שתי דרכים לייצר מתח — ולמה זה משנה כל כך

כמעט בכל מוצר אלקטרוני יש יותר ממתח עבודה אחד: הסוללה או המטען נותנים מתח אחד, המיקרו-בקר רוצה אחר, החיישן האנלוגי רוצה שלישי, ומודול התקשורת מושך פסגות זרם משלו. כדי לגשר בין המתחים משתמשים בשני סוגי רכיבים, וההבדל בין DC-DC ל-LDO הוא אחת ההחלטות שחוזרות על עצמן שוב ושוב בשרטוט הסכמטי. ההבדל בין DC-DC ל-LDO אינו רק טכני — הוא מתורגם ישירות לזמן עבודה על סוללה, לחום בתוך הזיווד, לרעש שמגיע למדידות ולעלות היחידה. במאמר הזה נסביר איך בוחרים נכון בכל ענף הזנה.

איך כל אחד מהם עובד

מייצב לינארי (LDO) מתנהג בקירוב כמו נגד משתנה: הוא מפיל את עודף המתח וממיר אותו לחום. אם הכניסה 5V, המוצא 3.3V והזרם 200mA, כ-0.34W פשוט מתפזרים כחום. הזרם שיוצא שווה בערך לזרם שנכנס — אין ריווח.

ממיר מיתוג (DC-DC) חותך את המתח לפולסים בתדר גבוה ומשחזר אותו דרך סליל וקבל. הוא לא שורף את ההפרש אלא ממיר הספק להספק, ולכן בהמרות גדולות הוא הרבה יותר יעיל. ממיר יורד (Buck) מוריד מתח, ממיר עולה (Boost) מעלה, ויש גם טופולוגיות שעושות את שניהם — שימושיות מאוד כשמזינים מסוללה שהמתח שלה יורד לאורך הפריקה.

ההבדל בפועל: חמישה קריטריונים

  • נצילות. ממיר מיתוג טוב מגיע לנצילות גבוהה מאוד ולא רגיש במיוחד להפרש המתחים. LDO מוגבל ביחס בין המתחים — הפלת 12V ל-3.3V פירושה שרוב האנרגיה הולכת לפח.
  • חום. נגזרת ישירה מהנצילות. LDO בהפרש גדול הופך לתנור קטן שדורש שטח נחושת לפיזור חום, ולעיתים גם שינוי בזיווד.
  • רעש. כאן ה-LDO מנצח: מוצא נקי, ללא אדוות מיתוג. ממיר מיתוג מייצר אדווה ומשדר הפרעות שמחייבות פריסה זהירה של הרכיבים.
  • שטח ועלות. LDO הוא רכיב אחד עם שני קבלים. ממיר מיתוג דורש סליל, קבלים, לעיתים נגדי משוב — יותר שורות ב-BOM ויותר שטח.
  • צריכה במנוחה. במוצר סוללה זה קריטי: יש LDO-ים עם צריכה עצמית זעירה, ומנגד ממירים עם מצב חיסכון בעומס נמוך. את הרכיב בוחרים לפי מצב העבודה השכיח, לא לפי השיא.

כללי אצבע לבחירה

בפרויקטים שלנו הכלל הפרקטי פשוט: ממיר מיתוג לענף הראשי, LDO לענפים הרגישים. כלומר, יורדים ממתח הכניסה למתח ביניים ביעילות גבוהה בעזרת ממיר, ואז מזינים ממנו LDO קטן שמנקה את המתח עבור החלקים הרגישים — ממיר אנלוגי-דיגיטלי, מודול RF, מגבר מיקרופון. ההפרש שה-LDO מפיל קטן, ולכן ההפסד זניח, והמוצא נקי.

מתי מסתפקים ב-LDO בלבד? כשהמוצר מוזן מרשת החשמל דרך ספק חיצוני, ההפרש קטן והזרם נמוך. מתי הולכים אך ורק על מיתוג? כשמזינים מסוללה, כשההפרש גדול, או כשיש עומסים של מאות מיליאמפרים ומעלה. חשוב לזכור שהבחירה תלויה בתקציב האנרגיה הכולל — נושא שנפרס במאמר על ספק כוח והזנת מתח, ובמוצרים ניידים גם במאמר על תכנון מערכת סוללה למוצר.

מה שוכחים לבדוק

  • מתח נשירה (Dropout). ל-LDO יש הפרש מינימלי שמתחתיו הוא מפסיק לייצב. בסוללה שמתרוקנת, זה בדיוק מה שיגרום למוצר להיכבות מוקדם מהצפוי.
  • תגובה לקפיצות עומס. מודול סלולרי או רדיו מושך פסגות זרם קצרות. אם ענף ההספק לא מתוכנן לזה, המתח צונח והמיקרו-בקר מתאתחל — תקלה שמאתרים רק בשטח.
  • פריסה פיזית. בממיר מיתוג לולאת הזרם המהיר חייבת להיות קצרה, אחרת המוצר ייכשל בבדיקות. פירוט במאמר על תכנון מעגל מודפס, וההשלכות במאמר על תאימות אלקטרומגנטית.
  • זמינות ארוכת טווח. רכיב הספק זול שנעלם מהמדף עוצר פס ייצור. ראו בחירת ספק רכיבים וזמינות ארוכת טווח.
  • פיזור החום בפועל. חישוב על הנייר לא מספיק; מודדים על אב טיפוס בתוך הזיווד הסגור — ראו ניהול תרמי במוצר אלקטרוני.

ההשפעה על אורך חיי הסוללה

במוצרים שרוב הזמן ישנים ומתעוררים לרגע, בחירת רכיב ההספק משפיעה על אורך החיים יותר מכל אופטימיזציה בקוד. ממיר עם צריכה עצמית גבוהה יבזבז יותר בשינה ממה שהמעבד צורך בעבודה. לכן ההחלטה נעשית יחד עם תכנון מצבי הצריכה בקושחה, כמתואר במאמר על מצבי שינה במיקרו-בקר.

אין תשובה אחת נכונה — יש התאמה נכונה לכל ענף הזנה במוצר. אם אתם מתלבטים על ארכיטקטורת ההספק של מוצר בפיתוח, מוזמנים לקרוא עוד באשכול פיתוח אלקטרוניקה או לפנות אלינו עם הסכמה שעל השולחן.

רוצים להפוך רעיון למוצר? צרו קשר עם צוות פרוג'קטס האוס בע"מ – טלפון: 054-8936922 | דוא"ל: info@projects-house.com – ונשמח ללוות אתכם משלב הרעיון ועד המדף.