کم فارورڈ وولٹیج ڈراپ: کم وولٹیج پاور سپلائیز میں کارکردگی کو بڑھانا

شاٹکی بیریئر کے موصلیت کا طبیعیاتی اصول اور V کے کم ہونے کا باعث _ت

شاٹکی ڈایوڈز مختلف طریقے سے کام کرتے ہیں کیونکہ وہ عام ڈایوڈز میں پائے جانے والے معمولی p-n جنکشن کے بجائے ایک دھات-سیمی کنڈکٹر جنکشن تشکیل دیتے ہیں۔ اس کا مطلب یہ ہے کہ اقلیتی کیریئر کے انجریکشن کی ضرورت نہیں ہوتی، جس کی وجہ سے روایتی سیٹ اپس میں دیکھے جانے والے تناؤ کے علاقے کے ری کمبینیشن کے نقصانات ختم ہو جاتے ہیں۔ نتیجہ؟ اکثریتی کیریئرز کا کنڈکشن بہت کم رکاوٹ کے ممکنہ وولٹیج کے ساتھ ہوتا ہے۔ اس بارے میں غور کریں: تقریباً 0.15 وولٹ سے 0.45 وولٹ تک، جبکہ معیاری سلیکان ڈایوڈز کو 0.7 وولٹ سے 1.1 وولٹ تک کی ضرورت ہوتی ہے۔ الیکٹرانز براہِ راست n-type سیمی کنڈکٹر مواد سے دھاتی کنٹیکٹ میں بہہ جاتے ہیں، اس لیے عمل کے دوران تقریباً کوئی توانائی ضائع نہیں ہوتی۔ خاص طور پر 5 وولٹ کی بجلی کی فراہمی کے معاملے میں، یہ شاٹکی ڈایوڈز روایتی اختیارات کے مقابلے میں فارورڈ وولٹیج ڈراپ کو تقریباً 60 فیصد سے 80 فیصد تک کم کر سکتے ہیں۔ یہ حقیقتی فرق پیدا کرتا ہے کیونکہ کنڈکشن کے نقصانات عام طور پر کم وولٹیج اور زیادہ کرنٹ کی صورتحال کے ساتھ سب سے زیادہ مسئلہ خیز ہوتے ہیں۔

پیمائش کردہ کارکردگی میں اضافہ: 3.3V/5V ڈی سی-ڈی سی کنورٹرز میں 2–5% اضافہ

سینکرون بک کنورٹرز کے خودمختار معیاری جانچ کے نتائج سے یہ تصدیق ہوتی ہے کہ جب شاٹکی ڈایوڈز سلیکون ریکٹیفائرز کی جگہ لیتے ہیں تو سسٹم سطح پر مستقل کارکردگی میں بہتری آتی ہے۔ صنعتی اور سرور درجہ کے ڈیزائنز پر 2023ء میں کئی مطالعات سے 2–5% کے فائدے سامنے آئے ہیں—خاص طور پر 3.3V اور 5V آؤٹ پٹس پر جہاں موصلیت کے نقصانات وولٹیج کے الٹے تناسب میں بڑھتے ہیں۔ 20A آؤٹ پٹ پر نمائندہ نتائج درج ذیل ہیں:

یہ بہتریاں براہ راست جگہ کی پابندی والے درجہ کے اطلاقی منصوبوں میں حرارتی انتظام کو آسان بناتی ہیں— بشمول سرور پاور ماڈیولز، آٹوموٹو ای سی یو (ECUs)، اور پورٹیبل الیکٹرانکس— جہاں ہر ایک واٹ بچانا حالیہ میدانی مطالعات کے مطابق بیٹری کی عمر کو 15–20% تک بڑھا دیتا ہے۔

اسکریم فاسٹ سوئچنگ: اعلیٰ فریکوئنسی اور مختصر سی ایم پی ایس (SMPS) ڈیزائن کو ممکن بنانا

