Wykorzystanie niewielkich, modułowych przetwornic prądu stałego do redukcji szumów szyny zasilającej

Szumy są nieodłącznym i zwykle nieuniknionym zjawiskiem w prawie wszystkich projektach systemów. Chociaż niektóre szumy pochodzą ze źródeł zewnętrznych i nie znajdują się bezpośrednio pod kontrolą projektanta obwodu, są one również generowane przez sam obwód. W wielu przypadkach jest bardzo ważne, aby projektant zminimalizował źródła szumów - zwłaszcza szumy na szynach zasilających - ponieważ mogą one wpływać na wrażliwe obwody analogowe i cyfrowe.

Rezultatem może być niestabilne działanie obwodu, zmniejszona rozdzielczość i dokładność, a w najlepszym przypadku wyższa bitowa stopa błędów (BER). W najgorszym przypadku mogą one spowodować całkowitą awarię systemu bądź częste lub powtarzające się problemy z parametrami działania, a jedne i drugie są trudne do zdiagnozowana.

W przypadku regulatorów przełączających prądu stałego i ich szyn wyjściowych występują dwa główne problemy z szumami: tętnienia i szumy promieniowane. Szumy generowane w obwodzie podlegają przepisom dotyczącym kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) i muszą być poniżej określonych poziomów w różnych pasmach częstotliwości.

Wyzwaniem dla projektantów jest zrozumienie szumów pochodzących z wewnątrz i ich źródła oraz stłumienie ich przez rozwiązania konstrukcyjne lub złagodzenie w inny sposób. W tym artykule do omówienia dostępnych opcji minimalizacji szumów z regulatora wykorzystamy regulatory prądu stałego firmy Monolithic Power Systems, Inc.

Zacznijmy od źródła i rodzaju szumów

Najłatwiejszym do zaobserwowania szumem, który ma bezpośredni wpływ na działanie układu są tętnienia z częstotliwością przełączania. Tętnienia te są zwykle rzędu 10 do 20mV (ilustracja 1). Nie mają one charakteru losowego, jednak nadal są przejawem szumu, który ma wpływ na parametry działania systemu. Miliwoltowy poziom takich tętnień nie stanowi na ogół problemu dla cyfrowych układów scalonych o wyższym napięciu, pracujących z szynami o napięciu 5V i wyższym, ale może być kłopotliwy w układach cyfrowych o niższym napięciu, pracujących poniżej 3V. Tętnienia na szynach zasilających są również istotnym problemem w przypadku precyzyjnych obwodów i komponentów analogowych, dlatego też specyfikacja współczynnika tłumienia wpływu zasilania (PSRR) dla takich urządzeń ma istotne znaczenie.

Ilustracja 1: tętnienia na szynie prądu stałego, będące wynikiem działania regulatora przełączającego, mogą mieć wpływ na podstawowe parametry działania układu lub precyzję wyników. (Źródło ilustracji: Monolithic Power Systems, Inc.)

Przełączanie w regulatorze prądu stałego może również powodować emisję szumów o częstotliwości radiowej (RF). Nawet jeśli miliwoltowe tętnienia na szynie prądu stałego są tolerowane, istnieje również kwestia emisji elektromagnetycznych, które mogą zagrozić kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Szumy te mają znaną częstotliwość podstawową od kilku kiloherców do kilku megaherców (MHz) w zależności od konwertera przełączającego, a także wiele harmonicznych.

Wśród najczęściej cytowanych norm regulacyjnych związanych z EMC są CISPR 22 oraz CISPR 32, „Sprzęt informatyczny - charakterystyka zakłóceń radiowych - wartości graniczne i metody pomiaru” (CISPR to skrót od „Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques”). Istnieje również norma europejska EN 55022, wywodząca się głównie z normy produktowej CISPR 22, zawierająca testy przeprowadzane w ściśle określonych warunkach.

