Zapewnienie niskoszumowego zasilania układów FPGA i ASIC, charakteryzującego się dużą gęstością mocy i niewielkimi rozmiarami

Cyfrowe układy scalone o wysokich wymaganiach prądowych, jak bezpośrednio programowalne macierze bramek (FPGA) i specjalizowane układy scalone (ASIC), coraz częściej znajdują się w centrum wbudowanych systemów w zastosowaniach z dziedziny motoryzacji, medycyny, telekomunikacji, przemysłu, gier i sprzętu audiowizualnego. Wiele z tych zastosowań, takich jak samochodowe systemy wspomagania kierowcy (ADAS) ma charakter krytyczny, i wymaga wysokiej niezawodności, na przykład w przypadku centrów danych.

Oprócz wymagań prądowych, stosowanie urządzeń o niższym napięciu wiąże się z koniecznością uwzględnienia ścisłych specyfikacji tolerancji dla ich szyn zasilających. Wydajne i dokładne dostarczanie mocy i szybkie działanie w stanach nieustalonych, stabilność i niski poziom szumów mają kluczowe znaczenie dla wydajności i integralności systemu.

W typowych kontrolerach regulatorów przełączających i podsystemach zasilających mogą występować problemy z szumami zarówno na szynach wyjściowych, jak i w postaci promieniowanych zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), zakłóceń o częstotliwościach radiowych (RFI), nieodpowiedniej odpowiedzi impulsowej oraz ograniczeń w rozplanowaniu. Do minimalizacji szumów w niektórych zastosowaniach wykorzystuje się małe i ciche regulatory napięcia o niskim spadku (LDO) zapewniające lepszą wydajność w porównaniu do starszych LDO. Jednak nawet wspomniane regulatory LDO zazwyczaj nie mogą spełnić wymagań dotyczących sprawności systemu, co powoduje problemy z rozpraszaniem ciepła.

Wydajną alternatywą są regulatory przełączające, jednak charakteryzują się one wyższym poziomem szumów ze względu na funkcję zegara i przełączania. Wykorzystanie wszystkich zalet tych urządzeń przełączających wymaga redukcji szumów.

Na szczęście pojawiły się nowe sposoby na zrównoważenie szumów i wydajności. W tym artykule przyjrzymy się ostatnim innowacjom w projektowaniu układów konwersji mocy o wysokiej sprawności i minimalnych wymaganiach przestrzennych, a także znacznie obniżonych szumach regulatora przełączającego. Opisano w nim, w jaki sposób innowacyjne regulatory przełączające mogą spełnić wiele celów związanych z obciążeniami w zakresie napięcia poniżej 10A, a jako przykłady przedstawiono małe układy scalone Silent Switcher z grupy LTC33xx firmy Analog Devices.

Imperatyw prądowo-napięciowy

Kiedy w drugiej połowie ^XX wieku wynaleziono tranzystory i układy scalone, wśród ich licznych zalet było bardzo niskie zapotrzebowanie na moc w stosunku do funkcji w porównaniu z lampami próżniowymi, które zastąpiły. Współczynnik ten z łatwością osiągał wartość 100 i więcej. Jednak postęp ten szybko doprowadził do zwiększenia gęstości funkcji przypadających na urządzenie i płytkę drukowaną do tego stopnia, że układy scalone wymagają obecnie dziesiątków amperów na szynę, a często również wielu szyn.

Do układów scalonych, które wymagają tak dużych wartości prądu i ostatecznie muszą rozpraszać duże ilości mocy w postaci ciepła, zaliczają się bezpośrednio programowalne macierze bramek (FPGA) oraz specjalizowane układy scalone (ASIC). Oba te układy są powszechnie stosowane w w przemyśle elektronicznym w urządzeniach wbudowanych, między innymi w urządzeniach samochodowych, medycznych, przemysłowych, komunikacyjnych, przeznaczonych do gier i konsumenckich urządzeniach audiowizualnych.

Prąd potrzebny dla urządzeń FPGA lub ASIC może być dostarczany przez przetwornice prądu zmiennego na stały dla urządzeń zasilanych z sieci lub przetwornice prądu stałego dla urządzeń z zasilaniem bateryjnym. W obu przypadkach potrzebny jest kolejny regulator obniżający prądu stałego zapewniający napięcie rzędu kilku woltów na szynie i zarządzanie nim przy wymaganych poziomach prądu obciążenia.

