Sådan bruger du små modulære DC/DC-konverter til at minimere støj fra strømskinner

Støj er en intern og normalt uundgåelig faktor i næsten alle systemdesigns. Selv om en del støj stammer fra eksterne kilder og ikke direkte er under kredsløbsdesigners kontrol, men genereres også af selve kredsløbet. I mange tilfælde er det afgørende, at designeren minimerer støjkilderne - især støj på strømskinnerne - da det kan påvirke følsomme analoge og digitale kredsløb.

Resultatet kan være uregelmæssig kredsløbsydelse, reduceret opløsning og nøjagtighed og i bedste fald højere bitfejlrate (BER). I værste fald kan det forårsage total systemfejl eller hyppige eller periodiske problemer med ydeevnen, som begge er svære at fejlfinde.

Der er to store støjproblemer i forbindelse med switch DC/DC-regulatorer og deres udgangsskinner: Ripple- og strålingsstøj. Støj, der genereres i et kredsløb, er underlagt EMC-regler (elektromagnetisk kompatibilitet) og skal ligge under de specificerede niveauer i de forskellige frekvensbånd.

Udfordringen for designere er at forstå intern støj og dens oprindelse og enten "designe den ud" eller på anden måde mindske den. I denne artikel vil DC/DC-regulatorer fra Monolithic Power Systems, Inc. blive brugt til at diskutere mulighederne for at minimere støjproblemer i forbindelse med regulatorer.

Begynd med støjkilde og -type

Den nemmeste støj at observere, og den, der har direkte indflydelse på kredsløbets ydeevne, hvilket er ripple ved switch-frekvensen. Denne ripple er typisk i størrelsesordenen 10 til 20 millivolt (mV) (figur 1). Selv om den ikke er tilfældig i sin natur, er den stadig et udtryk for støj med konsekvenser for systemets ydeevne. Millivoltniveauet af en sådan ripple er generelt ikke et problem for digitale IC'er med højere spænding, der arbejder med skinner på 5 volt og derover, men det kan være et problem for digitale kredsløb med lavere spænding, der arbejder under 3 volt. Ripple på forsyningsskinnerne er også et stort problem i forbindelse med analoge præcisionskredsløb og komponenter, og derfor er specifikationen for PSRR (Power Supply Rejection Ratio) for sådanne enheder af afgørende betydning.

Figur 1: Ripple på DC-skinnen, som er et resultat af regulatorens switch-aktion, kan påvirke et kredsløbs grundlæggende ydeevne eller præcision. (Billedkilde: Monolithic Power Systems, Inc.)

En DC/DC-regulator kan også udstråle RF-støj (radiofrekvent støj) ved switch-aktivitet. Selv om millivolts ripple på DC-skinnen er acceptabel, er der også spørgsmålet om de elektromagnetiske emissioner, der kompromitterer EMC. Denne støj har en kendt grundfrekvens på mellem et par kilohertz og flere megahertz (MHz) afhængigt af switch-konverteren, der har mange overtoner.

Blandt de mest almindeligt citerede EMC-relaterede reguleringsstandarder er CISPR 22 og CISPR 32, "Information Technology Equipment-Radio Disturbance Characteristics-Limits and Methods of Measurement" (CISPR står for "Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques"). Der findes også den europæiske standard EN 55022, som hovedsagelig er afledt af CISPR 22-produktstandarden, med test udført under nøje definerede betingelser.

CISPR 22 er blevet vedtaget til brug af de fleste medlemmer af Det Europæiske Fællesskab. Selv om FCC del 15 i USA og CISPR 22 er blevet lavet for at være relativt harmoniske, er der nogle forskelle. CISPR 22/EN 55022 er blevet "absorberet" af CISPR 32/EN 55032, hvilket er en ny produktfamiliestandard for multimedieudstyr (MME), der er gældende som en harmoniseret standard i overensstemmelse med EMC-direktivet.

