Hvordan man leverer støjsvag strøm med høj densitet i en lille formfaktor til FPGA'er og ASIC'er

Digitale IC'er med høje strømkrav, såsom FPGA'er og ASIC'er, er i stigende grad i centrum af indlejrede systemer til applikationer som f.eks. bilindustrien, medicinalindustrien, telekommunikation, industrien, spil og forbrugerlyd/video. Mange af disse applikationer er missionskritiske som f.eks. ADAS-systemer (Auto-assistentsystemer til bilkørsel) og meget pålidelige som f.eks. datacentre.

Ud over strømkravene har disse enheder med lavere spænding strenge tolerancespecifikationer for deres strømskinner. At levere denne effekt med effektivitet, nøjagtighed, hurtig transient ydeevne, stabilitet og lav støj er afgørende for systemets ydeevne og integritet.

Konventionelle switching regulatorcontrollere og strømforsyningssubsystemer har potentielle støjproblemer, både på deres udgangsskinner og som elektromagnetisk interferens (EMI) og radiofrekvensinterferens (RFI), utilstrækkelig transient respons og layoutbegrænsninger. For at minimere støj anvendes der i nogle applikationer små og støjsvage LDO-regulatorer (Low Dropout), som giver bedre effektivitet sammenlignet med tidligere LDO'er. Ikke desto mindre kan selv disse LDO'er normalt ikke opfylde systemets effektivitetskrav, hvilket resulterer i problemer med varmeafgivelse.

Det effektive alternativ til LDO'en er en switching-regulator, men disse enheder har i sagens natur højere støj på grund af deres clock- og switching-funktion. Denne støj skal afbødes, hvis designerne skal kunne udnytte disse koblingsenheder fuldt ud.

Heldigvis er der nye måder at afbalancere støj og effektivitet på. Denne artikel omhandler de seneste innovationer inden for design af strømkonvertering, der har høj effektivitet og minimalt pladsbehov samt stærkt reduceret støj fra switching-regulatorer. Den undersøger, hvordan innovative switching-regulatorer kan opfylde de mange mål for belastninger i spændingsområdet med etcifrede spændinger og under 10 ampere (A), og introducerer de små silent-switcher IC'er i LTC33xx-familien fra Analog Devices som eksempler.

Strøm-/spændingsimperativ

Da transistorer og integrerede kredsløb blev opfundet og udviklet i anden halvdel af det^20. århundrede, var en af deres mange fordele, at deres strømforbrug pr. funktion var meget lavt i forhold til de vakuumrør, de erstattede - nemt med en faktor 100 eller mere. Dette fremskridt førte imidlertid hurtigt til en højere funktionstæthed pr. enhed og printplade i en sådan grad, at IC'er nu kræver titusindvis af ampere pr. skinne, og ofte på flere skinner.

Blandt de IC'er, der kræver disse høje strømme, og som i sidste ende skal afgive de store mængder af den tilhørende effekt som varme, er FPGA'er (field-programmable gate arrays) og ASIC'er (applikationsspecifikke IC'er). Begge anvendes i vid udstrækning i indlejrede enheder, der dækker hele elektronikindustrien, herunder bilindustrien, medicinalindustrien, industrien, kommunikation, spil og forbrugerlyd/videoapparater.

Den strøm, som FPGA'en eller ASIC'en har brug for, kan leveres via en AC/DC-konverter for netdrevne enheder eller en DC/DC-konverter for batteridrevne enheder. I begge tilfælde er der behov for en efterfølgende DC/DC step-down (buck)-regulator for at levere og styre den encifrede spænding til belastningen på de nødvendige strømniveauer.

En måde at levere den nødvendige strøm på er at bruge en enkelt DC/DC-buck-regulator til at understøtte alle kredsløbskortets enheder og placere den ved siden af eller i hjørnet af printkortet for at hjælpe med at håndtere varmeafledningsproblemer og forenkle DC/DC-systemarkitekturen på systemniveau.

