الأجهزة

الشكل 1: وحدة تزويد الطاقة BUCعادةً، عند تصميم مصدر طاقة خافض للجهد غير متزامن، يتم توصيل مكثف تمهيدي بين طرفي SW وBOOT للشريحة، كما هو موضح في الشكل 1 (C1). يعتمد المكثف التمهيدي على خاصية عدم تغير الجهد عبره فجأة. فعند تثبيت جهد معين عبر المكثف، وعند زيادة الجهد عند الطرف السالب، يبقى الجهد عند الطرف الموجب مساويًا لفرق الجهد الأصلي عند الطرف السالب، مما يزيد من جهد التشغيل.الشكل 2: مخطط البنية الداخلية لرقاقة باكتتكون شريحة خفض الجهد الموضحة في الشكل 2 من ترانزستورين من نوع NMOS، يعملان بالتناوب بطريقة تكاملية. يُغذى جهد الدخل الكلي VIN عبر منظم جهد داخلي، يُخرج جهدًا منخفضًا مستمرًا Vb لشحن طرف البوت Vboot. عادةً ما يكون منظم الجهد الداخلي هذا مزود طاقة منخفض التسرب (LDO). أثناء تشغيل شريحة خفض الجهد، عندما يكون ترانزستور MOSFET Q2 منخفض الجهد في وضع التشغيل، يكون جهد SW مساويًا للصفر. يقوم جهد خرج LDO، Vb، بشحن مكثف البوتستراب C1، الذي يمر بعد ذلك عبر الصمام الثنائي D1 ثم عبر ترانزستور MOSFET Q2 منخفض الجهد. يكون الجهد عبر المكثف مساويًا تقريبًا لـ Vb، ويكون جهد طرف البوت الآن هو Vb. عندما يكون ترانزستور MOSFET Q2 منخفض الجهد في وضع الإيقاف وترانزستور MOSFET Q1 عالي الجهد في وضع التشغيل، يرتفع الجهد عند طرف البوت من 0 فولت إلى VIN. يتم تأريض القطب S لترانزستور MOSFET Q2 منخفض الجهد مباشرةً. طالما أن جهد القطب G يُخرج مستوىً عالياً (>Vth)، فإن ترانزستور MOSFET Q2 ذو الجانب المنخفض سيعمل. جهد القطب S لترانزستور MOSFET Q1 ذو الجانب العالي هو جهد الدخل VIN. للحفاظ على حالة التشغيل لترانزستور MOSFET Q1 ذو الجانب العالي، يجب أن يكون جهد تشغيل بوابته أكبر من VIN + Vgs(th). بما أن الجهد عبر المكثف لا يمكن أن يتغير فجأة عند هذه النقطة، يتم رفع جهد طرف BOOT إلى جهد أكبر من VIN (VIN + Vb). المكثف C1 موصول بالتوازي مع مصدر طاقة وحدة تشغيل ترانزستور MOSFET Q1 ذو الجانب العالي، HS Driver. يُفرغ مكثف التمهيد C1 تفريغه لتزويده بالطاقة، وجهد التغذية هو فرق الجهد عبر مكثف التمهيد. بفضل وجود مكثف التمهيد، يحقق جهد بوابة-مصدر MOSFET Q1 عالي الجهد شرط التشغيل (Vgs > VIN + Vgs(th))، مما يحافظ على حالة تشغيل MOSFET Q1 عالي الجهد. وطالما أن الجهد بين طرف BOOT وطرف SW أعلى من عتبة BOOT UVLO، يبقى MOSFET Q1 عالي الجهد قيد التشغيل. وعندما ينخفض ​​جهد مكثف التمهيد إلى ما دون عتبة BOOT UVLO نتيجةً للتفريغ، يتم إيقاف تشغيل MOSFET Q1 عالي الجهد، بينما يتم تشغيل MOSFET Q2 منخفض الجهد، مما يؤدي إلى شحن مكثف التمهيد بشكل دوري، وبالتالي تنفيذ وضع التحكم PWM لمصدر الطاقة الخافض.

في الدوائر المستخدمة للاتصال عبر ناقل SPI مع الأجهزة الطرفية، يتم عادةً توصيل مقاوم صغير بمقاومة تبلغ عشرات الأوم على التوالي مع خط الإشارة، كما هو موضح في الشكل 1. يحقق هذا التصميم الوظائف التالية:1. مطابقة المعاوقة. عندما تكون خطوط إشارة SPI طويلة أو سعة الحمل كبيرة، قد تنعكس الإشارة عند نهاية خط النقل، مما يتسبب في تذبذب شكل الموجة (رنين) أو تجاوز/انخفاض الإشارة. تعمل المقاومة المتسلسلة على مطابقة المعاوقة عند طرف المصدر (عادةً ما يكون قريبًا من الطرف الرئيسي)، حيث تمتص الطاقة المنعكسة وتقلل من مشاكل سلامة الإشارة. يُعد هذا الأمر بالغ الأهمية في SPI عالي السرعة (مثل عشرات الميغاهرتز) أو المسارات الطويلة.٢. تقليل التداخل الكهرومغناطيسي (EMI). غالبًا ما تعمل اتصالات SPI بسرعات عالية. يشكل المقاوم المتسلسل، بالإضافة إلى سعة الخط وسعة الحمل، دائرة RC. يساعد هذا التركيب الدائري على إبطاء الحواف الصاعدة والهابطة للإشارة، وبالتالي منع تجاوزها. وهذا له تأثير إيجابي على كبح التداخل الكهرومغناطيسي، خاصة في الدوائر عالية السرعة.3. تحديد التيار وحماية الجهاز. يحد المقاوم من تدفق التيار في حالة حدوث ماس كهربائي عرضي (على سبيل المثال، بسبب أخطاء في التوصيلات الكهربائية)، مما يمنع تلف منافذ الإدخال/الإخراج للجهاز الرئيسي أو التابع.٤. تحسين عملية تصحيح الأخطاء. أثناء عملية تصحيح الأخطاء، من الشائع استخدام راسم الإشارة لالتقاط أشكال الموجات. توصيل مقاومة على التوالي مع خط إشارة SPI يُسهّل مراقبة شكل موجة الإشارة وتصحيحها باستخدام راسم الإشارة، مما يُحسّن كفاءة عملية تصحيح الأخطاء.

