Forenkler designerens vurderingsprosess når det gjelder strømmoduler som senker spenningen (step-down): «lag eller kjøp»? Valg

Elektroniske enheter brer seg overalt, og er innebygd overalt, fra Internet of Things (IoT), medisinsk klinisk utstyr og bærbare produkter, til smarte bygninger, intelligente sensorer og utallige forbrukerprodukter. Enten deres primære strømkilde er en linjebetjent vekselstrømsomformer eller et batteri, er utfordringen å gi disse enhetene en eller flere strømskinner med lav spenning, som er riktig regulert, med god oppførsel. I tillegg til den primære funksjonen med å levere stram regulering – mens den ofte arbeider fra et bredt inngangsspenningsområde – må DC-DC-delsystemet med reduksjon av spenning i disse enhetene være lite, virkningsfulle, elektrisk stille og oppfylle strenge myndighetskrav.

Designere har to klare alternativer for å tilby denne likestrømmen: De kan designe og bygge («lage») sitt eget DC-DC-delsystem, eller de kan velge å kjøpe en modul fra hylla (hyllevare/serieprodusert) som er komplett og klar til bruk. «Laging» har sine fordeler i form av tilpasning, men kan øke kostnadene og forsinkelsene ettersom strømforsyningens design kombinerer teknologi, håndverk, kunst og litt flaks. Inntil nylig var terskelen for «lage kontra kjøpe" slik at det var teknisk og kostnadsmessig fornuftig å kjøpe for høytliggende (>100 watt (W)) og mellomstore forsyninger (>~10 W til <~ 100 W), mens det i den lave enden (<~10 W) ofte var en «lage»-beslutning. Designerene kunne konstruere sin egen enhet (step-down-enhet) for å senke spenningen ved hjelp av en krets med LDO (low-dropout) eller spenningsregulator (vekslingsregulator), pluss noen eksterne passive komponenter.

Men på grunn av en kombinasjon av stadig mer utfordrende tid til markedet-krav, kombinert med innovasjoner i retning av små, komplette moduler, er kjøpsbeslutningen mye mer attraktiv og fornuftig, selv på de lavere strømnivåene.

Denne artikkelen ser på de viktigste parametrene, ytelseskravene og løsningene knyttet til lavere DC-DC strømlevering, ved hjelp av for eksempel Himalaya uSLIC  DC-DC-strømmodulfamilien som senker spenningen (step-down) fra Maxim Integrated.

Grunnleggende ytelse er bare starten

Som med andre strømkilder, er strømfattige, trinnvise DC-DC-regulatorer i utgangspunktet karakterisert av noen få grunnleggende parametere: inngangsspenningsområde, utgangsspenningsinnstilling (fast eller justerbar) og maksimal utgangsstrøm. Dette er startparametrene. Det er ytterligere faktorer knyttet til kvaliteten, inkludert regulering og stabilitet under varierende belastninger, rippelstrøm og transient-ytelse. Det finnes også verdifulle funksjoner som underspenningssperre (UVLO), kortslutning og termisk beskyttelse, overspenningsbeskyttelse (OVP) og overstrømsbeskyttelse (OCP).

Listen over viktige parametere inkluderer også drifts-virkningsgrad . I noen tilfeller kreves høy virkningsgrad for å oppfylle forskriftsmessige «grønne» mandater, selv om disse forskriftene ikke er så strenge for lavenergi strømkilder (svakstrøm) som de er for kilder i midtre og høyere område. Høyere virkningsgrad bidrar også til å forlenge kjøretiden i batteridrevne enheter og er viktig under nominell belastning og lave lastforhold, så vel som i hvilemodus. Selv når det er en vekselstrømledning som primærkilde og kjøretid ikke er bestemt av virkningsgrad, er det fortsatt viktig å minimere energiavledning og termisk belastning.

Hensyn til elektromagnetisk interferens (EMI) er også en reguleringsdrevet faktor på to måter:

• For det første må DC-DC-regulatorer ikke være mottakelige for «innkommende» EMI og støy, da dette vil påvirke deres ytelse, samt ting de driver.
• De må ikke være kilder til utstrålt og ledet EMI (ledningsbundet EMI), der de tillatte grensene for EMI er en funksjon av sluttbruk (f.eks. forbruker, bilindustri, industri og medisin), effektområde og frekvens.

Å få et produkt sertifisert for å oppfylle de forskjellige EMI-mandatene er en komplisert og tidkrevende prosess som krever både design- og testkompetanse.

