"כדי לבחור נכון משרן, יש צורך להבין היטב את הביצועים של המשרן וכיצד הפנימי הרצוי מעגל הביצועים קשורים למידע בגיליון הנתונים של הספק. מאמר זה מסביר את קטלוג המשרנים ומפרטים חשובים של משרנים עבור מומחים מנוסים בהמרת הספק וללא מקצוענים.
"
כדי לבחור את המשרן הנכון, יש צורך להבין היטב את ביצועי המשרן וכיצד ביצועי המעגל הפנימי הרצוי קשורים למידע בדף הנתונים של הספק. מאמר זה מסביר את קטלוג המשרנים ומפרטים חשובים של משרנים למומחים מנוסים בהמרת הספק וללא מקצוענים.
מבוא
השימוש בממירי DC-DC הופך נפוץ יותר ויותר. ככל שמערכות אלקטרוניות הפכו לקטנות יותר, ניידות יותר, מורכבות יותר ופופולריות יותר, דרישות ההספק הפכו מגוונות. הסוללה הזמינה מתח, דרישות מתח ההפעלה הנדרשות, הגודל והצורה משתנות ללא הרף, מה שגורם למעצבי ציוד למצוא כל הזמן דרכים חדשות לפתור את בעיית המרת החשמל. לעתים קרובות יש לעמוד בדרישות המוצר על ידי שיפור הביצועים והקטנת הגודל, ולכן האופטימיזציה הופכת חשובה מאוד. עבור המרת חשמל, לא כל היישומים יכולים להיות "מתאים לכולם". לדוגמה, יישומים מעשיים רבים דורשים שימוש ברכיבים דקים כמו איור 1.
איור 1: עיצוב דק וקל מֵמִיר דורש שימוש במשרנים דקים
בנוסף לשוק ההולך וגדל של רכישות בכמות גדולה של ממירים, מתכנני מעגלים רבים מתכננים כעת גם מעגלי המרה DC-DC משלהם במקום להסתמך על חברות אספקת חשמל, כך שיותר מתכנני מעגלים יכולים לבחור את הרכיבים שלהם. מעגל ההמרה הבסיסי של DC-DC הוא בוגר מאוד טֶכנוֹלוֹגִיָה ועדיין מתפתח לאט. לכן, מחברים מקצועיים יכולים לכתוב חומרי עיצוב עזר מעשיים, ומעצבי ציוד יכולים להשתמש בחומרים אלה כדי לעצב ממירים משלהם. כמה תוכנות זמינות בקלות יכולות גם לפשט את התהליך של עיצובים אלה1.
לאחר קביעת טופולוגיית המעגל, אחת ממשימות התכנון המרכזיות היא בחירת רכיבים. תוכניות רבות לתכנון מעגלים יכולות לרשום את ערכי הפרמטרים הנדרשים של הרכיבים. בשלב זה, על המעצב להתחיל בקביעת ערך השראות הנדרש, ולבסוף לבחור רכיב מהטווח הזמין לביצוע העבודה. המשרנים המשמשים בממירי DC-DC מגיעים בצורות וגדלים שונים. איורים 2 ו-3 מציגים שניים מהם. על מנת להשוות בין סוגים שונים ולבחור את הרכיבים המתאימים ליישום ספציפי, על המעצבים להבין נכון את המפרטים שפורסמו עבור משרנים אלה.
איור 2: משרן ליבת ברזל בצורת E מלופף עם חוט שטוח
איור 3: משרן יצוק מוגן מגנטית עם מבנה מחוספס עבור מעגלים בצפיפות גבוהה
דרישות ממיר DC-DC
בקיצור, תפקידו של ממיר DC-DC הוא לספק מתח מוצא DC יציב מתחת למתח כניסה נתון. כדי להתאים את מתח המוצא DC מבלי לחרוג מטווח זרם עומס נתון ו/או טווח מתח כניסה, לרוב נדרש ממיר. באופן אידיאלי, פלט ה-DC הוא "טהור", כלומר, זרם האדוות או המתח האדוות נשלט ברמה מוגדרת. בנוסף, תהליך העברת הכוח ממקור הכוח לעומס חייב להגיע גם לרמת יעילות מוגדרת. כדי להשיג מטרות אלו, בחירת משרני הספק היא צעד חשוב.
