Redko zastavljena vprašanja — problem št. 167, ko je majhno boljše
Analog Devices, Inc.
Avtor: Frederik Dostal
2019_278_23
Visoko integrirani napajalni moduli niso primerni le za poenostavitev zasnove napajalnikov v stikalnem načinu, temveč so uporabni tudi za učinkovito pretvorbo napetosti na izjemno majhnem prostoru.
Vprašanje:
Kako μModule® regulator spravite v tako majhen prostor?
Odgovor:
Veliko potrebnih komponent je že integriranih.
-
- Slika 1: LTM8074 uporablja arhitekturo Silent Switcher® za popolno rešitev z nizkim šumom v majhnem ohišju
-
- Slika 2: Regulacijski stikalni mehanizem (buck), ki je močno integriran s tuljavo v močnostnem modulu
Močnostni moduli so že nekaj let na trgu. Napajalni modul je v ustrezno ohišje spravljen stikalni napajalnik, ki ga je mogoče preprosto spajkati na tiskano vezje in izpolni svojo nalogo pretvorbe vhodne napetosti v regulirano izhodno napetost. V primerjavi s stikalnim integriranim regulatorjem, kjer so običajno samo krmilnik in močnostna stikala vgrajena v čip, močnostni modul ponuja tudi integracijo številnih pasivnih komponent. Ponavadi se izraz “močnostni modul” uporablja takrat, ko je vgrajena tudi tuljava. Slika 2 prikazuje potrebne komponente za stikalni “step-down” pretvornik v buck topologiji. Črtkane črte razmejujejo IC stikalnega regulatorja in močnostni modul. Postopek razvoja vezja za pretvorbo napetosti za te module prevzame proizvajalec napajalnega modula, zato ni nujno, da je uporabnik strokovnjak za napajanje. Poleg tega so še druge prednosti. Z veliko stopnjo integracije v modul je lahko velikost napajalnika v stikalnem načinu še posebej majhna.
Tišja in manjša DC- DC regulacija
Stikalni regulatorji običajno proizvajajo EMI motnje, saj njihovo delovanje zahteva visoke dI / dt dogodke pri sorazmerno visoki frekvenci. Skladnost z EMI je pogosto obvezna in je kritičen izziv za obdelavo signalov v medicinski opremi, RF oddajnikih, testnih napravah in merilnih sistemih.
Na primer, če sistem ne izpolnjuje EMI skladnosti ali če stikalni regulator vpliva na integriteto hitrih digitalnih ali radiofrekvenčnih signalov, odpravljanje napak in ponovno načrtovanje ne ustvarjata le dolgih načrtovalnih ciklov, ampak tudi povečata stroške zaradi ponovnega razvoja. Poleg tega je možnost šuma izrazitejša v gostejši postavitvi komponent na tiskani plošči, kjer so DC-DC stikalni regulatorji v neposredni bližini komponent in signalnih poti, občutljivih na šum.
Namesto, da bi se zanašali na okorne tehnike nižanja EMI – kot so nižanje stikalne frekvence, dodajanje filtra na TIV ali namestitev VF oklopa – je boljši pristop zatiranje šuma pri viru: na samem “DC-to-DC” siliciju. Za bolj kompaktno “DC-to-DC” rešitev se lahko vse komponente, vključno z MOSFET-i, tuljavami, DC-to-DC-jem in podpornimi komponentami, namestijo v majhno ohišje, ki spominja na SMD IC. Glej sliko 1.
-
- Slika 3: Z minimalnimi izhodnimi kondenzatorji (2 μF × 4,7 μF keramična) LTM8074 zagotavlja hiter prehodni odziv (12 VIN, 3,3 VOUT)
-
- Slika 4: LTM8074 z VIN do 40 V in izhodnim tokom 1,2 A zavzema prostor le 4 mm × 4 mm
-
- Slika 5: Primer razporeditve na površini plošče približno 8 mm × 8 mm
Poleg tišje DC-DC pretvorbe, ki izpolnjuje večino specifikacij skladnosti z EMI, kot so EN 55022 razreda B in majhno ohišje, je pomembno, da se zmanjša število drugih komponent na plošči, kot so izhodni kondenzatorji. Z DC-DC regulatorjem, ki ima hiter odziv, se odvisnost od izhodne kapacitivnosti zmanjša. To pomeni, da je zasnova poenostavljena z optimirano notranjo kompenzacijo povratne zanke, ki zagotavlja zadostne meje stabilnosti v širokem območju delovnih pogojev s širokim razponom izhodnih kondenzatorjev.
