Cum se rezolvă problemele de zgomot c.c./c.c., eficiență și dispunere cu ajutorul modulelor de putere integrate

Construirea unui regulator c.c./c.c. de coborâre de bază pentru tensiuni scăzute de 10 volți (tipic) sau mai puțin și niveluri modeste de curent de la aproximativ 2 până la 15 amperi (A). Proiectantul trebuie doar să selecteze un circuit integrat de reglare cu comutație adecvat și să adauge câteva componente pasive folosind circuitul de exemplu din fișa tehnică sau nota de aplicație. Dar este proiectul cu adevărat finalizat și gata să fie lansat pentru o serie pilot sau chiar pentru producție? Probabil că nu.

În timp ce regulatorul oferă șina de curent continuu dorită, acesta poate avea, totuși, câteva probleme. În primul rând, este posibil ca eficiența să nu îndeplinească obiectivele proiectului sau cerințele de reglementare, ceea ce sporește impactul termic și scurtează durata de viață a bateriei. În al doilea rând, este posibil să fie nevoie de componente suplimentare pentru a asigura o pornire adecvată, performanțe tranzitorii și o ondulație redusă, ceea ce, la rândul său, afectează dimensiunea, timpul de lansare pe piață și lista generală de materiale (BOM). În cele din urmă, și poate cea mai mare provocare, este posibil ca proiectul să nu respecte limitările din ce în ce mai stricte privind interferențele electromagnetice (EMI) sau interferențele de radiofrecvență (RFI), așa cum sunt definite de diversele mandate de reglementare, ceea ce necesită o reproiectare sau componente și teste suplimentare.

Acest articol descrie diferența în ceea ce privește așteptările și performanța dintre un proiect de bază al unui regulator c.c./c.c. și unul superior care îndeplinește sau depășește cerințele de eficiență, zgomot de undă și zgomot de radiație redus și integrare generală. Articolul prezintă apoi modulele Silent Switcher µModule de la Analog Devices și arată cum să le utilizați pentru a rezolva mai multe probleme legate de regulatoarele c.c./c.c. de coborâre.

La început, CI-urile fac ca totul să pară ușor

Regulatoarele c.c./c.c. de coborâre sunt utilizate pe scară largă pentru a furniza șine de curent continuu. Un sistem tipic poate avea zeci de astfel de dispozitive care furnizează tensiuni diferite pe șine sau șine separate fizic la aceeași tensiune. Aceste regulatoare de coborâre iau în mod obișnuit o tensiune mai mare, de obicei între 5 și 36 de volți c.c., și o reglează până la o valoare de un singur volt la amperi din două cifre sau chiar mai puțin (Figura 1).

Figura 1: rolul regulatorului c.c./c.c. (convertor) este simplu: ia o sursă de curent continuu nereglată, care poate proveni de la o baterie sau de la o linie de curent alternativ redresată și filtrată, și furnizează la ieșire o linie de curent continuu strict reglată. (Sursa imaginii: Electronic Clinic)

Există avantaje și dezavantaje atunci când se construiește un regulator de coborâre de bază. Avantajul este că, în general, construirea unui astfel de dispozitiv care să ofere performanțe „suficient de bune” nu este dificilă. Există multe circuite integrate de comutare disponibile pentru a îndeplini cea mai mare parte a sarcinii, care au nevoie doar de un singur tranzistor cu efect de câmp (FET) (sau nu au nevoie de niciunul) și de câteva componente pasive pentru a finaliza sarcina. Sarcina este cu atât mai ușoară cu cât fișa tehnică a CI-ului regulatorului arată aproape întotdeauna un circuit tipic de aplicație cu o schemă, o dispunere a plăcii și o listă de materiale care poate furniza numele furnizorilor de componente și numerele de piese.

Dilema inginerilor constă în faptul că un nivel „bun” de performanță poate să nu fie adecvat în ceea ce privește anumiți parametri de performanță ai regulatorului care nu sunt evidenți. În timp ce șina de curent continuu de ieșire poate furniza suficient curent, cu o reglare adecvată a liniei/sarcinii și un răspuns tranzitoriu adecvat, acești factori reprezintă doar începutul pentru șinele de alimentare.

