הקדמה
עובדה ידועה היא כי מתווה לוח PC קובעת את ההצלחה או הכישלון של כל תכנון אספקת החשמל. המתווה מגדיר פונקציונליות, הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) והתנהגות תרמית. בעוד שהחלפת המתווה אינה מעשה קוסמות, לפעמים מתעלמים מכך עד לשלב מאוחר מדיי בתהליך התכנון. לכן, בחינת דרך מוכחת להפחתת האיומים הפוטנציאליים לדור EMI כבר מההתחלה יכולה להבטיח אספקת חשמל באופן שקט ויציב. בעוד שלרבים ממתכנני מצבי מתגי אספקת החשמל מכירים את הניואנסים והמורכבות הכרוכה בתכנון, בחברות רבות פשוט אין מספיק מתכננים להכנת כל התכנונים עבור כל הצרכים שהם חלק מהפרויקט שלהם. הם פורשים ועוזבים את הענף! אז, כיצד ניתן לפתור בעיה זו?
ובכן, יותר ויותר מתכננים דיגיטליים מתבקשים להשתמש בעיצובי switch mode power supply אפילו אם רק משום שאין מספיק מתכנני אספקת חשמל אנלוגיים כדי לבצע את העבודה! בעוד שניתן לומר בבטחה שרוב המתכננים הדיגיטליים יודעים איך לתכנן בעזרת רגולטור ליניארי פשוט, לא כל דרישות הכוח שלהם הם הורדת מתח (buck mode). למעשה, רבים הם מעלי מתח (boost) או אפילו טופולוגיית buck-boost (שילוב של שני המצבים).
מכאן ברור שאחת השאלות שיצרנים רבים של מערכות אלקטרוניות צריכים להתמודד איתה היא: כיצד ניתן להשלים את כל מעגלי switch mode power supply נדרשים במערכות?
פתרון לכשל משאבי בתכנון
במהלך השיח הזה, אני אסקור כמה מהפעולות היסודות של buck regulator, כולל כמה di/dt גבוה והשראה פרזיטית ב- switcher hot loop גורמים להפרעות אלקטרומגנטיות ורעשי צלצול מתג, ולאחר מכן נבחן מה ניתן לעשות על מנת להפחית את רעש התדירות הגבוהה. בנוסף, אציג את טכנולוגיית ADI’s Power by Linear™ Silent Switcher® , אתייחס למבנה ואדגים כיצד טכנולוגיה ו מסייעת בפתרון בעיות EMI מבלי שתצטרכו להתפשר על דבר. סקירה זו תכלול גם את אופן הפעולה של התקני Silent Switcher.
אני גם אתן סקירה כללית של המארז והפריסה של Silent Switcher ואדון באופן בו מאפיינים אלה יכולים לשפר את הביצועים הכוללים של ממירים מורידי מתח (step-down). בנוסף אראה כיצד ניתן להשיג מידת אינטגרציה טובה יותר של התקן ה- Silent Switcher שלנו על ידי הצגת אופן שילוב טכניקה זו ב- μModule® regulators שלנו. כל אלה מספקים פתרונות פשוטים וקלים לשימוש לכל אותם משתמשים שאינם מכירים באופן מעמיק טכניקות תכנון של switch mode power supply.
מעגל Buck Regulator בסיסי
One of the most basic power supply topologies is the buck regulator, as shown in Figure 1. EMI starts off from the high di/dt loops. The supply wire, as well as the load wire should not have high ac current content. Accordingly, the input capacitor, C2 should source all the relevant ac to the output capacitor, C1, where any ac ends.
אחת מטופולוגיות אספקת החשמל הבסיסיות ביותר היא ה- buck regulator המוצג באיור 1. EMI מתחיל מלולאות di/dt גבוהות. כבל האספקה, כמו גם כבל ההעמסה, אינם מצריכים תוכן זרם ac גבוה. לפיכך, קבל קלט, C2 צריך להיות המוצא לכל רלוונטי לקבל הפלט, C1, של כל נקודת סיום ac.
- איור 1 buck regulator סכמטי סינכרוני
אם נביט בתרשים 1, במהלך on cycle כאשר M1 סגור ו- M2 פתוח, ה– acמתקדם בלולאה הכחולה הרציפה. במהלך off cycle, כאשר M1 פתוח ו- M2 סגור, ה– acמתקדם בלולאה הירוקה המנוקדת. רוב האנשים מתקשים להבין כי הלולאה המייצרת את ה- EMI הגבוהה ביותר אינה הלולאה הכחולה הרציפה ולא הלולאה הירוקה המנוקדת. רק בלולאה האדומה המנוקדת יש ac שהופעל במלואו, עובר מאפס ל- I peak ואז וחוזר לאפס. הלולאה האדומה המנוקדת מכונה בשם לולאה חמה () משום שיש בה את ה- ac ואת אנרגיית ה- EMI הגבוהים ביותר.
