Slik bruker du små modulære små DC-DC-omformere for å minimere støy fra Power-Rail

Støy er et iboende og vanligvis uunngåelig hensyn i nesten alle systemdesign. Selv om noe støy er fra eksterne kilder og ikke direkte innenfor kretsdesignerens kontroll, genereres den også av selve kretsen. I mange tilfeller er det viktig at designeren minimerer støykilder – spesielt støy på strømskinnene – da det kan påvirke sensitive analoge og digitale kretser.

Resultatet kan være ujevn kretsytelse, redusert oppløsning og nøyaktighet og høyere bitfeilrate (bit error rate – BER, i beste fall. I verste fall kan det forårsake total systemfeil eller hyppige eller periodiske ytelsesproblemer, som begge er vanskelige å feilsøke.

Det er to store støyproblemer med å vekslende DC-DC-regulatorer og deres utgangsskinner: rippelstøy og utstrålt støy. Støy som genereres i en krets er underlagt reguleringsmandater for elektromagnetisk kompabilitet (EMC) og må være under spesifiserte nivåer i de forskjellige frekvensbåndene.

Utfordringen for designere er å forstå internt innhentet støy og dens opprinnelse, og enten «designe den ut» eller på annen måte redusere den. Denne artikkelen vil bruke DC-DC-regulatorer fra Monolithic Power Systems, Inc. for å tar for oss alternativene når du minimerer regulatorstøyproblemer.

Begynn med støykilde og type

Den enkleste støyen å observere, og den som direkte påvirker kretsens ytelse, er krusning på vekslingsfrekvensen. Denne ringen er vanligvis i størrelsesorden 10 til 20 millivolt (mV) (figur 1). Selv om det ikke er tilfeldig, er det fortsatt en manifestasjon av støy med konsekvenser for systemets ytelse. Millivolt-nivået til en slik rippel er generelt ikke et problem for digitale høyspenningskomponenter som opererer med skinner på 5 volt og høyere, men det kan være et problem med digitale kretser med lavere spenning som opererer under 3 volt. Rippel på forsyningsskinnene er også et stort problem med presisjon analoge kretser og komponenter, noe som er grunnen til at strømforsyningsavvisningsforholdet (PSRR) spesifikasjonen for slike enheter er kritisk.

Figur 1: Rippel på DC-skinnen, et resultat av regulatorens vekslingshandling, kan påvirke en krets grunnleggende ytelse eller presisjonsresultater. (Bildekilde: Monolithic Power Systems, Inc.)

Vekslingshandling til en DC-DC-regulator kan også utstråle radiofrekvensstøy (RF). Selv om millivolt krusning på DC-skinnen er tålelig, er det også problemet med elektromagnetiske utslipp som går utover EMC. Denne støyen har en kjent grunnleggende frekvens mellom noen få kilohertz til flere megahertz (MHz), avhengig av vekslingsomformeren, og den har også mange overtoner.

Blant de mest siterte EMC-relaterte reguleringsstandardene 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»). Det finnes også europeisk standard EN 55022, hovedsakelig avledet fra CISPR 22-produktstandarden, med tester utført under nøye definerte forhold.

CISPR 22 er vedtatt brukt av de fleste medlemmer av Det europeiske fellesskap. Selv om FCC del 15 i USA og CISPR 22 er gjort relativt harmoniske, er det noen forskjeller. CISPR 22/EN 55022 er «absorbert» av CISPR 32/EN 55032, en ny produktfamiliestandard for multimedieutstyr (MME) som er effektiv som en harmonisert standard i samsvar med EMC-direktivet.

Utstyr som hovedsakelig er beregnet på bruk i boliger, skal oppfylle grenseverdiene for klasse B, og alt annet utstyr skal oppfylle kravene i klasse A (figur 2). Produkter som er laget for nordamerikanske markeder, må overholde grensene fastsatt i avsnitt 15.109 i Federal Communications Commission (FCC) del 15 kapittel B for utilsiktede radiatorer. Således, selv om den elektriske støyen som utstråles fra en DC-regulator ikke påvirker produktet i seg selv negativt, kan denne støyen fortsatt være uakseptabelt høy med hensyn til å oppfylle de forskjellige reguleringsmandatene.

