טעינת קבל מתח גבוה בקלי-קלות

מאת: ברוג הוג – מנהל שיווק מוצר, Linear Technology. לא פשוט לתכנן ספק או מטען קבל למתח גבוה שיכול להגיע עד אלף וולט. פתרון בדידי המשתמש בבקר לכל מטרה מסוג flyback , עם תכונות של מצמד, ניטור, סטטוס והגנה, מצריך בדרך-כלל הרבה מאוד מעגלים והתכנון שלו יהיה בעל רמת מורכבות גבוהה ביותר. חשוב מאוד למנוע מצב שבו יש כניסה על זרם בעת עומס יתר (foldback), שיכול להתרחש בזמן הדלקה כאשר העומס הקיבולי נראה כמו קצר. בנוסף יש לשים לב ולוודא שמדליקים סוג כזה של ממיר רק כאשר מתח הכניסה נמצא בטווח ההפעלה הבטוח כדי להבטיח אמינות בטווח הארוך. כמו כן, נוח לקבוע מתי קבל המוצא במתח גבוה טעון לגמרי ללא חיבור חישה פיסי למתח הגבוה שלו, מה שמבטל את הצורך בחלק נוסף החוצה את מחסום הבידוד. בהתאם ליישום, המשתמש עשוי לרצות להיות מסוגל לבחור את מתח ה-gate drive המתאים לו.הצורך בפיתוח מתח גבוה בקבל מופיע פעמים רבות כאשר מתכננים מערכות צילום הבזק מקצועיות במתח גבוה, מערכות בקרת אבטחה, מכ”ם פעימות (פולסים), מנגנוני הפעלה של כריות אוויר במכוניות או בראשי מדפסות הזרקת דיו, פנסי חירום, מערכות בקרה ליישומי מלאי/אבטחה ודטונטורים. אמינות, עלות, בטיחות, ממדים וביצועים הם מכשולי התכנון המרכזיים שעמם צריכים להתמודד מי שמתכננים ספקי כוח במתח גבוה. עם זאת, ה-LT3751 מבית Linear Technology מקל מאוד על ביצוע המשימה.

ה-LT3751 הוא בקר flyback בעל מלוא התכונות המתוכנן לטעינה מהירה של קבלים גדולים למתחים גבוהים עד כדי 1000V. זוהי גרסת הדור השני המשופרת של ה-LT3750 שיצא לשוק לפני זמן מה, עם תכונות נוספות הכוללות את היכולת לחוש את מתח המוצא מהצד הראשוני או המשני של השנאי, לקבל מתח כניסה גבוה יותר, וכל זאת עם תכונות משופרות של יכולת תכנות והגנה. ה-LT3751 מניע N-Channel MOSFET חיצוני ויכול לטעון קבל של 1000uF ל-500V תוך פחות משנייה. יתרה מכך, ניתן להגדירו כך שיחוש מתח מוצא בצד המשני ללא צורך במצמד אופטי. עבור יישומי ייצוב עם מתח מוצא הדוק יותר ורעש נמוך יותר, ניתן לפרוס רשת של מפצל-נגד היוצא ממתח המוצא כדי לייצב את המוצא, מה שהופך את ההתקן למתאים במיוחד לדרישות של ספקי כוח במתח גבוה. יחס הכריכות של השנאים ושני נגדים חיצוניים עוזרים לתכנת בקלות את מתח המוצא. בנוסף יש ל-LT3751 ווסת shunt פנימי של 60V המונע באמצעות נגד טורי ומסוגל לפעול ממתחי כניסה הנעים בין 4.75V עד 400V. זה מאפשר למשתמש הקצה להתמודד עם טווח רחב ביותר של מקורות הספק כניסה, דבר שעד היום לא ניתן היה להשיג עם חבילה אחת יחידה. כניסת ה-Vcc מקבלת מתחים הנעים בין 5V ל-24V.

