הפסדים פנימיים עיקריים של מיתוג ספק כוח כדי לשפר את היעילות של מיתוג ספק כוח, יש צורך להבחין ולהעריך באופן גס הפסדים שונים. ניתן לחלק באופן גס את האובדן הפנימי של מיתוג אספקת החשמל לארבעה היבטים: אובדן מיתוג, אובדן הולכה, אובדן נוסף ואובדן התנגדות. הפסדים אלו מתרחשים בדרך כלל בו-זמנית ברכיבים חסרי אובדן, אשר יידונו בנפרד להלן. הפסדים פנימיים עיקריים של ספק כוח מיתוג כדי לשפר את היעילות של מיתוג ספק כוח, יש צורך להבחין ולהעריך באופן גס הפסדים שונים. ניתן לחלק באופן גס את האובדן הפנימי של מיתוג אספקת החשמל לארבעה היבטים: אובדן מיתוג, אובדן הולכה, אובדן נוסף ואובדן התנגדות. הפסדים אלו מתרחשים בדרך כלל בו-זמנית ברכיבים מאבדים, עליהם יידונו בנפרד להלן.

הפסדים הקשורים למתגי חשמל

מתג מתח הוא אחד משני מקורות האובדן העיקריים בספק כוח מיתוג טיפוסי. ניתן לחלק את הפסדים לשני חלקים: אובדן הולכה ואובדן מיתוג. אובדן ההולכה הוא האובדן כאשר מתג ההפעלה נמצא במצב הולכה לאחר הפעלת התקן החשמל וצורות הגל של ההנעה והמיתוג התייצבו. אובדן מיתוג הוא האובדן המתרחש כאשר מתג ההפעלה מופעל למצב עבודה חדש וצורות גל ההנעה והמיתוג נמצאים בתהליך המעבר. שלבים אלה וצורות הגל שלהם מוצגים באיור 1.

ניתן למדוד את אובדן ההולכה לפי תוצר של צורות גל מתח וזרם על פני המתג. צורות גל אלו הן כולן ליניאריות בקירוב, ואובדן הכוח במהלך ההולכה ניתן על ידי נוסחה (1).

הדרך האופיינית לשלוט באובדן זה היא למזער את ירידת המתח במהלך ההולכה של מתג ההפעלה. כדי להשיג מטרה זו, על המעצב לגרום למתג לעבוד ברוויה. תנאים אלה ניתנים על ידי נוסחה (2א) ונוסחה (2ב). באמצעות הנעת זרם יתר בבסיס או בשער, מובטח שזרם הקולט או הניקוז נשלט על ידי רכיבים חיצוניים במקום מתג ההפעלה עצמו.

אובדן המיתוג במהלך מיתוג הכוח הוא מסובך יותר, שיש לו גורמים משלו והשפעתם של רכיבים קשורים. ניתן לראות את צורת הגל הקשורה לאובדן רק על ידי אוסילוסקופ עם בדיקת מתח המחוברת למסוף מקור הניקוז (קולטור-פולט), ובדיקת זרם AC יכולה למדוד את זרם הניקוז או האספן. כאשר מודדים את האובדן המיידי של כל מתג, יש להשתמש בבדיקה מסוככת עם עופרת קצרה, מכיוון שכל חוט לא מסוכך בעל אורך עלול להכניס רעש ממקורות כוח אחרים, ולפיכך לא ניתן להציג את צורת הגל האמיתית במדויק. ברגע שמתקבלת צורת גל טובה, ניתן לחשב באופן גס את השטח המוקף בשתי העקומות הללו על ידי שיטת סיכום משולשים ומלבנים פשוטים. לדוגמה, אובדן הדלקה של איור. ניתן לחשב את 1 באמצעות משוואה (3).

תוצאה זו היא רק ערך ההפסד של מתג ההפעלה במהלך תקופת ההפעלה, וניתן לקבל את ערך ההפסד הכולל במהלך תקופת ההפעלה על ידי הוספת הפסדי כיבוי והדלקה.

