Zn. nabyto praxí. Když jsme si minulý měsíc v článku S eDesignSuite navrhujete jako profík s praxí. Rovnou od stolu poprvé (a pak ještě jednou) představili užitečný on-line nástroj pro rychlý návrh zapojení s elektronickými součástkami, možná jsme se v duchu začali pomalu loučit s nepřeberným množstvím nejrůznějších aplikačních poznámek, datasheetů a jiné dokumentace výrobců – jak jinak než v angličtině. A bylo by to špatně...

 

 

Obecně vzato, návrhový software sice odvádí spoustu dobré práce, ale tradiční psané slovo s vysvětlujícími obrázky zatím ještě nevytlačil. Zároveň také nepostihne všechny obvody a jejich konfigurace, které bychom chtěli z nějakého důvodu použít. Zůstaneme v STMicroelectronics a budeme ilustrovat na pěkném příkladu.

 

 

 

Spínané zdroje (regulátory) jsou pro náš život nesmírně užitečné, ale budou prostě rušit. Jejich „ekonomičtější“, jindy zase oblíbenější typy pracují na kmitočtech mezi 100 až 300 kHz, což si ovšem bude žádat velké a mnohdy i nákladnější součástky pro potlačení rušení a zvlnění. Třebaže si na výběru indukčnosti a výstupní kapacity dáme záležet, můžeme stále dosáhnout pouze omezeného potlačení zvlnění. Zbylý rušivý produkt typického snižujícího měniče se pak může v závislosti na layoutu a kvalitě pasivních součástek pohybovat řekněme od 20 do 50 mV špička – špička.

 

 

Neříkáme si sice nic nového, nicméně stále potřebujeme zdůraznit „čistotu“ napájení potřebnou k náležité činnosti front-endových obvodů citlivých analogových zařízení či měřicí techniky, pro které může být obrovskou překážkou i těch 20 mV ve zvlnění napájecího napětí. Bez ohledu na jejich cenu budou některé citlivé produkty „sahat“ raději po baterii coby zdroji nesmírně čistého stejnosměrného napájení. Jindy zase raději přehlédneme nižší účinnost klasických lineárních stabilizátorů nebo si do cesty vřadíme pasivní LC filtr, který však nebude zcela nejmenší ani bez dodatečných nákladů a také se na něm logicky ztratí nějaký ten součin úbytku napětí a proudu.

 

 

 

Obvod L6920 patří mezi oblíbené zvyšující měniče určené pro nízkonapěťové / nízkopříkonové aplikace. Výrobce přitom rozlišuje (i když ne vždy zcela zřetelně) několik verzí, L6920 (1V high efficiency synchronous step up converter) a L6920DB + L6920DC (Synchronous rectifier step up converter), a přínáší i nějakou tu cílovou aplikaci, např. v rámci systému ESL (Electronic Shelf Label) pro elektronické zobrazení ceny zboží, přímo v regálu a s možností její aktualizace – viz obr. 3. Dobře poslouží též při buzení LED (Design Tip DT0013: L6920 as LED driver for flashlight).

 

 

PFM architektura (Pulse Frequency Modulation) je mnohem účinnější a v zapojení si poradí i s napětím pod 1 V, nicméně svou podstatou bude rušit více než jiné spínané návrhy. Zapojení z tzv. Design note, v tomto případě DN0013 s názvem Very low-noise, high-efficiency DC-DC conversion circuit, proto ukáže cestu jak využít vysoké účinnosti obvodu L6920 a zároveň přitom omezit rušení výstupu na docela nízkou úroveň – viz obr. 4. Od většiny rušení si na pozici filtru šumu pomůžeme jednoduchým přidáním lineárního stabilizátoru s minimálním úbytkem napětí.

 

Takové spojení se používá docela často a někdy i v jediném pouzdru (na HW serveru jste např. mohli číst S pěti LDO za měničem rozložíte ztrátu a zkrášlíte výstup). Obecné spojení bude velmi účinné právě díky malému napěťovému úbytku LDO, zatímco nízká výkonová ztráta na stabilizátoru vyloučí potřebu přídávné plochy na desce plošného spoje za účelem chlazení. Z uvedeného tedy vyplývá, že postup není omezen pouze na obvod L6920, ale použijeme jej kdykoli bude nutné účinně odstranit šum napájecí větve (viz také článek Lin. stabilizátory: Co by měl každý vývojář vědět o PSRR?).

 

 

Jak můžeme vidět na obr. 4, za DC/DC měničem v našem případě následuje stabilizátor ST LD39080. Do zátěže LDO propustí zhruba 98 % energie, takže se na něm ztrácí pouze 35 mW. Přítomnost dvou stavitelných odporů se nám líbit nemusí, a řešení existuje, každopádně úbytek napětí 70 mV (3,37 V - 3,3 V) při průtoku 0,5 A vypadá krásně.

