Hur man tystar störande tillämpningar med Silent Switcher μModule®-regulatorer från ADI

Det finns inget som heter tystnad i en känslig elektronisk tillämpning - det händer, bokstavligen talat, aldrig. Det beror på att det är praktiskt taget omöjligt att eliminera alla elektromagnetiska störningar (EMI) i nätaggregaten. Olika konstruktionsmetoder för att minska detta problem innebär ofta kompromisser som kan skapa större komplexitet.

Konstruktörer gör allt för att försöka minska de elektromagnetiska störningarna i störningskänsliga tillämpningar som radiofrekventa nätaggregat (förstärkare), dataomvandlare för hög hastighet, känslig instrumentering och system för medicinsk bildbehandling och diagnostik. Det innebär för det mesta att man måste lägga till fler komponenter, avskärmningar och filter, vilket kan öka komplexiteten, kostnaden, storleken och vikten.

Switchande nätaggregat (SMPS) och elektronikbaserade omvandlare är en viktig orsak till elektromagnetiska störningar och försvårar konstruktionen av många tillämpningar inom fordonssystem, konsumentelektronik, industriell automation och telekommunikation.

Snabb switchning minimerar energiförlusten hos DC/DC-omvandlare, AC/DC-likriktare, DC/AC-omvandlare och AC/AC-omvandlare. Det innebär dock att man även genererar energi med hög frekvens och transienter som kan orsaka elektromagnetiska störningar via ledning och utstrålning.

Elektromagnetiska störningar kan försämra systemets prestanda, störa radiofrekvenser, orsaka funktionsfel i komponenter och förhindra driften hos vitala enheter som t.ex. pacemakers och säkerhetssystem i bilar. En viktig orsak till elektromagnetiska störningar i sådana system är common-mode-ström som flyter i samma riktning över två eller flera ledare, vilket inducerar magnetfält.

Många - om inte de flesta - elektroniska tillämpningar i USA måste uppfylla bestämmelserna i Federal Communications Commission Part 15 som är utformade för att förhindra skadliga störningar, även från enheter som inte använder radiofrekvenser. Internationella tillämpningar inom industri och kommunikation måste uppfylla kraven i de internationella standarderna CISPR 22 klass B och fordonstillämpningar måste uppfylla kraven i CISPR 25. Andra geografiska områden har liknande certifieringar för överensstämmelse.

Testning för elektromagnetiska störningar sker ofta sent i konstruktionscykeln, vilket innebär att problem och korrigerande åtgärder kan leda till kostsamma produktförseningar. Om problem med elektromagnetiska störningar upptäcks ute på fältet kan de dessutom vara svårare att lokalisera och kräva kostsamma åtgärder.

Flera olika typer av komponenter kan användas för att motverka elektromagnetiska störningar. Linjära LDO-regulatorer (lågt spänningsfall) är en konventionell och billig metod för att skydda belastningar från spänningstransienter och störningar i strömförsörjningen. De kan dock resultera i skrymmande lösningar och saknar ofta de nödvändiga skyddsfunktionerna.

Mer avancerade LDO:er med hög PSRR (Power Supply Rejection Ratio) förbättrar störningsdämpningen, men förbättrar inte direkt verkningsgraden eller den termiska prestandan. När de används tillsammans med switchande regulatorer kan de kombinera hög verkningsgrad med låg störningsnivå.

Konstruktörer kan även fokusera på kretskortslayouten för att minimera områden med slingor som sprider elektromagnetiska störningar och även separera känsliga och störande kretsar. Ett annat ofta använt tillvägagångssätt som kan komplettera detta är att isolera eller kapsla in komponenter med material som skärmar av elektromagnetiska störningar, som t.ex. metaller och metallegeringar. Förstärkare med låg störningsnivå kan också användas.

Var och en av dessa tekniker för reducering av elektromagnetiska störningar, som ofta används tillsammans, gör konstruktionen mer komplicera och medför att utvecklare söker efter förenklingar.