الشكل 1: وحدة تزويد الطاقة BUCعادةً، عند تصميم مصدر طاقة خافض للجهد غير متزامن، يتم توصيل مكثف تمهيدي بين طرفي SW وBOOT للشريحة، كما هو موضح في الشكل 1 (C1). يعتمد المكثف التمهيدي على خاصية عدم تغير الجهد عبره فجأة. فعند تثبيت جهد معين عبر المكثف، وعند زيادة الجهد عند الطرف السالب، يبقى الجهد عند الطرف الموجب مساويًا لفرق الجهد الأصلي عند الطرف السالب، مما يزيد من جهد التشغيل.الشكل 2: مخطط البنية الداخلية لرقاقة باكتتكون شريحة خفض الجهد الموضحة في الشكل 2 من ترانزستورين من نوع NMOS، يعملان بالتناوب بطريقة تكاملية. يُغذى جهد الدخل الكلي VIN عبر منظم جهد داخلي، يُخرج جهدًا منخفضًا مستمرًا Vb لشحن طرف البوت Vboot. عادةً ما يكون منظم الجهد الداخلي هذا مزود طاقة منخفض التسرب (LDO). أثناء تشغيل شريحة خفض الجهد، عندما يكون ترانزستور MOSFET Q2 منخفض الجهد في وضع التشغيل، يكون جهد SW مساويًا للصفر. يقوم جهد خرج LDO، Vb، بشحن مكثف البوتستراب C1، الذي يمر بعد ذلك عبر الصمام الثنائي D1 ثم عبر ترانزستور MOSFET Q2 منخفض الجهد. يكون الجهد عبر المكثف مساويًا تقريبًا لـ Vb، ويكون جهد طرف البوت الآن هو Vb. عندما يكون ترانزستور MOSFET Q2 منخفض الجهد في وضع الإيقاف وترانزستور MOSFET Q1 عالي الجهد في وضع التشغيل، يرتفع الجهد عند طرف البوت من 0 فولت إلى VIN. يتم تأريض القطب S لترانزستور MOSFET Q2 منخفض الجهد مباشرةً. طالما أن جهد القطب G يُخرج مستوىً عالياً (>Vth)، فإن ترانزستور MOSFET Q2 ذو الجانب المنخفض سيعمل. جهد القطب S لترانزستور MOSFET Q1 ذو الجانب العالي هو جهد الدخل VIN. للحفاظ على حالة التشغيل لترانزستور MOSFET Q1 ذو الجانب العالي، يجب أن يكون جهد تشغيل بوابته أكبر من VIN + Vgs(th). بما أن الجهد عبر المكثف لا يمكن أن يتغير فجأة عند هذه النقطة، يتم رفع جهد طرف BOOT إلى جهد أكبر من VIN (VIN + Vb). المكثف C1 موصول بالتوازي مع مصدر طاقة وحدة تشغيل ترانزستور MOSFET Q1 ذو الجانب العالي، HS Driver. يُفرغ مكثف التمهيد C1 تفريغه لتزويده بالطاقة، وجهد التغذية هو فرق الجهد عبر مكثف التمهيد. بفضل وجود مكثف التمهيد، يحقق جهد بوابة-مصدر MOSFET Q1 عالي الجهد شرط التشغيل (Vgs > VIN + Vgs(th))، مما يحافظ على حالة تشغيل MOSFET Q1 عالي الجهد. وطالما أن الجهد بين طرف BOOT وطرف SW أعلى من عتبة BOOT UVLO، يبقى MOSFET Q1 عالي الجهد قيد التشغيل. وعندما ينخفض ​​جهد مكثف التمهيد إلى ما دون عتبة BOOT UVLO نتيجةً للتفريغ، يتم إيقاف تشغيل MOSFET Q1 عالي الجهد، بينما يتم تشغيل MOSFET Q2 منخفض الجهد، مما يؤدي إلى شحن مكثف التمهيد بشكل دوري، وبالتالي تنفيذ وضع التحكم PWM لمصدر الطاقة الخافض.

تتمتع جميع أجهزة الاستشعار والقياس بنطاق جهد تشغيل محدد، ولا يمكن للنظام العمل بثبات وموثوقية إلا ضمن هذا النطاق. نعلم أنه يمكن التحكم في عتبة الجهد العالي بواسطة دائرة حماية من الجهد الزائد، ولكن كيف تُحدد عتبة الجهد المنخفض؟ تستخدم مصادر الطاقة عادةً حلًا من نوع خافض الجهد (BUCK) مع منظم جهد منخفض التسرب (LDO). يتم تحديد الحد الأدنى لجهد التشغيل بواسطة وظيفة UVLO (قفل الجهد المنخفض) في دائرة خافض الجهد، والتي تعمل كبوابة أمان. يضمن هذا أن يعمل النظام فقط عندما يكون جهد الدخل أعلى من جهد UVLO، مما يمنع عدم الاستقرار في مصادر الطاقة اللاحقة، ويحول دون انقطاعات محتملة في النظام نتيجة لانخفاض جهد الدخل بشكل مفرط.نظام الحماية من انخفاض الجهد (UVLO) هو آلية لحماية الدوائر الكهربائية تراقب جهد دخل النظام. فعندما ينخفض ​​جهد الدخل عن عتبة محددة، يقوم نظام UVLO بفصل خرج مصدر الطاقة، مما يمنع عدم استقرار النظام وتلف المكونات، وحتى المخاطر الأمنية الناجمة عن انخفاض الجهد.تصميم عتبة مزدوجة UVLOعتبة البدء (V_START): عندما يرتفع جهد الإدخال إلى هذه القيمة، تبدأ الدائرة في العمل (على سبيل المثال، 6.5 فولت).عتبة الإيقاف (V_STOP): عندما ينخفض ​​جهد الدخل إلى هذه القيمة، تتوقف الدائرة عن العمل (على سبيل المثال، 5 فولت). جهد التخلف (HYS): يمنع هذا الجهد التبديل المتكرر الناتج عن تقلبات الجهد بالقرب من العتبة (على سبيل المثال، بعد بدء التشغيل عند 6.5 فولت، يجب أن ينخفض ​​الجهد إلى 5 فولت قبل الإيقاف).