Jednym ze sposobów zapewnienia niezbędnej mocy jest użycie pojedynczego regulatora obniżającego prądu stałego do obsługi wszystkich urządzeń na płytce drukowanej i umieszczenie go z boku lub w rogu płytki, aby lepiej zarządzać rozpraszaniem ciepła i uprościć architekturę przetwarzania prądu stałego na poziomie systemu.

Jednak to prosto brzmiące rozwiązanie wiąże się z pewnymi problemami:

• Po pierwsze, występuje nieunikniony spadek napięcia spowodowany przepływem prądu przez rezystancję (IR) między regulatorem a obciążeniami ze względu na odległość i wysokie poziomy prądu (spadek ΔV = prąd obciążeniowy I × rezystancja ścieżki (R)). Rozwiązaniem tego problemu jest zwiększenie szerokości lub grubości ścieżek na płytce drukowanej, bądź zastosowanie stojących szyn zbiorczych, ale zajmują one cenną powierzchnię płytki i zwiększają koszty wykazu materiałów (BOM).
• Technika rozwiązująca problem spadku IR polega na zdalnym pomiarze napięcia na obciążeniu, ale działa dobrze tylko w przypadku jednopunktowego, nierozproszonego obciążenia. Wiąże się to również z nowymi problemami dotyczącymi potencjalnych oscylacji, ponieważ indukcyjność dłuższej szyny zasilającej i przewodów pomiarowych może wpływać na parametry działania regulatora i szyn w stanach nieustalonych.
• Ponadto, co jest często najtrudniejsze do opanowania, dłuższe szyny zasilające również zbierają więcej zakłóceń elektromagnetycznych i zakłóceń o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI) lub promieniują szumy na swojej długości, działając jak anteny. Rozwiązanie to zwykle wymaga zastosowania dodatkowych kondensatorów bocznikujących, elementów ferrytowych w linii i innych środków. W zależności od wielkości i częstotliwości, wspomniane szumy mogą zakłócać działanie obciążeń i utrudniać spełnienie różnych wymogów prawnych dotyczących emisji szumów.

Problem szumów w odniesieniu do sprawności

Należy zauważyć, że problem szumów w odniesieniu do sprawności w przypadku regulatorów prądu stałego różni się od typowych kompromisów w projektowaniu i inżynierii. W takiej sytuacji często chodzi o ocenę kompromisu i znalezienie złotego środka, w którym korzystne i niekorzystne cechy się równoważą.

Czym różni się ta sytuacja? Większość scenariuszy kompromisu pozwala na świadomą akceptację mniejszej wartości określonego parametru w zamian za większą wartość innego w kontinuum kompromisów (ilustracja 1, u góry).

Ilustracja 1: w większości projektów inżynier może ocenić, a następnie zastosować kompromis w wydajności wzdłuż dość ciągłej ścieżki (góra), ale w przypadku szumów i sprawności regulatorów przełączających w stosunku do LDO projekty kończą po jednej albo po drugiej stronie przy niewielkiej środkowej części (dół). (Źródło ilustracji: Bill Schweber)

Dla przykładu, projektant może zastosować wzmacniacz operacyjny o większym poborze prądu (wada), aby uzyskać wyższą szybkość narastania (zaleta) w porównaniu z innym wzmacniaczem operacyjnym. Kompromis ten może być akceptowalny lub konieczny w tym zastosowaniu.

Jednak w przypadku regulatorów przełączających i regulatorów napięcia o niskim spadku (LDO), charakterystyki szumów i wydajności są w dużej mierze nieodłączną cechą ich budowy. Projektant nie może powiedzieć na przykład, że zaakceptuje regulator LDO z szumami większymi o 20% w zamian za poprawę sprawności o 10% - taki rodzaj kompromisu nie występuje. Zamiast tego istnieje luka w zakresie cech i kompromisów (ilustracja 1, u dołu).

Regulatory w technologii Silent Switcher jako rozwiązanie dylematu kompromisu

Alternatywnym i zazwyczaj lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie pojedynczych regulatorów prądu stałego umieszczonych jak najbliżej swoich obciążeniowych układów scalonych. Minimalizuje to spadek napięcia spowodowany przepływem prądu przez rezystancję (IR), powierzchnię płytki drukowanej oraz zbieranie i oddawanie szumów szyny. Jednak aby to podejście było opłacalne, konieczne jest zastosowanie małych, wydajnych, regulatorów niskoszumowych w pobliżu obciążenia i nadal spełnianie wszystkich wymagań prądowych.

To właśnie tutaj wiele regulatorów w technologii Silent Switcher rozwiązuje problem. Regulatory te nie tylko zapewniają napięcie wyjściowe rzędu kilku woltów przy natężeniu prądu od kilku do 10A, ale dzięki zastosowaniu wielu innowacji konstrukcyjnych robią to przy wyjątkowo niskim poziomie szumów.

