Cum să utilizați convertoare c.c./c.c. mici și modulare mici pentru a minimiza zgomotul de pe șina de alimentare

Zgomotul este un element inerent și, de obicei, inevitabil în aproape toate proiectările sistemelor. În timp ce o parte din zgomot provine din surse externe și nu se află sub controlul direct al proiectantului circuitului, acesta este generat și de circuitul însuși. În multe cazuri, este esențial ca proiectantul să minimizeze sursele de zgomot – în special zgomotul de pe șinele de alimentare – deoarece acesta poate afecta circuitele analogice și digitale sensibile.

Acest lucru poate duce la o performanță neregulată a circuitului, rezoluție și precizie reduse și, în cel mai bun caz, la o rată de eroare de bit (BER) mai mare. În cel mai rău caz, poate apărea o defectare totală a sistemului sau probleme de performanță frecvente sau intermitente, ambele fiind greu de depanat.

Există două probleme majore legate de zgomot în cazul regulatoarelor c.c./c.c. de comutare și al șinelor de ieșire ale acestora: zgomotul de alimentare și zgomotul radiat. Zgomotul generat în cadrul unui circuit este supus mandatelor de reglementare în materie de compatibilitate electromagnetică (CEM) și trebuie să fie sub nivelurile specificate în diferitele benzi de frecvență.

Provocarea pentru proiectanți este de a înțelege zgomotul generat intern și originea acestuia și de a-l „elimina” sau de a-l atenua în alt mod. Acest articol va folosi regulatoare c.c./c.c. de la Monolithic Power Systems, Inc. pentru a discuta despre opțiunile de minimizare a problemelor legate de zgomot ale regulatorului.

Începeți cu sursa și tipul de zgomot

Zgomotul cel mai ușor de observat și care are un impact direct asupra performanțelor circuitului este ondulația la frecvența de comutare. De obicei, această ondulație este de ordinul a 10-20 de milivolți (mV) (Figura 1). Deși nu este de natură aleatorie, este totuși o manifestare a zgomotului, care are implicații asupra performanței sistemului. Nivelul de milivolți al unei astfel de ondulații nu reprezintă, în general, o problemă pentru circuitele integrate digitale de înaltă tensiune care funcționează cu șine de 5 volți și peste, dar poate fi o problemă pentru circuitele digitale de tensiune mai mică care funcționează sub 3 volți. Ondulația pe șinele de alimentare este, de asemenea, o preocupare majoră în cazul circuitelor și componentelor analogice de precizie, motiv pentru care specificația raportului de respingere a alimentării (PSRR) pentru astfel de dispozitive este critică.

Figura 1: ondulația de pe șina c.c., un rezultat al acțiunii de comutare a regulatorului, poate afecta performanța de bază a unui circuit sau rezultatele de precizie. (Sursă imagine: Monolithic Power Systems, Inc.)

Acțiunea de comutare a unui regulator c.c./c.c. poate radia zgomot de radiofrecvență (RF). Chiar dacă milivolții ondulației de pe șina c.c. sunt tolerabili, există și problema emisiilor electromagnetice care compromit compatibilitatea electromagnetică. Acest zgomot are o frecvență fundamentală cunoscută, cuprinsă între câțiva kilohertzi și câțiva megahertzi (MHz), în funcție de convertorul de comutare, și are și multe armonici.

Printre cel mai frecvent citate standarde de reglementare referitoare la CEM se numără CISPR 22 și CISPR 32, „Echipamente pentru tehnologia informației - Caracteristici ale perturbațiilor radioelectrice - Limite și metode de măsurare” (CISPR înseamnă „Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques”). De asemenea, există și standardul european EN 55022, derivat în principal din standardul CISPR 22 privind produsele, cu teste efectuate în condiții bine definite.

CISPR 22 a fost adoptat pentru utilizare de majoritatea membrilor Comunității Europene. Deși FCC Partea 15 din SUA și CISPR 22 au fost concepute pentru a fi relativ aliniate, există unele diferențe. CISPR 22/EN 55022 a fost „absorbit” de CISPR 32/EN 55032, un nou standard de familie de produse pentru echipamente multimedia (MME), care este aplicabil ca standard armonizat în conformitate cu Directiva CEM.