 ה-LT3751 פועל בשיטה של boundary-mode, שנמצאת בין מצב הולכה רציף (CCM) לבין מצב הולכה בלתי רציף (DCM). בקרת boundary-mode מצמצמת את ההפסדים בהעברה, מקטינה את ממדי השנאי ומגדירה את החלק כך שיבצע ramp-up בקלות מבלי להיכנס למצב של מגבלת זרם בעת הנעת עומס קיבולי. יתרון נוסף של שיטה זו הוא שהיא מצמצמת בעיות של יציבות עם אותות גדולים העלולה לצוץ כתוצאה מהשימוש בטכניקת PWM או voltage-mode, ויכולה לספק נצילות של עד 88% לצד תגובת טרנזיינט מהירה. ייצוב של מתח המוצא מושג באמצעות אפנון חופף (overlapping) כפול תוך שימוש הן באפנון זרם שיא ראשוני והן באפנון duty-cycle.

 המעגל באיור 1 מראה איך ה-LT3751 עובד בשיטה שבה חישת מתח המוצא מתבצעת על-ידי הליפוף בשנאי הראשוני. שיטה זו של חישת מתח מוצא בשנאי הראשוני שומרת על הבידוד עם חלק אחד בלבד, שנאי ההספק החוצה את מחסום הבידוד, והוא, למעשה, מעגל פשוט ביותר. חישת מתח המוצא מתבצעת על-ידי פין ה-RVOUT ומתוכנתת על-ידי הבחירה של R8, R9 ויחס הכריכות של השנאי. מעגל מבודד זה טוען את הקבל ל-450V מכניסת 12V עד 24V תוך שימוש במשוה (קומפרטור) DCM דיפרנציאלי על הלוח. מספר החלק של השנאי (T1): 75031040 ומדובר בחלק מוכן לשימוש “מהמדף” בחברת Wurth Electronics.

 

איור 1 – מעגל יישומים עם חישת מתח מוצא בשנאי הראשוני

 

הפעלה דיפרנציאלית של משווה ה-DCM מאפשרת ל-LT3751 לפעול באופן מדויק מכניסות מתח גבוה של עד 400V ואף גבוה יותר. יתרה מכך, משווה ה-VOUT ומשווה ה-DCM נחוצים עבור מתחי כניסה נמוכים יותר, עד כדי 4.75V, עם השימוש ב-MOSFET חיצוני ברמת הלוגיקה. זה מאפשר למשתמש להתמודד עם טווח רחב ביותר של מקורות הספק. יש צורך בחמישה נגדים חיצוניים בלבד כדי להפעיל את ה-LT3751 כמטען-קבל. ה-VOUT של מתח הכניסה ניתן לכוונון מ-50V ועד 450V באמצעות שימוש במשוואה הבאה:

 

(עמוד 2 באמצע)

כאשר N הוא יחס הכריכות של השנאי ו-VDIODES זה נפילת המתח ב-D­1 ו-D2.

 

ה-LT3751 מפסיק לטעון את קבל המוצא ברגע שהוא מגיע לנקודת ה-VOUT של המוצא. מחזור הטעינה חוזר על עצמו באמצעות בחירה של כפתור ה-CHARGE. יחס הפריקה/טעינה המרבי בקבל המוצא מוגבל על-ידי עליית הטמפרטורה בשנאי ופיזור ההספק ב-MOSFET החיצוני. כדי להגביל את טמפרטורת פני השטח של השנאי המוצג באיור 1 ל-40 מעלות צלסיוס מעל לטמפרטורת הסביבה ללא זרימת אוויר (פעולה המתבצעת בעזרת שנאי מבית Wurth, חלק מספר 75031049) הכרחי שהספק המוצא הממוצע יהיה 40W או פחות, כפי שניתן לראות במשוואה הבאה:

(משוואה שנייה בעמ’ 2)

כאשר VOUT הוא ה-trip; VRIPPLE הוא מתח האדווה במוצא, freq הוא תדר הטעינה/פריקה.

 

ניתן להגדיל את הספק המוצא הזמין המרבי באמצעות שנאי גדול יותר וקירור באוויר מאולץ. עבור מתחי מוצא העולים על 450V יש להחליף את השנאי המופיע באיור 1 בשנאי בעל יחס כריכות גבוה יותר והשראות ראשונית גבוהה יותר. באיור 2 ניתן לראות את צורת גל הטעינה ואת זרם הכניסה הממוצע עבור קבל מוצא 100µF טעון ל-400V תוך פחות ממאה מילישניות.

