מאת: מאסאשי נוגאווה וקייל אל. ואן רנטרגהם – טקסס אינסטרומנט
ככל שהמייצב הממתג משפר את מעמדו בתעשייה כפתרון בעל נצילות הספק טובה בהמרת מתחים, עובר המוקד של מייצב הפרש המתח הקטן (LDO) מנצילות המרה לביצועים גבוהים. מאחר שמייצבי LDO אינם התקנים הפועלים במיתוג, הם משוחררים מהרעש הנלווה למיתוג ומקבלים הכרה כמסננים משניים לרעש המיתוג, על מנת לשפר את הביצועים ביישומים רגישים לרעש. מאמר זה מביא הסבר לגבי הדרישות של מייצבי LDO, על מנת שיוכלו להקטין ביעילות מרבית את רעש אדוות (ripple) ספק הכוח, על ידי השוואת מייצב LDO מסורתי ומייצב LDO בעל דחיית אדוות ספק הכוח (PSRR) ברוחב פס רחב.
מייצב LDO כמסנן רעש אדוות
מהנדסי אלקטרוניקה להתקני הספק נוהגים להשתמש במייצבי LDO בתור הדרגות האחרונות של עץ חלוקת המתחים.
איור 1 מציג את התפיסה הבסיסית של מסנן רעש אדוות. בדרגה הראשונה, המייצב הממתג מייצר מתח ביניים (VINTERMEDIATE) ממתח הכניסה של מערכת ספק הכוח VIN. בדרגה השניה, מייצב LDO יוצר את מתח היציאה של המערכת VLDO מהמתח VINTERMEDIATE. המטרה אם כן היא להשיג נצילות גבוהה של המרת המתח בדרגה בראשונה, ולהסיר את רעש המיתוג בדרגה השניה.
הגורם החשוב ביותר להקטנה למינימום של הרעש בדרגה השנייה, הוא דחיית רעש האדוות של ספק הכוח (PSRR). דחיית PSRR, שהיא מדד להשוואה של רעש האדוות הנמוך במוצא אל רעש האדוות במבוא, נמדד בדרך כלל בדציבלים בחישוב PSRR שבמשוואה 1.
איור 1: מייצב LDO כמסנן רעש אדוות
משוואה 1
דחיית PSRR היא מושג ידוע היטב בתחום האלקטרוניקה של התקני הספק, וקיימים בשוק התקנים רבים של מייצבי LDO שנחשבים בעלי דחיית PSRR גבוהה. מאמר זה מסביר מדוע רוב מייצבי LDO, שלהם יש דחיית PSRR גבוהה, אינם פועלים היטב ביישום מסוג זה
מהו גרף PSRR
איור 2: עקומת PSRR של מייצב מסורתי בעל דחיית PSRR גבוהה
איור 2 מציג את דחיית PSRR של מייצב LDO בעל PSRR גבוה, אשר מגיע לשיא של 75 dB במקום כלשהו בין 600 ל–700 הרץ. ערך זה מספיק על מנת להפוך את מייצב LDO זה לבעל דחיית PSRR גבוהה בתדירות המיתוג החשובה של ספק הכוח. לדוגמה, תדירות המיתוג של מייצבים ממתגים מתקדמים היא בין 300 קילו–הרץ ל–3 מגה–הרץ. לרוע המזל, הרעש בתדירות הגבוהה נמצא מחוץ לרוחב הפס של רוב המייצבים האופייניים בעלי דחיית PSRR גבוהה, כך שזמן התגובה של מייצב LDO איטי מדי לסינון יעיל של רעש המיתוג.
איור 3: תרשים מפושט של דחיית PSRR
באיור 2 עקומת PSRR מורכבת משלושה אזורים. האזור הראשון הוא טווח התדירות מ–10 הרץ עד 1 קילו–הרץ, שבו דחיית PSRR גבוהה ושטוחה באופן יחסי. האזור השני הוא טווח התדירות מ–1 קילו–הרץ עד 110 קילו–הרץ שבו יורדת דחיית PSRR באופן קבוע. באזור השלישי, בכל התדירויות שמעל ל- 110 קילו–הרץ, עולה שוב דחיית PSRR. האזור הראשון והאזור השני מייצגים רוחב פס יעיל של דחיית PSRR, כלומר, למייצב LDO המסורתי יש רוחב פס יעיל של 110 קילו–הרץ. באזור השלישי דחיית PSRR גדלה בזכות העכבה (אימפדנס) של קבל המוצא, בשל העכבה הפרזיטית של המעגל ובזכות הקבל עצמו, בעוד מייצב LDO אינו תורם מאומה לדחיית PSRR באזור זה. איור 3 (A) הוא תרשים מפושט של מייצב LDO אשר מורכב מהרכיבים: Tr1, או טרנזיסטור מעבר; R1, נגד משוב; R2, קבל מוצא (COUT) עם נגד RESR או התנגדות טורית שקולה (ESR) ו- RLOAD או התנגדות העומס. כדי להתייחס לדחיית PSRR, אפשר לקבץ את הרכיבים באיור 3 (A) לשני חלקים: Z1 ו- Z2. דחיית PSRR היא פשוט היחס בין Z1 ל- Z2 (משוואה 2).
