Hur man levererar kraft med hög täthet och låga störningar i ett litet format för FPGA:er och ASIC:ar

Digitala integrerade kretsar med höga strömkrav, t.ex. FPGA:er och ASIC:ar, är i allt högre grad centrala i inbyggda system för tillämpningar som fordon, medicin, telekom, industri, spel och ljud/video för konsumenter. Många av dessa tillämpningar är uppdragskritiska, t.ex. förarassistanssystem för bilar (ADAS), och har hög tillförlitlighet, t.ex. i datacenter.

Förutom strömkraven har dessa enheter med lägre spänning snäva toleransspecifikationer för sina strömmatningar. Att leverera denna ström med effektivitet, noggrannhet, snabb transientprestanda, stabilitet och låg ljudnivå är avgörande för systemets prestanda och integritet.

Konventionella styrenheter för switchade spänningsregulatorer och kraftdelsystem har potentiella störningsproblem, både på deras utspänningar och i form av elektromagnetisk störningar (EMI) och radiofrekvensstörningar (RFI), otillräcklig transientrespons och begränsningar i layouten. För att minimera störningar används i vissa tillämpningar små och tysta spänningsregulatorer med lågt spänningsfall (LDO) som ger bättre effektivitet jämfört med tidigare LDO:er. Men även dessa LDO:er kan vanligtvis inte uppfylla kraven på systemets effektivitet, vilket leder till problem med värmeavledning.

Det effektiva alternativet till LDO:n är en switchande spänningsregulator, men dessa enheter har högre störningsnivå på grund av deras klock- och switchningsfunktion. Dessa störningar brus måste dämpas om konstruktörerna ska kunna dra full nytta av dessa switchningsenheter.

Lyckligtvis finns det nya sätt att balansera störningar kontra verkningsgrad. Artikeln handlar om de senaste innovationerna inom kraftomvandling som har hög verkningsgrad och minimala krav på utrymme samt kraftigt reducerade störningar från switchingningsregulatorn. Den undersöker hur innovativa switcnhingregulatorer kan uppfylla de många målen för belastningar med ensiffrig spänning och mindre än 10 A, och presenterar de små Silent Switcher-kretsarna i familjen LTC33xx från Analog Devices som exempel.

Imperativet ström/spänning

När transistorer och integrerade kretsar uppfanns och utvecklades under andra hälften av 1900-talet var en av deras många fördelar att deras effektbehov per funktion var mycket lågt i jämförelse med de vakuumrör som de ersatte - många gånger med en faktor på 100 eller mer. Dessa framsteg ledde dock snart till högre funktionstäthet per enhet och kretskort, så att integrerade kretsar nu kräver tiotals ampere per matning, och ofta via flera matningar.

Bland de kretsar som kräver dessa höga strömmar, och som i slutändan måste avleda den stora mängden tillhörande effekt som värme, finns fältprogrammerbara grindmatriser (FPGA) och tillämpningsspecifika kretsar (ASIC). Båda används i stor utsträckning i inbyggda enheter som omfattar hela elektronikindustrin, inklusive fordon, medicintekniska enheter, industriella enheter, kommunikationsenheter, spel och ljud-/videoenheter för konsumenter.

Den ström som FPGA:n eller ASIC:en behöver kan hämtas via en AC/DC-omvandlare för nätdrivna enheter eller en DC/DC-omvandlare för batteridrivna enheter. I båda fallen behövs en efterföljande DC/DC step-down-regulator (buck) för att tillhandahålla och hantera den ensiffriga spänningen för belastningen vid de nödvändiga strömnivåerna.

Ett sätt att tillhandahålla den nödvändiga strömmen är att använda en enda DC/DC-buck-regulator för att stödja alla enheter på kretskortet. och placera den vid sidan av eller i ett hörn av kretskortet, för att göra det lättare att hantera värmeavledningsproblem och förenkla arkitekturen på DC/DC-systemnivå.

