Přestože step down měnič poskytuje požadovanou úroveň stejnosměrného napětí, účinnost nemusí odpovídat návrhu, čímž se zvýší tepelná ztráta a zkrátí se životnost baterie. Je nutné přidat další externí komponenty k zajištění správného spouštění, krátkodobého vysokého výkonu, nízkého zvlnění na výstupu a splnění podmínek elektromagnetické kompatibility. To ale ovlivňuje velikost návrhu, dobu uvedení na trh a kusovník (BOM).
Nejnáročnějším úkolem je splnění limitů pro elektromagnetické rušení (EMI) a vysokofrekvenčního rušení (RFI), které jsou definovány příslušnými standardy. To se neobejde bez přepracování designu a dalšího testování. Tento článek popisuje rozdíl mezi základním a finálním (vyladěným) designem DC/DC měniče, který splňuje požadavky na výkon, účinnost a elektromagnetickou kompatibilitu. V článku si představíme µModuly Silent Switcher od Analog Devices, a jejich použití k vyřešení problémů s DC/DC buck měniči.
Díky integrovaným obvodům to zpočátku vypadá jednoduše
Step down měniče se používají jako základ napájecích zdrojů pro širokou škálu elektronických obvodů. Elektronické zařízení může obsahovat desítky napájecích zdrojů poskytující různé úrovně napětí. Tyto měniče jsou obvykle napájeny z vyššího napětí, typicky mezi 5 a 36 V DC, a sníží ho na hodnotu okolo jednoho voltu s možností dodávek několika ampér.(obrázek 1).
Obrázek 1: Úkol DC/DC měniče je jasná: Na začátku je neregulovaný DC zdroj, který může být baterie nebo usměrněný a filtrovaný AC zdroj, a jako výstup poskytuje přesné DC napájení. (Zdroj obrázku: Electronic Clinic)
Vytvořit step down buck DC/DC měnič, který je schopen poskytnout dostatečný výkon je docela jednoduché. K dispozici je mnoho spínacích integrovaných obvodů, které jsou vhodné k realizaci měniče. K tomu je třeba dodat jeden FET tranzistor a několik pasivních součástek. Navíc každá technická dokumentace obsahuje typické zapojení s názvy potřebných komponent. Dostatečný výkon je jen základním parametrem napájecího zdroje. Existují tři vlastnosti, které jsou důležité řešit při návrhu kvalitního napájecího zdroje (obrázek 2):
- Cool: Vysoká účinnost a s tím spojený minimální tepelný dopad.
- Quiet: Nízké zvlnění pro bezchybný výkon systému a splnění elektromagnetické kompatibility
- Complete: Integrované řešení, které minimalizuje velikost, riziko, kusovník a dobu uvedení na trh
Obrázek 2: DC/DC měnič musí nejen poskytovat stabilní napájecí napětí, ale také se nesmí zahřívat, musí být účinný a splňovat standardy elektromagnetické kompatibility. (Zdroj obrázku: Math.stackexchange.com; upraveno autorem)
Cool
Každý design je navržen tak, aby měl vysokou účinnost. Jak přesně vysokou a za jakou cenu? Odpověď není jednoduchá, jelikož záleží na aplikaci a jaké kompromisy se zvolí. Vyšší účinnost je důležitá ze tří hlavních důvodů:
- Výší účinnost znamená chladnější produkt, a to znamená vyšší spolehlivost. Chladnější produkt umožňuje provoz při vyšší okolní teplotě a umožňuje provoz bez ventilátoru. Na druhou stranu, některé specifické součásti je vhodné provozovat za určité vyšší teplotě, při které dosahují optimální účinnosti.
- Účinnost se samozřejmě také promítá do doby provozu u systémů napájených z baterie.
- Existuje mnoho regulačních norem, které nařizují konkrétní úrovně účinnosti pro každou třídu koncového produktu. I když tyto normy neuvádějí účinnost pro jednotlivé napájecí úrovně v produktu, úkolem je zajistit, aby celková účinnost produktu splňovala daný požadavek.