Regulatory te zmieniają konwencjonalne podejście do różnicy między regulatorami LDO a regulatorami przełączanymi dzięki urządzeniom w technologii Silent Switcher 1 (pierwsza generacja) i Silent Switcher 2 (druga generacja). Projektanci tych urządzeń zidentyfikowali różne źródła szumów i opracowali sposoby tłumienia każdego z nich.

Warto zauważyć, że regulatory Silent Switcher nie wykorzystują znanej i sprawdzonej techniki widma rozproszonego polegającej na dodawaniu pseudolosowego szumu do sygnału zegara. Poszerza to widmo szumu, jednocześnie zmniejszając jego amplitudę przy częstotliwości zegara i jego harmonicznych. Chociaż stosowanie taktowania z rozproszonym widmem może ułatwić spełnienie limitów prawnych, nie zmniejsza ono łącznej energii szumów i może lokować pewne szumy w widmie wpływającym na parametry działania obwodu.

Zalety stosowania urządzeń w technologii Silent Switcher 1 obejmują niski poziom zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), wysoką sprawność i wysoką częstotliwość przełączania, która przenosi znaczną część pozostałych szumów z dala od części widma potencjalnie zakłócającego działanie systemu lub powodującego problemy zgodności z przepisami. Zalety technologii Silent Switcher 2 obejmują wszystkie cechy technologii Silent Switcher 1 oraz zintegrowane kondensatory precyzyjne, mniejsze rozmiary rozwiązania i eliminację zależności od układu płytki drukowanej.

Dzięki niewielkim rozmiarom (zaledwie kilka milimetrów kwadratowych) i sprawności, omawiane regulatory przełączające mogą być umieszczone bardzo blisko odbiorników FPGA lub ASIC, maksymalizując w ten sposób parametry działania i eliminując niepewność pomiędzy specyfikacjami wydajnościowymi zawartymi w arkuszu danych a rzeczywistym działaniem. Zmieniają one dylemat binarnego wyboru pomiędzy akceptacją większych szumów albo niższej sprawności i pozwalają na uzyskanie najlepszych z obu atrybutów pod względem szumów i sprawności.

W jaki sposób uzyskano zalety technologii Silent Switcher? Dokonano tego dzięki wielopłaszczyznowemu podejściu:

• Główną przyczyną szumów w zasilaczu impulsowym są prądy przełączania, a nie stanu ustalonego. W topologii typowego regulatora przełączającego istnieje droga przepływu prądu zwana gorącą pętlą. Nie jest ona niezależną, a jedynie wirtualną pętlą prądową składającą się z komponentów dwóch rzeczywistych pętli prądowych (ilustracja 2).

Ilustracja 2: topologia typowego regulatora przełączającego zawiera wirtualną pętlę prądową zwaną gorącą pętlą składającą się z komponentów dwóch rzeczywistych pętli prądowych i posiadającą przełączane przepływy prądowe. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Dzięki integracji kondensatorów wejściowych w obudowie układu scalonego, technologia Silent Switcher 2 firmy Analog Devices sprawia, że krytyczne gorące pętle są jak najmniejsze. Ponadto dzięki podzieleniu gorącej pętli na dwa symetryczne segmenty, powstają dwa pola magnetyczne o przeciwnej polaryzacji, a promieniowane szumy są w znacznym stopniu redukowane.

• Architektura drugiej generacji obsługuje szybkie przełączanie i umożliwia uzyskanie wysokiej sprawności przy wysokich częstotliwościach przełączania, jednocześnie osiągając dobre parametry EMI. Wewnętrzne kondensatory ceramiczne na wejściu prądu stałego (V_IN) sprawiają, że wszystkie szybkie pętle prądu zmiennego są niewielkie, poprawiając parametry EMI.
• Architektura Silent Switcher wykorzystuje opatentowane techniki projektowania i konstrukcji obudowy w celu maksymalizacji sprawności przy bardzo wysokich częstotliwościach i uzyskania ultraniskich zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), z łatwością spełniając limity szczytowych EMI klasy 5 wg normy CISPR 25 dzięki zastosowaniu kompaktowych i wytrzymałych konstrukcji.
• Zastosowano aktywne pozycjonowanie napięcia (AVP), czyli technikę, w której napięcie wyjściowe jest zależne od prądu obciążeniowego. Przy niewielkim obciążeniu napięcie wyjściowe jest regulowane powyżej, a przy pełnym obciążeniu poniżej wartości nominalnej. Regulacja prądu stałego obciążenia jest ustawiana w celu poprawy parametrów działania w stanach nieustalonych i zmniejszenia wymagań dotyczących kondensatorów wyjściowych.

