Jak používat malé modulární převodníky DC/DC k minimalizaci šumu v napájecí liště

Šum je neodmyslitelnou a obvykle nevyhnutelnou úvahou téměř u všech návrhů systémů. Zatímco určitý šum pochází z externích zdrojů a není přímo pod kontrolou konstruktéra obvodu, generuje ho také samotný obvod. V mnoha případech je zásadní, aby konstruktér minimalizoval zdroje šumu - zejména šum na napájecích sběrnicích - protože může ovlivnit citlivé analogové a digitální obvody.

Výsledkem může být nepravidelný výkon obvodu, snížené rozlišení a přesnost a v lepším případě vyšší bitová chybovost (BER). V nejhorším případě to může způsobit úplnou nefunkčnost systému nebo časté nebo občasné problémy s výkonem, které je těžké ladit.

Během spínání DC/DC regulátorů a jejich výstupních sběrnic existují dva hlavní problémy s rušením: zvlnění a vyzařovaný šum. Šum generovaný v obvodu podléhá regulačním pověřením pro elektromagnetickou kompatibilitu (EMC) a musí být pod specifikovanou úrovní v různých frekvenčních pásmech.

Výzvou pro konstruktéry je porozumět šumu z vnitřních zdrojů a jeho původu a buď jej „konstrukčně odstranit“ nebo jinak zmírnit. Tento článek bude diskusi o možnostech minimalizace problémů se šumem regulátorů demonstrovat na DC/DC regulátorech od společnosti Monolithic Power Systems, Inc..

Začněte zdrojem a typem šumu

Nejjednodušší pozorovatelný šum, který přímo ovlivňuje výkon obvodu, je zvlnění při spínací frekvenci. Toto zvlnění je obvykle řádově 10 až 20 milivoltů (mV) (obrázek 1). Ačkoliv tento jev není náhodný, jedná se stále o projev šumu s dopady na výkon systému. Úroveň takového zvlnění v milivoltech obecně není problémem pro digitální integrované obvody s vyšším napětím, které pracují s kolejnicemi při napětí 5 V a vyšším, ale může to být problém u digitálních obvodů s nízkým napětím, které pracují pod 3 V. Zvlnění na napájecích kolejnicích je také hlavním problémem přesných analogových obvodů a komponent, a proto je u těchto zařízení kritická specifikace poměru odmítnutí napájení (PSRR).

Obrázek 1: Zvlnění na stejnosměrné liště, které je výsledkem spínacího činnosti regulátoru, může ovlivnit základní výkonnost nebo přesnost výsledků obvodu. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems, Inc.)

Spínací akce DC / DC regulátoru může také vyzařovat vysokofrekvenční (RF) šum. I když jsou milivolty zvlnění na stejnosměrné liště tolerovatelné, je zde také otázka elektromagnetických emisí, které oslabují elekromagnetickou kompatibilitu (EMC). Tento šum má známou základní frekvenci v rozsahu několika kilohertzů až několika megahertzů (MHz) v závislosti na spínacím převodníku, jakož i mnoho harmonických.

Mezi nejčastěji citované regulační standardy související s EMC patří CISPR 22 a CISPR 32,„Zařízení informační technologie - Charakteristiky rádiového rušení - Meze a metody měření“ (CISPR znamená „Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques“). Existuje také evropská norma EN 55022, odvozená hlavně z produktové normy CISPR 22, se zkouškami prováděnými za pečlivě definovaných podmínek.

CISPR 22 byl přijat pro použití většinou členů Evropského společenství. Zatímco normy FCC část 15 v USA a CISPR 22 byly vytvořeny jako relativně harmonické, existují určité rozdíly. Norma CISPR 22 / EN 55022 byla „pohlcena“ CISPR 32 / EN 55032, novou normou produktové skupiny pro multimediální zařízení (MME), která je účinná jako harmonizovaná norma v souladu se směrnicí EMC.