کم اقلیتی کیریئر اسٹوریج اور ذیرو ریورس ریکوری

شوتکی ڈائیوڈ عام ڈائیوڈز سے مختلف طریقے سے کام کرتے ہیں کیونکہ وہ موصلیت کے دوران صرف اکثریتی حاملین (میجرٹی کیریئرز) کا استعمال کرتے ہیں۔ عملی طور پر اس کا مطلب یہ ہے کہ اقلیتی حاملین (مائنورٹی کیریئرز) سے متعلق ذخیرہ کرنے کی تاخیر (سٹوریج ڈیلے) نہیں ہوتی۔ اور یہی بات پی این جنکشن ڈائیوڈز کے لیے بنیادی طور پر مشکل کا باعث بننے والے ریورس ری کوری کرنٹ اسپائیکس (الٹی طرف واپسی کا کرنٹ بلند اُبھار) کے معاملے میں تمام فرق پیدا کرتی ہے۔ یہاں ریورس ری کوری ٹائم ایک نینو سیکنڈ سے بھی کافی کم ہو جاتا ہے، اس لیے یہ ڈائیوڈز کئی میگا ہرٹز کی آپریٹنگ فریکوئنسی پر بھی صاف طریقے سے بند ہو سکتے ہیں۔ مثال کے طور پر، 500 کلو ہرٹز کی فریکوئنسی رینج میں کام کرنے والے بک ریگولیٹرز میں، ان کے مقابلے میں سوچی گئی اُلٹرافاسٹ سلیکون متبادل ڈائیوڈز کے مقابلے میں سوئچنگ نقصانات میں تقریباً 2 سے 5 فیصد کی کمی دیکھی گئی ہے۔ پاور الیکٹرانکس انٹرنیشنل کے ذریعہ گذشتہ سال شائع ہونے والی ایک تحقیق اس بات کی تصدیق کرتی ہے۔ ان تمام بہتریوں کا نتیجہ کم الیکٹرو میگنیٹک تداخل (ایم آئی)، ٹھنڈے چلنے والے اجزاء اور بہتر طاقت کے پیکنگ کے امکانات ہیں۔ یہ فوائد ان حالات میں بہت اہم ہوتے ہیں جہاں حرارت کے انتظام کا معاملہ مشکل ہو یا جہاں جگہ کی تنگی کی وجہ سے متراکب (کمپیکٹ) طاقت کے حل کی ضرورت ہو۔

گیلیئم نائٹرائڈ (GaN) اور سلیکون کاربائیڈ (SiC) پاور اسٹیجز کے ساتھ 1 میگا ہرٹز سے زیادہ آپریشن کی حمایت

گیلیئم نائٹرائڈ (GaN) اور سلیکون کاربائیڈ (SiC) سے بنے ٹرانزسٹرز آج کل 1 میگاہرٹز سے بھی زیادہ فریکوئنسیز کو سنبھال سکتے ہیں۔ لیکن ان کی کارکردگی کے لیے جو واقعی اہم ہے، وہ ہے کہ ان ریکٹیفائرز کی کام کرنے کی رفتار کتنی تیز ہے۔ ہم یہاں جو شاٹکی ڈایوڈز استعمال کرتے ہیں، خاص طور پر وہ جو سلیکون کاربائیڈ پر مبنی ہیں، ان کا ریکوری ٹائم نینو سیکنڈ کے اجزاء میں ماپا جاتا ہے۔ یہ GaN اور SiC کے آلے کے سوئچنگ پوائنٹس کے ساتھ تقریباً بالکل ہم آہنگ ہوتے ہیں۔ جب یہ ہوتا ہے، تو سرکٹ کی حالت تبدیل ہونے کے دوران پیدا ہونے والے تنگی دینے والے وولٹیج اسپائکس روک دیے جاتے ہیں۔ ہم کئی میگاہرٹز پر کام کرنے والے ڈیزائنز میں الیکٹرو میگنیٹک انٹرفیرنس میں تقریباً 15 ڈی بی کی کمی دیکھ رہے ہیں۔ اور اس کا ایک اور فائدہ یہ بھی ہے کہ تیز سوئچنگ کی وجہ سے ٹرانسفارمرز اور انڈکٹرز کے سائز میں کمی آجاتی ہے۔ یہ اجزاء روایتی 100 کلوہرٹز سسٹمز کے مقابلے میں 60 فیصد سے زیادہ چھوٹے ہو سکتے ہیں۔ یہی وجہ ہے کہ انجینئرز کمپیکٹ پاور سپلائیز کے لیے شاٹکی ڈایوڈز پر اتنا زیادہ انحصار کرتے ہیں جو 1 کلو واٹ سے زیادہ طاقت کو ایک ایسی چھوٹی جگہ میں سمیٹ سکتے ہیں جو سرور ریک یا بجلی کی گاڑی کے چارجنگ اسٹیشن میں آسانی سے فٹ ہو جائے، اور پھر بھی اچھی کارکردگی اور قابل اعتماد عمل کو برقرار رکھ سکیں۔

اہم درخواستیں: جدید پاور سپلائی یونٹس (PSUs) میں تصحیح اور آزاد گردش

ہم آہنگ تصحیح، OR-ing، اور کلیمپ سرکٹ کے کردار

شاٹکی ڈایوڈز جدید پاور سپلائی یونٹس (PSUs) میں تین لازمی افعال ادا کرتے ہیں:

• سنکرونس ریکٹیفیکیشن : ڈی سی-ڈی سی کنورٹرز کی ثانوی طرف، ان کا کم 0.3–0.5V فارورڈ ڈراپ وہ توانائی بحال کرتا ہے جو دوسری صورت میں حرارت کے طور پر ضائع ہو جاتی ہے—جس سے 48V سرور PSUs میں کارکردگی تقریباً 4% تک بڑھ جاتی ہے۔
• OR-ing : ان کی تیز سوئچنگ ناکامی کی صورت میں ابتدائی اور بیک اپ پاور ریلز کو علیحدہ کرتی ہے، جس سے اضافی نظاموں میں تباہ کن ریورس کرنٹ کے بہاؤ کو روکا جاتا ہے۔
• کلیمپ سرکٹس : فلی بیک اور ریزوننٹ ٹاپالوجیز میں، شاٹکی ڈایوڈز سوئچنگ ٹرانزینٹس کو نینو سیکنڈز کے اندر موڑ دیتے ہیں، جس سے 200 ملی جول سے زائد اسپائک توانائی کو محفوظ طریقے سے جذب کیا جا سکتا ہے۔

