הקטנה באורכי עקבות ה-PCB על מנת להקטין ירידות מתח. דבר זה בטורו יוצר לחצים לכיוון של הקטנה ברכיבי אחסון אנרגיה, וזה בטורו מקדם הגדלה של תדר מיתוג.

כנגד המגמה

כל שינוי ביישום ניהול הכוח, חייב להתמקד בשיפורים נוספים ביעילות, עם מגמה לכיוון שלמות ביצוע (95%<). לעת עתה, ארכיטקטורת העבודה לכוח המחולק, הנה הממיר באק הסינכרוני. תכונותיו הקוסמות כוללות פשטות מעגל יחסית, יעילות גבוהה (85%<), ועלות נמוכה.

עם זאת, שני היבטי תכנון משפיעים על מעלותיו של הממיר באק הסינכרוני. הראשון, הוא כי הוא מתוכנן על מנת לוודא כי התקני מיתוג הכוח נשארים במוֹד השראה רצוף. הדבר מסייע ביעילות עומס מלא, אך הוא קיים יחד עם העונש של חוסר יעילות עומס נמוך גדולה יותר. שנית, ואולי חשוב  יותר, על מנת להשיג המרת POL קומפקטית, רצוי להגדיל את תדר המיתוג. מיתוג בתדר גבוה יותר, מתורגם להעברת אנרגיה קטנה יותר למחזור, דבר אשר מסייע בהקטנת המידות הפיזיות של רכיבי העברת האנרגיה (כלומר של הקבל ושל סליל ההשראה). עם זאת, עם הירידה ביחס מתח יציאה/כניסה (ראה מסגרת לעיל), זמן המצב ‘ON’ עבור הבאק הסינכרוני מצטמק במהירות, דבר המעלה את הפסד הכוח, כך שחסרון הבאק הסינכרוני הופך יותר בולט עם נפילת מתח הליבה.

יתרונות ארכיטקטורת באק מוזן – (SFB – SEPIC – fed buck)

טופולוגיית הכוח ®Solus אשר פותחה לאחרונה על ידי חברת , הכוללת טופולוגיית SFB, מייצגת פתרון מאד ממוטב לאספקת כוח POL. עיקרו, הוא רכיב מגנטי אחד בלבד, מתג בקרה וזוג מתגי המרה מבוקרים בדייקנות על ידי אות מאופנן רוחב – דופק (PWM) הניתן על ידי וסת מיתוג. הרכיב המגנטי הינו התקן מורכב עשוי מארבעה סלילים מחוברים – בהשראה המלופפים על ליבה אחת. התכנון המגנטי המסובך מעט יותר, עדיין מפיק מימוש פשוט יחסית, לא בלתי דומה לארכיטקטורת הבאק הסטנדרטית, דבר המסייע בשליטה על העלות.

מוקד התכנון לארכיטקטורה חדישה זו היה שיפור היעילות והוויסות באותה עת. יעילות מוגברת נובעת מהקטנת הפסדי המיתוג וההשראה במספר צמתי מעגל קריטיים בתוך הטופולוגיה. עוד יותר טוב, בתדרי מיתוג מוגדלים, שיפורים אלו הופכים ליותר מחייבים. למעשה, עם התקני מיתוג זהים המותקנים בבאק קונבנציונלי ועם תכנון Solus, טופולוגיית ה-SFB החדשה הוכיחה את הפוטנציאל להקטנת הפסדי המיתוג ביותר מ-90%, בהציבה רף צפיפות כוח חדש.

דוגמה למה אפשר לעשות

באמצעות שימוש בטופולוגיית Solus, יצרה את המודול המאד קומקפטי, הלא – מבודד 60A NDM3ZS-60 (איור 1). המודול פועל ברמות כניסה של 7.2 עד 14 וולט והוא ניתן לתכנון כך שהוא יספק יציאה שבין 0.6 ל-1.5 וולט. יעילות המודול וביצועי העומס הזמני המרשימים שלו, מוצגים באיורים 2 ו-3. תכנון המודול מצליח להקטין את מתח הרכיב ואת לחצי הזרם. בצירוף יכולת לניצול תהליך הפקת מטען שער פנימי, הטופולוגיה מקטינה הפסדי מיתוג הפעלה ב-75% והפסדי כיבוי ב-99%, בהשוואה לממירי באק קונבנציונליים. דבר זה מתורגם ליעילות שיא של 91.9% ב-12 וולט ז”י כניסה ל-1.0 וולט ז”י יציאה, 50% עומס. היעילות נשארת גבוהה עד לעומס מלא – 88.9% (איור 2).