Echipamentele destinate în principal utilizării într-un mediu rezidențial trebuie să respecte limitele Clasei B, toate celelalte echipamente fiind conforme cu Clasa A (Figura 2). Produsele concepute pentru piețele nord-americane trebuie să respecte limitele stabilite de Secțiunea 15.109 din Partea 15, Subpartea B a Comisiei Federale pentru Comunicații (FCC) pentru radiatoare neintenționate. Astfel, chiar dacă zgomotul electric radiat de un regulator de curent continuu nu afectează negativ produsul în sine, zgomotul poate fi totuși inacceptabil de ridicat în ceea ce privește respectarea diferitelor mandate de reglementare.

Figura 2: acesta este unul dintre numeroasele grafice furnizate de CISPR 32/EN 55032, care definește limitele de emisie în funcție de frecvență pentru diferite clase de produse de consum. (Sursă imagine: Academy of EMC, „EMC Standards”)

Problemele legate de CEM sunt un subiect complicat și nu au o soluție simplă. Printre altele, măsurarea și limitele admisibile ale acestor emisii sunt o funcție a frecvenței de operare a circuitului, a distanței, a nivelului de putere și a clasei aplicației. Din aceste motive, este logic să verificați numeroasele resurse tehnice și poate chiar să discutați cu consultanți care vă pot oferi îndrumare și expertiză.

Acestea fiind spuse, proiectanții au la dispoziție trei strategii de bază pentru a minimiza zgomotul, a evita problemele de performanță a circuitului și pentru a respecta mandatul corespunzător privind zgomotul:

• Utilizarea unui regulator cu cădere redusă de tensiune (LDO).
• Adăugarea filtrării externe la un regulator de comutare pentru a reduce zgomotul detectat de sarcină pe șinele c.c.
• Alegerea unui modul regulator de comutare care încorporează componente care sunt, de altfel, externe la circuitul integrat de reglare, cum ar fi inductori sau condensatoare. Modulul rezultat este proiectat și garantat pentru a furniza șine cu zgomot redus și, prin urmare, are nevoie de o filtrare externă minimă sau nu are nevoie deloc de aceasta.

Începeți cu LDO

Deoarece arhitectura LDO nu are tact sau comutare, are un zgomot CEM inerent scăzut și nu are ondulație la șina de ieșire; sute de milioane de LDO-uri sunt utilizate în fiecare an. Atunci când este aplicat la un design adecvat, poate fi o soluție eficientă.

De exemplu, LDO MP20075 de la Monolithic Power Systems vizează în mod specific terminațiile active ale magistralei pentru memoria sincronă dinamică cu acces aleatoriu (SDRAM) cu viteză dublă de transferului de date (DDR) 2/3/3L/4 (Figura 3). Acest LDO se află într-o carcasă MSOP cu 8 pini și poate absorbi și furniza până la 3 amperi (A) la o tensiune care poate fi reglată de către utilizator între 1,05 și 3,6 volți și dispune de o tensiune de urmărire V_REF/2 de precizie pentru valori precise la terminație.

Figura 3: LDO-ul MP20075 poate absorbi sau furniza până la 3 A și este optimizat pentru cerințele terminațiilor diferitelor clase de SRAM DDR. (Sursă imagine: Monolithic Power Systems)

Divizorul integrat al MP20075 urmărește tensiunea de referință (REF) pentru a asigura tensiuni de ieșire VTT și VTTREF precise, în timp ce detecția Kelvin îl ajută să atingă o precizie de ±30 mV pentru VTT și ±18 mV pentru VTTREF. În plus, la fel ca în cazul majorității LDO-urilor, topologia exclusiv analogică în buclă închisă oferă un răspuns foarte rapid la curenții tranzitorii de sarcină de ieșire, de ordinul a doar câteva microsecunde (Figura 4). Un astfel de răspuns tranzitoriu este adesea esențial în circuitele de mare viteză, cum ar fi terminațiile DDR SRAM pentru care este proiectat acest LDO.

Figura 4: proiectarea analogică în buclă închisă a LDO-ului contribuie la răspunsul foarte rapid al acestuia la solicitările tranzitorii ale sarcinii; o astfel de performanță este necesară pentru aplicații precum terminația SRAM DDR. (Sursă imagine: Monolithic Power Systems)

În ciuda zgomotului său intrinsec scăzut și a ușurinței de utilizare, LDO are și limitări. În primul rând, este mult mai puțin eficient decât un regulator de comutare, ceea ce, la rândul său, vine cu două probleme evidente: căldura pe care o disipează se adaugă la sarcina termică a sistemului, iar eficiența redusă afectează timpul de funcționare pentru dispozitivele portabile alimentate cu baterii. Din aceste motive, LDO-urile sunt utilizate cel mai frecvent pentru curenți de ieșire de până la aproximativ 1 - 3 A (după cum arată MP20075), deoarece „penalizarea” eficienței devine adesea excesivă peste această valoare.