Realitatea este că, pe lângă aceste criterii de performanță de bază, un regulator este evaluat și în funcție de alți factori, unii dintre aceștia fiind determinați de cerințe externe. Cele trei aspecte critice pe care trebuie să le abordeze majoritatea regulatoarelor nu sunt neapărat evidente, doar din perspectiva simplistă a unui bloc funcțional care acceptă o intrare de curent continuu nereglată și furnizează o ieșire de curent continuu reglată. Acestea sunt (Figura 2):

• Rece: eficiență ridicată și impact termic minim asociat.
• Silențios: ondulație redusă pentru performanțe de sistem fără erori, plus un nivel scăzut de EMI pentru a respecta standardele de zgomot radiat (non-acustic).
• Complet: o soluție integrată care reduce la minimum dimensiunea, riscul, lista de materiale, timpul de lansare pe piață și alte preocupări „soft”.

Figura 2: un regulator c.c./c.c. trebuie să facă mai mult decât să furnizeze o șină de alimentare stabilă; trebuie să fie, rece și eficient, să fie „silențios” din punctul de vedere EMI și să fie complet din punct de vedere funcțional. (Sursa imaginii: Math.stackexchange.com; modificat de autor)

Abordarea acestor probleme vine cu un set de provocări, iar rezolvarea lor poate deveni o experiență frustrantă. Acest lucru este în concordanță cu „regula 80/20”, conform căreia 80% din efort este dedicat finalizării ultimei părți de 20% din sarcină. Examinând cei trei factori mai în detaliu:

Rece: fiecare proiectant își dorește o eficiență ridicată, dar cât de ridicată și cu ce costuri? Răspunsul este cel obișnuit: depinde de proiect și de compromisurile sale. O eficiență mai mare este importantă din trei motive principale:

1. Aceasta se traduce printr-un produs mai rece care sporește fiabilitatea, poate permite funcționarea la o temperatură mai ridicată, poate elimina necesitatea răcirii cu aer forțat (ventilator) sau poate simplifica instalarea unei răciri eficiente prin convecție, dacă este posibil. La limita superioară, poate fi necesar să se mențină anumite componente care funcționează la temperaturi deosebit de ridicate sub temperatura maximă admisă și în zona de funcționare sigură.
2. Chiar dacă acești factori termici nu reprezintă o preocupare, eficiența se traduce printr-o durată de funcționare mai lungă pentru sistemele alimentate cu baterii sau printr-o sarcină redusă asupra convertorului c.a. - c.c. din amonte.
3. În prezent, există numeroase standarde de reglementare care impun niveluri de eficiență specifice pentru fiecare clasă de produse finale. În timp ce aceste standarde nu prevăd eficiența pentru fiecare șină în parte a unui produs, provocarea proiectantului este de a se asigura că eficiența generală agregată îndeplinește cerința. Acest lucru este mai ușor atunci când regulatorul c.c./c.c. al fiecărei șine care contribuie este mai eficient, deoarece acesta oferă spațiu de manevră pentru adunarea cu celelalte șine și alte surse de pierderi.

Silențios: există două clase mari de zgomot care îi preocupă pe proiectanți. În primul rând, zgomotul și ondulația de la ieșirea regulatorului c.c./c.c. trebuie să fie suficient de scăzute pentru a nu afecta negativ performanța sistemului. Aceasta este o preocupare din ce în ce mai întâlnită, pe măsură ce tensiunile din șine scad până la valori mici de o singură cifră în circuitele digitale, precum și pentru circuitele analogice de precizie, unde o ondulație chiar și de câțiva milivolți poate degrada performanța.

Cealaltă preocupare majoră este legată de EMI. Există două tipuri de emisii EMI: conduse și radiate. Emisiile conduse se deplasează pe firele și traseele care se conectează la un produs. Deoarece zgomotul este localizat la un anumit terminal sau conector din proiect, conformitatea cu cerințele privind emisiile conduse poate fi adesea asigurată relativ devreme în procesul de dezvoltare, cu o schemă și un filtru bine concepute.

Cu toate acestea, emisiile radiate sunt mai complicate. Fiecare conductor de pe o placă de circuite care transportă curentul radiază un câmp electromagnetic: fiecare traseu de pe placă este o antenă, iar fiecare plan din cupru este o oglindă. Orice altceva decât o undă sinusoidală pură sau o tensiune c.c. generează un spectru larg de semnal.

Dificultatea constă în faptul că, chiar și în cazul unei proiectări atente, un proiectant nu știe niciodată cu adevărat cât de grave vor fi emisiile radiate până când sistemul nu este testat, iar testarea emisiilor radiate nu poate fi efectuată în mod oficial până când proiectarea nu este practic finalizată. Se utilizează filtre pentru a reduce EMI prin atenuarea nivelurilor la anumite frecvențe sau pe un interval de frecvențe, utilizând diferite tehnici.

