כיצד להקטין את הרעש הנוצר על-ידי ווסתי מיתוג

ספקי כוח ממותגים יוצרים רעש. ביישומים רבים, יש להגביל רעש זה הן כדי ששלמות הנתונים האנלוגיים לא תיפגע והן כדי לענות לדרישות EMI אחדות. מאמר זה יציג סוגים שונים של רעש שאנחנו מוצאים בספקי כוח ממותגים (switched – mode power supplies -), ידון במנגנוני צימוד-רעש שונים ולבסוף יציג פתרונות כדי להקטין את יצירת הרעש ולסנן את ההפרעות הנותרות בשיטות הטובות ביותר.

בעוד המושגים הנידונים כאן ישימים ככלל בכל תכנוני ה-SMPS, המוקד כאן הוא בעיקר בסוג ממירי ה-dc-dc הלא-מבודדים, או point-of-load converters () המשמשים להפקת פסי האספקה במתח נמוך במערכות אלקטרוניות. כיום, המרת dc-dc לא-מבודדת ברמת הכרטיס מבוצעת לרוב תוך שימוש בטכניקות של מצב מיתוג. לכן, הרכיבים המבצעים תפקיד זה מכונים לרוב ווסתי מיתוג. אולם, שים לב שמושגים כגון “ממירי dc-dc”, “ממירי point-of-load” ו-“ווסתי מיתוג” משמשים פחות או יותר בחליפיות בשוק. אם כי לעתים משווקי ICs להספק ומודולים מבדילים בין מושגים אלה המבוססים על הרמות השונות של שילוב תפקודי שההתקנים מציעים. למרות זאת, רוב ממירי ה-dc-dc ברמת הכרטיס הם בעצם ווסתי מיתוג. אך המרת dc-dc לא-מבודדת ניתן לבצע על-ידי סוג אחר של ווסתי מתח – ווסתים ליניאריים. אולם אלה משמשים לרוב כרכיבי סינון עבור עומסים רגישים-לרעש. לכן, יעילות המרת ההספק הגבוה של ווסתי המיתוג זוכה להערכה במרבית היישומים.
ווסתי מיתוג הם רועשים מאוד בהגדרה. הם ממתגים זרמים גבוהים בגע ותוק בזמני מעבר קצרים. שילוב זה עשוי ליצור רעש רב. בעוד העיקרון הבסיסי של ספקי-כוח ממותגים לא ניתן לשינוי, ישנן דרכים אחדות להקטין את הרעש הנוצר ולסנן את הרעש הנותר בגישות שונות. שיטות שונות אלו מאפשרות ליישום לעבור בדיקות EMI אך גם למנוע מרעש של ספקי-כוח להיצמד לתוך מעגלים אנלוגיים רגישים במערכת נתונה.

סוגים שונים של רעש
ישנם סוגים רבים ושונים של רעש שווסת מיתוג מייצר. החשובים ביותר הם רעש מיתוג מתדר המיתוג, רעש בתדר גבוה הנוצר תוך מעבר המיתוג, צלצול (ringing) אחרי העברות מיתוג, צלצול בצורות הולכת זרם לא-רציפות ותדרי פעמה (beat frequencies) הנגרמים בשל ווסתי מיתוג רבים הפועלים במערכת אחת.

רעש תדר המיתוג
רעש המיתוג מתדר המיתוג עלול להיות מאוד דומיננטי. כיום, הוא ממוקם בעיקר בתחום התדרים בין 500 קילו-הרץ ו-3 מגה-הרץ עבור ממירי dc-dc לא מבודדים. היופי של רעש תדר המיתוג הוא בכך שניתן לכוון את תדר המיתוג ביעילות גבוהה תוך שימוש באות שעון חיצוני. כאשר דבר זה נעשה, סינון רעש זה עשוי להיות יחסית פשוט. רעש זה יוצר את מתח הגליות במוצא וניתן לסינון בעזרת מסנן LC. כמו כן, ניתן להשתמש בווסת ליניארי כדי להקטין את מתח הגליות המופיע בעומס רגיש. באיור 1, צורת הגל בשיא היא מתח הגליות במוצא הנוצר על-ידי ווסת buck. צורת גל כזו היא אופיינית כאשר משתמשים בקבלי מוצא קרמיים בעלי התנגדות טורית שוות-ערך (equivalent series resistance – ESR) נמוכה ביותר. צורת הגל בתחתית איור 1 מראה כיצד אות זו מונחת על ידי מסנן LC נוסף או ווסת ליניארי הממוקם במוצא ווסת המיתוג.  כדי לסייע למתכננים לחשב את הערך הנכון של רכיבי סינון עבור תכנונים מסוימים, יצרני המוליכים למחצה מציעים כלי חישוב באתרים שלהם. Analog Devices מציעה את ADIsimPower עבור חישובי המעגלים ואת ADIsimPE עבור ההדמיה.

