Особенности проектирования DC/DC-преобразователей для носимой электроники

В настоящее время производители активно разрабатывают носимые электронные устройства. При создании таких устройств необходимо учитывать некоторые особенности, например, предусмотреть защиту от ожогов, обеспечить оптимальное использование аккумуляторов, минимизировать воздействие высокочастотного шума на организм пользователя. Носимая электроника не может обойтись без компактных, малошумящих и высокоэффективных DC/DC-преобразователей
416
В избранное

В настоящее время производители активно разрабатывают носимые электронные устройства. При создании таких устройств необходимо учитывать некоторые особенности, например, предусмотреть защиту от ожогов, обеспечить оптимальное использование аккумуляторов, минимизировать воздействие высокочастотного шума на организм пользователя. Носимая электроника не может обойтись без компактных, малошумящих и высокоэффективных DC/DC-преобразователей.

Носимые электронные устройства нуждаются в DC/DC-преобразователях, которые способны не только обеспечить высокую эффективность, но и занимают минимум места на печатной плате (с учетом размещения микросхемы контролера, дросселей, конденсаторов и резисторов). Кроме того, эти миниатюрные DC/DC-преобразователи должны использовать минимум внешних компонентов, что в свою очередь позволит упростить трассировку печатной платы, обеспечить низкий уровень шумов и ускорить процесс разработки.

Компания Torex специализируется на разработке микропреобразователей, которые объединяют в одном корпусе микросхему контроллера и дроссель. Конструкция этих преобразователей выбирается с учетом технических характеристик, таких как выходной ток, уровень шумов, тепловыделение и т.д. Далее в статье рассказывается о технологиях и методах, которые компания Torex использует для оптимизации своих DC/DC-преобразователей.

Первой особенностью DC/DC-преобразователей от Torex является их конструкция. Существует три возможных варианта конструкции (рис. 1) (таблица 1).

Конструкции для DC/DC-преобразователей от Torex

Рис. 1. Конструкции для DC/DC-преобразователей от Torex

Слева на рис. 1. TYPE 1: катушка индуктивности располагается на корпусе ИС, что сокращает путь тока и минимизирует шум. В центре, TYPE 2: микросхема размещена на индуктивности. Относительно недорогой вариант, которые позволяет применять традиционные плоские дроссели. Справа, TYPE 3: дроссель и ИС размещены рядом с друг другом, что позволяет им рассеивать максимум тепла, а значит работать с большими токами.

Таблица 1. Конструкции и особенности DC/DC-преобразователей от Torex

Структура

TYPE-1

TYPE-2

TYPE-3

Рисунок

a

b

с

Описание

ИС под дросселем

ИС на дросселе

ИС рядом с дросселем

Радиопомехи

3

2

2

Магнитное поле

3

1

2

Стоимость

1

3

2

Площадь

3

2

1

Работа с высокими токами

2

1

3

Рассеивание тепла

2

1

3

Модели

XCL201/ XCL202/ XCL205/
XCL206/XCL207

XCL208/ XCL209

XCL211/ XCL212/ XCL213/ XCL214

*Примечание: 3 - лучший, 2 - лучше, 1- хорошо

Снижение уровня шума

При разработке DC/DC-преобразователей для носимых устройств на первом месте всегда стоит эффективность, однако снижение уровня шумов также является важной задачей. Стоит отметить, что в данном случае решения этих задач не противоречат друг другу. Невозможно обеспечить высокий уровень эффективности и низкий уровень шумов, если размещение компонентов и трассировка печатной платы выполнена неудачно. Компания Torex предпринимает различные меры по минимизации шумов в своих DC/DC-преобразователях:

  • Использование дросселей с минимальным рассеянием;
  • Подстройка параметров дросселя;
  • Оптимизация работы преобразователя;
  • Оптимизация расположения выводов и структуры преобразователя с учетом контуров тока.

Электромагнитные помехи

Сравним шумовые характеристики DC/DC-преобразователя на дискретных компонентах (на примере XC9236) и модульного DC/DC-преобразователя (на примере XCL206). Для этого необходимо измерить уровень радиочастотных шумов и напряженность магнитного поля.