 

איור 2. צורת הגל של טעינת המעגל המוצג באיור 1

 

יכולת מועילה נוספת של ה-LT3751 היא לשנות הספק מתח נמוך להספק מתח גבוה ביישום ללא בידוד. ניתן לעשות זאת באמצעות פריסת רשת מפצל-נגד ממתח המוצא אל פין ה-FB והארקה, מה שגורם ל –LT3751 לפעול כמייצב מתח. שיטה זו מאפשרת ייצוב מתח מוצא הדוק יותר ומתח אדווה נמוך יותר ביציאה. ניתן להמיר את המעגל הזה ל-flyback מבודד עם חישת מתח מוצא ישירה באמצעות מצמד אופטי שסוגר את לולאת המשוב. באיור 3 ניתן לראות את ה-LT3751 כממיר לא מבודד ואת עקומת הייצוב/נצילות המושגת כאשר נוקטים שיטה זו. הנצילות עולה ל-88% בעומס מלא ושומרת על ייצוב עומס של 0.25% מ-5mA ועד 100mA.

 

איור 3 – יישומים אופיינים ועקומת נצילות עם חישת מוצא בצד המשני

 

תכונות לשיפור הבטיחות והאמינות

קבלים גדולים הנטענים למתחים גבוהים יכולים לספק כמות קטלנית של אנרגיה אם לא מטפלים בהם בצורה נכונה. חשוב במיוחד לנקוט אמצעי בטיחות נאותים כאשר משלבים את ה-LT3751 בתוך יישומים. על המתכנן ליצור מעגל פריקה המבטיח פריקה בטיחותית של קבל המוצא. בנוסף, יש לאפשר מרווח מספק בין צומתי המתח הגבוה לבין עקבות סמוכים כדי לעמוד בדרישות של פסיקות המתח של לוח המעגל המודפס. למידע נוסף בנושא יש לעיין בתקני התכנון של לוחות מעגלים מודפסים ב-IPC-2221 (www.ipc.org) ובמהדורה השנייה של  ה-Underwriters Laboratory Standard UL60950-1.

 

ל-LT3751 יש תכונות בטיחות ואמינות הכוללות שני מערכים של UVLO (חסימת תת-מתח) ו-OVLO (חסימת יתר מתח) עבור כניסות ה-VTRANS ו-VCC. זה מאפשר למשתמש למנוע מצב שבו ספק הכוח נדלק כאשר מתחי הכניסה נמצאים בטווח שאינו בטוח להפעלה. פין ה-FAULT נכנס למצב אקטיבי כאשר מתחי הכניסה אינם בתוך טווח בטיחותי הנתון להגדרת המשתמש. בנוסף יש ל-LT3751 הגנת חסימה למצב של התחממות יתר והוא נכנס לעבודה במוד של Burst במצב של היעדר טעינה. יש ל-LT3751 לולאת משוב עם פיצוי פנימי בתצורת הייצוב, ההופך את הפיצוי בויסות לפשוט יותר, וכן פין DONE על הלוח, שנכנס למצב אקטיבי כאשר מגיעים למתח הטעינה של קבל המוצא. בנוסף, פין ה-CHARGE יוזם מחזור טעינה חדש או מאפשר לחלק להיות במצב של ייצוב מתח. סף חישת זרם דיפרנציאלי נמוך של 106mV מגביל באופן מדויק את זרם השיא של המתג ומאפשר את השימוש בנגד חישת זרם על שנאי ראשוני בהספק נמוך. ה-LT3751 מזווד במארז QFN-20 ממוטב מבחינה תרמית, בממדים של 4×5 מ”מ, ומוצע בטווח טמפרטורות תעשייתי ומורחב ממינוס 40 ועד 125 מעלות צלסיוס.