Ingen diskusjon om kravene som stilles til strømregulatorfunksjonene kan ignorere to andre faktorer: størrelse og kostnad. Generelt er mindre bedre og ofte påkrevd, selv om det kanskje ikke er en topp prioritet for produkter med større utvendige mål (formfaktorer). Lavere kostnader er selvfølgelig alltid velkomne, selv om den relative betydningen bestemmes av kravene for enhetene.

«Lage kontra kjøpe» får nye vurderingskriterier

Det er klare avveininger mellom beslutningen om å foreta kjøpet og beslutningen om å foreta kjøpet, herunder den relative vekten av de underliggende faktorene. Hvor mye er for eksempel en mindre løsning verdt? Hvor mye for bedre ytelse langs en akse? For eksempel er en 2 megahertz (MHz) bryterregulator mindre enn 1 MHz-versjonen med sammenlignbare grunnleggende spesifikasjoner, men dens virkningsgrad er sannsynligvis lavere på grunn av økte tap ved drift med den høyere frekvensen.

Gitt de mange tilsynelatende brukervennlige, høyytelses DC-DC-regulator-komponentene som er tilgjengelige for lavere effektnivåer, kan det virke som om «lage» er en fornuftig avgjørelse. Realiteten er imidlertid at dette i økende grad ikke er tilfellet. Dette skyldes en akkumulering av faktorer, inkludert de mange kravene som stilles til kretsens ytelse og risikoene forbundet med «lage», inkludert å få den i produksjon, utfordringene med å skaffe de tilknyttede passive enhetene og strenge test-/sertifiseringskrav.

En induktor klargjør situasjonen

Bryterregulatorer krever en liten induktor for energilagring som ikke kan fremstilles integrert på brikke. I prinsippet er en induktor en nesten triviell komponent, og dens utgangsmodell kjennetegnes ganske enkelt av dens induktans og likestrømsmotstand. Når designeren har verdiene for disse to faktorene, kan modelleringen og utformingen av DC-DC-regulatoren i teorien fortsette.

I praksis er ikke ting så enkle, og selv en forenklet «forbedret» modell av en induktor inkluderer selvkapasitet som en funksjon av frekvensen (figur 1).

Figur 1: Selv den enkle induktorens ekvivalente krets har noen kompleksiteter, og dens modell endres med frekvensen av induktorens drift. (Bildekilde: Springer Nature Switzerland AG)

Det finnes ingen enkelt «riktig» modell, og avanserte, svært detaljerte modeller inkluderer ytterligere parasittiske elementer som er vanskelige å vurdere (figur 2).

Figur 2: Etter hvert som frekvensen som induktoren brukes for øker, utvikler den ekvivalente kretsen mange flere finesser, der noen er en funksjon av induktorplassering, tilstøtende komponenter og kretskortet. (Bildekilde: Sonnet Software, Inc.)

Den fysiske størrelsen og plasseringen av induktoren kompliserer denne modellen, og selv en liten endring i dens posisjon eller orientering endrer nøyaktigheten til modellen, samt påvirker ytelse, EMI og virkningsgrad. Etter hvert som vekslingsfrekvensene strekker seg inn i megahertz-området, må modellene i økende grad fange opp disse tilleggsfaktorene.

I tillegg er det et problem som erfarne ingeniører kan bekrefte: Noen ganger erstatter innkjøpsavdelinger eller produksjonsanlegg en lignende del i stedet for den spesifikke leverandøren og modellen som ingeniøren har satt opp på materiallisten (BOM/stykklisten). Denne «uskyldige» erstatningen ser ut til å være et ikke-spørsmål siden toppnivåspesifikasjonene for de forskjellige enhetene er identiske. Imidlertid kan komponentens subtile andrenivåspesifikasjoner avvike slik at DC-DC-regulatorens ytelsesendringer endres fra det som ble bygget, testet og godkjent, til et som ikke fungerer som testet og frigjort.

Av disse og andre grunner er «gjør-det-selv»-måten, og «lage» ved hjelp av en av de mange tilgjengelige regulator-komponentene og noen få passive komponenter stadig mer risikabel med hensyn til ytelse, samsvar og tid til markedet. Det gir opp å få «kjøp» til å se veldig attraktivt ut ved hjelp av gjennomførbare alternativer.

