Jak zajistit nízkošumový výkon s vysokou hustotou v malém formátu pro obvody FPGA a ASIC

Digitální integrované obvody s požadavky na vysoký proud, jako jsou FPGA a ASIC, jsou stále častěji základem vestavných systémů pro automobilový průmysl a další průmyslová odvětví, medicínu, telekomunikace, herní průmysl a spotřební audio a video zařízení. Mnohé z těchto aplikací jsou kriticky důležité, například asistenční systémy pro řidiče automobilů (ADAS), a vysoce spolehlivé, jako například datová centra.

Kromě požadavků na proud mají tato zařízení s nižším napětím také přísné specifikace tolerance pro napájecí lišty. Zajišťování tohoto napájení s účinností, přesností, rychlým přechodovým výkonem, stabilitou a nízkým šumem je pro výkon a integritu systému zásadní.

Konvenční spínací řídicí jednotky regulátorů a napájecí subsystémy mají potenciální problémy se šumem, a to jak na výstupních lištách, tak v podobě vyzařovaného elektromagnetického rušení (EMI) a vysokofrekvenčního rušení (RFI), nedostatečné přechodové odezvy a prostorového omezení. Pro minimalizaci šumu se v některých aplikacích používají malé a tiché regulátory s nízkým úbytkem napětí (LDO), které ve srovnání s dřívějšími LDO nabízejí lepší účinnost. Nicméně ani tyto LDO obvykle nedokážou splnit požadavky na účinnost systému, což vede k problémům s rozptylem tepla.

Účinnou alternativou k LDO je spínací regulátor, ale tato zařízení mají ze své podstaty vyšší šum kvůli své hodinové a spínací funkci. Pokud chtějí konstruktéři plně využít výhod těchto spínacích zařízení, je třeba tento šum zmírnit.

Naštěstí existují nové způsoby, jak vyvážit šum a účinnost. Tento článek se zabývá nedávnými inovacemi v konstrukci výkonových měničů, které mají vysokou účinnost a minimální nároky na prostor, jakož i výrazně snížený šum spínacích regulátorů. Zkoumá, jak mohou inovativní spínací regulátory splnit několik cílů pro zátěže v oblasti jednociferných napětí a proudů pod 10 ampérů (A), a jako příklad uvádí malé integrované obvody Silent Switcher z rodiny LTC33xx od společnosti Analog Devices.

Požadavek na proud/napětí

Když byly tranzistory a integrované obvody vynalezeny a zdokonaleny v druhé polovině 20^čt století bylo mezi jejich četnými přednostmi to, že jejich požadavky na napájení jednotlivých funkcí byly ve srovnání s elektronkami, které nahradily, velmi nízké – snadno stokrát i vícekrát. Tento pokrok však brzy vedl k vyšší hustotě funkcí na jednom zařízení a obvodové desce, a to do té míry, že integrované obvody nyní vyžadují desítky ampér na lištu a často na několika lištách.

Mezi integrované obvody, které vyžadují tyto vysoké proudy a které nakonec musí odvádět vysoké množství související energie ve formě tepla, patří programovatelná hradlová pole (FPGA) a integrované obvody pro konkrétní aplikace (ASIC). Obojího se široce využívá ve vestavných zařízeních v celém elektronickém průmyslu, včetně automobilového a dalších průmyslových odvětví, medicíny, telekomunikací, herního průmyslu a spotřebních audio/video zařízení.

Proud potřebný pro FPGA nebo ASIC lze přivádět prostřednictvím AC/DC měniče pro zařízení napájená ze sítě nebo DC/DC měniče pro zařízení napájená z baterie. V obou případech je zapotřebí následný DC/DC snižovací regulátor, který dodává a řídí jednociferné napětí na liště pro zátěž při potřebných úrovních proudu.

Jedním ze způsobů, jak zajistit potřebné napájení, je použití jediného snižovacího DC/DC regulátoru pro podporu všech zařízení na obvodové desce a jeho umístění na stranu nebo do rohu obvodové desky, což pomůže zvládnout problémy s odvodem tepla a zjednoduší architekturu DC/DC na úrovni systému.

