Digitalna integriranavezja, kot so FPGA in ASIC, ki imajo visoke zahteve po toku, postajajo vse bolj osrednjega pomena pri ugnezdenih sistemih za aplikacije v mnogih sektorjih: avtomobilskem, medicinskem, telekomunikacijskem, industrijskem, igričarskem in potrošniškem avdio/video sektorju. Mnoge od teh aplikacij so bistvene, kot so avtomobilski sistemi za pomoč voznikom (ADAS), in visoko zanesljive, kot so podatkovni centri.
Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
Poleg zahtev po toku imajo te nizkonapetostne naprave stroge tolerančne specifikacije za svoja napajalna vodila. Zagotavljanje te moči z učinkovitostjo, natančnostjo, hitro prehodno zmogljivostjo, stabilnostjo in nizko stopnjo šuma je ključnega pomena za delovanje in celovitost sistema.
Običajni krmilniki s stikalnimi regulatorji in napajalni podsistemi lahko imajo težave s šumom na izhodnih vodilih in v obliki elektromagnetnih motenj (EMI) in radiofrekvenčnih motenj (RFI), neustrezen prehodni odziv in omejitve pri postavitvi. Za zmanjšanje šuma nekatere aplikacije uporabljajo majhne in malošumne regulatorje z nizkim padcem napetosti (LDO), ki zagotavljajo izboljšano učinkovitost v primerjavi s starejšimi LDO. Kljub temu tudi ti LDO običajno ne morejo izpolniti zahtev glede učinkovitosti sistema, kar povzroča težave pri toplotni razpršitvi.
Učinkovita alternativa za LDO je stikalni regulator, ampak za te naprave je značilno, da proizvajajo več šuma zaradi stikalnega načina delovanja. Ta šum je treba zmanjšati, da bi lahko oblikovalci popolnoma izkoristili te stikalne naprave.
Na srečo obstajajo novi načini za uravnoteženje šuma in učinkovitosti. Ta članek obravnava nedavne inovacije pri razvoju naprav za pretvorbo moči, ki imajo visoko učinkovitost in minimalne prostorske zahteve, pa tudi močno zmanjšan šum stikalnega regulatorja. Članek raziskuje, kako lahko inovativni stikalni regulatorji izpolnjujejo več ciljev za obremenitve pri napetosti manjši od 10V in v območju pod 10 amperi (A), ter kot primere predstavlja majhne Silent Switcher IC-je iz družine LTC33xxpodjetjaAnalog Devices.
Zahteva po toku/napetosti
Ko so bili v drugi polovici 20. stoletja izumljeni in izpopolnjeni tranzistorji ter integrirana vezja, je bila med njihovimi številnimi vrlinami ta, da so bile njihove potrebe po moči za delovanje zelo nizke v primerjavi z vakuumskimi cevmi, ki so jih zamenjali – zlahka so se razlikovale za faktor 100 ali več. Vendar pa je ta napredek kmalu pripeljal do večje gostote funkcij na napravo in vezje, do te mere, da integrirana vezja zdaj zahtevajo več deset amperov na vodilo in pogosto na več vodilih.
Med integriranimi vezji, ki zahtevajo te visoke tokove, ki morajo na koncu razpršiti visoke količine povezane moči kot toploto, so programirljive matrike logičnih vrat (FPGA) in aplikacijsko specifična integrirana vezja (ASIC). Oboje pogosto uporabljamo v ugnezdenih napravah, ki so razširjene v celotnem sektorju elektronike, vključno z avtomobilskim, industrijskim, telekomunikacijskim, igričarskim in potrošniškim avdio/video sektorjem.
Tok, ki ga potrebuje FPGA ali ASIC, se lahko zagotovi prek AC-DC pretvornika za naprave, ki se napajajo iz omrežja, ali DC-DC pretvornika za naprave, ki se napajajo iz baterije. V obeh primerih je potreben naknadni DC-DC regulator s pretvornikom navzdol, ki zagotavlja in uravnava napetost pod 10V na vodilu za breme pri zahtevanih ravneh toka.
Eden od načinov za zagotavljanje potrebne moči je uporaba enega samega DC-DC regulatorja s pretvornikom navzdol za podporo vseh naprav vezja in njegova namestitev na stran ali v kot tiskanega vezja, za pomoč pri upravljanju težav z razpršitvijo toplote in poenostavitev arhitekture DC-DC na sistemski ravni.
A ta rešitev, ki zveni preprosto, ima svoje težave:
- Prvič, obstaja neizogibni padec IR med regulatorjem in obremenitvami zaradi razdalje in visokih tokovnih ravni (ΔV padec = tok obremenitve I × upornost vezi na tiskanem vezju (R)).