Różnorodność grup regulatorów Silent Switcher

Istnieje wiele grup i modeli regulatorów Silent Switcher o różnych parametrach znamionowych napięcia i prądu w obrębie poszczególnych grup. Niektóre dodatkowe cechy, takie jak ustalone lub nastawne wyjście, zależą od modelu. Do grupy urządzeń LTC33xx należą:

• LTC3307: synchroniczny obniżający regulator Silent Switcher, 5V, 3A, w obudowie LQFN o wymiarach 2mm × 2mm
• LTC3308A: synchroniczny obniżający regulator Silent Switcher, 5V, 4A, w obudowie LQFN o wymiarach 2mm × 2mm
• LTC3309A: synchroniczny obniżający regulator Silent Switcher, 5V, 6A, w obudowie LQFN o wymiarach 2mm × 2mm
• LTC3310: synchroniczny obniżający regulator Silent Switcher 2, 5V, 10A, w obudowie LQFN o wymiarach 3mm × 3mm

Patrząc bardziej szczegółowo, urządzenie jest bardzo małą, niskoszumową, monolityczną obniżającą przetwornicą prądu stałego dostarczającą maksymalnie 10A prądu wyjściowego z zasilania wejściowego od 2,25 do 5,5V. Zakres V_OUT wynosi od 0,5V do V_IN. Częstotliwość przełączania obejmuje zakres od 500kHz do nawet 5MHz. Wymaganych jest niewiele zewnętrznych komponentów pasywnych, a jego sprawność wynosi około 90% w większości zakresu obciążeń wyjściowych (ilustracja 3).

Ilustracja 3: obniżający regulator prądu stałego LTC3310 wymaga zewnętrznych komponentów aktywnych i zapewnia wysoką sprawność w większości zakresu obciążeń. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Jest on dostępny w czterech podstawowych wersjach. Urządzenia zapewniają niski poziom zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), wysoką sprawność przy częstotliwościach przełączania sięgających 5MHz. Istnieją wersje z grupy LTC3310, które posiadają kwalifikację do zastosowań motoryzacyjnych AEC-Q100. Należy zauważyć, że zarówno urządzenia pierwszej generacji (SS1) LTC3310, jak i drugiej generacji (SS2) - LTC3310S i LTC3310S-1 - są dostępne z nastawnym i ustalonym wyjściem (tabela 1):

Tabela 1: Regulator LTC3310 jest dostępny w czterech podstawowych wersjach o konstrukcji pierwszej i drugiej generacji wyposażonej w ustalone i nastawne wyjścia. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

W przypadku wersji nastawnych, napięcie wyjściowe jest zaprogramowane poprzez dzielnik rezystorowy pomiędzy wyjściem a wtykiem sprzężenia zwrotnego (FB) przy użyciu prostego równania do określenia prawidłowej wartości rezystora (ilustracja 5).

Ilustracja 5: określenie napięcia wyjściowego nastawnych urządzeń LTC3310 wymaga jedynie podstawowej sieci dzielnika rezystorowego opartej na prostym równaniu. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Poziomy szumów są zwykle rzędu dziesiątek mikrowoltów. Dwoma kluczowymi miernikami niskoszumowych parametrów działania urządzeń LTC3310 są testy wykonywane zgodnie z odpowiednimi limitami szczytowymi klasy 5 CISPR25. Obejmują one szumy przewodzone (ilustracja 6) oraz promieniowane w płaszczyźnie poziomej i pionowej (ilustracja 7).

Ilustracja 6: prawidłowo umieszczony regulator oparty na regulatorze LTC3310S spełnia rygorystyczne limity CISPR25 dotyczące emisji przewodzonych zakłóceń elektromagnetycznych (szczytowe klasy 5). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Ilustracja 7: w przypadku testów emisji promieniowanych urządzenie LTC3310S spełnia wymagania CISPR25 zarówno dla płaszczyzny poziomej (po lewej) jak i pionowej (po prawej). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Kolejną wartą uwagi cechą grupy LTC3310 jest łatwość, z jaką urządzenia mogą być używane równolegle do pracy wielofazowej przy wyższych wartościach prądu, co jest funkcją, której wiele innych regulatorów przełączających nie obsługuje lub obsługuje z trudem. Najprostsze łączenie równoległe dotyczy pracy dwufazowej i pozwala na uzyskanie prądu do 20A (ilustracja 8). Metoda ta może być łatwo rozszerzona na trzy, cztery lub więcej faz i odpowiednio wyższe wartości prądu.

