Slik håndterer du problemer med DC-DC-støy, virkningsgrad og layout ved å bruke integrerte strømmoduler

Det er tilsynelatende ikke så vanskelig å bygge en grunnleggende (buck) DC-DC-nedtransformeringsregulator for lave spenninger på 10 volt (typisk) eller mindre og beskjedne strømnivåer på ca. 2 til 15 ampere (A). Konstruktøren trenger bare velge en egnet vekslingsregulator-IC og legge til noen passive komponenter ved å bruke eksempelkretsen på databladet eller installasjonsnotatet. Men er konstruksjonen virkelig ferdig og klar til å prøvekjøres, eller til og med produseres? Svaret er sannsynligvis nei.

Selv om regulatoren kommer med den ønskede likestrømsskinnen, har den fortsatt flere potensielle problemer og utfordringer. For det første kan det hende at virkningsgraden ikke oppfyller prosjektmålene eller forskriftskravene, noe som dermed øker den termiske påvirkningen og gir kortere batterilevetid. For det andre kan det være nødvendig med ytterligere komponenter for å sikre riktig oppstart, transientytelse og lav rippel, noe som igjen påvirker størrelse, tiden det tar å få produktet ut på markedet og den samlede materiallisten. Til slutt, og kanskje mest utfordrende, kan det hende at konstruksjonen ikke oppfyller de stadig strengere begrensningene rundt elektromagnetisk interferens (EMI) eller radiofrekvensinterferens (RFI) som er definert av de forskjellige regulatoriske mandatene, og som dermed krever ny utforming eller ytterligere tilleggskomponenter og testing.

Denne artikkelen beskriver avstanden mellom forventninger og ytelse mellom en grunnleggende DC-DC-regulatorkonstruksjon og en overlegen regulator som oppfyller eller overgår kravene til virkningsgrad, lav utstrålt støy og rippel og generell integrasjon. Artikkelen introduserer deretter Analog Devices Silent Switcher µModule-enheter og viser hvordan disse kan brukes til å løse flere problemer relatert til DC-DC-nedtransformeringsregulatorer.

IC-er får ting til å se enkelt ut, til å begynne med

DC-DC-nedtransformeringsregulatorer (buck) er mye brukt for å forsyne DC-skinner. Et typisk system kan ha flere titalls av disse som gir forskjellige skinnespenninger (rail voltage) eller fysisk atskilte skinner med samme spenning. Disse nedtransformeringsregulatorene tar vanligvis høyere spenning, vanligvis mellom 5 og 36 volt likestrøm (DC), og de regulerer den ned til en ensifret spenningsverdi ved noen få eller lave tosifrede ampere (figur 1).

Figur 1: DC-DC-regulatorens (omformer) rolle er enkel: Ta en uregulert likestrømskilde, som kan være fra et batteri eller en likerettet og filtrert vekselstrømslinje, og gi en tett regulert likestrømsskinne (DC rail) som utgang. (Bildekilde: Electronic Clinic)

Det er både gode og dårlige nyheter når en grunnleggende nedtransformeringsregulator (buck-regulator) skal konstrueres. Den gode nyheten er at det generelt sett ikke er så vanskelig å konstruere en som kan gi nominell «god nok» ytelse. Det er mange vekslings-IC-er tilgjengelig som kan utføre hoveddelen av oppgaven, som kun trenger en enkel felteffekttransistor (FET) (eller ingen i det hele tatt) og noen få passive komponenter for å fullføre jobben. Oppgaven gjøres enda enklere ettersom databladet for regulator-IC-en nesten alltid viser en typisk løsningskrets med et skjema, en kortlayout og en materialliste som kan inneholde komponentleverandørnavn og delenumre.

Det tekniske dilemmaet er at et «godt» ytelsesnivå kanskje ikke er tilstrekkelig med hensyn til noen ikke-åpenbare parametere for regulatorytelse. Selv om den utgående likestrømsskinnen kan forsyne nok strøm med tilstrekkelig linje-/lastregulering og transientrespons, er disse faktorene bare en liten del av det som er å si om strømskinner.

