Cum să oferiți o putere cu zgomot redus și densitate mare într-un factor de formă mic pentru FPGA-uri și ASIC-uri

Circuitele integrate digitale cu cerințe de curent ridicat, cum ar fi FPGA și ASIC, se află tot mai mult în centrul sistemelor încorporate pentru aplicații precum cele auto, medicale, de telecomunicații, industriale, de jocuri și audio/video de consum. Multe dintre aceste aplicații sunt esențiale, cum ar fi sistemele de asistență pentru șoferi (ADAS), și de înaltă fiabilitate, cum ar fi centrele de date.

În plus față de cerințele de curent, aceste dispozitive de tensiune mai mică au specificații de toleranță limitate pentru șinele de alimentare. Furnizarea acestei puteri cu eficiență, precizie, performanță la curenți tranzitorii rapizi, stabilitate și zgomot redus este esențială pentru performanța și integritatea sistemului.

Controlerele convenționale ale regulatoarelor de comutare și subsistemele de putere au probleme potențiale de zgomot, atât pe șinele de ieșire, cât și ca interferență electromagnetică (EMI) și interferență de radiofrecvență (RFI) radiate, răspuns tranzitoriu inadecvat și limitări legate de dispunere. Pentru a minimiza zgomotul, unele aplicații utilizează regulatoare mici și silențioase cu căderi reduse (LDO), care oferă o eficiență îmbunătățită în comparație cu LDO-urile anterioare. Totuși, nici aceste LDO-uri nu pot satisface de obicei cerințele de eficiență ale sistemului, ceea ce duce la probleme cu disiparea termică.

Alternativa eficientă la LDO este regulatorul de comutare, dar aceste dispozitive au un zgomot inerent mai ridicat din cauza funcției de ceas și de comutare. Acest zgomot trebuie atenuat dacă proiectanții doresc să profite pe deplin de aceste dispozitive de comutare.

Din fericire, există noi modalități de a echilibra zgomotul și eficiența. Acest articol analizează inovațiile recente în proiectarea conversiei de putere care au o eficiență ridicată și cerințe minime de spațiu, precum și un zgomot al regulatorului de comutare foarte redus. Acesta explorează modul în care regulatoarele de comutare inovatoare pot îndeplini multiplele obiective pentru sarcini cu tensiune de o singură cifră, în intervalul de sub 10 amperi (A), și prezintă ca exemplu circuitele integrate de mici dimensiuni Silent Switcher din familia LTC33xx de la Analog Devices.

Imperativul curent/tensiune

Atunci când tranzistoarele și circuitele integrate au fost inventate și s-au dezvoltat în a doua jumătate a secolului ^XX, printre numeroasele lor atribute se număra faptul că cerințele de putere per funcție erau foarte scăzute în comparație cu tuburile cu vid pe care le înlocuiau – cu un factor de 100 sau mai mult. Cu toate acestea, acest progres a condus rapid la densități mai mari de funcții per dispozitiv și placă de circuite, până în punctul în care circuitele integrate necesită acum zeci de amperi pe șină, și adesea pe mai multe șine.

Printre circuitele integrate care necesită acești curenți mari, care trebuie să disipeze în cele din urmă cantitățile mari de energie asociată sub formă de căldură, se numără rețelele de porți programabile în câmp (FPGA) și circuitele integrate specifice aplicațiilor (ASIC). Ambele sunt utilizate pe scară largă în dispozitive încorporate, acoperind întreaga industrie a electronicelor, inclusiv a dispozitivelor auto, medicale, industriale, de comunicații, de jocuri și dispozitive audio/video de consum.

Curentul necesar pentru FPGA sau ASIC poate fi furnizat printr-un convertor c.a./c.c. pentru dispozitivele alimentate de la rețea sau printr-un convertor c.c./c.c. pentru cele alimentate de la baterii. În oricare dintre cazuri, este nevoie de un regulator c.c./c.c. de coborâre ulterior pentru a furniza și gestiona tensiunea de o singură cifră pe șină pentru sarcină la nivelurile de curent necesare.

O modalitate de a furniza energia necesară este de a utiliza un singur regulator de coborâre c.c./c.c. pentru a susține toate dispozitivele de pe placa de circuite și de a-l amplasa pe o parte sau într-un colț al plăcii PCB pentru a ajuta la gestionarea problemelor de disipare a căldurii și pentru a simplifica arhitectura c.c./c.c. la nivel de sistem.