لنأخذ شريحة تزويد الطاقة TPS54561 من شركة TI كمثال. يتم تنفيذ وظيفة UVLO الخاصة بها عبر طرف EN. يتضمن هيكلها الداخلي وحدتين رئيسيتين: ① مُقارن الجهد: يقوم هذا المُقارن بقياس جهد طرف EN مقابل عتبة داخلية (القيمة النموذجية V_ENA = 1.2 فولت). ② مصدر تيار التخلف: يوفر هذا المصدر تيار تخلف Ihys = 3.4 ميكرو أمبير لمنع التبديل المتكرر الناتج عن تقلبات الجهد.بحسب ورقة البيانات، يتضمن طرف التفعيل (EN) في شريحة TPS54561 مصدر تيار سحب لأعلى I1 = 1.2 ميكرو أمبير، ومصدر تيار تخلف Ihys = 3.4 ميكرو أمبير، وV_ENA = 1.2 فولت (عتبة طرف التفعيل). يتم ضبط عتبة UVLO باستخدام مقاومتين لتقسيم الجهد، كما هو موضح في الصيغة التالية:طريقة تهيئة TPS54561 UVLOاستخدم شبكة مقسم مقاومة خارجية لضبط جهد بدء التشغيل (V_START) وجهد الإيقاف (V_STOP):ابدأ عندما يكون جهد الإدخال ≥ 6.5 فولت (أضف خطوات 1-3 فولت إلى هدف جهد الإخراج البالغ 5 فولت، هنا 5 فولت + 1.5 فولت = 6.5 فولت).توقف عندما يكون جهد الإدخال ≤ 5 فولت (لأن جهد الإخراج المستهدف هو 5 فولت).خطوات الحساب:احسب R1/R_UVLO1:R_UVLO1 = (V_START - V_STOP) / I_HYS = (6.5V - 5V) / 3.4μA ≈ 442kΩاحسب R2/R_UVLO2:R_UVLO2 = (V_ENA * R_UVLO1) / (V_START - V_ENA + I1 * R_UVLO1) ≈ 90.9 كيلو أومتظهر النتيجة النهائية في الشكل أدناه:يعمل نظام UVLO كحارس لنظام إمداد الطاقة، حيث يتخذ إجراءً حاسماً عندما يكون الجهد غير طبيعي، مما يضيف قفل أمان لحل إمداد الطاقة الخاص بك!

عند تصميم لوحات الدوائر المطبوعة عالية السرعة أو عالية التردد، يستخدم مهندسو الإلكترونيات مبدأ 20H لتحقيق معايير التوافق الكهرومغناطيسي وتقليل الإشعاع الكهرومغناطيسي. يتطلب هذا المبدأ إبعاد مستوى الطاقة مسافة 20H عن مستوى الأرض، حيث يمثل H المسافة بينهما. كما يساهم هذا المبدأ في كبح الإشعاع عند الحواف. ينتشر التداخل الكهرومغناطيسي للخارج عند حواف اللوحة. وبإبعاد مستوى الطاقة، يتم توصيل المجال الكهربائي ضمن حدود مستوى الأرض فقط، مما يحسن التوافق الكهرومغناطيسي بشكل فعال. يمكن لطبقة خلفية بمسافة 20H حصر 70% من المجال الكهربائي عند حافة الأرض، بينما يمكن لطبقة خلفية بمسافة 100H حصر 98% من المجال.يجب أن يكون مستوى الأرض أكبر من مستوى الطاقة أو الإشارة لمنع تداخل الإشعاع الخارجي وحماية مستوى الأرض من التداخل الخارجي. عمومًا، يكفي إبعاد مستوى الطاقة بمقدار 1 مم عن مستوى الأرض أثناء تصميم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) لتحقيق مبدأ 20H. لتطبيق هذا المبدأ، عادةً ما نبعد مستوى الطاقة بمقدار 1 مم عن مستوى الأرض عند فصل طبقات اللوحة. بعد ذلك، تُحفر فتحات أرضية واقية، كل منها 150 ميل، داخل شريط الدعم بسمك 1 مم، كما هو موضح في الشكل 1.

لضمان جودة توجيه الإشارات ومنع التداخل أثناء تصميم لوحة الدوائر المطبوعة، نحافظ على مسافة بين مسارات الإشارة تساوي ثلاثة أضعاف عرض الخط. كما هو موضح في الشكل 1، تشير هذه المسافة إلى المسافة بين مراكز المسارات. ولأن عرض الخط يُعبر عنه باللغة الإنجليزية بكلمة "width"، يُشار إلى هذه القاعدة غالبًا بمبدأ 3W. عندما تكون المسافة بين مراكز المسارات ثلاثة أضعاف عرض الخط على الأقل، يُضمن خلو 70% من المجالات الكهربائية بين الخطوط من التداخل. أما إذا كان المطلوب خلو 98% من المجالات الكهربائية بين الخطوط من التداخل، فيمكن استخدام قاعدة 10W.مبدأ 3W هو مبدأ تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) يمكن للمصممين اتباعه دون الحاجة إلى تقنيات تصميم إضافية. مع ذلك، يستهلك هذا النهج مساحة كبيرة وقد يُصعّب عملية التوجيه. تتمثل نقطة البداية الأساسية لمبدأ 3W في تقليل التداخل بين المسارات. يمكن التعبير عن هذا المبدأ كما يلي: يجب أن تكون المسافة بين المسارات (المسافة بين مراكز المسارات) ثلاثة أضعاف عرض المسار الواحد. أو بدلاً من ذلك، يجب أن تكون المسافة بين مسارين أكبر من ضعف عرض المسار الواحد. على سبيل المثال، إذا كان عرض خط الساعة 6 مل، فلا يمكن توجيه المسارات الأخرى إلا على بُعد 2 × 6 مل من هذا المسار، أو يجب أن تكون المسافة بين حواف المسارات أكبر من 12 مل. يُمكن تطبيق مبدأ 3W بسهولة في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة من خلال ضمان أن تكون المسافة بين مراكز المسارات ثلاثة أضعاف عرض المسار. على سبيل المثال، إذا كان عرض المسار 6 مل، فيمكن في برنامج Allegro ضبط قاعدة المسافة بين الخطوط على 12 مل لتحقيق مبدأ 3W. يتم حساب المسافة في البرنامج بناءً على المسافة من الحافة إلى الحافة، كما هو موضح في الشكل 2. 