הפסדים הקשורים למיישר פלט

בהפסד הפנימי הכולל של ספק כוח מיתוג מיישר אסינכרוני טיפוסי, אובדן מיישר המוצא מהווה 40%-65% מההפסד הכולל. לכן חשוב מאוד להבין את הסעיף הזה. ניתן לראות את צורות הגל הקשורות למיישר הפלט באיור 2.

ניתן גם לחלק אובדן מיישר לשלושה חלקים: אובדן הפעלה, אובדן הפעלה ואובדן כיבוי.

אובדן ההולכה של המיישר הוא האובדן כאשר המיישר מוליך וצורות הגל של הזרם והמתח יציבות. אובדן זה מדוכא על ידי בחירת המיישר עם ירידת המתח הקדמית הנמוכה ביותר כאשר זרם מסוים זורם. לדיודת PN יש מאפיין VI קדמי שטוח יותר, אך ירידת המתח שלה גבוהה יותר (0.7 ~ 1.1V). לדיודת שוטקי יש מתח סיבוב נמוך (0.3 ~ 0.6V), אך מאפיין המתח-זרם שלה אינו תלול מדי, מה שאומר שעם עליית הזרם, מתח הישר שלה עולה מהר יותר מזה של דיודת PN. תהליך המעבר בצורת הגל מחולק לאזורים מלבניים ומשולשים, וניתן לחשב אובדן זה לפי נוסחה (3).

זה הרבה יותר מסובך לנתח את אובדן המיתוג של מיישר הפלט. המאפיינים המובנים של מיישר יגרמו לבעיות רבות במעגלים מקומיים.

במהלך תקופת הפתיחה, תהליך המעבר נקבע על ידי מאפייני ההתאוששות החיוביים של צינור המיישר. זמן ההתאוששות tfrr הוא הזמן מרגע הפעלת מתח ישר על פני הדיודה ועד לרגע בו הזרם הקדמי מתחיל לזרום. עבור דיודת התאוששות מהירה PN, זמן זה הוא 5 ~ 15 ננו-שניות. דיודות שוטקי מציגות לעיתים זמן התאוששות קדמי ארוך יותר עקב קיבול הצומת הגבוה הטבוע שלהן. למרות שהפסד זה אינו גדול במיוחד, הוא יכול לגרום לבעיות אחרות בתוך ספק הכוח. במהלך תקופת ההתאוששות, למשרן ולשנאי אין עכבת עומס גדולה, בעוד שמתג ההפעלה או המיישר עדיין במצב כבוי, מה שגורם לאנרגיה המאוחסנת להתנדנד עד שהמיישר מתחיל סוף סוף לזרום זרם קדמי ולחסום את אות החשמל.

ברגע הכיבוי, מאפיין ההתאוששות ההפוכה משחק תפקיד מרכזי. כאשר מתח הפוך מופעל על פני הדיודה, מאפיין ההתאוששות ההפוכה של דיודת PN נקבע על ידי נושאי הספק בצומת. נושאי ספק אלו בעלי ניידות מוגבלת צריכים לצאת מהכיוון ההפוך לזה בו נכנסו במקור לצומת, ובכך יוצרים את הזרם ההפוך הזורם דרך הדיודה. ההפסד הקשור לכך עשוי להיות גדול, מכיוון שלפני שמטען הצומת מתרוקן, המתח ההפוך יעלה במהירות, והזרם ההפוך יוחזר למתג ההפעלה הראשי דרך השנאי, מה שיגדיל את ההפסד של צינור ההספק. קחו את איור 1 כדוגמה, תוכלו לראות את זרם השיא במהלך תקופת ההפעלה.

