מהו קיבוליות טפילית?

1. הצורה העיקרית של קיבול טפילי

הליבה של מוליך למחצה כוח היא צומת PN, כאשר מוליכים למחצה מסוג N ו- P משולבים, אזור מטען שטח נוצר משני הצדדים של משטח המליטה, הידוע גם בשם שכבת הדלדול, כאשר המתח בשני הקצוות של צומת PN משתנה, המטען של אזור מטען החלל צומת PN משתנה גם; בנוסף, האלקטרונים באזור n והחורים באזור p מתפזרים זה על זה בשל ההבדל בריכוז, מה שייצור אפקט אחסון מטען משני צידי צומת pn, וגורמים אלה פועלים יחד כדי לייצר קיבול טפילי מתאים בכל התקן כוח מוליך למחצה.

1-1 צינור MOS כוח קיבול טפילי דינמי

איור 1: מודל של קיבול טפילי של צינור MOS של מתג הפעלה

Ø CISS (קיבוליות קלט):

מקור הניקוז מקוצר, והקיבול בין השער למקור הנמדד באות AC הוא קיבול הכניסה. CISS נוצר על ידי חיבור מקביל של קיבול דליפת שער CGD וקבל מקור שער CGS, או CISS=CGD+CGS, כאשר מטען קבל הכניסה עולה על מתח הסף, ניתן להפעיל את צינור MOS, וניתן לכבות את צינור MOS כאשר הפריקה נמוכה ממתח הסף. לכן, למעגל הכונן ולפרמטרים של CISS יש השפעה ישירה על עיכובי ההפעלה והכיבוי של צינור MOS.

Ø COSS (Output Capacitance):

קיבול המוצא הוא קיבול המוצא הנמדד על ידי קיצור מקור השער והקיבול בין הניקוז למקור הנמדד באמצעות אות AC. COSS נוצר על ידי חיבור מקביל של קיבוליות דליפת שער CGD וקבל מקור ניקוז CDS, או COSS=CGD + CDS, שהוא חשוב מאוד עבור יישומי מיתוג רך ועלול לגרום לתהודה במעגל.

Ø CRSS (Reverse Transmission Capacitance):

במקרה של מקור להארקה, הקיבול הנמדד בין הניקוז לשער נקרא קיבול ההולכה האחורית והוא שווה ערך לקיבול דליפת השער, כלומר CRSS=CGD. קבלי תמסורת הפוכה ידועים גם בשם קבלי מילר. זהו פרמטר חשוב לזמני העלייה והירידה של המתגים.

Ø מתג הפעלה צינור MOS קיבול טפילי מקרה פליטת קרינה

מוצר ספק כוח מיתוג, עקב מחסור בצינור MOS מעגל Boost PFC במהלך הייצור ההמוני, צריך להחליף מוצר של ספק אחר, לאחר שהמחליף מצא כי תוצאות בדיקת הפליטה המוקרנת אינן עומדות בדרישות בקרת השוליים, באמצעות התכנון המקורי של המכשיר, בדיקת הפליטה המוקרנת עומדת בדרישות בקרת השוליים

Ø COSS (Output Capacitance):

מוצר ספק כוח מיתוג, עקב מחסור בצינור MOS מעגל Boost PFC בייצור המוני, צריך להחליף את המוצרים של ספקים אחרים, לאחר שההחלפה מצאה כי תוצאות בדיקת הפליטה המוקרנת אינן עומדות בדרישות בקרת השוליים, באמצעות התכנון הראשוני של המכשיר, בדיקת הפליטה המוקרנת היא לעמוד בדרישות בקרת השוליים, נתוני בדיקת הפליטה הקרינה הספציפיים הם כדלקמן:

איור 2: נתוני בדיקת קרינה לפני החלפת צינור MOS של המתג

איור 3: נתוני בדיקת קרינה לאחר החלפת צינור MOS (אותו לוח ספק כוח מיתוג)

ניתוח סיבות:

באמצעות ניתוח השוואתי, נמצא כי הקיבול הטפילי של מותגים ודגמים שונים של צינורות MOS שונה בבירור, קיבול CISS של צינור MOS המשמש בתכנון המקורי גדול בהרבה מקיבול CISS של החומר החלופי, וקיבול CISS משפיע על הפתיחה והכיבוי של צינור MOS, ככל שהקבל גדול יותר, מהירות המיתוג איטית יותר, אנרגיית הרעש שנוצרת קטנה יותר, ולהיפך, כך אנרגיית הרעש שנוצרת גדולה יותר. ככל שהקיבול גדול יותר, כך תדירות התנודה נמוכה יותר וערך השיא קטן יותר, בעוד שההשראות הטפילית קבועה.