LDO-urile au o altă limitare inerentă: acestea pot asigura doar o reglare de coborâre și nu pot amplifica o sursă de curent continuu cu intrare neregulată peste valoarea sa nominală. Dacă este nevoie de o ieșire cu mod de amplificare, LDO este automat exclus ca opțiune de regulator c.c./c.c.

Reglați configurarea, adăugați unele filtre

Atunci când se utilizează un regulator de comutare, fie că este vorba de o funcționare cu mod de amplificare sau de coborâre, acțiunea de comutare a acestuia este o sursă inerentă și inevitabilă de zgomot. Adăugarea unei filtrări suplimentare la ieșire este mai simplă atunci când regulatorul funcționează la frecvență fixă. Luați în considerare MP2145, un regulator sincron de comutare cu coborâre, de 5,5 volți, 6 A, inclus într-un pachet QFN cu 12 fire, 2 × 3 milimetri (mm), cu MOSFET-uri integrate de 20 miliohm (mΩ) și 12 mΩ (Figura 5).

Figura 5: MP2145, un regulator sincron de comutare cu coborâre, de 5,5 volți, 6 A, include MOSFET-uri integrale de 20 mΩ și 12 mΩ în pachet QFN de 2 × 3 mm. (Sursă imagine: Monolithic Power Systems)

Un convertor sincron de coborâre, precum MP2145, constă dintr-un condensator de intrare C_IN, două comutatoare (S1 și S2) cu diodele lor de corp, un inductor de alimentare pentru stocarea energiei (L) și condensatoare de ieșire (C_OUT). Condensatoarele de ieșire (C_OUT) sunt plasate la ieșire pentru a uniformiza tensiunea de ieșire într-o stare stabilă. Acestea formează un filtru de primă treaptă și reduc ondulația tensiunii de ieșire prin asigurarea unei căi de impedanță redusă pentru ca componentele de tensiune de înaltă frecvență să revină la masă.În mod obișnuit, un astfel de condensator de ieșire cu șuntare poate reduce eficient ondulația tensiunii de ieșire la 1 mV.

Pentru a reduce și mai mult ondulația tensiunii de ieșire, este necesar un filtru de ieșire de a doua treaptă, cu un filtru inductor-condensator (LC) în cascadă cu condensatoarele de ieșire din prima treaptă (Figura 6). Inductorul de filtrare (L_f) este rezistiv în domeniul de înaltă frecvență prevăzut și disipează energia zgomotului sub formă de căldură. Inductorul se combină cu condensatoare de șuntare suplimentare pentru a forma o rețea de filtrare LC trece-jos.

Figura 6: adăugarea unui filtru LC de a doua treaptă la ieșirea unui regulator de comutare, cum ar fi MP2145, poate reduce ondulația de ieșire. (Sursă imagine: Monolithic Power Systems)

Fișele tehnice ale furnizorului și notele de aplicație oferă ecuații și îndrumări pentru dimensionarea componentelor inductorului, ale condensatorului și ale rezistenței de amortizare ale acestui filtru. De asemenea, aceștia identifică parametrii secundari critici, cum ar fi rezistența maximă a inductorului în curent continuu (DCR) și curentul de saturație, precum și rezistența echivalentă maximă în serie a condensatorului (ESR). Valorile tipice ale inductanței variază între 0,22 microhenry (µH) și 1 µH.

Dispunerea acestor componente este, de asemenea, esențială pentru a obține cea mai înaltă performanță posibilă. O dispunere prost concepută poate avea ca rezultat o reglare slabă a liniei sau a sarcinii, o ondulație crescută și alte probleme de stabilitate. Condensatorul de intrare (Cin) pentru MP2145 trebuie amplasat cât mai aproape posibil de pinii CI (Figura 7).

