Hvordan man løser DC/DC-støj, effektivitet og layoutproblemer ved hjælp af integrerede strømforsyningsmoduler

Det synes ikke svært at bygge en grundlæggende step-down (buck) DC/DC-regulator til lave spændinger på 10 volt (typisk) eller mindre og beskedne strømniveauer på ca. 2 til 15 ampere (A). Designeren skal blot vælge en passende switch-regulator IC og tilføje et par passive komponenter ved hjælp af eksempelkredsløbet i databladet eller applikationsnoten. Men er designet virkelig færdigt og klar til at blive frigivet til pilotkørsel eller endda til produktion? Sandsynligvis ikke.

Selv om regulatoren giver den ønskede DC-skinne, har den stadig flere potentielle problemer. For det første opfylder effektiviteten måske ikke projektmålene eller de lovgivningsmæssige krav, hvilket øger den termiske påvirkning og forkorter batteriets levetid. For det andet kan der være behov for yderligere komponenter for at sikre korrekt opstart, transient ydeevne og lav rippel, hvilket igen påvirker størrelsen, time-to-market og den samlede stykliste (BOM). Endelig, og det er måske den største udfordring, er det muligt, at designet ikke opfylder de stadig strengere begrænsninger for elektromagnetisk interferens (EMI) eller radiofrekvensinterferens (RFI) som defineret i de forskellige lovmæssige mandater, hvilket kræver et nyt design eller yderligere komponenter og testning.

Denne artikel beskriver forskellen mellem forventninger og ydeevne mellem et grundlæggende DC/DC-regulatordesign og et overlegent design, der opfylder eller overgår kravene til effektivitet, lav udstrålet støj og rippel-støj samt generel integration. Artiklen introducerer derefter Analog Devices' Silent Switcher µModules og viser, hvordan man bruger dem til at løse flere DC/DC buck-regulatorproblemer.

IC'er får det til at se let ud, i første omgang

Step-down DC/DC-regulatorer (buck-regulatorer) anvendes i vid udstrækning til at levere DC-skinner. Et typisk system kan have snesevis af disse, der leverer forskellige spændinger på skinnerne eller fysisk adskilte skinner med samme spænding. Disse buck-regulatorer tager normalt en højere spænding, typisk mellem 5 og 36 volt DC, og regulerer den ned til en enkeltvolt-værdi ved få eller lave tocifrede ampere (figur 1).

Figur 1: DC/DC-regulatoren (konverteren) spiller en ligetil rolle: Den tager en ureguleret jævnstrømskilde, som kan være fra et batteri eller en ensrettet og filtreret vekselstrømsledning, og leverer en stramt reguleret jævnstrømsskinne som udgang. (Billedkilde: Electronic Clinic)

Der er både gode og dårlige nyheder, når man bygger en grundlæggende buck-regulator. Den gode nyhed er, at det generelt ikke er svært at bygge et system, der giver en nominelt "god nok" ydeevne. Der findes mange switching-IC'er til at udføre hovedparten af opgaven, som kun har brug for en enkelt felteffekttransistor (FET) (eller slet ingen) og nogle få passive komponenter til at udføre opgaven. Opgaven bliver endnu nemmere, da databladet for regulator-IC'en næsten altid viser et typisk applikationskredsløb med et skema, et printlayout og en BOM, der kan indeholde navne på komponentleverandører og varenumre.

Det tekniske dilemma er, at et "godt" præstationsniveau måske ikke er tilstrækkeligt med hensyn til nogle ikke-oplagte parametre for regulatorens ydeevne. Selv om DC-udgangsskinnen kan levere tilstrækkelig strøm med passende regulering af linje/belastning og transientkarakteristik, er disse faktorer kun begyndelsen af historien for strømskinner.

Virkeligheden er, at ud over disse grundlæggende præstationskriterier vurderes en regulator også ud fra andre faktorer, hvoraf nogle er drevet af eksterne krav. De tre kritiske spørgsmål, som de fleste regulatorer skal tage stilling til, er ikke nødvendigvis indlysende, udelukkende ud fra det forsimplede perspektiv af en funktionel blok, der accepterer en ureguleret jævnstrømsindgang og leverer en reguleret jævnstrømsudgang. De er (figur 2):

• Kølig: Høj effektivitet og minimal termisk påvirkning.
• Stille: Lav rippel for fejlfri systemydelse samt lav EMI for at opfylde standarderne for udstrålet støj (ikke-akustisk).
• Komplet: En integreret løsning, der minimerer størrelse, risiko, BOM, time-to-market og andre "bløde" problemer.

