Kisméretű moduláris DC/DC átalakítók használata a tápsín zajának minimalizálása érdekében

A zaj szinte minden rendszer tervezésével együtt járó és általában elkerülhetetlen szempont. A zaj egy része ugyan külső forrásból származik és nem áll közvetlenül az áramkör tervezőjének ellenőrzése alatt, azonban maga az áramkör is generál zajt. Sok esetben kritikus a tervező számára a zajforrások - különösen a tápsínek zajának - minimalizálása, mivel az hatással lehet az érzékeny analóg és digitális áramkörökre.

Az eredmény a legjobb esetben is egyenetlen áramköri viselkedés, csökkentett felbontás és pontosság, valamint magasabb bithibaarány (BER) lehet. A legrosszabb esetben teljes rendszerhiba, illetve gyakori vagy időszakos működésbeli problémák fordulhatnak elő és mindkét eset nehezen felderíthető.

A kapcsolóüzemű DC/DC szabályozókkal és kimeneti sínjeikkel kapcsolatban két fő zajprobléma vetődik fel: a feszültségingadozás és a sugárzott zaj. Az áramkörön belül keletkező zajra az elektromágneses összeférhetőséggel (EMC) kapcsolatos szabályozási előírások vonatkoznak, és a zajnak különböző frekvenciasávokban meghatározott szintek alatt kell maradnia.

A tervezők számára az a kihívás, hogy megértsék a belső eredetű zajt annak eredetével együtt és vagy „kitervezzék azt onnan”, vagy más módon mérsékeljék. Ez a cikk a Monolithic Power Systems, Inc. DC/DC szabályozóit használja azon lehetőségek megvitatására, amelyekkel a szabályozók zajproblémái mimimalizálhatók.

Kezdjük a zaj forrásával és típusával

Az áramkör működését közvetlenül befolyásoló legkönnyebben megfigyelhető zaj a kapcsolási frekvencián jelentkező feszültségingadozás. Ez a feszültségingadozás jellemzően 10 - 20 mV nagyságrendű (1. ábra). Bár természeténél fogva nem véletlenszerű, mégis a rendszer működését befolyásoló zaj egyik megnyilvánulása. Az ilyen millivoltos hullámzás általában nem jelent problémát a magasabb, 5 V vagy afeletti feszültségű sínről működő digitális IC-k számára, de aggodalomra adhat okot a 3 V-nál kisebb tápfeszültségű digitális áramkörök esetében. A precíziós analóg áramkörök és alkatrészek esetében a tápsínek feszültségigadozása is komoly gondot jelent, ezért az ilyen eszközök tápfeszültség-elnyomási arányáról (power supply rejection ratio, PSRR) tájékoztató műszaki jellemző kritikus fontosságú.

1. ábra: Az egyenáramú sín feszültségingadozása, amely a szabályozó kapcsolási műveletének eredménye, befolyásolhatja az áramkör alapvető működését vagy a precíziós eredményeket. (Kép: Monolithic Power Systems, Inc.)

A DC/DC szabályozó kapcsolási művelete sugárzott rádiófrekvenciás (RF) zajt is létrehozhat. Még ha az egyenáramú sín mV-os ingadozása el is viselhető, akkor is felmerül az EMC előírásokat sértő elektromágneses kibocsátás kérdése. Ez a zaj a kapcsolóüzemű átalakítótól függően néhány kHz és néhány MHz közötti ismert alapfrekvenciával és számos felharmonikussal is rendelkezik.

A leggyakrabban idézett EMC-vel kapcsolatos szabályozási célú szabványok közé tartozik a CISPR 22 és a CISPR 32 („Informatikai berendezések - rádiózavarok jellemzői - határértékek és mérési módszerek”; a CISPR a „Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques” rövidítése). Létezik az alapvetően a CISPR 22 termékszabványból levezetett EN 55022 jelű európai szabvány is, amely gondosan meghatározott feltételek mellett végzendő teszteket tartalmaz.