Denne enkelt klingende løsning har dog sine problemer:

• For det første er der det uundgåelige IR-drop mellem regulatoren og belastningerne på grund af afstanden og de høje strømniveauer (ΔV-drop = belastningsstrøm I × trace-modstand (R)). Løsningerne på dette problem er at øge printkortets trace-bredde eller tykkelse eller bruge en stand-up busbar, men disse løsninger bruger værdifuldt printpladeareal og øger materialeudgifter (BOM).
• En teknik til at afhjælpe IR-drop er at anvende fjernmåling af spændingen ved belastningen, men dette fungerer kun godt for en enkeltpunktsbelastning, der ikke er spredt. Det medfører også nye problemer med potentiel svingning, da induktansen af den længere forsyningsskinne og følerledninger kan påvirke regulatorens og skinnernes transiente ydeevne.
• Endelig, er der det problem, der ofte er vanskeligst at håndtere, er de længere strømskinner også udsat for mere EMI/RFI-støj eller er effektive til at udstråle støj langs deres længde, således at de fungerer som antenner. Løsningen kræver normalt ekstra bypass-kondensatorer, ferritperler i linjen og andre foranstaltninger. Afhængigt af støjens størrelse og hyppighed kan den påvirke lasternes pålidelige drift negativt og gøre det vanskeligt at opfylde de forskellige lovkrav om støjemissioner.

Støj versus effektivitet - Et dilemma

Det er vigtigt at bemærke, at spørgsmålet om "støj versus effektivitet" for DC/DC-regulatorer er et andet scenarie end de sædvanlige afvejninger i forbindelse med teknisk design. Denne situation handler ofte om at vurdere afvejninger og finde det "sweet spot", som afbalancerer gunstige og ugunstige egenskaber.

Hvordan er denne situation anderledes? De fleste kompromisscenarier giver designeren mulighed for bevidst at acceptere mindre af en ønsket parameterværdi til gengæld for mere af en anden, og bevæger sig således langs et kontinuum af kompromisser (figur 1, øverste del).

Figur 1: I de fleste konstruktionssituationer kan ingeniøren vurdere og derefter foretage forskellige afvejninger af ydeevnen langs en ret kontinuerlig vej (øverst), men for støj/effektivitet af switching-regulatorer versus LDO'er ender konstruktionerne på enten den ene eller den anden side, med lidt "mellemvej" (nederst). (Bill Schweber)

Designeren kan f.eks. vælge en operationsforstærker (op-amp), der trækker mere strøm (dårligt) for at give en højere strømhastighed (godt) sammenlignet med en anden op-amp; en afvejning er acceptabel eller nødvendig i applikationen.

Men med switching-regulatorer og LDO'er er deres støj- og effektivitetsegenskaber stort set "indbygget" i deres struktur. En designer kan f.eks. ikke sige, at han vil acceptere en LDO med 20 % mere støj til gengæld for en forbedring på 10 % i effektivitet - Den type af kompromis findes ikke. I stedet er der et hul i attribut- og afsætningsområdet (figur 1, nederste del).

Silent switching-regulatorer løser dilemmaet med et kompromi

En alternativ og normalt bedre løsning er at anvende individuelle DC/DC-regulatorer, der er placeret så tæt på deres belastnings-IC'er som muligt. Dette minimerer IR-drop, PCB-sstrrelse og opfangning og udstråling af skinnebrus. For at denne fremgangsmåde kan være levedygtig, er det imidlertid vigtigt at have små, effektive, støjsvage regulatorer, der kan placeres ved siden af belastningen og stadig opfylde alle dens nuværende krav.

Det er her, at de mange silent switching-regulatorer er problemløsere. Disse regulatorer leverer ikke kun en-cifrede spændingsudgange ved strømniveauer fra et par ampere til 10 A, men de gør det også med ekstremt lav støj, hvilket man opnår ved hjælp af flere designinnovationer.