Toto jednoduše znějící řešení má však své problémy:

• Za prvé je tu nevyhnutelný pokles IR mezi regulátorem a zátěží v důsledku vzdálenosti a vysokých proudů (pokles ΔV = zátěžový proud I × odpor stopy (R)). Řešením je zvětšení šířky nebo tloušťky stop na desce plošných spojů nebo použití stojaté přípojnice, což však zabírá drahocenný prostor na desce a zvyšuje počet položek v kusovníku.
• Technikou k překonání poklesu IR je použití dálkového snímání napětí na zátěži, což ale dobře funguje pouze u jednobodové, nerozptýlené zátěže. Přináší to také nové problémy s oscilací potenciálu, protože indukčnost delší napájecí lišty a snímacích vodičů může ovlivnit přechodové vlastnosti regulátoru a lišt.
• A konečně je tu problém, který je často nejobtížněji řešitelný – delší napájecí lišty také více zachycují šum EMI/RFI nebo účinně vyzařují šum po své délce, takže fungují jako antény. Řešení obvykle vyžaduje přídavné obtokové kondenzátory, in-line feritové kuličky a další opatření. Tento šum může v závislosti na své velikosti a frekvenci nepříznivě ovlivnit spolehlivou funkci zátěží a ztížit splnění různých regulačních požadavků na emise šumu.

Otázka – šum versus účinnost

Je důležité si uvědomit, že otázka „šum versus účinnost“ u DC/DC regulátorů představuje jiný scénář než obvyklé kompromisy při technickém návrhu. V této situaci jde často o posouzení kompromisů a nalezení „střední cesty“, která vyvažuje příznivé a nepříznivé vlastnosti.

V čem je tato situace jiná? Většina scénářů kompromisů umožňuje konstruktérovi vědomě přijmout menší hodnotu některého požadovaného parametru výměnou za větší hodnotu jiného parametru, přičemž se pohybuje po kontinuu kompromisů (obr. 1, horní část).

Obrázek 1: Většina návrhových situací umožňuje konstruktérovi posoudit a poté provést různé kompromisy výkonu podél poměrně kontinuální dráhy (horní část), ale pokud jde o šum/účinnost spínacích regulátorů oproti LDO, návrhy končí buď na jedné, nebo na druhé straně, s malou „styčnou plochou“ (dolní část). (Zdroj obrázku: Bill Schweber)

Konstruktér může například zvolit operační zesilovač, který odebírá větší proud (špatně), aby ve srovnání s jiným operačním zesilovačem poskytl vyšší rychlost přeběhu (dobře); kompromis je v dané aplikaci přijatelný nebo nutný.

U spínacích regulátorů a LDO jsou však jejich šumové vlastnosti a účinnost do značné míry „zapečeny“ v jejich struktuře. Konstruktér nemůže například říci, že bude akceptovat LDO s o 20 % vyšším šumem výměnou za to, že nabídne o 10 % vyšší účinnost – takový kompromis neexistuje. Místo toho je zde mezera v rozpětí atribut-kompromis (obrázek 1, spodní část).

Regulátory Silent Switcher řeší dilema kompromisu

Alternativním a obvykle lepším řešením je použití jednotlivých DC/DC regulátorů umístěných co nejblíže jejich zátěžovým integrovaným obvodům. Tím se minimalizuje pokles IR, plocha desky plošných spojů a zachycení a emise šumu z lišt. Aby však byl tento přístup realizovatelný, je nutné mít malé, účinné a nízkošumové regulátory, které lze umístit vedle zátěže a přitom splnit všechny její proudové požadavky.

Právě v tomto případě jsou mnohé regulátory Silent Switcher řešením problémů. Nejenže tyto regulátory poskytují jednociferné napěťové výstupy při proudových úrovních od několika ampérů do 10 A, ale dělají to s extrémně nízkým šumem, kterého je dosaženo použitím několika konstrukčních inovací.

