סדרת ה HQA – איכות TDK מגיעה לשוק הצבאי

תעשיית המכשור הצבאי הינה ענף מיוחד שמאז ומעולם היה שונה מכל תעשיה אחרת בגלל הדרישות המחמירות והספציפיות לכל מוצר. זאת הסיבה שבתחום זה יש צורך במרכיבים באיכות הגבוהה ביותר. כל המרכיבים בלי יוצא מן הכלל במערכות צבאיות צריכים להיות אמינים ומהימנים, אחד המרכיבים העיקריים הוא ספק הכוח. ובהמשך לארכיטקטורה הספציפית של חלוקת הכוח , והימצאות של מקורות אחסון אנרגיה ביקוש משמעותי נוצר בדיוק עבור ממירי המתח DC.

מכיוון שאין הרבה יצרנים משמעותיים של מכשור מסוג זה , עומדת בפני מהנדסי הפיתוח משימה לא קלה בבחירת הרכיבים המתאימים. החברה המובילה בעולם בייצור של ספקי כוח תעשייתיים הציבה בפניה כמטרה להקל על המשימה הזאת ולהרחיב את מגוון הרחב של ממירי המתח DC-DC , מסדרת HQA  שהוצגו לראשונה ב 2016 ועליה תוכלו ללמוד במאמר זה.

המבנה של ה DC-DC מסדרת HQA, הינו אופייני למדי עבור מודולים של QUARTER BRICK , המתאמים  ליישומים כמו MIL-COTS.

כפי שניתן לראות, ישנם שתי גרסאות של מארזים ששונים זה מזה בפרופיל הבסיס. מה שמאפשר למפתחים למצוא את הדרך המתאימה ביותר והאופטימלית ביותר של חיבור הממיר לבסיס המערכת  או לרדיאטור קירור ובכך להבטיח קשר תרמי טוב. המידות של הגרסה עם מצע שטוח 60.6 x 55.9 x 12.7 מ”מ, מודלים ללא מסגרת תואמים את פורמט QUARTER BRICK עם מידות 60.6 x 39 x 12.7 מ”מ.

גוף המכשיר אטום, בשילוב 2 מרכיבי מילוי: רוב שטח הגוף מכוסה במילוי המכיל סיליקון עם יכולות בידוד גבוהה . בחלל שבין המרכיבים שחשופים לחום מוגבר, ופלטפורמת האלומיניום מתווסף חומר בעל התנגדות תרמית נמוכה פי 10. תהליך הייצור מורכב ויקר זה מבטיח חילופי חום מאוזנת ואחידה יותר והגנה מפני התחממות יתר.

נכון להיום סדרת ה HQA מוצגת עם מתחי יציאה אפשריים של 12,24,28  ו 48 וולט עם הספק מרבי של  120 וואט. מתח הכניסה הינם מ 10 ועד 40 וולט , ולמודלים של 48וולט ביציאה מתחי הכניסה הם 18-40 וולט. יחד עם זאת המודולים יודעים לספוג מתח של עד 50וולט למשך 1 שניה. לממירים ישנם כמה תכונות מתקדמות כגון: הדלקה/כיבוי מרחוק ושינוי של מתח היציאה בעזרת נגד משתנה. כיבוי/הדלקה מרחוק עובדת עם לוגיקה הפוכה , כלומר סיגנל נמוך או קצר מדליק את המודול , סיגנל גבוה או נתק הממיר כבוי. שינוי מתח היציאה ניתן לממש בעזרת נגד משתנה או פוטנציומטר שמתחברים בין החיבורים TRIM ואחד ה SENSE.

ניתן למצוא את סכמת החיבורים המומלצת באיור 2. ניתן למצוא את מספרי היציאות ואת משמעותם באיור 1. ניתן לראות את אחד האפשרויות חיבור המודול. הרכיבים C1,L1,C3,C4 הינם רכיבים אופציונליים והצורך בשימוש הינו בהתאם לדרישה לתאימות אלקטרומגנטית של המוצר.  חיבור ה PC ו R  תלוי בשימוש בפונקציות הכיבוי וההדלקה מרחוק ופונקציית הכוונון של המתח ביציאה.