O parte din energia care radiază prin spațiu este atenuată prin utilizarea unei foi de metal ca scut magnetic. Partea de frecvență mai joasă care se deplasează pe traseele plăcii de circuite imprimate (condusă) este controlată cu ajutorul perlelor de ferită și a altor filtre. Ecranarea funcționează, dar implică un nou set de probleme. Aceasta trebuie să fie bine proiectată și să aibă o bună integritate electromagnetică (ceea ce este adesea surprinzător de dificil). Crește costurile, mărește suprafața, îngreunează gestionarea termică și testarea și introduce costuri suplimentare de asamblare.

O altă tehnică este încetinirea marginilor de comutare ale regulatorului. Totuși, aceasta are efectul nedorit de reducere a eficienței, de creștere a timpilor minimi de pornire și de oprire, precum și timpii morți necesari și de compromitere a vitezei buclei de control al curentului.

O altă abordare este aceea de a ajusta proiectul regulatorului, astfel încât să radieze mai puține EMI, prin selectarea atentă a parametrilor cheie de proiectare. Sarcina de a echilibra aceste compromisuri ale regulatorului implică evaluarea interacțiunii unor parametri precum frecvența de comutare, amprenta, eficiența și EMI rezultate.

De exemplu, o frecvență de comutare mai mică reduce, în general, pierderile la comutare și EMI și îmbunătățește eficiența, dar necesită componente mai mari cu creșteri asociate ale amprentei. Căutarea unei eficiențe mai mari este însoțită de timpi minimi de pornire și oprire, ceea ce duce la un conținut armonic mai mare din cauza tranzițiilor mai rapide ale comutatorului. În general, la fiecare dublare a frecvenței de comutare, EMI se reduce cu 6 decibeli (dB), presupunând că toți ceilalți parametri, cum ar fi capacitatea de comutare și timpii de tranziție, rămân constanți. EMI în bandă largă se comportă ca un filtru trece-sus de ordinul întâi, cu emisii mai mari cu 20 dB atunci când frecvența de comutare crește de zece ori.

Pentru a depăși acest lucru, proiectanții experimentați de plăci de circuite imprimate vor face ca buclele de curent ale regulatorului („bucle fierbinți”) să fie mici și vor utiliza straturi de ecranare la sol cât mai aproape de stratul activ. Cu toate acestea, schema de conexiuni, construcția capsulei, cerințele de proiectare termică și dimensiunile capsulei necesare pentru stocarea adecvată a energiei în componentele de decuplare dictează o anumită dimensiune minimă a buclei fierbinți.

Pentru a face ca problema de dispunere să fie și mai dificilă, placa de circuite imprimate plană tipică are un cuplaj magnetic sau de tip transformator între trasee de peste 30 megahertzi (MHz). Acest cuplaj va atenua eforturile de filtrare, deoarece cu cât frecvențele armonice sunt mai mari, cu atât cuplajul magnetic nedorit devine mai eficient.

Ce standarde sunt relevante?

Nu există un singur standard director în lumea EMI, deoarece acesta este determinat în mare măsură de aplicație și de mandatele guvernamentale relevante. Printre cele mai citate se numără EN55022, CISPR 22 și CISPR 25. EN 55022 este un derivat modificat al CISPR 22 și se aplică echipamentelor pentru tehnologia informației. Standardul este elaborat de CENELEC, Comitetul European de Standardizare Electrotehnică, și este responsabil pentru standardizarea în domeniul electrotehnic.

Aceste standarde sunt complexe și definesc procedurile de testare, sondele, instrumentele, analiza datelor și multe altele. Dintre numeroasele limite definite de standard, limita de emisie radiată din clasa B este adesea cea mai importantă pentru proiectanți.

Complet: chiar și atunci când situația de proiectare este destul de bine înțeleasă, selectarea și utilizarea corectă a componentelor de suport necesare reprezintă o provocare. Diferențele mici în ceea ce privește amplasarea și specificațiile componentelor, masele și traseele de pe placa de circuite imprimate și alți factori pot afecta negativ performanța.

Modelarea și simularea sunt necesare și pot fi de ajutor, dar caracterizarea efectelor parazitele asociate cu aceste componente este foarte dificilă, mai ales dacă valorile lor se schimbă. Mai mult, o schimbare a furnizorului (sau o schimbare neanunțată de către furnizorul preferat) poate induce o schimbare subtilă a valorilor parametrilor de al doilea sau al treilea nivel (cum ar fi rezistența în curent continuu a inductorului (DCR)), care ar putea avea consecințe semnificative și neașteptate.