כמו כן, חשוב לציין את יתרון ביצועי התגובה הזמנית היחסית של טופולוגיית SFB כאשר היא מיושמת במודול ה-60 אמפר המתואר כאן. ב-12 וולט ז”י כניסה ל-1.0 וולט ז”י יציאה, עם מדרגת עומס של 30 אמפר (מ-15 אמפר ל-45 אמפר) ושיעור שינוי אות של 2 אמפר/מיקרושניה, מתח השיא נמצא מתחת ל-10 מיליוולט, המעמיד אותו בתוך התחום הקריטי של 1% עבור יישומים רבים, עם קיבוליות חיצונית נדרשת טיפוסית (איור 3). הקיבוליות החיצונית הנדרשת, הינה שליש מזו של פתרונות מתחרים, דבר המקטין עלות ושטח לוח כללי בפתרון.

מילה אודות פיצוי – ההתפתחות לספרתי

במאמר 1 משנת 2012, החברה דנה בהתפתחות טכניקות פיצוי לוּפ עבור ויסות מתח POL. מבצעים משוב על מנת לוודא פעולה יציבה של ווסתי ה-POL בתנאי מערכת משתנים, כמו עומס יציאה, הפרעות כניסה, השפעות הזדקנות הרכיב, וטמפרטורה. מטלת פיצוי הלופ נופלת על בקר המיתוג IC. במקור, נושא הפיצוי היה תחום של מומחים אנלוגיים. אך לאחרונה, הופיעו בקרים ספרתיים בעלי תחכום הולך וגדל, המאפשרים את הפיכת הפיצוי לחצי – אוטומטי ולדבר הנמצא יותר בתחום של כוונון מערכת מתון, לעתים קרובות בסיועו של ממשק משתמש גראפי (graphic user interface – GUI) קל לשימוש.

עבור המודולים POL הספרתיים האחרונים שלה, החברה בחרה את בקרי הכוח הספרתיים דור 4 של . ZL8800 מציג ערוצי יציאה PWM דואליים. כל אחד מהערוצים מסוגל למתג בתדרים של עד 1.3 מגההרץ. תכונת מפתח היא מערכת בקרה אוטומטית, בעלת פטנט, הידועה כבקרה ChargeModeTM. ההתקן משתמש בלופ בעל מהירות גבוהה המאפשר מילוי מחודש מדויק של מִטען אשר אבד בקבל היציאה בעת אירוע זמני. הבקרה מתבצעת במהירות, מחזור – מחזור, בעת שהלופ הספרתי מדָגם – בְיֶתֶר את מתח היציאה. בפיקחות, יש לומר, ה-ZL8800 אינו צריך לדעת את הערכים החיצוניים של הרכיב, במקום זאת, הוא מסתמך על אלגוריתמים ספרתיים ועל אפנון רב-קצב על מנת לבצע את הכוונונים שלו.

התוצאה היא הקטנה בכמות הקיבוליות הכוללת הנחוצה ליישום נתון, ועם זאת, ה-ZL8800 משיג עודף רוחב פס לוויסות עומס מוגבר. ולבסוף, באמצעות יציבות לופ פנימית, הבקר מטפל באפיצויות רכיב כמו גם בהשפעות הזדקנות וסביבה.

פירושו של כל זה, הוא שתי מהפכות טכניות בתכנון קומפקטי אחד: צירוף של טופולוגיה מיטבית (SFB) עבור ויסות מתח יציאה נמוך עם בקר ספרתי חדשני להשגת צפיפות כוח מרבית, יעילות ושימוש קל. זהו צירוף חזק של יכולות המיועד לטפל בצורך ההולך וגדל להמרת כוח מושלמת, בכל הנסיבות, תמיד.

מידע נוסף ניתן למצוא באתר החברה.

1″שיטות פיצוי בווסתי מתח. התפתחות מאנלוגי לספרתי.” נכתב על ידי ברוס רוז (Bruce Rose), מנהל שיווק טכני, .CUI Inc.