На рис. 2 черным цветом показан спектр шумов XC9236B18DMR-G, а зеленым цветом показан спектр шумов XCL206B183AR-G. XC9236 генерирует шум в широком диапазоне от 50 МГц до 300 МГц. Уровень шумов XCL206 в том же диапазоне оказывается существенно ниже. По этой причине в случае с XCL206 борьба с шумами оказывается значительно проще и даже отходит на второй план. Преобразователь XCL202 имеет такую же структуру, что и XCL206, но более высокую рабочую частоту Freq = 1,2 МГц, что приводит к еще большему снижению уровня шумов.

Сравнение спектра шумов XC9236B18DMR-G и XCL206B183AR-G

Рис. 2. Сравнение спектра шумов XC9236B18DMR-G и XCL206B183AR-G


Условия тестирования: VIN = 3,7 В (источник питания постоянного тока) VOUT = 1,8 В, IOUT = 200 мА (резистор: 9 Ом) XC9236B18DMR-G (Freq = 3 МГц) ): Cin = 4,7 мкФ, CL = 10 мкФ XCL206B183AR-G (частота = 3 МГц): Cin = 4,7 мкФ, CL = 10 мкФ.

Магнитное поле

На рис. 3 сравниваются диаграммы распределения напряженностей магнитных полей для XC9236B18DMR-G и XCL206B183AR-G. Распределение напряженности магнитного поля напрямую не характеризует мощность кондуктивных помех, но позволяет локализовать источники этих шумов.

Сравнение напряженности магнитного поля XC9236B18DMR-G и XCL206B183AR-G

Рис. 3. Сравнение напряженности магнитного поля XC9236B18DMR-G и XCL206B183AR-G

Условия тестирования: VIN = 3,7 В (напряжение пиатния), VOUT = 1,8 В, IOUT = 200 мА (резистор: 9 Ом) XC236B18DMR-G ( Частота = 3 МГц): CIN = 4,7 мкФ, CL = 10 мкФ XCL206B183AR-G (частота = 3 МГц): CIN = 4,7 мкФ, CL = 10 мкФ.

В диапазоне частот от 50 МГц до 300 МГц вокруг ИС XC9236 явственно выделяются кольцевые области оранжевого и красного цвета. Видно, что самый сильный шум возникает в непосредственной близости от вывода GND. Еще одну кольцевую область можно увидеть вокруг дросселя. В данном случае используется традиционный экранированный ферритовый дроссель, и этот шум, вероятнее всего, вызван рассеянием магнитного потока. В случае с XCL206 ярко выраженные кольцевые области практически отсутствуют, что свидетельствует о более низком уровне шумов.

В результате при использовании миниатюрных модульных DC/DC-преобразователей разработчику не обязательно обладать обширными знаниями в области электромагнитной совместимости (ЭМС). Даже базовых знаний хватит, чтобы обеспечить низкий уровень шума и организовать правильный теплоотвод, что в свою очередь приведет к повышению надежности и популярности всего устройства.

По сравнению с DC/DC-преобразователями на дискретных компонентах миниатюрные модульные DC/DC-преобразователи от Torex занимают вдвое меньше места на печатной плате, что дополнительно снижает стоимость печатной платы. Более того, место, занимаемое такими преобразователями, оказывается сравнимо с площадью, занимаемой линейными стабилизаторами. В качестве примера на рис. 4 сравниваются DC/DC-преобразователь на дискретных компонентах и модульный DC/DC-преобразователь от Torex.

Сравнение площади DC/DC- преобразователя и микро-DC/DC преобразователя

Рис. 4. Сравнение площади DC/DC- преобразователя и микро-DC/DC преобразователя

Особенности трассировки печатной платы

Подключение земли выглядит просто только на принципиальной схеме, когда же дело доходит до печатной платы, все оказывается гораздо сложнее. Недостаточно соединить все выводы GND. Если трассировка выполнена неудачно, то эффективность всей схемы окажется под вопросом.

Рассмотрим пример с понижающим DC/DC-преобразователем (рис. 5). Преобразователь попеременно коммутирует силовые ключи SW1 и SW2, а также контролирует ток для обеспечения стабильного выходного напряжения (рис. 5). В схеме присутствует два контура токов (Current (1) и Current (2)).