איור 2 . סכמת  החיבור המומלצת למודול HQA

איור 1 . טבלת החיבורים של המודול HQA

בממירים ישנם גם פונקציות הגנה: הגנה מפני צריכת זרם יתר , הגבלת זרם היציאה כאשר יש קצר ,  הגנה מפני חימום יתר של הרכיבים הקריטיים. ההגינות כוללת גם את ההדלקה האוטומטית , כלומר הממיר חוזר לפעולה לאחר חזרתו למצב עבודה הרגיל.

ניתן למצוא באיור 3. את סכמת העבודה של הממיר. בממירים אלו משתמשים בטופולוגיה הנקראת forward Convertor  , אך במקרה זה נוסף גם מודול אקטיבי של איפוס השטף המגנטי בשנאי המיתוג (  (active clamp transformer reset . בזכות המודול זה ניתן לרדת בזרם המקסימלי דרך הטרנזיסטור 1Q , ובכך המיתוג הפך להיות “רך יותר”. הרכיבים העיקריים של הסכמה הזאת הינם קבל ה CCL ונגד נוסף QCL , המאפשרים לאפס את האנרגיה המגנטית השמורה של בשנאי וליצור כיוון ההפוך של השטף המגנטי. כתוצאה מכך הסבירות של ששנאי 1TR יפעל במצב רוויה קטנה מאד והעומס על המתג הראשי Q1 פוחת ומגדיל את היעילות הכוללת של הממיר .

איור 3

על מנת להגביר את האמינות של פתרונות כאלה , לעיתים מוסיפים הגבלה של זמו המיתוג המירבי בכדי שהשנאי הראשי יעבוד באזור הנוחות מבלי שיכנס למצב הרוויה שהוזכר לעיל. בסכמה של HQA , הגנה כזאת מסופקת ע”י מדידה ישירה של הזרם המגנטי במעגל ה QCL .  פתרון זה מאפשר לנו להימנע מהשלכות בלתי רצויות על יציבות חוג המשוב המתעוררות כאשר תיקון אות ה PWM מוגבל. אמצעי נוסף לשיפור האמינות הוא התראת החום של השנאי ושל הטרנזיסטור Q1 שמגיע מהחיישן טמפרטורה נפרד ובודק מול הבקר הזעיר ( מיקרוקונטרולר)  את הערכי העבודה המותרים שלה.

בניגוד לרוב הממירים הממותגים בשוק , משוב ויוצרות של האות (PWM ) מתרחשת באמצעות בקר זעיר (מיקרוקונטרולר)  אנלוגי בחלק המשני של המעגל. בזמן שבחלק הראשוני של המעגל האות עוברת דרך טרנספורמטור זעיר TRCONT  , המאפשר שוב, להתרחק מהאופטוקאפלרים שמשתמשים בהם בדרך כלל. הטכנולוגיה הזאת מגבירה את האמינות ואת היציבות של ממיר במיוחד תחת טמפרטורות שונות ותנאי קרינה שונים.

היעילות של המעגל משופרת גם על ידי החלפת מרכיבי ההספק ששונו מסוג פסיבי לסוג אקטיבי, כאשר כל המתגים האקטיביים נשלטים על ידי מיקרו-בקרים אנלוגיים הממוקמים בחלקים הראשוניים והמשניים של המעגל, ללא שימוש במעגלים החיצוניים המורכבים יחסית, ובכך חוסכים מקום בחלל הפנימי , מפשטים את הארכיטקטורה וממזערים עיכובים זמניים.  במקביל, כדי להגביר את האמינות של התקנה ותפעול של מודולים, מיושמים מעגלים העומדים בסטנדרט TSSOP (Thin Shrink Small Outline Package)) במקום המעגלים הפופולאריים יותר נכון להיום מסוג QFN  (Quad-Flat No-Leads).

