Řešení problémů s DC/DC šumem, efektivitou a rozložením pomocí integrovaných napájecích modulů

Zdá se, že sestavit základní snižovací (buck) DC/DC regulátor pro nízké napětí 10 voltů (typické) nebo méně a mírné úrovně proudu přibližně 2 až 15 A není obtížné. Konstruktér potřebuje pouze vybrat vhodný integrovaný obvod spínacího regulátoru a přidat několik pasivních součástek pomocí ukázkového obvodu v katalogovém listu nebo v aplikační poznámce. Je ale návrh skutečně hotový a připravený k uvedení do zkušebního provozu nebo dokonce do výroby? Pravděpodobně ne.

Přestože regulátor poskytuje požadované DC vedení, má stále několik potenciálních problémů a otázek. Za prvé, účinnost nemusí splňovat cíle projektu nebo regulační požadavky, čímž se zvětšuje tepelný dopad a je také kratší životnost baterie. Za druhé, k zajištění správného spouštění, přechodného výkonu a nízkého zvlnění mohou být potřeba další součástky, což zase ovlivňuje velikost, dobu do uvedení na trh a celkový kusovník („bill of material“, BOM). A konečně, což je možná nejnáročnější, návrh nemusí splňovat stále přísnější omezení týkající se elektromagnetického rušení („electromagnetic interference“, EMI) nebo vysokofrekvenčního rušení („radio frequency interference“, RFI) tak, jak jsou definována různými regulačními předpisy, což vyžaduje přepracování nebo další dodatečné součásti a testování.

V tomto článku je popsán rozdíl mezi očekáváním a výkonem u základního návrhu DC/DC regulátoru a lepšího návrhu, který splňuje nebo překračuje požadavky na účinnost, nízký vyzařovaný šum a zvlněný šum a celkovou integraci. V článku jsou pak představeny regulátory Silent Switcher µModule společnosti Analog Devices a je zde ukázáno, jak je používat k řešení několika problémů s DC/DC snižovacím regulátorem.

S integrovanými obvody to vypadá zpočátku jednoduše

Snižovací DC/DC (buck) regulátory jsou k poskytování DC vedení široce využívány. Typický systém jich může mít desítky a mohou poskytovat různá napětí vedení nebo fyzicky oddělená vedení se stejným napětím. Tyto snižovací regulátory obvykle odebírají vyšší napětí, typicky mezi 5 a 36 volty stejnosměrného napětí, a regulují jej na hodnotu v řádu jednotek voltů při ampérech v řádu jednotek nebo nižších dvouciferných čísel (obrázek 1).

Obrázek 1: Role DC/DC regulátoru (převodníku) je jednoduchá: Vezme se neregulovaný DC zdroj, který může být z baterie nebo z usměrněného a filtrovaného AC vedení, a jako výstup se poskytne přesně regulované DC vedení. (Zdroj obrázku: společnost Electronic Clinic)

S konstruováním základního snižovacího regulátoru jsou spojeny dobré a špatné zprávy. Dobrou zprávou je, že vytvořit takový regulátor, který poskytuje nominálně „dostatečně dobrý“ výkon, není obecně obtížné. K dispozici je mnoho spínacích integrovaných obvodů, které splní většinu úkolů a které potřebují pouze jeden tranzistor řízený elektrickým polem („field effect transistor“, FET), nebo vůbec žádný, a několik pasivních součástek. Úkol je ještě snazší, protože v katalogovém listu integrovaného obvodu regulátoru je téměř vždy zobrazen typický aplikační obvod se schématem, rozložením desky a kusovníkem, který může obsahovat názvy dodavatelů součástek a čísla dílů.

Technické dilema spočívá v tom, že „dobrá“ úroveň výkonu nemusí být adekvátní s ohledem na některé nezřejmé výkonové parametry regulátoru. Zatímco výstupní DC vedení může dodávat dostatečný proud s adekvátní regulací vedení/zátěže a přechodovou odezvou, tyto faktory jsou pouze začátkem příběhu pro napájecí vedení.