מה שגורם לרעש אלקטרומגנטי וצלצול זה di/dt גבוה והשראה פרזיטית. על מנת להפחית את ה- EMI ולשפר את הפונקציונליות, יש לצמצם ככל האפשר את השפעת הקרינה של הלולאה האדומה המנוקדת. נוכל לפתור את הבעיה בעזרת צמצום שטח לוח ה- PC של הלולאה האדומה המנוקדת לאפס ורכישת קבלים אידיאליים עם אפס השהייה. אולם, בעולם האמיתי, על מהנדס התכנון למצוא פשרה מיטבית!
אבל מהיכן מגיע כל רעש התדירות הגבוהה הזה? ובכן, במעגלים אלקטרוניים, מעברי מיתוג מזווגים בעזרת נגדים טפילים, משרנים, וקבלים ליצירת הרמוניות בתדירות הגבוהה. אם כן, מאחר שאנחנו יודעים מהיכן הרעש מגיע, מה ניתן לעשות כדי לצמצם אותו? הדרך המסורתית לעשות זאת היא להאט את קצוות המעבר של MOSFET. ניתן להשיג זאת על ידי האטה של דרייבר המתג הפנימי או על ידי הוספה חיצונית של snubbers.
אולם פעולה זו תפחית את היעילות של הממיר עקב איבוד מעבר רב יותר – במיוחד אם ה- switcher פועל בתדר switching גבוה של, נניח, 2 MHz. ובהקשר זה, מדוע אנחנו צריכים 2 MHz? ובכן, יש לכך למעשה מספר סיבות:
–זה מאפשר שימוש ברכיבים חיצוניים קטנים יותר (מבחינת גודלם), כגון קבלים ומשרנים. לדוגמה, כל הכפלה של תדר switching מפחיתה בחצי את ערך ההשראה ואת ערך קיבול המוצא.
–ביישומי כלי רכב, switching ב- 2 MHz מרחיק רעש מ- AM radio band.
ניתן להשתמש גם במסננים ובמיגון, אבל העלות של כך גבוהה יותר מבחינת הרכיבים החיצוניים באזור הלוח המעגל. ניתן גם להשתמש ב- Spread spectrum frequency modulation (SSFM) – טכניקה זו מקצרת את שעון המערכת בטווח ידוע. ה- SSFM מסייע לעמוד בתקני EMI. אנרגיית EMI מופצת על גבי תחום התדרים. למרות שלרוב בוחרים שתדר ה- switching יהיה מחוץ לטווח AM (530 kHz – 1.8 MHz), הרמוניות switching לא מתווכות עדיין יכולות להפר את דרישות ה- EMI המחמירות בתוך ה- AM band. הוספת SSFM מפחיתה באופן משמעותי את ה- EMI בתוך ה- AM band כמו גם באזורים אחרים.
לחלופין, ניתן פשוט להשתמש בטכנולוגיית ADI’s Silent Switcher משום שהיא מספקת את כל הנקודות המתוארות מבלי צורך להתפשר:
–יעילות גבוהה
–תדר switching גבוה
–נמוך EMI
טכנולוגיית Silent Switcher
התקן Silent Switcher שובר את הצורך להתפשר בין EMI ויעילות על ידי כך שהוא אינו מצריך להאט שיעורי ה- switch edge. השאלה הנשאלת היא כיצד ניתן להשיג זאת? חשבו על LT8610, כפי שמוצג באיור 2 (צד שמאל). זהו ממיר buck סינכרוני V 42, מונוליטי (FETs בפנים) שיכול לספק זרם פלט עד 2.5 A. שימו לב שיש לו סיכת קלט אחת (VIN) בפינה השמאלית העליונה.
- איור 2. כיצד להפוך LT8610 להתקן Silent Switcher – ה- LT8614.
אולם, כאשר משווים את ה- LT8610 ל- LT8614 (ממיר buck סינכרוני V 42, מונוליטי, שיכול לספק זרם פלט עד 4 A), ניתן לראות של- LT8614 יש שתי סיכות VIN ושני סיכות ground בצד הנגדי של המארז. לכך יש משמעות רבה, שכן זה חלק ממה שהופך אותו ל- silent switching!