ان تمام کرداروں کے مجموعی طور پر جدید، متراکم اور اعلیٰ قابل اعتماد PSUs میں 94% سے زائد کارکردگی حاصل ہوتی ہے، جبکہ تباہ کن اوور وولٹیج واقعات کے خلاف تحفظ بھی فراہم کیا جاتا ہے۔

ڈیزائن کے تناسب: شاٹکی ڈایوڈز کی کارکردگی اور محدودیتوں کے درمیان توازن قائم کرنا

بالا درجہ حرارت پر ریورس رسائی بمقابلہ فارورڈ وولٹیج کا موازنہ

یہ اجزاء جن کے آگے کی سمت وولٹیج ڈراپ اتنی کم کیوں ہوتی ہے (عام طور پر 0.15V سے 0.45V کے درمیان) اس کا ایک نقص بھی ہوتا ہے جو ریورس لیکیج کرنٹ (IR) کے معاملے میں واضح ہوتا ہے، خاص طور پر زیادہ آپریٹنگ درجہ حرارت پر۔ اس کا بنیادی سبب دھاتی-سسیمی کنڈکٹر انٹرفیس پر تھرموئینک ایمیشن ہے۔ جب جنکشن کا درجہ حرارت بڑھتا ہے، مثلاً تقریباً 125 ڈگری سیلسیس تک، تو کمرے کے درجہ حرارت کی نسبت لیکیج کرنٹ میں نمایاں اضافہ دیکھنے میں آتا ہے۔ اس نقطہ پر، لیکیج کرنٹ عام امبیئنٹ درجہ حرارت کی نسبت ہزار گنا زیادہ ہو سکتی ہے۔ تاہم فارورڈ وولٹیج تقریباً مستقل رہتی ہے، اس لیے انجینئرز کو اپنی ڈیزائنز میں اس بڑھتی ہوئی ریورس لیکیج کو پاور لاس کا اہم ذریعہ بننے کے خطرے کو غور سے دیکھنا چاہیے۔ اگر اسے نظرانداز کیا گیا تو اس سے مستقبل میں سنگین حرارتی مسائل پیدا ہو سکتی ہیں۔ جو لوگ گاڑیوں، فیکٹری آٹومیشن کے آلات یا ڈیٹا سینٹرز کے نظاموں پر کام کر رہے ہیں، انہیں کمپیوٹر سیمولیشنز کے دوران اور حقیقی دنیا کی حالتوں میں پروٹوٹائپس کی جانچ کے دوران اس لیکیج کے اُبھرتے ہوئے اُسی طرح کے تیزی سے بڑھنے کو ضرور شامل کرنا چاہیے۔

ولٹیج ریٹنگ کی پابندیاں اور ڈیریٹنگ کے بہترین طریقے

شاٹکی ڈایوڈز بنیادی طور پر زیادہ سے زیادہ الٹی ولٹیج (V _RRM ) تک محدود ہوتے ہیں—زیادہ تر تجارتی آلات باریئر کی اونچائی کی پابندیوں کی وجہ سے 200V سے نیچے کی حد تک محدود ہوتے ہیں۔ V _RRM سے تجاوز کرنے کا خطرہ ایویلینش بریک ڈاؤن اور غیر واپسی کے قابل ناکامی کا ہوتا ہے۔ اس لیے حکمت عملی کے مطابق ڈیریٹنگ لازمی ہے:

• معیاری صنعتی استعمال : ڈایوڈز کا انتخاب کم از کم سسٹم کی اعلیٰ ترین ولٹیج سے 20% زیادہ ریٹنگ والے کریں
• اعلیٰ قابلیتِ اعتماد درخواستیں (طبی، فوجی، فضائی): 40–50% کی ڈیریٹنگ مارجن لاگو کریں
• متحرک ٹرانزینٹس والے سسٹمز : 100 نینو سیکنڈ سے زیادہ کے جھٹکوں کے لیے ٹرانزینٹ وولٹیج سپریسورز (TVS) کے ساتھ جوڑیں

حرارتی درجہ بندی کا تنزل بھی انتہائی اہم ہے—V _RRM جب جنکشن کا درجہ حرارت 150°C کے قریب پہنچتا ہے تو برداشت کی حد کم ہو جاتی ہے۔ PCB کی ترتیب اور حرارتی ڈیزائن کے دوران درست درجہ حرارت کے اثرات کے ماڈل سازی سے گھنے طاقت کے مراحل میں غیر متوقع خرابی کو روکا جا سکتا ہے۔