רעש מעבר המיתוג
הרעש בתדר גבוה הנוצר על-ידי מעברי המיתוג הוא לעתים קרובות הרעש שקשה ביותר לטפל בו. רעש זה הוא פונקציה של ההשראויות הפרזיטיות בנתיב הזרם כולל השראויות הכרוכות בעקבות הכרטיס, פיני IC, vias ומוליכי קישור. לדוגמה, אם יש לנו אינטש אחד של עקבת מעגל מודפס, בתור חוק האצבע אנחנו מניחים שלעקבה זו יש כ- של השראה טפילית. בהנחה של מהירות מעבר מיתוג של 30 ננו-שניות בתכנון אופייני של ווסת מיתוג וזרם מוצא דרוש של 5 אמפר, אנחנו יכולים לחשב את היסט המתח שאינטש זה של עקבה יוצר. אנחנו פשוט משתמשים בנוסחה הבסיסית עבור השראה:
V=L*di/dt. הצבת ערכים בדוגמה שלנו נותנת לנו היסט מתח כולל של 3.3 וולט.
זהו היסט גדול מאוד הנובע מאורך של אינטש בעקבה בשל הזרמים המשתנים במהירות שלנו. היסט מתח ac המופק יתחבר דרך התכנון ויגרום לרעש צמוד בלתי-רצוי. איור 2 מראה מעבר מיתוג של ווסת buck. המפתח להפחתת רעש זה הוא במזעור ההשראות הטפילה. ה-“di” בנוסחה לעיל לא ניתן להקטנה, מאחר שעומס מסוים ידרוש זרם מסוים. בעתיד, זרם זה עשוי אף לגדול, מאחר שהגיאומטריה של תהליך ה-IC המתכווצת דורשת מתחים נמוכים יותר ובהנחה של הספק קבוע, נראה אף זרמים גבוהים יותר. בדומה, ה-“dt” חייב להיות קטן. זמני מעבר מהירים מקטינים את הפסדי המיתוג, ומאפשרים בכך תדרי מיתוג גבוהים יותר המרשים שימוש בהשראויות וקבלי מוצא קטנים וזולים.  בעבר, לפני שנת 2000, רוב ווסתי המיתוג השתמשו בטרנזיסטורי מיתוג דו-קוטביים בתור מתגי הספק. הם גרמו לזמני מעבר איטיים יחסית של 100 ננו-שניות או יותר. היו להם הפסדי מיתוג גבוהים יותר ודרשו תדרי מיתוג נמוכים יותר. אולם, הם גרמו להיסטי מתח הרבה יותר נמוכים על-פני ההשראויות הטפילות.  כיום, אנחנו רואים מהירויות מעבר המיתוג של ננו-שניות אחדות בלבד. בעתיד, זמני המעבר עשויים לקטון אף יותר באמצעות טכנולוגיות המיתוג של קרביד הסיליקון, ניטריד הגאליום וטכנולוגיות מיתוג ההספק מהירות. הם יאפשרו הפסדי מיתוג נמוכים יותר, ולכן יהיו אפשריים תדרי מיתוג גבוהים יותר, ובכך יתאפשרו ספקי-כוח מאוד קומפקטיים וזולים. אך הדבר היחיד שאנחנו יכולים לעשות כדי להקטין את רעש המעבר של המיתוג הוא להקטין את ההשראויות הטפילות התואמות את “L” בנוסחה דלעיל.