Realita je taková, že kromě těchto základních kritérií výkonu je regulátor posuzován také podle dalších faktorů, z nichž některé jsou řízeny vnějšími imperativy. Tři kriticky důležité otázky, které musí většina regulátorů řešit, nemusí být očividné pouze ze zjednodušené perspektivy funkčního bloku, který přijímá neregulovaný DC vstup a poskytuje regulovaný DC výstup. Jsou to následující otázky (obrázek 2):

• Chlad: Vysoká účinnost a s tím spojený minimální tepelný dopad.
• Ticho: Nízké zvlnění pro bezchybný výkon systému plus nízké EMI pro splnění norem pro vyzařovaný šum (neakustický).
• Kompletnost: Integrované řešení, které minimalizuje velikost, riziko, kusovník, dobu do uvedení na trh a další „jemné“ záležitosti.

Obrázek 2: DC/DC regulátor musí dělat více než jen poskytovat stabilní napájecí vedení. Musí být také chladný a účinný, „tichý“ z hlediska EMI a musí být funkčně kompletní. (Zdroj obrázku: web Math.stackexchange.com, upraveno autorem)

Zabývání se těmito otázkami přináší řadu výzev a jejich řešení se může stát frustrující zkušeností. To je v souladu s „pravidlem 80/20“, které říká, že 80 % úsilí je věnováno dokončení posledních 20 % úkolu. Podívejme se na tyto tři faktory podrobněji:

Chlad: Každý konstruktér chce vysokou účinnost, ale jak přesně velkou a za jakou cenu? Odpověď je obvyklá: Záleží na projektu a jeho kompromisech. Vyšší účinnost je důležitá ze tří hlavních důvodů:

1. Promítá se do chladnějšího výrobku, který zvyšuje spolehlivost, může umožnit provoz při vyšší teplotě, může eliminovat potřebu nuceného chlazení vzduchem (ventilátorem) nebo může zjednodušit nastavení efektivního konvekčního chlazení, je-li to proveditelné. Na vyšší úrovni může být potřeba udržovat specifické součásti, které jsou obzvláště horké, pod jejich maximální povolenou teplotou a v rámci jejich bezpečné provozní oblasti.
2. I když tyto tepelné faktory problém nepředstavují, účinnost se promítá do delší doby provozu systémů napájených z baterie nebo do nižší zátěže předřazeného AC-DC převodníku.
3. V současnosti existuje mnoho regulačních norem, které stanovují konkrétní úrovně účinnosti pro jednotlivé třídy konečných výrobků. I když tyto normy nestanovují účinnost pro jednotlivá vedení ve výrobku, úkolem konstruktéra je zajistit, aby celková souhrnná účinnost splňovala dané zadání. To je snazší, když je DC/DC regulátor každého přispívajícího vedení efektivnější, protože to v součtu s ostatními vedeními a dalšími zdroji ztrát poskytuje rezervu.

Ticho: Konstruktéry zajímají dvě široké třídy šumu. Za prvé, šum a zvlnění na výstupu DC/DC regulátoru musí být dostatečně nízké, aby nepříznivě neovlivňovaly výkon systému. To je stále větší problém, protože napětí vedení v digitálních obvodech klesá na nízké jednociferné hodnoty stejně jako u přesných analogových obvodů, kde může snížit výkon zvlnění i jen několik milivoltů.

Další hlavní problém souvisí s EMI. Existují dva typy emisí EMI: vedené a vyzařované. Vedené emise se šíří po vodičích a spojích, které se připojují k výrobku. Vzhledem k tomu, že šum je v návrhu lokalizován do konkrétní svorky nebo konektoru, lze splnění požadavků na vedené emise často zajistit relativně brzy v procesu vývoje pomocí dobrého uspořádání a návrhu filtru.

S vyzařovanými emisemi je to však složitější. Všechny vodiče na desce plošných spojů, které vedou proud, vyzařují elektromagnetické pole. Jednotlivé spoje desky jsou antény a každá měděná rovina je zrcadlo. Cokoli jiného než čistá sinusová vlna nebo stejnosměrné napětí generuje široké spektrum signálu.

Potíž spočívá v tom, že i při pečlivém návrhu konstruktér nikdy neví, jak špatné budou vyzařované emise, dokud se systém neotestuje. A testování vyzařovaných emisí lze formálně provést, až když je návrh v podstatě dokončen. Ke snížení EMI útlumem úrovní na určitých frekvencích nebo v celém rozsahu frekvencí pomocí různých technik se používají filtry.