A CISPR 22-t az Európai Közösség legtöbb tagja bevezette. Bár az Egyesült Államokban érvényben levő FCC szabályozás 15. része és a CISPR 22 egymással viszonylag jól harmonizál, vannak különbségek. A CISPR 22/EN 55022-t „bekebelezte” a CISPR 32/EN 55032, a multimédiás berendezésekre (MME) vonatkozó új termékcsalád-szabvány, amely az EMC-irányelvnek megfelelő harmonizált szabványként lépett hatályba.

Az elsősorban lakókörnyezetben való használatra szánt berendezéseknek teljesíteniük kell a B osztályra vonatkozó határértékeket, minden más berendezésnek pedig az A osztályra vonatkozókat (2. ábra). Az észak-amerikai piacokra tervezett termékeknek meg kell felelniük a Szövetségi Kommunikációs Bizottság (FCC) 15. részének B alrészében a nem szándékos sugárzásra vonatkozó 15.109. szakaszában meghatározott határértékeknek. Ilyen módon az egyenáramú szabályozó által kibocsátott elektromos zaj akkor is elfogadhatatlanul magas lehet a különböző szabályozási előírások teljesítése szempontjából, ha magát a terméket nem is befolyásolja hátrányosan.

2. ábra: A CISPR 32/EN 55032 által rendelkezésre bocsátott számos grafikon egyike, amely meghatározza a különböző osztályú fogyasztói termékek kibocsátási határértékeit a frekvencia függvényében. (Kép: Academy of EMC, „EMC Standards”)

Az EMC-problémák kezelése bonyolult téma, amelynek nincs egyszerű megoldása. Az ilyen kibocsátások mérése és megengedett határértékei egyebek mellett az áramkör működési frekvenciájától a távolságtól, a teljesítményszinttől és az alkalmazási osztálytól függenek. Ezen okok miatt érdemes figyelembe venni a számos technikai erőforrást és talán még tanácsadókat is megkérdezni útmutatás és szakvélemény tekintetében.

Azt modhatjuk, hogy a tervezőknek három alapvető stratégiájuk van a zaj minimalizálására, hogy elkerüljék az áramkörök működésével kapcsolatos problémákat, ugyanakkor megfeleljenek a zajra vonatkozó előírásoknak:

• Alacsony feszültségesésű (LDO) szabályozó használata.
• Külső szűrő hozzáadása a kapcsolóüzemű szabályozóhoz a terhelés által az egyenáramú tápvonalakon érzékelt zaj csökkenésére.
• Olyan kapcsolóüzemű szabályozó modul választása, amely beépítve már tartalmazza a szokásosan a szabályozó IC-n kívül levő alkatrészeket, pl. induktivitásokat vagy kondenzátorokat. Az ilyen modulokat úgy tervezték, hogy sínjeik zajszintje garantáltan alacsony legyen, és így csak minimális vagy semmilyen külső szűrést se igényeljenek.

Kezdjük az LDO-val

Mivel az LDO-architektúrának nincs órajel- vagy kapcsolási funkciója, EMC zaja eredendően alacsony, a kimeneti sín feszültségingadozása nulla; ezért évente több százmillió LDO-t használnak. Megfelelő elrendezésben alkalmazva hatékony megoldást jelenthet.

A Monolithic Power Systems MP20075 LDO például kifejezetten a Double Data Rate (DDR) 2/3/3L/4 szinkron dinamikus véletlen hozzáférésű memóriák (SDRAM) aktív buszlezárásainak biztosítására készült (3. ábra) . Ez az LDO 8 kivezetéses MSOP házban található és akár 3 A elnyelésére vagy leadására képes a felhasználó által beállítható 1,05 és 3,6 V közötti feszültségen, továbbá precíziós V_REF/2 követési feszültséggel rendelkezik a pontos lezárás érdekében.