Z uporabo samo enega zunanjega upora za nastavitev želene izhodne napetosti se zmanjša spremenljivost, določena količina prilagodljivosti je omogočena za uporabo. Če mehki zagon ni potreben, na ustrezen priključek ni potrebno priključiti nobenega kondenzatorja. Vse te zmogljivosti omogočajo pretvorbo napetosti na izjemno majhnem območju plošče. Z le 4 mm × 4 mm robom dolžine LTM8074 in minimalnim zunanjim ožičenjem lahko celotno napajalno vezje deluje na samo približno 8 mm × 8 mm površine plošče – z vhodno napetostjo do 40 V in dovoljenim izhodnim tokom do 1,2 A. Slika 4 prikazuje primer postavitve z minimalnim številom potrebnih zunanjih komponent.
LTM8074 je 1,2 A, 40 VIN µModule “step-down” regulator v majhnem 4 mm × 4 mm × 1,82 mm, BGA ohišju z rasterjem 0,65 mm. Njegova velikost celotne rešitve je 60 mm2 za 3,2 VIN do 40 VIN, 3,3 VOUT, ki zahtevata samo dva kondenzatorja 0805 in dva upora 0603. Ohišje z nizkim profilom in majhno težo (0,08 g) omogoča, da se naprava postavi na zadnji strani PCB, ker je zgornja stran pogosto zelo gosto zasedena. Njegova arhitektura Silent Switcher zmanjšuje EMI emisije, kar omogoča, da LTM8074 prenese CISPR22 razred B in zmanjša možnost EMC občutljivosti na druga občutljiva vezja.
Običajno ni mogoče vključiti vseh zunanjih komponent. Za to obstaja preprost razlog. Če bi morali biti na primer določeni parametri, kot sta frekvenca preklopa ali čas mehkega zagona nastavljiva, je treba vezju sporočiti, kaj mora storiti. To je mogoče storiti na digitalni način. Vendar bi to pomenilo uporabo mikrokontrolerja in ustreznega pomnilnika s pripadajočimi stroški v sistemu. Najbolj pogosto se to reši z uporabo zunanjih pasivnih komponent za nastavitev teh parametrov.
Vhodni in izhodni kondenzatorji so pogosto vgrajeni v močnostni modul, včasih pa so potrebni tudi zunaj modula. Slika 5 prikazuje vezje z novim LTM8074 podjetja Analog Devices.
Pri majhnih napajalnikih je zelo pomembno ponuditi posebej visoko učinkovitost pretvorbe, saj lahko v nasprotnem primeru pride do težav z odvajanjem toplote.
Novi LTM8074, z izjemno kompaktno velikostjo, je idealna izbira za to. Z integrirano tehnologijo Silent Switcher se lahko uporablja celo v vezjih, ki so še posebej občutljiva na šum in jih ponavadi napajajo linearni regulatorji.
Visoko integrirani napajalni moduli niso primerni le za poenostavitev zasnove napajalnikov v stikalnem načinu, temveč so uporabni tudi za učinkovito pretvorbo napetosti na izjemno majhnem prostoru.
Ključne značilnosti ADI µModule vezij so:
- Nižji šum (ultranizek šum in Silent Switcher vezja)
- Ultratanka ohišja
- 6-stransko učinkovito hlajenje (CoP)
- Precizna VOUT regulacija po liniji, bremenu in temperaturi
- Izjemno zanesljivo testiranje
- Minimalno število ozemljitvenih zank
- Večkratno število izhodov na substratu
- Izjemno temperaturnotestiranje
Frederik Dostal je študiral mikroelektroniko na univerzi v Erlangenu v Nemčiji. Z delom na področju upravljanja z električno energijo se je začel ukvarjati leta 2001, bil je dejaven na različnih aplikacijah, vključno s štirimi leti v Phoenixu v Arizoni, kjer je delal na močnostnih stikalnih napajalnikih. Družbi Analog Devices se je pridružil leta 2009 in dela kot aplikacijski inženir za močnostno krmiljenje v Analog Devices v Münchenu.