Förenkling av bekymmer med elektromagnetiska störningar i konstruktioner

Ökningen av tillämpningar som är beroende av switchande nätaggregat är större än det antal konstruktörer som är skickliga på att uppfylla strikta krav gällande elektromagnetiska störningar. Många konstruktörer av digital elektronik uppmanas att fylla de kompetensluckor som orsakas av bristen på konstruktörer av analoga nätaggregat. Denna trend, i kombination med den ökande komplexiteten vid konstruktion av switchande nätaggregat, innebär att behovet av en ökad integration av komponenter för switchande nätaggregat för att förenkla processerna.

Analog Devices, Inc. (ADI) förenklade konstruktionsutmaningarna med elektromagnetiska störningar genom att introducera sin Silent Switcher^®-teknik under 2015. Syftet var att optimera switchningstekniken och samtidigt förenkla kretskortsdesignen. Första generationens Silent Switcher-enheter, som LT8640, minskade den parasitiska resistansen genom att använda flip-chip-kapslingar med kopparpelare istället för virad tråd för att ansluta kretsen till substratet. De innehöll även en kraftdel som var konstruerad för att förbättra verkningsgraden vid höga frekvenser.

Enheterna i första generationen delade även upp enstaka "strömförande slingor" med hög ström i dubbla slingor med motsatta flöden som upphävde de elektromagnetiska störningar som spreds. En enda stor strömförande slinga har höga parasitiska element och starka magnetfält som kan bidra till elektromagnetiska störningar i form av utstrålning. Silent Switcher-enheterna har även interna switchande drivkretsar för att minimera effektförlusterna vid switchning.

Under 2017 introducerade ADI en monolitisk synkron buck-omvandlare med låga elektromagnetiska störningar baserat på arkitekturen Silent Switcher 2. I den här generationen har enheter som LT8640S-2 minskat beroendet av externa komponenter genom att integrera kondensatorer, strömförande slingor och ett jordplan i en ny LQFN-kapsling. Det möjliggjorde mindre lösningsstorlekar och eliminerade känsligheten gällande kretskortets layout för att ge bättre prestanda för elektromagnetiska störningar. Silent Switcher 2-enheterna innehåller dessutom fler kopparpelare och stora exponerade dynor, vilket ökar den termiska prestandan och verkningsgraden.

Under 2021 introducerade ADI den uppdaterade arkitekturen Silent Switcher 3 med den synkrona step-down-regulatorn LT8627SP, som har extremt låga lågfrekventa störningar, extremt snabb transientrespons och hög verkningsgrad vid höga switchningsfrekvenser samtidigt som den har extremt låga elektromagnetiska störningar. Den har även en exponerad överdel för montering av en kylfläns i tillämpningar med höga omgivningstemperaturer.

Silent Switcher 3 µModul-regulatorer

Tekniken Silent Switcher 3 är nu tillgänglig i ADI:s µModule®, en högintegrerad kraftlösning med COP-kapsling. Kapslingen ger bättre termisk prestanda och minskar den totala storleken på lösningen ytterligare, vilket möjliggör små, effektiva och tillförlitliga kraftlösningar.

Andra viktiga fördelar med µModule-regulatorer är att de sparar tid och minskar det arbete som krävs för att konstruera, testa och godkänna DC/DC-regulatorer. ADI integrerar styrenheten, effekt-MOSFET:arna, induktorn och andra kringkomponenter i en enda kompakt kapsling. De kan användas som strömförsörjningslösning i ett stort antal tillämpningar inom telekom, nätverk och industriell utrustning, RF-strömförsörjningar, instrumentering med låga störningsnivåer samt dataomvandlare med hög hastighet och noggrannhet.

LTM4702 (Figur) är en komplett step-down μModule-regulator för 8 A i en extremt kompakt BGA-kapsling på 6,25 × 6,25 × 5,07 mm, med inbyggd silent switcher-baserad regulatorkrets med låga elektromagnetiska störningar och hög verkningsgrad. Den arbetar med ett inspänningsområde på 3 till 16 V och har stöd för ett utspänningområde på 0,3 till 5,7 V.