3. ábra: Az MP20075 LDO akár 3 A elnyelésére vagy leadására is képes és a különböző DDR SRAM osztályok lezárási igényeihez van optimalizálva. (Kép: Monolithic Power Systems)

Az MP20075 integrált osztója követi a referenciafeszültséget (REF) a pontos VTT és VTTREF kimeneti feszültségek biztosítása érdekében, miközben Kelvin érzékelés segítségével a VTT esetében ±30 mV, a VTTREF esetében pedig ±18 mV pontosságot ér el. Ezenkívül, mint a legtöbb LDO esetében, a csak analóg zárt hurok topológia nagyon gyors, mindössze néhány mikroszekundumos nagyságrendű választ ad a kimeneti terhelés tranzienseire (4. ábra). Az ilyen tranziens válasz gyakran kritikus a nagysebességű áramkörökben, például a DDR SRAM-ok lezárásaiban, amelyekhez ezt az LDO-t tervezték.

4. ábra: Az LDO analóg zárt hurkú kialakítása segíti a terhelés tranziensigényeire való nagyon gyors reagálást; ez olyan alkalmazásokhoz szükséges, mint a DDR SRAM-ok lezárása. (Kép: Monolithic Power Systems)

Az LDO-nak - az eredendően alacsony zajszint és a könnyű használhatóság ellenére - vannak korlátai. Először is, sokkal kevésbé hatékony, mint egy kapcsoló üzemű szabályozó, ami viszont két nyilvánvaló problémát vet fel: az általa leadott hő növeli a rendszer hőterhelését, a rosszabb hatásfok pedig csökkenti az akkumulátorral működő hordozható eszközök üzemidejét. Ezen okoknál fogva az LDO-kat leggyakrabban körülbelül 1-3 A kimeneti áramig használják (ahogy az az MP20075 példájából is látható), mivel a hatásfok tekintetében elszenvedett „veszteség” gyakran túl naggyá válik magasabb ármérték mellett.

Az LDO-knak van egy másik jellemző korlátja is: csak lefelé történő szabályozásra képesek és nem tudják a szabályozatlan bemeneti egyenáramú tápfeszültséget a névleges érték fölé emelni. Ha feszültségnövelő kimenetre van szükség, akkor az LDO mint DC/DC szabályozó opció automatikusan kizárásra kerül.

Az elrendezés finomhangolása, szűrés hozzáadása

Ha kapcsolóüzemű szabályozót használunk, akár feszültségnövelő, akár feszültségcsökkentő üzemmódban, a kapcsolási művelet eredendő és elkerülhetetlen zajforrás. Egyszerűbb a kiegészítő kimeneti szűrés hozzáadása, ha a szabályozó fix frekvencián működik. Vegyünk példaként az MP2145-öt, egy 5,5 V-os, 6 A-es, szinkron feszültségcsökkentő kapcsolóüzemű szabályozót, amely egy 2 × 3 mm-es QFN tokban található, 12 kivezetéssel, beépített 20 mΩ-os és 12 mΩ-os MOSFET-ekkel (5. ábra).

5. ábra: Az MP2145 egy 5,5 V-os, 6 A-es szinkron feszültségcsökkentő kapcsolóüzemű szabályozó, amely beépített 20 mΩ-os és 12 mΩ-os MOSFET-eket tartalmaz a 2 × 3 mm-es QFN tokban. (Kép: Monolithic Power Systems)

Egy szinkron feszültségcsökkentő átalakító, mint amilyen az MP2145 egy C_IN bemeneti kondenzátorból, két kapcsolóból (S1 és S2) és azok testdiódáiból, egy energiatároló teljesítményinduktivitásból (L) és kimeneti kondenzátorokból (C _OUT) áll. A kimeneti kondenzátorok (C_OUT) a kimeneten találhatók a kimeneti feszültség állandósult állapotbeli simítására. Ezek egy elsőfokú szűrőt alkotnak és csökkentik a kimeneti feszültség ingadozását azáltal, hogy a nagyfrekvenciás feszültségkomponensek számára alacsony impedanciájú áramutat biztosítanak a földpotenciálra való visszatéréshez.Egy ilyen kimeneti söntkondenzátor jellemzően 1 mV-ra képes hatékonyan csökkenteni a kimeneti feszültség ingadozását.

