Obniżanie szumów z użyciem regulatorów Silent Switcher μModule® firmy ADI

We wrażliwych zastosowaniach elektronicznych nie istnieje coś takiego, jak brak szumów - to się naprawdę nie zdarza. Dzieje się tak dlatego, że wyeliminowanie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) pochodzących z zasilaczy jest praktycznie niemożliwe. Różne podejścia projektowe do rozwiązania tego problemu często polegają na kompromisach, które mogą zwiększać poziom skomplikowania.

Inżynierowie stają na głowie, aby zredukować zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) w zastosowaniach wrażliwych na szumy, takich jak zasilacze na częstotliwości radiowe (wzmacniacze), przetwornik danych wysokich prędkości, czułe przyrządy oraz medyczne systemy obrazowania i diagnostyki. Zwykle oznacza to uwzględnienie dodatkowych komponentów, ekranowania i filtrów, które mogą zwiększać złożoność, koszty, rozmiary i ciężar.

Zasilacze impulsowe (SMPS) i przetwornice elektroniczne są główną przyczyną zakłóceń elektromagnetycznych, co komplikuje projektowanie wielu zastosowań w systemach motoryzacyjnych, elektronice użytkowej, automatyce przemysłowej i telekomunikacji.

Szybkie przełączanie minimalizuje straty energii w przetwornicach prądu stałego, prostownikach prądu zmiennego, przemiennikach prądu stałego na zmienny oraz przemiennikach prądu zmiennego. Kosztem tego jest jednak generowanie energii wysokiej częstotliwości i stany nieustalone, które mogą powodować promieniowane i przewodzone zakłócenia elektromagnetyczne.

Zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) pogarszają parametry działania systemów, interferują z częstotliwościami radiowymi, powodują usterki komponentów i zaburzają pracę urządzeń o znaczeniu krytycznym, takich jak rozruszniki serca i motoryzacyjne systemy bezpieczeństwa. Główną przyczyną zakłóceń elektromagnetycznych w takich systemach są prądy sygnałów wspólnych płynące w tym samym kierunku przez dwie lub więcej żyły, co indukuje pola magnetyczne.

Wiele zastosowań elektronicznych, a być może nawet wszystkie, w USA musi być zgodnych z częścią 15 przepisów Federalnej Komisji Łączności (FCC), mającą na celu zapobieganie szkodliwym zakłóceniom, również powodowanym przez urządzenia inne niż radiowe.Zastosowania komunikacyjne i przemysłowe na rynki międzynarodowe muszą być zgodne ze specyfikacjami motoryzacyjnymi i klasy B CISPR 22 oraz międzynarodowymi normami CISPR 25. W innych obszarach geograficznych obowiązują podobne certyfikaty zgodności.

Próby dotyczące zakłóceń elektromagnetycznych zwykle mają miejsce na późnym etapie cyklu projektowania, a działania korygujące mogą prowadzić do kosztownych opóźnień. Co gorsza, jeżeli problemy związane z zakłóceniami elektromagnetycznymi zostaną wykryte w terenie, trudniejsze może być ustalenie ich przyczyn, a środki zaradcze mogą być kosztowne.

Do przeciwdziałania zakłóceniom elektromagnetycznym można wykorzystać różne rodzaje komponentów. Regulatory liniowe o niskim spadku (LDO) są konwencjonalnym i ekonomicznym podejściem do zabezpieczenia znajdujących się za nimi odbiorników przed stanami nieustalonymi napięcia i zakłóceniami od zasilania. Może to jednak skutkować większymi rozmiarami rozwiązań, które pozbawione są niezbędnych funkcji zabezpieczających.

Bardziej zaawansowane regulatory LDO o wyższym współczynniku tłumienia wpływu zasilania (PSRR) poprawiają tłumienie zakłóceń, lecz nie poprawiają bezpośrednio ani sprawności, ani parametrów termicznych. W przypadku użycia łącznie z regulatorami przełączającymi pozwalają one uzyskać wysoką sprawność i niskie szumy.

Projektanci mogą również skupić się na układzie płytki drukowanej, aby zminimalizować powierzchnie pętli, które emitują zakłócenia elektromagnetyczne oraz odseparować obwody zaszumione od wrażliwych. Innym często stosowanym podejściem komplementarnym jest odizolowanie lub obudowanie komponentów z użyciem materiałów ekranujących zakłócenia elektromagnetyczne, takich jak metale i ich stopy. Można również zastosować wzmacniacze niskoszumowe.

Każda z powyższych technik redukcji zakłóceń elektromagnetycznych, często używanych łącznie, zwiększa złożoność projektu i sprawia, że projektanci szukają sposobów na jego uproszczenie.

Upraszczanie problemów z zakłóceniami elektromagnetycznymi w projektach

Liczba zastosowań bazujących na zasilaczach impulsowych (SMPS) rośnie szybciej niż liczba projektantów zdolnych sprostać surowym wymaganiom dotyczącym zakłóceń elektromagnetycznych. Wielu projektantów układów cyfrowych jest proszonych o wypełnienie tej luki spowodowanej niedoborem projektantów zasilaczy analogowych. Trend ten, w połączeniu z rosnącą złożonością projektów zasilaczy impulsowych (SMPS), sygnalizuje potrzebę lepszej integracji komponentów zasilaczy SMPS w celu uproszczenia procesów.