Tyto regulátory posouvají konvenční myšlení o rozdílu mezi LDO a spínacími regulátory díky měničům Silent Switcher 1 (první generace) a Silent Switcher 2 (druhá generace). Konstruktéři těchto zařízení identifikovali různé zdroje šumu a vymysleli způsoby, jak každý z nich potlačit.

Všimněte si, že regulátory Silent Switcher nepoužívají známou a legitimní techniku „rozprostřeného spektra“, která spočívá v přidávání pseudonáhodného šumu do hodinového signálu. Tím se rozšiřuje spektrum šumu a zároveň snižuje jeho amplituda na hodinové frekvenci a jeho harmonických. Použití taktování s rozprostřeným spektrem sice může pomoci splnit regulační limity, nesnižuje však celkovou energii šumu a ve skutečnosti může způsobit šum v částech spektra, které ovlivňují výkon obvodu.

Mezi výhody zařízení Silent Switcher 1 patří nízké elektromagnetické rušení, vysoká účinnost a vysoká spínací frekvence, která přesouvá velkou část zbývajícího šumu mimo části spektra, kde by mohl narušovat provoz systému nebo způsobovat regulační problémy. Mezi výhody zařízení Silent Switcher 2 patří všechny vlastnosti technologie Silent Switcher 1 a navíc integrované přesné kondenzátory, menší velikost řešení a odstranění citlivosti na uspořádání desky plošných spojů.

Díky malým rozměrům (jen několik milimetrů čtverečních) a účinnosti mohou být tyto přepínače umístěny velmi blízko k zátěži FPGA nebo ASIC, čímž se maximalizuje výkon a eliminuje nejistota mezi specifikacemi funkčních charakteristik v technickém listu a skutečností v provozu. Mění „binární“ dilema, kdy je nutné volit mezi akceptováním buď většího šumu, nebo menší účinnosti, a umožňují konstruktérům získat to nejlepší z obou parametrů, pokud jde o šum a účinnost.

Jak byly tyto výhody zařízení Silent Switcher realizovány? Bylo jich dosaženo mnohostranným přístupem:

• Hlavní příčinou šumu ve spínaném napájecím zdroji jsou spínané, nikoliv ustálené proudy. V topologii běžného spínacího regulátoru existuje proudová dráha, která se nazývá „horká smyčka“. Tato horká smyčka není samostatnou proudovou smyčkou, ale pouze virtuální proudovou smyčkou složenou ze dvou skutečných proudových smyček (obrázek 2).

Obrázek 2: Obvyklá topologie spínacího regulátoru má virtuální proudovou smyčku nazývanou horká smyčka; je složen ze součástí dvou reálných proudových smyček a má spínaný proud. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Technologie Silent Switcher 2 od Analog Devices minimalizuje kritické horké smyčky díky integraci vstupních kondenzátorů do pouzdra integrovaného obvodu. Také rozdělením horké smyčky na dva symetrické tvary se vytvoří dvě magnetická pole opačných polarit a vyzařovaný šum se do značné míry vyruší.

• Architektura druhé generace podporuje rychlé spínací hrany pro vysokou účinnost při vysokých spínacích frekvencích a současně dosahuje dobrých parametrů EMI. Vnitřní keramické kondenzátory na vstupním stejnosměrném napětí (V_IN) udržují všechny rychlé smyčky střídavého proudu malé, což zlepšuje parametry EMI.
• Architektura zařízení Silent Switcher využívá patentované konstrukční a obalové techniky, které maximalizují účinnost při velmi vysokých frekvencích a umožňují ultranízké EMI, přičemž díky použití vysoce kompaktních a robustních konstrukcí snadno splňuje limity pro EMI třídy 5 podle CISPR 25.
• Využívá se technika Active Voltage Positioning (AVP), při níž je výstupní napětí závislé na proudu zátěže. Při malém zatížení je výstupní napětí regulováno nad jmenovitou hodnotou, zatímco při plném zatížení je výstupní napětí regulováno pod jmenovitou hodnotou. Regulace stejnosměrného zatížení je upravena tak, aby se zlepšila přechodová charakteristika a snížily požadavky na výstupní kondenzátor.