تيار البدء هو تيار عابر وعالي الارتفاع يتولد عند تشغيل مصدر الطاقة أو الجهاز. في مصادر الطاقة والأنظمة الإلكترونية، يُعد تيار البدء غير مرغوب فيه لأنه قد يُسبب إجهادًا زائدًا للجهاز وتلفه.تستخدم دوائر إمداد الطاقة من نوع Buck دائرة بدء تشغيل تدريجي للتحكم في معدل ارتفاع التيار أثناء بدء تشغيل النظام، مما يوفر الطاقة تدريجيًا للحمل ويقلل من تأثير تيار البدء المفاجئ على النظام. تتحقق وظيفة بدء التشغيل التدريجي في إمداد الطاقة من نوع Buck عن طريق ضبط مكثف بدء التشغيل التدريجي. يعمل هذا المكثف على كبح تيار البدء المفاجئ بشكل فعال، مما يمنع تيار شحن مكثف الخرج من تجاوز حد تيار إمداد الطاقة أثناء بدء التشغيل. يقلل هذا من ارتفاع التيار المفاجئ في دائرة التبديل نفسها والأحمال المتصلة بها، ويقلل من انخفاضات جهد الدخل. علاوة على ذلك، يضمن ضبط وقت بدء التشغيل التدريجي بشكل صحيح ارتفاعًا سلسًا لجهد الخرج، مما يمنع حدوث أي تقلبات..لنأخذ شريحة TPS54561DPRT من شركة TI كمثال. يظهر مخططها الوظيفي الداخلي في الشكل 1. تُنفذ شريحة TPS54561DPRT خاصية البدء التدريجي عن طريق توصيل مكثف خارجي بدبوس SS/TR. تُعبّر العلاقة بين الفولت والأمبير للمكثف عن نفسها بالمعادلة I = C * dV / dt. وهذا يُبيّن أنه كلما زادت سعة المكثف، ارتفع الجهد، وكلما قصر زمن الشحن، زاد تيار الشحن. بعبارة أخرى، بالنسبة لسعة مُحددة، تتناسب قيمة تيار شحن المكثف طرديًا مع معدل تغير الجهد. يُطبّق جهاز تزويد الطاقة ذو التبديل الخافض النموذجي زمن بدء تشغيل ناعم قابل للضبط عن طريق توصيل مكثف بدء تشغيل ناعم خارجي (CSS) بدبوس بدء التشغيل الناعم (SS). يقوم مصدر تيار الشحن الداخلي لبدء التشغيل الناعم (ISS) بشحن مكثف بدء التشغيل الناعم (CSS) ثم يقارنه بالجهد المرجعي (VREF) لتحديد نهاية عملية بدء التشغيل الناعم. وفقًا لمعادلة شحن المكثف (I = C*ΔV/ΔT)، فإن الزمن (TSS) اللازم لشحن جهد مكثف بدء التشغيل الناعم من الصفر إلى (VREF) هو:TSS_SET = CSS * VREF/ISS (المعادلة 1)في دائرة محول خافض للجهد، بافتراض أن جهد الخرج المطلوب هو VOUT، وسعة مكثف الخرج هي COUT، وتيار بدء الشحن لمكثف الخرج هو IINRUSH، فإن الزمن اللازم لارتفاع جهد مكثف الخرج (أي جهد الخرج) من الصفر إلى جهد الخرج المطلوب هو TSS_OUT. باستخدام معادلة شحن المكثف، نحصل على:TSS_OUT = COUT * VOUT/IINRUSH (المعادلة 2)يشترط لبدء تشغيل مصدر طاقة تبديلي أن يرتفع جهد مكثف بدء التشغيل التدريجي من الصفر إلى الجهد المرجعي (VREF) خلال فترة بدء التشغيل التدريجي (TSS_SET)، وأن يرتفع جهد مكثف الخرج من الصفر إلى القيمة المحددة (VOUT) خلال نفس الفترة الزمنية. وبالتالي، نحصل على:TSS_SET = TSS_OUT (المعادلة 3)الصيغة النهائية لحساب مكثف بدء التشغيل التدريجي هي: (المعادلة 4)عند بدء تشغيل محول التبديل، يُشار عادةً إلى التيار الذي يشحن مكثف الخرج بتيار البدء، IINRUSH. ويتراوح هذا التيار عادةً بين 5% و10% من تيار الحمل الأقصى لمحول التبديل، IOUT,MAX. إذا كان تيار البدء، IINRUSH، يساوي 5% من تيار الخرج الأقصى لمصدر طاقة التبديل، IOUT,MAX، فإن IINRUSH = 5% × IOUT. وبالتعويض عن IINRUSH = 5% × IOUTMAX في المعادلة 4، نحصل على التعبير التالي لمكثف بدء التشغيل التدريجي، CSS: (المعادلة 5) على سبيل المثال، باستخدام شريحة TPS54561DPRT، تكون بيانات الحساب الفعلية كما يلي:المتطلبات: VOUT = 5.0 فولت، COUT = 3 * 47 ميكروفاراد = 141 ميكروفاراد، IOUT,MAX = 5.0 أمبيرالمعلمات: ISS = 1.7 ميكرو أمبير، VREF = 0.8 فولت، IINRUSH = 5% * 5.0 أمبير = 0.25 أمبيرنتائج الحساب:يُستخدم مكثف قياسي سعته قريبة من 10 نانوفاراد. وهذا هو السبب في أن قيمة C13 تساوي 0.01 ميكروفاراد في الشكل أدناه.يُعدّ ضبط مكثفات بدء التشغيل التدريجي خطوةً أساسيةً في كبح تيار البدء وضمان استقرار النظام. باختيار سعة المكثف المناسبة، يمكنك حماية المكونات مع تلبية متطلبات بدء التشغيل في مختلف السيناريوهات.  