פרמטרים של משרן הספק
ניתן להסביר את ביצועי השראות בכמה מספרים. טבלה 1 היא גיליון נתונים טיפוסי של השראות. נתונים אלה מתארים משרן מתח על פני השטח המשמש בממיר DC-DC.
טבלה 1: קטע מתוך הקטלוג של משרנים טיפוסיים 2 
א. ערך השראות נמדד ב-1MHz ו-0.1Vrms
ב. Isat הוא הערך הטיפוסי כאשר ערך השראות יורד ב-30%
ג. Irms הוא הערך הטיפוסי כאשר גורם לעליית טמפרטורה של 40℃
ד. כל הפרמטרים נמדדים ב-25℃
הגדרה
ערך השראות L: הפרמטרים הפונקציונליים העיקריים של המשרן, המחושבים על ידי נוסחת התכנון של הממיר, משמשים לקביעת יכולתו של המשרן להתמודד עם הספק פלט ולשלוט בזרם האדוות.
התנגדות DCR-DC: ההתנגדות של הרכיב תלויה באורך ובקוטר של חוט הנחושת המתפתל בשימוש.
תדר תהודה עצמית SRF: נקודת התדר שבה ערך השראות של סליל המשרן מהדהד עם הקיבול המפוזר שלו.
Isat-זרם רוויה: הזרם שגורם לליבת הברזל להרוות כאשר הוא עובר דרך המשרן, מה שגורם לירידה בערך השראות.
Irms-Root Mean Square Current: הזרם שעובר ברציפות דרך המשרן וגורם לעליית הטמפרטורה המרבית המותרת.
כדי להשתמש בדירוגים בצורה נכונה, עליך להבין כיצד הם נגזרים. מכיוון שגיליון הנתונים אינו יכול להציג את הביצועים בכל תנאי העבודה, יש צורך להבין כיצד הדירוגים משתנים בתנאי עבודה שונים.
ערך השראות (L)
ערך השראות הוא הפרמטר העיקרי למימוש פונקציית המעגל הנדרשת, והוא גם הפרמטר הראשון שיש לחשב ברוב תהליכי התכנון. ערך זה מחושב על סמך התקן של מתן קיבולת אחסון אנרגיה מינימלית מסוימת (או קיבולת וולט-מיקרו-שניות) והפחתת אדוות זרם המוצא. אם ערך השראות בשימוש קטן מהתוצאה המחושבת, אדוות ה-AC של פלט ה-DC יוגדל. שימוש בערכי השראות גדולים מדי או קטנים מדי עלול לאלץ את הממיר לעבור בין מצבי פעולה רציפים לבלתי רציפים.
סובלנות
לרוב היישומים של ממירי DC-DC אין דרישות מחמירות במיוחד לסובלנות השראות. עבור רוב הרכיבים, בחירת מוצרי סובלנות סטנדרטיים היא חסכונית ויכולה לעמוד בדרישות של רוב הממירים. סובלנות השראות של טבלה 1 היא ±20%, אשר מתאימה לרוב הממירים.
תנאי מבחן
■ מתח. ערך השראות המדורג צריך לציין את התדר ומתח הבדיקה בשימוש. רוב ערכי השראות המדורגים בקטלוג מבוססים על מתחים סינוסואידים "קטנים". עבור ספקי משרן, זוהי השיטה הקלה ביותר ליישום והשיטה הנוחה ביותר ליישומים חוזרים, ומתאימה לגזירת ערכי השראות עבור רוב היישומים.
■ צורת גל. מתח סינוסואידי הוא מצב סטנדרטי של בדיקת מכשיר, בדרך כלל הוא יכול להבטיח היטב שערך השראות המתקבל תואם לערך השראות המחושב על ידי נוסחת התכנון.
