May the Power (Electronics) be with you
אין מישהו שעוסק בתכנון ועריכה של כרטיסים ולא מתעסק בתכנון של Power ברמה כלשהי במעגל. לכן בפוסט הזה אעסוק במספר דרכים או דגשים אשר ישפרו את התכנון של כרטיסים משולבי אלקטרוניקת הספק (Power Electronics), בכל הקשור ליעילות המרת מתח, תאימות אלקטרומגנטית ומהימנות של הכרטיס.
אז ראשית אתחיל בהקדמה קצרה. אז מה זה בעצם אלקטרוניקת הספק? ההגדרה אומרת, שימוש במוליכים למחצה על מנת לשלוט ולהמיר חשמל מצורה אחת לאחרת.
בגדול ישנם בסה"כ 4 סוגי ממירים:
AC to DC (rectifier)
DC to AC (inverter)
DC to DC (DCDC converter)
AC to AC (ACAC converter)
1kW AC – AC converter
DC-DC Buck Converter 6V-65V to 0-60V
היום ניתן לראות שהשוק מתפתח מאוד עם דרישה ליכולות כמו, יעילות גבוהה יותר, הספק רב ומחירים זולים. בפועל ניתן לראות לא מעט מוצרים שמחייבים שימוש כלשהו בממירים כאלה ואחרים.
לדוגמא:
פאנלים סולריים
הקורקינט של Bird
המטוס החשמלי של Eviation
ואלה רק חלק המוצרים שבהם נדרשת המרה כזו או אחרת. אז בואו נעבור על מספר אתגרים שיש לנו בתכנון של מעגלים כאלה.
בידוד של מתחים גבוהים
אז למה שארצה לבודד מתחים גבוהים? אנסה להמחיש זאת דרך שאלה אחרת, חשבתם פעם למה או איך ברק מכה באדמה? בלי להכנס ליותר מדי פרטים, ניתן לומר שהסיבה היא שהפרש הפוטנציאליים שנוצר בין העננים לאדמה גבוה ממתח הפריצה (המתח המינימלי שגורם לחלק מבודד להוליך חשמל) של האוויר. באותו האופן ניתן להסתכל גם על הפרש המתחים שיכול להיווצר בין שתי נקודות עם פוטנציאל גבוה ביניהן במעגל מודפס. המטרה היא למנוע קשת חשמלית – Electric arc) כינוי לפריצה חשמלית שנוצרת כתוצאה מזרם חשמלי העובר דרך אוויר או חומר). פריצה חשמלית יכולה לפגוע בתפקוד המעגל. הפיתרון במקרה הזה יהיה להגדיר מרחק מתאים בין שתי נקודות כאלה במעגל. כלל האצבע אומר שאם המוצר שלנו חורג מ- 60V באיזור כלשהו על המעגל אז כדאי להתחיל להתייחס למרחקים הללו בהתאם.
הצגה ויזואלית של מרחקי Clearance ו- Creepage
Clearance מגדיר את המרחק הישיר באוויר בין שני מוליכים. Creepage הוא המרחק על פני ה- PCB.
בהתייחס ל- Clearance נרצה לשים לב למספר דברים, ראשית משום שמדובר במרחק אווירי צריך לשים לב למיקום של רכיבים בהקשר זה. בנוסף, כדאי ליצור הפרדה בין איזורים בעלי מתח גבוה ומתח נמוך בכרטיס (ככל שניתן). Creepage מוגדר על ידי מספר פרמטרים ביניהם, מתח העבודה, רמת הזיהום (כמות האבק והלחות על ה- PCB) וסוג המבודד הנדרש. בעיקרון על מנת להגדיר את המרחק של Creepage ניתן להשתמש בתקנים כמו IPC2221Aו- UL60950-1. כל המידע הרלוונטי נמצא שם.
אז איך עושים את זה? הטבלה הבאה מציגה את הערכים שיש להשתמש בהם בהגדרת מרחק מינימלי. הטבלה נלקחה מתוך תקן IPC2221A ובהרבה מובנים קלה יותר לקריאה מהתקן השני.
נעשה דוגמא. נניח שיש לנו:
– 400V DC Bus
– External Conductors
– Uncoated
– Sea level
אם נסתכל בטבלה נראה כי הערך הבא יהיה המתאים ביותר:
באופן זה נוכל להגדיר את המרחק הרצוי. אז כיצד ניתן לעשות או להגדיר את המרחק הזה ב-ALTIUM.
ראשית אבחר את האיזורים הרצויים המחולקים לדוגמא ל- High Voltage ו- Low Voltage בסכימה.
לאחר מכן אעביר את המידע ל- PCB ואצור חוק רלוונטי שיגדיר את ה- Clearance בהתאם לערך שהתקבל בטבלה.
כעת, כאשר נבצע חיווט נראה את המרחק המותר (2.5mm) מוצג באופן אוטומטי בין ה- Nets המשוייכים ל- High Voltage ו- Low Voltage.
צמצום של לולאת השראות (inductance) וקיבוליות טפילית (Parasitic capacitance)
אז בהקשר הזה צריך לצאת ממספר נקודות הנחה, כל המוליכים הם בעלי קיבוליות טפילית, לכל המוליכים יש השראות וכל המוליכים למחצה מושפעים מקיבוליות באופן כלשהו, שלושת הדברים הללו יכולים ליצור מעגלי תהודה (לא רצויים).
לכן המטרה שלנו היא לצמצם השראות בין קבלים לבין המוליכים למחצה ע"י מניעת מתח יתר ((voltage overshoot הנובע מהיווצרות מעגל תהודה (שנוצרו על ידי קיבול טפילי והשראות).
לולאת תקשורת הספק
אז כיצד נעשה זאת?
נצמצם השראות באמצעות בנייה והוספה של משטחים מישוריים רחבים (יכול להיות Plane שיוגדר כשכבה נוספת פנימית או לחילופין אפשר להוסיף אוייבקט\משטח חיצוני על הכרטיס) באיזור הבעייתי. בנוסף, נשתמש בקבלי film בתדירות גבוהה שיושמו קרוב ככל הניתן למקור המתח. בהתייחס לקיבוליות טפילית צריך לשים לב לחיווט של הקבלים. בנייה לא תקינה של החיווטים מעל משטח power אל נקודות החיבור של Switch, יגרמו לזרמים מיותרים באיזורים האלה.
דוגמא לעריכה בעייתית עם חיווטים מעל משטח Power
יש כמובן שיקולים נוספים שיש לקחת בחשבון בתכנון מעגלים עם הספקים גבוהים כמו שיקולי חום, בחירת חומרים והשפעות נוספות של רכיבים במעגל.
אם יש לכם עוד הצעות או שאלות בנושא מוזמנים לפנות אלינו.