Zařízení určené primárně pro použití v obytném prostředí musí splňovat limity třídy B, přičemž všechna ostatní zařízení vyhovují třídě A (obrázek 2). Výrobky určené pro severoamerické trhy musí vyhovovat omezením stanoveným v oddíle 15.109 Federální komunikační komise (FCC), část 15, hlava B, pro neúmyslné zářiče. I když tedy elektrický šum vyzařovaný stejnosměrným regulátorem nepříznivě neovlivňuje samotný výrobek, může být tento šum stále nepřijatelně vysoký, pokud jde o splnění různých regulačních pověření.

Obrázek 2: Toto je jeden z mnoha grafů poskytovaných normou CISPR 32 / EN 55032, který definuje emisní limity v závislosti na frekvenci pro různé třídy spotřebních produktů. (Zdroj obrázku: Academy of EMC, „EMC Standards“)

Řešení problémů EMC je složité téma a nemá žádné zjednodušující řešení. Měření a přípustné limity těchto emisí jsou mimo jiné funkcí provozní frekvence obvodu, vzdálenosti, úrovně výkonu a třídy použití. Z těchto důvodů má smysl kontrolovat mnoho technických zdrojů a případně se obrátit také na poradce, kteří mohou poskytnout doporučení a odborné znalosti.

To znamená, že konstruktéři používají tři základní strategie pro minimalizaci šumu, aby nedocházelo k problémům s výkonem obvodu a také aby splňovaly příslušný šumový předpis:

• Použití regulátoru s nízkým úbytkem napětí (LDO)
• Přidání externí filtrace ke spínacímu regulátoru pro snížení šume viditelného zátěží na DC lištách.
• Výběr modulu spínacího regulátoru obsahujícího součásti, které jsou jinak externí vzhledem k IC regulátoru, například induktory nebo kondenzátory. Výsledný modul je navržen a zaručeně poskytuje nízkošumové kolejnice, a proto vyžaduje minimální nebo žádné externí filtrování.

Začněte s regulátorem LDO

Protože architektura regulátoru LDO nemá žádné hodiny ani přepínání, vyznačuje se inherentně nízkým šumem EMC a nulovým zvlněním ve výstupní liště; každý rok se používají stovky milionů regulátorů LDO. Při aplikaci na vhodný design to může být efektivní řešení.

Například regulátor LDO MP20075 od společnosti Monolithic Power Systems se konkrétně zaměřuje na aktivní zakončení sběrnice pro synchronní dynamickou paměť s náhodným přístupem (SDRAM) 2/3/3L/4 (DDR - Double Data Rate) (obrázek 3). Tento regulátor LDO umístěný 8pólovém pouzdru MSOP může dodávat proud až 3 A do zdroje nebo zátěže při uživatelem nastavitelném napětí v rozsahu 1,05 a 3,6 V a je vybaven precizním sledovacím napětím V_REF/2 pro přesné ukončení.

Obrázek 3: Regulátor MP20075 LDO může dodávat proud až 3 A do zdroje nebo zátěže a je optimalizován pro potřeby zakončení různých tříd pamětí DDR SRAM. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Integrovaný dělič MP20075 sleduje referenční napětí (REF), aby zajistil přesné výstupní napětí VTT a VTTREF, zatímco Kelvinovo snímání mu pomáhá dosáhnout přesnosti ± 30 mV pro VTT a ± 18 mV pro VTTREF Kromě toho, stejně jako u většiny regulátorů LDO, topologie uzavřené smyčky pouze s analogovým signálem poskytuje velmi rychlou odezvu na přechodové zátěže výstupního řádu, řádově jen několik mikrosekund (obrázek 4). Taková přechodná odezva je často kritická ve vysokorychlostních obvodech, jako jsou koncovky DDR SRAM, pro které je tento LDO navržen.

Obrázek 4: Analogová konstrukce uzavřené smyčky regulátoru LDO přispívá k jeho velmi rychlé odezvě na přechodné požadavky zátěže; takový výkon je nezbytný pro aplikace, jako je zakončení pamětí DDR SRAM. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Navzdory inherentně nízkému šumu a snadnému použití má regulátor LDO omezení. Zaprvé, je mnohem méně efektivní než spínací regulátor, což zase přináší dvě zjevné obavy: teplo, které odvádí, zvyšuje tepelné zatížení systému a snížená účinnost má dopad na dobu provozu přenosných zařízení napájených z baterie. Z těchto důvodů se regulátory LDO nejčastěji používají pro výstupní proudy do přibližně 1 až 3 A (jak ukazuje MP20075), protože „penalizace“ účinnosti se často stává nad touto hodnotou nadměrná.

