Hur man löser problem med DC/DC-störningar, effektivitet och layout med integrerade strömförsörjningsmoduler

Det verkar inte svårt att bygga en enkel step-down (buck) DC/DC-regulator för låga spänningar på 10 V (typiskt) eller mindre och blygsamma strömnivåer på cirka 2 till 15 A. Konstruktören behöver bara välja en lämplig switchad regulatorkrets och lägga till några passiva komponenter med hjälp av exempelkretsen i databladet eller tillämpningsförslagen. Men är konstruktionen verkligen färdig och redo att släppas för en första testkörning eller till och med till produktion? Troligen inte.

Även om regulatorn skapar den önskade DC-matningen har den fortfarande flera potentiella problem och bekymmer. För det första kanske effektiviteten inte uppfyller kraven i projektet eller bestämmelserna, och därigenom ökar den termiska påverkan likväl som att den förkortar batteriets livslängd. För det andra kan ytterligare komponenter behövas för att garantera en korrekt start, transientprestanda och lågt rippel, vilket i sin tur påverkar storleken, tiden till marknadsintroduktionen och den totala materiallistan. Slutligen, vilket kanske även är den största utmaningen, kan det hända att konstruktionen inte uppfyller de allt strängare begränsningarna för elektromagnetiska störningar (EMI) eller radiofrekvensstörningar (RFI) som definieras av de olika bestämmelserna, vilket kan kräva en ny konstruktion eller ytterligare komponenter och tester.

Artikeln beskriver skillnaden mellan förväntningar och prestanda för en enkel DC/DC-regulatorkonstruktion och en överlägsen konstruktion som uppfyller eller överträffar kraven på effektivitet, låg utstrålning och rippelbrus samt övergripande integration. Artikeln presenterar sedan Silent Switcher µModules från Analog Devices och visar hur man kan använda dessa för att lösa flera problem med buck-regulatorer för DC/DC.

Integrerade kretsar gör det enkelt, till en början.

Step-down DC/DC-regulatorer (buck-regulatorer) används ofta för att skapa DC-matningar. Ett typiskt system kan ha tiotals sådana som ger olika matningsspänningar eller fysiskt separerade matningar med samma spänning. Buck-regulatorerna tar vanligen en högre spänning, vanligtvis mellan 5 och 36 VDC, och reglerar ner den till ett ensiffrigt spänningsvärde med några få eller låga tvåsiffriga strömvärden (figur 1).

Figur 1: DC/DC-regulatorns (omvandlarens) roll är enkel: Den tar en oreglerad DC-källa, som kan komma från ett batteri eller en likriktad och AC-ledning, och skapar en noggrant reglerad DC-matning som utspänning. (Bildkälla: Electronic Clinic)

Det finns goda och dåliga nyheter när du bygger en enkel buck-regulator. Den goda nyheten är att det i allmänhet inte är svårt att bygga ett system som nominellt ger "tillräckligt bra" prestanda. Det finns många switchningskretsar för att utföra huvuddelen av uppgiften och bara behöver en enda fälteffekttransistor (FET) (eller ingen alls) och några passiva komponenter för att slutföra jobbet. Uppgiften blir ännu enklare eftersom databladet för regulatorn nästan alltid visar en typisk tillämpning med ett kretsschema, kretskortslayout och en materiallista som kan innehålla namn på komponentleverantörer och artikelnummer.

Det tekniska dilemmat är att en "bra" prestandanivå kanske inte är tillräcklig med avseende på vissa icke uppenbara parametrar för regulatorns prestanda. Även om DC-matningen kan leverera tillräckligt med ström med lämplig reglering av linje/belastning och transientsvar, är dessa faktorer bara början på berättelsen om strömmatningar.

