Коммутация без помех становится возможной

Источниками электромагнитных помех (ЭМП) могут стать цепи с резким нарастанием тока (di/dt), характерные для топологий некоторых импульсных источников питания (ИИП). Современные контроллеры ИИП преодолевают эти проблемы, интегрируя основные компоненты на кристалле микросхемы
2010
В избранное

Источниками электромагнитных помех (ЭМП) могут стать цепи с резким нарастанием тока (di/dt), характерные для топологий некоторых импульсных источников питания (ИИП). Современные контроллеры ИИП преодолевают эти проблемы, интегрируя основные компоненты на кристалле микросхемы.

Известно, что от компоновки печатной платы зависят функциональность, электромагнитные помехи (ЭМП или EMI) и тепловые характеристики в каждой конструкции блока питания. Компоновка элементов импульсного источника питания  - не какое-то сверхзагадочное дело, но все-таки часто упускается из виду вплоть до самой поздней стадии процесса проектирования. Хотя многие старые разработчики ИИП хорошо знакомы со сложностями проектирования и нюансами работы в режиме переключения. Но все больше таких опытных специалистов выходит на пенсию и покидает производство.

Поэтому многие проектировщики цифровых схем берутся за конструирование импульсных источников питания всего лишь потому что больше нет других специалистов по аналоговой технике, чтобы выполнить эту работу. Большинство разработчиков цифровых устройств знает, как создать простой линейный регулятор. Более трудной задачей для них являются такие сложные конструкции как повышающий (boost) преобразователь, не говоря уже о топологии buck-boost (комбинированные режимы понижения и повышения напряжения). Подобная ситуация заставляет многих производителей электронных систем задумываться над тем, как будут реализованы их схемы ИИП.

Упрощенный синхронный импульсный понижающий преобразователь напряжения и присущие его топологии цепи с высокой скоростью нарастания тока

Рис. 1. Упрощенный синхронный импульсный понижающий преобразователь напряжения и присущие его топологии цепи с высокой скоростью нарастания тока (di/dt)

Производители микросхем для импульсных источников питания знают об этой особенности. Поэтому они разрабатывают новые микросхемы, которые помогают устранить некоторые сложности в проектировании импульсных схем. Чтобы лучше разобраться в этом процессе, рассмотрим пример понижающего стабилизатора напряжения, показанного на схеме выше. Высокая скорость нарастания тока и паразитная индуктивность в «горячей» цепи транзисторного переключателя вызывают электромагнитные шумы и звон. Источниками ЭМП становятся цепи с высокой скоростью нарастания тока. Через провода подключения источника питания, а также через нагрузки не должны протекать большие переменные токи. Соответственно, входной конденсатор C2 остается источником всех существенных переменных токов к выходному конденсатору, на котором замыкаются все цепи переменных токов.

Во время цикла включения с открытым транзистором M1 и закрытым M2 переменный ток протекает по сплошной синей петле, изображенной на рисунке 1. Во время цикла выключения, когда М1 разомкнут, а М2 замкнут, переменный ток протекает по петле, обозначенной зеленым пунктиром. Не все понимают, что отмеченные сплошным синим или пунктирным зеленым цветом цепи создают не самый высокий уровень ЭМП, а полный коммутируемый переменный ток, переключаемый от нуля до пика и обратно до нуля, протекает только в цепи, отмеченной красным пунктиром. Эту цепь иногда называют "горячей", потому что протекающие в ней переменный ток и ЭМП обладают наибольшей энергией.

Высокая скорость нарастания тока при наличии паразитной индуктивности в "горячей" цепи переключателя вызывает в ней электромагнитные шумы и звон. Чтобы уменьшить ЭМП и повысить эффективность преобразования, нужно минимизировать излучение цепи, отмеченной красным пунктиром. Если бы мы могли уменьшить до нуля занимаемую этой цепью площадь на печатной плате и найти идеальный конденсатор с нулевым сопротивлением, то проблема была бы решена. Однако в реальном мире именно разработчик должен найти оптимальный компромиссный вариант.