Mnoho řad regulátoru Silent Switcher

Regulátory Silent Switcher jsou k dispozici v mnoha řadách a modelech s různým jmenovitým napětím/proudem. Některá další hlediska se v jednotlivých modelech liší, například pevný výstup oproti nastavitelnému. Mezi různé členy řady LTC33xx patří:

• LTC3307: synchronní snižovací Silent Switcher 5 V, 3 A v pouzdru LQFN 2 mm × 2 mm
• LTC3308A: synchronní snižovací Silent Switcher 5 V, 4 A v pouzdru LQFN 2 mm × 2 mm
• LTC3309A: synchronní snižovací Silent Switcher 5 V, 6 A v pouzdru LQFN 2 mm × 2 mm
• LTC3310: synchronní snižovací Silent Switcher 2 5 V, 10 A 2 v pouzdru LQFN 3 mm × 3 mm

Podíváme-li se na LTC3310 podrobněji, zjistíme, že se jedná o velmi malý monolitický DC/DC převodník s nízkým šumem, který je schopen poskytovat výstupní proud až 10 A ze vstupního napájení 2,25 až 5,5 V; rozsah V_OUT je 0,5 V až V_IN. Spínací frekvence se pohybují od 500 kHz až po 5 MHz. Vyžaduje pouze několik externích pasivních součástek a má účinnost přibližně 90 % ve většině rozsahu výstupní zátěže (obrázek 3).

Obrázek 3: Snižovací DC/DC regulátor LTC3310 vyžaduje externí aktivní komponenty a nabízí vysokou účinnost ve většině rozsahu zátěže. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Je k dispozici ve čtyřech základních verzích. Zařízení poskytují jak nízké EMI, tak vysokou účinnost při spínacích frekvencích až 5 MHz a existují verze řady LTC3310, které mají certifikaci AEC-Q100 pro automobilový průmysl. Všimněte si, že jak zařízení první generace (SS1) – LTC3310 – tak zařízení druhé generace (SS2) – LTC3310S a LTC3310S-1 – jsou k dispozici jako zařízení s nastavitelným výstupem a zařízení s pevným výstupem (tabulka 1):

Tabulka 1: LTC3310 je nabízen ve čtyřech základních verzích, které představují provedení první a druhé generace a také pevné a nastavitelné výstupy. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

U nastavitelných verzí je výstupní napětí pevně naprogramováno pomocí odporového děliče mezi výstupem a pinem zpětné vazby (FB) s použitím jednoduché rovnice pro určení správné hodnoty odporu (obrázek 5).

Obrázek 5: Stanovení výstupního napětí nastavitelných zařízení LTC3310 vyžaduje pouze základní síť odporového děliče na základě jednoduché rovnice. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Hladiny šumu se obvykle pohybují v desítkách mikrovoltů. Dvěma klíčovými ukazateli nízkého šumu zařízení LTC3310 jsou testy šumu provedené podle příslušných špičkových limitů CISPR25 třídy 5. Ty zahrnují vedený šum (obrázek 6) a vyzářený šum v horizontální i vertikální rovině (obrázek 7).

Obrázek 6: Správně uspořádaný regulátor založený na LTC3310S splňuje přísné limity CISPR25 pro vedené emise EMI (se špičkovou hodnotou dle třídy 5). (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Obrázek 7: V testech vyzářených emisí splňuje LTC3310S požadavky na EMI v horizontální rovině (vlevo) i vertikální rovině (vpravo) podle CISPR25. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Další pozoruhodnou vlastností řady LTC3310 je snadné paralelní použití zařízení pro vícefázový provoz s vyšším proudem, což je vlastnost, kterou mnoho jiných spínacích regulátorů nepodporuje nebo podporuje jen s obtížemi. Nejjednodušší paralelní zapojení je pro dvoufázový provoz poskytující proud až 20 A (obrázek 8). Tento přístup lze snadno rozšířit na tři, čtyři nebo více fází a odpovídající vyšší proudy.