Realiteten er at i tillegg til disse grunnleggende ytelseskriteriene, blir en regulator også evaluert av andre faktorer, der noen av disse er drevet av eksterne krav. De tre viktigste utfordringene som de fleste regulatorer må håndtere er ikke nødvendigvis åpenbare, utelukkende fra det forenklede perspektivet til en blokkobling som godtar en uregulert likestrømsinngang og gir en regulert likestrømsutgang. Disse er (figur 2):

• Kald: Høy effektivitet og tilknyttet minimal termisk påvirkning.
• Stille: Lav rippel for feilfri systemytelse, pluss lav EMI for å møte standarder for utstrålt støy (ikke-akustisk).
• Komplett: En integrert løsning som minimerer størrelse, risiko, materialliste, tiden det tar å få det ferdige produktet ut på markedet og andre «myke» bekymringer.

Figur 2: En DC-DC-regulator må gjøre mer enn å bare levere en stabil strømskinne. Den må også være kald og effektiv, ha «stille» EMI og være funksjonelt komplett. (Bildekilde: Math.stackexchange.com, modifisert av forfatter)

Håndtering av disse problemene medfører en rekke utfordringer, og det kan være en frustrerende opplevelse å måtte løse dem. Dette er i tråd med «80/20-regelen», der 80 % av innsatsen er viet til å få de siste 20 % av oppgaven gjort. En nærmere titt på de tre faktorene:

Kald: Alle konstruktører ønsker høy virkningsgrad, men akkurat hvor høy, og til hvilken pris? Svaret er det vi ofte hører: Det avhenger av prosjektet og dets avveininger. Høyere virkningsgrad er viktig på grunn av tre hovedårsaker:

1. Resultatet er et kaldere produkt som øker påliteligheten, muliggjør drift ved høyere temperatur, kan eliminere behovet for tvungen luftkjøling (vifte) eller kan forenkle oppsettet av effektiv konveksjonskjøling hvis det er mulig. I den høye enden kan det være nødvendig å holde spesifikke komponenter som blir spesielt varme under maksimalt tillatte temperaturer og innenfor det sikre driftsområdet.
2. Selv om disse termiske faktorene ikke er noen bekymring, betyr effektivitet lengre kjøretid for batteridrevne systemer eller redusert belastning på AC-DC-omformeren oppstrøms.
3. Det finnes nå mange reguleringsstandarder som krever spesifikke virkningsgradsnivåer for hver klasse av sluttprodukt. Selv om disse standardene ikke nevner virkningsgrad for individuelle skinner i et produkt, er konstruktørens utfordring å sikre at den samlede virkningsgraden oppfyller mandatet. Dette er enklere når DC-DC-regulatoren til hver bidragene skinne har høyere virkningsgrad, da dette gir mer fleksibilitet når den legges til med de andre skinnene og de andre kildene til tap.

Stille: Det er to brede støyklasser som er relevante for konstruktører. For det første må støy og rippel på utgangen til DC-DC-regulatoren være lave nok så de ikke påvirker systemets ytelse på en negativ måte. Dette blir en økende utfordring etter hvert som skinnespenningene faller til lave ensifrede verdier i digitale kretser, samt for nøyaktige analoge kretser der rippel på selv noen få millivolt kan forringe ytelsen.

Den andre store utfordringen er knyttet til EMI. Det er to typer EMI-utslipp: Ledende og utstrålt. Ledende utslipp ledes på ledningene og sporene som kobles til et produkt. Siden støyen er lokalisert til en bestemt terminal eller kontakt i konstruksjonen, kan samsvar med krav til ledende utslipp ofte sikres relativt tidlig i utviklingsprosessen med en god layout og filterkonstruksjon.

Utstrålte utslipp er imidlertid mer komplisert. Hver leder på et kretskort som fører strøm utstråler et elektromagnetisk felt: Hvert kortspor er en antenne og hvert kobberplan er et speil. Alt annet enn en ren sinusbølge eller likestrømsspenning genererer et bredt signalspektrum.

Vanskeligheten er at selv med nøye konstruksjon, vet aldri en konstruktør nøyaktig hvor ille de utstrålte utslippene kommer til å bli før systemet blir testet – og tester for utstrålte utslipp kan ikke utføres formelt før konstruksjonen hovedsakelig er fullført. Filtre brukes til å redusere EMI ved å dempe nivåene ved bestemte frekvenser eller over et frekvensområde ved å bruke diverse teknikker.