Quiet
Šum a zvlnění na výstupu DC/DC měniče musí být dostatečně nízké, aby nepříznivě neovlivnily výkon systému. Toto rušení je stále větším problémem, protože napájecí napětí v digitálních i přesných analogových obvodech je čím dál menší a klesá i pod hranici jednoho voltu. Proto může mít značný vliv i zvlnění několika milivoltů. Další hlavní problém souvisí s elektromagnetickou kompatibilitou konkrétně EMI - elektromagnetickou interferencí. Existují dva typy emisí EMI - vedené a vyzařované.
Vedené emise se objevují na vodičích, které se připojují k produktu. Vzhledem k tomu, že výstup šumu je známí, a to již zmíněný vodič nebo konektor, pak ke splnění tohoto požadavku na vedené emise stačí upravit rozmístění součástek nebo modifikovat příslušný filtr.
Vyzařované emise jsou však složitější. Každý vodič na desce plošných spojů, který vede proud, vyzařuje elektromagnetické pole. Každá stopa na dese je anténa a každá měděná rovina je odrazná plocha. Cokoli jiného než čistá sinusovka nebo stejnosměrné napětí generuje široké spektrum signálu.
Potíž je v tom, že i při pečlivém návrhu konstruktér nikdy neví, jaké budou vyzařované emise, dokud nebude systém testován. Testování vyzařovaných emisí nelze formálně provést, dokud není návrh v podstatě dokončen. Část energie vyzařující prostorem je utlumena použitím plechu jako magnetického stínění.
Nízkofrekvenční část, která se šíří po stopách na desce, se snižuje pomocí feritových jader a dalších filtrů. Stínění funguje, ale přináší nové problémy. Stínění zvyšuje náklady, komplikuje tepelné řízení a testování a přináší dodatečné náklady na montáž. Další technikou je zpomalení spínacích hran měniče. To má však nežádoucí účinek snížení účinnosti, zvýšení minimálních časů zapnutí a vypnutí a snížení rychlosti proudové regulační smyčky.
Další možností snížení vyzařování EMI je pečlivý výběr klíčových konstrukčních parametrů. Vyvážení těchto vlastností měničů zahrnuje posouzení interakce parametrů, jako je spínací frekvence, stopa, účinnost a výsledné EMI.
Například nižší spínací frekvence obecně snižuje ztráty spínače a EMI a zlepšuje účinnost, ale vyžaduje větší velikost zařízení. Snaha o vyšší účinnost je doprovázena nízkými minimálními časy zapnutí a vypnutí, a to má za následek vyšší obsah harmonických v důsledku rychlejších spínacích přechodů. Obecně platí, že s každým zdvojnásobením spínací frekvence se EMI zhorší o 6 dB, za předpokladu, že všechny ostatní parametry, jako je kapacita spínání a doba přechodu, zůstanou konstantní. Širokopásmové EMI se chová jako horní propust prvního řádu s o 20 dB vyšším vyzařováním, když se spínací frekvence zvýší desetkrát.
K překonání tohoto problému je vhodné zmenšit proudové smyčky regulátoru a použít stínící zemní vrstvy co nejblíže k aktivní vrstvě. Nicméně rozložení pinů, konstrukce pouzdra, požadavky na tepelný design a velikosti pouzdra potřebné pro adekvátní akumulaci energie v oddělovacích komponentách diktují určitou minimální velikost smyčky.
Aby byl problém s uspořádáním ještě náročnější, typická planární deska má magnetickou nebo transformátorovou vazbu mezi trasami nad 30 MHz. Tato vazba zeslabí účinnost filtru, protože čím vyšší jsou harmonické frekvence, tím účinnější se stává nežádoucí magnetická vazba.
Které normy jsou relevantní?