מאפייני התאוששות הפוכה דומים יופיעו גם במיישרים מסוג Schottky במתח גבוה. מאפיין זה אינו נגרם על ידי נושאי מטען, אלא על ידי קיבול צומת גבוה של דיודות Schottky אלו. מה שנקרא דיודת Schottky במתח גבוה פירושה שמתח הפריצה ההפוכה שלה גדול מ-60 וולט. מאפייני התאוששות הפוכה דומים יופיעו גם במיישרים מסוג Schottky במתח גבוה. מאפיין זה אינו נגרם על ידי נושאי מטען, אלא על ידי קיבול צומת גבוה של דיודות Schottky אלו. מה שנקרא דיודת Schottky במתח גבוה פירושה שמתח הפריצה ההפוכה שלה גדול מ-60 וולט.

הפסדים הקשורים לקיבול המסנן

קבלי מסנן קלט אינם מקור האובדן העיקרי של החלפת ספק כוח, אם כי יש להם השפעה רבה על חיי העבודה של אספקת החשמל. אם קבל הקלט אינו נבחר כראוי, ספק הכוח אינו יכול להשיג את היעילות הגבוהה בפועל. קבלי מסנן קלט אינם מקור ההפסד העיקרי של מיתוג אספקת החשמל, למרות שיש להם השפעה רבה על חיי העבודה של ספק הכוח. אם קבל הקלט אינו נבחר כהלכה, ספק הכוח לא יכול להשיג את היעילות הגבוהה שלו בפועל.

לכל קבל יש התנגדות קטנה והשראות בסדרה עם הקבל. התנגדות הסדרה המקבילה (ESR) והשראות הסדרה המקבילה (ESL) הם אלמנטים טפיליים הנגרמים על ידי מבנה הקבל, ושניהם מעכבים את הפעלת האות החיצוני על הקבל הפנימי. לכן, לקבלים יש את הביצועים הטובים ביותר כאשר עובדים ב-DC, אך הביצועים שלו יהיו גרועים בהרבה בתדר המיתוג של ספק הכוח.

קבל הקלט הוא המקור (או מקום האחסון) היחיד של זרם בתדר גבוה שנוצר על ידי מתג הפעלה או מיישר מוצא, כך שניתן לקבוע באופן סביר את הזרם הזורם דרך ESR של קבלים אלה על ידי התבוננות בצורות גל זרם אלו. זרם זה יוצר בהכרח חום בקבל. המשימה העיקרית של תכנון קבל המסנן היא להבטיח שהחום הפנימי של הקבל נמוך מספיק כדי להבטיח את חיי המוצר. משוואה (4) נותנת את נוסחת החישוב של אובדן הספק שנגרם על ידי ESR של הקבל.

לא רק חלק ההתנגדות של דגם הקבלים יגרום לבעיות, אלא גם אם חוטי ההובלה של קבלים מקבילים אינם סימטריים, השראות חוט ההובלה תהפוך את החימום הפנימי של הקבל לבלתי מאוזן, ובכך תקצר את חיי הקבל עם הטמפרטורה הגבוהה ביותר .

הפסד משלים

ההפסד הנוסף קשור לכל המכשירים הפונקציונליים הנדרשים להפעלת מעגל החשמל, כולל המעגלים הקשורים ל-IC הבקרה ולמעגלי המשוב. בהשוואה לאובדי אספקת חשמל אחרים, הפסדים אלו הם בדרך כלל קטנים, אך ניתן לבצע ניתוח מסוים כדי לראות אם יש אפשרות לשיפור. ההפסד הנוסף קשור לכל המכשירים הפונקציונליים הנדרשים להפעלת מעגל החשמל, כולל המעגלים קשור ל-IC הבקרה ולמעגלי המשוב. בהשוואה לאובדי אספקת חשמל אחרים, הפסדים אלו הם בדרך כלל קטנים, אך ניתן לבצע ניתוח מסוים כדי לראות אם יש אפשרות לשיפור.

ראשית, התחל את המעגל. מעגל ההתנעה מקבל זרם DC ממתח הכניסה, כך של-IC הבקרה ולמעגל ההנעה יש מספיק אנרגיה כדי להפעיל את אספקת החשמל. אם מעגל האתחול הזה לא יכול לנתק את הזרם לאחר הפעלת החשמל, למעגל יהיה הפסד מתמשך של עד 3W, וההפסד תלוי במתח הכניסה.