Část energie vyzařované prostorem je utlumena použitím plechu jako magnetického stínění. Část s nižšími frekvencemi, která jede po spojích desky plošných spojů (vodivá), je řízena pomocí feritových korálků a dalších filtrů. Stínění funguje, ale přináší nový soubor problémů. Musí být dobře navrženo s dobrou elektromagnetickou integritou (což je často překvapivě obtížné). Zvyšuje náklady, zvětšuje potřebný prostor, ztěžuje regulaci tepla a testování a přináší dodatečné náklady na montáž.

Další technikou je zpomalení spínacích hran regulátoru. To má však nežádoucí účinek v podobě snížení účinnosti, zvýšení minimálních dob zapnutí a vypnutí a také požadovaných mrtvých dob a snížení rychlosti proudové regulační smyčky.

Ještě dalším přístupem je upravit pečlivým výběrem klíčových konstrukčních parametrů konstrukci regulátoru tak, aby vyzařoval méně EMI. Úkol vyvážit tyto kompromisy mezi regulátory zahrnuje posouzení interakce parametrů, jako je spínací frekvence, půdorys, účinnost a výsledné EMI.

Například nižší spínací frekvence obecně snižuje spínací ztráty a EMI a zlepšuje účinnost, ale vyžaduje větší součásti a s tím související zvětšení půdorysu. Snaha o vyšší účinnost je doprovázena nízkými minimálními dobami zapnutí a vypnutí, což má za následek vyšší obsah harmonických v důsledku rychlejších spínacích přechodů. Obecně platí, že s každým zdvojnásobením spínací frekvence se EMI zhorší o 6 dB za předpokladu, že všechny ostatní parametry, jako je kapacita spínání a doby přechodu, zůstanou konstantní. Když se spínací frekvence zvýší desetkrát, chová se širokopásmové EMI jako horní propust prvního řádu s o 20 dB větším vyzařováním.

Zkušení konstruktéři desek plošných spojů se snaží tento problém překonat zmenšením proudových smyček regulátoru („horkých smyček“) a použitím stínicí zemní vrstvy co nejblíže aktivní vrstvě. Nicméně zapojení, konstrukce pouzdra, požadavky na tepelné provedení a velikosti pouzdra potřebné pro adekvátní akumulaci energie v oddělovacích součástkách diktují určitou minimální velikost horké smyčky.

K tomu, aby byl problém s uspořádáním ještě náročnější, má typická planární deska plošných spojů mezi spoji nad 30 MHz magnetickou nebo transformátorovou vazbu. Tato vazba utlumí filtrační úsilí, protože čím vyšší jsou harmonické frekvence, tím účinnější je nežádoucí magnetická vazba.

Které normy jsou relevantní?

Ve světě EMI neexistuje jediná směrodatná norma, protože normy jsou do značné míry určeny aplikací a příslušnými řídicími zadáními. Mezi nejcitovanější normy patří EN 55022, CISPR 22 a CISPR 25. Norma EN 55022 je upravený derivát standardu CISPR 22 a vztahuje se na zařízení informačních technologií. Normu vytváří CENELEC, Evropská komise pro normalizaci v elektrotechnice, která je za normalizaci v oblasti elektrotechniky zodpovědná.

Tyto normy jsou složité a definují testovací postupy, sondy, přístrojové vybavení, analýzu dat a další. Z mnoha limitů definovaných normou je často předmětem zájmu konstruktérů limit pro vyzařované emise třídy B.

Kompletnost: I když dojde k poměrně dobrému pochopení situace návrhu, výběr a použití potřebných podpůrných součástek správným způsobem je výzvou. Výkon mohou nepříznivě ovlivnit drobné rozdíly v umístění a specifikacích součástek, uzemnění a spojích desky plošných spojů a dalších faktorech.

Modelování a simulace jsou nezbytné a mohou pomoci, ale je velmi obtížné charakterizovat parazity spojené s těmito součástkami, zvláště pokud se jejich hodnoty mění. Kromě toho může změna dodavatele (nebo neohlášená změna upřednostňovaného dodavatele) vyvolat jemný posun v hodnotách parametrů druhé nebo třetí úrovně (jako je stejnosměrný odpor induktoru („inductor dc resistance“, DCR)), což může mít významné a neočekávané důsledky.