Existuje další inherentní omezení LDO: mohou poskytovat pouze regulaci snižování (buck) a nemohou zvýšit neregulované vstupní stejnosměrné napájení nad jeho nominální hodnotu. Pokud je nutný výstup v režimu zesílení, je regulátor LDO automaticky vyloučen jako možnost DC/DC regulátoru.

Doladit rozvržení, přidat filtraci

Pokud je použit spínací regulátor, ať již pro režim zvyšování nebo snižování napětí, jeho spínací činnost je inherentním a nevyhnutelným zdrojem šumu. Přidání dalšího filtrování výstupu je snazší, když regulátor pracuje na pevné frekvenci. ZvažteMP2145 , 5,5V, 6A synchronní spínací snižovací regulátor umístěný v 12pólovém pouzdru QFN 2 × 3 milimetry (mm) s integrovanými tranzistory MOSFET 20 miliohm (mΩ) a 12 mΩ (obrázek 5).

Obrázek 5: synchronní spínací snižovací regulátor MP2145 5,5 V, 6 A obsahuje integrované tranzistory MOSFET 20 mΩ a 12 mΩ v pouzdru QFN 2 × 3 mm. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Synchronní snižovač napětí, jakým je MP2145, se skládá ze vstupního kondenzátoru C_IN, dvou spínačů (S1 a S2) s tělovými diodami, výkonového induktoru pro ukládání energie (L) a výstupních kondenzátorů (C_OUT). Výstupní kondenzátory (C_OUT) jsou umístěny na výstupu, kde vyhlazují výstupní napětí v ustáleném stavu. Ty tvoří filtr prvního stupně a snižují zvlnění výstupního napětí tím, že poskytují nízkoimpedanční cestu pro vysokofrekvenční napěťové komponenty k návratu na zem.Typicky takový bočníkový výstupní kondenzátor může účinně snížit zvlnění výstupního napětí na 1 mV.

Pro další snížení zvlnění výstupního napětí je vyžadován výstupní filtr druhého stupně s filtrem induktor-kondenzátor (LC) kaskádově zapojeným do výstupních kondenzátorů prvního stupně (obrázek 6). Filtrační induktor (L_f) je odporový v zamýšleném vysokofrekvenčním rozsahu a rozptyluje šumovou energii ve formě tepla. Induktor kombinuje s dalšími bočními kondenzátory a vytváří síť LC s nízkým průchodem.

Obrázek 6: Přidání LC filtru druhého řádu na výstup spínacího regulátoru, jako je MP2145, může snížit zvlnění výstupu. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Datové listy dodavatele a poznámky k aplikaci poskytují rovnice a pokyny pro dimenzování součástí induktoru, kondenzátoru a tlumicího odporu tohoto filtru. Rovněž identifikují kritické sekundární parametry, jako je maximální stejnosměrný odpor induktoru (DCR) a saturační proud a maximální sériový odpor ekvivalentního kondenzátoru (ESR). Typické hodnoty indukčnosti se pohybují mezi 0,22 mikrohenry (µH) a 1 µH.

Rozložení těchto komponent je také zásadní pro dosažení nejvyššího možného výkonu. Nevhodně koncipované rozložení může mít za následek nevyhovující regulaci vedení nebo zátěže, zvýšené zvlnění a další problémy se stabilitou. Vstupní kondenzátor (Cin) pro MP2145 by měl být umístěn co nejblíže pinům IC (obrázek 7).