Udstyr, der primært er beregnet til brug i et boligmiljø, skal opfylde grænseværdierne for klasse B, mens alt andet udstyr skal opfylde klasse A (figur 2). Produkter, der er beregnet til det nordamerikanske marked, skal overholde de grænseværdier, der er fastsat i afsnit 15.109 i Federal Communications Commission (FCC) del 15, subdel B, for utilsigtede stråler. Selv om den elektriske støj fra en DC-regulator ikke påvirker selve produktet negativt, kan støjen således stadig være uacceptabelt høj i forhold til opfyldelsen af de forskellige lovkrav.

Figur 2: Dette er en af de mange grafer i CISPR 32/EN 55032, som definerer emissionsgrænserne i forhold til frekvensen for forskellige klasser af forbrugerprodukter. (Billedkilde: Academy of EMC, "EMC Standards")

Håndtering af EMC-problemer er et kompliceret emne og har ingen enkel løsning. Måling og tilladte grænser for disse emissioner afhænger bl.a. af kredsløbets driftsfrekvens, afstand, effektniveau og anvendelsesklasse. Derfor er det fornuftigt at undersøge de mange tekniske ressourcer og måske endda konsulenter, der kan give vejledning og ekspertise.

Når det er sagt, har designere tre grundlæggende strategier til at minimere støj for at undgå problemer med kredsløbets ydeevne og samtidig opfylde det relevante støjkrav:

• Brug en LDO-regulator (low-dropout regulator).
• Tilføj ekstern filtrering til en switch-regulator for at reducere den støj, der ses af belastningen på DC-skinnerne.
• Vælg et switch-regulatormodul, der indeholder komponenter, som ellers er eksterne i regulator-IC'et, f.eks. induktorer eller kondensatorer. Det resulterende modul er designet og garanteret til at levere støjsvage skinner og har derfor brug for minimal eller ingen ekstern filtrering.

Start med LDO'en

Da LDO-arkitekturen ikke har nogen clock eller switching, har den i sagens natur lav EMC-støj og ingen ripple på output-skinnen, der anvendes hundreder millioner af LDO'er hvert år. Når det anvendes i et passende design, kan det være en effektiv løsning.

F.eks. er Monolithic Power Systems MP20075 LDO specifikt rettet mod aktive busafslutninger til Double Data Rate (DDR) 2/3/3L/4 synkron dynamisk random access memory (SDRAM) (Figur 3). Denne LDO er i et 8-pin MSOP-pakke og kan levere op til 3 ampere (A) ved en brugerindstillelig spænding mellem 1,05 og 3,6 volt og har en præcis V_REF/2-tracking spænding til nøjagtig terminering.

Figur 3: MP20075 LDO'en kan levere op til 3 A og er optimeret til termineringsbehovene for forskellige klasser af DDR SRAM. (Billedkilde: Monolithic Power Systems)

Den integrerede divider i MP20075 følger referencespændingen (REF) for at sikre nøjagtige VTT- og VTTREF-udgangsspændinger, mens Kelvin-aftastning hjælper den med at opnå en nøjagtighed på ±30 mV for VTT og ±18 mV for VTTREF. Som med de fleste LDO'er giver den kun analoge lukkede topologi desuden en meget hurtig reaktion på udgangsbelastningstransienter i størrelsesordenen blot nogle få mikrosekunder (figur 4). En sådan transient respons er ofte kritisk i højhastighedskredsløb som DDR SRAM-termineringerne, som denne LDO er designet til.

Figur 4: LDO'ens analoge lukkede kredsløbsdesign bidrager til dens meget hurtige reaktion på transiente krav fra belastningen; en sådan ydeevne er nødvendig for applikationer som DDR SRAM-terminering. (Billedkilde: Monolithic Power Systems)

På trods af dens interne lave støj og brugervenlige egenskaber har LDO'en begrænsninger. For det første er den langt mindre effektiv end en switch-regulator, hvilket igen giver to åbenlyse problemer: Den varme, den afgiver, øger den termiske belastning af systemet, og den reducerede effektivitet har en indvirkning på driftstiden for batteridrevne bærbare enheder. Af disse grunde anvendes LDO'er oftest til udgangsstrømme på op til ca. 1 til 3 A (som vist af MP20075), da "straffen" for effektivitet ofte bliver for stor over denne værdi.