Noe av energien som stråler gjennom rommet, dempes ved å bruke metallplater som magnetisk skjold. Den nedre frekvensdelen som ledes på kretskortspor styres ved å bruke ferrittblokker og andre filtre. Skjerming fungerer, men fører til et nytt sett med problemer. Den må ha god utforming med god elektromagnetisk integritet (ofte overraskende vanskelig). Dette bidrar til økte kostnader, økt plassbruk, gjør termisk styring og testing vanskeligere og introduserer ekstra monteringskostnader.

En annen teknikk er å «bremse» vekslingskantene på regulatoren. Dette har imidlertid noen uønskede virkninger: Det reduserer virkningsgraden, øker minimum på- og av-tid og påkrevd dødtid og går utover hastigheten til strømstyringssløyfen.

En annen måte er å justere regulatorens konstruksjon slik at den utstråler mindre EMI ved å nøye velge viktige konstruksjonsparametere. Oppgaven som omfatter å balansere disse regulatorkompromissene innebærer å vurdere samspillet mellom parametere som vekslingsfrekvens, format, virkningsgrad og resulterende EMI.

For eksempel reduserer en lavere vekslingsfrekvens generelt vekslingstap og EMI og forbedrer virkningsgraden, men krever større komponenter med større monteringsflater. Jakten på større virkningsgrad er ledsaget av lave minimum på- og av-tider, noe som resulterer i høyere harmonisk innhold på grunn av de raskere vekslingsovergangene. EMI blir generelt sett 6 desibel (dB) verre for hver dobling av vekslingsfrekvensen, forutsatt at alle andre parametere som vekslingskapasitet og overgangstider forblir konstante. Bredbånd-EMI oppfører seg som et førsteordens høypassfilter med 20 dB høyere utslipp når vekslingsfrekvensen øker med en faktor på ti.

For å få bukt med dette vil erfarne kretskortkonstruktører gjøre regulatorens strømsløyfer («hot loops») små, og bruke skjermende jordlag så nær det aktive laget som mulig. Likevel dikterer uttakspinnene, kapslingskonstruksjonen, kravet til termisk konstruksjon og kapslingsstørrelsene som trengs for å gi tilstrekkelig energilagring i avkoblingskomponenter, en viss minimumsstørrelse på strømsløyfen.

For å gjøre layoutproblemet enda mer utfordrende, har det typiske flate kretskortet magnetisk eller transformatorlignende kopling mellom spor på over 30 megahertz (MHz). Denne koplingen vil dempe filtreringsanstrengelsen, fordi jo høyere de harmoniske frekvensene er, jo mer effektiv vil den uønskede magnetiske koplingen være.

Hvilke standarder er relevante?

Det finnes ingen enkelt veiledende standard i EMI-verdenen, ettersom den i stor grad fastsettes av konstruksjonen og relevante styringsmandater. Blant de mest siterte er EN55022, CISPR 22 og CISPR 25. EN 55022 er en modifisert avledning av CISPR 22 og gjelder for informasjonsteknologisk utstyr. Standarden er produsert av CENELEC, Den europeiske komité for elektroteknisk standardisering, og er ansvarlig for standardisering for det elektrotekniske fagområdet.

Disse standardene er komplekse og definerer testprosedyrer, prober, instrumentering, dataanalyse, med mer. Blant de mange grenseverdiene som er definert av standarden, er den klassifiserte klasse B-grensen for utstrålte utslipp ofte av størst interesse for konstruktører.

Komplett: Selv når konstruksjonssituasjonen er ganske godt forstått, er det utfordrende å velge og bruke de nødvendige støttekomponentene på akkurat riktig måte. Små forskjeller i komponentplassering og spesifikasjoner, jording og spor på kretskort og andre faktorer kan påvirke ytelsen negativt.

Modellering og simulering er nødvendig og kan være til hjelp, men det er veldig vanskelig å karakterisere parasittstrømmene forbundet med disse komponentene, spesielt hvis verdiene deres endres. Videre kan en endring i leverandører (eller uanmeldt endring fra den foretrukne leverandøren) fremkalle en subtil endring i parameterverdier på andre eller tredje nivå (for eksempel induktor-likestrømsmotstand (DCR)), som kan ha betydelige og uventede konsekvenser.

Videre kan selv en liten reposisjonering av de passive komponentene eller tilføyelse av «bare én til» endre EMI-scenarioet, noe som kan føre til utslipp som overskrider tillatte grenser.