Verkligheten är att utöver dessa grundläggande prestandakriterier, bedöms även en regulator enligt andra faktorer, varav en del styrs av externa krav. De tre kritiska frågor som de flesta regulatorer måste hantera är inte nödvändigtvis uppenbara, enbart ur det förenklade perspektivet av ett funktionsblock som tar emot en oreglerad DC-matning och skapar en reglerad DC-matning. De är (figur 2):

• Sval: Hög effektivitet och därtill hörande minimal termisk påverkan.
• Tyst: Lågt rippel för felfri systemprestanda samt lågt EMI för att uppfylla normerna för utstrålning (icke-akustisk).
• Komplett: En integrerad lösning som minimerar storlek, risk, materiallista, tid till marknaden och andra "mjuka" problem.

Figur 2: En DC/DC-regulator måste göra mer än att bara ge en stabil strömmatning, den måste även vara sval och effektiv, vara EMI-"tyst" och funktionellt komplett. (Bildkälla: Math.stackexchange.com; ändrad av författaren)

Att hantera dessa frågor innebär en rad utmaningar, och att lösa dem kan bli en frustrerande upplevelse. Detta är i linje med "80/20-regeln", där 80 % av ansträngningen går åt till att få de sista 20 % av uppgiften gjord. Om vi tittar närmare på de tre faktorerna:

Sval: Alla konstruktörer vill ha hög effektivitet, men exakt hur hög och till vilken kostnad? Svaret är det vanliga: det beror på projektet och dess avvägningar. Högre effektivitet är viktigt av tre huvudsakliga skäl:

1. Det innebär en svalare produkt som ökar tillförlitligheten, kan tillåta drift vid högre temperatur, kan eliminera behovet av forcerad luftkylning (fläkt), eller kan förenkla inrättandet av effektiv konvektionskylning om det är möjligt. I krävande tillämpningar, kan det vara nödvändigt att hålla specifika komponenter som är särskilt varma under deras högsta tillåtna temperatur och inom det säkra driftsområdet.
2. Även om dessa termiska faktorer inte är ett problem kan effektiviteten översättas till längre drifttid för batteridrivna system eller en minskad belastning på AC-DC-omvandlaren i tidigare led.
3. Det finns numera många bestämmelser som föreskriver specifika effektivitetsnivåer för respektive klass av slutprodukt. Även om dessa standarder inte anger effektivitet för enskilda matningar i en produkt, är konstruktörens utmaning att se till att den totala sammanlagda effektiviteten uppfyller bestämmelsen. Detta är lättare när varje bidragande matnings DC/DC-regulator är effektivare, eftersom det ger utrymme för summering med de andra matningarna och andra förlustkällor.

Tyst: Det finns två stora klasser av störningar som berör konstruktörer. För det första måste störningarna och ripplet på DC/DC-regulatorns utgång vara tillräckligt lågt så att det inte påverkar systemets prestanda negativt. Detta är ett allt större problem eftersom matningsspänningarna sjunker till låga ensiffriga tal i digitala kretsar, liksom i analoga precisionskretsar där en rippel på bara några millivolt kan försämra prestandan.

Det andra stora problemet är elektromagnetiska störningar (EMI). Det finns två typer av EMI-störningar: ledande och utstrålade. Ledande utstrålning uppstår i ledningar och banor som ansluts till en produkt. Eftersom störningen är lokaliserad till en särskild anslutning eller kontakt i konstruktionen kan man ofta se till att kraven på ledningsutstrålning uppfylls relativt tidigt i utvecklingsprocessen med en bra layout och filterkonstruktion.

Utstrålade störningar är dock mer komplicerat. Varje bana på ett kretskort som leder ström utstrålar ett elektromagnetiskt fält: varje bana på kretskortet är en antenn och varje kopparplan är en spegel. Allt annat än en ren sinusvåg eller likspänning genererar ett brett signalspektrum.

Svårigheten är att även om konstruktören är noggrann vet han aldrig riktigt hur dåliga de utstrålade störningarna kommer att vara förrän systemet testas, och testning av utstrålade störningar kan inte formellt utföras förrän konstruktionen i stort sett är klar. Filter används för att minska EMI genom att dämpa nivåerna vid specifika frekvenser eller i ett frekvensområde med hjälp av olika tekniker.