Figur 2: Dette er en av de mange grafene i CISPR 32/EN 55032 som definerer utslippsgrenser versus hyppighet for ulike klasser av forbruksvarer. (Bildekilde: Academy of EMC, “EMC Standards”)

Å håndtere EMC-problemer er et komplisert emne og har ingen forenklet løsning. Blant annet er måling og tillatte grenser for disse utslippene en funksjon av kretsens driftsfrekvens, avstand, effektnivå og bruksområdeklasse. På grunn av dette er det fornuftig å sjekke de mange tekniske ressursene og kanskje til og med konsulenter som kan gi veiledning og kompetanse.

Når det er sagt, har designere tre grunnleggende strategier for å minimere støy for å unngå problemer med kretsytelse og også oppfylle det aktuelle støymandatet:

• Bruk en LDO (low-dropout regulator).
• Legg til ekstern filtrering til en vekslingsregulator for å redusere støyen sett av belastningen på DC-skinnene.
• Velg en vekslingsregulator-modul som integrerer komponenter som ellers er eksterne til regulatorkomponenten, for eksempel induktorer eller kondensatorer. Den resulterende modulen er designet og garantert å gi støysvake skinner, og trenger derfor minimal eller ingen ekstern filtrering.

Begynn med LDO-en

Siden LDO-arkitekturen ikke har noen klokke eller veksling, har den innebygd lav EMC-støy og ingen utgangs-skinnegang; hundrevis av millioner LDO-er brukes hvert år. Når det brukes på et egnet design, kan det være en effektiv løsning.

For eksempel de monolitiske kraftsystemeneMP20075 LDO retter seg spesifikt mot aktive bussavslutninger for Double Data Rate (DDR) 2/3 / 3L / 4 synkron dynamisk random access memory (SDRAM) (figur 3). Denne LDO-en er i et 8-pinners MSOP-hus og kan synke og levere opptil 3 ampere (A) ved en brukerinnstilt spenning mellom 1,05 og 3,6 volt, og har en presisjon V_REF/2 sporingsspenning for nøyaktig avslutning.

Figur 3: MP20075 LDO kan synke eller levere opptil 3 A og er optimalisert for termineringsbehovet til forskjellige klasser av DDR SRAM. (Bildekilde: Monolithic Power Systems)

Den integrerte frekvensdeleren (divider-en) til MP20075 sporer referansespenningen (REF) for å sikre nøyaktige VTT- og VTTREF-utgangsspenninger, mens Kelvin-føling hjelper den med å oppnå en nøyaktighet på ±30 mV for VTT og ±18 mV for VTTREF. I tillegg, som med de fleste LDO-er, gir den analoge topologien med bare lukket sløyfe svært rask respons på utgangsbelastningstransienter, i størrelsesorden bare noen få mikrosekunder (figur 4). En slik forbigående respons er ofte kritisk i høyhastighetskretser som DDR SRAM-termineringene som denne LDO-en er konstruert for.

Figur 4: Den analoge lukkede sløyfedesignen til LDO-en bidrar til at den reagerer svært raskt på forbigående krav fra lasten; slik ytelse er nødvendig for bruksområder som DDR SRAM-terminering. (Bildekilde: Monolithic Power Systems)

Til tross for sine iboende lave støy- og brukervennlige attributter, har LDO-en begrensninger. For det første er den langt mindre effektiv enn en vekslingsregulator, noe som igjen gir to åpenbare bekymringer: varmen den avleder, øker den termiske belastningen på systemet, og redusert effektivitet har en innvirkning på kjøretiden for batteridrevne bærbare enheter. På grunn av dette brukes LDO-er oftest for utgangsstrømmer opp til ca. 1 til 3 A (som vist av MP20075), da virkningsgradens «straff» ofte blir for høy over denne verdien.