SilentSwitcher µModule-enheter løser disse problemene

Å forutse og håndtere risiko er en normal del av jobben til en konstruktør. En standard sluttproduktstrategi er å redusere antallet og intensiteten av disse risikofaktorene. En løsning er å bruke en funksjonelt komplett DC-DC-regulator som, ved hjelp av god utforming og implementering, er kald, stillegående og komplett. Ved å bruke en kjent enhet reduseres usikkerhetsfaktorene, samtidig som spørsmål rundt størrelse, kostnader, EMI, materialliste og montering kan vurderes. Dette akselererer også tiden det tar å få produktet ut på markedet og reduserer angsten forbundet med å være i samsvar med regelverket.

Ved å se på en komplett familie av slike regulatorer, for eksempel Silent Switcher µModule-enheter fra Analog Devices, kan konstruktører velge en DC-DC-regulator som samsvarer med den nødvendige spennings- og strømklassifiseringen, samtidig som de kan være sikre på at EMI-mandatene vil oppfylles, størrelse og kostnader vil være kjent og at det ikke vil være noen overraskelser.

Disse regulatorene inkorporerer mye mer enn innovative oversikter og topologier. Noen av teknikkene de bruker er:

• Teknikk #1: Vekslingen av regulatoren fungerer som en RF-oscillator/-kilde og kombineres med trådforbindelser, som fungerer som antenner. Dette gjør enheten til en RF-sender med uønsket energi som kan overskride tillatte grenser (figur 3, 4 og 5).

Figur 3: Trådforbindelsene fra IC-en til kapslingen fungerer som miniatyrantenner og utstråler uønsket RF-energi. (Bildekilde: Analog Devices)

Figur 4: Silent Switcher-sammenstillingen begynner med å erstatte trådforbindelsene med flipchip-teknologi, og eliminerer dermed de energistrålende ledningene. (Bildekilde: Analog Devices)

Figur 5: Flipchip-tilnærmingen eliminerer effektivt antennene og minimerer utstrålt energi. (Bildekilde: Analog Devices)

• Teknikk #2: Bruken av symmetriske inngangskondensatorer avgrenser EMI ved å skape balanserte, motstående strømmer (figur 6).

Figur 6: Doble, speilvendte inngangskondensatorer legges også til for å begrense EMI. (Bildekilde: Analog Devices)

• Teknikk #3. Til slutt, bruken av motgående strømsløyfer for å annullere magnetfelt (figur 7).

Figur 7: En intern layout med strømsløyfer i motgående retninger annullerer også uønskede magnetfelt. (Bildekilde: Analog Devices)

Disse Silent Switcher µModul-enhetene representerer utviklingen av nedtransformeringsregulatorens konstruksjon og kapsling fra en IC med støttekomponenter, til en LQFN-IC med integrerte kondensatorer, til en µModul med nødvendige kondensatorer og induktorer (figur 8).

Figur 8: Ved å integrere kondensatorer og en induktor i kapslingen, er Silent Switcher µModule-enhetene det tredje nivået i videreutviklingen av IC-sentriske vekslingsregulatorer. (Bildekilde: Analog Devices)

Et bredt tilbud som håndterer behov og kompromisser

Silent Switcher µModule-enheter omfatter mange individuelle enheter med forskjellige klassifiseringer for inngangsspenningsområde, utgangsspenningsskinne og utgangsstrøm. For eksempel er LTM8003 en µModul med inngang på 3,4 til 40 volt, utgang på 3,3 volt og kontinuerlig strøm på 3,5 A (6 A spiss). Den oppfyller CISPR 25 klasse 5-grenser, men måler likevel bare 9 × 6,25 millimeter (mm), med en høyde på 3,32 mm (Figur 9).

Figur 9: LTM8003 Silent Switcher er en svært liten, selvforsynt kapsling som enkelt oppfyller CISPR 25 klasse 5-grensen for utstrålt spissenergi fra likestrøm til 1000 MHz. (Bildekilde: Analog Devices)

De tilbys med uttakspinner som samsvarer med (LTM8003-3.3) FMEA (failure mode effects analysis), noe som betyr at utgangen forblir på eller under reguleringsspenningen ved en kortslutning på tilstøtende pinne eller hvis en pinne er jordingsfri. Den typiske hvilestrømmen er bare 25 mikroampere (µA), og H-grad-versjonen er klassifisert for drift ved 150 °C.