Obrázek 8: S několika dalšími součástmi lze kombinovat dvě nebo více zařízení LTC3310 pro vícefázový provoz s vyšším proudem; znázorněna je dvoufázová konfigurace 20 A. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Vyhodnocovací desky zkracují návrhové cykly

Regulátory, jako jsou zařízení LTC3310, se používají přímo, protože nemají žádné inicializační registry, softwarově řízené funkce ani jiné složitosti při nastavování. Přesto má technický smysl mít možnost posoudit jejich statickou a dynamickou výkonnost a optimalizovat hodnoty pasivních komponent předtím, než se zavážeme ke konečnému rozvržení nebo specifikaci kusovníku. Dostupnost vyhodnocovacích desek LTC3310 tento proces značně usnadňuje. Společnost Analog Devices nabízí výběr takových desek, které odpovídají různým verzím a konfiguracím LTC3310:

• DC3042A podporuje zařízení LTC3310 s nastavitelným výstupem (obrázek 9).

Obrázek 9: Vyhodnocovací deska DC3042A je navržena pro regulátor LTC3310 s uživatelsky nastavitelným výstupním napětím. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Kromě návodu k základnímu nastavení a obsluze obsahuje dokumentace také schéma zapojení, rozvržení desky a kusovník. Uvádí také různé testovací body a připojení a uspořádání sond pro měření výstupního zvlnění a skokové odezvy (obrázek 10).

Obrázek 10: Příručka k vyhodnocovací desce DC3042A názorně uvádí testovací body a připojení (nahoře) a také nastavení a konfiguraci sondy pro měření výstupního zvlnění a skokové odezvy. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

• Pro regulátor LTC3310S-1 s pevným výstupním napětím je k dispozici vyhodnocovací deska DC3021A (obrázek 11).

Obrázek 11: Pro regulátor LTC3310S-1 s výstupním napětím, které není uživatelem nastavitelné, je vhodnou volbou vyhodnocovací deska DC3021A. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

• A pro poněkud složitější vícefázové paralelní uspořádání je tu DC2874A-C (obrázek 12). Tato vyhodnocovací deska má LTC3310S fungující jako vícefázový regulátor 2,0 MHz snižující napětí ze 3,3 na 1,2 V. DC2874A má tři možnosti sestavení, které umožňují dvoufázové/20 A, třífázové/30 A nebo čtyřfázové/40 A řešení výstupu.

Obrázek 12: Vyhodnocovací deska DC2874A-C pro regulátor LTC3310S má tři možnosti sestavení: dvoufázové/20 A, třífázové/30 A nebo čtyřfázové/40 A výstupy. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Použitím LTC3310S a investováním času do vhodné vyhodnocovací desky a příslušné uživatelské příručky mohou konstruktéři minimalizovat čas strávený funkčností DC/DC regulátoru.

Závěr

Technici tradičně museli volit mezi dvěma protichůdnými topologiemi DC/DC regulátorů s výrazně protikladnými vlastnostmi. LDO nabízejí stejnosměrný výstup s velmi nízkým šumem, ale s nízkou až středně vysokou účinností, takže při výstupech nad cca 1 A vzniká problém s teplem. Naproti tomu spínací regulátory nabízejí účinnost v rozsahu 90 %, ale zvyšují šum na výstupní liště stejnosměrného proudu a jsou také zdrojem vedeného a zejména vyzářeného šumu, který může snadno způsobit, že produkt neprojde povinnými regulačními testy.

Naštěstí produktové řady Silent Switcher od společnosti Analog Devices využívají řadu inovativních konstrukčních technik, které toto dilema „vybrat si jedno nebo druhé“ překonávají, a výsledkem jsou vysoce účinné regulátory s velmi nízkou hladinou šumu a malými rozměry.