A kimeneti feszültségingadozás további csökkentése érdekében egy másodfokú kimeneti szűrőre van szükség, amely egy induktívitás-kondenzátor (LC) szűrőnek az elsőfokú kimeneti kondenzátorokhoz való kaszkádolását jelenti (6. ábra). A szűrő induktivitás (L_f) az érintett nagyfrekvenciás tartományban ellenállásként viselkedik és a zaj energiáját hő formájában disszipálja el. Az induktivitás további söntkondenzátorokkal kombinálva egy aluláteresztő LC szűrőhálózatot alkot.

6. ábra: Egy másodfokú LC-szűrő hozzáadása egy olyan kapcsolószabályozó kimenetéhez, mint az MP2145 csökkentheti a kimeneti feszültségingadozást. (Kép: Monolithic Power Systems)

A szállító adatlapjai és alkalmazási jegyzetei egyenleteket és iránymutatásokat tartalmaznak a szűrőt alkotó induktivitás, kondenzátor és csillapító ellenállás méretezéséhez. Meghatározzák az olyan kritikus másodlagos paramétereket is, mint például az induktivitás maximális egyenáramú ellenállása (DCR) és telítési árama, valamint a kondenzátor maximális egyenértékű soros ellenállása (ESR). A tipikus induktivitásértékek 0,22 µH és 1 µH között vannak.

A lehető legnagyobb teljesítmény elérése szempontjából ugyancsak döntő fontosságú ezeknek az alkatrészeknek az elrendezése. A rosszul átgondolt elrendezés rossz vonali vagy terhelésszabályozást, megnövekedett feszültségingadozást és egyéb stabilitási problémákat eredményezhet. Az MP2145 bemeneti kondenzátorát (Cin) a lehető legközelebb kell elhelyezni az IC kivezetéseihez (7. ábra).

7. ábra: Az MP2145 bemeneti kondenzátorának (itt Cin, jobbra lent; és C1 az 5. ábrán) a lehető legközelebb kell lennie a 8-as kivezetéshez (a tápfeszültség bemenete) és a 10/11/12-es kivezetésekhez (a tápfeszültség GND-je). (Kép: Monolithic Power Systems)

A modulok biztos teljesítőképességet kínálnak

A modulok a DC/DC szabályozók megvalósítását a rendszerintegráció következő szintjére emelik. Ezáltal minimalizálják vagy kiküszöbölik a külső alkatrészek kiválasztásával és elhelyezésével kapcsolatos problémákat és garantált specifikációkat biztosítanak. A modulok beépítve tartalmazzák a kiegészítő alkatrészeket, elsősorban a hagyományos, kissé zavaró külső induktivitást. Így csökkentik a passzív alkatrészek méretezésével, elhelyezésével és tájolásával kapcsolatos kihívásokat, amelyek mind hatással vannak az EMC-vel és a feszültségingadozással kapcsolatos jellemzőkre.

Az MPM3833C például egy beépített teljesítmény MOSFET-ekkel és induktivitással rendelkező feszültségcsökkentő modul, amely 2,75 és 6 V közötti bemeneti feszültségről akár 3 A folyamatos kimeneti áramot is biztosít, kiváló terhelés- és vonali szabályozás mellett (8. ábra). A kész áramkörhöz csak visszacsatoló ellenállásokra, bemeneti kondenzátorokra és kimeneti kondenzátorokra van szükség. Az induktivitás, amely általában a legnehezebben specifikálható és elhelyezhető külső alkatrész, a modulon belül található, így az elektromágneses interferencia (EMI) és a feszültségingadozás minimalizálását célzó megfelelő elhelyezés szempontjából nem jelent problémát.