Источником высокочастотного шума является энергия коммутационных процессов, которая перетекает через паразитные резисторы, индуктивности и конденсаторы, создавая высокочастотные гармоники. Таким образом, если знать, что является источником генерируемого шума, то можно понять, как его уменьшить. Традиционным способом снижения шума является сглаживание фронтов переключающих импульсов для MOSFET. Разработчики могут сделать это, замедлив работу внутреннего драйвера переключателя или добавив внешние сглаживающие фильтры.

Однако эти меры снижают эффективность преобразователя, поскольку увеличивают потери при переключении, особенно если коммутатор работает на высокой частоте, например, 2 МГц. Для работы на частоте 2 МГц, которая является относительно высокой для ИИП, есть ряд причин.

Во-первых, повышенная частота переключения позволяет применять менее габаритные внешние компоненты, такие как конденсаторы и катушки индуктивности. Например, каждое удвоение частоты переключения приводит к уменьшению значений индуктивности и выходной емкости в два раза.

Во-вторых, при работе в составе автомобильной электроники переключение на частоте 2 МГц исключает шум в радиочастотном диапазоне AM.

Можно использовать внешние фильтры и экранирование, что потребует дополнительного пространства на печатной плате. Также может быть реализована частотная модуляция с расширенным спектром (SSFM). Этот метод распределяет системную синхронизацию в пределах указанного диапазона. SSFM снижает электромагнитные помехи в импульсных регуляторах. Хотя частоту переключения чаще всего выбирают за пределами диапазона AM (530 кГц…1,8 МГц), неподавленные гармоники переключения могут по-прежнему нарушать строгие требования автомобильной защиты от электромагнитных помех в этом диапазоне. Добавление SSFM значительно снижает помехи как в AM, так и в других диапазонах.

Еще один вариант - использовать технологию ADI Silent Switcher. Она обеспечивает высокую эффективность, низкий уровень электромагнитных помех и поддерживает высокие частоты переключения без каких-либо негативных побочных эффектов.

Технология Silent Switcher

В Silent Switcher (бесшумный коммутатор) LT8614 добавлены второе VIN и заземляющий контакт для подключения фильтрующих конденсаторов

Рис. 2. В Silent Switcher (бесшумный коммутатор) LT8614 добавлены второе VIN и заземляющий контакт для подключения фильтрующих конденсаторов

Silent Switcher позволяет отказаться от компромиссов между ЭМП и эффективностью без необходимости сглаживания фронтов коммутирующих импульсов. Рассмотрим LT8610 - монолитный (FET внутри) синхронный понижающий преобразователь с полным размахом входного напряжения (42 В), способный выдавать выходной ток до 2,5 А. Он имеет один входной контакт (VIN) в верхнем левом углу. Сравните это устройство с LT8614 - еще одним монолитным синхронным понижающим преобразователем с входным напряжением до 42 В, который может выдавать выходной ток до 4 А. LT8614 имеет два контакта VIN и два контакта заземления на противоположной стороне корпуса (рисунок 2). Это важно, потому что «тихое» переключение реализуется частично за счет этого.

Размещение двух входных конденсаторов на противоположных сторонах микросхемы между контактами VIN и заземления приведет к подавлению магнитных полей. Кроме того, имеются противоположные VIN заземление и входные конденсаторы, позволяющие подавлять электромагнитное поле (применяется правило правой руки) для снижения электромагнитного излучения. Благодаря возможности Silent Switcher в LT8614 мы можем уменьшить паразитную индуктивность, используя топологию перевернутого кристалла с медными стойками.

Уровень излучения электромагнитных помех LT8614 позволяет ему соответствовать самым строгим ограничениям CISPR25 Class 5

Рис. 3. Уровень излучения электромагнитных помех LT8614 позволяет ему соответствовать самым строгим ограничениям CISPR25 Class 5

Снижение паразитной индуктивности внутри корпуса с использованием проводных соединений происходит за счет устранения длинных соединительных проводов. Связующие провода являются источниками паразитных сопротивлений и индуктивностей. Разнонаправленные магнитные поля от "горячих" цепей нейтрализуют друг друга, и электрическая цепь больше не излучает магнитное поле.

