Power Integrations דוחפת ספק Flyback עד 440 ואט — בתנאים הנכונים

כדי להבין למה זה מעניין, צריך להתחיל מהקופסה השחורה שמחוברת לשקע. ספק כוח כזה צריך ליישר את מתח הרשת, להוריד אותו למתח שהמוצר צריך, ולרוב גם ליצור הפרדה חשמלית בטוחה בין השקע לבין הצד שהמשתמש יכול לגעת בו. ההפרדה נעשית בעזרת שנאי: האנרגיה עוברת דרך שדה מגנטי, בלי חיבור מתכתי ישיר בין שני הצדדים.

Flyback הוא אחת הדרכים הפשוטות לבצע את העבודה. כשהמתג בצד הראשוני נסגר, הזרם עולה והשנאי אוגר אנרגיה בשדה המגנטי שלו; באותו זמן הדיודה בצד היציאה אינה מוליכה. כשהמתג נפתח, כיוון המתח בשנאי מתהפך, הדיודה נפתחת והאנרגיה שנאגרה זורמת אל קבל היציאה ואל העומס. זה דומה למילוי דלי ואז לריקונו: שני הצדדים משתמשים באותו שנאי, אבל אינם מקבלים אנרגיה באותו רגע.

הקסם המעשי של Flyback הוא מספר חלקים קטן. מתג הספק אחד, שנאי אחד, מיישר ביציאה ובקר יכולים ליצור ספק מבודד וזול למדי. לכן המבנה נפוץ במטענים ובספקי עזר. אבל ככל שמבקשים יותר ואטים, הדלי צריך להתמלא ולהתרוקן מהר יותר ובזרמים גבוהים יותר. זרמי השיא מחממים את המתג, את חוטי השנאי ואת המיישר; האנרגיה שלא נצמדה היטב בין ליפופי השנאי יוצרת קפיצת מתח בכל כיבוי; והפחתת החום והרעש האלקטרומגנטי הופכת קשה.

בגלל זה ספקים חזקים עוברים לא פעם למבנה תהודתי כמו LLC. במקום מתג יחיד שאוגר את כל האנרגיה ואז משחרר אותה, כמה מתגים מניעים זרם דרך סליל וקבל שתוכננו לעבוד יחד בתהודה. אפשר לתזמן את המיתוג ליד נקודה שבה המתח או הזרם נמוכים, וכך לצמצם הפסדי מיתוג. המחיר הוא יותר מתגים, דרייברים, רכיבי תהודה, מצבי תקלה וחישובי בקרה. LLC אינו רע; הוא פשוט כלי מורכב יותר.

החלק המעניין פה הוא ש־Power Integrations מנסה להזיז את הגבול שבו המורכבות הזאת משתלמת. בתוך TOPSwitchGaN נמצאים מתג PowiGaN ל־800 וולט ובקר שמתקן את תדר המיתוג ואת זרם השיא לפי העומס. הוא יכול לעבור בין הולכה רציפה, שבה נשאר זרם בשנאי בין מחזורים, להולכה לא רציפה, שבה השנאי מספיק להתרוקן. הבקר מוסיף התנעה רכה, הגבלת זרם, הגנות מתח וטמפרטורה ופיזור קטן של תדר המיתוג כדי להקטין שיאים בבדיקת הפרעות.

לפי החברה, למתג ה־GaN התנגדות הולכה והפסדי מיתוג נמוכים יותר ממתג סיליקון מקביל. פחות הפסד במתג משאיר יותר מתקציב החום לשנאי, למיישר ולשאר המעגל. המשפחה יכולה לעבוד עד 150 קילו־הרץ, ותדר גבוה מאפשר להעביר אותה אנרגיה במחזורים קצרים יותר ולכן להשתמש בשנאי קטן יותר. אבל אין כאן ארוחה חינם: ככל שהתדר עולה, גדלים הפסדי הליבה, הרגישות לפריסת המעגל והרעש שצריך לעצור במסננים. מדריך התכנון עצמו מבקש מהמהנדס לבחור בדרך כלל תדר מרבי בעומס מלא בין 30 ל־130 קילו־הרץ ולא פשוט לסובב את הכפתור עד הסוף.