Det er en annen iboende begrensning av LDO-er: De kan bare gi regulering for å senke spenningen (buck) og kan ikke øke en uregulert inngangs likestrømforsyning over dens nominelle verdi. Hvis en boost-modusutgang (øke spenningen) er nødvendig, utelukkes LDO-en automatisk som et DC-DC-regulatoralternativ.

Finjuster oppsettet, legg til litt filtrering

Når en vekslingsregulator brukes, enten for boost- (øke spenningen) eller buck-modus (senke spenningen)-drift, er dens vekslingshandling en iboende og uunngåelig støykilde. Det er enklere å legge til ekstra utdatafiltrering når regulatoren opererer med en fast frekvens. VurderMP2145 , en 5,5 volt, 6 A, synkron nedtrekksbryterregulator som er plassert i en 12-leder, 2 × 3 millimeter (mm) QFN-pakke, med integrerte 20 milliohm (mΩ) og 12 mΩ MOSFET (figur 5).

Figur 5: MP2145, en 5,5 volt, 6 A, synkron spenningsregulator (vekslingsregulator) for å senke spenningen (step-down switching regulator) inkluderer integrert 20 mΩ og 12 mΩ MOSFET-er i sin 2 × 3 mm QFN-pakke. (Bildekilde: Monolithic Power Systems)

En synkron buck-omformer slik som MP2145 består av en inngangskondensator C_IN, to brytere (S1 og S2) med sine kroppsdioder, en energilagringseffektinduktor (L) og utgangskondensatorer (C_UT). Utgangskondensatorene (C_UT) plasseres ved utgangen for å utjevne utgangsspenningen under en stabil tilstand. Disse danner et første trinn-filter og reduserer utgangsspenningsrippelen ved å gi en lavimpedansbane for høyfrekvente spenningskomponenter til å gå tilbake til bakken.Vanligvis kan en slik shunt-utgangskondensator effektivt redusere utgangsspenningsrippelen til 1 mV.

For ytterligere å redusere utgangsspenningen er det nødvendig med et andre-trinns utgangsfilter, med et induktor-kondensatorfilter (LC) kaskadert til første-trinns utgangskondensatorer (figur 6). Filtreringsinduktoren (L_f) er resistiv i det tiltenkte høyfrekvente området og avleder støyenergien i form av varme. Induktoren kombineres med ekstra shuntkondensatorer for å danne et lavpass LC-filternettverk.

Figur 6: Ved å legge til et andre-trinns LC-filter til utgangen til en spenningsregulator (vekslingsregulator), for eksempel MP2145, kan utgangsbølgen reduseres. (Bildekilde: Monolithic Power Systems)

Leverandørdatablad og programmerknader gir ligninger og retningslinjer for dimensjonering av induktor-, kondensator- og dempemotstandskomponentene i dette filteret. De identifiserer også kritiske sekundære parametere som maksimal induktor likestrømsresistens (DC resistance – DCR) og metningsstrøm, og maksimal kondensatorekvivalent seriemotstand (equivalent series resistance – ESR). Typiske induktansverdier varierer mellom 0,22 mikrohenry (µH) og 1 µH.

Oppsett av disse komponentene er også avgjørende for å oppnå høyest mulig ytelse. Et dårlig gjennomtenkt oppsett kan føre til dårlig linje- eller lastregulering, økt krusning og andre stabilitetsproblemer. Inngangskondensatoren (Cin) for MP2145 bør plasseres så nær som mulig til IC-pinnene (bena) (figur 7).

Figur 7: Inngangskondensatoren til MP2145 (Cin her, nederst til høyre; og C1 i skjemaet i figur 5) bør være så nær som mulig til pinne 8 (strøminngangsstiften) og pinne 10/11/12 (strøm GND-pinnene). (Bildekilde: Monolithic Power Systems)

Moduler tilbyr ytelsessikring

Modulene tar implementeringen av DC-DC-regulatorer til neste nivå av systemintegrasjon. Ved å gjøre dette minimerer eller eliminerer de bekymringer knyttet til valg og plassering av eksterne komponenter og gir garanterte spesifikasjoner. Modulene inneholder tilleggskomponenter, først og fremst den tradisjonelle, noe plagsomme eksterne induktoren. Dermed reduserer de utfordringene forbundet med passiv komponentstørrelse, plassering og orientering, som alle påvirker EMC og krusningsrelatert ytelse.