Disse regulatorer ændrer den konventionelle tankegang i forhold til LDO- og switching-regulatorer med silent-switcher 1 (første generation) og silent-switcher 2 (anden generation) enheder. Konstruktørerne af disse anordninger identificerede de forskellige støjkilder og udviklede måder at dæmpe hver enkelt støjkilde på.

Bemærk, at Silent Switcher-regulatorer ikke anvender den velkendte og legitime "spread-spectrum"-teknik med tilføjelse af pseudo-tilfældig støj til clock-signalet. Dette udvider støjspektret og reducerer samtidig støjens amplitude ved clock-frekvensen og dens overtoner. Mens brugen af spredt spektrum-clock-strømning kan hjælpe med at overholde de lovbestemte grænser, reducerer det ikke den samlede støjenergi og kan faktisk medføre støj i dele af spektret, der påvirker kredsløbenes ydeevne.

Fordelene ved Silent Switcher 1-enhederne omfatter lav EMI, høj effektivitet og en høj koblingsfrekvens, der flytter en stor del af den resterende støj væk fra dele af spektret, hvor den ville forstyrre systemdriften eller give problemer med lovgivningen. Silent-switcher 2-fordelene omfatter alle funktionerne i silent-switcher 1-teknologien plus integrerede præcisionskondensatorer, en mindre løsning og elimineringen af følsomhed over for printkortlayoutet.

På grund af deres lille formfaktor (kun få mm i kvadrat) og effektivitet kan disse omskiftere placeres meget tæt på FPGA'en eller ASIC'en, hvilket maksimerer ydeevnen og eliminerer usikkerheden mellem specifikationerne for ydeevne i databladet og virkeligheden i brug. De ændrer det "binære" dilemma, hvor man skal vælge mellem at acceptere enten mere støj eller mindre effektivitet, og giver designerne mulighed for at få det bedste af begge egenskaber, når det gælder støj og effektivitet.

Hvordan blev disse fordele ved silent-switcher realiseret? Det blev gjort ved at anvende en mangesidet tilgang:

• Hovedårsagen til støj i en switch-mode strømforsyning er switchede strømme, ikke strømme i stationær tilstand. I topologien i en konventionel switching-regulator er der en strømføringsvej, der kaldes en varm sløjfe. Denne varme sløjfe er ikke en uafhængig strømsløjfe, men kun en virtuel strømsløjfe, der er sammensat af komponenterne fra to reelle strømsløjfer (figur 2).

Figur 2: Den sædvanlige switching-regulator-topologi har en virtuel strømsløjfe kaldet en varm sløjfe der består af komponenterne af to reelle strømsløjfer og har switchede-strøm. (Billedkilde: Analog Devices)

Silent-switcher 2-teknologien fra Analog Devices gør de kritiske hot loops så små som muligt ved at integrere indgangskondensatorer i IC-pakken. Ved at opdele den varme sløjfe i to symmetriske former skabes der to magnetfelter med modsat polaritet, og den udstrålede støj ophæver sig selv i høj grad.

• Anden generationsarkitekturen understøtter hurtige switching-kanter for høj effektivitet ved høje switching-frekvenser, samtidig med at der opnås en god EMI-ydelse. Interne keramiske kondensatorer på DC-indgangsspændingen (_VIN) holder alle de hurtige AC-strømsløjfer små, hvilket forbedrer EMI-ydelsen.
• Silent switcher-arkitekturen anvender proprietære design- og pakningsteknikker til at maksimere effektiviteten ved meget høje frekvenser og muliggøre ultralav EMI-ydelse, der let overskrider CISPR 25 Class 5 peak EMI-grænserne ved hjælp af meget kompakte og robuste designs.
• Der anvendes Active Voltage Positioning (AVP), som er en teknik, hvor udgangsspændingen er afhængig af belastningsstrømmen. Ved let belastning reguleres udgangsspændingen over den nominelle værdi, mens udgangsspændingen ved fuld belastning reguleres under den nominelle værdi. DC-belastningsreguleringen er justeret for at forbedre den transiente ydeevne og reducere kravene til udgangskondensatorer.