■ תדירות בדיקה. רוב משרני הכוח אינם משתנים הרבה בטווח של 20kHz עד 500kHz, כך שהגישה הנפוצה והמתאימה יותר היא להשתמש בדירוג המבוסס על 100kHz. יש לזכור שככל שהתדר עולה, ערך השראות יקטן בסופו של דבר. הסיבה לתופעה זו עשויה לנבוע ממאפייני גלגול התדר של חומר ליבת הברזל המשמש, או שהיא עשויה לנבוע מהתהודה של השראות הסליל והקיבול המבוזר שלה. מכיוון שרוב הממירים עובדים בטווח של 50kHz עד 500kHz, 100kHz הוא תדר בדיקה סטנדרטי מתאים. כאשר תדר המיתוג עולה ל-500kHz, 1MHz ומעלה, חשוב עוד יותר לשקול את השימוש בערכים מדורגים המבוססים על תדר היישום בפועל.
התנגדות
התנגדות DC (DCR)
DCR הוא רק מדד לחוט הנחושת המשמש במשרן, אך ורק על סמך הקוטר והאורך של חוט הנחושת. הערך המצוין בקטלוג הוא בדרך כלל "הערך המרבי", אך ניתן לציין גם ערך נומינלי עם סובלנות. השיטה השנייה עשויה להיות מאלפת יותר על ידי מתן הערך הנומינלי או ההתנגדות הצפויה, אך יחד עם זאת היא עלולה להדק את המפרט שלא לצורך, כי ההתנגדות של המוצר קטנה מדי ותמיד אין נזק.
כמו ההתנגדות של חומרי סליל שהם בדרך כלל נחושת, גם DCR משתנה עם הטמפרטורה. דירוג ה-DCR צריך לקחת בחשבון את טמפרטורת הבדיקה הסביבתית, שהיא חשובה מאוד. מקדם התנגדות הטמפרטורה של נחושת הוא בערך +0.4% לכל מעלה צלזיוס3. לכן, למוצר המוצג עם דירוג מרבי של 0.009 אוהם יש דירוג מרבי מקביל של 0.011 אוהם ב-85°C, שנמצא במרחק של 2 מיליאוהם בלבד, אך השינוי הכולל הוא 25%. הקשר בין DCR צפוי לטמפרטורה מוצג באיור 4.
איור 4: מבוסס על התנגדות DC הצפויה של 0.009Ω מקסימום ב-25°C
התנגדות AC
פרמטר זה בדרך כלל אינו מצוין בגיליון הנתונים של השראות, ובדרך כלל לא מהווה בעיה שיש לקחת בחשבון אלא אם רכיב ה-AC של תדר ההפעלה או הזרם גדול יותר מרכיב ה-DC.
בשל אפקט העור, ההתנגדות של רוב סלילי השראות עולה ככל שתדר ההפעלה עולה. אם זרם ה-AC או האדוות קטן ביחס לזרם הממוצע או DC, אז DCR הוא מדד טוב לאובדן התנגדות. אפקט העור משתנה בהתאם לקוטר חוט הנחושת והתדירות3. לכן, כדי לכלול נתונים אלה, יש לתת את עקומת התדר המלאה של כל משרן המופיע בקטלוג.
איור 5: התנגדות AC/DC של חוט נחושת עגול מד חוט אמריקאי 22
זה מיותר עבור רוב היישומים מתחת ל-500kHz. ניתן לראות מאיור 5 שבתדרים מתחת ל-200kHz בערך, לא ניתן להשוות התנגדות AC להתנגדות DC. אפילו מעל לתדר זה, אם זרם ה-AC אינו גדול ממרכיב ה-DC, התנגדות ה-AC אינה מהווה בעיה. עם זאת, אם התדר גבוה מ-200-300kHz, הגישה המומלצת היא לבקש מהספק מידע על הקשר בין אובדן לתדר כהשלמה למידע שפורסם.
אם אתה רוצה למזער את גודל הרכיבים, מעצבים צריכים לבחור רכיבים עם התנגדות גדולה ככל האפשר. בנסיבות רגילות, הפחתת DCR פירושה שיש להשתמש בחוטי נחושת עבים יותר, והגודל הכולל עשוי להיות גדול יותר. לכן, אופטימיזציה של בחירת DCR היא פשרה בין יעילות הספק, ירידת מתח מותרת לרכיב וגודל הרכיב.