משוואה 2
באזור הראשון של דחיית PSRR יש למגבר השגיאה רמת הגבר גבוהה. מכאן שיש בקרה טובה ל- Z1 והתוצאה היא ערך גבוה של דחיית PSRR.
בגבול שבין האזורים, ההגבר של המגבר מתחיל לרדת, בדרך כלל ב–20 dB לדקה. ההגבר הנמוך מקטין את רגישות הלולאה לשינויים במתח המוצא, גורם לעכבה של התקן המעבר להגיב פחות מהר לכל השינויים במתח המוצא ובכך מקטין את דחיית PSRR באזור השני.
עם עליית התדירות, יורדת עכבת קבל המוצא, כך שחלק גדול יותר מרעש האדוות מונחת על פני התקן המוצא – ובכך גדלה דחיית PSRR של מייצב LDO באזור השלישי. בגבול שבין האזור השני לאזור השלישי העכבה של Z2 יורדת לנקודה שבה רוב האות מקוצר על פני הקבל במקום שיהיה מונחת באופן אקטיבי על ידי מייצב LDO. מהרגע שבו מייצב LDO אינו תורם באופן משמעותי לדחיית PSRR, אפשר להתייחס לטרנזיסטור המעבר כאל נגד פשוט שרק מנחית את רעש האדוות באופן פסיבי. איור 3 (B) מציג את המצב הזה.
איור 3: תרשים מפושט של דחיית PSRR
איור 4 מראה את דחיית PSRR שלה אפשר לצפות כאשר משתמשים ברכיבים פסיביים אידיאליים, כפי שמוצגים באיור 3 (B). הגרף חושב עם ערכים שבדרך כלל ניתן למצוא בהערכות של מעגלים משולבים אמיתיים. במאמר זה אנו מחשבים את RMOS לפי משוואה 3:
משוואה 3
עקומה זו דומה מאוד לאזור השלישי של דחיית PSRR כמוצג באיור 2. כאן באיור 3 (B) הוא הצגה עקרונית טובה של מייצב LDO באזור זה.
מייצב LDO עם דחיית PSRR גבוהה לרוחב פס גדול
כמה מייצבי LDO בעלי ביצועים גבוהים, כמו למשל TPS7A8001, תוכננו על מנת לענות על הצורך בדחיית PSRR בתדירות גבוהה (עיין באיור 3). במקום דחיית PSRR גבוהה ביותר באזור התדירות הנמוכה, למייצב LDO בעל דחיית PSRR גבוהה ברוחב פס גדול צריך שתהיה דחיית PSRR גבוהה באופן יחסי על פני טווח תדירויות שמתאים לטווח של תכנוני המייצבים הממתגים האחרונים, בדרך כלל בין 300 קילו-הרץ ל-6 מגה-הרץ. לפי איור 3, רוחב הפס היעיל לדחיית PSRR (האזור הראשון והאזור השני) של מייצב LDO בעל דחיית PSRR גבוהה ברוחב פס גדול הוא 1 מגה–הרץ.
איור 4: דחיית PSRR מאיור 3 (B)
השוואת הספקטרה של VINTERMEDIATE ושל VLDO
איורים 4 ו-5 מתארים את ההשפעה שיש לדחיית PSRR ברוחב פס גדול על רעש כניסה בתדירות גבוהה. שים לב שהגרפים האלה הם הספקטרה (“ספקטרומים”) של VINTERMEDIATE, שהוא זהה בשני הגרפים, ושל VLDO.אלו הן המרות ישירות מתוך טרנספורם פורייה, לא גרפים של צפיפות הספקטרום, אשר משמשים לרוב על מנת לבטא ביצועי רעש. באיור 4 מחובר מייצב ממתג מוריד (buck) מסורתי (מצב מתח ומוריד) אל מייצב LDO מסורתי בעל דחיית PSRR גבוהה. באיור 5, אותו מייצב ממתג מחובר אל מייצב LDO בעל דחיית PSRR גבוהה ברוחב פס גדול.השיא הגדול ביותר של VINTERMEDIATE הוא תדירות המיתוג, שהיא 285 קילו-הרץ. עקומת VINTERMEDIATE מכילה גם את ההרמוניות של תדירות המיתוג והרמונית משנה חשובה. בתדירות של 285 קילו-הרץ נמדד שיא של – 43 dBV, שהוא שווה ערך ל-40 מילי-וולט משיא לשיא של רעש האדוות (משוואה 4).