En del av den energi som utstrålas genom rymden dämpas genom att använda plåt som magnetisk sköld. Den lägre frekvensdelen som finns i kretskortets banor (ledande) kontrolleras med hjälp av ferritpärlor och andra filter. Avskärmning fungerar, men medför nya problem. Den måste vara väl utformad och ha god elektromagnetisk integritet (vilket ofta är förvånansvärt svårt). Det ökar kostnaderna, ökar storleken, försvårar värmehantering och testning och medför ytterligare monteringskostnader.

En annan teknik är att sakta ner regulatorns switchningsflanker. Detta har dock den oönskade effekten att verkningsgraden minskar, att de minsta på- och avstängningstiderna och de nödvändiga dödtiderna ökar och att hastigheten för strömregleringsslingan äventyras.

En annan metod är att justera regulatorns konstruktion så att den utstrålar mindre EMI genom att noggrant välja de viktigaste konstruktionsparametrarna. Uppgiften att balansera dessa avvägningar för regulatorn innebär att bedöma samspelet mellan parametrar som t.ex. switchningsfrekvens, format, effektivitet och resulterande EMI.

En lägre switchningsfrekvens minskar i allmänhet switchningsförlusterna och EMI och förbättrar effektiviteten, men kräver större komponenter med tillhörande ökningar i format. Strävan efter högre effektivitet åtföljs av låga minimala på- och avstängningstider, vilket resulterar i högre harmoniskt innehåll på grund av de snabbare switchningsövergångarna. I allmänhet blir EMI 6 dB sämre för varje fördubbling av switchningsfrekvensen, förutsatt att alla andra parametrar, t.ex. switchningskapacitet och övergångstider, förblir konstanta. Den bredbandiga elektromagnetiska störningen beter sig som ett högpassfilter av första ordningen med 20 dB högre utstrålning när switchningsfrekvensen ökar med faktor tio.

För att komma till rätta med detta gör erfarna kretskortskonstruktörer regulatorns strömslingor ("hot loops") små och använder avskärmande jordlager så nära det aktiva skiktet som möjligt. Trots detta dikterar stiftlayout, kapslingkonstruktion, termiska konstruktionskrav och de kapslingsstorlekar som krävs för tillräcklig energilagring i avkopplingskomponenterna en viss minsta storlek på regulatorns strömslinga (hot-loop).

För att göra layoutproblemet ännu mer utmanande har det typiska plana kretskortet en magnetisk eller transformatorliknande koppling mellan spåren på över 30 MHz. Denna koppling kommer att dämpa filtreringen eftersom oönskade magnetiska kopplingar blir effektivare ju högre de harmoniska frekvenserna är.

Vilka standarder är relevanta?

Det finns ingen enskild vägledande standard inom EMI-världen, eftersom den till stor del bestäms av tillämpningen och relevanta bestämmelser. Bland de mest citerade är EN55022, CISPR 22 och CISPR 25. EN 55022 är en modifierad variant av CISPR 22 och gäller för informationsteknisk utrustning. Standarden har tagits fram av CENELEC, Europeiska kommittén för elektroteknisk standardisering, som ansvarar för standardisering inom det elektrotekniska området.

Standarderna är komplicerade och definierar testprocedurer, prober, instrumentering, dataanalys med mera. Bland de många gränsvärden som definieras i standarden är gränsen för strålningsutsläpp i klass B ofta av störst intresse för konstruktörer.

Komplett: Även när konstruktionen är ganska välkänd är det en utmaning att välja och använda de nödvändiga kringkomponenterna på rätt sätt. Små skillnader i komponentplacering och specifikationer, jordplan och banor på kretskortet och andra faktorer kan påverka prestandan negativt.

Modellering och simulering är nödvändigt och kan underlätta, men det är mycket svårt att karakterisera de parasiter som är förknippade med dessa komponenter, särskilt om deras värden ändras. Vidare kan ett byte av leverantör (eller en oannonserad förändring av den föredragna leverantören) leda till en subtil förändring av parametervärden i andra eller tredje ledet (som t.ex. DCR-resistans för induktorer), vilket kan få betydande och oförutsedda konsekvenser.