Detta kan låta enkelt, men har sina problem:

• För det första finns det oundvikliga IR-fallet mellan regulatorn och belastningarna på grund av avståndet och de höga strömnivåerna (ΔV-fall = belastningsströmen I × kortbanans resistans (R)). Lösningarna för detta är att öka bredden eller tjockleken på kretskortets banor eller att använda en stående samlingsskena, men dessa lösningar tar värdefull plats på kretskortet i anspråk och ökar materialistan (BOM).
• En teknik för att överbrygga IR-fallet är att använda fjärravkänning av spänningen vid belastningen, men detta fungerar bara bra för en enda icke-utspridd belastning, vid en punkt. Det medför även nya problem med potentiell oscillering, eftersom induktansen hos den längre matningsskenan och sensorns ledningar kan påverka regulatorns och matningarnas transientprestanda.
• Slutligen, och den fråga som ofta är svårast att hantera, är att de längre strömmatningarna även plockar upp mer EMI-/RFI-störningar eller är effektiva på att utstråla strörningar längs sin längd, så att de fungerar som antenner. Lösningen kräver vanligtvis ytterligare förbikopplingskondensatorer, in-line-ferritpärlor och andra åtgärder. Beroende på hur stora och frekventa störningarna är kan det inverka negativt på lasternas tillförlitliga drift och göra det svårt att uppfylla de olika bestämmelserna kring störningsutstrålning.

Dilemmat med störningar kontra verkningsgrad

Det är viktigt att notera att frågan om "buller kontra verkningsgrad" för DC/DC-regulatorer är ett annat scenario än de vanliga avvägningarna vid teknisk konstruktion. I en sådan situation handlar det ofta om att bedöma kompromisser och hitta den "perfekta punkten" där man balanserar önskade kontra oönskade egenskaper.

På vilket sätt är den här situationen annorlunda? De flesta kompromisser gör det möjligt för konstruktören att medvetet acceptera mindre av ett visst önskat parametervärde i utbyte mot mer av ett annat, vilket innebär att man rör sig längs ett kontinuum av avvägningar (figur 1, övre delen).

Figur 1: De flesta konstruktionssituationer gör det möjligt för ingenjören att utvärdera och sedan göra olika kompromisser gällande prestanda längs en ganska kontinuerlig väg (överst), men när det gäller störningar/verkningsgrad för switchande spänningsregulatorer kontra spänningsregulatorer med lågt spänningsfall hamnar konstruktioner på antingen den ena eller den andra sidan, med lite "medelväg" (nederst). (Bildkälla: Bill Schweber)

Konstruktören kan exempelvis välja en operationsförstärkare som drar mer ström (dåligt) för att ge en högre stig/falltid (bra) jämfört med en annan operationsförstärkare; då en kompromiss är acceptabel eller nödvändig i tillämpningen.

När det gäller switchande spänningsregulatorer och spänningsregulatorer med lågt spänningsfall är dock deras egenskaper för störningar och verkningsgrad till stor del "inbakade" i deras konstruktion. En konstruktör kan exempelvis inte säga att han eller hon kan acceptera en LDO med 20 % mer störningar i utbyte mot en 10 % bättre verkningsgrad - den typen av kompromiss finns inte. Det finns istället ett gap i omfånget mellan egenskapen och kompromissen.

Silent Switcher-regulatorer löser dilemmat med kompromisser

En alternativ och oftast bättre lösning är att använda enskilda DC/DC-regulatorer som placeras så nära deras belastande kretsar som möjligt. Detta minimerar IR-fallet, kretskortets format samt matningens upptagning och utstrålning av störningar. För att detta tillvägagångssätt ska vara genomförbart är det dock viktigt att det finns små, effektiva regulatorer med låga störningar som kan placeras bredvid belastningen och ändå uppfylla alla dess nuvarande krav.

Det är här som de många Silent Switcher-regulatorerna är problemlösare. Regulatorerna tillhandahåller inte bara ensiffriga spänningsutgångar vid strömnivåer från några få ampere till 10 A, utan de gör det även med extremt låga störningar, vilket uppnås genom att använda flera innovationer i konstruktionen.