בדיקות ייצור:

תהליך בדיקות הייצור של מוצרים HQA שנועד לזהות כשלים מוקדמים ובדיקת איכות  מחולק ל 2 סטנדרטים: תוכנית סטנדרטית (קטגוריה “S”) ואת התוכנית של הקטגוריה “M”, (בדיקות קשיחות מוגברת).

בתכנית הסטנדרטית, לאחר שעבר בדיקה ויזואלית, כל מודול עובר בדיקת מתח גבוה לקשיחות הבידוד, שבו מסופק זרם קבוע של 2250VDC ליציאותיו מהכניסה והיציאה.

לאחר מכן, במהלך הבדיקה הפונקציונלית בתנור עם הספק המוצא של 50w  ומתח כניסה של V40, מייצרים שינויים בטמפרטורות עם הבדלים בין 18 ל -60 מעלות צלזיוס במהירות של 15 ועד 30 מעלות לדקה והשהיה של 18 דקות בנקודות הקיצוניות.

מחזור הבדיקה מתרחש בטמפרטורת בסיס נתונה של 100מעלות למשך 24 שעות. עוצמת העומס והקירור יכולה להשתנות ומשמשת כגורמי בקרה.

בדיקה עבור טווח טמפרטורות ההפעלה שואפת לאמת את האמינות של ההתחלה של הממירים בנקודות הקיצוניות של הטווח. באמצעות התקן טרמי המותקן על משטח הספיגה הטרמי בנקודת הטמפרטורה של המדידה, נקבע את הערך ל -40̊С, ולאחר מכן + 115̊С ומספקים את ההספק במספר נקודות של טווח המתח.

תוכנית בקטגוריה “M” נבדלת על ידי  מחזור בדיקה שנמשך 96 שעות במקום 24, והבדיקה הפונקציונלית בתנור כוללת שינויים בטמפרטורה ממינוס 20C במקום 18C , ותחילת הבדיקה מ-55 במקום -40. בנוסף לכך תכנית הבדיקות בקטגוריה M כוללת גם מבחן טמפרטורה נוספת במצב כבוי: כל מודול ממוקם בחדר ועובר 10 מחזורים עם שינוי טמפרטורה מ -65̊і 100̊ї במהירות של 30̊іmin / דקה הפסקה של 30 דקות בנקודות הקיצוניות.

בהתאם לבדיקות המפורטות מעלה, ניתן להזמין את המודולים HQA120 בשתי גרסאות אופציונליות: “S-Grade” ו- “M-Grade” (בהתאמה, האותיות “M” ו- “S” במק”ט המודל), כפי שמוצג בטבלה 2.

טבלה 2. סדרת HQA

ההבדל בין הגרסאות אלה הוא לא רק בתוכנית הבדיקות שנערכות במפעל, אלא גם בשימוש של רכיבים רגישים לטמפרטורות נמוכות. ב גרסאות ה M, משתמשים אך ורק במעגלים אשר אושרו ע”י היצרן לטמפרטורות עבודה של -55C.

הסדרה נבדקה גם על עמידות העבודה בלחות ורטט בהתאם לדרישות MIL-STD-202G (שיטה 201A ו- 213B), ומאושרת ל- RoHS2, IEC / EN / UL / CSA 60950-1 ו- CE מסומנים בהתאם להוראות האיחוד האירופי לציוד מתח נמוך. היעילות של כל דגם תלויה בזרם המוצא ובערך מתח היציאה ובעלת ערך יעילות ממוצע של 90%.

בשל המאפיינים והאמינות הבדוקה של המודולים HQA ניתן לשלבם בקלות בציוד תעשייתי , מסחרי, מערכות תחבורה, התקני תקשורת, וגם בעשיות הצבאיות.

ראוי להוסיף כי בשל תדירות מיתוג קבועה למודולים יש ספקטרום תדר צפוי של רעש הכניסה ולכן אינם דורשים מספר רב של רכיבים חיצוניים. מאפיינים מפורטים יותר ותוצאות המדידה ניתן למצוא במפרט המלא שזמין בכתובת https://tdk-lambda.co.il/products/dcdc-converters/  תחת קטגוריית המוצר DC-DC