Der er en anden interne begrænsning ved LDO'er: De kan kun foretage step-down-regulering (buck-regulering) og kan ikke øge en ureguleret indgangs-DC-forsyning over dens nominelle værdi. Hvis der er behov for en boost-mode-udgang, udelukkes LDO automatisk som en DC/DC-regulatormulighed.

Finjustering af layout - Tilføj filtrering

Når der anvendes en switch-regulator, hvad enten den anvendes til boost- eller buck-mode-drift, er dens switch-handling en intern og uundgåelig kilde til støj. Det er lettere at tilføje yderligere udgangsfiltrering, når regulatoren arbejder ved en fast frekvens. MP2145 er en synkron step-down switch-regulator på 5,5 volt, 6 A, der er indbygget i en QFN-pakke med 12 ledninger, 2 × 3 millimeter (mm), med integrerede 20 milliohm (mΩ) og 12 mΩ MOSFET'er (Figur 5).

Figur 5: MP2145, en synkron step-down switch-regulator på 5,5 volt, 6 A, indeholder integrerede 20 mΩ og 12 mΩ MOSFET'er i et 2 × 3 mm QFN-pakning. (Billedkilde: Monolithic Power Systems)

En synkron buck-konverter som MP2145 består af en indgangskondensator C_IN, to afbrydere (S1 og S2) med tilhørende dioder, en energilagringsinduktor (L) og udgangskondensatorer (C_OUT). Udgangskondensatorerne (C_OUT) er placeret ved udgangen for at udjævne udgangsspændingen under en stabil tilstand. Disse danner et første trin-filter og reducerer udgangsspændingsbølgen ved at give en lavimpedans sti for højfrekvente spændingskomponenter til jord.Typisk kan en sådan shunt-udgangskondensator effektivt reducere udgangsspændingsripple til 1 mV.

For yderligere at reducere udgangsspændingsripple er der behov for et andet trins udgangsfilter med et induktor-kondensatorfilter (LC-filter), der er kaskadet til udgangskondensatorerne i første trin (Figur 6). Filtreringsinduktoren (L_f) er resistiv i det tilsigtede højfrekvensområde og afgiver støjenergien i form af varme. Induktoren kombineres med yderligere shuntkondensatorer for at danne et lavpas-LC-filternetværk.

Figur 6: Tilføjelse af et LC-filter i andet trin til udgangen af en switch-regulator som f.eks. MP2145 kan reducere ripple på udgangen. (Billedkilde: Monolithic Power Systems)

Leverandørens datablade og anvendelsesnoter indeholder ligninger og retningslinjer for dimensionering af komponenter såsom induktor-, kondensator- og dæmpningsmodstande i dette filter. De identificerer også kritiske sekundære parametre som f.eks. maksimal DC-modstand (DCR) og mætningsstrøm for induktorer og maksimal ækvivalent serie-modstand (ESR) for kondensatorer. Typiske induktivitetsværdier ligger mellem 0,22 mikrohenries (µH) og 1 µH.

Layoutet af disse komponenter er også afgørende for at opnå den højest mulige ydeevne. Et uhensigtsmæssigt layout kan resultere i dårlig regulering af linje eller belastning, øget ripple og andre stabilitetsproblemer. Indgangskondensatoren (Cin) til MP2145 skal placeres så tæt som muligt på IC-stifterne (Figur 7).