Regulatorerna förändrar det konventionella tänkandet när det gäller skillnaden mellan LDO:er och switchande spänningsregulatorer med Silent Switcher 1 (första generationen) och Silent Switcher 2 (andra generationen). Konstruktörerna av enheterna identifierade de olika störningskällorna och utarbetade metoder för att dämpa var och en av dem.

Observera att Silent Switcher-regulatorerna inte använder den välkända och legitima tekniken "sprittspektrum" för att lägga till pseudotillfälliga störningar i klocksignalen. Detta breddar störningsspektrat samtidigt som klockfrekvensens amplitud och dess övertoner minskas. Även om användning av klockning med spritt spektrum kan bidra till att uppfylla de bestämmelsernas gränser, minskar den inte den samlade störningsenergin och kan i själva verket ge upphov till störningar i delar av spektrumet som påverkar kretsarnas prestanda.

Fördelarna med Silent Switcher 1-enheterna är bland annat lågt EMI, hög verkningsgrad och en hög switchningsfrekvens som flyttar mycket av de återstående störningarna bort från delar av spektrumet där det skulle kunna störa systemets funktion eller ge upphov till bekymmer med bestämmelser. Fördelarna med Silent Switcher 2 inkluderar alla funktioner i Silent Switcher 1-tekniken plus integrerade precisionskondensatorer, en mindre storlek på lösningen och elimineringen av känsligheten för kretskortets layout.

Tack vare sitt lilla format (bara några millimeter i kvadrat) och verkningsgrad kan dessa switchningskretsar placeras mycket nära den belastande FPGA:n eller ASIC:en, vilket maximerar prestandan och eliminerar osäkerheten mellan specifikationerna för prestanda i databladet och verklighetens prestanda vid användning. De ändrar det "binära" dilemmat att behöva välja mellan att acceptera antingen mer störningar eller lägre verkningsgrad, och gör det möjligt för konstruktörer att få det bästa av de båda egenskaperna när det gäller störningar och verkningsgrad.

Hur förverkligades dessa fördelar med Silent Switcher? Det skedde genom användningen av en mångfacetterad strategi:

• Den främsta orsaken till störningar i ett switchat nätaggregat är switchade strömmar, inte stabila strömmar. I topologin för en konventionell switchande regulator finns det en strömflödesväg som kallas för strömförande slinga. Denna strömförande slinga är inte en självständig strömslinga utan endast en virtuell strömslinga som består av komponenterna i två verkliga strömslingor (figur 2).

Figur 2: Den vanliga topologin för switchande regulatorer har en virtuell strömslinga som kallas strömförande slinga; den består av komponenterna i två verkliga strömslingor och har switchade strömflöden. (Bildkälla: Analog Devices)

Tekniken Silent Switcher 2 från Analog Devices gör de kritiska strömförande slingorna så små som möjligt genom att integrera inspänningskondensatorerna i kretsens kapsling. Genom att dela upp den strömförande slingan i två symmetriska former skapas två magnetfält med motsatt polaritet och de utstrålade störningarna neutraliserar sig själva i stor utsträckning.

• Den andra generationens arkitektur stöder snabba switchningsflanker för hög verkningsgrad vid höga switchningsfrekvenser samtidigt som man uppnår en bra EMI-prestanda. Interna keramiska kondensatorer på DC-inspänningen (V_IN) medför att alla snabba AC-strömslingor förblir små, vilket förbättrar EMI-prestandan.
• Arkitekturen Silent Switcher använder proprietära konstruktions- och kapslingstekniker för att maximera verkningsgraden vid mycket höga frekvenser och möjliggöra extremt låg EMI-prestanda, som lätt klarar toppgränserna för EMI enligt CISPR 25 Class 5 genom att använda mycket kompakta och robusta konstruktioner.
• Aktiv spänningpositionering (AVP), en teknik där utspänningen är beroende av belastningsströmmen, används. Vid lätt belastning regleras utspänningen över det nominella värdet, medan utspänningen vid full belastning regleras under det nominella värdet. Regleringen av likströmsbelastningen justeras för att förbättra transientprestanda och minska kraven på utspänningskondensatorerna.