تيار البدء هو تيار عابر وعالي الارتفاع يتولد عند تشغيل مصدر الطاقة أو الجهاز. في مصادر الطاقة والأنظمة الإلكترونية، يُعد تيار البدء غير مرغوب فيه لأنه قد يُسبب إجهادًا زائدًا للجهاز وتلفه.تستخدم دوائر إمداد الطاقة من نوع Buck دائرة بدء تشغيل تدريجي للتحكم في معدل ارتفاع التيار أثناء بدء تشغيل النظام، مما يوفر الطاقة تدريجيًا للحمل ويقلل من تأثير تيار البدء المفاجئ على النظام. وتتحقق وظيفة بدء التشغيل التدريجي في إمداد الطاقة Buck من خلال ضبط مكثف بدء التشغيل التدريجي. يؤدي ذلك إلى كبح تيار البدء المفاجئ بشكل فعال، ومنع تيار شحن مكثف الخرج من تجاوز حد تيار إمداد الطاقة أثناء بدء التشغيل. يقلل هذا من ارتفاع التيار المفاجئ على دائرة التبديل نفسها والأحمال المتصلة بها، ويقلل من انخفاضات جهد الدخل. علاوة على ذلك، يضمن ضبط وقت بدء التشغيل التدريجي بشكل صحيح ارتفاعًا سلسًا لجهد الخرج، مما يمنع حدوث أي تقلبات.لنأخذ شريحة TPS54561DPRT من شركة TI كمثال. يظهر مخططها الوظيفي الداخلي في الشكل 1. تُنفذ شريحة TPS54561DPRT خاصية البدء التدريجي عن طريق توصيل مكثف خارجي بدبوس SS/TR. تُعبّر العلاقة بين الفولت والأمبير للمكثف عن طريق المعادلة I = C * dV / dt. لذا، كلما زادت سعة المكثف، ارتفع الجهد، وكلما قصر زمن الشحن، زاد تيار الشحن. بعبارة أخرى، بالنسبة لسعة معينة، يتناسب مقدار تيار شحن المكثف طرديًا مع معدل تغير الجهد. يُطبّق جهاز تزويد الطاقة ذو التبديل الخافض النموذجي زمن بدء تشغيل ناعم قابل للضبط عن طريق توصيل مكثف بدء تشغيل ناعم خارجي (CSS) بدبوس بدء التشغيل الناعم (SS). يقوم مصدر تيار الشحن الداخلي لبدء التشغيل الناعم (ISS) بشحن مكثف بدء التشغيل الناعم (CSS) ثم يقارنه بالجهد المرجعي (VREF) لتحديد نهاية عملية بدء التشغيل الناعم. وفقًا لمعادلة شحن المكثف I = C * ΔV / ΔT، فإن الزمن TSS اللازم لشحن جهد مكثف بدء التشغيل الناعم من الصفر إلى VREF هو:TSS_SET = CSS * VREF / ISS (المعادلة 1)في دائرة محول خافض للجهد، بافتراض أن جهد الخرج المطلوب هو VOUT، وسعة مكثف الخرج هي COUT، وتيار بدء الشحن لمكثف الخرج هو IINRUSH، فإن الزمن اللازم لارتفاع جهد مكثف الخرج (أي جهد الخرج) من الصفر إلى جهد الخرج المطلوب هو TSS_OUT. باستخدام معادلة شحن المكثف، نحصل على:TSS_OUT = COUT * VOUT / IINRUSH (المعادلة 2)يشترط لبدء تشغيل مصدر طاقة تبديلي أن يتم شحن جهد مكثف بدء التشغيل التدريجي من الصفر إلى الجهد المرجعي (VREF) خلال فترة بدء التشغيل التدريجي (TSS_SET)، وأن يتم شحن جهد مكثف الخرج من الصفر إلى القيمة المحددة (VOUT) خلال نفس الفترة الزمنية. وبالتالي، نحصل على:TSS_SET = TSS_OUT (المعادلة 3)الصيغة النهائية لحساب مكثف بدء التشغيل التدريجي هي:(المعادلة 4)عند بدء تشغيل محول التبديل، يُشار عادةً إلى التيار الذي يشحن مكثف الخرج بتيار البدء، IINRUSH. ويتراوح هذا التيار عادةً بين 5% و10% من تيار الحمل الأقصى لمحول التبديل، IOUT,MAX. إذا كان تيار البدء، IINRUSH، يساوي 5% من تيار الخرج الأقصى لمصدر طاقة التبديل، IOUT,MAX، فإن IINRUSH = 5% × IOUT. وبالتعويض عن IINRUSH = 5% × IOUTMAX في المعادلة 4، نحصل على التعبير التالي لمكثف بدء التشغيل التدريجي، CSS:(المعادلة 5)على سبيل المثال، باستخدام شريحة TPS54561DPRT، تكون بيانات الحساب الفعلية كما يلي:المتطلبات: VOUT = 5.0 فولت، COUT = 3 * 47 ميكروفاراد = 141 ميكروفاراد، IOUT,MAX = 5.0 أمبيرالمعلمات: ISS = 1.7 ميكرو أمبير، VREF = 0.8 فولت، IINRUSH = 5% * 5.0 أمبير = 0.25 أمبيرنتائج الحساب:يُستخدم مكثف قياسي سعته قريبة من 10 نانوفاراد. وهذا هو السبب في أن قيمة C13 تساوي 0.01 ميكروفاراد في الشكل أدناه.يُعدّ ضبط مكثفات بدء التشغيل التدريجي خطوةً أساسيةً في كبح تيار البدء وضمان استقرار النظام. باختيار سعة المكثف المناسبة، يمكنك حماية المكونات مع تلبية متطلبات بدء التشغيل في مختلف السيناريوهات. 