Dążąc do uproszczenia wyzwań projektowych związanych z zakłóceniami elektromagnetycznymi, firma Analog Devices, Inc. (ADI) wprowadziła w 2015 roku technologię Silent Switcher^®. Jej zadaniem jest optymalizacja technik przełączania przy jednoczesnym uproszczeniu projektów płytek drukowanych. Pierwsza generacja urządzeń Silent Switcher, na przykład LT8640, obniżała rezystancję pasożytniczą dzięki użyciu obudów typu flip-chip z filarami miedzianymi zamiast drutów łączących strukturę z podłożem. Zawierała ona również elementy mocy zaprojektowane z myślą o podniesieniu sprawności dla wysokich częstotliwości.

We wspomnianych urządzeniach pierwszej generacji rozdzielono również pojedynczą wysokoprądową „pętlę gorącą” na dwie pętle o przeciwnych przepływach, co skutkowało znoszeniem emitowanych zakłóceń elektromagnetycznych. Pojedyncza duża „pętla gorąca” zawiera elementy o wysokich parametrach pasożytniczych i wytwarza silne pola magnetyczne, które mogą powodować promieniowane zakłócenia elektromagnetyczne. Urządzenia Silent Switcher zawierały również wewnętrzne sterowniki przełączników w celu minimalizacji straty mocy przełączania.

W 2017 roku firma ADI wprowadziła monolityczne synchroniczne przetwornice obniżające o niskich zakłóceniach elektromagnetycznych, bazujące na architekturze Silent Switcher 2. W tej generacji, której przykładem są urządzenia LT8640S-2, obniżono liczbę komponentów zewnętrznych poprzez zintegrowanie kondensatorów, gorących pętli oraz płaszczyzn masowych wewnątrz nowej obudowy LQFN. Pozwoliło to zmniejszyć rozmiary rozwiązań i wyeliminowało wrażliwość na układ płytki, a także poprawiło parametry EMI. Dodatkowo, urządzenia Silent Switcher 2 zawierają więcej filarów miedzianych i duże odsłonięte pola, co poprawiało parametry termiczne i sprawność.

W 2021 roku firma ADI wprowadziła zaktualizowaną architekturę Silent Switcher 3 w synchronicznych regulatorach obniżających LT8627SP, charakteryzujących się ultraniskimi szumami w zakresie niskich częstotliwości, ultraszybką odpowiedzią impulsową oraz wysoką sprawnością przy wysokich częstotliwościach przełączania, zachowując jednocześnie ultraniski poziom zakłóceń elektromagnetycznych. Zawiera ona również odsłoniętą górną powierzchnię struktury, umożliwiając przytwierdzenie radiatora w zastosowaniach o wysokiej temperaturze otoczenia.

Regulator Silent Switcher 3 μModule

Technologia Silent Switcher 3 jest obecnie dostępna w wysokozintegrowanych rozwiązaniach zasilających µModule® typu COP (Component-on-Package) firmy ADI. Obudowy tego typu zapewniają lepsze parametry termiczne i jeszcze bardziej oszczędzają miejsce, umożliwiając tworzenie niewielkich, sprawnych i niezawodnych rozwiązań zasilania.

Do innych kluczowych zalet regulatorów µModule zalicza się oszczędność czasu i nakładów na projektowanie, próby i kwalifikację regulatorów prądu stałego. Firma ADI integruje kontroler, tranzystory mocy MOSFET, cewkę indukcyjną i inne komponenty pomocnicze w jednej, kompaktowej obudowie. Można je wykorzystywać jako rozwiązania zasilania w szerokiej gamie urządzeń telekomunikacyjnych, sieciowych i przemysłowych, w zasilaczach RF, przyrządach niskoszumowych oraz przetwornikach danych o wysokiej precyzji i wysokiej prędkości.

Urządzenie LTM4702 (ilustracja 1) jest kompletnym regulatorem obniżającym μModule 8A, zamkniętym w ultrakompaktowej obudowie BGA o wymiarach 6,25mm × 6,25mm × 5,07mm, wraz z układem scalonym regulatora bazującego na technologii Silent Switcher, co pozwala uzyskać niskie zakłócenia elektromagnetyczne i wysoką sprawność. Działa ono w zakresie napięć wejściowych od 3V do 16V i obsługuje napięcia wyjściowe od 0,3V do 5,7V.

Ilustracja 1: Urządzenie μModule typu LTM4702 firmy ADI zawiera kontroler, tranzystory mocy MOSFET, cewkę indukcyjną, i inne komponenty pomocnicze dla przetwornicy obniżającej, zamknięte w ulepszonej, kompaktowej obudowie. Eliminuje to potrzebę stosowania końcowych regulatorów LDO w zastosowaniach wrażliwych na zakłócenia. (Źródło ilustracji: Analog Devices Inc.)