De många familjerna av Silent Switcher

Regulatorerna Silent Switcher finns i många familjer och modeller, med olika spännings- och strömvärden i respektive familj. Vissa ytterligare överväganden varierar från modell till modell, som t.ex. fast eller justerbar utspänning. Bland de olika medlemmarna i familjen LTC33xx finns:

• LTC3307: 5 V, 3 A synkron step-down Silent Switcher i en 2 × 2 mm LQFN-kapsling
• LTC3308A: 5 V, 4 A synkron step-down Silent Switcher i en 2 × 2 mm LQFN-kapsling
• LTC3309A: 5 V, 6 A synkron step-down Silent Switcher i en 2 × 2 mm LQFN-kapsling
• LTC3310: 5 V, 10 A synkron step-down Silent Switcher 2 i en 3 × 3 mm LQFN-kapsling

Om vi tittar närmare på LTC3310 är detta en mycket liten, lågbrusig, monolitisk, step down DC/DC-omvandlare som kan ge upp till 10 A utström från en 2,25 till 5,5 V strömförsörjning; V_OUT-området är 0,5 V till V_IN. Switchningsfrekvenserna sträcker sig från 500 kHz ända upp till 5 (MHz). Den kräver endast ett fåtal externa passiva komponenter och har en verkningsgrad på cirka 90 % i större delen av belastningsområdet (figur 3).

Figur 3: Step-down DC/DC-regulatorn LTC3310 kräver externa aktiva komponenter och har hög verkningsgrad i större delen av belastningsområdet. (Bildkälla: Analog Devices)

Den finns i fyra grundversioner. Enheterna har både låg EMI och hög verkningsgrad vid switchningsfrekvenser ända upp till MHz, och det finns versioner av familjen LTC3310 som är godkända för fordon enligt AEC-Q100. Observera att både första generationens (SS1) enheter, LTC3310, och andra generationens (SS2) enheter, LTC3310S och LTC3310S-1, finns som enheter med justerbar och fast utspänning (tabell 1):

Tabell 1: LTC3310 finns i fyra grundversioner, som representerar första och andra generationens konstruktioner, samt fasta och justerbara utspänningar. (Bildkälla: Analog Devices)

För de justerbara versionerna programmeras utspänningen via ett resistornär mellan utspänningen och återkopplingsstiftet (FB) med hjälp av en enkel ekvation för att konstatera det korrekta resistorvärdet (figur 5).

Figur 5: För att fastställa utspänningen för de justerbara LTC3310-enheterna krävs endast ett enkelt resistornät baserat på en enkel ekvation. (Bildkälla: Analog Devices)

Störningsnivåerna ligger vanligtvis på tiotals mikrovolt. Två viktiga mått på LTC3310-enheternas låga störningsprestanda är de störningstester som utförs i enlighet med de relevanta toppgränserna i CISPR25 klass 5. Dessa omfattar ledningsburna störningar (figur 6) och utstrålade störningar i både horisontella och vertikala plan (figur 7).

Figur 6: En korrekt arrangerad regulator baserad på LTC3310S uppfyller de strikta CISPR25-gränserna för ledningsburen EMI-utstrålning (med toppar i klass 5). (Bildkälla: Analog Devices)

Figur 7: Gällande utstrålningstester, uppfyller LTC3310S kraven för både det horisontella planet (vänster) och det vertikala planet (höger) för EMI enligt CISPR25. (Bildkälla: Analog Devices)

En annan anmärkningsvärd egenskap hos LTC3310-familjen är att enheterna lätt kan användas parallellt för drift med flera faser och högre strömstyrka, en funktion som många andra switchade spänningsregulator inte har stöd för eller bara har svårt att stödja. Den enklaste parallellkopplingen är för tvåfasdrift med en strömstyrka på upp till 20 A (figur 8). Metoden kan lätt utvidgas till tre, fyra eller fler faser och motsvarande högre strömmar.

