U DC/DC regulátorů existují dva hlavní problémy s rušením. Jedná se o zvlnění a vyzařované rušení. Rušení musí být pod specifikovanou úrovní v různých frekvenčních pásmech. Tyto úrovně jsou definovány v příslušných standardech věnující se elektromagnetické kompatibilitě (EMC). Úkolem je zjistit původ rušení a navrhnout jeho eliminaci. Tento článek nabídne řešení v podobě DC / DC regulátorů od Monolithic Power Systems, Inc.

Zdroj a typ rušení

Nejsnadněji pozorovatelné rušení je to, které přímo ovlivňuje výkon obvodu. Jedná se o zvlnění na napájecím či výstupním napětí. Toto zvlnění je obvykle v řádu 10 až 20 mV (obrázek 1). Milivoltová úroveň zvlnění obecně není problémem u digitálních integrovaných obvodů s napájecím napětím 5 V a výše. Problém nastává u digitálních obvodů napájených napětím nižším než 3 V a u přesných analogových obvodů.

Obrázek 1: Zvlnění na napájecím napětí může ovlivnit základní výkonnost nebo přesnost daného obvodu. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems, Inc.)

Spínání regulátoru DC/DC vyzařuje vysokofrekvenční (RF) rušení, které způsobuje problém při měření elektromagnetických emisí. Toto rušení má základní frekvenci od několika kilohertz do několika megahertz v závislosti na spínací frekvenci daného převodníku a jeho harmonických.

Mezi nejčastěji používané standardy související s EMC patří CISPR 22 a CISPR 32, „Zařízení informačních technologií-Charakteristiky rádiového rušení-limity a metody měření“ (CISPR znamená „Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques“). V Evropě se EMC věnuje norma EN 55022, která je odvozena z normy CISPR 22. Zařízení určené primárně pro použití v obytném prostředí musí splňovat limity třídy B, přičemž všechna ostatní zařízení musí vyhovovat třídě A (obrázek 2). Produkty určené pro severoamerické trhy musí splňovat limity stanovené v oddíle 15.109 Federální komunikační komise (FCC).

Obrázek 2: Toto je jeden z mnoha grafů ze standardu CISPR 32/EN 55032, který definuje mezní hodnoty emisí pro různé třídy spotřebních výrobků. (Zdroj obrázku: Academy of EMC, „EMC Standards“)

Řešení problémů s EMC je komplikované téma a nemá žádné jednoduché řešení. Měření a přípustné limity těchto emisí jsou dané pracovní frekvencí obvodu, vzdálenosti mezi jednotlivými elektronickými součástkami či úrovní výkonu. Existují tři základní strategie pro snížení rušení, aby nedocházelo k problémům s výkonem obvodu a také aby splňovaly příslušný standard:

• Použít LDO regulátoru
• Přidání externího filtru ke spínacímu regulátoru, aby se snížilo rušení na napájecím vedení
• Použít spínacího regulátor ve formě modulu, který již má integrovány externí části (například induktory či kondenzátory). Integrované řešení vykazuje lepší EMC vlastnosti, než řešení s externími součástky.

Low drop regulátor (LDO)

Protože architektura LDO (Low Drop Regulátor) neobsahuje žádné hodiny ani spínání, vyznačuje se velmi nízkým rušením EMC a žádným zvlněním výstupního napětí. Například LDO MP20075 od Monolithic Power Systems je vhodný pro paměť SDRAM DDR 2/3/3L/4 (obrázek 3). Tento Low Drop regulátor v 8 pinovém pouzdru MSOP je schopen dodat až 3 A při uživatelsky nastavitelném napětí mezi 1,05 a 3,6 volty.

Obrázek 3: MP20075 může dodat až 3 A a je optimalizován pro paměti DDR SRAM. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Integrovaný dělič sleduje referenční napětí (REF), aby zajistil přesné výstupní napětí VTT a VTTREF. Díky Kelvinova snímání (čtyřbodové snímání ) MP20075 dosahuje přesnosti ± 30 mV pro VTT a ± 18 mV pro VTTREF. Uzavřená smyčka poskytuje velmi rychlou odezvu, řádově několik mikrosekund (obrázek 4).

Obrázek 4: Uzavřená smyčka přispívá k velmi rychlé reakci na přechodné stavy zátěže. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Low-Drop regulátor obecně má i své stinné stránky. Je mnohem méně účinný než spínací regulátor. Přebytečné teplo zvyšuje tepelné zatížení systému a snížená účinnost není vhodná pro zařízení napájených bateriemi. Z těchto důvodů se LDO nejčastěji používá pro výstupní proudy do 1 až 3 A, protože nad tuto úroveň se použití stává značně neefektivní. LDO poskytují jen regulaci na nižší úroveň napětí než vstupní. Pokud je zapotřebí výstup v režimu boost, je LDO automaticky vyloučen jako možnost DC/DC měniče.