Figur 2: En DC/DC-regulator skal gøre mere end blot at levere en stabil strømskinne; den skal også være kølig og effektiv, være EMI-"stille" og være funktionelt komplet. (Billedkilde: Math.stackexchange.com; ændret af forfatteren)

At løse disse problemer medfører en række udfordringer, og det kan blive en frustrerende oplevelse at løse dem. Dette er i overensstemmelse med "80/20-reglen", hvor 80 % af indsatsen går til at få de sidste 20 % af opgaven udført. Hvis vi ser nærmere på de tre faktorer:

Kølig: Alle designere ønsker høj effektivitet, men hvor høj og til hvilken pris? Svaret er det sædvanlige: Det afhænger af projektet og dets afvejninger. Højere effektivitet er vigtig af tre hovedårsager:

1. Det betyder et køligere produkt, der øger pålideligheden, kan give mulighed for drift ved en højere temperatur, kan fjerne behovet for tvungen luftkøling (ventilator) eller kan forenkle opsætningen af effektiv konvektionskøling, hvis det er muligt. I den høje ende kan det være nødvendigt at holde specifikke komponenter, der kører særligt varmt, under deres maksimalt tilladte temperatur og inden for deres sikre driftsområde.
2. Selv hvis disse termiske faktorer ikke er et problem, betyder effektivitet længere driftstid for batteridrevne systemer eller en mindre belastning af vekselstrøms-DC-konverteren i opstrømsleddet.
3. Der findes nu mange lovmæssige standarder, der kræver specifikke effektivitetsniveauer for hver klasse af slutprodukter. Selv om disse standarder ikke angiver effektiviteten for de enkelte skinner i et produkt, er det designernes udfordring at sikre, at den samlede effektivitet opfylder mandatet. Dette er lettere, når hver enkelt af de bidragende skinners DC/DC-regulatorer er mere effektive, da det giver plads når de føjes til de andre skinner og andre tabskilder.

Stilhed: Der er to brede klasser af støj, som bekymrer designere. For det første skal støj og rippel på DC/DC-regulatorens udgang være så lavt, at det ikke påvirker systemets ydeevne negativt. Dette er et stigende problem i takt med at skinnespændingerne falder til lave encifrede tal i digitale kredsløb og i analoge præcisionskredsløb, hvor selv få millivolt rippel kan forringe ydeevnen.

Den anden store bekymring er relateret til EMI. Der er to typer EMI-emissioner: ledet og udstrålet. Ledningsemissioner er på de ledninger og spor, der er forbundet til et produkt. Da støjen er lokaliseret til en bestemt terminal eller stik i designet, kan det ofte sikres, at kravene til ledningsemissioner overholdes relativt tidligt i udviklingsprocessen med et godt layout og filterdesign.

Stråleemissioner er imidlertid mere kompliceret. Hver leder på et printkort, der fører strøm, udsender et elektromagnetisk felt: hvert printkortspor er en antenne, og hvert kobberplan er et spejl. Alt andet end en ren sinusbølge eller jævnspænding genererer et bredt signalspektrum.

Problemet er, at selv med omhyggeligt design ved designeren aldrig rigtig, hvor slem den udstrålede emission vil være, før systemet bliver testet, og testning af udstrålede emissioner kan ikke formelt udføres, før designet er stort set færdigt. Filtre bruges til at reducere EMI ved at dæmpe niveauerne ved specifikke frekvenser eller over et frekvensområde ved hjælp af forskellige teknikker.

Noget af den energi, der stråler gennem rummet, dæmpes ved at bruge metalplader som magnetisk skjold. Den lavere frekvensdel, der findes på printkortets spor (ledet), kontrolleres ved hjælp af ferritstøjfiltre og andre filtre. Afskærmning virker, men medfører et nyt sæt problemer. Den skal være velkonstrueret med god elektromagnetisk integritet (hvilket ofte er overraskende vanskeligt). Det øger omkostningerne, forøger størrelsen, gør termisk styring og testning vanskeligere og medfører yderligere monteringsomkostninger.