Obrázek 7: Vstupní kondenzátor MP2145 (Cin zde, vpravo dole; a C1 ve schématu na obrázku 5) by měl být co nejblíže pinu 8 (vstupní pin napájení) a pinům 10/11/12 (GND piny napájení). (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Moduly nabízejí zajištění výkonu

Moduly posouvají implementaci DC/DC regulátorů na další úroveň systémové integrace. Tímto způsobem minimalizují nebo eliminují obavy spojené s výběrem a umístěním externích komponent a poskytují zaručené specifikace. Moduly obsahují další komponenty, především tradiční, poněkud problematický externí induktor. Jako takové snižují problémy spojené s pasivním dimenzováním komponent, umístěním a orientací, přičemž všechny mají vliv na elektromagnetickou kompatibilitu (EMC) a výkonnost související se zvlněním.

Například MPM3833C je snižovací modul s vestavěnými výkonovými tranzistory MOSFET a induktorem, který dodává trvalý výstupní proud až 3 A ze vstupního napětí mezi 2,75 a 6 V společně s vynikající regulací zátěže a vedení (obrázek 8). K dokončení návrhu jsou zapotřebí pouze zpětnovazební rezistory, vstupní kondenzátory a výstupní kondenzátory. Induktor, který je obvykle nejnáročnějším externím prvkem na specifikaci a umístění, se nachází uvnitř modulu, a proto se stává zanedbatelným z hlediska správného umístění s cílem minimalizace elektromagnetického rušení (EMI) a zvlnění.

Obrázek 8: DC/DC modul MPM3833C ve svých konstrukčních a výkonových specifikacích obsahuje potenciálně problematický induktor. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Tento modul je umístěn v ultra malém pouzdru QFN-18 (2,5 mm × 3,5 mm × 1,6 mm) a vykazuje zvlnění napětí 5 mV (obvyklá hodnota). Jeho nízká úroveň vyzařovaných emisí (EMI) vyhovuje normě EN55022 třídy B, která je znázorněna na obrázku 9 pro podmínky V_V = 5 V, V_OUT = 1,2 V, I_OUT = 3 A, CO = 22 pikofaradů (pF), při 25 °C.

Obrázek 9: Datový list modulu MPM3833C DC/DC ukazuje, že snadno splňuje normu EN55022 třídy B pro vyzařované emise. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

S moderními technikami mikro-balení je celková velikost modulu jen o něco větší nebo vyšší než vnitřní matrice; nízký profil je stále důležitějším parametrem. Zvažte MPM3650, plně integrovaný, 1,2 MHz, synchronní, usměrněný snižovací napájecí modul s vnitřním induktorem (obrázek 10). Poskytuje trvalý výstupní proud až 6 A pro výstupy od 0,6 do 1,8 V a až 5 A pro výstupy nad 1,8 V, v širokém vstupním rozsahu 2,75 až 17 V, s vynikající regulací zátěže a vedení. Díky vnitřním tranzistorům MOSFET a zabudovanému induktoru měří pouzdro QFN-24 pouze 4 mm × 6 mm × 1,6 mm.

Obrázek 10: Modul MPM3650 s integrovaným induktorem dodává proud až 6 A při napětí až 1,8 V a 5 A nad 1,8 V pouzdru o rozměrech 4 mm × 6 mm × 1,6 mm. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Další výhodou modulárního koncepce je skutečnost, že zvlnění je dobře kontrolováno při napětí kolem 20 mV bez zátěže a klesá na přibližně 5 mV při plné zátěži 6 A (obrázek 11). To znamená, že v mnoha případech není potřeba další externí filtrace, což zjednodušuje konstrukci, zmenšuje půdorys a redukuje kusovník (BOM).

Obrázek 11: Zvlnění pro modul MPM3650 je specifikováno při přibližně 20 mV a nulové zátěži a přibližně 5 mV při plné zátěži. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Často je užitečné provést několik praktických zkoušek regulačních modulů DC/DC, aby bylo možné posoudit, zda jejich statický a dynamický výkon splňuje systémové požadavky, dokonce i nad rámec toho, co je uvedeno v datovém listu. Pro urychlení tohoto procesu nabízí společnost Monolithic Power Systems čtyřvrstvou vyhodnocovací desku EVM3650-QW-00A, 63,5 mm × 63,5 mm × 1,6 mm pro modul MPM3650 (obrázek 12).