В процессе сравнения Silent Switcher LT8614 с импульсным стабилизатором LT8610 испытания на электромагнитную совместимость проводились в камере GTEM на стандартных демонстрационных платах для обеих микросхем с использованием одинаковых нагрузки, входного напряжения и катушки индуктивности. Мы обнаружили, что использование технологии Silent Switcher LT8614 дает улучшение на 20 дБ по сравнению с уже и без того хорошими характеристиками по излучаемым помехам у LT8610, особенно на более сложных для контроля высоких частотах. Для импульсных источников питания на базе LT8614 требуется меньше фильтрации по сравнению с другими системами. Кроме того, у LT8614 хорошая переходная характеристика на импульсных фронтах коммутации.

LT8614 демонстрирует впечатляющие характеристики (рисунок 3), но есть и другие варианты. Понижающий регулятор LT8640 также имеет архитектуру Silent Switcher и обеспечивает высокую эффективность на частотах до 3 МГц. Монолитная конструкция с интегрированными силовыми переключателями и включением всех необходимых цепей размещена в корпусе QFN размером 3×4 мм и занимает минимальную площадь на печатной плате. Переходная характеристика превосходна, а пульсация выходного напряжения ниже 10 мВP-Р при любой нагрузке от нуля до максимального тока. LT8640 допускает преобразование высокого VIN в низкий VOUT на высокой частоте с быстрым минимальным временем включения верхнего транзисторного переключателя 30 нс.

Для улучшения показателей электромагнитного излучения/совместимости LT8640 может работать в режиме с расширенным спектром. Эта функция изменяет тактовую частоту с треугольной частотной модуляцией +20%. Здесь треугольная частотная модуляция изменяет частоту переключения между значением, запрограммированным внешним резистором (RT), до величины приблизительно на 20% выше. Частота модуляции составляет приблизительно 3 кГц. Например, когда запрограммированная частота переключения LT8640 составляет 2 МГц, она будет изменяться от 2 до 2,4 МГц с шагом 3 кГц. Когда выбрана операция с расширенным спектром, работа в режиме Burst Mode отключена, и сегмент системы будет работать либо в режиме пропуска импульсов, либо в режиме принудительной непрерывной работы.

LT8640 и более интегрированные LT8640S (номер изделий в версии с более высокой степенью интеграции имеет суффикс «S»)

Рис. 4. LT8640 и более интегрированные LT8640S (номер изделий в версии с более высокой степенью интеграции имеет суффикс «S»)

Одна из возможных трудностей с управлением Silent Switcher заключается в том, что слишком удаленное от LT8614 размещение конденсаторов фильтра на печатной плате может привести к эксплуатационным проблемам. Silent Switcher 2 устраняет эту проблему, интегрируя конденсаторы фильтра (конденсаторы VIN, IntVCC и Boost) в новый корпус LQFN. Эта интеграция вмещает в корпус все "горячие" цепи и шины заземления. В результате снижается уровень электромагнитных помех и освобождается место на плате благодаря меньшему количеству внешних компонентов.

Silent Switcher 2 также имеет улучшенные тепловые характеристики. Несколько больших контактных площадок заземления на корпусе LQFN Flip-Chip облегчают отвод тепла из корпуса на печатную плату. Устранение имеющих большое сопротивление соединительных проводов также повышает эффективность преобразования. Эффективность подавления электромагнитных помех LT8640S (рисунок 4) легко преодолевает максимальные значения пиковой производительности по электромагнитным помехам CISPR25 Class 5.

Технология Silent Switcher также встречается в микромодульных регуляторах LTM8053 и LTM8073, где интегрировано практически все, за исключением нескольких внешних конденсаторов и резисторов. Наконец, стоит отметить, что сокращение пространства на печатной плате, которое стало возможным благодаря устройствам Silent Switcher, также способствует сокращению необходимого количества слоев печатных плат.