Vektingen heller sterkt mot «kjøp»

Kjøpslandskapet på dette lavere effektområdet har endret seg dramatisk de siste årene. Designere kan nå velge blant et bredt utvalg av enheter i DC-DC-strømmodulene for spenningsreduksjon (step-down) Himalaya uSLIC-familien fra Maxim Integrated. Disse modulene har ikke avveininger eller kompromisser i ytelse og størrelse, eller risiko for «lage»-beslutningen.

Himalaya uSLIC -familien inkluderer to faste utgangsenheter,MAXM17630 (3,3 volt utgang) ogMAXM17631 (5 volt utgang), samt motstandssettet, justerbartMAXM17632 (0,9 volt til 12 volt utgang) - alle med 1 ampere (A) strømkapasitet. Hver av disse synkrone, DC-DC-spenningsreduksjonsmodulene (step-down-modulene) inkluderer en integrert styring, MOSFET-er, kompensasjonskomponenter og induktor. Den innebygde kompensasjonen over utgangsspenningsområdet eliminerer behovet for eksterne kompensasjonskomponenter, som ofte er vanskelige å velge, da de må samsvare med regulatorenes driftsmoduser.

Modulene opererer over et bredt inngangsområde fra 4,5 volt til 36 volt; andre uSLIC-moduler er tilgjengelige for drift fra innganger så høyt som 60 volt, noe som er nyttig for industriell design. Tilbakemeldingsspenningsreguleringsnøyaktigheten for modulfamilien er ±1,2 %. Modulene inkluderer overtemperaturbeskyttelse og er spesifisert for -40 °C til +125 °C omgivelsestemperatur.

Disse modulene trenger bare noen få ikke-kritiske eksterne motstander og lavpriskondensatorer for å fungere og etablere driftsegenskaper (figur 3).

Figur 3: MAXM17631 er et medlem i familien av DC-DC-strømmoduler for spenningsreduksjon (step-down) Maxim Himalaya uSLIC, som er enkle å konfigurere og bruke; legg merke til mangelen på en synlig induktor. (Bildekilde: Maxim Integrated)

De er «kun maskinvare» uten noen programvareinitiering eller konfigurasjonsport å ta hensyn til. Selv om de ikke er IC-er, ser de ut som dem. Den indre induktoren er innkapslet i den lille, lavprofilerte, 16-pinners, 3 × 3 x 1,75 mm-kapslingen, med en integrert bunnkjøleplate(figur 4).

Figur 4: Medlemmene av Maxim Himalaya uSLIC-familien måler bare 3 × 3 × 1,75 mm med 16 pinner; kapslingene har også en termisk kjøleplate på undersiden for å forenkle varmeavledningen. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Til tross for sin lille størrelse, tilbyr Himalaya uSLIC-modulene høy ytelse, brukervennlighet og fleksibilitet i konfigurasjonen. De støtter justerbar frekvensdrift fra 400 kilohertz (kHz) til 2,2 MHz med mulighet for ekstern klokkesynkronisering. Videre er det ikke nødvendig å bekymre seg for at kraftmodulen er en grunn til å unnlate å oppfylle strenge EMI-mandater, siden enhetene oppfyller kravene i CISPR 22 (EN 55022) klasse B for ledet (ledningsbundne) og utstrålte utslipp (figur 5 og figur 6).

Figur 5: Medlemmene av Maxim Himalaya uSLIC-familien oppfyller enkelt CISPR 22 (EN 55022) klasse B for ledede utslipp (ledningsbundne utslipp). (Bildekilde: Maxim Integrated)

Figur 6: Medlemmene av Maxim Himalaya uSLIC-familien oppfyller enkelt CISPR 22 (EN 55022) klasse B for ledningsbundne utslipp (Bildekilde: Maxim Integrated)

De oppfyller også JESD22-B103, B104 og B111 Pass Drop-, Shock- og Vibrasjonsstandarder; å gjøre det i en «lage»-design er en ekstra byrde utover å oppfylle kravene til elektrisk ytelse.

Hvorfor ikke bruke en LDO i stedet?

Spenningsregulatorer med lav fallspenning (LDO-er) er mye brukt i de utallige millionene hvert år og tilfredsstiller behovene til mange bruksområder. De er enkle å bruke og gir så godt som ingen utgangsstøy. Imidlertid reduseres deres virkningsgrad når strømmen de leverer øker, og når spenningsforskjellen mellom forsyningsskinnen og utgangen øker. I mange enhet med lavere effekt kan de se ut til å være en rimelig attraktiv løsning for å gi en regulert effekt til tross for virkningsgrad-fradraget.