En anden teknik er at sænke regulatorens switch-flanke. Dette har imidlertid den uønskede virkning, at det reducerer effektiviteten, øger de minimale til- og frakoblingstider og de nødvendige dødtider og går ud over hastigheden af strømstyringssløjfen.

En anden metode er at justere regulatorens design til at udstråle mindre EMI ved omhyggeligt at vælge de vigtigste designparametre. Opgaven med at afbalancere disse reguleringsafgørelser indebærer en vurdering af samspillet mellem parametre som f.eks. koblingsfrekvens, fodaftryk, effektivitet og resulterende EMI.

F.eks. reducerer en lavere koblingsfrekvens generelt koblingstab og EMI og forbedrer effektiviteten, men kræver større komponenter med tilhørende øget fodaftryk. Jagten på større effektivitet er ledsaget af lave minimums tænd- og sluktider, hvilket resulterer i et højere harmonisk indhold på grund af de hurtigere switchovergange. Generelt bliver EMI'en 6 decibel (dB) værre for hver fordobling af koblingsfrekvensen, hvis man antager, at alle andre parametre som f.eks. koblingskapacitet og overgangstider forbliver konstante. Bredbånds-EMI opfører sig som et højpasfilter af første orden med 20 dB højere emissioner, når koblingsfrekvensen øges med en faktor ti.

For at overvinde dette vil erfarne printkortdesignere gøre regulatorens strømsløjfer ("hot loops") små og bruge afskærmende jordlag så tæt på det aktive lag som muligt. Ikke desto mindre dikterer ben-layout, pakkekonstruktion, krav til termisk design og pakkestørrelser, der er nødvendige for tilstrækkelig energilagring i afkoblingskomponenter, en vis minimumsstørrelse for hot-loop.

For at gøre layoutproblemet endnu mere udfordrende har det typiske planarprintkort magnetisk eller transformerlignende kobling mellem sporene over 30 megahertz (MHz). Denne kobling vil dæmpe filtreringsindsatsen, da uønsket magnetisk kobling bliver mere effektiv, jo højere de harmoniske frekvenser er.

Hvilke standarder er relevante?

Der findes ikke en enkelt vejledende standard i EMI-verdenen, da den i høj grad bestemmes af anvendelsen og de relevante styrende krav. Blandt de mest citerede er EN55022, CISPR 22 og CISPR 25. EN 55022 er en modificeret afledning af CISPR 22 og gælder for informationsteknologisk udstyr. Standarden er udarbejdet af CENELEC, den europæiske komité for elektroteknisk standardisering, og er ansvarlig for standardisering inden for det elektrotekniske område.

Disse standarder er komplekse og definerer testprocedurer, sonder, instrumenter, dataanalyse og meget mere. Blandt de mange grænseværdier, der er defineret i standarden, er grænseværdien for strålingsemission i klasse B ofte af størst interesse for designere.

Komplet: Selv når designsituationen er ret godt forstået, er det en udfordring at vælge og anvende de nødvendige støttekomponenter på den helt rigtige måde. Små forskelle i komponentplacering og specifikationer, printkortets jordforbindelse og spor og andre faktorer kan påvirke ydeevnen negativt.

Modellering og simulering er nødvendig og kan hjælpe, men det er meget vanskeligt at karakterisere parasitikken i forbindelse med disse komponenter, især hvis deres værdier ændrer sig. Endvidere kan et leverandørskifte (eller en uanmeldt ændring hos den foretrukne leverandør) medføre et subtilt skift i anden- eller tredjestyringsparameterværdierne (f.eks. DCR-modstand (DCR) for induktorer), hvilket kan have betydelige og uventede konsekvenser.

Desuden kan selv en lille omplacering af de passive komponenter eller tilføjelse af "bare én mere" ændre EMI-scenariet og resultere i emissioner, der overstiger de tilladte grænser.