8. ábra: Az MPM3833C DC/DC modul úgy van kialakítva, hogy tartalmazza a potenciálisan zavaró induktivitást is, és ez a specifikált jellemzői között is látható. (Kép: Monolithic Power Systems)

Ez a modul egy ultra-kisméretű QFN-18 (2,5 mm × 3,5 mm × 1,6 mm) tokban helyezkedik el és feszültségingadozása (tipikusan) 5 mV. Alacsony szintű kibocsátása (EMI) a 9. ábrán látható módon megfelel az EN55022 jelű szabvány szerinti B osztálynak, ha V_IN = 5 V, V_OUT = 1,2 V, I_OUT = 3 A, CO = 22 pF, 25°C-on.

9. ábra: Az MPM3833C DC/DC modul adatlapján látható, hogy a modul könnyedén megfelel a sugárzott kibocsátásra vonatkozó EN55022 szabvány szerinti B osztálynak. (Kép: Monolithic Power Systems)

A modern mikrotokozási technikáknak köszönhetően egy modul teljes mérete csak kevéssel nagyobb vagy magasabb a belső lapkánál; az alacsony profil egyre fontosabb paraméter. Nézzük meg az MPM3650-et, egy teljesen integrált, 1,2 MHz-es, szinkron, egyenirányított, belső induktivitással ellátott feszültségcsökkentő tápmodult (10. ábra). Maximum 6 A folyamatos kimeneti áramot biztosít 0,6 és 1,8 V közötti feszültségű kimenetekhez, és maximum 5 A-t 1,8 V feletti feszültségű kimenetekhez, 2,75 és 17 V közötti széles bemeneti tartományban, kiváló terhelés- és vonali szabályozás mellett. A belső MOSFET-ekkel és a beágyazott induktivitással együtt a QFN-24-es tok mérete mindössze 4 mm × 6 mm × 1,6 mm.

10. ábra: A beépített induktivitással rendelkező MPM3650 modul maximum 6 A-t szolgáltat 1,8 V-ig és 5 A-t 1,8 V felett, 4 mm × 6 mm × 1,6 mm méretű tokban. (Kép: Monolithic Power Systems)

A moduláris megközelítés másik előnye, hogy a feszültségingadozás miatti zaj jól szabályozható, nagysága körülbelül 20 mV terhelés nélkül és teljes 6 A terhelésnél körülbelül 5 mV-ra csökken (11. ábra). Ez azt jelenti, hogy sok esetben nincs szükség további külső szűrésre, ami egyszerűsíti a tervezést, csökkenti a helyigényt és az anyagköltséget (BOM).

11. ábra: Az MPM3650 modul feszültségingadozás miatti zaját nulla terhelésnél kb. 20 mV-ra, teljes terhelésnél pedig kb. 5 mV-ra adták meg. (Kép: Monolithic Power Systems)

Gyakran hasznos a DC/DC szabályozó modulok gyakorlati vizsgálata annak felmérésére, hogy statikus és dinamikus teljesítményük megfelel-e a rendszer követelményeinek, akár az adatlapon szereplő határokon túlmenően is. Ennek a folyamatnak a felgyorsítására kínálja a Monolithic Power Systems a 63,5 mm × 63,5 mm × 1,6 mm méretű, négyrétegű EVM3650-QW-00A fejlesztőlapot az MPM3650-hez (12. ábra).

12. ábra: Az EVM3650-QW-00A fejlesztőlap segítségével az MPM3650 DC/DC modul potenciális felhasználói gyorsan kiértékelhetik a modul viselkedését saját alkalmazásukban. (Kép: Monolithic Power Systems)

A fejlesztőlap az adatlapjával együtt több célt is szolgál. Először is, lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy az üzemi feltételek széles tartományán belül könnyen kiértékelje az MPS3650 számos teljesítményjellemzőjét, amelyek közül néhány nem nyilvánvaló vagy nem szerepel az adatlapon. Másodszor, a fejlesztőlap adatlapja tartalmazza a teljes kapcsolási rajzot, az alkatrészjegyzéket és a kártya elrendezésének részleteit, így az MPS3650 felhasználói saját tervezési tevékenységükhöz figyelembe vehetik ezeket az adatokat a kockázat csökkentése és a bizonytalanság minimalizálása érdekében (13. ábra).