For eksempelMPM3833C er en nedtrappingsmodul med innebygde MOSFET-er og en induktor, som leverer opptil 3 A kontinuerlig utgangsstrøm fra en inngangsspenning mellom 2,75 og 6 volt, sammen med utmerket belastnings- og ledningsregulering (Figur 8). Bare tilbakemeldingsmotstander, inngangskondensatorer og utgangskondensatorer er nødvendig for å fullføre designen. Induktoren, som vanligvis er den vanskeligste eksterne komponenten å spesifisere og plassere, er intern i modulen og blir derfor et ikke-spørsmål med hensyn til riktig plassering for å minimere elektromagnetisk interferens (EMI) og rippel.

Figur 8: MPM3833C DC/DC-modulen inkluderer den potensielt plagsomme induktoren i sine design- og ytelsesspesifikasjoner. (Bildekilde: Monolithic Power Systems)

Denne modulen er plassert i en ultra-liten QFN-18-kapsling (2,5 × 3,5 × 1,6 × mm) og har en rippelspenning på 5 mV (typisk). Dens lave nivå av utstrålte utslipp (EMI) er i samsvar med EN55022 Klasse B-standarden, vist i figur 9 for forholdene V_IN = 5 volt, V_UT = 1,2 volt, I_UT = 3 A, CO = 22 picofarad (pF), ved 25 °C.

Figur 9: Databladet for MPM3833C DC/DC-modulen viser at den lett oppfyller EN55022 klasse B-standarden for strålingsutslipp. (Bildekilde: Monolithic Power Systems)

Med moderne mikropakketeknikker er den totale størrelsen på en modul bare litt større eller høyere enn den interne platen; en lav profil er en stadig viktigere parameter. Se på MPM3650,en fullstendig integrert, høyfrekvent, synkronlikerettet, strømmodul med senking av spenningen (step-down) med en intern induktor (Figur 10). Den gir opptil 6 A kontinuerlig utgangsstrøm for utganger fra 0,6 til 1,8 volt og opptil 5 A for utganger over 1,8 volt, over et bredt inngangsområde på 2,75 til 17 volt, med utmerket last- og linjeregulering. Med sine interne MOSFET-er og innebygd induktor, måler QFN-24-kapslingen bare 4 × 6 × 1,6 mm.

Figur 10: MPM3650-modulen med integrert induktor leverer opptil 6 A ved opptil 1,8 volt og 5 A over 1,8 volt, i en kapsling som måler 4 × 6 × 1,6 mm. (Bildekilde: Monolithic Power Systems)

En annen fordel med den modulære tilnærmingen er at rippelstøyen er godt kontrollert ved ca. 20 mV uten belastning, og faller ned til ca. 5 mV ved en full 6 A belastning (figur 11). Dette betyr at ekstra ekstern filtrering ikke er nødvendig i mange tilfeller, og dermed forenkler design, reduserer monteringsflate (fysisk størrelse) og trimmer ned materialkostnaden

Figur 11: Rippelstøyen for MPM3650-modulen er spesifisert til ca. 20 mV ved null belastning og ca. 5 mV ved full belastning. (Bildekilde: Monolithic Power Systems)

Det er ofte nyttig å gjøre noe praktisk arbeid med DC-DC-regulatormoduler for å vurdere om deres statiske og dynamiske ytelse oppfyller systemkravet, selv om det går utover det som kalles på databladet. For å øke hastigheten på denne prosessen, tilbyr Monolithic Power SystemsEVM3650-QW-00A , et 63,5 mm × 63,5 mm × 1,6 mm, firelags evalueringskort for MPM3650 (figur 12).