Dessutom kan även en liten omplacering av de passiva komponenterna eller tillägg av "bara en till" ändra EMI-scenariot och leda till utsläpp som överskrider de tillåtna gränserna.

SilentSwitcher µModules löser problemen

Att förutse och hantera risker är en normal del av en konstruktörs arbete. Att minska mängden av och intensiteten i dessa risker är en standardstrategi för slutprodukter. En lösning är att använda en funktionellt komplett DC/DC-regulator som genom god konstruktion och implementation är sval, tyst och komplett. Genom att använda en känd enhet minskas osäkerheten samtidigt som man hanterar risker kring storlek, kostnad, EMI, materiallista och montering. Det medför även att tiden till marknaden och oron för efterlevnad av regelverk minskar.

Genom att titta på en komplett familj av sådana regulatorer, som t.ex. Silent Switcher µModules från Analog Devices, kan konstruktörer välja en DC/DC-regulator som är anpassad till den nödvändiga spänningen och märkströmmen, samtidigt som de kan vara säkra på att EMI-kraven kommer att uppfyllas, att storlek och kostnad är kända och att det inte uppstår några överraskningar.

Regulatorerna innehåller mycket mer än innovativa kretsscheman och topologier. De använder bland annat följande tekniker:

• Teknik nr. 1: Regulatorns switchning agerar som en RF-oscillator/källa och kombineras med anslutningstrådarna, som fungerar som antenner. Detta gör enheten till en RF-sändare med oönskad energi som kan överskrida tillåtna gränser (figurerna 3, 4 och 5).

Figur 3: Anslutningstrådarna från kretsplattan till kapslingen fungerar som miniatyrantenner och avger oönskad RF-energi. (Bildkälla: Analog Devices)

Figur 4: Monteringen av Silent Switcher börjar med att trådbindningarna ersätts med flipchip-teknik, vilket eliminerar de energistrålande trådarna. (Bildkälla: Analog Devices)

Figur 5: Flipchip-metoden eliminerar effektivt antennerna och minimerar den utstrålade energin. (Bildkälla: Analog Devices)

• Teknik nr. 2: Användning av symmetriska kondensatorer på inspänningen begränsar EMI genom att skapa balanserade, motriktade strömmar (figur 6).

Figur 6: Dubbla, speglade inspänningskondensatorer läggs även till för att begränsa EMI. (Bildkälla: Analog Devices)

• Teknik nr. 3. Slutligen används motriktade strömslingor för att upphäva magnetfält (figur 7).

Figur 7: En intern layout med motriktade strömslingor upphäver även oönskade magnetfält. (Bildkälla: Analog Devices)

Silent Switcher µModules representerar utvecklingen inom konstruktion och kapsling av step-downregulatorer från en integrerad krets med kringkomponenter till en krets i LQFN-kapsling med inbyggda kondensatorer till en µModule med nödvändiga kondensatorer och induktorer (figur 8).

Figur 8: Genom att integrera kondensatorer och en induktor i kapslingen är Silent Switcher µModules det tredje steget i utvecklingen av kretsbaserade switchningsregulatorer. (Bildkälla: Analog Devices)

Ett brett utbud som hanterar behov och avvägningar

Silent Switcher µModules består av många enskilda enheter med olika värden för inspänningsområde, utspänningsmatning och utström. LTM8003 är exempelvis en µ-modul med inspänning på 3,4 till 40 V, en utspänning på 3,3 V, 3,5 A kontinuerligt (6 A topp) som uppfyller CISPR 25 klass 5, men som ändå bara har måtten 9 x 6,25 mm och är 3,32 mm hög (figur 9).

Figur 9: LTM8003 Silent Switcher är en liten fristående kapsling som enkelt uppfyller den utstrålade högsta energibegränsningen i CISPR 25 Klass 5 från DC till 1000 MHz. (Bildkälla: Analog Devices)

Den finns med en stiftlayout som är FMEA-kompatibel (Failure Mode Effects Analysis) (LTM8003-3.3), vilket innebär att utgången håller sig vid eller under den reglerade spänningen vid en kortslutning med ett intilliggande stift eller om ett stift lämnas flytande. Den typiska viloströmmen är endast 25 µA och H-versionen är avsedd för drift vid 150 °C.