Norma CISPR 22 została przyjęta do stosowania przez większość członków Wspólnoty Europejskiej. Mimo że przepisy FCC Part 15 w USA i CISPR 22 zostały relatywnie dobrze zharmonizowane, to istnieją pewne różnice. Norma CISPR 22/EN 55022 została „wchłonięta” przez CISPR 32/EN 55032 - nową normę rodziny produktów dla urządzeń multimedialnych (MME), która obowiązuje jako norma zharmonizowana zgodnie z dyrektywą EMC.

Urządzenia przeznaczone głównie do użytku w środowisku mieszkalnym muszą spełniać wymagania klasy B, a wszystkie inne urządzenia muszą być zgodne z wymaganiami klasy A (ilustracja 2). Produkty przeznaczone na rynki Ameryki Północnej muszą spełniać ograniczenia określone w sekcji 15.109 przepisów Federal Communications Commission (FCC), Part 15, Subpart B, dotyczące niezamierzonych źródeł promieniowania. Tym samym, nawet jeśli szumy elektryczne wypromieniowane z regulatora prądu stałego nie wpływają negatywnie na sam produkt, szumy te mogą być nadal niedopuszczalnie wysokie w odniesieniu do spełnienia różnych wymogów regulacyjnych.

Ilustracja 2: jeden z wielu wykresów przedstawionych w normie CISPR 32/EN 55032, która definiuje wartości graniczne emisji w zależności od częstotliwości dla różnych klas produktów konsumenckich. (Źródło ilustracji: Akademia EMC, „Normy EMC”)

Radzenie sobie z problemami związanymi z kompatybilnością elektromagnetyczną jest skomplikowanym tematem i nie ma prostego rozwiązania. Między innymi pomiar i dopuszczalne limity tych emisji są funkcją częstotliwości roboczej obwodu, odległości, poziomu mocy i klasy zastosowania. Z tych powodów warto korzystać z wielu zasobów technicznych, a także konsultantów, którzy mogą być źródłem wskazówek wiedzy.

W związku z tym projektanci mają trzy podstawowe strategie minimalizacji szumów, aby uniknąć problemów z parametrami pracy obwodów, a także spełnić odpowiednie wymagania dotyczące szumów:

• użycie regulatora napięcia o niskim spadku (LDO),
• dodanie zewnętrznej filtracji do regulatora przełączającego, aby zmniejszyć szumy widziane przez obciążenie na szynach prądu stałego,
• wybór modułu regulatora przełączającego, który zawiera elementy, które w innych przypadkach są zewnętrzne w stosunku do układu scalonego regulatora, jak np. cewki indukcyjne lub kondensatory. Wynikowy moduł jest zaprojektowany w taki sposób, aby gwarantował niskie szumy na szynach, a więc wymagał minimalnego lub nie wymagał żadnego zewnętrznego filtrowania.

Zacznijmy od regulatora LDO

Ponieważ architektura regulatora LDO nie posiada zegara ani przełączania, charakteryzuje się z natury niskim poziomem szumów elektromagnetycznych (EMC) i brakiem tętnień na szynie wyjściowej. Każdego roku używane są setki milionów regulatorów LDO. W przypadku zastosowania w odpowiednim projekcie może on być skutecznym rozwiązaniem.

Na przykład dostarczany przez firmę Monolithic Power Systems regulator LDO MP20075 jest przeznaczony szczególnie dla aktywnych zakończeń magistrali dla synchronicznej pamięci dynamicznej o dostępie bezpośrednim (SDRAM) i podwójnym transferze danych (DDR) 2/3/3L/4 (ilustracja 3). Ten regulator LDO został umieszczony w 8-wtykowej obudowie MSOP i może odbierać i pobierać prąd o natężeniu do 3A przy ustawianym przez użytkownika napięciu między 1,05 a 3,6V i wyposażony jest w precyzyjne napięcie śledzenia V_REF/2 zapewniające precyzyjne zakończenie.