SilentSwitcher µModules løser problemerne

Det er en normal del af en designers arbejde at forudse og styre risici. Det er en standardstrategi for slutprodukter at reducere antallet og intensiteten af disse risici. En løsning er at bruge en funktionelt komplet DC/DC-regulator, der gennem godt design og implementering er kølig, støjsvag og komplet. Ved at bruge en kendt enhed reduceres usikkerheden, samtidig med at størrelses-, omkostnings-, EMI-, BOM- og monteringsrisici reduceres. Det gør det også hurtigere at komme på markedet og reducerer nervøsiteten for overholdelse af lovgivningen.

Ved at se på en komplet familie af sådanne regulatorer, f.eks. Silent Switcher µModules fra Analog Devices, kan designere vælge en DC/DC-regulator, der passer til den nødvendige spænding og strømstyrke, samtidig med at de er sikre på, at EMI-kravene vil blive opfyldt, at størrelse og omkostninger vil være kendt, og at der ikke vil være nogen overraskelser.

Disse regulatorer indeholder meget mere end innovative skematikker og topologier. Blandt de teknikker, de bruger, er:

• Teknik nr. 1: Regulatorens omskiftning fungerer som en RF-oscillator/kilde og kombineres med forbindelsesledningerne, som fungerer som antenner. Dette gør enheden til en RF-sender med uønsket energi, som kan overskride de tilladte grænser (figur 3, 4 og 5).

Figur 3: Forbindelsesledningerne fra IC-chippen til pakken fungerer som miniatureantenner og udstråler uønsket RF-energi. (Billedkilde: Analog Devices)

Figur 4: Silent Switcher-samlingen begynder med at erstatte forbindelsesledninger med flipchip-teknologi, hvorved de energiudstrålende ledninger fjernes. (Billedkilde: Analog Devices)

Figur 5: Flipchip-tilgangen eliminerer effektivt antennerne og minimerer den udstrålede energi. (Billedkilde: Analog Devices)

• Teknik nr. 2: Brugen af symmetriske indgangskondensatorer begrænser EMI ved at skabe afbalancerede, modsatrettede strømme (Figur 6).

Figur 6: Der er også tilføjet dobbelte, spejlvendte indgangskondensatorer for at begrænse EMI. (Billedkilde: Analog Devices)

• Teknik nr. 3. Endelig er der brugen af modsatrettede strømsløjfer til at ophæve magnetfelter (figur 7).

Figur 7: Et internt layout med strømsløjfer i modsatte retninger ophæver også uønskede magnetfelter. (Billedkilde: Analog Devices)

Disse Silent Switcher µModules repræsenterer udviklingen af design og pakning af step-down-regulatorer fra en IC med støttekomponenter til en LQFN-IC med integrerede kondensatorer til et µModule med de nødvendige kondensatorer og induktorer (Figur 8).

Figur 8: Ved at inkorporere kondensatorer og en induktor i pakken er Silent Switcher µModules det tredje trin i udviklingen af IC-centrerede koblingsregulatorer. (Billedkilde: Analog Devices)

Bredt udbud tager højde for behov og afvejninger

Silent Switcher µModules består af mange individuelle enheder med forskellige værdier for indgangsspændingsområde, udgangsspændingsskinne og udgangsstrøm. LTM8003 er f.eks. et µModul med en indgang på 3,4 til 40 volt, en udgang på 3,3 volt og en kontinuerlig strømstyrke på 3,5 A (6 A peak), der opfylder CISPR 25 klasse 5-grænserne, men som alligevel kun måler 9 × 6,25 millimeter (mm) og er 3,32 mm høj (Figur 9).

Figur 9: LTM8003 Silent Switcher er en lille, selvstændig pakke, der nemt opfylder CISPR 25 Klasse 5 Peak Radiated Energy-grænsen fra DC til 1000 MHz. (Billedkilde: Analog Devices)

Den tilbydes i et ben-layout, der er FMEA-kompatibelt (FEMA - failure mode effects analysis) (LTM8003-3.3), hvilket betyder, at udgangen forbliver på eller under reguleringsspændingen under en kortslutning med ey tilstødende ben eller hvis et ben ikke forbindes. Den typiske hvilestrøm er kun 25 mikroampere (µA), og H-versionen er beregnet til drift ved 150 °C.