Demonstrationskortet DC2416A är tillgängligt för konstruktörer som vill testa regulatorn och bedöma dess prestanda för sin tillämpning (Figur 10).

Figur 10: Demonstrationskortet DC2416A förenklar anslutning och utvärdering av enheten LTM8003 Silent Switcher. (Bildkälla: Analog Devices)

Två nominellt liknande medlemmar i familjen Silent Switcher µModule, LTM4657 (3,1 till 20 V inspänning, 0,5 till 5,5 V vid 8 A utström) och LTM4626 (3,1 till 20 V inspänning, 0,6 till 5,5 V vid 12 A utström), visar hur de kompromisser som enheterna erbjuder ser ut. LTM4657 använder en induktans med högre värde än LTM4626, vilket gör att den kan arbeta vid lägre frekvenser för att minska switchningsförlusterna.

LTM4657 är en bättre lösning för höga switchningsförluster och låga ledningsförluster, t.ex. i tillämpningar där belastningsströmmen är låg och/eller ingångsspänningen är hög. Om man tittar på LTM4626 och LTM4657 som arbetar vid samma switchningsfrekvens och med samma 12 V inspänning och 5 V utspänning kan man se den överlägsna switchningsförlusten LTM4657 (figur 11). Dessutom minskar dess induktor med högre värde rippeln på utspänningen. LTM4626 kan dock leverera mer belastningsström än LTM4657.

Figur 11: Effektivitetsjämförelsen mellan LTM4626 och LTM4657 vid 1,25 MHz med samma konfiguration på ett DC2989A-demonstrationskort visar blygsamma men tydliga skillnader. (Bildkälla: Analog Devices)

Användare kan bedöma prestandan hos LTM4657 med hjälp av demonstrationskortet DC2989A (figur 12), medan kortet DC2665A-A är tillgängligt för de som behöver utvärdera LTM4626 (figur 13).

Figur 12: Demonstrationskortet DC2989A är utformat för att skynda på utvärderingen av LTM4657 Silent Switcher. (Bildkälla: Analog Devices)

Figur 13: För modulen LTM4626 Silent Switcher finns demonstrationskortet DC2665A-A för att underlätta övning och utvärdering. (Bildkälla: Analog Devices)

Silent Switcher µModules är inte begränsade till moduler med en enda utgång. LTM4628 är exempelvis en komplett, dubbel DC/DC-regulator med 8 A utström som enkelt kan konfigureras för att ge en enda 2-fas 16 A utström (figur 14). Modulen finns i 15 x 15 x 4,32 mm LGA- och 15 x 15 x 4,92 mm BGA-kapsling. Den innehåller switchingsstyrning, effekt-FET:ar, induktor och alla kringkomponenter.

Figur 14: LTM4628 kan konfigureras som en DC/DC-regulator med dubbla utgångar, 8 A per kanal, eller som en utgång för 16 A. (Bildkälla: Analog Devices)

Modulen arbetar inom ett inspänningsområde på 4,5 till 26,5 V och har stöd för ett utspänningsområde på 0,6 till 5,5 V, som anges med en enda extern resistor. Användare kan undersöka dess prestanda som en enhet med enkel eller dubbel utgång med hjälp av demonstrationskortet DC1663A (Figur 15).

Figur 15: Utvärderingen av LTM4628 med en eller två utgångar påskyndas med hjälp av demonstrationskortet DC1663A. (Bildkälla: Analog Devices)

Sammanfattning

Det är ganska enkelt att konstruera en fungerande DC/DC-regulator med hjälp av tillgängliga integrerade kretsar. Att utforma en regulator som samtidigt är effektiv, funktionellt komplett och uppfyller de ofta förvirrande och strikta kraven i bestämmelserna är dock inte lika lätt. Silent Switcher µModules från Analog Devices förenklar konstruktionsprocessen. De eliminerar risker genom att uppfylla kraven för sval och effektiv drift, EMI-utstrålning under de tillåtna gränserna och färdig komplett utrustning.