Ilustracja 3: regulator LDO MP20075 może odbierać lub dostarczać prąd o natężeniu do 3A i jest zoptymalizowany pod kątem potrzeb zakończeń różnych klas pamięci DDR SRAM. (Źródło ilustracji: Monolithic Power Systems)

Zintegrowany dzielnik MP20075 śledzi napięcie referencyjne (REF), aby zapewnić dokładne napięcia wyjściowe VTT i VTTREF, podczas gdy pomiar mostkiem Kelvina pomaga osiągnąć dokładność ±30mV dla VTT i ±18mV dla VTTREF. Ponadto, jak w przypadku większości LDO, topologia zamkniętej pętli analogowej zapewnia bardzo szybką reakcję na stany nieustalone obciążenia wyjściowego, rzędu zaledwie kilku mikrosekund (ilustracja 4). Taka odpowiedź na stany nieustalone jest często krytyczna w układach o dużej prędkości, takich jak zakończenia pamięci DDR SRAM, dla których zaprojektowano ten regulator LDO.

Ilustracja 4: analogowa konstrukcja regulatora LDO w pętli zamkniętej przyczynia się do bardzo szybkiej reakcji na stany nieustalone obciążenia; takie parametry pracy są niezbędne w zastosowaniach takich jak zakończenia pamięci DDR SRAM. (Źródło ilustracji: Monolithic Power Systems)

Pomimo z natury niskich szumów i łatwości użycia, regulator LDO ma pewne ograniczenia. Po pierwsze, jest on znacznie mniej wydajny niż regulator przełączający, co z kolei wiąże się z dwoma oczywistymi problemami: wydzielane przez niego ciepło zwiększa obciążenie termiczne układu, a zmniejszona sprawność ma wpływ na czas pracy urządzeń przenośnych zasilanych z baterii. Z tych powodów regulatory LDO są najczęściej stosowane dla prądów wyjściowych do około 1 - 3A (jak wykazuje MP20075), ponieważ powyżej tej wartości „koszt” sprawności często staje się zbyt wysoki.

Istnieje jeszcze jedno nieodłączne ograniczenie regulatorów LDO: mogą one zapewnić tylko regulację obniżającą i nie mogą podwyższać nieregulowanego zasilania prądem stałym na wejściu powyżej jego wartości nominalnej. Jeśli potrzebne jest wyjście w trybie podwyższania, regulator LDO jest z definicji wykluczany jako opcja regulatora prądu stałego.

Dopracujmy układ - dodajmy trochę filtrowania

Gdy regulator przełączający jest używany do pracy w trybie podwyższającym lub obniżającym, jego działanie przełączające jest nieodłącznym i nieuniknionym źródłem szumów. Dodanie dodatkowego filtrowania na wyjściu jest łatwiejsze, gdy regulator pracuje ze stałą częstotliwością. Rozważmy synchroniczny obniżający regulator przełączający MP2145 o napięciu 5,5V i prądzie 6A, umieszczony w 12-odprowadzeniowej obudowie QFN o wymiarach 2 × 3mm, ze zintegrowanymi tranzystorami MOSFET, odpowiednio 20mΩ i 12mΩ (ilustracja 5).

Ilustracja 5: synchroniczny obniżający regulator przełączający MP2145 o napięciu 5,5V i prądzie 6A, zawiera tranzystory MOSFET, odpowiednio 20mΩ i 12mΩ w obudowie QFN o wymiarach 2 × 3mm. (Źródło ilustracji: Monolithic Power Systems)

Synchroniczna przetwornica obniżająca, na przykład MP2145, zawiera kondensator wejściowy C_IN, dwa przełączniki (S1 i S2) z diodami podłożowymi, cewkę indukcyjną magazynującą energię (L) oraz kondensatory wyjściowe (C_OUT). Kondensatory wyjściowe (C_OUT) są umieszczone na wyjściu w celu wygładzenia napięcia wyjściowego w stanie ustalonym. Tworzą one filtr pierwszego stopnia i redukują tętnienia napięcia wyjściowego poprzez zapewnienie niskoimpedancyjnej drogi powrotu składowych napięcia do masy wysokiej częstotliwości.Zwykle taki bocznikowy kondensator wyjściowy może skutecznie zmniejszyć tętnienia napięcia wyjściowego do 1mV.