تُنظّم منظمات الجهد الخطي المنخفض (LDOs) جهد خرجها لضمان استقرار التشغيل في ظل متطلبات تيار الحمل المتغيرة. مع ذلك، عندما يتجاوز تيار الحمل النطاق المصمم له، كما في حالة قصر الدائرة أو الحمل الزائد، قد يتسبب التيار الزائد في ارتفاع درجة حرارة الشريحة أو حتى تلفها. ولمعالجة هذه المشكلة، ظهرت آليات حماية من التيار الزائد للحد من تيار الخرج وحماية كل من منظم الجهد الخطي المنخفض والحمل المتصل به. تحتوي منظمات الجهد الخطي المنخفض عادةً على آليتين للحماية من التيار الزائد: الحد الأقصى للتيار وإيقاف التشغيل عند زيادة التيار.1. تحديد التيار بواسطة جدار من الطوبكما يوحي اسمه، فإنّ تحديد التيار عند نقطة الانهيار هو آلية قطع صارمة. فعندما يتجاوز تيار الخرج الحدّ المُسبق I_LIMIT، يقوم منظم الجهد الخطي المنخفض (LDO) بتقييد تيار الخرج بسرعة إلى I_LIMIT. وبسبب ارتفاع تيار الحمل، ترتفع درجة حرارة منظم الجهد الخطي المنخفض تدريجيًا. وبمجرد الوصول إلى درجة حرارة الحماية، يتم إيقاف تشغيل خرج منظم الجهد الخطي المنخفض فورًا. ومن خلال منحنى جهد الخرج مقابل تيار الخرج، يُشبه هذا "جدارًا صلبًا" يمنع زيادة التيار. على سبيل المثال، تشير بيانات TPS7A16 إلى أن عتبة تحديد التيار عند نقطة الانهيار هي 105 مللي أمبير (قيمة نموذجية).كما هو موضح في منحنى جهد الخرج مقابل تيار الحمل في الشكل أعلاه، عندما يتجاوز تيار الحمل قيمة I_LIMIT ويؤدي إلى تفعيل حماية منظم الجهد الخطي (LDO) من الحرارة، ينخفض ​​جهد الخرج بشكل حاد. تُنفذ هذه الآلية عادةً من خلال دائرة استشعار تيار داخلية مُدمجة مع دائرة حماية من الحرارة. يتضمن التركيب الداخلي لمنظم الجهد الخطي مرآة تيار لكشف التيار. عندما يتجاوز التيار المُستشعر قيمة التيار المرجعي المُحددة، يتم تفعيل حد التيار، وترتفع درجة حرارة منظم الجهد الخطي، وعندما تصل إلى درجة حرارة الحماية، يتم إيقاف تشغيل ترانزستور الطاقة، مما يؤدي إلى قطع الخرج.يشير هذا إلى أن تحديد التيار باستخدام جدار صلب أكثر أمانًا أثناء حالات التحميل الزائد قصيرة المدى. تتمثل خصائصه في قدرته على تحمل حالات التحميل الزائد قصيرة المدى، ولكن في حال استمرار التحميل الزائد، فإن تراكم الحرارة سيؤدي إلى إيقاف التشغيل الحراري.2. حد التيار العكسييُشبه تحديد التيار بالانحياز إلى حد كبير تحديد الحد الأعلى القياسي. إلا أن غرضه الأساسي هو الحد من إجمالي تبديد الطاقة. وهذا يعني أنه مع انخفاض جهد الخرج (VOUT) وثبات جهد الدخل (VIN)، يتم تقليل حد تيار الخرج خطيًا للحفاظ على ترانزستور الخرج ضمن حد آمن لتبديد الطاقة. تستفيد أجهزة مثل TLV717P من تحديد التيار بالانحياز لأنها تُصنع في الغالب في عبوات صغيرة جدًا ذات مقاومة حرارية عالية. يوضح الشكل 3 سلوك حد تيار الخرج لجهاز TLV717P. وكما هو واضح، بما أن VIN مُحدد عند VOUT + 0.5 فولت، فإن الحد الأقصى المسموح به لتبديد الطاقة عند 25 درجة مئوية هو 150 مللي واط. بعد تجاوز حد التيار وبدء انخفاض VOUT (بافتراض ثبات مقاومة الحمل RLOAD)، ينخفض ​​كل من تيار الخرج (IOUT) وتبديد الطاقة. يُضيف هذا تعقيدًا طفيفًا للأجهزة غير الأومية التي تستهلك تيارًا ثابتًا، وقد يؤدي إلى حالة تثبيت حيث يستمر الجهاز المُغذى في خفض VOUT.خارج ويستمر منظم الجهد المنخفض في تقليل التيار Iخارج.3. إيقاف التشغيل بسبب التيار الزائدعلى عكس تقنيتي تحديد التيار عند الحد الأقصى والحد العكسي للتيار، تعتمد حماية إيقاف التشغيل عند زيادة التيار على آلية إيقاف تشغيل داخلية سريعة. يتضمن الهيكل الداخلي لمنظم الجهد الخطي المنخفض (LDO) مرآة تيار لاستشعار التيار ومقارنًا لتمكين إيقاف تشغيل خرج التيار الزائد بسرعة. عندما يصل تيار خرج منظم الجهد الخطي المنخفض إلى تيار الحماية من التيار الزائد، يتم إيقاف تشغيل المنظم مباشرةً. لذلك، تُعد حماية عتبة التيار أسرع من تقنيتي تحديد التيار عند الحد الأقصى والحد العكسي للتيار. في حال وجود حمل سعوي كبير على خرج منظم الجهد الخطي المنخفض، سيتعرض الخرج لتيار بدء تشغيل كبير، مما قد يؤدي إلى تفعيل خاصية إيقاف التشغيل عند زيادة التيار، وبالتالي منع بدء تشغيل المنظم بشكل صحيح. في هذه الحالة، لا يُنصح باختيار منظم جهد خطي منخفض مزود بخاصية إيقاف التشغيل عند زيادة التيار.