Obrázek 12: Pomocí vyhodnocovací desky EVM3650-QW-00A mohou potenciální uživatelé modulu MPM3650 DC/DC rychle vyhodnotit jeho výkonnost ve své aplikaci. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Vyhodnocovací deska a její datový list slouží více účelům. Za prvé umožňuje uživateli snadno posoudit mnoho výkonových atributů MPS3650 za širokého rozsahu provozních podmínek, z nichž některé nemusí být zřejmé nebo uvedené v datovém listu. Za druhé, datový list vyhodnocovací desky obsahuje kompletní podrobnosti o schématech, kusovníku (BOM) a rozložení desek, takže uživatelé modulu MPS3650 je mohou použít ve svém vlastním návrhu ke snížení rizika a minimalizaci nejistot (obrázek 13).

Obrázek 13: Pouzdro vyhodnocovací desky EVM3650-QW-00A obsahuje kompletní podrobnosti o schématech, kusovníku (BOM) a rozložení desek, aby se snížila rizika a nejistoty. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Vyhodnocovací deska dává konstruktérům příležitost lépe porozumět výkonu modulu, což má za následek vysokou úroveň důvěryhodnosti návrhu spolu s minimální dobou uvedení na trh.

Existuje ještě jeden typ šumu

Pokud konstruktéři hovoří o „šumu“, téměř vždy mají na mysli nějaký projev elektronického šumu v obvodu, jako je zvlnění nebo elektromagnetické rušení (EMI). U spínacích regulátorů však existuje další potenciální typ šumu: akustický šum. U regulátorů pracujících nad rozsah lidského sluchu - obecně považovaný za 20 kHz - nebude takový šum problémem. Některé spínací regulátory však fungují v audio rozsahu, zatímco jiné, které pracují s mnohem vyššími frekvencemi, klesají do audio rozsahu během období nečinnosti nebo pohotovostního režimu, aby se minimalizovala spotřeba energie.

Tento slyšitelný šum je způsoben jedním nebo oběma ze dvou dobře známých fyzikálních jevů; piezoelektrický jev a magnetostrikční jev. V případě piezoelektrického jevu způsobují elektrické oscilace obvodu řízené hodinovými impulzy vibrace součástí, například keramických kondenzátorů, synchronně se spínacími hodinovými impulzy, protože elektrická energie je krystalickými materiály kondenzátoru transformována na mechanický pohyb. V případě magnetostrikčního jevu, který je poněkud analogický s piezoelektrickým jevem, mění magnetické materiály, jako jsou indukční nebo transformátorová jádra, svůj tvar a rozměry během magnetizačních cyklů řízených hodinovými impulzy. Ovlivněný kondenzátor nebo induktor/transformátor pak působí jako mechanický „budič“ a způsobuje rezonanci celé desky s obvody, čímž zesiluje a vysílá slyšitelné vibrace.

Kvůli jednomu nebo oběma těmto účinkům si lidé s dobrým sluchem často stěžují, že v blízkosti elektronických zařízení slyší trvalý brum. Povšimněte si, že tento akustický šum je také někdy generován komponentami nízkofrekvenčních výkonových obvodů 50/60 Hz, takže i lidé, kteří nemají dobrý vysokofrekvenční sluch, mohou slyšet brum.

Řešení akustického šumu vyžaduje jiné přístupy a techniky, než jaké se používají k útlumu elektronického šumu.

Závěr

Regulátory LDO nabízejí řešení problému zvlnění DC lišty a EMI s nulovým nebo nízkým šumem, ale obecně nejsou vhodnou volbou regulátoru u proudů nad několik A. Alternativou jsou spínací regulátory s vhodnou filtrací nebo regulátory speciálně navržené pro provoz s nízkým šumem.

Kompletní DC/DC regulační moduly, které v miniaturním pouzdru obsahují součástky, jako je induktor, nabízejí další sadu řešení. Snižují nejistoty návrhu s ohledem na rozložení a výběr komponent a poskytují plně ověřený a kvantifikovaný výkon subsystému.

Doporučeno k přečtení:

1. "Porozumění standardům elektromagnetické kompatibility pro napájecí zdroje spínaného režimu “