כדי לבחור את המשרן הנכון, יש צורך להבין היטב את ביצועי המשרן וכיצד ביצועי המעגל הפנימי הרצוי קשורים למידע בדף הנתונים של הספק. מאמר זה מסביר את קטלוג המשרנים ומפרטים חשובים של משרנים למומחים מנוסים בהמרת הספק וללא מקצוענים.
מבוא
השימוש בממירי DC-DC הופך נפוץ יותר ויותר. ככל שמערכות אלקטרוניות הפכו לקטנות יותר, ניידות יותר, מורכבות יותר ופופולריות יותר, דרישות ההספק הפכו מגוונות. מתח הסוללה הזמין, מתח ההפעלה הנדרש, דרישות הגודל והצורה משתנות כל הזמן, מה שגורם למעצבי ציוד למצוא כל הזמן דרכים חדשות לפתור את בעיית המרת החשמל. לעתים קרובות יש לעמוד בדרישות המוצר על ידי שיפור הביצועים והקטנת הגודל, ולכן האופטימיזציה הופכת חשובה מאוד. עבור המרת חשמל, לא כל היישומים יכולים להיות "מתאים לכולם". לדוגמה, יישומים מעשיים רבים דורשים שימוש ברכיבים דקים כמו איור 1.
איור 1: תכנון ממיר דק וקל דורש שימוש במשרנים דקים
בנוסף לשוק ההולך וגדל של רכישות בכמות גדולה של ממירים, מתכנני מעגלים רבים מתכננים כעת גם מעגלי המרה DC-DC משלהם במקום להסתמך על חברות אספקת חשמל, כך שיותר מתכנני מעגלים יכולים לבחור את הרכיבים שלהם. מעגל ההמרה הבסיסי של DC-DC הוא טכנולוגיה בוגרת מאוד ועדיין מתפתח לאט. לכן, מחברים מקצועיים יכולים לכתוב חומרי עיצוב עזר מעשיים, ומעצבי ציוד יכולים להשתמש בחומרים אלה כדי לעצב ממירים משלהם. כמה תוכנות זמינות בקלות יכולות גם לפשט את התהליך של עיצובים אלה1.
לאחר קביעת טופולוגיית המעגל, אחת ממשימות התכנון המרכזיות היא בחירת רכיבים. תוכניות רבות לתכנון מעגלים יכולות לרשום את ערכי הפרמטרים הנדרשים של הרכיבים. בשלב זה, על המעצב להתחיל בקביעת ערך השראות הנדרש, ולבסוף לבחור רכיב מהטווח הזמין לביצוע העבודה. המשרנים המשמשים בממירי DC-DC מגיעים בצורות וגדלים שונים. איורים 2 ו-3 מציגים שניים מהם. על מנת להשוות בין סוגים שונים ולבחור את הרכיבים המתאימים ליישום ספציפי, על המעצבים להבין נכון את המפרטים שפורסמו עבור משרנים אלה.
איור 2: משרן ליבת ברזל בצורת E מלופף עם חוט שטוח
איור 3: משרן יצוק מוגן מגנטית עם מבנה מחוספס עבור מעגלים בצפיפות גבוהה
דרישות ממיר DC-DC
בקיצור, תפקידו של ממיר DC-DC הוא לספק מתח מוצא DC יציב מתחת למתח כניסה נתון. כדי להתאים את מתח המוצא DC מבלי לחרוג מטווח זרם עומס נתון ו/או טווח מתח כניסה, לרוב נדרש ממיר. באופן אידיאלי, פלט ה-DC הוא "טהור", כלומר, זרם האדוות או המתח האדוות נשלט ברמה מוגדרת. בנוסף, תהליך העברת הכוח ממקור הכוח לעומס חייב להגיע גם לרמת יעילות מוגדרת. כדי להשיג מטרות אלו, בחירת משרני הספק היא צעד חשוב.