Filtrování vstupu i výstupu a rozložení komponent

Spínací regulátor, ať už v režimu boost nebo buck je nevyhnutelným zdrojem rušení. Filtrování výstupu je jednodušší, pokud regulátor pracuje na pevné frekvenci. K dispozici je synchronní krokový spínací regulátor MP2145 s napájecím napětím 5,5 V a výstupem až 6 A. Je umístěn v 12 pinovém pouzdru QFN o velikosti 2 × 3 mm s integrovanými MOSFETy 20 mΩ a 12 mΩ (obrázek 5).

Obrázek 5: Synchronní krokový spínací regulátor MP2145, 5,5 V, 6 A obsahuje integrované MOSFETy 20 mΩ a 12 mΩ v pouzdře QFN o velikosti 2 × 3 mm. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Synchronní regulátor typu Buck, jako je MP2145, se skládá ze vstupního kondenzátoru C_IN, dvou spínacích prvků S1 a S2, cívky pro ukládání energie L a výstupních kondenzátorů C_OUT. Výstupní kondenzátory C_OUT tvoří filtr prvního stupně a snižují zvlnění výstupního napětí. Výstupní kondenzátor účinně snižuje zvlnění výstupního napětí na 1 mV. K dalšímu snížení zvlnění výstupního napětí se používá výstupní filtr druhého stupně pomocí cívky a kondenzátoru (LC obvod) (obrázek 6). Filtrační cívka L_f rozptyluje energii rušení ve formě tepla.

Obrázek 6: Přidání LC filtru druhého stupně se razantně sníží zvlnění výstupu. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Všechny důležité parametry a výpočetní rovnice pro jednotlivé prvky filtru jsou součástí dokumentace k danému regulátoru. Rovněž tam jsou definovány kritické sekundární parametry, jako je maximální stejnosměrný odpor DC (DCR), saturační proud a maximální sériový ekvivalentní odpor kondenzátoru (ESR).Typické hodnoty indukčnosti se pohybují mezi 0,22 µH a 1 µH.

Rozložení komponent je také zásadním faktorem pro dosažení nejvyššího možného výkonu. Špatně koncipované rozložení může mít za následek špatnou regulaci, zvýšené zvlnění a mohou nastat problémy se stabilitou. Vstupní kondenzátor C_in pro MP2145 by měl být umístěn co nejblíže pinům integrovaného obvodu (obrázek 7).

Obrázek 7: Vstupní kondenzátor MP2145 (zde Cin, vpravo dole; a C1 ve schématu na obrázku 5) by měl být umístěn co nejblíže pinu 8 (pin napájecího vstupu) a pinům 10/11/12 (GND piny). (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

DC/DC Moduly nabízí vyšší výkon

Moduly posouvají implementaci DC / DC regulátorů na další úroveň systémové integrace. Odpadá výpočet a rozmístění externích komponent včetně problematické externí cívky. Externí komponenty mají zásadní vliv na výkon a EMC.

Například modul MPM3833C s vestavěnými výkonovými MOSFETy a cívkou je schopen dodávat až 3 A nepřetržitého výstupního proudu ze vstupního napětí mezi 2,75 a 6 volty (obrázek 8). Je nutné připojit pouze zpětnovazební odpory, vstupní a výstupní kondenzátory. Problematická externí součástka – cívka, je integrována uvnitř modulu, aby se snížilo elektromagnetické rušení (EMI) a zvlnění na výstupu.

Obrázek 8: DC/DC modul MPM3833C má integrovanou cívku, čímž se významně snižuje EMC rušení. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

DC/DC modul MPM3833C je umístěn v miniaturním pouzdře QFN-18 (2,5 mm × 3,5 mm × 1,6 × mm) a jeho zvlnění výstupního napětí se pohybuje okolo 5 mV. Úroveň vyzařovaných emisí (EMI) odpovídá normě EN55022 třídy B, znázorněné na obrázku 9 pro podmínky V_IN = 5 V, V_OUT = 1,2 V, I_OUT = 3 A, C_OUT = 22 pF a teplotě 25 °C.

