עולם הייצור התעשייתי עובר שינוי משמעותי. בעקבות יוזמות ממשלתיות כמו תעשייה 4.0 ומגמת ה’אינטרנט של הדברים התעשייתי’ (IIoT), חברות מגלות התלהבות לאמץ ולרתום את הנתונים הנאספים מצבא רב של חיישנים מחוברים. מתוך הבטחה ליצור תובנה אנליטית שיכולה לייעל את פעולות הייצור האלה מבחינה תפעולית, לתוכניות האלה יש יתרונות פוטנציאליים רבים. מפעל מחובר יאפשר יישום של משטר ‘תחזק, תקן ותפעל’ (MRO) המבוסס על אחזקה חזויה, שעבורו ניטור המצב של רכיבים מתבלים (לדוגמה, גילוי הבלאי של מיסבי מנוע באמצעות חיישן רעידות) הוא חיוני. התובנות החדשות האלה יחד עם היכולת למטב את התפעול יכולות לשחרר את היכולת של ארגון לערוך שינוי כולל במפעליו, ולהפכם לעסק מבוסס שירות. ואמנם, זה בדיוק מה שעושים ספקי ציוד תעשייתי רבים.

ואולם, יצירת סביבה תעשייתית המובלת על ידי נתונים (data-led) דורשת כמויות ניכרות של ציוד – מחיישנים זעירים ושערי תקשורת חזקים עד חומרת בקרה הניתנת לתכנות. לא רק שהציוד הזה כרוך בעלות גבוהה, אלא שקיים גם השיקול היכן להציב אותו על רצפת הייצור. העלות של שטח רצפת הייצור גבוהה ביותר; לכן, את כל ציוד הבקרה עבור קו ייצור מסוים יש לרכז בדרך כלל בתוך ארון בקרה אחד. כתוצאה מכך נוצר צורך לדחוס יותר ויותר מערכות מבוססות אלקטרוניקה לתוך מרחב מצומצם. כדי ליצור תכנונים קטנים יותר, על המהנדסים מוטלת המשימה לבחור את הרכיבים הפסיביים ואת המעגלים המשולבים הזעירים ביותר האפשריים. בנוסף לממדים הקטנים, על הרכיבים האלה להיות בעלי ניהול תרמי מיטבי והפרעה אלקטרומגנטית (EMI) נמוכה כדי לאפשר רמות גבוהות יותר של אינטגרציה ומזעור של הפתרונות; וכדי להימנע מבעיות של ניהול חום, עליהם להיות יעילים יותר מבחינה אנרגטית.

יישום לדוגמה

בנוסף להקטנת התכנונים, על המהנדסים להתמודד עם פיתוח מוצרים שיכולים לתפקד באופן אמין בסביבה אלקטרונית רועשת. אוטומציה מוגברת גורמת לריכוז גדול של מיכון עם הנעה חשמלית; לדוגמה, שימוש במנועים ומפעילים המסוגלים ליצור נחשולי מתח גבוהים. מתחי יתר כאלה מזיקים למעגלים אלקטרוניים עדינים, ועלולים להפריע לקריאה של מדידות חיישנים מדויקות, במיוחד כשהמדובר באותות אנלוגיים. לכן, המגמה היא להמיר אותות אנלוגיים לדיגיטליים בשלב מוקדם ככל האפשר לאחר המדידה. ואולם, זה עדיין משאיר את המעגלים של ממירי אנלוגי לדיגיטלי (ADC) ודיגיטלי לאנלוגי (DAC) חשופים לנחשולי מתח כאלה. בידוד, הפרדה חשמלית או גלוונית של אות, הוא טכניקה שמצמצמת את השפעות נחשולי המתח. בידוד נדרש גם כדי למנוע נזק למעגלים הנלווים, כמו גם לצורך אישורי בטיחות חשמלית. בידוד בין החיישן ל-ADC המקושר שלו ומיקרו-בקר מארח, הוא צעד נבון. כדוגמה לניטור מצב, חיישן מחובר באופן ישיר למנוע המוזן כנראה מהרשת, שפירושו נתיב פוטנציאלי עבור מתחים תועים בחזרה למארח. הבידוד מבטיח שספייקים מזיקים של מתח או מתחי זליגה הנוכחים בחיישן וב-ADC לעולם לא יגיעו למיקרו-בקר. בדוגמה הזאת, יש גם צורך להזין את ה-ADC ממקור מתח מבודד. כדי להגיע לדרגה כזאת של בידוד, נדרש לבודד הן את מקור המתח והן את אות הנתונים. הארכיטקטורה של הדבר יבוצע בדרך כלל תוך שימוש בממיר DC-DC ומעגלים משולבים עם בידוד אותות דיגיטליים (ראה איור 1).

איור 1: דיאגרמת מלבנים פונקציונלית של קצה קדמי אנלוגי מנטר מצב המחובר למיקרו-בקר מארח (מקור: Mouser)

צמצום טביעת הרגל של מפרט חומרים (BOM) ומעגלים מודפסים (PCB)

על ידי שילוב של המרת ההספק וניהולו, בידוד ההספק ובידוד אותות דיגיטליים (SPI) בתוך מעגל משולב (IC) יחיד יחסוך שטח לוח משמעותי, בנוסף לפוטנציאל של צמצום מפרט החומרים. דוגמה למעגל משולב הכולל את כל הפונקציות האלה בתוך חבילת LFCSP קומפקטית שמידותיה הן 7×9 מ”מ היא ה- ADP1031 מתוצרתAnalog Devices. מעגל זה מסוגל לפעול על פני מנעד רחב של מתח אספקה, מ-4.5 עד 60 וולט. ה-ADP1031 מארח שלושה ממירי מיקרו-הספק DC-DC כולל וסת flyback מבודד, וסת מהפך, וממיר buck בתוך יחידת ניהול המיקרו-הספק (PMU) שלו. יכולת ייצור ההספק היא עד 2.0 וואט, עם יעילות אנרגטית בין 80% ל-90%. ארבעה ערוצי בידוד דו-כיווניים מהירים, המארחים ממשק SPI, ושלושה ערוצי קלט/פלט (I/O) מבודדים לשימוש כללי המשתמשים בטכנולוגיית iCoupler מתוצרת Analog Devices המוגנת בפטנט, משלימים את תמונת הארכיטקטורה של המעגל המשולב (ראה איור 2).