Aby jeszcze bardziej zredukować tętnienia napięcia wyjściowego, wymagany jest filtr wyjściowy drugiego stopnia, z filtrem indukcyjno-kondensatorowym (LC) kaskadowo połączonym z kondensatorami wyjściowymi pierwszego stopnia (ilustracja 6). Filtrująca cewka indukcyjna (L_f) stawia opór w zamierzonym zakresie wysokich częstotliwości i rozprasza energię zakłóceń w postaci ciepła. Cewka indukcyjna łączy się z dodatkowymi kondensatorami bocznikującymi tworząc dolnoprzepustowy układ filtrujący LC.

Ilustracja 6: dodanie filtra LC drugiego stopnia na wyjściu regulatora przełączającego, takiego jak MP2145, może zmniejszyć tętnienia wyjściowe. (Źródło ilustracji: Monolithic Power Systems)

Arkusze danych producenta i uwagi dotyczące zastosowań zawierają równania i wytyczne dotyczące określania wartości cewki indukcyjnej, kondensatora i rezystora tłumiącego w tym filtrze. Określają one również krytyczne parametry wtórne, takie jak maksymalna rezystancja cewki indukcyjnej dla prądu stałego (DCR) i prąd nasycenia oraz maksymalna wartość równoważnej rezystancji szeregowej (ESR) kondensatora. Typowe wartości indukcyjności mieszczą się w zakresie od 0,22µH do 1µH.

Rozmieszczenie tych komponentów jest również krytyczne dla osiągnięcia najwyższych możliwych parametrów działania. Źle zaprojektowany układ może powodować słabą regulację linii lub obciążenia, zwiększone tętnienia i inne problemy ze stabilnością. Kondensator wejściowy (Cin) układu MP2145 powinien być umieszczony jak najbliżej wtyków układu scalonego (ilustracja 7).

Ilustracja 7: kondensator wejściowy układu MP2145 (tutaj Cin, na dole po prawej oraz C1na schemacie na ilustracji 5) powinien znajdować się jak najbliżej wtyku 8 (wtyk wejściowy zasilania) oraz wtyków 10/11/12 (wtyki GND zasilania). (Źródło ilustracji: Monolithic Power Systems)

Moduły dają gwarancję parametrów działania

Moduły przenoszą implementację regulatorów prądu stałego na wyższy poziom integracji systemu. W ten sposób minimalizują lub eliminują one problemy związane z doborem i rozmieszczeniem elementów zewnętrznych i zapewniają gwarantowane specyfikacje. Moduły zawierają dodatkowe komponenty, przede wszystkim tradycyjną, nieco kłopotliwą, zewnętrzną cewkę indukcyjną. W związku z tym zmniejszają one wyzwania związane z doborem wielkości, rozmieszczeniem i orientacją elementów pasywnych, które mają wpływ na kompatybilność elektromagnetyczną i parametry pracy związane z tętnieniami.

Na przykład: moduł obniżający MPM3833C z wbudowanymi tranzystorami mocy MOSFET i cewką indukcyjną, zapewnia maksymalnie 3A ciągłego prądu wyjściowego przy napięciu wejściowym od 2,75 do 6V, a także doskonałą regulację obciążenia i linii (ilustracja 8). Do ukończenia projektu potrzebne są tylko rezystory sprzężenia zwrotnego, kondensatory wejściowe i kondensatory wyjściowe. Cewka indukcyjna, która jest zazwyczaj najtrudniejszym do obliczenia i umieszczenia elementem zewnętrznym, jest umieszczona wewnątrz modułu i dlatego nie stanowi problemu w odniesieniu do właściwego umiejscowienia w celu zminimalizowania zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) i tętnień.