איור 5: עקומת PSRR של מייצב LDO בעל דחיית PSRR גבוהה ברוחב פס גדול
משוואה 4
מהשוואת האיורים 4 ו-5 עולה שמייצב LDO בעל דחיית PSRR גבוהה ברוחב פס גדול מקטין את רעש האדוות המגיע מ- VINTERMEDIATE טוב יותר מאשר מייצב LDO מסורתי בעל דחיית PSRR גבוהה. בתדירות של הרמונית המשנה, 143 קילו-הרץ, מייצב LDO מסורתי בעל דחיית PSRR גבוהה מעביר את רוב השיא מהכניסה אל היציאה מאחר שבאופן מעשי אין לו דחיית PSRR כלל ב- 285 קילו-הרץ (איור 2).
איור 6: ספקטרום של מייצב LDO מסורתי בעל דחיית PSRR גבוהה
השוואה במישור הזמן של צורות הגל של VINTERMEDIATE ושל VLDO
במישור הזמן, איורים 6 ו-7 מאשרים את הנחתת המתח, כפי שהוצגה קודם לכן. איורים אלו משווים את צורות הגל במישור הזמן של VINTERMEDIATE ושל VLDO. הם מראים ש- VINTERMEDIATE הזהה לשני הגרפים, הוא צורת גל סינוס של 40 מילי-וולט משיא לשיא בערך, אשר תואמת לחישוב שנעשה באמצעות משוואה 2. התדירות היא 285 קילו-הרץ בערך, כך שהיא מתאימה לתדירות הפעולה של המייצב הממתג.
איור 7: ספקטרום של מייצב LDO בעל דחיית PSRR גבוהה ברוחב פס גדול
איור 8: צורת הגל במישור הזמן של מייצב LDO מסורתי בעל דחיית PSRR גבוהה
מייצב LDO מסורתי בעל דחיית PSRR גבוהה מציג צורת גל סינוס משמעותית במוצא אשר תואמת בתדירות לצורת הגל בכניסה (איור 8). רעש האדוות שנותר ב- VLDO ייראה על ידי כל ההתקנים המשתמשים בו כאספקת מתח והוא עלול להשפיע על הביצועים שלהם. בהשוואה, המוצא של מייצב LDO בעל דחיית PSRR גבוהה ברוחב פס גדול היא כמעט שטוחה (איור 9). במצב זה מתאפשרת אספקת מתח נקייה בהרבה עבור כל ההתקנים המחוברים אליה. לדוגמה, לממירים מאנלוגי לספרתי (ADC) או לממירים מספרתי לאנלוגי (DAC) נדרש ספק כוח נקי על מנת לפעול בצורה מדויקת והם מתוכננים עם דחיית PSSR מסוימת למטרה זו. גם ליישומים הפועלים בתדירות רדיו (RF) יש רגישות רבה לאספקת המתח שלהם מאחר שכל רעש אדוות באספקת המתח גורם לתופעות AM (אפנון משרעת) ו- FM (אפנון תדירות) באות הרדיו שבמוצא. אספקה של ספק כוח ללא רעש אדוות מסלקת את הצורך לטפל בבעיה בשני היישומים.
איור 9: צורת הגל במישור הזמן של מייצב LDO בעל דחיית PSRR גבוהה ברוחב פס גדול
מסקנות
כשמשתמשים במייצב LDO כבמסנן משני, יש לזכור שהחשיבות הגדולה אינה נעוצה בדחיית PSRR המרבית המוחלטת. בעת תכנון מייצב LDO לאחר מייצב, יש לשים לב לדחיית PSRR במיוחד בתדירות המיתוג של ספק הכוח. עבור יישומים שיש להם רגישות לרעש בתדירות גבוהה, מייצב LDO בעל דחיית PSRR גבוהה ברוחב פס גדול, כדוגמת TPS7A8001, יהיה יעיל יותר מאשר מייצב LDO מסורתי בעל דחיית PSRR גבוהה.