איור 2: מאפייני מפתח של יחידת ניהול מיקרו-הספק המבודדת בעלת שלושה ערוצים דגם ADP1031 מתוצרת Analog Devices בעלת שבעה מבודדים דיגיטליים עם רכיבים חיצוניים לרבות שנאי ממיר פלייבק (מקור: Analog Devices).

יחידת ניהול ההספק כוללת יכולת הפעלה בהתנעה רכה, הגנות זרם יתר בכניסה ומתח יתר ביציאה, בנוסף לכמה אפשרויות פלייבק ומהפך ממיר הניתנים לתכנות. ה-ADP1031 כולל מתג MOSFET פנימי עבור ממיר הפלייבק, ודורש רק כמות מינימלית של רכיבים פסיביים חיצוניים ושנאי בידוד פלייבק בעל יחס 1:1 כדי לפעול. בידוד הכניסה ליציאה על פני כל שלושת תחומי ההספק הוא 300 וולט. בנוסף, ה-ADP1031 מאפשר שליטה בקצב הזחילה (slew rate) של הממיר כדי לאפשר שיפור של הביצועים האלקטרומגנטיים (EMI) וגם עמידה ברמות פליטות קרינה בהתאם לתקן CISPR11 (EN 55011) Class B.

ה-DP1031 ממוטב לצורך שימוש יחד עם Analog Devices AD5758, מעגל מודפס ממיר דיגיטלי לאנלוגי (DAC IC) חד-ערוצי בעל רזולוציה 16 ביט (ראה איור 3). בשימוש יחדיו, ה-ADP1031 וה-AD5758 מזרזים את תהליך התכנון באמצעות הסמכה בהתאם לדרישות בידוד 300 וולט בסיסיות, דרך פעולה בעלת סיכונים נמוכים עבור המהנדסים.

איור 3: יישום של פלט אנלוגי המספק מתח לממירAD5758 DAC מתוצרת Analog Devices (מקור: Analog Devices)

בחירת שנאי ומשרן

בעת מיטוב (אופטימיזציה) תכנון ממיר הפלייבק עבור ה-ADP1031, יש לבחון את בחירת השנאי. סכמת משוב ה-ADP1031 מבטל את הצורך בכריכות משוב בשנאי הפלייבק, המורכב אפוא מכריכה ראשונית וכריכה משנית יחידות. ההפשטה הזאת מאפשרת שנאים קטנים יותר עם DCR נמוך יותר והשראת זליגות נמוכה יותר. במיוחד, היא הופכת את משימת המהנדס לקלה יותר בכך שהיא מאפשרת לבחור שנאי מהמדף. בחירת שנאי זעיר, מתוכנן היטב בעל השראת זליגה והתנגדות זרם ישר נמוכות יכולה להשפיע באופן ניכר על המאפיינים האלקטרומגנטיים והיעילות האנרגטית של התכנון. יחס השנאי הנדרש ייקבע על ידי בחירת מתחי הכניסה והיציאה. בשיתוף פעולה עם חברת Analog Devices, יצרן השנאים Coilcraft פיתחה שני שנאים שנועדו באופן ספציפי לשימוש עם רכיב ADP1031. מדובר בדגם Coilcraft WA8478 ובדגם Coilcraft YA9293, שניהם בעלי יחס 1:1, מתאימים למתח כניסה של 4.5 וולט עד 60 וולט,בידוד 2250Vrms ומתוכננים עם זחילה ומרווח עבור בידוד בסיסי. השנאים בעלי הסמכה AEC-Q200 דרגה 1, כך שהם מתאימים לשימוש ביישומי רכב, שבהם טווח טמפרטורות הסביבה נע מ- -40°C עד +125°C. השראת הזליגה הנומינלית היא 1.2µH  עבור דגם WA8478 ו-1.62µH עבור דגם YA9293.

Coilcraft מציעה גם משרן PA6594-AE 47 mH הממוטב עבור שימוש יחד עם ממיר משולב buck דיגיטלי לאנלוגי 16 ביט דגם AD5758 מבית Analog Devices . משרן PA6594-AE הוא בעל ממדים קטנים, גובה 1.8 מ”מ בלבד.

מסקנות

עם אילוצי המקום הקיימים היום, בחירת מעגלים משולבים המשלבים יותר מפונקציה אחת בתוך אותה החבילה, יחד עם רכיבים פסיביים ממוטבים יכול לסייע בכיווץ המרחב הכולל הנדרש למעגלים מודפסים (PCB). ממיר ה-ADP1031 עונה על הדרישה הזאת, על ידי שילוב של ניהול הספק ובידוד תקשורת סדרתית בתוך חבילה שמידותיה 7×9 מ”מ. השימוש ב-ADP1031 יחד עם שנאי Coilcraft ממוטבים מספק ביצועים גבוהים וממדי פתרון קטנים.