Figur 7: MP2145's indgangskondensator (Cin her, nederst til højre; og C1 i skemaet i figur 5) skal være så tæt som muligt på pin 8 (strømindgangspin) og pin 10/11/12 (GND-pins). (Billedkilde: Monolithic Power Systems)

Moduler giver sikkerhed for ydeevne

Modulerne tager implementeringen af DC/DC-regulatorer til det næste niveau af systemintegration. På den måde minimerer eller eliminerer de bekymringer i forbindelse med valg og placering af eksterne komponenter og giver garanterede specifikationer. Moduler indeholder yderligere komponenter, primært den traditionelle, lidt besværlige eksterne induktor. Som sådan reducerer de udfordringerne i forbindelse med dimensionering, placering og orientering af passive komponenter, som alle har indflydelse på EMC og ripple-relateret ydeevne.

For eksempel er MPM3833C et step-down-modul med indbyggede effekt-MOSFET'er og en induktor, der leverer op til 3 A kontinuerlig udgangsstrøm fra en indgangsspænding på mellem 2,75 og 6 volt sammen med en fremragende regulering af belastning og linje (Figur 8). Der er kun brug for feedbackmodstande, indgangskondensatorer og udgangskondensatorer for at færdiggøre designet. Induktoren, som normalt er den vanskeligste eksterne komponent at specificere og placere, er indbygget i modulet og er derfor ikke et problem med hensyn til korrekt placering for at minimere elektromagnetisk interferens (EMI) og ripple.

Figur 8: MPM3833C DC/DC-modulet omfatter den potentielt problematiske induktor i dets design- og ydelsesspecifikationer. (Billedkilde: Monolithic Power Systems)

Modulet er indbygget i en ultralille8-pakke5 mm × 3,5 mm × 1,6 × mm) og har en ripple-spænding på 5 mV (typisk). Dens lave niveau af udstrålede emissioner (EMI) er i overensstemmelse med EN55022 klasse B-standarden, som vist i figur 9 for V_IN = 5 volt, V_OUT = 1,2 volt, I_OUT = 3 A, CO = 22 picofarads (pF), ved 25 °C.

Figur 9: Databladet for MPM3833C DC/DC-modulet viser, at det uden problemer opfylder EN55022 klasse B-standarden for udstrålede emissioner. (Billedkilde: Monolithic Power Systems)

Med moderne mikroemballeringsteknikker er den samlede størrelse af et modul kun lidt større eller højere end den interne die; en lav profil er en stadig vigtigere parameter. Tag MPM3650, et fuldt integreret, synkront, ensrettet step-down strømforsyningsmodul på 1,2 MHz med en intern induktor (figur 10). Den leverer op til 6 A kontinuerlig udgangsstrøm til udgange fra 0,6 til 1,8 volt og op til 5 A til udgange over 1,8 volt over et bredt indgangsinterval på 2,75 til 17 volt med fremragende belastnings- og linjestyring. Med de interne MOSFETS og den indbyggede induktor måler QFN-24-pakken kun 4 mm × 6 mm × 1,6 mm.

Figur 10: MPM3650-modulet med integreret induktor leverer op til 6 A ved op til 1,8 volt og 5 A over 1,8 volt i en pakke, der måler 4 mm × 6 mm × 1,6 mm. (Billedkilde: Monolithic Power Systems)

En anden fordel ved den modulære tilgang er, at ripple-støjen er godt kontrolleret ved ca. 20 mV uden belastning og falder til ca. 5 mV ved en fuld belastning på 6 A (Figur 11). Det betyder, at der i mange tilfælde ikke er behov for yderligere ekstern filtrering, hvilket forenkler designet, reducerer fodaftrykket og reducerer BOM (stykliste).

Figur 11: Ripple-støjen for MPM3650-modulet er specificeret til ca. 20 mV ved nulbelastning og ca. 5 mV ved fuld belastning. (Billedkilde: Monolithic Power Systems)

Det er ofte nyttigt at udføre noget praktisk arbejde med DC/DC-regulatormoduler for at vurdere, om deres statiske og dynamiske ydeevne opfylder systemkravene, selv ud over det, der står på databladet. For at fremskynde denne proces tilbyder Monolithic Power Systems EVM3650-QW-00A, et 63,5 mm × 63,5 mm × 1,6 mm, fire-lags evalueringskort til MPM3650 (Figur 12).