Totuși, această soluție care pare simplă are propriile sale probleme:

• În primul rând, există căderea IR inevitabilă între regulator și sarcini din cauza distanței și a nivelurilor ridicate de curent (căderea ΔV = curentul de sarcină I × rezistența traseului (R)). Soluțiile pentru această problemă sunt creșterea lățimii sau grosimii traseului de pe placa de circuite imprimate sau utilizarea unei bare colectoare ridicate, dar acestea utilizează spațiu prețios pe placă și se adaugă la lista de materiale (BOM).
• O tehnică de depășire a căderii IR este utilizarea detecției la distanță a tensiunii la sarcină, dar aceasta funcționează bine numai pentru o sarcină cu un singur punct, nedispersată. De asemenea, aceasta vine cu noi probleme de oscilație potențială, deoarece inductanța șinei de alimentare și a cablurilor de detecție mai lungi poate afecta performanța tranzitorie a regulatorului și a șinelor.
• În cele din urmă – fiind problema care este adesea cel mai dificil de gestionat – șinele de alimentare mai lungi sunt, de asemenea, supuse la o mai mare captare a zgomotului EMI/RFI sau radiază cu eficiență zgomotul pe lungimea lor, acționând ca niște antene. De obicei, soluția necesită condensatoare de bypass suplimentare, perle de ferită în linie și alte măsuri. În funcție de amploarea și de frecvența sa, acest zgomot poate afecta negativ funcționarea fiabilă a sarcinilor și poate face dificilă respectarea diferitelor mandate de reglementare privind emisiile de zgomot.

Problema zgomotului în loc de eficiență

Este important de reținut că problema „zgomotului în loc de eficiență” pentru regulatoarele c.c./c.c. este un scenariu diferit de compromisurile obișnuite ale proiectării tehnice. Această situație constă adesea în evaluarea compromisurilor și în găsirea „punctului optim” care să echilibreze atributele favorabile în funcție de cele nefavorabile.

Ce este diferit la această situație? Majoritatea scenariilor care implică un compromis permit proiectantului să accepte în mod deliberat o valoare mai mică a unui parametru dorit în schimbul unei valori mai mari a altui parametru, deplasându-se de-a lungul unei serii continue de compromisuri (Figura 1, partea de sus).

Figura 1: Majoritatea situațiilor de proiectare permit inginerului să evalueze și apoi să facă diverse compromisuri de performanță de-a lungul unei căi destul de continue (sus), dar în cazul zgomotului/eficienței regulatoarelor de comutare față de LDO-uri, proiectele ajung fie într-o parte, fie în cealaltă, cu puțin „teren de mijloc” (jos). (Sursa imaginii: Bill Schweber)

De exemplu, proiectantul poate alege un amplificator operațional care consumă mai mult curent (rău) pentru a oferi o viteză de salt mai mare (bine) în comparație cu un alt amplificator operațional; un compromis este acceptabil sau necesar în aplicație.

Cu toate acestea, în cazul regulatoarelor de comutare și al LDO-urilor, zgomotul și atributele lor de eficiență sunt în mare parte „integrate” în structura lor. Un proiectant nu poate spune, de exemplu, că va accepta un LDO cu 20% mai mult zgomot în schimbul unei îmbunătățiri de 10% a eficienței – acest tip de compromis nu există. În schimb, există un decalaj în intervalul atribut-compromis (Figura 1, partea de jos).

Regulatoarele Silent Switcher rezolvă dilema compromisului

O soluție alternativă și, de obicei, mai bună este utilizarea regulatoarelor c.c./c.c. individuale amplasate cât mai aproape posibil de circuitele integrate de sarcină. Acest lucru minimizează căderea IR, amprenta pe placa de circuite imprimate, precum și captarea și radiația zgomotului de șină. Cu toate acestea, pentru ca această abordare să fie viabilă, este esențial să existe regulatoare mici, eficiente și cu zgomot redus, care pot fi plasate lângă sarcină și care să îndeplinească toate cerințele actuale ale acesteia.

În acest caz, multe dintre regulatoarele Silent Switcher rezolvă problemele. Nu numai că aceste regulatoare oferă ieșiri de tensiune de o singură cifră la niveluri de curent de la câțiva amperi la 10 A, dar o fac cu un zgomot extrem de redus, care este obținut prin utilizarea mai multor inovații de proiectare.