Figura 7: condensatorul de intrare al MP2145 (Cin aici, dreapta jos; și C1 în schema din Figura 5) trebuie să fie cât mai aproape posibil de pinul 8 (pinul de intrare a alimentării) și de pinii 10/11/12 (pinii GND ai alimentării). (Sursă imagine: Monolithic Power Systems)

Modulele oferă asigurarea performanței

Modulele duc implementarea regulatoarelor c.c./c.c. la următorul nivel de integrare a sistemului. Astfel, acestea minimizează sau elimină preocupările legate de selectarea și plasarea componentelor externe și oferă specificații garantate. Modulele încorporează componente suplimentare, în primul rând inductorul extern tradițional și oarecum problematic. Ca atare, acestea reduc provocările asociate cu dimensionarea, plasarea și orientarea componentelor pasive, care au un impact asupra CEM și a performanței legate de ondulație.

De exemplu, MPM3833C este un modul de coborâre cu MOSFET-uri de alimentare încorporate și un inductor, care furnizează până la 3 A de curent de ieșire continuu de la o tensiune de intrare între 2,75 și 6 volți, împreună cu o reglare excelentă a sarcinii și a liniei (Figura 8). Pentru finalizarea proiectării este nevoie doar de rezistențe de reacție, condensatoare de intrare și condensatoare de ieșire. Inductorul, care este, de obicei, cea mai dificilă componentă externă de specificat și de amplasat, este integrat în modul și, prin urmare, nu mai reprezintă o problemă în ceea ce privește amplasarea corectă pentru minimizarea interferențele electromagnetice (EMI) și a ondulației.

Figura 8: modulul c.c./c.c. MPM3833C include inductorul potențial problematic în specificațiile sale de proiectare și performanță. (Sursă imagine: Monolithic Power Systems)

Acest modul este găzduit într-un pachet QFN-18 de dimensiuni foarte mici (2,5 mm × 3,5 mm × 1,6 × mm) și are o tensiune de ondulație de 5 mV (tipic). Nivelul său scăzut de emisii radiate (EMI) este conform cu standardul EN55022 clasa B, prezentat în Figura 9 pentru condițiile V_IN = 5 volți, V_OUT = 1,2 volți, I_OUT = 3 A, CO = 22 picofarazi (pF), la 25 °C.

Figura 9: fișa tehnică a modulului c.c./c.c. MPM3833C arată că acesta respectă cu ușurință standardul EN55022 clasa B pentru emisiile radiate. (Sursă imagine: Monolithic Power Systems)

Cu ajutorul tehnicilor moderne de micro-împachetare, dimensiunea totală a unui modul este doar puțin mai mare sau mai înaltă decât matricea internă; un profil redus este un parametru din ce în ce mai important. Luați în considerare MPM3650, un modul de alimentare reductor complet integrat, de 1,2 MHz, sincron și rectificat, cu un inductor intern (Figura 10). Acesta oferă până la 6 A de curent de ieșire continuu pentru ieșiri de la 0,6 la 1,8 volți și până la 5 A pentru ieșiri de peste 1,8 volți, într-o gamă largă de intrare de la 2,75 la 17 volți, cu o reglare excelentă a sarcinii și a liniei. Cu MOSFET-urile sale interne și inductorul încorporat, pachetul QFN-24 măsoară doar 4 mm × 6 mm × 1,6 mm.

Figura 10: modulul MPM3650 cu inductor integrat furnizează până la 6 A la o tensiune de până la 1,8 volți și 5 A peste 1,8 volți, într-un pachet de 4 mm × 6 mm × 1,6 mm. (Sursă imagine: Monolithic Power Systems)

Un alt beneficiu al abordării modulare este faptul că zgomotul de ondulație este bine controlat la aproximativ 20 mV fără sarcină, scăzând până la aproximativ 5 mV la o sarcină completă de 6 A (Figura 11). Acest lucru înseamnă că, în multe cazuri, nu este necesară o filtrare externă suplimentară, simplificând astfel proiectarea, reducând amprenta la sol și lista de materiale (BOM).

Figura 11: zgomotul de ondulație pentru modulul MPM3650 este specificat la aproximativ 20 mV la sarcină zero și la aproximativ 5 mV la sarcină maximă. (Sursă imagine: Monolithic Power Systems)

De multe ori este util să efectuați câteva lucrări practice cu modulele de reglare c.c./c.c. pentru a evalua dacă performanțele statice și dinamice ale acestora îndeplinesc cerințele sistemului, chiar și dincolo de specificațiile din fișa tehnică. Pentru a accelera acest proces, Monolithic Power Systems oferă EVM3650-QW-00A, o placă de evaluare cu patru straturi, de 63,5 mm × 63,5 mm × 1,6 mm, pentru MPM3650 (Figura 12).