Figur 8: Med några få extra komponenter kan två eller flera LTC3310-enheter kombineras för drift med flera faser med högre strömstyrka; här visas en konfiguratin med två faser/20 A. (Bildkälla: Analog Devices)

Utvärderingskort förkortar konstruktionscyklerna

Regulatorer som LTC3310-enheterna är direkta i sin tillämpning eftersom de inte har några initialiseringsregister, programvarustyrda funktioner eller andra komplicerade inställningar. Det är dock tekniskt sett vettigt att kunna bedöma deras statiska och dynamiska prestanda och optimera de passiva komponenternas värden innan man bestämmer sig för en slutlig layout eller specifik materiallista. Tillgång på utvärderingskort för LTC3310 gör denna process mycket enklare. Analog Devices erbjuder ett urval av sådana kort som är anpassade till olika versioner och konfigurationer av LTC3310:

• DC3042A har stöd för enheten LTC3310 med justerbar utspänning (figur 9).

Figur 9: Utvärderingskortet DC3042A är konstruerat för LTC3310 med en justerbar utspänning som användaren kan ställa in. (Bildkälla: Analog Devices)

Förutom att instruera användarna om grundläggande installation och drift innehåller dokumentationen ett kretssschema, en kretskortslayout och en materialförteckning. Den anger även de olika testpunkterna och anslutningarna samt probe-inkopplingarna för mätning av rippel på utspänningarna och stegrespons (figur 10).

Figur 10: Bruksanvisningen för DC3042A visar tydligt testpunkter och anslutningar (överst), liksom probe-inkopplingar och konfiguration för att mäta rippel på utspänningen och stegrespons. (Bildkälla: Analog Devices)

• För LTC3310S-1 med fast utspänning finns utvärderingskortet DC3021A (figur 11).

Figur 11: För LTC3310S-1 med en fast utspänning som inte kan justeras av användaren är utvärderingskortet DC3021A ett lämpligt val. (Bildkälla: Analog Devices)

• Slutligen finns DC2874A-C (figur 12) för det något mer komplicerade parallellkopplade arrangemanget med flera faser. På det här utvärderingskortet fungerar LTC3310S som en 2 MHz, 3,3-till-1,2 Vbuck-regulator för flera faser. DC2874A har tre byggalternativ för att tillhandahålla tvåfas/20 A, trefas/30 A eller fyrfas/40 A.

Figur 12: Utvärderingskortet DC2874A-C för LTC3310S har tre byggalternativ: tvåfas/20 A, trefas/30 A eller fyrfas/40 A-utgångar. (Bildkälla: Analog Devices)

Genom att använda LTC3310S och investera lite tid i det lämpliga utvärderingskortet och dess motsvarande bruksanvisning kan konstruktörer minimera den tid som läggs ner på DC/DC-regulatorns prestanda.

Sammanfattning

Ingenjörer har traditionellt varit tvungna att välja mellan två motstridiga topologier för DC/DC-regulatorer med tydligt motsatta egenskaper. Spänningsregulatorer med lågt spänningsfall har en likspänningsutgång med mycket låga störningar och låt till måttlig verkningsgrad, gör dem till en termisk utmaning vid utströmmar på omkring 1 A. Däremot erbjuder switchande regulatorer verkningsgrader på omkring 90 %, men de tillför störningar på likspänningsmatningen och är även en källa till ledningsburna störningar och särskilt utstråladestörningar, som lätt kan leda till att produkten inte klarar obligatoriska bestämmelsetester.

Lyckligtvis använder Silent Switcher-familjerna från Analog Devices en mängd innovativa konstruktionstekniker som övervinner detta "välj det ena eller det andra"-dilemma, vilket resulterar i högeffektiva regulatoralternativ med mycket låga störningar och mycket små format.