عندما نقوم بتصميم الدائرة الطرفية لواجهة IIC، فإننا عادةً ما نستخدم مخطط الطوبولوجيا مع مقاومة السحب لأعلى الموضحة في الشكل 1، وهيكلها الداخلي هو خرج المصرف المفتوح الموضح في الشكل 2.يتم التحكم بمستوى خرج الدائرة المفتوحة بواسطة مقاومة سحب خارجية ومنطق داخلي، مما يسمح بخفض مستوى ناقل البيانات ثم تحريره. تتكون دائرة ناقل البيانات المفتوحة من ترانزستور NMOS، يتم تشغيله وإيقافه بواسطة إشارة تحكم. عندما تُشغّل إشارة التحكم ترانزستور NMOS، يكون الخرج منخفضًا. وعندما تُطفئ إشارة التحكم ترانزستور NMOS، يكون الخرج عائمًا، مما يتطلب مقاومة سحب خارجية لإخراج مستوى عالٍ. يُتيح هذا التصميم لبوابة التصريف المفتوح التحكم بمرونة في مستوى ناقل البيانات مع تجنب تشغيله المباشر، مما يضمن اتصالاً آمناً بين الأجهزة المتعددة. وتتجلى مزايا استخدام هذا المخرج ذي التصريف المفتوح في الجوانب التالية: 1. منع حدوث قصر الدائرة في حال استخدام تصميم الدفع والسحب بدلاً من تصميم التصريف المفتوح، وتوصيل عدة أجهزة بنفس ناقل البيانات، وإخراج منفذ إدخال/إخراج في أحد الأجهزة إشارة عالية بينما يُخرج منفذ إدخال/إخراج في جهاز آخر إشارة منخفضة، سيحدث تماس كهربائي بين توصيلات VCC وGND لهذين المنفذين، مما يُسبب تلفًا في الدائرة. أما تصميم التصريف المفتوح فيُزيل هذه المشكلة. وبغض النظر عن عدد الأجهزة المتصلة بناقل البيانات، فلا يوجد خطر حدوث تماس كهربائي. 2. زيادة قدرة القيادة وتقليل استهلاك الطاقةيُتيح توصيل مقاومة سحب لأعلى بطرف خرج التصريف إمكانية تغيير مستوى الجهد، مما يُعزز قدرة القيادة. ويستفيد هذا من قدرة القيادة للدائرة الخارجية لتقليل قدرة القيادة الداخلية للدائرة المتكاملة. فعندما يكون ترانزستور MOSFET الداخلي في الدائرة المتكاملة قيد التشغيل، يتدفق تيار القيادة من مصدر الطاقة الخارجي (VCC) عبر مقاومة السحب لأعلى، ثم إلى ترانزستور MOSFET، وصولًا إلى الأرضي (GND). ولا يتطلب الأمر سوى تيار قيادة بوابة صغير داخل الدائرة المتكاملة.3. استخدم "Wired AND" لتحديد حالة نشاط الناقليمكن توصيل عدة دبابيس إخراج مفتوحة التصريف بخط واحد لتشكيل علاقة منطقية "و"، تُعرف بوظيفة "و السلكية". عندما ينخفض ​​مستوى أي دبوس، يصبح مستوى المنطق على خط التصريف المفتوح صفرًا. هذا هو المبدأ نفسه الذي تستخدمه ناقلة I2C لتحديد حالة نشاط الناقلة.4. تسهيل تغيير مستوى الإخراجيمكن تغيير مستوى الإرسال عن طريق تغيير جهد مصدر الطاقة للسحب لأعلى، بينما يتم تحديد مستوى الإخراج العالي بواسطة VDD.

تُنظّم منظمات الجهد الخطي المنخفض (LDOs) جهد خرجها لضمان استقرار التشغيل في ظل متطلبات تيار الحمل المتغيرة. مع ذلك، عندما يتجاوز تيار الحمل النطاق المصمم له، كما في حالة قصر الدائرة أو الحمل الزائد، قد يتسبب التيار الزائد في ارتفاع درجة حرارة الشريحة أو حتى تلفها. ولمعالجة هذه المشكلة، ظهرت آليات حماية من التيار الزائد للحد من تيار الخرج وحماية كل من منظم الجهد الخطي المنخفض والحمل المتصل به. تحتوي منظمات الجهد الخطي المنخفض عادةً على آليتين للحماية من التيار الزائد: الحد الأقصى للتيار وإيقاف التشغيل عند زيادة التيار.1. تحديد التيار بواسطة جدار من الطوب كما يوحي الاسم، فإن تحديد التيار عند نقطة الانهيار هو آلية قطع "صارمة". عندما يتجاوز تيار الخرج حد التيار المحدد مسبقًا، I_LIMIT، يُحدِّد منظم الجهد الخطي المنخفض (LDO) تيار الخرج بسرعة إلى قيمة I_LIMIT. ونظرًا لارتفاع تيار الحمل، ترتفع درجة حرارة منظم الجهد الخطي المنخفض تدريجيًا. وبمجرد تجاوز درجة حرارة الحماية، يتم إيقاف تشغيل خرج منظم الجهد الخطي المنخفض فورًا. ويُشبه منحنى جهد-تيار الخرج "جدارًا صلبًا" يمنع زيادة التيار. على سبيل المثال، تُشير بيانات TPS7A16 إلى أن عتبة حد التيار عند "الجدار الصلب" تبلغ 105 مللي أمبير (قيمة نموذجية).كما هو موضح في منحنى جهد الخرج مقابل تيار الحمل في الشكل أعلاه، عندما يتجاوز تيار الحمل قيمة I_LIMIT ويؤدي إلى تفعيل حماية منظم الجهد الخطي (LDO) من الحرارة، ينخفض ​​جهد الخرج بشكل حاد. تُنفذ هذه الآلية عادةً من خلال دائرة استشعار تيار داخلية مُدمجة مع دائرة حماية من الحرارة. يتضمن التركيب الداخلي لمنظم الجهد الخطي مرآة تيار لكشف التيار. عندما يتجاوز التيار المُستشعر قيمة التيار المرجعي المُحددة، يتم تفعيل حد التيار، وترتفع درجة حرارة منظم الجهد الخطي، وعندما تصل إلى درجة حرارة الحماية، يتم إيقاف تشغيل ترانزستور الطاقة، مما يؤدي إلى قطع الخرج.