ההיבט העיקרי השני הוא מעגל ההנעה של מתג ההפעלה. אם נעשה שימוש בטרנזיסטור כוח דו-קוטבי עבור מתג ההפעלה, זרם ההנעה הבסיסי חייב להיות גדול משיא הזרם של הקולט E של הטרנזיסטור חלקי ההגבר (hFE). הרווח הטיפוסי של טרנזיסטור הכוח הוא בין 5 ל-15, מה שאומר שאם מדובר בזרם שיא של 10A, הוא דורש זרם בסיס של 0.66 ~ 2A. יש נפילת מתח של 0.7V בין הבסיס לפולט. אם זרם הבסיס לא מתקבל ממתח קרוב מאוד ל-0.7V, יתרחש הפסד גדול.

יעילות ההנעה של טרנזיסטור MOSFET גבוה יותר מזו של טרנזיסטור הספק דו-קוטבי. לשער של ה-MOSFET יש שני קבלים שווי ערך המחוברים למתח הניקוז ולמקור, כלומר קבל שער-מקור Ciss וקבל ניקוז-מקור Crss. אובדן הנעת השער של ה-MOSFET נובע מטעינת קבל השער על ידי מתח עזר כאשר ה-MOSFET מופעל, ופריקה לאדמה כאשר ה-MOSFET כבוי. חישוב אובדן השער ניתן על ידי משוואה (5).

עבור הפסד זה, אין הרבה מה לעשות מלבד לבחור MOSFET עם ערכי Ciss ו-Crss נמוכים יותר, כך שניתן יהיה להפחית מעט את מתח הנעת השער המקסימלי.

הפסדים הקשורים לאלמנטים מגנטיים

עבור מהנדסי תכנון כלליים, החלק הזה הוא מאוד מסובך. בגלל הייחודיות של מינוח האלמנטים המגנטיים, ההפסדים הבאים מיוצגים בעיקר על ידי יצרני הליבה המגנטית בצורה של תרשימים, וזה מאוד נוח לשימוש. הפסדים אלה מפורטים כאן, כדי שאנשים יוכלו להעריך את אופי ההפסדים.

ישנם שלושה הפסדים עיקריים הקשורים לשנאים ומשרנים: אובדן היסטרזיס, אובדן זרם מערבולת ואובדן התנגדות. ניתן לשלוט בהפסדים אלו בעת תכנון ובנייה של שנאים ומשרנים.

אובדן היסטרזיס קשור למספר הסיבובים של מצב סלילה ונסיעה. הוא קובע את השטח הנסחף בעקומת BH בכל מחזור עבודה. השטח הסוחף הוא העבודה שנעשתה על ידי כוח השדה המגנטי, המסדר מחדש את התחומים המגנטיים בליבה המגנטית. ככל שהשטח המטאטא גדול יותר, כך אובדן ההיסטרזיס גדול יותר. ההפסד ניתן על ידי משוואה (6).

כפי שניתן לראות מהנוסחה, ההפסד הוא פרופורציונלי לריבוע של תדר העבודה ולצפיפות השטף המגנטי המקסימלי הפועל. למרות שהפסד זה אינו גדול כמו ההפסד בתוך מתג ההפעלה והמיישר, טיפול לא נכון יהפוך גם לבעיה. ב-100kHz, Bmax צריך להיות מוגדר ל-50% מצפיפות השטף המגנטי הרוויה Bsat של החומר. ב-500kHz, Bmax צריך להיות מוגדר ל-25% מצפיפות השטף המגנטי הרוויה Bsat של החומר. ב-1MHz, יש להגדיר Bmax ל-10% מצפיפות השטף המגנטי של רווית החומר Bsat. זה נקבע על ידי המאפיינים של חומרים פרומגנטיים במיתוג ספקי כוח (3C8 וכו').