Mai mult, chiar și o ușoară repoziționare a componentelor pasive sau adăugarea „doar a uneia în plus” poate schimba scenariul EMI și poate duce la emisii care depășesc limitele admise.

Modulele SilentSwitcher µModule rezolvă problemele

Anticiparea și gestionarea riscurilor reprezintă o parte normală a activității unui proiectant. Reducerea numărului și a intensității acestor riscuri este o strategie standard pentru produsul final. O soluție este utilizarea unui regulator c.c./c.c. complet din punct de vedere funcțional care, printr-o proiectare și implementare bună, este rece, silențios și complet. Utilizarea unui dispozitiv cunoscut reduce incertitudinea, abordând în același timp riscurile legate de dimensiuni, costuri, EMI, BOM și asamblare. În acest fel, se accelerează și timpul de lansare pe piață și se reduce îngrijorarea legată de conformitatea cu reglementările.

Analizând o familie completă de astfel de regulatoare, cum ar fi modulele Silent Switcher µModule de la Analog Devices, proiectanții pot alege un regulator c.c./c.c. adaptat la tensiunea și curentul nominal necesare, fiind în același timp siguri că mandatele EMI vor fi îndeplinite, că dimensiunea și costul vor fi cunoscute și că nu vor exista surprize.

Aceste regulatoare încorporează mult mai mult decât scheme și topologii inovatoare. Printre tehnicile pe care le folosesc se numără:

• Tehnica nr. 1: comutarea regulatorului acționează ca un oscilator/sursă RF și se combină cu firele de legătură, care acționează ca antene. Acest lucru transformă ansamblul într-un emițător de radiofrecvență cu energie nedorită care poate depăși limitele permise (Figurile 3, 4 și 5).

Figura 3: firele de legătură de la matrița circuitului integrat la capsulă funcționează ca antene miniaturale și radiază energie RF nedorită. (Sursă imagine: Analog Devices)

Figura 4: ansamblul Silent Switcher începe prin înlocuirea legăturilor de fire cu tehnologia flip-chip, eliminând astfel firele care radiază energie. (Sursă imagine: Analog Devices)

Figura 5: abordarea flip-chip elimină eficient antenele și minimizează energia radiată. (Sursă imagine: Analog Devices)

• Tehnica nr. 2: utilizarea condensatoarelor de intrare simetrice limitează EMI prin crearea unor curenți echilibrați, opuși (Figura 6).

Figura 6: se adaugă și condensatoare de intrare duble, în oglindă, pentru a limita EMI. (Sursă imagine: Analog Devices)

• Tehnica nr. 3. În cele din urmă, utilizarea buclelor de curent opuse pentru a anula câmpurile magnetice (Figura 7).

Figura 7: o dispunere internă cu bucle de curent în direcții opuse anulează și câmpurile magnetice nedorite. (Sursă imagine: Analog Devices)

Aceste module Silent Switcher µModule reprezintă evoluția proiectării și ambalării regulatorului de coborâre de la un circuit integrat cu componente de suport la un circuit integrat LQFN cu condensatoare integrate la un dispozitiv µModule cu condensatoarele și inductorii necesari (Figura 8).

Figura 8: prin încorporarea condensatoarelor și a unui inductor în capsulă, modulele Silent Switcher µModule reprezintă cea de a treia etapă în progresul regulatoarelor de comutare centrate pe circuite integrate. (Sursă imagine: Analog Devices)

Oferta largă abordează nevoile și compromisurile

Modulele Silent Switcher µModule cuprind mai multe unități individuale cu diferite valori nominale pentru gama de tensiuni de intrare, șina de tensiune de ieșire și curentul de ieșire. De exemplu, LTM8003 este un µModule cu intrare de la 3,4 până la 40 de volți, ieșire de 3,3 volți, 3,5 A continuu (6 A de vârf) care îndeplinește limitele CISPR 25 Clasa 5, dar care măsoară doar 9 × 6,25 milimetri (mm) și 3,32 mm înălțime (Figura 9).

Figura 9: LTM8003 Silent Switcher este un pachet mic și autonom care îndeplinește cu ușurință limita de energie radiată de vârf CISPR 25 Clasa 5 de la c.c. la 1000 MHz. (Sursă imagine: Analog Devices)

Acesta este oferit cu o schemă de conexiuni care este conformă cu analiza efectelor modului de defectare (FMEA) (LTM8003-3.3), ceea ce înseamnă că ieșirea rămâne la sau sub tensiunea de reglare în timpul unui scurtcircuit al pinilor adiacenți sau dacă un pin este lăsat liber. Curentul de repaus tipic este de numai 25 microamperi (µA), iar versiunea de calitate H este clasificată pentru funcționare la 150 °C.