 

 

Stabilizátor nás však sám o sobě nezachrání. Pro dosažení nejlepšího výsledku se ještě musíme na chvíli zastavit u správného layoutu DPS, zejména pak oddělených zemí měniče a „čistého“ stabilizátoru pro uzavření smyčky – pochopitelně s výjimkou hlavního společného bodu GND. Proudy zde prostě nesmí téci v sérii.

 

 

 

Aby mohli v STMicroelectronics vše ověřit, osadili stabilizátor LD39080 na desku prototypů a poté co nejtěsněji připojili k výstupu vývojové desky měniče L6920. Ke sledování rušení přítomného na výstupu DC/DC měniče posloužil osciloskop a protože autoři chtěli získat pravdivé údaje bez interferencí spojených se zemními vývody sondy apod., použila se jednoduchá úprava podobná té na obr. 5.

 

 

Stínění okolo špičky sondy je připojeno přímo k zápornému vývodu výstupního kondenzátoru, zatímco jeho kladný vývod navazuje rovnou na hrot. Zároveň došlo k omezení šířky pásma osciloskopu na 20 MHz – ne proto, že by již nad 20 MHz žádné reálné rušení nebylo, ale vzhledem k tomu, že některé digitální osciloskopy vypadají v režimu plné šířky pásma poněkud „zarušeně“ a to co zobrazují se tak může podobat malému množství šumu, který si přejeme nakonec pozorovat z úplně jiného zdroje.

 

 

Z dokumentu ST vyplývá, že rušení na výstupu lineárního stabilizátoru bylo natolik malé, že jej šlo s konkrétní dostupnou technikou přesně změřit jen s obtížemi, každopádně jeho mezivrcholová hodnota nepřekročila 2 mV. Na obr. 6 nakonec vidíme dosažené výsledky – LD39080 filtruje. Kanál 1 bude výstupem obvodu L6920 a kanál 4 pak konečný výstup ze stabilizátoru LD39080.

 

Pokud si to budeme přát, lze na pozici stabilizátoru osadit též obvod LD29080 s nepatrně vyšším úbytkem napětí při daném proudovém odběru, který ovšem nemusí být zásadní překážkou, zejména pak v případě kdy zátěží neprotékají větší proudy nebo nemusíme ztráty zase tolik řešit.

 

 

 

Své „Designs from our labs“ (není, žel, kam prolinkovat – vyjma obecného www.st.com, jak to ostatně činí i sám výrobce) budou mít i v STMicroelectronics. Popisují vyzkoušené obvodové návrhy z firemních laboratoří, které by dle definice měly „pro přesně stanovené aplikace poskytovat optimalizovaná řešení“ – v našem případě se jednalo o tradiční, ale stále ne příliš zažitý, návrh dvojstupňového spínaného zdroje s LDO a následujícími parametry: vstupní napětí 2,5 V, výstupní napětí 3,3 V @ 0,5 A a rušení na výstupu pod 2 mV (nebo ještě lépe). Schéma je plně funkční a mezi ostatními návrhy nebude jediné.

 

Pokud však máme s kým srovnávat, a že tak budeme v našem případě činit třeba s Analog Devices a jejich Circuits from the Lab® Reference Designs (na HW serveru jsme nedávno rozebírali v druhém dílu článku Analog Devices a řešení pro IO. Od A až po D, uvidíme první rozdíly. Odbornou stránku přitom nehodnotíme, navíc jsme v dnešním článku zvolili docela jednoduché, byť účinné řešení. Spíše se zdá, jakoby ST nemělo potřebu výsledky práce svých vývojářů více zviditelnit.

 

 

Pomineme – li odkazy vedoucí z domovských stránek příslušných integrovaných obvodů (v případě našeho stabilizátoru LD39080 na Design note DN0013 kupodivu nevede nic...), musíme se k méně přehledně řazenému obsahu složitě „prokousávat“, což je docela škoda. Vždyť dokumenty podobného typu patří k tomu „lepšímu“, co na stránkách výrobců obvodů může vývojář najít. A taky nás, prosím, nebaví naslepo stahovat a otevírat tolik pdf, když to nejdůležitější, přip. též všechno, můžeme zobrazovat rovnou, ideálně přímo z domovské stránky (obr. 7). Navíc jsme po uplynutí časového intervalu (prostředí na obr. 1) pokaždé vykázáni zpět na výchozí stránku vyhledávání se slovy „Vaše sezení vypršelo!“, o celkové dostupnosti webu v několika posledních dnech ani nemluvě.

 

Tím však v žádném případě nechceme srážet samotný (kvalitní) obsah, který skvěle doplní dostupné SW nástroje, a věříme, že brzy přibude další a bude ještě lépe dostupný! A teď už rychle zpátky k našim STM32...

 

 

Připraveno s využitím materiálů dostupných na stránkách ST (www.st.com), DN0013 – autor Patrick Jankowiak