איור 3 מראה את העקבות של זרם ה-ac הקריטיות בווסת buck בעל מיתוג בסכימה התחתונה בצבע אדום. די פשוט לאתר עקבות קריטיות אלה בכל ספק-כוח ממותג. בתור צעד ראשון, אנחנו מצביעים על זרימת הזרם במהלך זמן ה-גע. דבר זה נעשה בסכימה העליונה וזרימת הזרם מוצגת בכחול. כ”כ אנחנו מציגים את זרימת הזרם במהלך זמן ה-תוק. הסכימה במרכז מראה את נתיב הזרם בירוק. בסכימה השלישית, אנחנו מדגישים את כל העקבות, בהן קיים הבדל בזרימת הזרם בין הסכימה העליונה והמרכזית. אלו הן העקבות בהן אנחנו משנים את זרימת הזרם מזרם מלא לזרם אפסי תוך ננו-שניות אחדות.
אלו הן העקבות שאנחנו זקוקים לשמור קצרות ככל הניתן. דבר זה יקטין את ההשראות הטפילה שלנו L ולכן יקטין את היסטי המתח המופקים לאחר מעברי מיתוג כאלה.
בדוגמת ווסת ה-buck, זה אומר שקבל המבוא חייב להיות קרוב מאוד למתג בצד הגבוה וגם קרוב לקישור ההארקה של המתג בצד הנמוך. דבר זה מראה לנו שעקבות זרם ac קריטיות יכולות להיות גם עקבות הארקה. זרמי חזרה כאלה לא צריכים להיות מנותבים דרך משטח הארקה. אם כן, הם יגרמו למשטח ההארקה לראות היסטי

מתח מבוססים על ההשראות הטפילה של עקבת החזרה.
איור 4 מראה כיצד יש לטפל בנתיב זרם ההארקה ac. הוא חייב להיות מנותב מקומית. אין להשתמש ב-vias בנתיב הארקה מקומי זה, מאחר שהם מוסיפים השראות, מגדילים את היסטי המתח וכתוצאה, יוצרים אף יותר רעש. בוודאות, עקבת חזרת זרם ac צריכה להיות בפוטנציאל הארקה, כך שאנחנו מחברים עקבה זו אל משטח ההארקה בנקודה אחת תוך שימוש ב-via. דבר זה ישמור על זרמי חזרת ה-ac כמקומיים.
חיבור ה-via מנתיב חזרת זרם ההארקה אל משטח ההארקה מסייע לנתק את מתח המשטח השקט מעקבת חזרת זרם ה-ac המקומי הרועש.  הפרת חוק זה ונטישת זרמי חזרה ac של ווסת מיתוג אל משטח הארקה יגרום להקפצת כל משטח ההארקה ויגרום כל מיני בעיות. משטחי ההארקה אמורים לספק פוטנציאל ייחוס הארקה לתת-מעגלים שונים במערכת ואמורים לסכך רעש RF. אם בצורה אידיאלית שום זרמים אינם מובלים על-ידי משטח ההארקה, הוא יהיה שקט ובעל אותו מתח לכל אורכו.  רעש מעבר של מיתוג הוא לרוב בתחום של 10 מגה-הרץ עד 300 מגה-הרץ. הוא הרבה יותר גבוה בתדר מאשר תדר המיתוג של ווסת מיתוג. לשם ניחות רעש זה במוצא ספק-הכוח, מסנן LC המשמש כרגיל להקטנת מתח גליות המוצא עשוי לא להיות הבחירה הנכונה. חרוזי פריט (ferrite) הן הרבה יותר מתאימות לניחות תדרים גבוהים כאלה.

צלצול אחרי מעברי המיתוג
באיור 5 ניתן לראות צלצול (ringing) מתח בצומת המתג אחרי מעבר מיתוג. יש לו סיבות מרובות. העיקרית היא השפעות טפילות והעובדה שזרימת הזרם לא ניתנת לשינוי מיידי, אלא דורשת זמן מסוים כדי לטפס דרך ההשראויות הטפילות. ניתן להקטין רעש זה על-ידי snubbers או מעגל ריתוק (clamping) אקטיבי. Snubbers פאסיביים יפזרו את אנרגיית הצלצול לתוך נגד וייצרו לבסוף חום. מעגלי ריתוק אקטיביים מזינים חלקית את האנרגיה של הצלצול לתוך המעגל, תוך הגדלת היעילות הכוללת של ספק-הכוח.  לעתים קרובות, בממירי dc-dc פשוטים לא מבודדים, snubbers אינם בשימוש, מאחר שרוב הזמן, האנרגיה בצלצול צומת-המיתוג איננה גבוהה מאוד, וגורמת רק להפרעות קטנות. בספקי-כוח ממותגים מבוססיי-שנאי, snubbers בצד הראשוני או המשני או מעגלי ריתוק אקטיבי דרושים לעתים קרובות יותר כדי להקטין את הרעש.