1-2. קיבול טפילי דיודת כוח

כאשר הדיודה מולכה קדימה, אלקטרונים מאוחסנים באזור P וחורים מאוחסנים באזור N, תופעה הנקראת אפקט אחסון המטען. כאשר מופעל המתח ההפוך, האלקטרונים והחורים נעים בכיוונים מנוגדים בהתאמה, ויוצרים זרם סחף הפוך, ובמקביל מתאחדים מחדש עם רוב הנשאים האחרים, ולאחר שהאלקטרונים והחורים מופחתים באופן משמעותי, תהליך השחזור ההפוך מסתיים, והדיודה נחתכת.

איור 4: דיאגרמה של זרם שחזור הפוך של דיודה

Ø כמות אחסון הטעינה קובעת את זמן השחזור ההפוך, וכמות המטען המאוחסן נקבעת לפי גודל קיבול השחזור ההפוך. קיבול השחזור ההפוך של הדיודה משפיע על זמן השחזור ההפוך, המשפיע על גודל ספייק המתח כאשר הדיודה כבויה, ועל תנודת הזרם המתרחשת כאשר הדיודה כבויה.

איור 5: דיאגרמה של קיבול שחזור הפוך של דיודה

1-3. קיבול טפילי בין מכשיר מיתוג החשמל לבין גוף הקירור

התקני מיתוג חשמל plug-in בדרך כלל צריכים להשתמש בצלעות קירור כדי לפזר חום, וקיבול מבוזר נוצר בין גוף התקן החשמל לבין גוף גוף גוף הקירור, המספק נתיב צימוד לרעש בתדר גבוה. בעת שימוש בהתקני כוח שבב, מזיגת נחושת PCB משמשת לפיזור חום, והקיבול המבוזר בין עור הנחושת לפיזור החום לבין הארקת הייחוס מספק גם נתיב צימוד לזרמי רעש בתדר גבוה.

איור 6: קיבול טפילי בין מכשיר החשמל לצלעות הקירור

1-4. קיבול טפילי של מכשירים מגנטיים

הקיבול המבוזר בין פיתולי שנאי המיתוג ובין הפיתולים ואותו פיתול מספק נתיב צימוד לצימוד זרמי רעש בתדר גבוה. הקיבול המבוזר בין סלילה של התקן המשרן לבין התקן השראתי במצב משותף, רעש התדר הגבוה מוצמד ישירות לקצה האחורי דרך הקיבול המבוזר, אשר מקצר את המשרן ומאבד את אפקט הסינון בתדר גבוה. הקיבול המבוזר בין הליבה לבין הארקת הייחוס מספק נתיב לצימוד של רעש בתדר גבוה, כך שחלק מהרעש בתדר גבוה אינו מסונן על ידי המכשיר המגנטי.

איור 7: מודל הקיבול הטפילי של שנאי

1-5. קיבול טפילי שנוצר על ידי מוליכים מתכתיים

הקיבול המבוזר בין שני מוליכי המתכת הקרובים זה לזה ומבודדים זה מזה מהווה קיבול מבוזר, והקיבול המבוזר בין מוליכי המתכת מהווה אנטנת דיפול חשמלית המונעת על ידי אות הרעש, הפולטת ביעילות את אות הרעש וגורמת לבעיות פליטת קרינה חמורות.

איור 8: התפלגות הקיבול בין מבני מתכת

1-6. קיבול טפילי בין חיווט PCB

יש גם קיבוליות טפילית בין שני מסלולים הקרובים זה לזה בלוח ה- PCB, וקיבול טפילי בין עקבות ה- PCB הוא אחד הגורמים העיקריים לבעיות crosstalk. הקיבול המבוזר בין פריסת לוח המעגלים המודפסים לבין מישור הייחוס הסמוך הוא הנתיב הראשי לצימוד רעש בתדר גבוה בחזרה למקור, מה שמקטין את נתיב הזרימה מחדש בתדר גבוה של האות ומקטין את יכולת הפליטה של רעש בתדר גבוה.