Figura 12: cu ajutorul plăcii de evaluare EVM3650-QW-00A, potențialii utilizatori ai modulului c.c./c.c. MPM3650 pot evalua rapid performanța acestuia în aplicația lor. (Sursă imagine: Monolithic Power Systems)

Placa de evaluare, împreună cu fișa de date, are scopuri multiple. În primul rând, permite utilizatorului să evalueze cu ușurință numeroasele atribute de performanță ale MPS3650, într-o gamă largă de condiții de operare, dintre care unele nu sunt evidente sau nu sunt menționate în fișa tehnică. În al doilea rând, fișa tehnică a plăcii de evaluare conține schema completă, lista de materiale și detaliile de configurare a plăcii, astfel că utilizatorii MPS3650 le pot utiliza în propriul proiect pentru a reduce riscurile și a minimiza incertitudinea (Figura 13).

Figura 13: pachetul plăcii de evaluare EVM3650-QW-00A include o schiță completă, o listă de materiale și detalii de configurare a plăcii pentru a reduce riscurile și incertitudinea. (Sursă imagine: Monolithic Power Systems)

Placa de evaluare oferă proiectanților posibilitatea de a înțelege mai bine performanțele modulului, ceea ce duce la un nivel ridicat de încredere în proiectare și la un timp minim de lansare pe piață.

Mai există încă un tip de zgomot

Atunci când proiectanții vorbesc despre „zgomot”, ei se referă aproape întotdeauna la un fel de manifestare a zgomotului electronic în circuit, cum ar fi ondulația sau EMI. Cu toate acestea, în cazul regulatoarelor de comutare, există un alt tip potențial de zgomot: zgomotul acustic. În cazul regulatoarelor care funcționează peste intervalul auzului uman – considerat în general ca fiind de 20 kHz – acest tip de zgomot nu va reprezenta o problemă. Cu toate acestea, unele regulatoare de comutare funcționează în intervalul sonor, în timp ce altele care funcționează la frecvențe mult mai mari coboară în intervalul sonor în timpul perioadelor de inactivitate sau de așteptare, pentru a minimiza consumul de energie.

Acest zgomot acustic se datorează unuia dintre următoarele fenomene fizice bine cunoscute, sau ambelor: efectul piezoelectric și efectul magnetostrictiv. În cazul efectului piezoelectric, oscilațiile electrice ale circuitului, acționate de tact, determină vibrarea componentelor, precum condensatoarele ceramice, în sincron cu tactul de comutare, deoarece energia electrică este transformată în mișcare mecanică de către materialele cristaline ale condensatorului. În cazul efectului magnetostrictiv, care este oarecum paralel cu efectul piezoelectric, materialele magnetice, cum ar fi nucleele inductorilor sau ale transformatoarelor, își schimbă forma și dimensiunile în timpul ciclurilor de magnetizare care se desfășoară în funcție de tact. Condensatorul sau inductorul/transformatorul afectat acționează ca un „driver” mecanic și face ca întreaga placă cu circuite să rezoneze, amplificând și emițând astfel vibrațiile sonore.

Din cauza unuia sau a ambelor efecte, persoanele cu un auz bun se vor plânge adesea că aud un bâzâit constant, de volum redus, atunci când se află în apropierea dispozitivelor electronice. Rețineți că acest zgomot acustic este generat uneori și de componentele circuitelor de alimentare de joasă frecvență, de 50/60 Hz, astfel încât chiar și cei care nu au un auz bun la frecvențe înalte pot auzi un bâzâit.

Rezolvarea acestui zgomot necesită abordări și tehnici diferite de cele utilizate pentru atenuarea zgomotului electronic.

Concluzie

LDO-urile oferă o soluție fără zgomot sau cu zgomot redus la problema atât a ondulației liniei de curent continuu, cât și a EMI, dar, în general, nu reprezintă o opțiune viabilă de reglare peste câțiva amperi. O alternativă o reprezintă regulatoarele de comutare cu filtrare adecvată sau cele special concepute pentru performanțe cu zgomot redus.

Modulele complete de regulatoare c.c./c.c. care încorporează componente precum inductorul în pachetul lor de mici dimensiuni oferă un alt set de soluții. Acestea reduc incertitudinile de proiectare în ceea ce privește configurația și selecția componentelor, oferind în același timp performanțe ale subsistemului complet testate și cuantificate.

Lectură recomandată

1. „Înțelegerea standardelor de compatibilitate electromagnetică pentru sursele de alimentare cu mod de comutare”