Ilustracja 8: moduł regulatora prądu stałego MPM3833C zawiera cewkę indukcyjną, której zaprojektowanie i określenie specyfikacji jest trudne. (Źródło ilustracji: Monolithic Power Systems)

Moduł ten jest umieszczony w bardzo małej obudowie QFN-18 (2,5mm × 3,5mm × 1,6mm) i cechuje się napięciem tętnień na poziomie 5mV (typ.). Jego niski poziom emisji promieniowanych (EMI) jest zgodny z klasą B wg normy EN55022. Przedstawiono to na ilustracji 9 dla następujących warunków: V_IN = 5V, V_OUT = 1,2V, I_OUT = 3A, CO = 22pF, temperatura 25°C.

Ilustracja 9: z arkusza danych modułu regulatora prądu stałego MPM3833C wynika, że bez problemu spełnia on wymogi klasy B wg normy EN55022 dotyczące szumów promieniowanych. (Źródło ilustracji: Monolithic Power Systems)

Dzięki nowoczesnym technikom wykonywania mikroobudów całkowity rozmiar modułu jest tylko nieznacznie większy lub wyższy niż struktura wewnętrzna, a coraz ważniejszym parametrem jest również niski profil. Rozważmy w pełni zintegrowany synchroniczny obniżający moduł zasilający MPM3650 o częstotliwości 1,2MHz z prostowaniem i wbudowaną cewką indukcyjną (ilustracja 10). Zapewnia on prąd wyjściowy o natężeniu do 6A dla napięć wyjściowych od 0,6 do 1,8V oraz do 5A dla napięć wyjściowych powyżej 1,8V, w szerokim zakresie napięć wejściowych od 2,75 do 17V, z doskonałą regulacją obciążenia i linii. Obudowa QFN-24 mieści wbudowane tranzystory MOSFET oraz cewkę indukcyjną i ma wymiary zaledwie 4mm × 6mm × 1,6mm.

Ilustracja 10: moduł MPM3650, zamknięty w obudowie o wymiarach 4mm × 6mm × 1,6mm, ze zintegrowaną cewką indukcyjną dostarcza prąd o natężeniu do 6A przy napięciu do 1,8V i 5A powyżej 1,8V. (Źródło ilustracji: Monolithic Power Systems)

Kolejną zaletą podejścia modułowego jest to, że szumy tętnień są dobrze kontrolowane na poziomie około 20mV bez obciążenia i spadają do około 5mV przy pełnym obciążeniu 6A (ilustracja 11). Oznacza to, że w wielu przypadkach nie jest potrzebna dodatkowa zewnętrzna filtracja, co upraszcza konstrukcję, zmniejsza zajmowaną powierzchnię i zmniejsza ilość materiałów w wykazie materiałów (BOM).

Ilustracja 11: specyfikacje określają szumy tętnień dla modułu MPM3650 na poziomie około 20mV przy zerowym obciążeniu i około 5mV przy pełnym obciążeniu. (Źródło ilustracji: Monolithic Power Systems)

Często przydatne jest przeprowadzenie praktycznych prób z modułami regulatorów prądu stałego, aby ocenić, czy ich statyczne i dynamiczne parametry pracy spełniają wymagania systemu, nawet wykraczając poza to, co jest określone w karcie katalogowej. Aby przyspieszyć ten proces, firma Monolithic Power Systems oferuje czterowarstwową płytkę ewaluacyjną EVM3650-QW-00A o wymiarach 63,5mm × 63,5mm × 1,6mm, przeznaczoną dla modułu MPM3650 (ilustracja 12).

Ilustracja 12: używając płytki ewaluacyjnej EVM3650-QW-00A, potencjalni użytkownicy modułu MPM3650 regulatora prądu stałego mogą szybko ocenić jego działanie w swoim zastosowaniu. (Źródło ilustracji: Monolithic Power Systems)

Płytka ewaluacyjna wraz z jej arkuszem danych realizuje wiele celów. Po pierwsze, umożliwia ona użytkownikowi łatwą ocenę wiele atrybutów parametrów działania regulatora MPS3650 w szerokim zakresie warunków pracy - niektóre z nich mogą nie być oczywiste ani wymienione w arkuszu danych. Po drugie, arkusz danych płytki ewaluacyjnej zawiera pełny schemat, wykaz materiałów i szczegóły układu płytki, aby użytkownicy modułu MPS3650 mogli je wykorzystywać we własnych projektach, aby zmniejszyć ryzyko i zminimalizować niepewność (ilustracja 13).