يشير هذا إلى أن تحديد التيار باستخدام جدار صلب أكثر أمانًا أثناء حالات التحميل الزائد قصيرة المدى. تتمثل خصائصه في قدرته على تحمل حالات التحميل الزائد قصيرة المدى، ولكن في حال استمرار التحميل الزائد، فإن تراكم الحرارة سيؤدي إلى إيقاف التشغيل الحراري.2. حد التيار العكسييُشبه تحديد التيار بالانحياز إلى حد كبير تحديد الحد الأعلى القياسي. إلا أن غرضه الأساسي هو الحد من إجمالي تبديد الطاقة. وهذا يعني أنه مع انخفاض جهد الخرج (VOUT) وثبات جهد الدخل (VIN)، يتم تقليل حد تيار الخرج خطيًا للحفاظ على ترانزستور الخرج ضمن حد آمن لتبديد الطاقة. تستفيد أجهزة مثل TLV717P من تحديد التيار بالانحياز لأنها تُصنع في الغالب في عبوات صغيرة جدًا ذات مقاومة حرارية عالية. يوضح الشكل 3 سلوك حد تيار الخرج لجهاز TLV717P. وكما هو واضح، بما أن جهد الدخل (VIN) مُحدد عند VOUT + 0.5 فولت، فإن الحد الأقصى المسموح به لتبديد الطاقة عند 25 درجة مئوية هو 150 ميلي واط. بعد تجاوز حد التيار وبدء انخفاض جهد الخرج (VOUT) (بافتراض ثبات مقاومة الحمل RLOAD)، ينخفض ​​كل من تيار الخرج (IOUT) وتبديد الطاقة. وهذا يضيف تعقيدًا طفيفًا للأجهزة غير الأومية التي تستهلك تيارًا ثابتًا ويمكن أن يؤدي إلى حالة تثبيت حيث يستمر الجهاز المزود بالطاقة في تقليل VOUT ويستمر منظم الجهد الخطي المنخفض في تقليل IOUT.3. إيقاف التشغيل بسبب التيار الزائدعلى عكس تقنيتي تحديد التيار عند الحد الأقصى والحد العكسي للتيار، تعتمد حماية إيقاف التشغيل عند زيادة التيار على آلية إيقاف تشغيل داخلية سريعة. يتضمن الهيكل الداخلي لمنظم الجهد الخطي المنخفض (LDO) مرآة تيار لاستشعار التيار ومقارنًا لتحقيق إيقاف تشغيل سريع عند زيادة التيار. عندما يصل تيار خرج منظم الجهد الخطي المنخفض إلى مستوى الحماية من زيادة التيار، يتم إيقاف تشغيله فورًا. لذلك، تُعد حماية عتبة التيار أسرع من تقنيتي تحديد التيار عند الحد الأقصى والحد العكسي للتيار. في حال تحميل خرج منظم الجهد الخطي المنخفض بحمل سعوي كبير، سيتعرض لتيار بدء تشغيل عالٍ، مما قد يؤدي إلى تفعيل آلية إيقاف التشغيل عند زيادة التيار ومنعه من بدء التشغيل بشكل صحيح. في هذه الحالة، لا يُنصح باختيار منظم جهد خطي منخفض مزود بخاصية إيقاف التشغيل عند زيادة التيار.

يُعد تردد الرنين لشريحة مقياس التسارع مؤشر أداء مهمًا للغاية، وهو مرتبط بنطاق تردد التشغيل الخاص بالمستشعر.1. تعريف التردد الرنينييُعدّ مستشعر التسارع نفسه بنيةً ميكانيكية، لذا فهو يمتلك ترددًا طبيعيًا. وكما هو موضح في منحنى السعة والتردد في الشكل 1، عندما يقترب تردد الاهتزاز الخارجي من تردد الرنين، يرن المستشعر، وتزداد حساسية مقياس التسارع بسرعة. والتردد المقابل في هذه الحالة هو تردد الرنين.2. تأثير تردد الرنين على أداء المستشعركلما صغر حجم المستشعر، ارتفع تردد الرنين. يعتمد الحد الأعلى لتردد مقياس التسارع على تردد الرنين في منحنى السعة-التردد. عمومًا، يكون نطاق تردد تشغيل مستشعر مقياس التسارع أقل من ثلث تردد رنينه. عندما يكون تردد الاهتزاز المقاس أقل بكثير من تردد الرنين، تكون إشارة خرج مقياس التسارع متناسبة مع التسارع المقاس.3. العوامل المؤثرة على تردد الرنينكما ذُكر سابقًا، إذا زاد تردد الرنين لشريحة المستشعر، يتسع نطاق تردد التشغيل، ويصبح نطاق التردد المسطح للمستشعر أوسع، ويتسع نطاق العمل، ويمكن استخدام مقياس التسارع في سيناريوهات أكثر، وتتحسن قابليته للتطبيق. ولكن في الواقع، هناك قيود على زيادة تردد الرنين. فبحسب الصيغة التالية، كلما صغر حجم الكتلة، زاد تردد الرنين.حيث f0 هو التردد الرنيني، و K هي الصلابة المكافئة لمقياس التسارع، و M هي الكتلة المكافئة للمستشعر.لذا، يُعدّ تردد الرنين قيدًا أساسيًا يُحدد نطاق استجابة التردد المتاح لمقياس التسارع. يتطلب التصميم والتطبيق الأمثلان أن يكون تردد التشغيل أقل من ثلث تردد الرنين، وفي التطبيقات عالية الدقة، يجب أن يكون أقل من خُمس تردد الرنين لضمان الخطية والموثوقية. يتميز استجابة التردد لمقياس التسارع ADXL356 الموضح في الشكل 2 بتردد رنين يبلغ حوالي 5.5 كيلوهرتز وعرض نطاق ترددي 3 ديسيبل يبلغ 2.5 كيلوهرتز. في التطبيقات عالية الدقة، يُضبط تردد القطع لمرشح التمرير المنخفض عادةً على أقل من 1 كيلوهرتز.