Aceste regulatoare schimbă gândirea convențională în ceea ce privește diferența dintre LDO și regulatorul de comutare cu dispozitivele Silent Switcher 1 (prima generație) și Silent Switcher 2 (a doua generație). Proiectanții acestor dispozitive au identificat diversele surse de zgomot și au conceput modalități de atenuare a fiecăreia dintre ele.

Rețineți că regulatoarele Silent Switcher nu utilizează tehnica binecunoscută și legitimă a „spectrului extins” de adăugare a zgomotului pseudo-aleatoriu la semnalul de ceas. Acest lucru lărgește spectrul de zgomot, reducând în același timp amplitudinea acestuia la frecvența ceasului și la armonicele acestuia. În timp ce utilizarea ceasurilor cu spectru extins poate ajuta la respectarea limitelor de reglementare, aceasta nu reduce energia de zgomot agregat și poate, de fapt, să introducă zgomot în anumite părți ale spectrului care afectează performanța circuitului.

Printre avantajele dispozitivelor Silent Switcher 1 se numără un nivel scăzut de EMI, o eficiență ridicată și o frecvență de comutare ridicată, care îndepărtează o mare parte din zgomotul rămas din părțile spectrului în care ar putea interfera cu funcționarea sistemului sau ar avea probleme de reglementare. Avantajele Silent Switcher 2 includ toate caracteristicile tehnologiei Silent Switcher 1, plus condensatoare de precizie integrate, o soluție de dimensiuni mai mici și eliminarea sensibilității la dispunerea plăcii de circuite imprimate.

Datorită factorului de formă minuscul (doar câțiva milimetri (mm) pătrați) și eficienței lor, aceste comutatoare pot fi amplasate foarte aproape de FPGA sau ASIC de sarcină, maximizând astfel performanța și eliminând incertitudinile dintre specificațiile de performanță din fișa tehnică și realitatea din timpul utilizării. Acestea schimbă dilema „binară” de a alege între a accepta fie mai mult zgomot, fie mai puțină eficiență, permițând proiectanților să obțină cele mai bune avantaje ale ambelor atribute în ceea ce privește zgomotul și eficiența.

Cum au fost realizate aceste beneficii ale Silent Switcher? Acest lucru a fost realizat prin adoptarea unei abordări multifațetate:

• Principala cauză a zgomotului într-o sursă de alimentare cu comutare este reprezentată de curenții comutați, nu de cei în regim staționar. În topologia unui regulator de comutare convențional, există o cale de curgere a curentului numită buclă fierbinte. Această buclă fierbinte nu este o buclă de curent independentă, ci doar o buclă de curent virtuală compusă din componentele a două bucle de curent reale (Figura 2).

Figura 2: Topologia obișnuită a regulatorului de comutare are o buclă de curent virtuală numită buclă fierbinte; aceasta este alcătuită din componentele a două bucle de curent reale și are fluxuri de curent comutat. (Sursă imagine: Analog Devices)

Tehnologia Silent Switcher 2 de la Analog Devices face ca buclele fierbinți critice să fie cât mai mici posibil prin integrarea condensatoarelor de intrare în capsula CI. De asemenea, prin împărțirea buclei fierbinți în două forme simetrice, se creează două câmpuri magnetice de polarități opuse, iar zgomotul radiat se anulează în mare măsură.

• Arhitectura de a doua generație acceptă componente periferice de comutare rapidă pentru o eficiență ridicată la frecvențe de comutare ridicate, obținând în același timp performanțe EMI bune. Condensatoarele ceramice interne de pe tensiunea de intrare c.c. (V_IN) mențin mici toate buclele rapide de c.a., îmbunătățind performanța EMI.
• Arhitectura Silent Switcher utilizează tehnici de proiectare și capsulare brevetate pentru a maximiza eficiența la frecvențe foarte înalte și pentru a permite performanțe EMI foarte scăzute, depășind cu ușurință limitele EMI de vârf CISPR 25 Clasa 5 prin utilizarea unor modele foarte compacte și robuste.
• Se utilizează poziționarea activă a tensiunii (AVP), o tehnică în care tensiunea de ieșire depinde de curentul de sarcină. La sarcini ușoare, tensiunea de ieșire este reglată peste valoarea nominală, în timp ce la sarcină maximă, tensiunea de ieșire este reglată sub valoarea nominală. Reglarea sarcinii c.c. este ajustată pentru a îmbunătăți performanța la curenți tranzitorii și pentru a reduce cerințele condensatorului de ieșire.

