Использование устройств Silent Switcher для обеспечения низкого уровня электромагнитных помех

Введение

Без преувеличения можно сказать, что от маршрутизации печатной платы зависит качество работы каждого источника питания. Она влияет на функциональные, электромагнитные и тепловые характеристики. Впрочем, ею часто пренебрегают до тех пор, пока не становится слишком поздно в процессе проектирования. Тем не менее использование проверенного способа заведомого сокращения потенциальных угроз генерации электромагнитных помех может обеспечить малошумящую и стабильную работу источника питания. Хотя многие разработчики импульсных источников питания знакомы со сложностями и нюансами проектирования импульсных источников питания, во многих компаниях попросту не хватает специалистов для выполнения всех задач проектирования. Они уходят на пенсию и покидают эту сферу деятельности. Но как же решить создавшуюся проблему?

Во-первых, если не хватает специалистов по аналоговой схемотехнике, за проекты импульсных источников питания просят взяться разработчиков цифровых систем. Хотя можно с уверенностью сказать, что большинство подобных инженеров знают, как разработать простой линейный стабилизатор напряжения, не все устройства в их схемах являются понижающими. На самом деле многие из этих устройств работают в режиме повышения напряжения или даже могут иметь комбинированную топологию повышающе-понижающего преобразователя.

В данном случае очевидный вопрос, возникающий у многих производителей электронных устройств, звучит примерно так: «Как будут реализованы все необходимые для устройства схемы импульсных источников питания?»

Решение проблемы нехватки ресурсов проектирования

В статье, помимо прочего, речь пойдет о некоторых основах работы понижающего стабилизатора, в том числе и о том, как высокое значение скорости изменения тока (di/dt) и паразитная индуктивность в горячем контуре вызывают электромагнитные шумы и звон в импульсном режиме. Затем мы рассмотрим, что можно сделать для уменьшения высокочастотного шума. Здесь также будет представлена технология Silent Switcher, разработанная в департаменте Power by Linear компании Analog Devices, будет рассказано о ее структуре и продемонстрировано, как она помогает минимизировать электромагнитные помехи без каких-либо компромиссов. В статье также описана работа устройств Silent Switcher.

Кроме того, в данном материале будет рассказано о корпусировании и расположении компонентов устройств Silent Switcher и о том, как все это может улучшить характеристики понижающих преобразователей. Показано, как достичь более высокого уровня интеграции устройств Silent Switcher благодаря использованию данной технологии в стабилизаторах серии μModule. Эта серия предоставляет простые по структуре и легкие в эксплуатации решения для тех инженеров, которые не имеют опыта разработки схем импульсных источников питания.

Схема простого понижающего стабилизатора

Одной из базовых топологий источников питания является топология понижающего стабилизатора, показанная на рис. 1. Электромагнитные помехи генерируются в контурах с высоким di/dt. Вход питания, а также выход в нагрузку не должны содержать большого значения пульсаций переменного тока. В связи с этим входной конденсатор C2 должен передавать составляющую переменного тока на выходной конденсатор C1, где она будет сглаживаться.

Рис. 1. Схема синхронного понижающего стабилизатора

Как показано на рис. 1, во время фазы накачки энергии, когда транзистор M1 открыт, а M2 закрыт, переменный ток следует по контуру, обозначенному сплошной синей линией. Во время фазы разряда, когда M1 закрыт, а M2 открыт, переменный ток следует по контуру, обозначенному пунктирной зеленой линией. Большинство людей не знают, что самый высокий уровень электромагнитных помех наблюдается не во время периода, обозначенного синим контуром, и не в течение периода, обозначенного зеленым контуром. Только в пунктирном красном контуре течет полный переменный ток, изменяющийся от 0 до его максимума. Пунктирный красный контур обычно называется «горячий контур», поскольку в нем наблюдаются наивысшие значения переменного тока и электромагнитных помех.

Именно большое значение di/dt и паразитная индуктивность в горячем контуре вызывает электромагнитные шумы и коммутационный звон. Чтобы уменьшить электромагнитные помехи и повысить качество работы, нужно максимально подавить электромагнитные выбросы, вызываемые контуром, обозначенным красной пунктирной линией. Если бы мы могли уменьшить площадь горячего контура до нуля и приобрести идеальный конденсатор с нулевым сопротивлением, проблема была бы решена. Однако в реальном мире инженеру-разработчику приходится искать оптимальный компромисс.

Откуда же берутся все эти высокочастотные шумы? Ответ прост: в электронных схемах коммутационные элементы в совокупности с резисторами, индуктивностями и конденсаторами, обладающими паразитными составляющими, создают высокочастотные гармоники. Теперь, когда мы знаем, где создается шум, рассмотрим, что можно предпринять, чтобы снизить высокочастотный коммутационный шум. Традиционный способ уменьшения такого шума заключается в растягивании во времени фронтов включения полевых транзисторов. Это можно осуществить замедлением внутреннего драйвера или добавлением внешних снабберов.