פרמטרים של משרן הספק
ניתן להסביר את ביצועי השראות בכמה מספרים. טבלה 1 היא גיליון נתונים טיפוסי של השראות. נתונים אלה מתארים משרן מתח על פני השטח המשמש בממיר DC-DC.
טבלה 1: קטע מתוך הקטלוג של משרנים טיפוסיים 2 
א. ערך השראות נמדד ב-1MHz ו-0.1Vrms
ב. Isat הוא הערך הטיפוסי כאשר ערך השראות יורד ב-30%
ג. Irms הוא הערך הטיפוסי כאשר גורם לעליית טמפרטורה של 40℃
ד. כל הפרמטרים נמדדים ב-25℃
הגדרה
ערך השראות L: הפרמטרים הפונקציונליים העיקריים של המשרן, המחושבים על ידי נוסחת התכנון של הממיר, משמשים לקביעת יכולתו של המשרן להתמודד עם הספק פלט ולשלוט בזרם האדוות.
התנגדות DCR-DC: ההתנגדות של הרכיב תלויה באורך ובקוטר של חוט הנחושת המתפתל בשימוש.
תדר תהודה עצמית SRF: נקודת התדר שבה ערך השראות של סליל המשרן מהדהד עם הקיבול המפוזר שלו.
Isat-זרם רוויה: הזרם שגורם לליבת הברזל להרוות כאשר הוא עובר דרך המשרן, מה שגורם לירידה בערך השראות.
Irms-Root Mean Square Current: הזרם שעובר ברציפות דרך המשרן וגורם לעליית הטמפרטורה המרבית המותרת.
כדי להשתמש בדירוגים בצורה נכונה, עליך להבין כיצד הם נגזרים. מכיוון שגיליון הנתונים אינו יכול להציג את הביצועים בכל תנאי העבודה, יש צורך להבין כיצד הדירוגים משתנים בתנאי עבודה שונים.
ערך השראות (L)
ערך השראות הוא הפרמטר העיקרי למימוש פונקציית המעגל הנדרשת, והוא גם הפרמטר הראשון שיש לחשב ברוב תהליכי התכנון. ערך זה מחושב על סמך התקן של מתן קיבולת אחסון אנרגיה מינימלית מסוימת (או קיבולת וולט-מיקרו-שניות) והפחתת אדוות זרם המוצא. אם ערך השראות בשימוש קטן מהתוצאה המחושבת, אדוות ה-AC של פלט ה-DC יוגדל. שימוש בערך השראות גדול מדי או קטן מדי עלול לאלץ את הממיר לעבור בין מצבי פעולה רציפים לבלתי רציפים.
סובלנות
לרוב היישומים של ממירי DC-DC אין דרישות מחמירות במיוחד לסובלנות השראות. עבור רוב הרכיבים, בחירת מוצרי סובלנות סטנדרטיים היא חסכונית ויכולה לעמוד בדרישות של רוב הממירים. סובלנות השראות של טבלה 1 היא ±20%, אשר מתאימה לרוב הממירים.
תנאי מבחן
■ מתח. ערך השראות המדורג צריך לציין את התדר ומתח הבדיקה בשימוש. רוב ערכי השראות המדורגים בקטלוג מבוססים על מתחים סינוסואידים "קטנים". עבור ספקי משרן, זוהי השיטה הקלה ביותר ליישום והשיטה הנוחה ביותר ליישומים חוזרים, ומתאימה לגזירת ערכי השראות עבור רוב היישומים.
■ צורת גל. מתח סינוסואידי הוא מצב סטנדרטי של בדיקת מכשיר, בדרך כלל הוא יכול להבטיח היטב שערך השראות המתקבל תואם לערך השראות המחושב על ידי נוסחת התכנון.