Obrázek 9: Datový list modulu DC/DC MPM3833C ukazuje, že snadno splňuje normu EN55022 třídy B pro vyzařované emise. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Pokud je v zařízení velmi málo místa, je k dispozici DC/DC modul MPM3650 s rozměry QFN-24 pouzdra 4 mm × 6 mm × 1,6 mm. Jedná se o plně integrovaný 1,2 MHz synchronní usměrněný napájecí modul s interním induktorem (obrázek 10). Je schopen dodávat nepřetržitě proud až 6 A při výstupním napětí od 0,6 do 1,8 V a až 5 A při výstupním napětí nad 1,8 V. Velkou výhodou je jeho široký rozsah vstupního napětí, které se může pohybovat od 2,75 do 17 V.

Obrázek 10: Modul MPM3650 s integrovaným induktorem dodává až 6 A při napětí do 1,8 V a 5 A nad 1,8 V v pouzdře o rozměrech 4 mm × 6 mm × 1,6 mm. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Další výhodou modulárního řešení je jeho schopnost dobře eliminovat zvlnění, které se může pohybovat od 20 mV bez zátěže a klesá na přibližně 5 mV při plném zatížení 6 A (obrázek 11). To znamená, že v mnoha případech není nutné přidávat další externí filtrování. To významně zjednoduší design a zkrátí dobu vývoje.

Obrázek 11: Zvlnění pro modul MPM3650 je specifikováno při přibližně 20 mV při nulovém zatížení a 5 mV při plném zatížení. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Je užitečné provést několik praktických testů, aby bylo možné posoudit, zda statický a dynamický výkon splňuje systémové požadavky, a to dokonce i nad rámec toho, co je uvedeno v datovém listu. Pro urychlení tohoto procesu nabízí společnost Monolithic Power Systems čtyřvrstvou vývojovou desku EVM3650-QW-00A o velikosti 63,5 mm × 63,5 mm × 1,6 mm (obrázek 12).

Obrázek 12: Pomocí vývojové desky EVM3650-QW-00A lze rychle posoudit vlastnosti pro danou aplikaci. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Vývojová deska umožňuje snadno posoudit mnoho výkonnostních vlastností MPS3650 v široké škále provozních podmínek, z nichž některé nemusí být zřejmé nebo nejsou uvedeny v datovém listu. Dále datový list vývojové desky obsahuje úplné schéma, kusovník a detaily rozvržení desky. Tyto informace lze využít pro vlastní návrh, a tím snížit riziko a minimalizovat potenciální chyby, způsobující rušení EMC (obrázek 13).

Obrázek 13: Vývojová deska EVM3650-QW-00A obsahuje úplné schéma, kusovník a detaily rozvržení desky pro snížení rizika rušení EMC. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Akustické rušení

Když se mluví o rušení, téměř vždy se jedná o nějaký projev elektronického rušení v obvodu, jako je zvlnění napětí nebo EMI. Se spínacími regulátory však existuje další potenciální typ rušení, a to akustický hluk. U regulátorů pracujících nad rozsahem lidského sluchu ( obecně nad 20 kHz ) není akustické rušení problémem. Některé spínací regulátory však pracují ve slyšitelném pásmu a některé do tohoto pásma spadnou v pohotovostního režimu.

Tento slyšitelný hluk je způsoben jedním nebo oběma známými fyzikálními jevy: piezoelektrický a magnetostrikční efekt. V případě piezoelektrického jevu oscilace obvodu způsobují mechanické vibrace součástí, jako jsou keramické kondenzátory. Elektrická energie je krystalickými materiály kondenzátoru transformována na mechanický pohyb. Magnetostrikční jev je podobný piezoelektrickému jevu, akorát se rezonance přenáší na jádra induktorů nebo transformátorů. Příslušný kondenzátor nebo induktor/transformátor pak funguje jako mechanický „budič“ a způsobí rezonanci celé desky plošných spojů.

Lidé s dobrým sluchem jsou schopni tento akustický hluk vnímat. Tento akustický hluk je někdy generován komponentami nízkofrekvenčního napájecího obvodu 50/60 Hz. Takže i ti, kteří nemají dobrý vysokofrekvenční sluch, mohou slyšet nepříznivý brum. Eliminaci akustického rušení vyžaduje jiné přístupy a techniky, než jaké se používají k útlumu elektronického rušení.

Závěr

Low Drop regulátory nabízejí řešení pro eliminaci zvlnění vstupního napětí a rušení EMI. Nejsou vhodné pro obvody vyžadující proud několik ampér. Alternativou jsou spínací regulátory s vhodnou filtrací. Kompletní DC / DC moduly, které do svého malého pouzdra mají integrován induktor, nabízí i dostatečný výkon s velmi malým rušením EMI.

 

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Bill Schweber.