Dette er imidlertid ofte ikke tilfellet. Tenk på eksemplet med en rombegrenset optisk nærhetssensor som krever 5 volt ved 80 milliamperes (mA) fra en nominell 24 volts likestrømstilførsel (dvs. 19,2 volt likestrøm til 30 volt likestrøm) (figur 7).

Figur 7: En liten uSLIC -modul kan brukes til effektivt å levere 5 volt ved 80 mA som kreves i dette eksemplet på en kompakt optisk basert nærhetssensordesign. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Et sammendrag av en komparativ analyse ved bruk av en standard LDO versusMAXM17532 uSLIC strømmodul – en 0,9 til 5,5 volt utgang, 100 mA enhet - viser den dramatiske forskjellen (tabell 1).

Tabell 1: Strømsparingen ved bruk av en uSLIC sammenlignet med en LDO er dramatisk, det samme er forskjellen i total avledning, som er ca. 5 % av mengden ved bruk av LDO-løsningen. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Den uSLIC-kraftløsningen er fire ganger mer virkningsfull enn LDO og reduserer effekttapet til 1/19 (ned til omtrent 5 %) av LDO-løsningen med den nominelle 24 volt-inngangen; forskjellen er enda større når DC-inngangen er på sin 30 volt-verdi (detaljene i denne analysen pluss andre eksempler er i referanse 1).

Fullført, men fortsatt konfigurerbar

Selv om uSLIC-enhetene er «forseglede» moduler som implementerer en toppstrømmodus-kontrollarkitektur, har brukeren muligheten til å velge en av tre driftsmoduser for dem. Dette muliggjør valg av ytelsesattributter som best samsvarer med prioritetene og avveiningene for bruksområdene og trenger ikke å velges når delene bestilles. I stedet gjøres det av designeren etter behov via passende tilkobling av en pinne på kapslingen. Dermed kan den samme enheten brukes i sine forskjellige moduser på tvers av flere produkter og til og med innenfor det samme produktet, noe som forenkler materiallisten (BOM/stykklisten) og åpner for endringer senere i prosjekteringssyklusen.

De tre modusene er:

• pulsbreddemodus (PWM-modus): Den interne induktorstrømmen tillates å gå negativ. Denne driftsmodusen er nyttig i frekvensfølsomme enheter og gir drift ved fast vekslingsfrekvens ved alle laster. Det gir imidlertid lavere virkningsgrad ved lette belastninger sammenlignet med de to andre modusene.

•pulsfrekvensmodulasjon-modus (PFM-modus): Denne modusen deaktiverer negativ utgangsstrøm i induktoren, noe som gir høyere virkningsgrad ved lette belastninger på grunn av lavere hvilestrøm hentet fra forsyningen. Ulempen er at utgangsspenningsrippelen er høyere sammenlignet med de andre driftsmodusene, og vekslingsfrekvensen er ikke konstant ved lette belastninger.

• usammenhengende ledningsmodus (DCM) (avbrutt ledeevne): Denne modusen muliggjør også høy virkningsgrad under lette lastforhold og inkluderer konstant frekvensdrift ned til lettere laster enn PFM-modus ved å deaktivere negativ induktorstrøm ved lette laster. Den tilbyr en virkningsgrad som er mellom PWM og PFM-modus, og utgangsspenningsrippelen i DCM-modus er sammenlignbar med PWM-modus og relativt lavere sammenlignet med PFM-modus.

For disse uSLIC-modulene kan brukere også angi faktorer som oppstartstidspunktet ved hjelp av en ekstern valgfri kondensator. Denne funksjonen er nyttig i multi-rail-design der strømsekvensering og ramp-up-hastigheter er avgjørende.

Moduler eliminerer karakteriseringsinnsats

En av de mange oppgavene ingeniører som velger «lage»-alternativet står overfor, er å evaluere sluttproduktet under forskjellige statiske og dynamiske driftsforhold, og på tvers av mange forskjellige parametere. Dette er en tidkrevende innsats og også en innsats med mange muligheter for utilsiktede feil. Blant de mange kravene er at lasten må kontrolleres nøye og aktivt.