- Rešitve za to so povečanje širine ali debeline vezi na tiskanem vezju ali uporaba diskretnega vodila, vendar se pri tem porabi dragocen prostor na plošči in podraži kosovnica (BOM).
- Tehnika za premagovanje padca IR je uporaba daljinskega zaznavanja napetosti pri obremenitvi, vendar to dobro deluje le pri enotočkovni, nerazpršeni obremenitvi. Prinaša tudi nove težave potencialnega nihanja, saj induktivnost daljšega napajalnega voda in senzorskih priključkov lahko vpliva na prehodno delovanje regulatorja in vodil.
- Nazadnje je tukaj še težava, ki jo je najtežje obvladovati: daljša napajalna vodila so tudi bolj izpostavljena EMI/RFI šumu ali pa oddajajo motnje po svoji dolžini, tako da delujejo kot antene. Rešitev običajno zahteva dodatne blokirne kondenzatorje, blokirna feritna jedra in druge ukrepe. Odvisno od velikosti in pogostosti lahko ta šum negativno vpliva na zanesljivo delovanje obremenitev in otežuje izpolnjevanje različnih zahtev regulacije napetosti glede emisij šuma.
Zagata šuma proti učinkovitosti
Pomembno je opozoriti, da se zagata »šum proti učinkovitosti« pri DC-DC regulatorjih razlikuje od običajnih kompromisov pri inženirskem oblikovanju. Tista situacija je pogosto povezana z ocenjevanjem kompromisov in iskanjem takšnega, ki uravnoteži zaželene in nezaželene lastnosti.
Kako se ta situacija razlikuje? Večina scenarijev kompromisov razvijalcu omogoča, da namerno sprejme manjšo vrednost od želene pri nekem parametru v zameno za večjo želeno vrednost pri drugem parametru in se tako pomika po kontinuumu kompromisov (Slika 1, zgornji del).
Na primer, razvijalec lahko izbere operacijski ojačevalnik (op-amp), ki črpa več toka (kar je slabo), da zagotovi višjo hitrost sledenja izhodne napetosti (kar je dobro) v primerjavi z drugim op-amp; kompromis je sprejemljiv ali potreben za aplikacijo.
Vendar pa so pri stikalnih regulatorji in LDO njihovi atributi šuma in učinkovitosti v veliki meri »zapečeni« v njihovo strukturo. Razvijalec ne more npr. reči, da bo sprejel LDO z 20 % več šuma v zameno za 10 % boljšo učinkovitost – ta vrsta kompromisa ne obstaja. Namesto tega se v razponu za kompromis med atributi nahaja vrzel (Slika 1, spodnji del).
Regulatorji Silent Switcher rešujejo dilemo kompromisa
Druga in običajno boljša rešitev je uporaba posameznih DC-DC regulatorjev, ki so nameščeni čim bližje integriranim vezjem svoje obremenitve. To zmanjša padec IR, velikost tiskanega vezja ter sprejemanje in oddajanje šuma vodila. Vendar pa je za izvedljivost tega pristopa bistvenega pomena imeti majhne, učinkovite regulatorje z nizko ravnjo šuma, ki se lahko namestijo poleg obremenitve in še vedno izpolnjujejo vse zahteve po toku.
Pri tem veliko regulatorjev Silent Switcher predstavlja rešitev težav. Ne samo, da ti regulatorji zagotavljajo napetostne izhode pod 10 V pri ravneh toka od nekaj amperov do 10 A, ampak zaradi uporabe več oblikovalskih inovacij to počnejo z izjemno nizkim šumom.
Ti regulatorji spreminjajo konvencionalno razmišljanje o vrzeli med LDO in stikalnimi regulatorji z napravami Silent Switcher 1 (prva generacija) in Silent Switcher 2 (druga generacija). Razvijalci teh naprav so opredelili različne vire šuma in razvili načine za zmanjšanje vsakega od njih.
Upoštevajte, da regulatorji Silent Switcher ne uporabljajo dobro znane in legitimne tehnike »širokega spektra« (angl. spread spectrum) za dodajanje psevdonaključnega šuma taktnemu signalu. To razširi spekter šuma, hkrati pa zmanjša njegovo amplitudo pri frekvenci ure in njeni harmoniji. S proženjem s taktnim signalom širokega spektra lahko dosežemo omejitve regulacije, ne zmanjšamo pa skupne energije šuma in lahko dejansko povzročimo nekaj šuma v delih spektra, ki vplivajo na delovanje vezja.
Prednosti Silent Switcher 1 naprav vključujejo nizko EMI, visoko učinkovitost in visoko stikalno frekvenco, ki večino preostalega šuma premakne stran od delov spektra, kjer bi to vplivalo na delovanje sistema ali povzročalo regulativne težave. Prednosti Silent Switcher 2 naprav vključujejo vse lastnosti tehnologije Silent Switcher 1 in še integrirane precizne kondenzatorje, manjšo velikost rešitve in odpravo občutljivosti na postavitev tiskanega vezja.