אובדן זרם מערבולת קטן בהרבה מאובדן היסטרזיס, אך הוא גדל במהירות עם עליית תדירות הפעולה, כפי שמוצג במשוואה (7).

זרם מערבולת הוא זרם במחזור המושרה בטווח גדול בתוך הליבה המגנטית בשדה מגנטי חזק. בדרך כלל, למעצבים אין הרבה דרכים להפחית את ההפסד הזה. זרם מערבול הוא זרם במחזור המושרה בטווח גדול בתוך הליבה המגנטית בשדה מגנטי חזק. בדרך כלל, למעצבים אין הרבה דרכים לצמצם את ההפסד הזה.

אובדן התנגדות הוא האובדן הנגרם על ידי ההתנגדות של הפיתול הפנימי של השנאי או המשרן. ישנן שתי צורות של אובדן התנגדות: אובדן התנגדות DC ואובדן התנגדות אפקט העור. אובדן התנגדות DC נקבע על ידי מכפלת ההתנגדות של החוט המתפתל וריבוע הערך האפקטיבי של הזרם הזורם דרכו. אפקט העור נגרם מהשדה האלקטרומגנטי החזק של ה-AC במוליך, והזרם במרכז המוליך נדחף אל פני המוליך, מה שלמעשה מגביר את ההתנגדות של המוליך. הזרם זורם בקטע קטן יותר, מה שגורם לקוטר האפקטיבי של המוליך להיראות קטן יותר. משוואה (8) נותנת את נוסחת החישוב של שני ההפסדים הללו בביטוי אחד.

השראות דליפה (המיוצגת על ידי השראות קטנה המחוברת בסדרה עם הפיתול) גורמת לחלק מהשטף המגנטי לדלוף לאוויר ולחומרים שמסביב מבלי להיצמד לליבה המגנטית. המאפיינים שלו אינם מושפעים מהשנאי או השראות הקשורים אליו, ולכן עכבת ההשתקפות של הפיתול אינה משפיעה על ביצועי השראות הדליפה.

נזילה תגרום לבעיה מכיוון שהיא לא מעבירה כוח לעומס, אלא מייצרת אנרגיה מתנודדת באלמנטים שמסביב. בתכנון המבני של שנאי ומשרן, יש לשלוט על השראות הדליפה של הפיתול. ערך השראות הדליפה של כל אחד מהם יהיה שונה, אך ניתן לשלוט בו לערך מדורג מסוים.

כמה כללי אצבע כלליים להפחתת השראות דליפת הפיתול הם: הארכת אורך הפיתול, התקרבות לליבה המגנטית, טכנולוגיית צימוד הדוק בין פיתולים ויחס סיבובים דומים (כגון קרוב ל-L:1). עבור ליבת ה-EE הנפוצה בממירי DC-DC, השראות הדליפה המשוערת היא 3% ~ 5% משראות הפיתול. בממיר לא מקוון, השראות הדליפה של הפיתול הראשוני עשויה להגיע עד ל-12% משראות הפיתול, אם על השנאי לעמוד בתקנות בטיחות מחמירות. הסרט המשמש לבידוד הפיתול יקצר את הפיתול ותרחיק אותו מהליבה המגנטית ומפיתולים אחרים.

ניתן לראות מאוחר יותר שניתן לנצל את ההפסד הנוסף שנגרם כתוצאה משראות דליפה.

ביישום של מגנט DC, יש בדרך כלל פער אוויר לאורך המעגל המגנטי של הליבה המגנטית. בליבת פריט, מרווח האוויר נמצא באמצע הליבה, והשטף המגנטי זורם מקצה הליבה לקצה השני, למרות שהקווים המגנטיים יתפשטו ממרכז הליבה. קיומו של מרווח אוויר יוצר אזור שטף מגנטי צפוף, שיגרום לזרימת זרם מערבולת בחלקי המתכת ליד הסליל או מרווח האוויר. הפסד זה בדרך כלל אינו גדול, אך קשה לקבוע.