עכשיו מגיעה הטבלה הקטנה שחשובה יותר מהכותרת הגדולה. הדגם החזק TOP7078E מגיע לפי מדריך היצרן ל־440 ואט כאשר מזינים אותו מאפיק מיוצב של 400 וולט DC ומשתמשים בגוף קירור מתכתי. כאשר הכניסה היא רשת של 230 וולט, עם סטייה של 15 אחוז לכל כיוון, המספר יורד ל־400 ואט. כאשר אותו ספק חייב לעבוד בכל העולם, מ־85 עד 265 וולט AC, ההספק המרבי המעשי בטבלה הוא 300 ואט.

כלומר, 440 ואט אינם מתקבלים פשוט מחיבור השבב לשקע. אפיק של 400 וולט DC מגיע בדרך כלל משלב PFC — מעגל מקדים שמושך מהרשת זרם בצורה מבוקרת ומחזיק מתח DC גבוה. במכשיר חזק ייתכן שהשלב הזה ממילא נדרש, אבל הוא עדיין כולל סליל, מתג, דיודה, בקרה וקירור משלו. TOPSwitchGaN יכול לפשט את השלב המבודד שאחריו; הוא אינו מעלים את כל ספק הכוח.

גם המספרים בטבלה אינם הבטחה לכל לוח. הם מניחים יציאה של 12 וולט, דיודת Schottky או דיודה יעילה אחרת, יעילות של 85 אחוז, מתח מוחזר של 130 וולט וקירור שמחזיק את השבב מתחת ל־110 מעלות. הם מוגדרים לתכנון פתוח בטמפרטורת סביבה של 50 מעלות. הדגם השטוח TOP7078K, שמפזר חום דרך נחושת בלוח ולא דרך גוף קירור מוצמד, מדורג ל־135 ואט בכניסה עולמית, 170 ואט ברשת 230 וולט ו־180 ואט מאפיק 400 וולט.

ההבדל הזה מספר את הסיפור האמיתי: GaN משפר את המתג, אבל אינו מבטל תרמודינמיקה. מארז אנכי עם גוף קירור מאפשר לדחוף הרבה יותר הספק ממארז שטוח שמנסה להיפטר מהחום דרך הלוח. גם מתח כניסה נמוך דורש יותר זרם עבור אותו הספק, ולכן 85 וולט הם המבחן הקשה של ספק עולמי. מי שמתכנן לפי המספר 440 בלי לבחור תחילה טווח כניסה, מארז ודרך קירור מתחיל מהעמודה הלא נכונה.

Power Integrations מספקת שלושה תכנוני ייחוס, והם נותנים תמונה מציאותית יותר. תכנון אחד מספק 60 ואט מכניסה עולמית. תכנון למטען אופניים מספק 42 וולט ו־4 אמפר, כלומר 168 ואט, גם הוא מ־85 עד 265 וולט. תכנון תעשייתי חזק יותר מספק 89 וולט ו־4 אמפר, כלומר 356 ואט, אבל מתחיל ב־165 וולט AC ולכן אינו מיועד לרשת 115 וולט חלשה.

בתכנון המטען של 168 ואט נמדדה יעילות של 90.8 אחוז בעומס מלא ב־115 וולט ושל 92.8 אחוז ב־230 וולט. הממוצע על פני כמה עומסים היה 91.9 ו־92.9 אחוז בהתאמה. אלה מספרים טובים לספק Flyback בלי מיישר סינכרוני — מתג נוסף שמחליף את דיודת היציאה — אבל חשוב לשמור את תנאי המדידה ליד המספר. באותו לוח שלם נמדדה צריכה ללא עומס של 433 מיליוואט ב־230 וולט, ולא פחות מ־50 מיליוואט כפי שמופיע בכותרת היכולת של משפחת השבבים. נתון של שבב או של תצורה מיטבית אינו בהכרח צריכת הקיר של מטען שלם.