Zaradi drobne oblike (le nekaj kvadratnih milimetrov) in učinkovitosti se lahko ti stikalni napajalniki nahajajo zelo blizu obremenitve FPGA ali ASIC, s čimer se poveča zmogljivost in odpravijo negotovosti med specifikacijami zmogljivosti podatkovnega lista in dejansko uporabo. Spreminjajo »binarno« dilemo potrebe po izbiri med sprejemanjem več šuma ali slabše učinkovitosti, kar oblikovalcem omogoča, kar zadeva šum in učinkovitost, najboljše od obeh lastnosti.
Kako so bile dosežene koristi? Z uporabo večplastnega pristopa:
- Glavni vzrok za šum pri napajanju v stikalnem načinu so stikalni tokovi in ne ustaljeni tokovi. V topologiji običajnega stikalnega regulatorja obstaja pot toka, ki se imenuje vroča zanka. Ta vroča zanka ni neodvisna tokovna zanka, temveč le navidezna tokovna zanka, sestavljena iz komponent dveh dejanskih tokovnih zank (Slika 2).
- Tehnologija Silent Switcher 2 družbe Analog Devices naredi kritične vroče zanke z integracijo vhodnih kondenzatorjev v ohišje integriranegavezja čim manjše. Z razdelitvijo vroče zanke na dve simetrični obliki se ustvarita tudi dve magnetni polji nasprotnih polaritet in oddajani šum se v veliki meri izniči.
- Arhitektura druge generacije podpira hitre stikalne robove za visoko učinkovitost pri visokih stikalnih frekvencah ob hkratnem doseganju dobre učinkovitosti EMI. Notranji keramični kondenzatorji na enosmerni vhodni napetosti (VIN) ohranjajo vse hitre zanke izmeničnih tokov majhne, kar izboljša EMI.
- Arhitektura Silent Switcher uporablja lastniške tehnike oblikovanja in pakiranja za povečanje učinkovitosti pri zelo visokih frekvencah in omogoča ultranizko EMI. Zaradi uporabe zelo kompaktnega in robustnega oblikovanja se zlahka prišteva v 5. razred CISPR 25 po ustreznosti glede na najvišje mejne vrednosti EMI.
- Uporablja se tehnika določanja položaja aktivne napetosti (AVP), kjer je izhodna napetost odvisna od toka obremenitve. Pri manjših obremenitvah se izhodna napetost regulira nad nominalno vrednostjo, pri polni obremenitvi pa pod nominalno vrednostjo. Regulacija enosmerne obremenitve je prilagojena za izboljšanje prehodnega delovanja in zmanjšanje zahtev izhodnega kondenzatorja.
Mnogo družin naprav Silent Switcher
Regulatorji Silent Switcher so na voljo v številnih družinah in modelih, z različnimi vrednostmi napetosti/toka v vsaki družini. Obstaja tudi nekaj dodatnih možnosti, ki se razlikujejo od modela do modela, kot je fiksni izhod v primerjavi z nastavljivim izhodom. Med različne člane družine LTC33xx sodijo:
- LTC3307: Sinhroni navzdol Silent Switcher s 5 volti, 3 A, v ohišju 2 mm × 2 mm LQFN
- LTC3308A: Sinhroni navzdol Silent Switcher s 5 volti, 4 A, v ohišju 2 mm × 2 mm LQFN
- LTC3309A: Sinhroni navzdol Silent Switcher s 5 volti, 6 A, v ohišju 2 mm × 2 mm LQFN
- LTC3310: Sinhroni navzdol Silent Switcher 2 s 5 volti, 10 A, v ohišju 3 mm × 3 mm LQFN
Če podrobneje pogledamo LTC3310, gre za zelo majhen, monolitni, DC-DC pretvornik navzdol z nizko ravnjo šuma, ki lahko zagotovi do 10 A izhodnega toka iz vhodnega napajanja z 2,25 do 5,5 volti; razpon VOUT je 0,5 voltov do VIN.Stikalne frekvence segajo od 500 kilohertzov (kHz) do 5 megahercev (MHz). Potrebuje le nekaj zunanjih pasivnih komponent, njegova učinkovitost pa znaša približno 90 % v večini njegovega območja izhodne obremenitve (Slika 3).
Na voljo je v štirih osnovnih različicah. Naprave zagotavljajo nizko stopnjo EMI in visoko učinkovitost pri stikalnih frekvencah do 5 MHz, obstajajo pa tudi različice družine LTC3310, ki izpolnjujejo zahteve standarda AEC-Q100 za avtomobilsko industrijo. Upoštevajte, da so naprave prve generacije (SS1) – LTC3310 – in naprave druge generacije (SS2) – LTC3310S in LTC3310S-1 – na voljo kot prilagodljive izhodne in fiksne izhodne naprave (Slika 4).