צלצול במצב הולכת זרם לא-רציפה
במצב של הולכת זרם לא רציפה (discontinuous current conduction mode – ), ניתן לזהות צלצול מסוים בתדר נמוך בצומת המיתוג. אפשר לראות זאת בווסתי buck לא-סינכרוניים בהם המתג בצד הנמוך ממומש בדיודת Schottky בבחירה חופשית (freewheeling). ווסתי buck סינכרוניים מציגים גם התנהגות זו במצב של חיסכון בהספק בעומס נמוך, כאשר המתג בצד הנמוך איננו מופעל ומנותק בצורה אקטיבית ודיודת גוף ה-MOSFET מובילה את זרם הניתוק במקום זאת.  הצלצול הסופי מתואר באיור 6. הוא נגרם על-ידי העומס המתנדנד קדימה ואחורה בצומת המיתוג בעל העכבה הגבוהה זמנית כאשר זרם בסליל הוא אפס ושני המתגים מכובים. ככלל, כאשר מתכננים ווסת מיתוג עבור הרעש הנמוך ביותר, אין לעצב את הווסת כדי לפעול ב-DCM. עבור אותו מתח מוצא, ה-DCM גורם לזרמי-שיא הרבה יותר גבוהים בהשוואה למצב ההולכה בזרם קבוע (current conduction mode – CCM). זרמי שיא אלה סביר שיגרמו לרעש מופרז במערכת. אולם, כל תכנון ב-CCM יפעל גם ב-DCM בתנאי של עומס קל.  כך שאם תכנון נתון זקוק להפעלה ברעש הנמוך ביותר בתנאים של הן עומס מלא והן עומס חלקי, ניתן להשתמש ב-snubbers כדי להקטין את צלצול ה-DCM. אולם, מאחר שצלצול זה הוא ככלל צלצול בעל הספק נמוך ביותר בצומת המתג בעל העכבה הגבוהה זמנית , ברוב המקרים snubber איננו דרוש.

תדרי פעמה (beat frequencies)
תדרי פעמה הם תדרים נמוכים המופקים ככלל בשל החפיפה של שני תדרי מיתוג שונים במערכת נתונה. רוב המערכות האלקטרוניות המודרניות דורשות פסי מתח בעלי מתחים מרובים. ליבות עיבוד, ממשקי I/O, FPGAs כמו גם מעגלים אנלוגיים דורשים לרוב מתחי הספקה שונים. להפקת מתחים אלה, משמשים בד”כ ווסתי מיתוג. אם בוחרים בממירי dc-dc פשוטים מסוג buck בעלי תדר מיתוג קבוע, הם לא ממתגים את כולם בדיוק באותו תדר מיתוג. תדר המיתוג האופייני עשוי להיות 1 מגה-הרץ, אך למעשה אם אתה מביט במאפיינים החשמליים בדף הנתונים של הווסת, תמצא שתדר המיתוג של 1 מגה-הרץ יכול להשתנות מערך מזערי למרבי. כך שבמקום ששני ווסתי המיתוג יימתגו ב-1 מגה-הרץ, ניתן למתג אחד ב-900 קילו-הרץ והשני ב-1.1 מגה-הרץ.  איור 7 מראה דוגמה של שני ווסתי מיתוג במערכת אחת. בעוד שני