■ תדירות בדיקה. רוב משרני הכוח אינם משתנים הרבה בטווח של 20kHz עד 500kHz, כך שהגישה הנפוצה והמתאימה יותר היא להשתמש בדירוג המבוסס על 100kHz. יש לזכור שככל שהתדר עולה, ערך השראות יקטן בסופו של דבר. הסיבה לתופעה זו עשויה לנבוע ממאפייני גלגול התדר של חומר ליבת הברזל המשמש, או שהיא עשויה לנבוע מהתהודה של השראות הסליל והקיבול המבוזר שלה. מכיוון שרוב הממירים עובדים בטווח של 50kHz עד 500kHz, 100kHz הוא תדר בדיקה סטנדרטי מתאים. כאשר תדר המיתוג עולה ל-500kHz, 1MHz ומעלה, חשוב עוד יותר לשקול את השימוש בערכים מדורגים המבוססים על תדר היישום בפועל.
התנגדות
התנגדות DC (DCR)
DCR הוא רק מדד לחוט הנחושת המשמש במשרן, אך ורק על סמך הקוטר והאורך של חוט הנחושת. הערך המצוין בקטלוג הוא בדרך כלל "הערך המרבי", אך ניתן לציין גם ערך נומינלי עם סובלנות. השיטה השנייה עשויה להיות מאלפת יותר על ידי מתן הערך הנומינלי או ההתנגדות הצפויה, אך יחד עם זאת היא עלולה להדק את המפרט שלא לצורך, כי ההתנגדות של המוצר קטנה מדי ואין כל נזק.
כמו ההתנגדות של חומרי סליל שהם בדרך כלל נחושת, גם DCR משתנה עם הטמפרטורה. דירוג ה-DCR צריך לקחת בחשבון את טמפרטורת הבדיקה הסביבתית, שהיא חשובה מאוד. מקדם התנגדות הטמפרטורה של נחושת הוא בערך +0.4% לכל מעלה צלזיוס3. לכן, למוצר המוצג עם דירוג מרבי של 0.009 אוהם יש דירוג מרבי מקביל של 0.011 אוהם ב-85°C, שנמצא במרחק של 2 מיליאוהם בלבד, אך השינוי הכולל הוא 25%. הקשר בין DCR צפוי לטמפרטורה מוצג באיור 4.
איור 4: מבוסס על התנגדות DC הצפויה של 0.009Ω מקסימום ב-25°C
התנגדות AC
פרמטר זה בדרך כלל אינו מצוין בגיליון הנתונים של השראות, ובדרך כלל לא מהווה בעיה שיש לקחת בחשבון אלא אם רכיב ה-AC של תדר ההפעלה או הזרם גדול יותר מרכיב ה-DC.
בשל אפקט העור, ההתנגדות של רוב סלילי השראות עולה ככל שתדר ההפעלה עולה. אם זרם ה-AC או האדוות קטן ביחס לזרם הממוצע או DC, אז DCR הוא מדד טוב לאובדן התנגדות. אפקט העור משתנה בהתאם לקוטר חוט הנחושת והתדירות3. לכן, כדי לכלול נתונים אלה, יש לתת את עקומת התדר המלאה של כל משרן המופיע בקטלוג.
איור 5: התנגדות AC/DC של חוט נחושת עגול מד חוט אמריקאי 22
זה מיותר עבור רוב היישומים מתחת ל-500kHz. ניתן לראות מאיור 5 שבתדרים מתחת ל-200kHz בערך, לא ניתן להשוות התנגדות AC להתנגדות DC. אפילו מעל לתדר זה, אם זרם ה-AC אינו גדול ממרכיב ה-DC, התנגדות ה-AC אינה מהווה בעיה. עם זאת, אם התדר גבוה מ-200-300kHz, הגישה המומלצת היא לבקש מהספק מידע על הקשר בין אובדן לתדר כהשלמה למידע שפורסם.
אם אתה רוצה למזער את גודל הרכיבים, מעצבים צריכים לבחור רכיבים עם התנגדות גדולה ככל האפשר. בנסיבות רגילות, הפחתת DCR פירושה שיש להשתמש בחוטי נחושת עבים יותר, והגודל הכולל עשוי להיות גדול יותר. לכן, אופטימיזציה של בחירת DCR היא פשרה בין יעילות הספק, ירידת מתח מותרת לרכיב וגודל הרכיב.