Ve světě EMI neexistuje jediný hlavní standard, protože je do značné míry určen aplikací. Mezi nejpoužívanější patří EN55022, CISPR 22 a CISPR 25. EN 55022 se vztahuje na zařízení informačních technologií. Normu vytváří CENELEC, Evropský výbor pro elektrotechnickou normalizaci, a odpovídá za standardy v oblasti elektrotechniky. Tyto standardy jsou složité a definují testovací postupy, sondy, přístrojové vybavení, analýzu dat a další.
Complete
Drobné rozdíly v umístění komponent, ukostření a vedení spojů na desce mají vliv na výkon systému. Simulace obvodu pomáhá řešit problémy včas, ale nedokáže odhalit vzájemné parazitní vlastnosti komponent. Změna dodavatele může také způsobit jemný posun v hodnotách parametrů jako je například odpor induktoru DCR, který významně ovlivňuje chování celého obvodu. Navíc i nepatrné přemístění pasivních součástek nebo přidání jedné komponenty může značně změnit podmínky pro EMI a výsledný produkt překročí povolené limity.
SilentSwitcher µModules řeší problémy
Rizika výskytu potenciálních negativních vlivů a jejich eliminace jsou běžnou součástí práce designéra. Ke snížení těchto rizik nám pomůže kompletní DC/DC měnič, který má vyřešen tepelný management, je tichý, nevyzařuje nežádoucí emise a nepotřebuje mnoho externích součástek. Rodina měničů Silent Switcher µModules od Analog Devices nabízí širokou škálu parametrů, kde si lze vybrat DC/DC měnič přizpůsobený potřebnému napětí a jmenovitému proudu. Tyto měniče pomocí speciálních metod eliminují rizika vzniku potenciálních problémů.
Metoda 1: Spínání měniče funguje jako RF oscilátor a propojovací vodiče, které fungují jako antény. Tím se sestava změní na RF vysílač s nežádoucí energií, která může překročit povolené limity (obrázky 3, 4 a 5).
Obrázek 3: Propojovací vodiče z IC matrice do pouzdra fungují jako miniaturní antény a vyzařují nežádoucí vysokofrekvenční energii. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Obrázek 4: Sestava Silent Switcher začíná nahrazením drátěných spojů technologií flipchip, čímž se eliminují dráty vyzařující energii. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Obrázek 5: Flipchip přístup účinně eliminuje antény a minimalizuje vyzařovanou energii. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Metoda 2: Použití symetrických vstupních kondenzátorů omezuje EMI tím, že vytváří vyvážené, protikladné proudy (obrázek 6).
Obrázek 6: Duální, zrcadlené vstupní kondenzátory omezují EMI. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Metoda 3: Proudové smyčky s opačným směrem ruší nežádoucí magnetické pole (obrázek 7).
Obrázek 7: Vnitřní uspořádání s proudovými smyčkami v opačných směrech ruší nežádoucí magnetická pole. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
µModuly Silent Switcher nabízí po samostatném integrovaném obvodu v pouzdře QFN a hybridním integrovaném obvodu se zabudovanými kondenzátory v pouzdru LQFN třetí stupeň integrace v podobě kompletního modulu s kondenzátory a induktory v pouzdře LGA nebo LBA (obrázek 8).
Obrázek 8: Moduly Silent Switcher µModules jsou díky začlenění kondenzátorů a induktoru do balení třetím stupněm pokroku v oblasti spínacích regulátorů. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Široká nabídka vlastností
Moduly Silent Switcher µModules obsahují mnoho jednotek s širokým rozsahem vstupního napětí a výstupního proudu. Například LTM8003 má rozsah vstupního napětí od 3,4 až po 40 V, jeho výstupní napětí je 3,3 V s výstupním proudem 3,5 A (6 A špičkově). µModul splňuje limity CISPR 25 Class 5 a přesto jeho rozměry jsou pouhých 9 x 6,25 x 3,32 mm . (Obrázek 9).