Ilustracja 13: pakiet płytki ewaluacyjnej EVM3650-QW-00A zawiera pełny schemat, wykaz materiałów i szczegóły układu płytki, aby zmniejszyć ryzyko i niepewność. (Źródło ilustracji: Monolithic Power Systems)

Płytka ewaluacyjna umożliwia projektantom lepsze zrozumienie działania modułu, co skutkuje wysokim poziomem zaufania do projektu i skróceniem czasu wprowadzenia produktu na rynek.

Jest jeszcze jeden rodzaj szumów

Kiedy projektanci mówią o „szumach”, prawie zawsze odnoszą się do jakiegoś przejawu szumu elektronicznego w obwodzie, takiego jak tętnienia lub zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Jednak w przypadku regulatorów przełączających istnieje jeszcze jeden potencjalny rodzaj szumów: hałas akustyczny. W przypadku regulatorów pracujących powyżej granicy słuchu ludzkiego, za którą ogólnie uznaje się 20kHz, taki szum nie będzie stanowił problemu. Jednak niektóre regulatory przełączające pracują w zakresie dźwięków słyszalnych, podczas gdy inne, które pracują na znacznie wyższych częstotliwościach, schodzą do zakresu słyszalnego w okresie bezczynności lub czuwania, aby zminimalizować zużycie energii.

Ten słyszalny hałas jest spowodowany przez jedno lub oba z dwóch dobrze znanych zjawisk fizycznych: efekt piezoelektryczny i efekt magnetostrykcyjny. W przypadku efektu piezoelektrycznego sterowane zegarem oscylacje elektryczne obwodu powodują, że komponenty takie jak kondensatory ceramiczne wibrują w synchronizacji z zegarem przełączającym, ponieważ energia elektryczna jest przekształcana w ruch mechaniczny przez materiały krystaliczne kondensatora. W przypadku efektu magnetostrykcyjnego, który jest w pewnym sensie analogiczny do efektu piezoelektrycznego, materiały magnetyczne, takie jak rdzenie cewek indukcyjnych lub transformatorów, zmieniają swój kształt i wymiary podczas cykli namagnesowania sterowanych zegarem. Dany kondensator lub cewka/transformator działa wtedy jako mechaniczny „napęd” i powoduje rezonans całej płytki drukowanej, która wzmacnia i emituje słyszalne drgania.

Z powodu jednego lub obu tych efektów osoby dobrze słyszące często skarżą się, że słyszą ciągłe, ciche brzęczenie w pobliżu urządzeń elektronicznych. Należy pamiętać, że hałas akustyczny jest również niekiedy generowany przez elementy obwodów zasilających o niskiej częstotliwości 50/60 Hz, więc nawet osoby bez dobrego słuchu w zakresie wyższych częstotliwości mogą go usłyszeć.

Radzenie sobie z hałasem akustycznym wymaga innego podejścia i technik niż stosowane do tłumienia szumów elektronicznych.

Podsumowanie

Regulatory napięcia o niskim spadku (LDO) stanowią bezszumowe lub niskoszumowe rozwiązanie problemu tętnień na szynie prądu stałego i zakłóceń elektromagnetycznych, ale generalnie nie są opłacalną opcją regulatora powyżej kilku amperów. Alternatywą są regulatory przełączające z odpowiednim filtrowaniem lub zaprojektowane specjalnie do pracy przy niskim poziomie szumów.

Innym rozwiązaniem są kompletne moduły regulatorów prądu stałego, które w swojej małej obudowie zawierają takie elementy jak cewka indukcyjna. Ograniczają one niepewność projektową w odniesieniu do układu i doboru komponentów, zapewniając jednocześnie w pełni przetestowane i zdefiniowane ilościowo parametry działania podsystemu.

Rekomendowane artykuły

1. „Zrozumienie norm kompatybilności elektromagnetycznej dla zasilaczy impulsowych”