Numeroasele familii de dispozitive Silent Switcher

Regulatoarele Silent Switcher sunt disponibile în mai multe familii și modele, cu diferite valori nominale de tensiune/curent în cadrul fiecărei familii. Unele considerente suplimentare variază de la un model la altul, cum ar fi ieșirea fixă sau reglabilă. Printre diferiții membri ai familiei LTC33xx se numără:

• LTC3307: Comutator sincron de coborâre Silent Switcher de 5 volți, 3 A, într-o capsulă LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3308A: Comutator sincron de coborâre Silent Switcher de 5 volți, 4 A, într-o capsulă LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3309A: Comutator sincron de coborâre Silent Switcher de 5 volți, 6 A, într-o capsulă LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3310: Comutator sincron de coborâre Silent Switcher 2 de 5 volți, 10 A în capsulă LQFN de 3 mm × 3 mm

Privind LTC3310 mai în detaliu, acesta este un convertor de coborâre c.c./c.c. foarte mic, cu zgomot redus, monolitic, capabil să furnizeze până la 10 A de curent de ieșire de la o sursă de intrare de la 2,25 până la 5,5 volți; intervalul V_OUT este de la 0,5 volți la V_IN. Frecvențele de comutare variază de la 500 kilohertzi (kHz) până la 5 megahertzi (MHz). Necesită doar câteva componente pasive externe și are un randament de aproximativ 90% pe cea mai mare parte a domeniului sarcinii de ieșire (Figura 3).

Figura 3: Regulatorul c.c./c.c. de coborâre LTC3310 necesită componente active externe și oferă o eficiență ridicată pe cea mai mare parte a domeniului său de sarcină. (Sursă imagine: Analog Devices)

Acesta este disponibil în patru versiuni de bază. Dispozitivele oferă atât un nivel scăzut de interferență electromagnetică, cât și o eficiență ridicată la frecvențe de comutare de până la 5 MHz și există versiuni ale familiei LTC3310 care sunt calificate AEC-Q100 pentru automobile. Rețineți că atât dispozitivele din prima generație (SS1) – LTC3310 – cât și cele din a doua generație (SS2) – LTC3310S și LTC3310S-1 – sunt disponibile ca dispozitive cu ieșire reglabilă și cu ieșire fixă (Tabelul 1):

Tabelul 1: LTC3310 este oferit în patru versiuni de bază, reprezentând modele de prima și a doua generație, precum și ieșiri fixe și reglabile. (Sursa imaginii: Analog Devices)

Pentru versiunile reglabile, tensiunea de ieșire este programată prin intermediul unui divizor de rezistoare între ieșire și pinul de feedback (FB), utilizând o ecuație simplă pentru a determina valoarea corectă a rezistorului (Figura 5).

Figura 5: Stabilirea tensiunii de ieșire a dispozitivelor reglabile LTC3310 necesită doar o rețea de divizoare de rezistoare de bază, bazată pe o ecuație simplă. (Sursă imagine: Analog Devices)

Nivelurile de zgomot sunt de obicei de ordinul zecilor de microvolți. Doi indicatori cheie ai performanței de zgomot redus a dispozitivelor LTC3310 sunt testele de zgomot efectuate în conformitate cu limitele de vârf relevante CISPR25 Clasa 5. Printre acestea se numără zgomotul condus (Figura 6) și zgomotul radiat atât în plan orizontal, cât și vertical (Figura 7).

Figura 6: Un regulator aranjat corespunzător bazat pe LTC3310S îndeplinește limitele stricte ale emisiilor EMI conduse CISPR25 (cu vârf de Clasa 5). (Sursă imagine: Analog Devices)

Figura 7: Pentru testele privind emisiile radiate, LTC3310S îndeplinește atât mandatele EMI în plan orizontal (stânga), cât și în plan vertical (dreapta) conform CISPR25. (Sursă imagine: Analog Devices)

O altă caracteristică notabilă a familiei LTC3310 este ușurința cu care dispozitivele pot fi utilizate în paralel pentru funcționarea curenților mai mari în mai multe faze, o caracteristică pe care multe alte regulatoare de comutare nu o acceptă sau o acceptă doar cu dificultate. Cea mai simplă paralelizare este cea pentru funcționarea în două faze, care produce un curent de până la 20 A (Figura 8). Abordarea poate fi extinsă cu ușurință la trei, patru sau mai multe faze și la curenți corespunzători mai mari.