DC2416A-demonstrationskortet (demo) er tilgængeligt for designere til at afprøve regulatoren og vurdere dens ydeevne i forbindelse med deres applikation (Figur 10).

Figur 10: DC2416A-demonstrationskort forenkler tilslutningen til og evalueringen af LTM8003 Silent Switcher-enheden. (Billedkilde: Analog Devices)

To nominelt ens Silent Switcher µModule-familiemedlemmer, LTM4657 (3,1 til 20 volts indgang; 0,5 til 5,5 volt @ 8 A udgang) og LTM4626 (3,1 til 20 volts indgang; 0,6 til 5,5 volt ved 12 A udgang), viser arten af de kompromiser, som enhederne tilbyder. LTM4657 bruger en induktor af højere værdi end LTM4626, hvilket gør det muligt at operere ved lavere frekvenser for at mindske tab ved kobling.

LTM4657 er en bedre løsning for høje koblingstab og lave ledningstab, f.eks. i applikationer, hvor belastningsstrømmen er lav og/eller indgangsspændingen er høj. Når man ser på LTM4626 og LTM4657 ved samme koblingsfrekvens og med samme 12-volts indgang og 5-volts udgang, kan man se LTM4657's overlegne koblingstab (Figur 11). Desuden reducerer induktoren med den store værdi udgangsspændings rippeleffekt. LTM4626 kan dog levere mere belastningsstrøm end LTM4657.

Figur 11: Sammenligning af effektiviteten af LTM4626 og LTM4657 ved 1,25 MHz med den samme konfiguration på et DC2989A-demonstrationskort viser beskedne, men håndgribelige forskelle. (Billedkilde: Analog Devices)

Brugerne kan vurdere LTM4657's ydeevne ved hjælp af DC2989A-demonstrationskortet (Figur 12), mens DC2665A-A-kortet er tilgængeligt for dem, der har brug for at evaluere LTM4626 (Figur 13).

Figur 12: DC2989A-demonstrationskortet er designet til at fremskynde evalueringen af LTM4657 Silent Switcher. (Billedkilde: Analog Devices)

Figur 13: For LTM4626 Silent Switcher-modulet er DC2665A-A-demonstrationskort tilgængeligt for at muliggøre øvelse og evaluering. (Billedkilde: Analog Devices)

Silent Switcher µModuler er ikke begrænset til enkeltudgangsmoduler. LTM4628 er f.eks. en komplet DC/DC-regulator med to 8 A-udgange, der nemt kan konfigureres til at levere en enkelt 2-faset 16 A-udgang (Figur 14). Modulet fås i 15 mm × 15 mm × 4,32 mm LGA- og 15 mm × 15 mm × 4,92 mm BGA-pakker. Den inkluderer en switching-controller, power FET'er, induktor og alle støttekomponenter.

Figur 14: LTM4628 kan konfigureres som en dobbeltudgangs DC/DC-regulator med 8 A pr. kanal eller som en enkeltudgangs DC/DC-regulator med 16 A udgangskonfiguration. (Billedkilde: Analog Devices)

Modulet fungerer over et indgangsspændingsområde på 4,5 til 26,5 volt og understøtter et udgangsspændingsområde på 0,6 til 5,5 volt, som indstilles af en enkelt ekstern modstand. Brugere kan undersøge dens ydeevne som en enhed med enkelt eller dobbelt output ved hjælp af DC1663A-demonstrationskortet (Figur 15).

Figur 15: Evalueringen af LTM4628 med enkelt/dobbelt udgang fremskyndes ved hjælp af DC1663A-demonstrationskortet. (Billedkilde: Analog Devices)

Konklusion

Det er ret nemt at konstruere en fungerende DC/DC-regulator med de tilgængelige IC'er. Det er imidlertid ikke muligt at designe en regulator, der på samme tid er effektiv, funktionelt komplet og opfylder de ofte forskellige forvirrende og strenge regulatoriske krav. Silent Switcher µModules fra Analog Devices forenkler designprocessen. De eliminerer risici ved at opfylde målene om kølig og effektiv drift, EMI-emissioner under de tilladte grænser og komplethed ved at kunne monteres som en enkelt installation.