דרייבר שער ומעגל ריתוק פנימי

כאשר משתמשים בדרייבר שער ישנם ארבעה חששות מרכזיים: יכולת הנעת זרם המוצא, מתח שיא במוצא, צריכת הספק והשהיית התפשטות. ה-LT3751 מצויד בדרייבר ראשי push-pull של 1.5A, מספיק כדי להניע שערים גדולים של 80nC.

 

לרוב ה-MOSFETs הבדידים יש מגבלה של 20V עבור ה”שער למקור” (gate to source). דחיפת ה-MOSFET ליותר מ-20V עלולה לגרום לקצר בתחמוצת השער הפנימית ולהוביל לנזק שאין לתקנו. כדי להימנע מבעיה זו יש ל-LT3751 מעגל ריתוק של 5.6V או 10.5V בדרייבר השער. אין צורך ברכיבים חיצוניים, אפילו לא בקבל. פשוט חברו את פין ה-CLAMP להארקה עבור עבודה ב- 10.5V או חברו אותו ל- VCC עבור עבודה ב- 5.6V. לא זו בלבד שמעגל הריתוק הפנימי מגן על ה-MOSFET החיצוני מפני נזק, הוא גם מקטין את כמות האנרגיה המוחדרת אל השער. זה מגדיל את הנצילות הכוללת ומצמצם את צריכת ההספק במעגל דרייבר השער.

 

מתח הספק גבוה בכניסה, מטען קבל מבודד

כפי שכבר הוזכר, משווי ה-DCM הדיפרנציאלי וה- VOUT מאפשרים לחלק לעבוד באופן מדויק ממתחי כניסה גבוהים. באיור 4 מוצג מטען קבל off-line עם יישור גשר בגל מלא. השנאי מספק בידוד בין חלק ראשוני למשני וחישת מתח המוצא מתבצעת מסליל השנאי המשני. מתחי כניסה גבוהים מ-80V נדרשים לצורך השימוש במפצלי נגד על משווי ה-DCM וה- VOUT. המעגל האיור 4 פועל ממתחי כניסה של 100V עד 400VDC.

 

שימו לב כי R14, R15 ו-Q1 נוספו כדי להגן על ה-M1 MOSFET החיצוני מפני חריגה מקצב הפולסים המרבי. בתנאים נורמליים ה-MOSFET הזה חייב לפרוק את כל הקיבוליות שוות הערך שנמצאת על צומת השפך (drain node). כיוון שניתן לטעון את הצומת הזה בתחילה ליותר מ-400V, קפיצות זרם (“ספייקים”) משמעותיות מתרחשות בעת ההדלקה הראשונית של  ה-FET, מה שעלול לגרום לנזק בלתי הפיך ל-FET. החדרת R14 מגדירה את קפיצת הזרם המרבית ל:

 

משוואה עמ’ 4 למטה

 

איור 4 – מטען קבל עם מוצא 500V וכניסת 100V-400V

 

 

מסקנות

ה-LT3751 מאפשר למשתמשים לתכנן מטען קבל מתח גבוה על-פני טווח רחב של מתחי כניסה, מ-4.75V עד יותר מ-400V. היכולת לדעת מתי הקבל טעון לגמרי ללא חיבור ישיר למתח המוצא הגבוה עוזרת לצמצם את מספר החלקים החוצים את מחסום הבידוד. ההגנה, הסטטוס והבחירה של מתח ה-gate drive של ה-LT3751 עוזרים לצמם את מספר הרכיבים החיצוניים הנוספים הנדרשים לצורך עבודה אמינה. בקרת boundary-mode מונעת מהממיר מלהיכנס למצב של זרם יתר בעת ההדלקה וההפעלה של עומס קיבולי, ומאפשרת שנאי קטן יותר שבזכותו התכנון כולו תופס פחות שטח PCB. תכנון המבוסס על LT3751 יכול להשיג נצילות של יותר מ-85% ולהפוך את התכנון לפשוט יותר עם שפע של תכונות משולבות ההופכות אותו למתאים עבור יישומים של טעינת קבל מתח גבוה ושל ספקי כוח מיוצבים במתח גבוה.