Pri prilagodljivih različicah je izhodna napetost nastavljena prek uporovnega delilnika med izhodom in priključkom za povratno zvezo (FB) s pomočjo preproste enačbe za določitev pravilne vrednosti upora (Slika 5).
Ravni šuma so običajno v desetinah mikrovoltov. Dve ključni metriki delovanja naprav LTC3310 z nizko stopnjo šuma predstavljata testa šuma, izvedena v skladu z ustreznimi omejitvami za zgornjo mejo 5. razreda CISPR25. Testira se prevodni šum (Slika 6) in oddan šum v vodoravnih in navpičnih projekcijah (Slika 7).
Druga pomembna značilnost družine LTC3310 je preprostost, s katero se lahko naprave uporabljajo vzporedno za večfazno delovanje z višjim tokom. To je funkcija, ki jo mnogi drugi stikalni regulatorji ne podpirajo ali le stežka podpirajo. Najenostavnejša vzporedna vezava je za dvofazno delovanje s tokom do 20 A (Slika 8). Pristop omogoča preprosto razširitev na tri, štiri ali več faz in ustrezno višje tokove.
Razvojne plošče skrajšajo cikle oblikovanja
Regulatorji, kot je LTC3310, so precej neposredni za uporabo, saj nimajo uvodnih registrov, funkcij, ki bi jih nadzirala programska oprema, ali drugih zapletenih nastavitev. Kljub temu je tehnično smiselno, da lahko ocenimo njihovo statično in dinamično zmogljivost ter optimiziramo vrednosti pasivnih komponent, preden se zavežemo k končni postavitvi ali specifiki kosovnice. Razpoložljivost LTC3310 razvojnih plošč ta postopek znatno olajša. Analog Devices nudi izbor takšnih plošč, ki se ujemajo z različicami in konfiguracijami LTC3310:
DC3042A podpira LTC3310 nastavljivim izhodom (Slika 9).
Poleg navodil uporabnikom glede osnovnih nastavitev in delovanja dokumentacija vključuje shemo, postavitev plošče in kosovnico (BOM). Navedene so tudi različne testne točke in povezave ter razporeditev sond za merjenje izhodnega valovanja in stopenjskega odziva(Slika 10).
Za LTC3310S-1 s fiksno izhodno napetostjo obstaja razvojna plošča DC3021A (Slika 11).
Nazadnje pa obstaja še naprava za nekoliko bolj zapleteno večfazno vzporedno postavitev, DC2874A-C (Slika 12). Pri tej razvojni plošči deluje LTC3310S kot večfazni 2,0 MHz, 3,3- do 1,2-voltni regulator s pretvornikom navzdol. DC2874A ima tri možnosti izvedbe, s katerimi zagotavlja dvofazne/20 A, trofazne/30 A ali štirifazne/40 A izhodne rešitve.
Z uporabo LTC3310S in določenim časovnim vložkom v ustrezno razvojno ploščo in pripadajoč uporabniški priročnik lahko oblikovalci skrajšajo čas, porabljen za razvoj DC-DC regulatorja.
Zaključek
Inženirji so običajno morali izbirati med dvema medsebojno izključujočima topologijama DC-DC regulatorjev z izrazito nasprotnimi lastnostmi. LDO nudijo enosmerni izhod z zelo nizko stopnjo šuma, vendar z nizko do zmerno učinkovitostjo, zaradi česar predstavljajo nad izhodi približno 1 A toplotni izziv. V nasprotju s tem pa stikalni regulatorji ponujajo učinkovitost v 90-odstotnem razponu, vendar dodajo šum na izhodno enosmerno vodilo in so tudi vir prevodnega in še posebej oddanega šuma, kar lahko zlahka povzroči, da izdelek ne prestane obveznih EMC testov.
Na srečo uporabljajo družine Silent Switcher družbe Analog Devices vrsto inovativnih tehnik, ki presegajo dilemo izbire »enega ali drugega«, kar ima za posledico rešitev v obliki regulatorja, ki je visoko učinkovit, z izjemno nizkim šumom in majhne oblike.
Sorodna vsebina (vse od Analog Devices)
»Tehnologija Silent Switcher®«
https://www.analog.com/en/products/landing-pages/001/silent-switcher.html
»What Actually Is a Hot Loop?«
https://www.analog.com/en/technical-articles/what-actually-is-a-hot-loop.html
(video) »ADI Silent Switcher Technology«
https://www.analog.com/en/education/education-library/videos/6310064136112.html