Ilustracja 8: za pomocą kilku dodatkowych komponentów można połączyć dwa lub więcej urządzeń LTC3310 w celu uzyskania wielofazowej pracy przy wyższej wartości prądu; ukazano konfigurację dwufazową/20A. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Płytki ewaluacyjne skracają cykl projektowania

Zastosowanie takich regulatorów jak LTC3310 jest proste, ponieważ nie posiadają one rejestrów inicjujących, funkcji sterowanych programowo czy innych skomplikowanych ustawień. Tym niemniej ze względów technicznych warto mieć możliwość oceny ich statycznych i dynamicznych parametrów działania oraz optymalizacji wartości komponentów pasywnych przed podjęciem decyzji o ostatecznym układzie lub specyfikacji wykazu materiałów (BOM). Dostępność płytek ewaluacyjnych LTC3310 znacznie ułatwia ten proces. Firma Analog Devices oferuje wybór takich płytek dostosowanych do różnych wersji i konfiguracji LTC3310:

• DC3042A obsługuje urządzenie LTC3310 z nastawnym wyjściem (ilustracja 9).

Ilustracja 9: płytka ewaluacyjna DC3042A jest przeznaczona dla urządzenia LTC3310 z ustawianym przez użytkownika napięciem wyjściowym. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Oprócz instrukcji dotyczących podstawowych ustawień i obsługi, dokumentacja zawiera schemat, układ płytki i wykaz materiałów (BOM). Wskazane są w niej również różne punkty pomiarowe i połączenia, a także układ pomiaru tętnień wyjściowych i odpowiedzi skokowej (ilustracja 10).

Ilustracja 10: podręcznik płytki demonstracyjnej DC3042A wskazuje punkty pomiarowe i połączenia (u góry), a także ustawianie i konfigurację pomiaru tętnień wyjściowych oraz odpowiedzi skokowej. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

• Dla urządzenia LTC3310S-1 o ustalonym napięciu wyjściowym dostępna jest płytka ewaluacyjna DC3021A (ilustracja 11).

Ilustracja 11: dla modelu LTC3310S-1 z napięciem wyjściowym, które nie jest nastawiane przez użytkownika, odpowiednim wyborem jest płytka ewaluacyjna DC3021A. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

• Dla nieco bardziej skomplikowanych wielofazowych układów równoległych dostępna jest płytka DC2874A-C (ilustracja 12). Wspomniana płytka ewaluacyjna urządzenia LTC3310S zawiera wielofazowy regulator obniżający o częstotliwości 2,0MHz i napięciu 3,3-1,2V. Płytka DC2874A występuje w trzech wariantach konstrukcyjnych, które zapewniają rozwiązania z wyjściem dwufazowym/20A, trójfazowym/30A lub czterofazowym/40A.

Ilustracja 12: płytka ewaluacyjna DC2874A-C dla urządzenia LTC3310S jest dostępna w trzech wersjach konstrukcyjnych: z wyjściem dwufazowym/20A, trójfazowym/30A lub czterofazowym/40A. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Stosując urządzenie LTC3310S i inwestując trochę czasu w odpowiednią płytkę ewaluacyjną oraz podręcznik użytkownika, projektanci mogą zminimalizować czas potrzebny na wykonanie regulatora prądu stałego.

Podsumowanie

Do tej pory inżynierowie musieli wybierać pomiędzy dwiema sprzecznymi ze sobą topologiami regulatorów prądu stałego o wyraźnie przeciwstawnych atrybutach. Regulatory napięcia o niskim spadku (LDO) zapewniają bardzo niskie szumy wyjściowe prądu stałego, ale też niską lub umiarkowaną sprawność, przez co stwarzają problemy termicznie przy prądach wyjściowych przekraczających około 1A. Z kolei regulatory przełączające oferują sprawność rzędu 90%, ale wprowadzają szumy do szyny wyjściowej prądu stałego, a także są źródłem szumów przewodzonych, a zwłaszcza promieniowanych, co może łatwo spowodować, że produkt nie przejdzie obowiązkowych testów.

Na szczęście grupy produktów Silent Switcher firmy Analog Devices wykorzystują szereg innowacyjnych technik projektowych, które pozwalają uniknąć dylematu „albo-albo”, dając w rezultacie regulatory o wysokiej sprawności, bardzo niskich szumach i niewielkich rozmiarach.