Figura 8: Cu ajutorul câtorva componente suplimentare, două sau mai multe dispozitive LTC3310 pot fi combinate pentru o funcționare multifazică cu curent mai mare; este prezentată configurația bifazică/20 A. (Sursă imagine: Analog Devices)

Plăcile de evaluare scurtează ciclurile de proiectare

Regulatoarele, cum ar fi dispozitivele LTC3310, au o aplicare directă, deoarece nu au registre de inițializare, funcții controlate de software sau alte complexități de configurare. Cu toate acestea, este logic din punct de vedere tehnic să se poată evalua performanța statică și dinamică a acestora și să se optimizeze valorile componentelor pasive înainte de a stabili într-o configurație finală sau specificațiile BOM. Disponibilitatea plăcilor de evaluare LTC3310 facilitează foarte mult acest proces. Analog Devices oferă o selecție de astfel de plăci adaptate la diferite versiuni și configurații ale LTC3310:

• DC3042A acceptă dispozitivul LTC3310 cu ieșire reglabilă (Figura 9).

Figura 9: Placa de evaluare DC3042A este proiectată pentru LTC3310 cu o tensiune de ieșire care poate fi reglată de către utilizator. (Sursă imagine: Analog Devices)

Pe lângă instruirea utilizatorilor cu privire la configurarea și funcționarea de bază, documentația include o diagramă schematică, dispunerea pe placă și lista de materiale (BOM). De asemenea, indică diferitele puncte de testare și conexiuni, precum și aranjamentul de sondare pentru măsurarea ondulației de ieșire și a răspunsului în pași (Figura 10).

Figura 10: Manualul demonstrativ al utilizatorului DC3042A indică în mod clar punctele de testare și conexiunile (sus), precum și configurația sondei pentru măsurarea ondulației de ieșire și a răspunsului în pași. (Sursă imagine: Analog Devices)

• Pentru LTC3310S-1 cu o tensiune de ieșire fixă, există placa de evaluare DC3021A (Figura 11).

Figura 11: Pentru LTC3310S-1 cu o tensiune de ieșire care nu poate fi reglată de către utilizator, placa de evaluare DC3021A este alegerea potrivită. (Sursă imagine: Analog Devices)

• În cele din urmă, pentru un aranjament paralel multifazic ceva mai complex, există DC2874A-C (Figura 12). Pe această placă de evaluare, LTC3310S funcționează ca un regulator de coborâre multifazat de 2,0 MHz, de la 3,3 la 1,2 volți. DC2874A are trei opțiuni de construcție pentru a oferi soluții de ieșire bifazată/20 A, trifazată/30 A sau bifazată/40 A.

Figura 12: Placa de evaluare DC2874A-C pentru LTC3310S are trei opțiuni de construcție: ieșiri bifazate/20 A, trifazate/30 A sau bifazate/40 A. (Sursă imagine: Analog Devices)

Utilizând LTC3310S și investind un anumit timp cu placa de evaluare adecvată și manualul de utilizare corespunzător, proiectanții pot minimiza timpul petrecut în ceea ce privește performanța regulatorului c.c./c.c.

Concluzie

În mod tradițional, inginerii au fost nevoiți să aleagă între două topologii conflictuale de regulatoare c.c./c.c. cu atribute net opuse. LDO-urile oferă o ieșire de curent continuu cu zgomot foarte redus, dar cu o eficiență scăzută spre moderată, venind cu provocări termice dincolo de ieșirile de aproximativ 1 A. În schimb, regulatoarele de comutare oferă o eficiență de aproximativ 90%, dar adaugă zgomot pe linia de ieșire de curent continuu și sunt, de asemenea, o sursă de zgomot condus și, în special, radiat, ceea ce poate face ca produsul să nu treacă testele de reglementare obligatorii.

Din fericire, familiile Silent Switcher de la Analog Devices folosesc o varietate de tehnici de proiectare inovatoare care depășesc dilema alegerii doar a uneia dintre soluții, rezultând în opțiuni de regulatoare foarte eficiente, cu zgomot foarte redus și cu factor de formă mic.