כיצד להכין Switcher Silent
- איור 3. תרשים של LT8614 המציג את מכסי המסננים בין סיכות ה- מסננים VIN וסיכות ה- ground על הצדדים המנוגדים של ה- IC.
אם כן, כיצד אנחנו מצליחים לעשות את מה שאנחנו עושים? ההצבה של שני קבלי קלט בצדדים הנגדיים של השבב בין סיכות ה- VIN וסיכות ה- ground מבטל את השדות המגנטיים. ניתן לראות זאת בבירור בעזרת החצים האדומים המצביעים על מיקום הקבל, הן על הלוח הסכמטי והן על לוח הדמו, כפי שמוצג באיור 3.
פרטים נוספים אודות ה– LT8614
ה– LT8614 משלב יכולות Silent Switcher. בעזרתו הצלחנו להפחית את ההשראה הפרזיטית תוך שימוש במארז copper pillar flip-chip. יתרה מזאת, ישנם מכסי VIN, ground וקלט מנוגדים על מנת לאפשר את ביטול השדה המגנטי (כלל יד ימין חל) וצמצום פליטות EMI.
צמצום ההשראה הפרזיטית של המארז מושג על ידי ביטול חוטי long bond של טכניקת wire-bonded assembly, הגורמת להתנגדות פרזיטית והשראה. השדות המגנטיים המנוגדים מהלולאות החמות מבטלים זה את זה והלולאה החשמלית אינה נתקלת רואה בשדה מגנטי נטו.
השווינו את ה- LT8614 Silent Switcher regulator ל- switching regulator העדכני, ה- LT8610. הבדיקה נערכה בתא GTEM באמצעות אותם עומסים, מתח קלט זהה, ואותו משרן על גבי לוחות דמו סטנדרטיים לשני החלקים. הוצג שיפור של 20 dB כאשר נעשה שימוש ב- LT8614 לעומת ביצועי EMI הטובים של ה- LT8610, בייחוד באותם אזורי תדר גבוה הקשים יותר לניהול. זה מאפשר עיצובים פשוטים וקומפקטיים יותר שכן מיתוג אספקת החשמל של ה- LT8614 מצריך פחות סינון ומרחק בהשוואה למערכות רגישות אחרות בתכנון הכולל. יתר על כן, בתחום הזמן, ה-LT8614 מציג התנהגות טובה מאוד על קצוות ה- switch node.
- איור 4. ביצועי ה- EMI של LT8614 עומדים במגבלות המחמירות ביותר של CISPR 25 Class 5.
שיפורים נוספים להתקני Silent Switcher
למרות של- LT8614 יש ביצועים מרשימים, אנו לא מפסיקים לשפר את ביצועיו. וכך, וסת מוריד המתח LT8640 מציג תכונות ארכיטקטורת Silent Switcher שנועדו למזער פליטת EMI / EMC תוך מתן יעילות גבוהה בתדרים של עד 3 MHz. ההרכבה היא ב- QFN 3 מ”מ × 4 מ”מ, מבנה מונוליטי עם מתגי כוח משולבים והכללת כל מה שנחוץ על מנת לתת פתרון בעל טביעת רגל PCB מינימלית. התגובה הזמנית נותרה מצוינת ומתח הפלט הינו מתחת ל- 10 mV p-p בכל עומס, מאפס ועד זרם מלא. ה- LT8640 מאפשר המרה מ- VIN גבוה ל– VOUT נמוך בתדר גבוה עם מתג עליון מהיר מינימלי מתוזמן של 30 ns.
על מנת לשפר את ה- EMI / EMC, ה– LT8640 יכול לפעול במצב spread spectrum. תכונה זו משנה את השעון עם אפנון תדר משולש של 20%. כאשר LT8640 נמצא במצב spread spectrum frequency modulation, אפנון התדר המשולש משמש לשינוי תדר המיתוג בין הערך המתוכנת על ידי RT לערך הגבוה בכ- 20% מערך זה. תדר האפנון הוא כ- 3 kHz. למשל, כאשר LT8640 מתוכנת ל 2 MHz, התדר ישתנה מ- 2 MHz ל- 2.4 MHz בקצב של 3 kHz. כאשר בוחרים ב- spread spectrum operation, ה- Burst Mode® operation מושבתת והרכיב יפעל או במצב דילוג (pulse-skipping) או במצב רציף כפוי (forced continuous).