המתגים הם מאותו סוג עם תדר מיתוג אופייני של 1 מגה-הרץ, הווסת העליון ממתג ב-1.1 מגה-הרץ בעוד התחתון ממתג ב-900 קילו-הרץ. במוצא של הממתג העליון, נראה בבירור מתח גליות של 1.1 מגה-הרץ אך השפעות נוספות של המיתוג ב-900 קילו-הרץ נראות גם כן. זהו רעש המבוא של הווסת התחתון בצימוד לווסת העליון במתח מוצא של 2.5 וולט. כאשר יש לנו תדרי חפיפה כגון זה, מידי פעם שני השיאים נופלים אחד על השני וכך נוצר תדר נוסף נמוך יותר. תדר זה יכול להתחבר במערכת שלנו ולעתים לא כל כך קל לסנן החוצה תדר נמוך זה.  דרך אחת להשיג סירוג (interleaving) זה של ווסתים היא להשתמש ביחידת ניהול הספק בעלת ווסתי מיתוג מרובים כאשר כולם משולבים בשבב אחד דוגמת ה-ADP5135 של Analog Devices. אזי מתכנן המעגלים אינו חייב לדאוג לסינכרון והזזת מופע של הממתגים השונים. דבר זה מבוצע אוטומטית ותדרי פעמה אינם מופיעים.

סינון המבוא בווסת buck

לעתים קרובות, כאשר משתמשים בווסת buck במערכת וקיימת סוגיית רעש, מהנדסים מחליטים בצורה אינטואיטיבית לסנן את מוצא הווסת. מאחר שהמוצא הוא הדבר המתחבר לבסוף לעומס הרגיש-לרעש, זהו המוצא שיש לסנן – או כך חושבים. אך המציאות היא שהמוצא המופק על-ידי ווסת buck הוא בד”כ בעל רעש נמוך.  איור 8 מציג את צידי הרעש הנמוך והרעש הגבוה של ממיר מוריד מתח. צד המוצא הוא נמוך-רעש, מאחר שיש סליל בטור עם המוצא. זרם הסליל עולה במהלך זמן הגע, ויורד דרך זמן התוק. בניגוד, צד המבוא של ממיר ה-buck הוא מאוד רועש. במשך זמן הפעולה, זרם מרבי זורם דרך עקבת המבוא ובמשך ההפסקה, שום זרם לא זורם לתוך הטופולוגיה. זו הסיבה מדוע קו המבוא נחשב לקו זרם ac.  קבל המבוא מסייע למיצוע מועט של זרם המקור, אך הוא אינו מסוגל ליצור במלואו זרם מבוא dc קבוע. לכן, ממליצים למתכננים להיות ערים לכך באופן תדיר, שכאשר קיימת בעיה של רעש במערכת בעלת ווסת buck, הבעיה היא בעצם לא מוצא ה-buck, אלא המבוא. הוא רועש ויש לו לעתים קרובות עקבה ארוכה על מעגל נתון. כדי לפתור סוגיה זו, סינון המבוא עשוי לסייע.
מאמר זה פירט את מקורות הרעש הנפוצים ביותר בממירי dc-dc לא-מבודדים והדגיש את הפתרונות לניחות או ביטול מקורות רעש אלה. אולם, הדיונים הללו הם רק מבוא לנושא רעש ספק-הכוח הממותג, וקיימת ספרות ענפה ביותר בנושא זה. הסימוכין המוגשים להלן מהווים נקודת התחלה לשם קריאה נוספת. בנוסף, מידע נוסף ניתן להשיג ב-How2Power Design Guide, כמצוין להלן.

סימוכין
1. “Printed Circuit Board Layout Guidelines for Step-Down Regulators, Optimizing for Low Noise Design with Dual Channel Switching Controllers”
by Scott Zheng, Analog Devices‘ application note AN-1119.
2. “Measuring Output Ripple and Switching Transients in Switching Regulators” by Aldrick S. Limjoco, Analog Devices‘ application note AN-1144.
3. “Noise Reduction Network for Adjustable Low Dropout Regulators”, by Glenn Morita, Analog Devices‘ application note AN-1329
4. “Noise Sources in Low Dropout (LDO) Regulators” by Glenn Morita, Analog Devices‘ application note AN-1120.
5. “How to apply DC-to-DC Step-Down/Step-Up (Buck/Boost) Regulators” by Ken Marasco, Analog Devices‘ application note AN-1149.

על המחבר
Frederik Dostal הצטרף ל-Analog Devices ב-2009 ועובד עתה כמהנדס שיווק טכני בניהול ההספק עבור אירופה.
לשם קריאה נוספת על רעש בוסתי מיתוג, ראה How2Power Design Guide, אתר את סיווג “Design Area” ולחת על הקישור עבור “Noise Performance”. כמו כן, ראה את הקישור עבור “EMI and EMC”.