התכנון של 356 ואט חושף את המחיר התרמי בצורה ברורה עוד יותר. הבדיקה נערכה בתוך מארז פלסטיק סגור ובטמפרטורת סביבה של 40 מעלות, ונדרש מאוורר של 50 מילימטר שמספק 12.5 רגל מעוקבת לדקה. בלי המאוורר הופעלה הגנת הטמפרטורה של השבב. בנקודת הבדיקה החמה הגיע גשר היישור ל־117 מעלות, דיודת היציאה ל־108 מעלות והשנאי ל־102 מעלות, בזמן שה־TOPSwitchGaN עצמו היה ב־88 מעלות. השבב אינו בהכרח החלק החם ביותר במוצר.

זה גם מסביר את הפשרה שבוויתור על יישור סינכרוני. דיודה פשוטה חוסכת מתג, דרייבר ותזמון בצד המשני, אבל היא מאבדת הספק בכל אמפר שעובר דרכה. בתכנון של 356 ואט יש גוף קירור נפרד גם ל־TOPSwitchGaN וגם לדיודת היציאה. במוצר שבו אמינות המאוורר, רעש או עובי המארז חשובים, ייתכן ש־LLC עם יישור סינכרוני עדיין יהיה פתרון עדיף אף שהוא מכיל יותר חלקים.

השנאי נשאר העבודה הקשה השנייה. לא כל השדה שיוצר הליפוף הראשוני נקשר לליפוף המשני. האנרגיה באינדוקטיביות הזליגה נשארת בצד הראשוני וכשהמתג נפתח היא מנסה להעלות את מתח הניקוז בחדות. מדריך התכנון של Power Integrations מציע להתחיל מזליגה נמוכה משלושה אחוזים מההשראות הראשית, אבל דורש למדוד את השנאי האמיתי ולכוון מחדש את מעגל ההידוק וה־snubber. נגד קטן יותר יכול להפחית הפסד, ובאותו זמן להחמיר צלצול, הפרעות ומאמץ מתח.

למרות שמתג ה־GaN מדורג ל־800 וולט, כלי התכנון מציג אזהרה כבר כאשר חישוב מתח הניקוז עובר 650 וולט, והוא מניח קפיצה של 130 וולט מזליגת השנאי. זו אינה סתירה; זה מרווח תכנון מול רכיב שעובד אלפי שעות וסופג שינויי רשת, טמפרטורה וסבילות ייצור. 800 וולט הם קיר ההגנה האחרון, לא יעד עבודה שצריך לגרד בכל מחזור.

החברה הודיעה על מחיר התחלתי של דולר אחד לשבב בכמות של עשרת אלפים יחידות. זה נשמע זול, אבל זה אינו מחירו של ספק 440 ואט. צריך להוסיף שנאי מותאם, שלב PFC אם רוצים להגיע לכותרת, גופי קירור, מסנן הפרעות, גשר יישור, קבלים, משוב מבודד ולעיתים מאוורר. אחר כך מגיעות בדיקות בטיחות, טמפרטורה, הפרעות, נחשולי מתח וחיי רכיבים. האינטגרציה יכולה לחסוך חלקים וזמן תכנון; היא לא הופכת ספק רשת חזק למעגל מתחילים.

מה שזה אומר בפועל למהנדס הוא ש־TOPSwitchGaN פותח אזור בחירה חדש, לא מוחק את LLC. לספק של 100 עד 200 ואט שבו חשובים מעט חלקים, פרופיל נמוך ויעילות טובה, תכנון הייחוס כבר מראה בסיס משכנע. באזור 300 עד 400 ואט צריך להתחיל מהקירור, מטווח הרשת ומהשנאי ולא משם הרכיב. ואם הדרישה היא באמת 440 ואט, צריך לספור גם את אפיק ה־400 וולט שמזין אותו. החידוש אמיתי: Flyback יכול להגיע רחוק יותר. הכוכבית אמיתית באותה מידה: ככל שהוא מגיע רחוק, העבודה ההנדסית שמסביבו נעשית פחות פשוטה.