Figur 12: Ved hjelp av evalueringskortet EVM3650-QW-00A kan potensielle brukere av DC-DC-modulen MPM3650 raskt evaluere ytelsen i utrustningen sin. (Bildekilde: Monolithic Power Systems)

Evalueringskortet sammen med databladet tjener flere formål. For det første gjør det det enkelt for brukeren å vurdere de mange ytelsesattributtene til MPS3650 under et bredt spekter av driftsforhold, noen av dem er kanskje ikke åpenbare eller kalt ut i databladet. For det andre inneholder evalueringspanelets datablad alle detaljer om skjema, bom og brettoppsett, slik at brukere av MPS3650 kan bruke dem i sin egen design for å redusere risiko og minimere usikkerhet (Figur 13).

Figur 13: evalueringskortpakken EVM3650-QW-00A inneholder en fullstendig skjematisk, materialliste (BOM)- og kortoppsettdetaljer for å redusere risiko og usikkerhet. (Bildekilde: Monolithic Power Systems)

Evalueringskortet gir designere en mulighet til å bedre forstå modulens ytelse, noe som resulterer i et høyt nivå av inn-design-tillit, sammen med minimal tid for å få produktet ferdig ut på markedet.

Det er en type støy til

Når designere snakker om «støy», refererer de nesten alltid til en eller annen manifestasjon av elektronisk støy i kretsen, for eksempel rippel eller EMI. Men med vekslingsregulatorer er det en annen potensiell type støy: akustisk støy. For regulatorer som opererer over menneskets hørselsområde - vanligvis ansett for å være 20 kHz – vil en slik støy ikke være noe problem. Noen vekslingsregulatorer opererer imidlertid i lydområdet, mens andre som opererer med mye høyere frekvenser faller ned i lydområdet under inaktiv eller standby-perioder for å minimere strømforbruket.

Denne hørbare støyen skyldes ett eller begge av to velkjente fysiske fenomener; den piezoelektriske effekten og den magnetostriktive effekten. I tilfellet med den piezoelektriske effekten, fører de klokkedrevne elektriske svingningene i kretsen til at komponenter som keramiske kondensatorer vibrerer i synkronisering med vekslingsklokken, ettersom elektrisk energi omdannes til mekanisk bevegelse av de krystallinske materialene til kondensatoren. I tilfelle med magnetostriktiv effekt, som er noe parallell med den piezoelektriske effekten, endrer magnetiske materialer, for eksempel induktor- eller transformatorkjerner, form og dimensjoner under de klokkedrevne syklusene med magnetisering. Den berørte kondensatoren eller induktoren/transformatoren fungerer deretter som en mekanisk «driver» og får hele kretskortet til å resonere, og dermed forsterker og sender de hørbare vibrasjonene.

På grunn av en eller begge disse effektene vil personer med god hørsel ofte klage på at de hører en konstant, lavvolumbrumming (piping) når de er i nærheten av elektroniske enheter. Legg merke til at denne akustiske støyen også noen ganger genereres av komponenter i lavfrekvente 50/60 Hz strømkretser, slik at selv de uten god høyfrekvent hørsel kan høre en brum.

Håndtering av akustisk støy krever andre tilnærminger og teknikker enn demping av elektronisk støy.

Konklusjon

LDO-er tilbyr en støyfri eller støysvak løsning på problemet med både DC-skinnegang og EMI, men er generelt ikke et levedyktig regulatoralternativ over noen få ampere. Et alternativ er å bytte spenningsregulatorer (vekslingsregulator) med egnet filtrering eller regulatorer som er spesielt konstruert for støysvake ytelser.

Komplette DC-DC-regulatormoduler som inkluderer komponenter som induktoren i den lille kapslingen, tilbyr et annet sett med løsninger. De reduserer konstruksjonsusikkerhet med hensyn til utforming og komponentvalg, samtidig som de gir fullstendig utprøvd og kvantifisert delsystemytelse.

Anbefalt lesing

1. «Forståelse av standarder for elektromagnetisk kompatibilitet for svitsjemodus strømforsyninger»