סקירה כללית של פרמטרים טפיליים עיקריים באספקת חשמל

פרמטרים טפיליים הם מאפיינים חשמליים בלתי צפויים של הרכיבים בפועל בתוך המעגל. הם בדרך כלל אוגרים אנרגיה ומגיבים על הרכיבים שלהם כדי לייצר רעש ואובדן. זהו אתגר גדול עבור מעצבים להבחין, לכמת, לצמצם או לעשות שימוש בתגובות השליליות הללו.

במקרה של תקשורת, המאפיינים הטפיליים ברורים יותר. ישנם שני צמתים עיקריים עם ערך AC גדול בספק כוח מיתוג טיפוסי, הראשון הוא הקולט או הניקוז של מתג ההפעלה; השני הוא האנודה של מיישר הפלט. עלינו להתמקד בשני הצמתים המיוחדים הללו.

פרמטרים טפיליים עיקריים בממיר

בכל ספקי הכוח הממותגים, ישנם כמה פרמטרים טפיליים נפוצים, ואת השפעתם ניתן לראות בבירור בעת התבוננות בצורות הגל של צמתי ה-AC העיקריים בממיר. נתונים מסוימים של התקנים אף מספקים פרמטרים אלה, כגון הקיבול הטפילי של MOSFET. הפרמטרים הטפיליים העיקריים של שני ממירים נפוצים מוצגים באיור 3.

חלק מהפרמטרים הטפיליים הוגדרו בבירור, כגון הקיבול של ה-MOSFET, בעוד שפרמטרים טפיליים בדידים אחרים ניתנים לביטוי באמצעות פרמטרים מקובצים, מה שמקל על המידול. קשה מאוד לקבוע את הערכים של פרמטרים טפיליים שאינם מוגדרים בבירור, והם נקבעים בדרך כלל על ידי ערך אמפירי. במילים אחרות, בעת תכנון מתגים רכים, בחירת הרכיבים צריכה להתבסס על עקרון קבלת התוצאות הטובות ביותר. בתרשים המעגל, חשוב מאוד למקם אלמנטים טפיליים במקומות המתאימים, מכיוון שהענף החשמלי פועל רק בחלק מזמן העבודה של הממיר. לדוגמה, קיבול הצומת של המיישר יהיה גדול רק כאשר המיישר מוטה בכיוון ההפוך, אך ייעלם כאשר הדיודה מוטה בכיוון קדימה. טבלה L מפרטת כמה פרמטרים טפיליים שקל לקבוע, את הרכיבים המייצרים פרמטרים אלה ואת הטווח המשוער של ערכים אלה. ניתן לקבל כמה ערכי פרמטרים טפיליים מיוחדים מנתוני רכיבים ספציפיים.

השפעת המעגלים המודפסים (PCB) על פרמטרים טפיליים נמצאת בכל מקום, וכללי פריסת PCB טובים יכולים למזער השפעות אלו.

קווים מודפסים עם שיא זרם רגישים לשראות ולקיבול שנוצרו על ידי כל קו מודפס, ולכן קווים אלו חייבים להיות קצרים ועבים. חיבורי הלחמה של PCB עם מתח גבוה AC, כגון ניקוז או קולט מתג חשמל או אנודה של צינור מיישר, קלים ליצירת קיבולת צימוד עם קווים מודפסים סמוכים, כך שרעש AC מחובר לקווים מודפסים סמוכים. דרך חיבור ה"דרך", אותו אות יכול לזרום דרך השכבות העליונות והתחתונות של המעגל המודפס של אות AC. בדרך כלל ניתן לייחס את ההשפעה של פרמטרים טפיליים אחרים לאלמנטים טפיליים סמוכים.

הכרת טבעם של פרמטרים טפיליים על כל רכיב של ממיר טיפוסי תעזור לקבוע את הפרמטרים של רכיבים מגנטיים, תכנון PCB, עיצוב מסנן EMI וכו'. זהו החלק הקשה ביותר בכל תכנוני מיתוג של ספקי כוח.