13. ábra: Az EVM3650-QW-00A fejlesztőlap-csomag tartalmazza a teljes kapcsolási rajzot, az anyagjegyzéket és a lap elrendezésének részleteit a kockázat és a bizonytalanság csökkentése érdekében. (Kép: Monolithic Power Systems)

A fejlesztőlap lehetőséget nyújt a tervezőknek, hogy jobban megértsék a modul képességeit, ami a tervkészítéseket illetően nagyfokú magabiztosságot, valamint minimális piacra kerülési időt eredményez.

Létezik egy másik fajta zaj is

Amikor a tervezők „zajról” beszélnek, szinte mindig az elektronikus zaj valamilyen megnyilvánulására utalnak az áramkörben, például feszültségingadozásra vagy EMI-re. A kapcsolóüzemű szabályozók esetében azonban egy másik lehetséges zajtípus is előfordulhat, mégpedig az akusztikus zaj. Az emberi hallás – általában 20 kHz-nek tekintett – felső határa feletti tartományban működő szabályozók esetében az ilyen zaj nem jelent problémát. Egyes kapcsolóüzemű szabályozók azonban a hallható tartományban működnek, míg más, sokkal magasabb frekvencián üzemelő eszközök működési frekvenciája az energiafogyasztás minimalizálása érdekében üresjáratban vagy készenléti állapotban a hallható tartományba esik vissza.

Ez a hallható zaj két jól ismert fizikai jelenség egyikének vagy mindkettőnek köszönhető: a piezoelektromos hatásnak és a magnetosztrikciós hatásnak. A piezoelektromos hatás esetében az áramkör órajellel vezérelt elektromos rezgései a kapcsoló órajellel szinkronban rezgésre késztetik az olyan alkatrészeket, mint a kerámia kondenzátorok, mivel az elektromos energiát a kondenzátor kristályos anyagai mechanikus mozgássá alakítják. A magnetosztrikciós hatás esetében pedig, amely némi párhuzamot mutat a piezoelektromos hatással, a mágneses anyagok, például az induktivitások vagy transzformátorok magjai, az órajellel vezérelt mágnesezési ciklusok közben megváltoztatják alakjukat és méreteiket. Az érintett kondenzátor vagy induktivitás / transzformátor ezután mechanikus „meghajtóként” működik és az egész áramkört rezgésre készteti, ilyen módon felerősíti és továbbítja a hallható rezgéseket.

E hatások egyike vagy mindegyike miatt a jó hallású személyek gyakran panaszkodnak arra, hogy állandó, alacsony hangerejű búgást hallanak, amikor elektronikus eszközök közelében vannak. Ne feledjük, hogy néha az alacsony frekvenciájú, 50/60 Hz-es tápáramkörök alkatrészei is létrehoznak ilyen akusztikus zajt, így még azok is hallhatják a búgást, akiknek nincs jó magas frekvenciás hallásuk.

Az akusztikus zaj kezelése más megközelítést és technikákat igényel, mint az elektronikus zaj csillapítása.

Összegzés

Az LDO-k zajmentes vagy alacsony zajszintű megoldást kínálnak a DC tápsínek feszültségingadozási és EMI problémájára is, de néhány amper erősségű kimeneti áram felett általában nem jelentenek életképes szabályozási lehetőséget. Alternatívát a megfelelő szűréssel ellátott vagy kifejezetten alacsony zajszintű működésre tervezett kapcsolóüzemű szabályozók jelentenek.

További megoldásokat kínálnak a komplett DC/DC szabályozó modulok, amelyek apró tokjukba beépítve tartalmazzák a szükséges alkatrészeket, pl. az induktivitást. Ezek csökkentik a tervezés bizonytalanságait az elrendezés és az alkatrészválasztás tekintetében, miközben az alrendszerek tekintetében teljes mértékben tesztelt és számszerűsített teljesítményt biztosítanak.

Ajánlott olvasnivaló

1. „A kapcsolóüzemű tápegységek elektromágneses kompatibilitási szabványainak értelmezése”