Obrázek 9: Silent Switcher LTM8003 splňuje limit vyzařované energie CISPR 25 třídy 5, i když jeho rozměry jsou miniaturní. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Rozložení pinů LTM8003-3.3 vyhovuje FMEA, a to znamená, že výstup zůstává na nebo pod regulačním napětím během zkratu sousedního pinu nebo pokud je pin ponechán jako plovoucí. Typický klidový proud je pouhých 25 µA a verze H je dimenzována na provoz při 150 °C. Demonstrační demo deska DC2416A je umožňuje si vyzkoušet měnič v praxi a posoudit jeho výkon v praxi v konkrétní aplikaci (obrázek 10).
Obrázek 10: Demo deska DC2416A zjednodušuje připojení a vyhodnocení vlastností LTM8003 Silent Switcher. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Dva podobné členy rodiny µModulů Silent Switcher, LTM4657 (vstup 3,1 až 20 V; 0,5 až 5,5 V @ 8 A výstup) a LTM4626 (vstup 3,1 až 20 V; 0,6 až 5,5 V při výstupu 12 A), ukazují širokou škálu parametrů, které µModuly nabízejí. LTM4657 používá induktor s vyšší hodnotou než LTM4626, a to mu umožňuje pracovat na nižších frekvencích, aby se snížily spínací ztráty.
LTM4657 je lepším řešením pro vysoké spínací ztráty a nízké ztráty ve vedení, například v aplikacích, kde je zatěžovací proud nízký nebo vstupní napětí je vysoké. Při pohledu na LTM4626 a LTM4657 pracující na stejné spínací frekvenci a se stejným 12V vstupem a 5V výstupem lze vidět vynikající hodnotu spínací ztrátu LTM4657 (obrázek 11). Navíc jeho induktor s vyšší hodnotou snižuje zvlnění výstupního napětí. LTM4626 však může dodávat větší zátěžový proud než LTM4657.
Obrázek 11: Porovnání účinnosti LTM4626 a LTM4657 na 1,25 MHz se stejnou konfigurací na demonstrační desce DC2989A ukazuje mírné, ale hmatatelné rozdíly. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Uživatelé mohou posoudit výkon LTM4657 pomocí demo desky DC2989A (obrázek 12), zatímco pro ty, kteří potřebují otestovat LTM4626, je k dispozici deska DC2665A-A (obrázek 13).
Obrázek 12: Demo deska DC2989A je navržena tak, aby urychlila vyhodnocení LTM4657. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Obrázek 13: Pro modul LTM4626 Silent Switcher je k dispozici demo deska DC2665A-A. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Moduly Silent Switcher µModules nejsou omezeny na moduly s jedním výstupem. Například LTM4628 nabízí duální 8A výstup, který lze snadno nakonfigurovat tak, aby poskytoval jeden 16A výstup (obrázek 14). Modul je nabízen v pouzdru LGA o rozměrech 15 x 15 x 4,32 mm a pouzdru LBA o rozměrech 15 x 15 x 4,92 mm. Obsahuje spínací řadič, výkonové FETy, induktor a všechny podpůrné komponenty.
Obrázek 14: LTM4628 může být nakonfigurován jako duální výstup, 8 A na kanál nebo v konfiguraci s jedním výstupem 16 A. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Modul pracuje v rozsahu vstupního napětí od 4,5 až 26,5 V a nabízí rozsah výstupního napětí od 0,6 do 5,5 V, který se nastavuje jedním externím rezistorem. Uživatelé se mohou seznámit s jeho vlastnostmi pomocí demo desky DC1663A (obrázek 15).
Obrázek 15: Vyhodnocení jedno/dvou výstupové konfigurace LTM4628 je možno pomocí demo desky DC1663A. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Závěr
Návrh funkčního DC/DC měniče je s dostupnými integrovanými obvody poměrně snadným úkolem. Navrhnout ale regulátor, který zároveň vyniká účinností, je funkčně kompletní a splňuje přísné standardy již snadným úkolem není. µModules Silent Switcher od Analog Devices zjednodušují celý proces návrhu a eliminují riziko vzniku potenciálních problémů.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com.