Figur 1: LTM4702 μModule från ADI integrerar en styrenhet, effekt-MOSFET:ar, en induktor och andra kringkomponenter för buck-omvandlare i en förbättrad kompakt kapsling. Det minskar behovet av efterbehandlande LDO:er i störningskänsliga tillämpningar. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

Flera LTM4702 kan drivas parallellt för att producera högre utströmmar. Maximalt 12 faser kan parallellkopplas för att köras samtidigt ur fas genom att programmera stiftet PHMODE på respektive LTM4702 till olika spänningsnivåer.

Dessutom har den synkrona switchregulatorn LTM4702 exceptionellt låga lågfrekventa störningar (10 till 100 kHz). Den lämpar sig utmärkt för tillämpningar med höga strömmar och i störningskänsliga tillämpningar. Enheten använder en PWM-arkitektur med konstant frekvens som kan programmeras att switcha från 300 kHz till 3 MHz med hjälp av en resistor som är kopplad mellan RT-stiftet och jord.

En enda resistor ställer in utspänningen på LTM4702 så att den ger enhetlig förstärkning för återkopplingen av utspänningen och praktiskt taget konstant störningsnivå oberoende av utspänningen. För de flesta störningskänsliga tillämpningar eliminerar LTM4702 behovet av efterreglerande LDO:er och LC-filter, och endast in- och utgångskondensatorer krävs för att slutföra en konstruktion.

Utvärderingskortet EVAL-LTM4702-AZ (figur 2) är tillgängligt för konfigurering och utvärdering av prestandan hos LTM4702.

Figur 2: Utvärderingskortet EVAL-LTM4702-AZ förser konstruktörer med switchande step-down DC/DC-omvandlare för utvärdering av prestandan hos LTM4702. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

LTM8080 (figur 3) är en för 40 V_IN, dubbel 500 mA eller enkel 1 A som integrerar dubbla LDO-regulatorer med extremt hög PSRR och en Silent Switcher DC/DC-regulator, separerade av en skärm mot elektromagnetiska störningar i en termiskt förstärkt, övergjuten kapsling på 9 × 6,25 × 3,32 mm. Den har ett switchningsfrekvensområde på 200 kHz till 2,2 MHz och ett utspänningsområde på 0 till 8 V.

Figur 3: LTM8080 μModule från ADI har dubbla integrerade LDO:er, tillsammans med en tyst switchad DC/DC-regulator med en skärmning mot elektromagnetiska störningar mellan dem i en kompakt kapsling. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

Switchregulatorn i front-end är en oisolerad DC/DC-strömförsörjning med step-down-funktion som kan ge upp till 1,5 A kontinuerlig ström. De linjära LDO-regulatorerna i back-end använder ADI:s arkitektur med extremt lågt brus (2 nV/√Hz vid 10 kHz) och extremt hög PSRR (76 dB vid 1 MHz). LDO-utgångarna kan parallellkopplas till  för att öka utströmmen

Konstruktörer kan använda demonstrationskretsen DC3071A (figur 4), som har ett stort arbetsområde på 4 till 40 V, för att utvärdera LTM8080.

Figur 4: Demonstrationskretsen DC3071A innehåller en LTM8080 µModule med två utgångar, som var och en kan justeras till 3,3 V/0,5 A. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

Sammanfattning

Silent Switcher μModul-regulatorer från ADI är en robust lösning på utmaningarna med elektromagnetiska störningar i störningskänsliga elektroniska tillämpningar. Genom att integrera avancerad Silent Switcher 3-teknik i mycket kompakta och effektiva systemkretsar förenklar dessa μModule-regulatorer konstruktionen, förbättrar den termiska prestandan och eliminerar behovet av efterbehandlande LDO-regulatorer i de flesta scenarier.

Med μModule-regulatorerna kan utvecklare uppnå extremt låga störningar och hög verkningsgrad i allt från dataomvandlare med hög hastighet och RF-system till medicinsk bildbehandling eller industriell utrustning, utan att behöva använda traditionella metoder för minskning av elektromagnetiska störningar. Med produkter som LTM4702 och LTM8080 fortsätter Analog Devices att vara ledande när det gäller att erbjuda innovativa lösningar som uppfyller de strikta kraven på modern elektronik och garanterar tillförlitlig prestanda även i de mest störningskänsliga tillämpningar