אף על פי כן, למרות כל מה שמפורט בגיליון הנתונים של ה- Silent Switcher, כגון הצגת המלצות סכימטיות ופריסה, כמו גם מיקום קבלי הקלט קרוב ככל הניתן ל- IC משני הצדדים – חלק מהלקוחות שלנו עדיין עושים טעויות. ולא רק זאת, גם מהנדסי הבית שלנו הקדישו זמן רב מדיי לתיקון פריסות ה- PCB של הלקוחות שלנו. לכן המתכננים שלנו הגו פתרון מבריק לבעיה זו – הארכיטקטורה של Silent Switcher 2.
Silent Switcher 2
בעזרת טכנולוגיית Silent Switcher 2 אנחנו פשוט משלבים את הקבלים בתוך מארז LQFN חדש: מכסי VIN, IntVCC, ןמכסי boost – המאפשרים מיקום קרוב ככל האפשר לסיכות. היתרונות כוללים את כל הלולאות החמות והמשטחים בפנים, והתוצאה היא רמות EMI נמוכות יותר. הצורך בפחות רכיבים חיצוניים משמעו טביעת רגל קטנה יותר. בנוסף, הצלחנו לבטל גם רגישות פריסת ה- PCB.
איור 5 מציג את השוני בסכמות LT8640 ו- LT8640S. ופריצת הדרך השיווקית היתה לספק את הגרסה החדשה, גרסה ברמת אינטגרציה טובה יותר עם מכסים פנימיים בסיומת “S“. וזה בגלל שהוא “שקט” הרבה יותר מהדור הראשון!
- איור 5. LT8640S הוא התקן Silent Switcher 2 עם רמת אינטגרציה גבוהה יותר של קבלים.
טכנולוגיית Silent Switcher 2 מאפשרת ביצועים תרמיים טובים יותר. המשטח הגדול עם ריבוי רפידות חשופות על מארז LQFN flip-chip, מקל על משיכת החום מהמארז ולתוך ה-PCB. בנוסף אנו מקבלים יעילות המרה גבוהה יותר מכיוון שביטלנו את ה- bond wires בעלי ההתנגדות הגבוהה. ביצועי ה- EMI של ה- LT8640S עוברים בקלות את גבולות שיא ביצועי ה- EMI CISPR 25 Class 5 עם שוליים רחבים.
השלב הבא: שילוב הכל בעזרת וסתי Silent Switcher 2 μModule
- איור 6. The LTM8053 Silent Switcher 2 μModule.
טכנולוגיית Silent Switcher הינה כל כך מבטיחה שבחרנו לשלב אותה בקו מוצרי ה- μModule regulator שלנו. ב- form factor זה הכל משולב בתוך מארז אחד והמשתמש מקבל פשטות תפעול, אמינות, ביצועים וצפיפות הספק גבוהה. ה- LTM8053 וה– LTM8073 הם micromodule regulators שבהם הכל משולב עם מספר מועט של קבלים ונגדים חיצוניים.
סיכום
לסיכום, היכולות והיתרונות הטמונים ב- Silent Switcher יקלו עליכם בתכנון switch mode power supply ולעמוד במגוון תקני חסימת הרעש, כגון CISPR 32 ו- CISPR 25. הם יכולים לעשות זאת בקלות וביעילות בשל התכונות הבאות שלהם:
–יעילות המרה טובה יותר גבוהה בתדר switching גדול מ- 2 MHz עם השפעה מינימלית על יעילות ההמרה.
–קבלים לעיקוף פנימי להפחתת קרינת EMI ומתן פתרון קומפקטי עם טביעת רגל קטנה יותר.
–הרגישות לפריסת PCB מבוטלת למעשה בעזרת טכנולוגיית Silent Switcher 2.
–אפשרות spread spectrum modulation מסייעת להפחית את הרגישות לרעש.
–שימוש בהתקני Silent Switcher חוסך שטח PCB ויכול גם להפחית את מספר השכבות הנחוצות.
טוני ארמסטרונג [tony.armstrong@analog.com] הוא כיום מנהל שיווק מוצר ב- Analog Devices’ Power by Linear product group. הוא אחראי על כל ההיבטים של המרת כוח וניהול מוצרים מהצגתם. לפני שהצטרף ל- ADI, טוני החזיק במגוון תפקידים חום השיווק, המכירות והתפעול בחברות Linear Technology, Siliconix Inc., Semtech Corp., Fairchild Semiconductors, ואינטל. הוא השלים את תואר ה-B.S. (בהצטיינות) במתמטיקה שימושית מאוניברסיטת מנצ’סטר, אנגליה.