Контуры токов в понижающем DC/DC-преобразователе

Рис. 5. Контуры токов в понижающем DC/DC-преобразователе

На рис. 6 красным цветом выделена общая часть контура, по которой ток протекает всякий раз, когда замкнут либо ключ SW1, либо ключ SW2:

  • SW1: замкнут, SW2: разомкнут – протекает Current 1
  • SW1: разомкнут, SW2: замкнут – протекает Current2

Шум понижающего DC/DC-преобразователя

Рис. 6. Шум понижающего DC/DC-преобразователя

Для уменьшения шума длина общей части контура должна быть минимальной. Для этого входная емкость (CIN) должна быть размещена рядом с выводами преобразователя и подключена короткими проводниками, как показано на рис. 7. Это очень важный участок цепи, шум от которой может распространяться по всей плате.

Расположение CIN на принципиальной схеме

Рис. 7. Расположение CIN на принципиальной схеме

Некоторые особенности трассировки земли можно рассмотреть на примере отладочной платы XCL206 (DC/DC-преобразователь). На плате используется раздельная земля: силовая (PGND) и аналоговая (AGND). В данном случае входная емкость (CIN) должна быть подключена между входом и силовой землей. В результате общая часть контура (показана красным) будет иметь минимальную длину.

 Трассировка печатной платы XCL206 (вид сверху/ вид снизу)

Рис. 8. Трассировка печатной платы XCL206 (вид сверху/ вид снизу)

Особое внимание следует уделить подключению выводов PGND, TAB и AGND. С электрической точки зрения их следует соединить на верхнем слое, однако с точки зрения минимизации шумов этого делать не следует. При таком соединении эффективность конденсатора CIN будет снижаться, так как возвратный ток будет менять направление.

Источник: https://www.powerelectronics.com

Производитель: TOREX SEMICONDUCTOR LTD.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
XCL202B181BR-G
XCL202B181BR-G
TOREX SEMICONDUCTOR LTD.
Арт.: 1262009 ИНФО PDF
Доступно: 3621 шт. от 3000 шт. от 107,12
Выбрать
условия
поставки
BUCK, SYNCH, 0.4A, 1.2MHZ, 1.8V, CL2025
XCL202B181BR-G от 3000 шт. от 107,12
3621 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
XC9236A12CMR-G
TOREX SEMICONDUCTOR LTD.
Арт.: 2533924 ИНФО PDF
Доступно: 1593 шт. от 7 шт. от 248,86
Выбрать
условия
поставки
Switching Voltage Regulators 600mA PFM/PWM DCDC Converter
XC9236A12CMR-G от 7 шт. от 248,86
1593 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
XC9236A33DMR-G
TOREX SEMICONDUCTOR LTD.
Арт.: 2533928 ИНФО PDF
Доступно: 2160 шт. от 7 шт. от 183,50
Выбрать
условия
поставки
Switching Voltage Regulators 600mA PFM/PWM DCDC Converter
XC9236A33DMR-G от 7 шт. от 183,50
2160 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
XC9236A18DMR-G
TOREX SEMICONDUCTOR LTD.
Арт.: 2534507 ИНФО PDF
Доступно: 1664 шт. от 7 шт. от 238,10
Выбрать
условия
поставки
Switching Voltage Regulators 600mA PFM/PWM DCDC Converter
XC9236A18DMR-G от 7 шт. от 238,10
1664 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
XCL202B331BR-G
XCL202B331BR-G
TOREX SEMICONDUCTOR LTD.
Арт.: 2534551 ИНФО PDF
Доступно: 3677 шт. от 3000 шт. от 107,12
Выбрать
условия
поставки
BUCK, SYNCH, 0.4A, 1.2MHZ, 3.3V, CL2025
XCL202B331BR-G от 3000 шт. от 107,12
3677 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
XC9236A18CMR-G
TOREX SEMICONDUCTOR LTD.
Арт.: 2534624 ИНФО PDF
Доступно: 1997 шт. от 7 шт. от 198,48
Выбрать
условия
поставки
Switching Voltage Regulators 600mA PFM/PWM DCDC Converter
XC9236A18CMR-G от 7 шт. от 198,48
1997 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()