Figur 12: Ved hjælp af EVM3650-QW-00A-evalueringskortet kan potentielle brugere af MPM3650 DC/DC-modulet hurtigt evaluere dets ydeevne i deres applikation. (Billedkilde: Monolithic Power Systems)

Evalueringskortet og dets datablad tjener flere formål. For det første giver den brugeren mulighed for nemt at vurdere de mange egenskaber ved MPS3650's ydeevne under en lang række driftsbetingelser, hvoraf nogle måske ikke er indlysende eller nævnt i databladet. For det andet indeholder evalueringskortets datablad det komplette skema, BOM og detaljer om layoutet af printkortet, så brugere af MPS3650 kan bruge dem i deres eget design for at reducere risikoen og minimere usikkerheden (Figur 13).

Figur 13: Pakken med EVM3650-QW-00A-evalueringskort indeholder en komplet skematisk oversigt, BOM og detaljer om layout af kortet for at reducere risiko og usikkerhed. (Billedkilde: Monolithic Power Systems)

Evalueringskortet giver designere mulighed for at få en bedre forståelse af modulets ydeevne, hvilket resulterer i en høj grad af tillid til design sammen med minimal tIme-to-market.

Der er endnu en type støj

Når designere taler om "støj", henviser de næsten altid til en eller anden form for elektronisk støj i kredsløbet, f.eks. ripple eller EMI. Med switch-regulatorer er der imidlertid en anden potentiel type støj: Akustisk støj. For regulatorer, der arbejder over det menneskelige høreområde - som normalt anses for at være 20 kHz - vil en sådan støj ikke være et problem. Nogle switch-regulatorer arbejder dog i audio-området, mens andre, der arbejder ved meget højere frekvenser, falder ned i audio-området i tomgangs- eller standby-perioder for at minimere strømforbruget.

Denne hørbare støj skyldes et eller begge af to velkendte fysiske fænomener: Den piezoelektriske effekt og den magnetostriktive effekt. I tilfælde af den piezoelektriske effekt får kredsløbets clock-drevne elektriske svingninger komponenter som f.eks. keramiske kondensatorer til at vibrere synkront med den skiftende clock, da elektrisk energi omdannes til mekanisk bevægelse af kondensatorens krystallinske materialer. I tilfælde af den magnetostriktive effekt, som er noget parallelt med den piezoelektriske effekt, ændrer magnetiske materialer som f.eks. spole- eller transformatorkerner deres form og dimensioner i løbet af magnetiseringscyklusser, der er styret af clock'en.. Den berørte kondensator eller induktor/transformator fungerer derefter som en mekanisk "driver" og får hele printkortet til at resonere, hvilket forstærker og udsender de hørbare vibrationer.

På grund af en eller begge af disse virkninger vil folk med god hørelse ofte klage over, at de hører en konstant brummen med lav lydstyrke, når de er i nærheden af elektroniske apparater. Bemærk, at denne akustiske støj undertiden også genereres af komponenter i lavfrekvente 50/60 Hz strømkredsløb, så selv personer uden god hørelse for højere frekvenser kan høre en brummen.

For at håndtere akustisk støj er der brug for andre metoder og teknikker end dem, der anvendes til dæmpning af elektronisk støj.

Konklusion

LDO'er tilbyder en løsning uden eller med lav støj til problemet med både ripple fra DC-skinne og EMI, men er generelt ikke en levedygtig reguleringsmulighed over et par ampere. Switch-regulatorer med passende filtrering eller regulatorer, der er specielt designet til støjsvag ydeevne, er et alternativ.

Komplette DC/DC-reguleringsmoduler, som indeholder komponenter som f.eks. induktoren i deres lille pakke, tilbyder et andet sæt løsninger. De reducerer designusikkerheden med hensyn til layout og komponentvalg og giver samtidig fuldt testet og kvantificeret ydeevne af delsystemet.

Anbefalet læsning

1. "Forståelse af standarder for elektromagnetisk kompatibilitet for switchmode-strømforsyninger"