De mange familier af Silent Switcher

Silent Switcher-regulatorer er tilgængelige i mange versioner og modeller med forskellige spændings-/strømværdier inden for hver familie. Nogle yderligere overvejelser varierer fra model til model, f.eks. fast eller justerbar udgang. Blandt de forskellige medlemmer af LTC33xx-familien er bl.a.:

• LTC3307: 5 volt, 3 A synkron step-down Silent Switcher i en 2 mm × 2 mm LQFN-pakke
• LTC3308A: 5 volt, 4 A synkron step-down Silent Switcher i en 2 mm × 2 mm LQFN-pakke
• LTC3309A: 5 volt, 6 A synkron step-down Silent Switcher i en 2 mm × 2 mm LQFN-pakke
• LTC3310: 5 volt, 10 A synkron step-down Silent Switcher 2 i 3 mm × 3 mm LQFN-pakke

Hvis man ser nærmere på LTC3310, er der tale om en meget lille, støjsvag, monolitisk step-down DC/DC-konverter med en meget lille, monolitisk step-down DC/DC-konverter, der kan levere op til 10 A udgangsstrøm fra en 2,25 til 5,5 volt indgangsspænding: V_OUT-området er 0,5 volt til V_IN. Skiftefrekvenserne spænder fra 500 kilohertz (kHz) til helt op til 5 megahertz (MHz). Den kræver kun få eksterne passive komponenter og har en effektivitet på ca. 90 % over det meste af dens udgangsbelastningsområde (figur 3).

Figur 3: LTC3310 step-down DC/DC-regulatoren kræver eksterne aktive komponenter og har høj effektivitet over det meste af belastningsområdet. (Billedkilde: Analog Devices)

Den er tilgængelig i fire grundlæggende versioner. Enhederne giver både lav EMI og høj effektivitet ved koblingsfrekvenser på helt op til 5 MHz, og der findes versioner af LTC3310-familien, som er AEC-Q100-kvalificeret til bilindustrien. Bemærk, at både enheder af første generation (SS1) - LTC3310 - og enheder af anden generation (SS2) - LTC3310S og LTC3310S-1 er tilgængelig som enheder med justerbar udgang og enheder med fast udgang (tabel 1):

Tabel 1: LTC3310 tilbydes i fire basisversioner, der repræsenterer første og anden generation af design samt faste og justerbare udgange. (Billedkilde: Analog Devices)

For de justerbare versioner er udgangsspændingen hårdt programmeret via en modstandsdeler mellem udgangen og feedback (Fb)-benet vha. af en simpel ligning til bestemmelse af den korrekte modstandsværdi (Figur 5).

Figur 5: Fastsættelse af udgangsspændingen for de justerbare LTC3310-enheder kræver kun et grundlæggende modstandsdeler-netværk baseret på en simpel ligning. (Billedkilde: Analog Devices)

Støjniveauet ligger typisk på nogle tiendedele mikrovolt. To vigtige målepunkter for LTC3310-enhedernes støjsvage ydeevne er de støjtest, der er udført i overensstemmelse med de relevante CISPR25 klasse 5-topgrænser. Disse omfatter ledningsstøj (figur 6) og udstrålet støj i både horisontale og vertikale planer (figur 7).

Figur 6: En korrekt indrettet regulator baseret på LTC3310S opfylder de strenge CISPR25-grænser for ledede EMI-emissioner (med klasse 5-top). (Billedkilde: Analog Devices)

Figur 7: Ved test af udstrålede emissioner opfylder LTC3310S både EMI-mandaterne for det horisontale plan (venstre) og det vertikale plan (højre) i henhold til CISPR25. (Billedkilde: Analog Devices)

En anden bemærkelsesværdig egenskab ved LTC3310-familien er den lethed, hvormed enhederne kan bruges parallelt til flerfaset drift med højere strømstyrke, en funktion, som mange andre switching-regulatorer ikke understøtter eller kun vanskeligt understøtter. Den enkleste parallelisering er for tofaset drift med en strømstyrke på op til 20 A (figur 8). Denne fremgangsmåde kan nemt udvides til tre, fire eller flere faser og tilsvarende højere strømme.