Но это уменьшит КПД преобразователя вследствие увеличенных потерь при переключении, особенно если коммутатор работает с высокой частотой переключения, например 2 МГц. Кстати, а почему преобразователь должен работать на частоте 2 МГц? Тому есть несколько причин:

• Это позволяет использовать меньшие по размеру внешние компоненты, такие как конденсаторы и дроссели. Например, каждое удвоение частоты переключения ведет к уменьшению значения индуктивности и значения выходной емкости вдвое.
• В автомобильной электронике частота переключения 2 МГц позволяет устранить шумы в радиочастотном AM-диапазоне.

Также можно использовать фильтры и экранирование, но тогда возрастет стоимость решения и увеличится площадь печатной платы. Помимо этого, можно реализовать частотную модуляцию с расширением спектра — указанный способ позволяет «размыть» частоту системного тактирования в известном диапазоне. Благодаря такой модуляции устройство может соответствовать стандартам, регламентирующим электромагнитные выбросы. Энергия электромагнитного шума распределяется по частотной области. Хотя частоту переключения обычно выбирают такую, чтобы она была за пределами AM-диапазона (530 кГц — 1,8 МГц), неподавленные гармоники переключения все равно могут создавать помехи в AM-диапазоне, что критично для автомобильной электроники. Реализация частотной модуляции с расширением спектра значительно сокращает электромагнитные помехи как в AM-, так и в других диапазонах.

Или вместо этого можно использовать разработанную в Analog Devices технологию Silent Switcher, поскольку благодаря ей можно достичь всех целей проектирования без компромиссов, поскольку она обеспечивает:

• высокий КПД;
• высокую частоту переключения;
• низкий уровень электромагнитных помех.

Технология Silent Switcher

Устройства Silent Switcher исключают компромисс при выборе между низким уровнем электромагнитных помех и высоким КПД, при этом не требуется растягивание во времени фронтов коммутационных сигналов. Но как это удалось реализовать? Давайте рассмотрим LT8610, показанный на рис. 2 слева. Он представляет собой монолитный (со встроенными полевыми транзисторами) синхронный понижающий преобразователь с входным напряжением до 42 В, который способен выдавать до 2,5 А выходного тока. Обратите внимание, что в левом верхнем углу у него имеется один входной контакт (V_IN).

Рис. 2. Как превратить LT8610 в устройство с технологией Silent Switcher, то есть в LT8614

Но, сравнивая LT8610 с LT8614 (монолитный синхронный понижающий преобразователь с входным напряжением до 42 В, который способен выдавать до 4 А выходного тока), можно заметить, что LT8614 имеет еще один контакт V_IN и два контакта заземления с противоположной стороны корпуса. Это важно, так как это один из факторов, обеспечивающих переключение с практически незаметным электромагнитным шумом.

Как обеспечить переключения с малым электромагнитным шумом

Итак, как удалось добиться того, что в итоге получилось? Размещение двух входных конденсаторов на противоположных сторонах микросхемы между контактами V_IN и контактами заземления позволяет устранить электромагнитные поля. На рис. 3 их расположение показано красными стрелками.

Рис. 3. Схема LT8614, показывающая фильтрующие конденсаторы, установленные между контактами VIN и контактами заземления на противоположных сторонах микросхемы

Более подробно о LT8614

Преобразователь LT8614 создан с применением технологии Silent Switcher, благодаря которой удалось уменьшить паразитную индуктивность за счет использования корпуса с перевернутым кристаллом и медными контактами. Кроме того, с помощью расположенных с противоположных сторон контактов V_IN, заземления и входных конденсаторов подавляется магнитное поле (применяется правило правой руки), что позволяет снизить уровень излучаемых электромагнитных помех (рис. 4).

Рис. 4. Уровень излучаемых электромагнитных помех LT8614 ниже строгих ограничений стандарта CISPR 25 Class 5

Паразитную индуктивность корпуса удалось уменьшить благодаря устранению длинных соединительных проводов, которые создавали паразитные сопротивление и индуктивность. Противоположно направленные магнитные поля горячих контуров подавляют друг друга, поэтому в электрическом контуре отсутствует магнитное поле.

Было проведено сравнение стабилизатора LT8614 Silent Switcher с современным импульсным стабилизатором LT8610. Испытания выполнены в испытательной камере поперечной электромагнитной волны гигагерцевого диапазона частот с помощью одинаковой нагрузки, одинакового входного напряжения и одинаковой индуктивности на стандартных демонстрационных платах обоих компонентов. Обнаружено, что при использовании LT8614 уровень электромагнитных помех был на 20 дБ лучше по сравнению с тем же показателем и без того характеризующегося низкими электромагнитными выбросами LT8610, особенно в более трудных с точки зрения управления высокочастотных областях. Благодаря этому можно создавать более простые и компактные решения, в которых для импульсного источника питания на основе LT8614 потребуется меньше элементов фильтрации и пространства по сравнению с другими чувствительными системами в составе конечного устройства. Кроме того, во временной области LT8614 не допускает резких изменений фронтов коммутационных сигналов.