Navíc i nepatrné přemístění pasivních součástek nebo přidání „jen jedné součástky navíc“ může změnit scénář EMI a vést k emisím překračujícím povolené limity.

Problémy řeší regulátory Silent Switcher µModule

Předvídání a řízení rizik je běžnou součástí práce konstruktéra. Snížení počtu a intenzity těchto rizik je standardní strategií pro konečné výrobky. Řešením je použití funkčně kompletního DC/DC regulátoru, který je díky dobrému návrhu a implementaci chladný, tichý a kompletní. Použití známého zařízení snižuje nejistotu a zároveň řeší rizika týkající se velikosti, nákladů, EMI, kusovníku a montáže. Tím se také urychlí doba do uvedení na trh a sníží se obava týkající se dodržování předpisů.

Při pohledu na kompletní řadu takových regulátorů, jako je řada Silent Switcher µModule od společnosti Analog Devices, si konstruktéři mohou vybrat DC/DC regulátor přizpůsobený potřebnému napětí a jmenovitému proudu, přičemž mají jistotu, že budou splněny požadavky EMI a že budou známy velikost a cena a nebude se konat žádné překvapení.

Tyto regulátory zahrnují mnohem více než jen inovativní schémata a topologie. Mezi techniky, které používají, patří:

• Technika č. 1: Spínání regulátoru funguje jako RF oscilátor/zdroj a kombinuje se s propojovacími vodiči, které fungují jako antény. Tím se sestava změní na RF vysílač s nežádoucí energií, která může překročit povolené limity (obrázky 3, 4 a 5).

Obrázek 3: Propojovací vodiče z matrice integrovaného obvodu do pouzdra fungují jako miniaturní antény a vyzařují nežádoucí vysokofrekvenční energii. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Obrázek 4: Sestava Silent Switcher začíná nahrazením propojovacích vodičů technologií Flip-Chip, čímž se eliminují vodiče vyzařující energii. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Obrázek 5: Přístup s technologií Flip-Chip účinně eliminuje antény a minimalizuje vyzařovanou energii. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

• Technika č. 2: Použití symetrických vstupních kondenzátorů omezuje EMI tím, že vytváří vyvážené, opačné proudy (obrázek 6).

Obrázek 6: K omezení EMI jsou přidány také dva zrcadlené vstupní kondenzátory. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

• Technika č. 3: A konečně – použití opačných proudových smyček ruší magnetická pole (obrázek 7).

Obrázek 7: Vnitřní uspořádání s proudovými smyčkami v opačných směrech také ruší nežádoucí magnetická pole. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Tyto regulátory Silent Switcher µModule představují evoluci návrhu a pouzdra snižovacího regulátoru od integrovaného obvodu s podpůrnými součástkami přes integrovaný obvod LQFN s integrálními kondenzátory až po µModule s požadovanými kondenzátory a induktory (obrázek 8).

Obrázek 8: Regulátory Silent Switcher µModule jsou díky začlenění kondenzátorů a induktoru do pouzdra třetím stupněm vývoje spínacích regulátorů s integrovanými obvody. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Široká nabídka řeší potřeby a kompromisy

Regulátory Silent Switcher µModule obsahují mnoho jednotlivých jednotek s různými jmenovitými hodnotami pro rozsah vstupního napětí, výstupní napěťové vedení a výstupní proud. Například model LTM8003 je µModule se vstupem 3,4 až 40 V, výstupem 3,3 V, 3,5 A kontinuálně (6 A ve špičce), který splňuje limity normy CISPR 25 třídy 5, přesto měří pouhých 9 × 6,25 mm a 3,32 mm na výšku (obrázek 9).

Obrázek 9: Regulátor Silent Switcher LTM8003 je malé pouzdro, které obsahuje vše potřebné a které snadno splňuje limit pro vyzařovanou energii dle normy CISPR 25 třídy 5 od stejnosměrného proudu do 1 000 MHz. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Je nabízen v zapojení, které je kompatibilní s analýzou způsobů a důsledků poruch („failure mode effects analysis“, FMEA) (model LTM8003-3.3), což znamená, že výstup během zkratu sousedního pinu, nebo pokud je pin ponechán plovoucí, zůstává na nebo pod regulačním napětím. Typický klidový proud je pouhých 25 µA a verze H je dimenzována na provoz při 150 °C.