Figur 8: Med nogle få ekstra komponenter kan to eller flere LTC3310-enheder kombineres til flerfaset drift med højere strømstyrke; vist er tofaset/20 A-konfigurationen. (Billedkilde: Analog Devices)

Evalueringsbrætter forkorter designcyklusser

Regulatorer som LTC3310-enhederne er direkte i deres anvendelse, da de ikke har nogen initialiseringsregistre, softwarestyrede funktioner eller andre komplekse opsætningsmuligheder. Ikke desto mindre giver det teknisk mening at kunne vurdere deres statiske og dynamiske ydeevne og optimere værdierne for passive komponenter, før man lægger sig fast på et endeligt layout eller specifikke BOM-elementer. Tilgængeligheden af LTC3310-evalueringskort gør denne proces meget nemmere. Analog Devices tilbyder et udvalg af sådanne kort, der passer til forskellige LTC3310-versioner og konfigurationer:

• DC3042A understøtter enheden LTC3310 med justerbar udgang (Figur 9).

Figur 9: DC3042A-evalueringskortet er designet til LTC3310 med en udgangsspænding, der kan indstilles af brugeren. (Billedkilde: Analog Devices)

Ud over at instruere brugerne i grundlæggende opsætning og betjening indeholder dokumentationen et skematisk diagram, kortlayout og materialebeskrivelse (BOM). Den angiver også de forskellige testpunkter og forbindelser samt prøvearrangementet til måling af udgangsbølger og step-respons (Figur 10).

Figur 10: DC3042A-brugerens demo manual beskriver tydeligt testpunkter og forbindelser (øverst) samt prøveopsætning og konfiguration til måling af udgangsripple og trinrespons. (Billedkilde: Analog Devices)

• For LTC3310S-1 med en fast udgangsspænding findes DC3021A-evalueringskortet (figur 11).

Figur 11: For LTC3310S-1 med en udgangsspænding, der ikke kan justeres af brugeren, er DC3021A-evalueringskortet det rette valg. (Billedkilde: Analog Devices)

• Endelig er der DC2874A-C (figur 12) til den noget mere komplekse flerfasede parallelopstilling. På dette evalueringskort fungerer LTC3310S som en flerfaset 2,0 MHz, 3,3 til 1,2 volt buck-regulator. DC2874A har tre opbygningsmuligheder til at levere tofasede/20 A, trefasede/30 A eller firefasede/40 A udgangsløsninger.

Figur 12: DC2874A-C-evalueringskortet til LTC3310S har tre opbygningsmuligheder: tofaset/20 A, trefaset/30 A eller firefaset/40 A-udgange. (Billedkilde: Analog Devices)

Ved at bruge LTC3310S og investere lidt tid i det passende evalueringskort og den tilhørende brugermanual kan designere minimere den tid, der bruges på DC/DC-regulatorens ydeevne.

Konklusion

Ingeniører har traditionelt måttet vælge mellem to modstridende DC/DC-regulator-topologier med klart modsatrettede egenskaber. LDO'er giver en meget støjsvag DC-udgang, men med lav til moderat effektivitet, hvilket gør dem til en termisk udfordring ud over output på ca. 1 A. I modsætning hertil giver switching-regulatorer virkningsgrader på omkring 90 %, men tilføjer støj til DC-udgangslinjen og er også en kilde til lednings- og især strålingsstøj, som let kan resultere i, at produktet ikke består de obligatoriske lovpligtige tests.

Heldigvis anvender Silent Switcher-familierne fra Analog Devices en række innovative designteknikker, der overvinder dette "vælg det ene eller det andet"-dilemma, hvilket resulterer i meget effektive, meget støjsvage og meget små reguleringsmuligheder med lille formfaktor.