DC2416A-demonstrasjonskortet (demokort) er tilgjengelig for konstruktører slik at de kan anvende regulatoren og vurdere ytelsen for den aktuelle konstruksjonen (figur 10).

Figur 10: DC2416A-demonstrasjonskortet forenkler tilkobling og evaluering av LTM8003 Silent Switcher-enheten. (Bildekilde: Analog Devices)

To nominelt like Silent Switcher µModule-familiemedlemmer, LTM4657 (3,1 til 20 volt inngang; 0,5 til 5,5 volt @ 8 A utgang) og LTM4626 (3,1 til 20 volt inngang; 0,6 til 5,5 volt @ 12 A utgang), viser arten av fordelene og ulempene som enhetene tilbyr. LTM4657 bruker en induktor med høyere verdi enn LTM4626, noe som gjør det mulig for den å kjøre med lavere frekvenser for å redusere vekslingstap.

LTM4657 er en bedre løsning for høye vekslingstap og lave konduksjonstap, for eksempel i konstruksjoner der laststrømmen er lav og/eller inngangsspenningen er høy. Hvis man ser på LTM4626 og LTM4657 som kjører med samme vekslingsfrekvens og med samme 12-volts inngang og 5-volts utgang, kan det overlegne vekslingstapet til LTM4657 observeres (figur 11). I tillegg reduserer induktoren med høyere verdi utgangsspenningen. LTM4626 kan imidlertid forsyne mer laststrøm enn LTM4657.

Figur 11: Sammenligningen av virkningsgraden til LTM4626 og LTM4657 ved 1,25 MHz med samme konfigurasjon på et DC2989A-demonstrasjonskort, viser beskjedne, men merkbare forskjeller. (Bildekilde: Analog Devices)

Brukere kan vurdere ytelsen til LTM4657 ved å bruke DC2989A-demokortet (figur 12), mens DC2665A-A-kortet er tilgjengelig for dem som trenger å evaluere LTM4626 (figur 13).

Figur 12: DC2989A-demokortet er konstruert for å akselerere evalueringen av LTM4657 Silent Switcher. (Bildekilde: Analog Devices)

Figur 13: DC2665A-A-demokortet er tilgjengelig for LTM4626 Silent Switcher-modulen for å legge til rette for bruk og evaluering. (Bildekilde: Analog Devices)

Silent Switcher µModule-enheter er ikke begrenset til moduler med én utgang. For eksempel er LTM4628 en komplett DC-DC-vekslingsregulator med to utganger på 8 A som enkelt kan konfigureres til å gi en enkel 2-faset utgang på 16 A (figur 14). Modulen tilbys i LGA-kapslinger på 15 mm × 15 mm × 4,32 mm og BGA-kapslinger på 15 mm × 15 mm × 4,92 mm. Den inkluderer vekslingsstyringen, effekt-FET-er, induktor og alle støttekomponenter.

Figur 14: LTM4628 kan konfigureres som en DC-DC-vekslingsregulator med to utganger på 8 A per kanal, eller i en konfigurasjon med én enkel utgang på 16 A. (Bildekilde: Analog Devices)

Modulen fungerer over et inngangsspenningsområde på 4,5 til 26,5 volt og støtter et utgangsspenningsområde på 0,6 til 5,5 volt, som angis av en enkel ekstern motstand. Brukere kan undersøke ytelsen som en enhet med en eller to utganger ved å bruke DC1663A-demokortet (figur 15).

Figur 15: Evaluering av LTM4628 med en eller to utganger kan akselereres ved å bruke DC1663A-demokortet. (Bildekilde: Analog Devices)

Konklusjon

Det er ganske enkelt å konstruere en fungerende DC-DC-regulator med tilgjengelige IC-er. Det er imidlertid ikke mulig å konstruere en regulator som samtidig utmerker seg i virkningsgrad, er funksjonelt komplett og oppfyller de ulike forvirrende og strenge regulatormandatene. Silent Switcher µModule-enheter fra Analog Devices forenkler konstruksjonsprosessen. De eliminerer risiko ved å oppfylle målene for kald og effektiv drift, EMI-utslipp under tillatte grenser og kompatibilitet for direkte utskiftning (drop-in).