Pro konstruktéry je k dispozici předváděcí deska DC2416A, se kterou si mohou regulátor vyzkoušet a posoudit jeho výkon pro svou aplikaci (obrázek 10).

Obrázek 10: Předváděcí deska DC2416A zjednodušuje připojení a vyhodnocení zařízení LTM8003 Silent Switcher. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Dva nominálně podobní zástupci řady Silent Switcher µModule, model LTM4657 (vstup 3,1 až 20 V, výstup 0,5 až 5,5 V při 8 A) a model LTM4626 (vstup 3,1 až 20 V, výstup 0,6 až 5,5 V při 12 A), nastiňují povahu kompromisů, které zařízení nabízejí. Zařízení LTM4657 využívá induktor s vyšší hodnotou než zařízení LTM4626, což mu umožňuje pracovat při nižších frekvencích, aby se snížily spínací ztráty.

Zařízení LTM4657 je lepším řešením pro vysoké spínací ztráty a nízké ztráty ve vedení, například v aplikacích, kde je nízký zatěžovací proud anebo vysoké vstupní napětí. Při pohledu na modely LTM4626 a LTM4657 pracující na stejné spínací frekvenci a se stejným 12V vstupem a 5V výstupem lze vidět vynikající spínací ztrátu modelu LTM4657 (obrázek 11). Navíc jeho induktor s vyšší hodnotou snižuje zvlnění výstupního napětí. Model LTM4626 však může dodávat větší zátěžový proud než model LTM4657.

Obrázek 11: Porovnání účinnosti modelů LTM4626 a LTM4657 při 1,25 MHz se stejnou konfigurací na předváděcí desce DC2989A ukazuje mírné, ale zřejmé rozdíly. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Uživatelé mohou posoudit výkon zařízení LTM4657 pomocí předváděcí desky DC2989A (obrázek 12), zatímco pro ty, kteří potřebují vyhodnotit zařízení LTM4626, je k dispozici předváděcí deska DC2665A-A (obrázek 13).

Obrázek 12: Předváděcí deska DC2989A je určena k rychlejšímu vyhodnocení zařízení LTM4657 Silent Switcher. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Obrázek 13: Pro modul LTM4626 Silent Switcher je k usnadnění vyzkoušení a vyhodnocení k dispozici předváděcí deska DC2665A-A. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Zařízení Silent Switcher µModule nejsou omezena na moduly s jedním výstupem. Například model LTM4628 je kompletní spínací DC/DC regulátor se dvěma výstupy 8 A, který lze snadno nakonfigurovat tak, aby poskytoval jeden 2fázový 16A výstup (obrázek 14). Modul je nabízen v pouzdrech LGA 15 × 15 × 4,32 mm a BGA 15 × 15 × 4,92 mm. Obsahuje spínací regulátor, výkonové tranzistory FET, induktor a všechny podpůrné součástky.

Obrázek 14: Zařízení LTM4628 může být nakonfigurováno jako spínací DC/DC se dvěma výstupy, 8 A na kanál, nebo v konfiguraci s jedním 16A výstupem. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Modul pracuje v rozsahu vstupního napětí 4,5 až 26,5 voltů a podporuje rozsah výstupního napětí 0,6 až 5,5 voltů, které se nastavuje jedním externím rezistorem. Uživatelé mohou zkoumat jeho výkon jako zařízení s jedním nebo dvěma výstupy pomocí předváděcí desky DC1663A (obrázek 15).

Obrázek 15: Vyhodnocení modelu LTM4628 s jedním nebo dvěma výstupy je rychlejší pomocí předváděcí desky DC1663A. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Závěr

Návrh funkčního DC/DC regulátoru je s dostupnými integrovanými obvody poměrně snadný. Navrhnout regulátor, který zároveň vyniká účinností, je funkčně kompletní a splňuje často různé matoucí a přísné regulační požadavky, však snadné není. Zařízení Silent Switcher µModule od společnosti Analog Devices proces návrhu zjednodušují. Eliminují riziko tím, že splňují cíle pro chladný a efektivní provoz, pro emise EMI pod povolenými limity a pro okamžitou kompletnost.