Placa demonstrativă DC2416A este disponibilă pentru ca proiectanții să exerseze cu regulatorul și să evalueze performanța acestuia pentru aplicația lor (Figura 10).

Figura 10: placa demonstrativă DC2416A simplifică conectarea și evaluarea dispozitivului LTM8003 Silent Switcher. (Sursă imagine: Analog Devices)

Doi membri ai familiei Silent Switcher µModule, nominal asemănători, LTM4657 (intrare de la 3,1 la 20 volți; ieșire de la 0,5 la 5,5 volți la 8 A) și LTM4626 (intrare de la 3,1 la 20 volți; ieșire de la 0,6 la 5,5 volți la 12 A), arată natura compromisurilor pe care le oferă dispozitivele. LTM4657 utilizează un inductor cu valoare mai mare decât LTM4626, ceea ce îi permite să funcționeze la frecvențe mai mici pentru a reduce pierderile de comutare.

LTM4657 este o soluție mai bună pentru pierderi de comutație ridicate și pierderi de conducție scăzute, cum ar fi în aplicații în care curentul de sarcină este scăzut și/sau tensiunea de intrare este ridicată. Privind LTM4626 și LTM4657 care funcționează la aceeași frecvență de comutare și cu aceeași intrare de 12 volți și aceeași ieșire de 5 volți, se poate observa pierderea la comutare superioară a LTM4657 (Figura 11). În plus, inductorul său de valoare mai mare reduce ondulația tensiunii de ieșire. Cu toate acestea, LTM4626 poate furniza un curent de sarcină mai mare decât LTM4657.

Figura 11: comparația eficienței LTM4626 și LTM4657 la 1,25 MHz cu aceeași configurație pe o placă demonstrativă DC2989A arată diferențe modeste, dar tangibile. (Sursă imagine: Analog Devices)

Utilizatorii pot evalua performanța LTM4657 folosind placa demonstrativă DC2989A (Figura 12), în timp ce, pentru cei care trebuie să evalueze LTM4626, este disponibilă placa DC2665A-A (Figura 13).

Figura 12: placa demonstrativă DC2989A este concepută pentru a accelera evaluarea dispozitivului LTM4657 Silent Switcher. (Sursă imagine: Analog Devices)

Figura 13: pentru modulul LTM4626 Silent Switcher, este disponibilă placa demonstrativă DC2665A-A, pentru a facilita exercițiul și evaluarea. (Sursă imagine: Analog Devices)

Modulele Silent Switcher µModule nu sunt limitate la module cu o singură ieșire. De exemplu, LTM4628 este un regulator c.c./c.c. de comutare cu ieșire dublă de 8 A, complet, care poate fi configurat cu ușurință pentru a furniza o singură ieșire bifazată de 16 A (Figura 14). Modulul este oferit în capsule LGA de 15 mm × 15 mm × 4,32 mm și BGA de 15 mm × 15 mm × 4,92 mm. Acesta include controlerul de comutare, FET-urile de putere, inductorul și toate componentele auxiliare.

Figura 14: LTM4628 poate fi configurat ca un regulator c.c./c.c. de comutare cu ieșire dublă, 8 A per canal, sau într-o configurație cu o singură ieșire, 16 A. (Sursă imagine: Analog Devices)

Modulul funcționează pe o gamă de tensiuni de intrare de la 4,5 la 26,5 volți și acceptă o gamă de tensiuni de ieșire de la 0,6 la 5,5 volți, setată de un singur rezistor extern. Utilizatorii pot investiga performanțele sale ca dispozitiv cu o singură ieșire sau cu două ieșiri folosind placa demonstrativă DC1663A (Figura 15).

Figura 15: evaluarea dispozitivului LTM4628 cu ieșire individuală/dublă este accelerată prin utilizarea plăcii demonstrative DC1663A. (Sursă imagine: Analog Devices)

Concluzie

Proiectarea unui regulator c.c./c.c. funcțional este destul de ușoară cu ajutorul circuitelor integrate disponibile. Cu toate acestea, proiectarea unui regulator, simultan, care excelează în ceea ce privește eficiența, este complet din punct de vedere funcțional și îndeplinește cerințele adesea derutante și stricte ale regulatoarelor nu este o sarcină ușoară. Modulele Silent Switcher µModule de la Analog Devices simplifică procesul de proiectare. Acestea elimină riscurile prin îndeplinirea obiectivelor de funcționare rece și eficientă, emisii EMI sub limitele admise și completitudine cu montare directă.