Дополнительные улучшения устройств Silent Switcher

Хотя LT8614 имеет впечатляющие характеристики, инженеры Analog Devices не остановились на достигнутом. Понижающий стабилизатор LT8640 создан с использованием архитектуры Silent Switcher, предназначенной для минимизации излучаемых электромагнитных помех при одновременном достижении высокого КПД на частотах до 3 МГц. Монолитная конструкция в корпусе QFN размером 3×4 мм, имеющая встроенные силовые ключи и все необходимые цепи, позволяет создавать решения с минимальной площадью печатной платы. При этом переходные процессы остаются оптимальными, а пульсация выходного напряжения ниже 10 мВ (п‑п) при любой нагрузке, от нуля до максимального значения тока. LT8640 позволяет преобразовывать высокое входное напряжение в малое выходное напряжение на высокой частоте с минимальным временем включения ключа верхнего плеча, равным 30 нс.

Для того чтобы еще больше уменьшить электромагнитные выбросы, LT8640 может работать в режиме расширенного спектра. Эта функция изменяет тактовую частоту с использованием 20%-ной частотной модуляции с треугольными сигналами. Когда LT8640 находится в режиме частотной модуляции с расширением спектра, треугольная частотная модуляция применяется для изменения частоты переключения от значения, запрограммированного с помощью подключаемого к выводу RT резистора, до величины, которая примерно на 20% выше, чем это значение. Частота модуляции составляет около 3 кГц. Например, когда LT8640 запрограммирован на 2 МГц, частота будет меняться в пределах 2–2,4 МГц с шагом 3 кГц. Если выбран режим расширенного спектра, то режим Burst Mode будет отключен, поэтому компонент будет работать либо в режиме пропуска импульсов, либо в принудительном непрерывном режиме.

Тем не менее, несмотря на то, что во всех документациях на устройства Silent Switcher указаны исчерпывающие данные, например, принципиальные схемы и рекомендации по маршрутизации печатных плат, а также то, что входные конденсаторы необходимо располагать как можно ближе к микросхеме с обеих сторон, некоторые заказчики все равно допускают ошибки. Помимо этого, инженеры Analog Devices тратили немало времени на исправление трассировки печатных плат заказчиков. В итоге разработчики компании нашли блестящее решение проблемы — они разработали архитектуру Silent Switcher 2.

Silent Switcher 2

Технология Silent Switcher 2 позволила интегрировать внутрь корпуса LQFN конденсаторы, а именно конденсаторы на линиях V_IN, IntV_CC, а также конденсаторы вольтодобавки драйвера, что дало возможность разместить их максимально близко к выводам. Среди преимуществ такого метода следует выделить то, что все горячие контуры и заземляющие контакты теперь находятся внутри, благодаря чему значительно снижается уровень электромагнитных помех. При этом меньшее количество компонентов означает меньшую занимаемую площадь на плате. Кроме того, устраняется и чувствительность к трассировке печатной платы.

На рис. 5 можно увидеть, как отличаются схемы подключения внешних компонентов для LT8640 и LT8640S. При этом в рамках маркетингового хода новой высокоинтегрированной версии с внутренними конденсаторами был присвоен суффикс S, потому что она более «тихая» (silent), чем устройство первого поколения.

Рис. 5. LT8640S представляет собой устройство Silent Switcher 2 с более высоким уровнем интеграции конденсаторов

Технология Silent Switcher 2 позволяет добиться лучших тепловых характеристик. Несколько больших контактных площадок заземления снизу корпуса LQFN с перевернутым кристаллом упрощают отвод тепла от корпуса в печатную плату. А благодаря устранению проводов с высоким сопротивлением удалось повысить эффективность преобразования. Уровень излучаемых электромагнитных помех LT8640S значительно ниже уровня, установленного стандартом CISPR 25 Class 5.

Интеграция всех необходимых компонентов внутрь стабилизаторов Silent Switcher 2 μModule

Технология Silent Switcher настолько эффективна, что инженеры Analog Devices решили использовать ее в составе стабилизаторов серии μModule. В таком форм-факторе все необходимые компоненты располагаются в одном корпусе, что создает простоту, надежность, лучшие характеристики, а также высокое соотношение мощности к размеру регулятора на печатной плате. LTM8053 (рис. 6) и LTM8073 являются стабилизаторами серии μModule, в которые интегрированы практически все компоненты, за исключением нескольких внешних конденсаторов и резисторов.

Рис. 6. Стабилизатор LTM8053 серии µModule с технологией Silent Switcher 2

Заключение

В заключение следует сказать, что возможности и преимущества устройств Silent Switcher упростят разработку импульсных источников питания, удовлетворяющих требованиям различных стандартов помехоустойчивости, таких как CISPR 32 и CISPR 25. Эти устройства позволят легко и эффективно решить поставленные задачи благодаря следующим особенностям:

Высокий КПД при частоте переключения более 2 МГц с минимальным влиянием частоты на КПД.

• Встроенные развязывающие конденсаторы снижают уровень излучаемых электромагнитных помех и делают решение более компактным.
• Чувствительность элементов трассировки практически сводится к нулю благодаря применению технологии Silent Switcher 2.
• Дополнительная модуляция с расширением спектра помогает снизить чувствительность к шумам.
• Использование устройств Silent Switcher позволяет сэкономить место на печатной плате и сократить количество необходимых слоев.