Równoległa praca wielu urządzeń LTM4702 pozwala generować wyższe prądy wyjściowe. Jednocześnie może pracować maksymalnie 12 przesuniętych względem siebie faz dzięki zaprogramowaniu wtyku PHMODE poszczególnych urządzeń LTM4702 na różne poziomy napięcia.

Dodatkowo, synchroniczny regulator przełączający LTM4702 charakteryzuje się wyjątkowo dobrym poziomem szumów wyjściowych niskiej częstotliwości (od 10Hz do 100kHz). Jest ono znakomicie dopasowane do zastosowań wysokoprądowych i wrażliwych na zakłócenia. Urządzenie wykorzystuje architekturę PWM o stałej częstotliwości, którą można zaprogramować do przełączania w zakresie od 300kHz do 3MHz przy użyciu rezystora podłączonego pomiędzy wtykiem RT i masą.

Jeden rezystor ustawia napięcie wyjściowe urządzenia LTM4702 na wartość, która pozwala uzyskać wzmocnienie jednostkowe dla sprzężenia zwrotnego napięcia wyjściowego i praktycznie stałe szumy wyjściowe, niezależnie od napięcia wyjściowego. W większości zastosowań wrażliwych na zakłócenia, urządzenie LTM4702 eliminuje potrzebę użycia końcowych regulatorów LDO i filtrów LC. Dokończenie projektu wymaga tylko kondensatorów wejściowych i wyjściowych.

Dostępna jest płytka ewaluacyjna EVAL-LTM4702-AZ (ilustracja 2) przeznaczona do konfigurowania i oceny działania urządzenia LTM4702.

Ilustracja 2: płytka ewaluacyjna EVAL-LTM4702-AZ pozwala projektantom na ocenę działania obniżającej przetwornicy przełączającej prądu stałego LTM4702. (Źródło ilustracji: Analog Devices Inc.)

Urządzenie LTM8080 (ilustracja 3) na napięcie 40V_IN, z dwoma wyjściami 500mA lub jednym 1A zawiera dwa regulatory LDO o ultrawysokim współczynniku tłumienia wpływu zasilania (PSRR) oraz regulator prądu stałego Silent Switcher, które są odseparowane od siebie ekranem EMI i zamknięte w udoskonalonej termicznie obudowie BGA o wymiarach 9mm × 6,25mm × 3,32mm. Obsługuje ono zakres częstotliwości przełączania od 200kHz do 2,2MHz i zakres napięć wyjściowych od 0V do 8V.

Ilustracja 3: urządzenie μModule typu LTM8080 firmy ADI zawiera dwa regulatory LDO oraz regulator prądu stałego Silent Switcher oddzielone ekranem EMI, zamknięte w kompaktowej obudowie. (Źródło ilustracji: Analog Devices Inc.)

Regulator przełączający front-end jest nieizolowanym obniżającym zasilaczem przełączającym prądu stałego, który może dostarczać prąd ciągły o natężeniu do 1,5A. Liniowe regulatory LDO back-end wykorzystują architekturę firmy ADI, która oferuje ultraniskie szumy (2nV/√Hz przy 10kHz) oraz ultrawysoki współczynnik tłumienia wpływu zasilania (76dB przy 1MHz). Wyjścia regulatorów napięcia o niskim spadku (LDO) można łączyć równolegle w celu zwiększenia prądu wyjściowego

Do ewaluacji urządzenia LTM8080 projektanci mogą wykorzystać obwód demonstracyjny DC3071A (ilustracja 4), który charakteryzuje się szerokim zakresem roboczym od 4V do 40V.

Ilustracja 4: obwód demonstracyjny DC3071A zawiera urządzenie µModule typu LTM8080 z dwoma wyjściami, które można nastawić na wartość 3,3V/0,5A. (Źródło ilustracji: Analog Devices Inc.)

Podsumowanie

Regulatory Silent Switcher μModule firmy ADI stanowią solidne rozwiązanie dla wyzwań związanych z zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) we wrażliwych na szumy zastosowaniach elektronicznych. Dzięki zintegrowaniu technologii Silent Switcher 3 w wysoce kompaktowych i wydajnych systemach SiP (System-in-Package), omawiane regulatory μModule upraszczają projekty, poprawiają parametry termiczne i eliminują potrzebę stosowania końcowych regulatorów LDO w większości przypadków.

Od przetworników danych wysokiej prędkości, poprzez systemy na częstotliwości radiowe (RF), aż po urządzenia przemysłowe i obrazowanie medyczne, omawiane regulatory μModule pozwalają inżynierom uzyskiwać ultraniskie szumy i wysoką sprawność bez złożoności tradycyjnych metod redukcji zakłóceń elektromagnetycznych. Wyroby LTM4702 oraz LTM8080 pozwalają firmie Analog Devices na utrzymanie wiodącej pozycji dostawcy innowacyjnych rozwiązań, które spełniają surowe wymogi współczesnej elektroniki i zapewniają niezawodne działanie nawet w zastosowaniach najbardziej wrażliwych na zakłócenia