Designteamet kan derimot hoppe over dette trinnet når de bruker Maxim Himalaya uSLIC-modulene. Siden enhetene er komplette, er de fullt karakterisert fra inngangspinner til utgangsskinner på databladene. I tillegg til tabeller med elektriske egenskaper, finnes det over hundre grafer som definerer ytelse, som dekker faktorer som virkningsgrad versus laststrøm, utgangsspenning versus laststrøm, utgangsspenning, utgangsspenning, transient lastrespons, oppstarts- og nedstengningsytelse, og Bode-plotter, alle over et bredt spekter av driftsforhold, inkludert alltid viktig temperatur. I tillegg er det tilgjengelige kraftige design- og simuleringsverktøy som gjør det enklere å integrere en moduls atferd i en større systemomfattende simulering.

Slik kommer du raskt i gang

Selv om Maxim uSLIC-modulene er enkle å bruke og kommer med fullt karakterisert ytelse så vel som simuleringsmodeller, kan designere fortsatt ha behov for å få litt «hands-on»-følelse for sine evner og utvikle en komfortfaktor med disse bittesmå enhetene. Siden uSLIC-ene er så små, tilbyr Maxim MAXM17630EVKIT#-evalueringskort for å akselerere evalueringen (figur 8). Dette kortet har tre tilstøtende uavhengige seksjoner, en hver for MAXM17630-, MAXM17631- og MAXM17632-modulene.

Figur 8: Maxim MAXM17630EVKIT#-evalueringskort gir direkte støtte for konfigurasjon og vurdering av MAXM17630, MAXM17631 og MAXM17632-trioen av moduler, via tre tilstøtende og uavhengige seksjoner. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Det lar brukeren utøve og vurdere uSLIC-drift i en hvilken som helst av de grunnleggende driftsmodusene (PWM, PFM og DCM), synkronisere til en ekstern klokke om ønskelig, aktivere og deaktivere en modul og endre UVLO-innstillinger. I det innledende oppsettet konfigurerer evalueringskortet MAXM17630-modulen (3,3 volt @ 1 A) til å fungere med en 900 kHz bryterfrekvens, over et 4,5 til 36 volt inngangsområde; MAXM17631-modulen (5 volt @ 1 A) er konfigurert til å fungere med en 1,250 MHz bryterfrekvens over et 7 til 36 volt inngangsområde; og den justerbare MAXM17632-modulen er innstilt for 13 volt @ 1 A drift med en 2.150 MHz bryterfrekvens over et 20 til 36 volt inngangsområde.

Evalueringskortskjemaet sammen med topp- og bunnkortlayout og maske er detaljert i databladet. Alt som trengs for å bruke evalueringskortet er en enkelt 0 til 36 volt DC @ 1 A strømforsyning, et digitalt multimeter og lastmotstander som kan synke opptil 1 A ved 3,3 volt, 5 volt og 12 volt. Settets kretskort er også designet for å begrense utstrålte utslipp fra koblingsnoder på strømomformeren, noe som resulterer i utstrålte utslipp under CISPR22 klasse B-grenseverdiene.

Kortet anerkjenner også at et evalueringsarrangement ikke er det samme som den endelige utformingskonfigurasjonen. Av denne grunn har den bestemmelser for valgfrie elektrolytiske kondensatorer som demper inngangsspenningstopper og svingninger som kan oppstå under varm plug-in eller skyldes lange inngangskabler som ofte er en del av evalueringsoppsettet, men som ikke vil være til stede under faktisk bruk. Disse kablene går mellom inngangsstrømkilden og settets kretser og kan indusere inngangsspenningssvingninger på grunn av deres induktans. Den ekvivalente seriemotstanden (ESR) til den elektrolytiske kondensatoren bidrar til å fukte ut svingningene de kan forårsake.

Konklusjon

Maxim Himalaya uSLIC-modulene viser tydelig at «lage kontra kjøpe»-balansen nå favoriserer kjøp sterkt, selv ved relativt lave DC-DC-spenningsreduksjonsivåer. Deres lille fysiske størrelse, fullt karakterisert ytelse, samsvar med EMI- og virkningsgrads-reguleringsmandater, og forenkling av sluttproduktets stykkliste gjør valg av dem til et logisk valg.

Referanser:

1. «Oppfyllelse av behovene for virkningsgrad og effekttap i plassbegrensede enheter»
2. «Hvordan effektivt drive bittesmå industrisensorer»
3. Merknad for bruk 6417, «Monteringsretningslinjer for uSLIC-kapslinger»