כיצד לשפר את היעילות של ממיר מתח ממותג
1 אפריל, 2018
למרבית ההפתעה, המרה מדורגת של מתח גבוה למתח נמוך באמצעות ממיר ממותג מספקת לעתים יעילות הספק עדיפה בהשוואה להמרה יחידה, למרות שמדובר בתוספת של מעגל שלם הצורך אנרגיה נוספת. מדוע? הנה ההסבר
מאת: פרדריק דוסטל *. באדיבות Analog Devices
אחת מהשאלות הנפוצות בקרב מתכננים היא כיצד לייעל את הנצילות של ממירי מתח ממותגים (Buck Converter) אשר צריכים להתמודד קבלת מתח גבוה מאוד יחסית בכניסה, ולספק מתח נמוך מאוד במוצא. דוגמא מאוד נפוצה ואופיינית של המצב הזה היא המרת מתח של 48V למתח של 3.3V, שהוא יחס המרות מאוד נפוץ בתעשיית המידע, בשרתים, בציוד תקשורת ועוד.
כאשר המרת המתח נעשית באמצעות מדרגת המרה יחידה, כמו במעגל המוצג באיור 1 (למטה), מתפתחת בעייה הקשורה ליחס ההמרה הנמוך. יחס ההמרה (duty cycle) מבטא את היחס בין הזמן שבו המתג הראשי (Q1 באיור) פתוח, לבין הזמן שבו המתג סגור, (זמני הפתיחה והסגירה נקבעים בהתאם ליחס המתחים שצריך להתקבל בין המבוא למוצא). בדוגמא שלפנינו יחס ההמרה שווה ערך ליחס שבין מתח הכניסה לבין מתח המוצא:
פירוש הדבר שכאשר רוצים לקבל מתח מוצא של 3.3V מתוך מתח כניסה של 48V (כמו בדוגמא), יחס ההמרה הוא 7%. כלומר, כאשר קצב המיתוג הוא 1MHz, הזמן הכולל של כל מחזור מיתוג הוא 1,000 ננושניות (ns), והמתג Q1 פתוח רק לזמן קצרצר של 70 ננושניות (7%). לאחר מכן המתג Q1 מתנתק למשך 930 ננושניות והמתג Q2 עובר למצב הולכה. במצב כזה יש לבחור מייצב מתח אשר מסוגל להתמודד עם הזמן הקצרצר של 70 ננושניות או פחות. אבל גם כאשר בוחרים ברכיב המתאים, קיים אתגר נוסף וקשה יותר: יעילות ההמרה של הממיר הממותג יורדת ככל שזמני המיתוג מתקצרים, שלסליל במעגל (L1 באיור), נותר פחות זמן לאגור את האנרגיה שתועבר בסופו של התהליך אל העומס. במקביל, הסליל צריך להעביר את האנרגיה לעומס לאורך זמנים ארוכים יותר שבהם מתג Q1 מנותק.
אחת מתוצאות הלוואי של המצב הזה היא התפתחות זרמי שיא מאוד גבוהים במעגל, שכדי לדכא אותם יש צורך להשתמש בסליל בעל השראות גבוהה מאוד (מכיוון שבשלב ההולכה של מתג Q1 מתפתח מתח גבוה מאוד על פני הסליל). בדוגמא שבאיור 1, כאשר מתג Q1 נמצא במצב הולכה ובמעגל יש מתח של 48V, מתח המוצא הוא 3.3V ועל-פני הסליל מתפתח מתח של 44.7V. במקרה כזה הזרם בסליל מחושב לפי הנוסחא למטה:
כאשר מתפתח מתח גבוה על פני הסליל במשך זמן ההולכה, הזרם נמצא בעלייה מתמדת. מכאן, כמו שאמרנו, יש צורך בסליל בעל השראות גבוהה כדי לדכא את הזרם, אולם הדבר גורם להפסדי הספק. כך למשל, בתנאים האלה משיג ממיר המתח LTM8027 µModule של אנלוג דיווייסז, יעילות הספק של 80% בזרם מוצא של 4A.
כדי להתמודד עם הבעיה הזו, נעשה כיום שימוש גובר באמצעות בניית מערכת המרה מדורגת, הכוללת מתח ביניים מתווך. איור 2 למטה מציג מערכת כזו המורכבת משני ממירים הפועלים בטור. דרגת ההמרה הראשונה ממירה את מתח הכניסה של 48V למתח ביניים של 12V, אשר מוזן לדרגת ההמרה השנייה – המספקת את מתח המוצא הדרוש של 3.3V.
ממיר המתח LTM8027 משיג יעילות של יותר מ-92% כאשר הוא מבצע המרה מ-48V ל-12V. כאשר משתמשים בדרגה השנייה בממיר LTM4624, מתקבלת יעילות המרה של 90%. כלומר, בתצורה הזו מתקבלת יעילות כוללת של 83% שהיא גבוהה ב-3% מהתצורה של דרגת המרה יחידה. ברגע הראשון הדבר נראה מפתיע, מכיוון שהאנרגיה צריכה לעבור דרך שני מעגלים ולא דרך מעגל יחיד- אולם ההסבר לתופעה נעוץ בכך שיחס ההמרה (duty cycle) במקרה השני הוא אחר, ולכן המתג Q1 פתוח לאורך זמן רב יותר, והאנרגיה מהסליל יורדת לעומס לאורך זמן קצר יותר.
יחד עם זאת, צריך לזכור שכאשר בוחנים האם להשתמש בממיר בעל דרגת המרה אחת או במעגל בעל שתי דרגות המרה, יש לקחת בחשבון היבטים נוספים של התכנון, מעבר לסוגיית יעילות ההספק של ההמרה. אפשרות נוספת היא לבחון פתרון נוסף שאותו מממש הממיר ההיברידי LTC7821: הוא כולל מקור זרם המאפשר לשפר את יחס ההמרה של ממיר המתח הממותג (2× VIN/VOUT) ועל-ידי כך להקטין את ההפסדים.
אפשר גם לחשוב על שיפורים נוספים, למשל שימוש במתגי GaN מהירים מאוד כדי לצמצם את ההפסדים הכרוכים במיתוג. אולם ברוב המקרים, פתרונות מהסוג הזה יקרים יותר מאשר שימוש בשני ממירים בתצורה מדורגת (cascaded) כפי שמופיע באיור 2.
* פרדריק דוסטל מנירנברג, גרמניה, משמש כיועץ טכני של אנלוג דיווייסז בתחום ניהול ההספק.
פורסם בקטגוריות: ANALOG , חדשות , רכיבים
כתבות נוספות העשויות לעניין אותך