איור 9: קיבול טפילי של פריסת PCB בין ניתובים

1-7. סוגים אחרים של קיבול טפילי

קיבול מבוזר נמצא בכל מקום, ובנוסף לקיבול המבוזר לעיל, ישנן צורות רבות אחרות של קיבול טפילי:

Ø קיבול טפילי בין הפינים של שבב המוליכים למחצה

Ø קיבול החלוקה בין החוטים בתוך הכבל

Ø הקיבול המבוזר בין החוט הפנימי של הכבל לבין מגן המתכת

Ø הקיבול המבוזר בין מוליך המתכת לבין הליבה המגנטית של המכשיר המגנטי

Ø הקיבול המבוזר בין שבב המוליך למחצה לבין גוף הקירור

Ø קיבוליות מבוזרת בין ערימות PCB

2. ניתוח השפעת הקיבול הטפילי

קיבול טפילי נמצא בכל מקום, דיסקרטי, ולא ניתן למדוד אותו על ידי מכשירים. לכן, ההשפעה של קיבול טפילי קשה מאוד לנתח, אשר מציב אתגר גדול לניתוח באגים של בעיות EMC.

2-1. קיבול טפילי משנה את נתיב ההזרמה מחדש של האות

שטח לולאת הזרם בתדר גבוה הוא גורם חשוב המשפיע על פליטות הקרינה, והאזור הנשלט של הלולאה הנוכחית הוא תנאי מוקדם חשוב להבטחת ביצועי EMC.

נוכחותו של קיבול טפילי תשנה את נתיב החזרה של זרמים בתדר גבוה, וגם שטח הלולאה שלו יהיה גדול יותר, ואובדן השליטה יגרום לבעיות EMC חמורות.

איור 10: קיבול טפילי משנה את נתיב העברת האות

2-2. צימוד קיבולי טפילי crosstalk

במהלך ניתוח בעיות EMC וניפוי באגים של ספק הכוח הממותג, נמצא כי צימוד קיבולי היה גורם חשוב לאי עמידה במבחן ההפרעה ההולכה בספק הכוח.

צימוד קיבולי מתרחש לעתים קרובות בין שני קווי חיווט עם הבדל פוטנציאלי גדול, וצימוד קיבולי יפחית את ביצועי המסנן, או אפילו יעקוף אותו וייכשל.

איור 11: קיבול טפילי יוזם צימוד קיבולי

2-3. קיבול טפילי מייצר תנודות טפיליות

תנודות טפיליות מתרחשות לעתים קרובות בין הקיבול הטפילי בין הפינים של התקני כוח כגון דיודות, טרנזיסטורים MOS ושבבי מוליכים למחצה, לבין השראות טפילית של התקנים השראתיים, שנאים, חרוזים וחיווט פריסת PCB בקו. תנודה טפילית במיתוג מוצרי אספקת חשמל היא אחת הסיבות החשובות לבדיקות EMI לא תקינות, וקל להתעלם ממנה על ידי מהנדסי תכנון.

איור 12: צורת גל של תנודה טפילית שנוצרת על-ידי קיבול טפילי

2-4. קיבול טפילי מייצר אנטנות דיפול

מוליכי מתכת משמשים לעתים קרובות לסיכוך הפרעות אלקטרומגנטיות, וחפיפה טובה בין מוליכי מתכת היא תנאי מוקדם לתוצאות סיכוך באיכות גבוהה. תכנון המבנה בפועל לוקח בחשבון את החמצון של מוליכי מתכת, ומרסס צבע מבודד על משטח המתכת כדי למנוע את בעיית חמצון המתכת.

כאשר זרם הרעש בתדר גבוה זורם דרך אחד המוליכים, הוא ייצור כוח אלקטרומוטיבי מושרה על המוליך השני ליצירת אנטנת דיפול חשמלית, אשר תקרין את הרעש.

איור 13: קיבול טפילי יוצר אנטנת דיפול חשמלית

3. כיצד לפתור את ההשפעה של קיבול טפילי

קיבוליות טפילית היא לעתים קרובות האויב הטבעי של מהנדסי EMC, וטיפול סביר והולם בבעיות קיבוליות טפיליות הפך למבחן ענק עבור מהנדסי EMC.

3-1. לפתור את הבעיה של קיבול טפילי של התקני כוח

על פי ניתוח ההשפעה על הקיבול הטפילי של התקני כוח, בשילוב עם היתכנות תהליך ניפוי הבאגים בפועל, מנוסחים הפתרונות הבאים לבעיית הקיבול הטפילי של התקני כוח: