Hur man använder små modulära DC/DC-omvandlare för att minimera störningarna från strömskenan

Störningar är en inbyggd och ofta oundviklig faktor i nästan alla systemkonstruktioner. Även om vissa störningar kommer från externa källor och inte direkt kan kontrolleras av kretsdesignern, genereras de även av själva kretsen. I många fall är det viktigt att konstruktören minimerar mängden störningskällor - särskilt störningar på strömmatningen - eftersom det kan påverka känsliga analoga och digitala kretsar.

Resultatet kan bli kretsar som beter sig felaktigt, sämre upplösning och noggrannhet samt i bästa fall en högre förekomst av bitfel (BER). I sämsta fall kan det leda till att systemet helt och hållet slutar fungera eller till frekventa eller intermittenta prestandaproblem, som båda är svåra att felsöka.

Det finns två stora störningsbekymmer när det gäller switchade DC/DC-regulatorer och deras utgångar: rippel- och utstrålade störningar. Störningar som genereras i en krets är föremål för regler om elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) och måste ligga under de angivna nivåerna för de olika frekvensbanden.

Utmaningen för konstruktörer är att förstå de störningar som uppkommer internt och dess ursprung, och att antingen ”konstruera bort dem” eller mildra dem på annat sätt. Artikeln använder DC/DC-regulatorer från Monolithic Power Systems, Inc. för att diskutera alternativen vid minimering av störningsproblem i regulatorer.

Börja med störningskälla och typ av störning

Den enklaste störningen att observera, och som direkt påverkar kretsens prestanda, är rippel vid switchningsfrekvensen. Detta rippel är vanligtvis i storleksordningen 10-20 mV (figur 1). Även om det inte är slumpmässigt till sin natur är det fortfarande en form av störning som påverkar systemets prestanda. Millivoltnivån för sådant rippel är i allmänhet inget problem för digitala kretsar med högre spänning som arbetar med matningar på 5 V eller högre, men det kan vara ett problem för digitala kretsar med lägre spänningar som arbetar under 3 V. Rippel på spänningsmatningarna är även ett stort problem när det gäller analoga precisionskretsar och komponenter, vilket är anledningen till att PSRR-specifikationen (Power Supply Rejection Ratio) för sådana enheter är kritisk.

Figur 1: Rippel på DC-matningen, är ett resultat av regulatorns switchning och kan påverka den grundläggande prestandan eller precisionen i en krets. (Bildkälla: Monolithic Power Systems, Inc)

DC/DC-regulatorns switchningsfunktion kan även ge upphov till radiofrekvensstörningar (RF). Även om millivoltrippel på DC-matningen går att tolerera, finns det även ett problem med elektromagnetisk utstrålning som kan äventyra EMC:n. Dessa störningar har en känd grundfrekvens på några KHz till flera MHz beroende på switchningsomvandlaren, och de innehåller även många övertoner.

Bland de vanligaste EMC-relaterade standarderna är CISPR 22 och CISPR 32, "Information Technology Equipment-Radio Disturbance Characteristics-Limits and Methods of Measurement" (CISPR står för "Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques"). Det finns även den europeiska standarden EN 55022, som i huvudsak är baserad på produktstandarden CISPR 22, med tester som utförs under noggrant definierade förhållanden.

CISPR 22 har antagits för användning av de flesta medlemmarna i den europeiska gemenskapen. Även om FCC Part 15 i USA och CISPR 22 har skapats för att vara relativt harmoniserande, så finns det vissa skillnader. CISPR 22/EN 55022 har "absorberats" av CISPR 32/EN 55032, en ny produktfamiljstandard för multimediautrustning (MME) som i praktiken fungerar som en harmoniserad standard i enlighet med EMC-direktivet.

Utrustning som i första hand är avsedd för användning i en bostadsmiljö måste uppfylla gränsvärdena för klass B, medan all annan utrustning måste uppfylla kraven för klass A (figur 2). Produkter som är avsedda för den nordamerikanska marknaden måste uppfylla de gränsvärden som fastställs i avsnitt 15.109 i Federal Communications Commission (FCC) Part 15, Subpart B, för oavsiktligt utstrålande enheter. Även om de elektriska störningarna från en DC-regulator inte påverkar själva produkten negativt kan de alltså vara oacceptabelt höga när det gäller att uppfylla de olika lagstadgade kraven.

Figur 2: Detta är ett av de många diagrammen i CISPR 32/EN 55032 som definierar gränsvärden för utstrålning i förhållande till frekvens för olika klasser av konsumentprodukter. (Bildkälla: Academy of EMC, "EMC Standards")

Att hantera EMC-problem är ett komplicerat ämne som inte har någon enkel lösning. Bland annat är mätning och tillåtna gränser för dessa utstrålningar en funktion av kretsens driftfrekvens, avstånd, effektnivå och tillämpningsklass. Av dessa skäl är det klokt att kontrollera de många tekniska resurser och kanske till och med konsulter, som kan ge vägledning och expertis.

Med det sagt, så har konstruktörer tre grundläggande strategier för att minimera störningar för att undvika problem med kretsens prestanda och även uppfylla lämpliga störningskrav:

• Använd en LDO-regulator (regulatorer med lågt bortfall).
• Lägg till extern filtrering i en switchregulator för att minska de störningar som belastningen ser på DC-matningen.
• Välj en switchande regulatormodul med inbyggda komponenter som annars är externa för regulatorkretsen, som t.ex. induktorer och kondensatorer. Den resulterande modulen är utformad och garanterad för att ge spänningsmatningar med låga störningar och behöver därför minimal, eller ingen extern filtrering.

Börja med LDO

Eftersom LDO-arkitekturen inte har någon klocka eller switchning har den ett naturligt lågt EMC-brus och ingen rippel på utgången. Hundratals miljoner LDO:er används varje år. När den tillämpas i en lämplig konstruktion kan den vara en effektiv lösning.

LDO:n MP20075 från Monolithic Power Systems är exempelvis särskilt avsedd för aktiva busstermineringar för synkrona dynamiska slumpmässiga minnen (SDRAM) med dubbla datahastigheter (DDR) 2/3/3L/4 (figur 3). Denna LDO har en MSOP-kapsling med 8 stift och kan sänka och höja upp till 3 A vid en användarinställd spänning mellan 1,05 och 3,6 volt, och har en precisionsspänning för V_REF/2-spårning för noggrann terminering.

Figur 3: LDO:n MP20075 kan sänka och höja upp till 3 A och är optimerad för termineringsbehovet i olika klasser av DDR SRAM. (Bildkälla: Monolithic Power Systems)

Den integrerade spänningsdelaren i MP20075 följer referensspänningen (REF) för att säkerställa exakta utgångsspänningar för VTT och VTTREF, medan Kelvin-avkänningen gör det lättare att uppnå en noggrannhet på ±30 mV för VTT och ±18 mV för VTTREF. Dessutom, som med de flesta LDO:er, ger den analoga topologin med en sluten krets en mycket snabb respons på belastningstransienter på utgången, i storleksordningen av bara några mikrosekunder (figur 4). En sådan transientrespons är ofta kritisk i höghastighetskretsar som termineringar för DDR SRAM som denna LDO är konstruerad för.

Figur 4: LDO:ns analoga design med en sluten krets bidrar till att den reagerar mycket snabbt på transienta behov från belastningen, vilket är nödvändigt för tillämpningar som terminering av DDR SRAM. (Bildkälla: Monolithic Power Systems)

Trots dess låga inbyggda störningar och användarvänlighet har LDO:n begränsningar. För det första är den betydligt mindre effektiv än en switchande regulator, vilket i sin tur medför två uppenbara problem: den värme som den avleder ökar systemets termiska belastning, och den minskade effektiviteten påverkar drifttiden för batteridrivna bärbara enheter. Av dessa skäl används LDO:er oftast för utgångsströmmar på upp till 1 till 3 A (som visas av MP20075) eftersom förlusten i verkningsgrad ofta blir för stor över detta värde.

Det finns en annan inbyggd begränsning i LDO:er, de kan endast ge step-down-reglering (buck) och kan inte öka en oreglerad DC-inspänning över dess nominella värde. Om en boost-mode-utgång behövs, utesluts LDO:n automatiskt som ett alternativ till DC/DC-regulatorn.

Finjustera layouten, lägg till viss filtrering

När en switchregulator används, oavsett om det är för drift i boost- eller buck-läge, är dess switchande funktion en inbyggd och oundviklig källa till störningar. Det är lättare att lägga till ytterligare filtrering för utgången när regulatorn arbetar med en fast frekvens. Tänk på MP2145, en synkron step-downregulator på 5,5 V, 6 A, i en QFN-kapsling med 12 ben, 2×3 mm, med integrerade MOSFET:ar på 20 mΩ och 12 mΩ (figur 5).

Figur 5: Den synkrona switchregulatorn MP2145 på 5,5 V, 6 A, med inbyggda MOSFET:ar på 20 mΩ och 12 mΩ i en QFN-kapsling på 2×3 mm. (Bildkälla: Monolithic Power Systems)

En synkron buck-omvandlare som MP2145 består av en ingångskondensator C_IN, två switchar (S1 och S2) med tillhörande dioder, en energilagrande ströminduktor (L) och utgångskondensatorer (C_OUT). Utgångskondensatorerna (C_OUT) är placerade vid utgången för att jämna ut utgångsspänningen under ett stabilt tillstånd. Dessa bildar ett första filter och minskar utspänningens rippel genom att förse högfrekventa spänningskomponenter med en lågimpedansväg tillbaka till jord.Typiskt sett kan en sådan shuntkondensator reducera utgångsspänningens rippel till 1 mV.

För att ytterligare reducera rippel på utspänningen, krävs ett andra utgångsfilter, med ett filter med en induktanskondensator (LC-filter) som kaskadkopplas till det första stegets utgångskondensatorer (figur 6). Filtreringsinduktorn (L_f) är resistiv i det avsedda högfrekvensområdet och avleder störningarna som värme. Induktorn kombineras med ytterligare shuntkondensatorer för att bilda ett lågpass LC-filter.

Figur 6: Genom att lägga till ett LC-filter i utgångens andra steg på switchregulatorn såsom på MP2145 kan man minska utgångens rippel. (Bildkälla: Monolithic Power Systems)

Leverantörens datablad och tillämpningsanvisningar innehåller ekvationer och riktlinjer för dimensionering av induktor- kondensator- och resistorkomponenterna för dämpning i detta filter. De identifierar även viktiga sekundära parametrar, såsom maximal DC-resistans (DCR) och induktorns mättnadsström samt det maximala ekvivalenta seriemotståndet (ESR) för kondensatorn. Typiska induktansvärden ligger mellan 0,22 och 1 µH.

Komponenternas layout är också avgörande för att uppnå högsta möjliga prestanda. En dåligt genomtänkt layout kan leda till dålig reglering av linjen eller belastningen, ökat rippel och andra stabilitetsproblem. Ingångens kondensator (Cin) för MP2145 ska placeras så nära kretsens stift som möjligt (figur 7).

Figur 7: Ingångens kondensator för MP2145 (Cin här, längst ner till höger, och C1 i schemat i figur 5) bör vara placerad så nära stift 8 (stiftet för strömingången) och stift 10/11/12 (GND-stiften) som möjligt. (Bildkälla: Monolithic Power Systems)

Moduler garanterar prestanda

Modulerna tar implementeringen av DC/DC-regulatorer till nästa nivå av systemintegration. På så sätt minimeras eller elimineras de problem som rör val och placering av externa komponenter och man får garanterade specifikationer. Modulerna innehåller ytterligare komponenter, främst den traditionella, något besvärliga externa induktorn. På det viset, minskar de utmaningarna med de passiva komponenternas storlek, placering och riktning, som alla påverkar prestandan rörande EMC och rippel.

MPM3833C är exempelvis en step-down modul med inbyggda effekt-MOSFET:ar och en induktor som ger upp till 3 A kontinuerlig ström på utgången från en ingångsspänning mellan 2,75 och 6 V, tillsammans med utmärkt reglering av belastning och linje (figur 8). Det är endast återkopplingsmotstånd och kondensatorer för in- och utgångar som krävs för att slutföra konstruktionen. Induktorn, som vanligtvis är den svåraste externa komponenten att specificera och placera, är inbyggd i modulen och är därför inte ett problem när det gäller att placera den på rätt sätt för att minimera elektromagnetiska störningar (EMI) och rippel.

Figur 8: DC/DC-modulen MPM3833C inkluderar den potentiellt besvärliga induktorn i sina konstruktions- och prestandaspecifikationer. (Bildkälla: Monolithic Power Systems)

Modulen är placerad i en extremt liten QFN-18 kapsling (2,5 × 3,5 × 1,6 mm) och har en rippelspänning på 5 mV (typiskt). Dess låga nivå av utstrålnining (EMI) uppfyller standarden EN55022 klass B, som visas i figur 9 för förutsättningarna V_IN = 5 V, V_OUT = 1,2 V, I_OUT = 3 A, CO = 22 pF, vid 25 °C.

Figur 9: Databladet för DC/DC-modulen MPM3833C DC/DC visar att den lätt uppfyller standarden EN55022 klass B för utstrålning. (Bildkälla: Monolithic Power Systems)

Med modern mikroförpackningsteknik är modulens totala storlek endast något större eller högre än den inre kretsplattan, då en låg profil är en allt viktigare parameter. Tänk på MPM3650 som är en helintegrerad, synkron, likriktad, step-down strömmodul på 1,2 MHz med en inbyggd induktor(figur 10). Den ger upp till 6 A kontinuerlig utgångsström för utgångar från 0,6 till 1,8 V och upp till 5 A för utgångar över 1,8 volt i ett brett ingångsintervall på 2,75 till 17 volt, med utmärkt reglering av belastning och linje. Med sina interna MOSFET:ar och inbyggda induktor mäter QFN-24 kapslingen bara 4 × 6 × 1,6 mm.

Figur 10: Modulen MPM3650 med inbyggd induktor ger upp till 6 A vid 1,8 V, och 5 A vid 1,8 V, i en kapsling med måtten 4 x 6 × 1,6 mm. (Bildkälla: Monolithic Power Systems)

En annan fördel med det modulära tillvägagångssättet är att störningarna är välkontrollerade vid cirka 20 mV utan belastning och sjunker till cirka 5 mV vid full belastning på 6 A (figur 11). Detta innebär att ytterligare extern filtrering inte behövs i många fall, vilket förenklar konstruktionen, minskar utrymmesbehovet och gör materialförteckningen mindre (BOM).

Figur 11: Störande rippel för modulen MPM3650 är specificerat till cirka 20 mV vid noll belastning och cirka 5 mV vid full belastning. (Bildkälla: Monolithic Power Systems)

Det är ofta användbart att arbeta praktiskt med DC/DC-regulatormoduler för att bedöma om deras statiska och dynamiska prestanda uppfyller systemkraven, ibland till och med mer än vad som anges i databladet. För att påskynda denna process erbjuder Monolithic Power Systems EVM3650-QW-00A, ett utvärderingskort med fyra lager och måtten 63,5 × 63,5 × 1,6 mm för MPM3650 (figur 12).

Figur 12: Med hjälp av utvärderingskortet EVM3650-QW-00A kan potentiella användare av DC/DC-modulen MPM3650 snabbt utvärdera dess prestanda i sin tillämpning. (Bildkälla: Monolithic Power Systems)

Utvärderingskortet och dess datablad har flera olika syften. För det första kan användaren enkelt bedöma de många prestandaegenskaperna hos MPS3650 vid en stor mängd olika driftförhållanden, varav vissa kanske inte är uppenbara eller nämns i databladet. För det andra innehåller databladet för utvärderingskortet hela schemat, materialförteckningen och information om kretskortets layout, så att användare av MPS3650 kan använda dem i sin egen konstruktion för att minska riskerna och minimera osäkerheten (figur 13).

Figur 13: Paketet med utvärderingskortet EVM3650-QW-00A innehåller en fullständig schematisk beskrivning, materialförteckning och detaljer om kretskortets layout för att minska riskerna och osäkerheten. (Bildkälla: Monolithic Power Systems)

Utvärderingskortet ger konstruktörerna möjlighet att bättre förstå modulens prestanda, vilket ger en hög grad av förtroende för konstruktionen och en minimal tid till marknaden.

Det finns ytterligare en typ av störningar

När konstruktörer talar om ”Störningar” syftar de nästan alltid på någon form av elektronisk störning i kretsen, t.ex. rippel eller EMI. Men med switchregulatorer finns det en annan potentiell typ av störning: akustiska störningar. För regulatorer som arbetar ovanför det mänskliga hörselområdet - som i allmänhet anses vara 20 kHz - är sådana störningar inte ett problem. Vissa switchregulatorer arbetar dock i ljudområdet, medan andra som arbetar vid mycket högre frekvenser sjunker ner till ljudområdet vid tomgångs- och standby-perioder för att minimera strömförbrukningen.

Detta hörbara ljud beror på ett eller båda av två välkända fysiska fenomen: den piezoelektriska effekten och den magnetostriktiva effekten. När det gäller den piezoelektriska effekten medför kretsens klockdrivna elektriska svängningar att komponenter som keramiska kondensatorer vibrerar synkroniserat med switchningsklockan när elektrisk energi omvandlas till mekanisk rörelse av kondensatorns kristalliska material. När det gäller den magnetostriktiva effekten, som delvis är parallell till den piezoelektriska effekten, ändrar magnetiska material, som exempelvis induktions- eller transformatorkärnor, sin form och sina mått under magnetiseringscyklerna som styrs av klockan. Den berörda kondensatorn eller induktorn/transformatorn fungerar då som en mekanisk ”drivenhet” och får hela kretskortet att självsvänga, vilket förstärker och sprider de hörbara vibrationerna.

På grund av en eller båda av dessa effekter klagar personer med god hörsel ofta på att de hör ett konstant brum på låg volym, när de är i närheten av elektroniska apparater. Observera att dessa akustiska störningar ibland även genereras av komponenter i lågfrekventa 50/60 Hz strömkretsar, så även de som inte har en god hörsel vid högre frekvenser kan höra ett brum.

För att hantera akustiska störningar krävs andra metoder och tekniker än de som används för att dämpa elektroniskt buller.

Slutsats

LDO:er erbjuder en lösning med eller utan låga störningar för att lösa problemet med både rippel på DC-matningen och EMI, men är i allmänhet inte ett lönsamt regleringsalternativ för strömförsörjningar över några ampere. Ett alternativ är switchregulatorer med lämplig filtrering eller regulatorer som är särskilt utformade för prestanda med låga störningar.

Kompletta DC/DC-regulatormoduler som innehåller komponenter som t.ex. induktorn i en liten kapsling ger en annan uppsättning lösningar. De minskar osäkerheterna i konstruktionen när det gäller layout och val av komponenter samtidigt som de ger fullständigt testade och kvantifierade prestanda för delsystemet.

Rekommenderad läsning

1. ”Attförstå standarder för elektromagnetisk kompatibilitet för switchade strömförsörjningsenheter"