Журнал: www.eeworldonline.com
Производитель: Analog Devices, Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
LT8610EMSE#PBF
LT8610EMSE#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 1107659 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 42V, 2.5A Synchronous Step-Down Regulator with 2.5uA Quiescent Current
LT8610EMSE#PBF
-
Поиск
предложений
LT8610IMSE#PBF
LT8610IMSE#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 1108053 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 42V, 2.5A Synchronous Step-Down Regulator with 2.5uA Quiescent Current
LT8610IMSE#PBF
-
Поиск
предложений
LT8614EUDC#PBF
LT8614EUDC#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 1875801 ИНФО PDF RD DT
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 42V, 4A Synchronous Step-Down SILENT SWITCHER with 2.5 A Quiescent Current
LT8614EUDC#PBF
-
Поиск
предложений
LTM8073EY#PBF
LTM8073EY#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2304580 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 60VIN, 3A Step-Down Silent Switcher Module Regulator
LTM8073EY#PBF
-
Поиск
предложений
LT8610ABEMSE-3.3#PBF
LT8610ABEMSE-3.3#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2331644 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 42V, 3.5A Synchronous Step-Down Regulator with 2.5 A Quiescent Current & Improved Burstmode Ripple
LT8610ABEMSE-3.3#PBF
-
Поиск
предложений
LT8610ABEMSE-5#PBF
LT8610ABEMSE-5#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2331804 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 42V, 3.5A Synchronous Step-Down Regulator with 2.5 A Quiescent Current & Improved Burstmode Ripple
LT8610ABEMSE-5#PBF
-
Поиск
предложений
LT8610ACEMSE#PBF
LT8610ACEMSE#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2331867 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 42V, 3.5A Synchronous Step-Down Regulator with 2.5 A Quiescent Current & Improved Burstmode Ripple
LT8610ACEMSE#PBF
-
Поиск
предложений
LT8610ABHMSE-3.3#PBF
LT8610ABHMSE-3.3#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2331963 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 42V, 3.5A Synchronous Step-Down Regulator with 2.5 A Quiescent Current & Improved Burstmode Ripple
LT8610ABHMSE-3.3#PBF
-
Поиск
предложений
LT8610HMSE#PBF
LT8610HMSE#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2332036 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 42V, 2.5A Synchronous Step-Down Regulator with 2.5uA Quiescent Current
LT8610HMSE#PBF
-
Поиск
предложений
LT8610ABHMSE-5#PBF
LT8610ABHMSE-5#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2332073 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 42V, 3.5A Synchronous Step-Down Regulator with 2.5 A Quiescent Current & Improved Burstmode Ripple
LT8610ABHMSE-5#PBF
-
Поиск
предложений
LT8614HUDC#PBF
LT8614HUDC#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2332143 ИНФО PDF RD DT
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 42V, 4A Synchronous Step-Down SILENT SWITCHER with 2.5 A Quiescent Current
LT8614HUDC#PBF
-
Поиск
предложений
LT8610ABIMSE-3.3#PBF
LT8610ABIMSE-3.3#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2332225 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 42V, 3.5A Synchronous Step-Down Regulator with 2.5 A Quiescent Current & Improved Burstmode Ripple
LT8610ABIMSE-3.3#PBF
-
Поиск
предложений
LT8610ACIMSE-1#PBF
LT8610ACIMSE-1#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2332283 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 42V, 3.5A Synchronous Step-Down Regulator with 2.5 A Quiescent Current & Improved Burstmode Ripple
LT8610ACIMSE-1#PBF
-
Поиск
предложений
LT8610AIMSE-3.3#PBF
LT8610AIMSE-3.3#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2332290 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 42V, 3.5A Synchronous Step-Down Regulator with 2.5uA Quiescent Current
LT8610AIMSE-3.3#PBF
-
Поиск
предложений
LTM8073IY#PBF
LTM8073IY#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2333179 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 60VIN, 3A Step-Down Silent Switcher Module Regulator
LTM8073IY#PBF
-
Поиск
предложений
Производитель: Analog Devices Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
LTM8053IY#PBF
LTM8053IY#PBF
Analog Devices Inc.
Арт.: 2794428 ИНФО PDF RD
Поиск
предложений
DC/DC CONVERTER, BUCK, 3MHZ, BGA-48
LTM8053IY#PBF
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()