Hoe DC/DC-ruis, efficiëntie en lay-outproblemen aan te pakken met behulp van geïntegreerde voedingsmodules

Het bouwen van een basisontwerp voor een step-down DC/DC buck-regelaar voor lage spanningen van maximaal 10 volt (typisch) en bescheiden stroomniveaus van ongeveer 2 tot 15 ampère (A), lijkt vrij eenvoudig. De ontwerper hoeft slechts een geschikt schakelregelaar-IC te kiezen en een paar passieve componenten toe te voegen met behulp van het voorbeeldcircuit op het gegevensblad of de toepassingsnota. Maar is het ontwerp echt klaar voor een proefrun of zelfs voor productie? Waarschijnlijk niet.

Hoewel de regelaar de gewenste DC-rail oplevert, zijn er toch een aantal potentiële problemen. Ten eerste is het mogelijk dat de efficiëntie niet voldoet aan de projectdoelstellingen of de reglementaire voorschriften, waardoor de thermische impact groter wordt en de levensduur van de batterij korter. Ten tweede kunnen er extra componenten nodig zijn voor een juiste opstart, goede transiënte prestaties en een lage rimpel, wat weer van invloed is op de omvang, de time-to-market en de totale stuklijst (BOM). Ten slotte, en dit is misschien wel de grootste uitdaging, voldoet het ontwerp mogelijk niet aan de steeds strengere beperkingen wat betreft elektromagnetische interferentie (EMI) of radiofrequentie-interferentie (RFI), zoals bepaald door de verschillende regelgevende mandaten. Dit zou kunnen leiden tot een herontwerp of tot aanvullende componenten en tests.

Dit artikel beschrijft de kloof tussen verwachtingen en prestaties bij een basisontwerp van een DC/DC-regelaar t.o.v. een superieur ontwerp dat aan de vereisten voor efficiëntie, lage stralings- en rimpelruis en algemene integratie voldoet of deze zelfs overtreft. Het artikel introduceert vervolgens de Silent Switcher µModules van Analog Devices en laat zien hoe deze kunnen worden gebruikt om diverse problemen met DC/DC buck-regelaars op te lossen.

Met IC's ziet het er zo gemakkelijk uit, althans op het eerste gezicht

Step-down DC/DC buck-regelaars worden veel gebruikt voor DC-rails. Een typisch systeem kan er tientallen hebben die ofwel verschillende railspanningen leveren ofwel fysiek gescheiden rails met dezelfde spanning. Deze buck-regelaars gebruiken gewoonlijk een hogere spanning, meestal tussen 5 en 36 volt DC, en regelen deze tot enkele volts bij een maximale stroom van enkele tientallen ampères (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: De rol van de DC/DC-regelaar (converter) is eenvoudig: neem een ongeregelde gelijkstroombron, bijvoorbeeld een batterij of een gelijkgerichte en gefilterde wisselstroomlijn, en lever een strak geregelde gelijkstroomrail als uitgang. (Bron afbeelding: Electronic Clinic)

Er is goed nieuws en slecht nieuws bij de constructie van een basis buck-regelaar. Het goede nieuws is dat het in het algemeen niet moeilijk is om er een te bouwen die nominaal 'goed genoeg' presteert. Er zijn veel schakel-IC's beschikbaar die het grootste deel van de taak aankunnen, waarvoor slechts een enkele veldeffecttransistor (FET) (of helemaal geen) en een paar passieve componenten nodig zijn. De taak wordt nog vereenvoudigt doordat het gegevensblad van het regelaar-IC bijna altijd een standaard toepassingscircuit bevat met een schema, een printplaatlay-out en een BOM die de namen van de onderdelenverkopers en onderdeelnummers kan bevatten.

Het technische dilemma is dat een 'goed' prestatieniveau mogelijk niet voldoende is met betrekking tot sommige niet voor de hand liggende prestatieparameters van de regelaar. Hoewel de uitgangs-DC-rail voldoende stroom kan leveren met adequate lijn/belastingsregeling en transiënte respons, zijn die factoren slechts het begin van het verhaal voor voedingsrails.

De realiteit is dat een regelaar naast deze fundamentele prestatiecriteria ook door andere factoren wordt beoordeeld, waarvan sommige door externe eisen worden gestuurd. De drie cruciale punten voor de meeste regelaars zijn niet noodzakelijkerwijs duidelijk, alleen vanuit het simplistische perspectief van een functieblok dat een ongeregelde gelijkstroomingang accepteert en een geregelde gelijkstroomuitgang levert. Dit zijn (Afbeelding 2):

• Koel: Hoog rendement en daarmee gepaard gaande minimale thermische impact.
• Stil: Lage rimpeling voor foutloze systeemprestaties, plus lage EMI om te voldoen aan de normen voor uitgestraalde ruis (niet-akoestisch).
• Compleet: Een geïntegreerde oplossing die omvang, risico, BOM, time-to-market en andere 'zachte' kwesties minimaliseert.

Afbeelding 2: Een DC/DC-regelaar moet meer doen dan alleen een stabiele voedingsrail leveren; hij moet ook koel en efficiënt zijn, EMI-'stil' zijn en functioneel compleet zijn. (Bron afbeelding: Math.stackexchange.com; gewijzigd door auteur)

Het aanpakken van deze problemen brengt een aantal uitdagingen met zich mee en het oplossen ervan kan een frustrerende ervaring worden. Dit komt geheel overeen met de '80/20-regel', wat betekent dat 80% van de inspanning wordt besteed aan het volbrengen van de laatste 20% van de taak. Laten we de drie factoren eens nader bekijken:

Koel: Elke ontwerper wil een hoog rendement, maar hoe hoog precies en tegen welke prijs? Het standaardantwoord is: dat hangt af van het project en de afwegingen. Een hoger rendement is belangrijk en wel om drie redenen:

1. Het vertaalt zich in een koeler product dat de betrouwbaarheid verhoogt, een hogere temperatuur mogelijk maakt, geforceerde luchtkoeling (ventilator) overbodig maakt of zo mogelijk het opzetten van effectieve convectiekoeling vereenvoudigt. Aan de hoge kant kan het nodig zijn om specifieke onderdelen die bijzonder heet draaien onder hun maximaal toegestane temperatuur en binnen hun veilige werkgebied te houden.
2. Zelfs als deze thermische factoren geen rol spelen, vertaalt de efficiëntie zich in een langere runtime voor batterijgevoede systemen of een geringere belasting van de stroomopwaartse AC-DC-converter
3. Er zijn tegenwoordig veel wettelijke normen die specifieke efficiëntieniveaus voor elke klasse eindproducten voorschrijven. Hoewel deze normen niet voorzien in efficiëntie voor afzonderlijke rails in een product, bestaat de uitdaging voor de ontwerper erin om te zorgen dat de totale efficiëntie aan het mandaat voldoet. Dit is makkelijker wanneer de DC/DC-regelaar van elke bijdragende rail efficiënter is, aangezien dat ruimte biedt in de optelling met de andere rails en andere verliesbronnen.

Stilte: Er bestaan twee grote klassen van ruis waar ontwerpers rekening mee moeten houden. Ten eerste moeten de ruis en de rimpel op de uitgang van de DC/DC-regelaar laag genoeg zijn om de systeemprestaties niet negatief te beïnvloeden. Dit wordt belangrijker naarmate de railspanningen in digitale schakelingen dalen tot enkele volts, evenals voor analoge precisiecircuits waar een rimpel van zelfs enkele millivolts de prestaties kan verminderen.

Het andere probleem heeft te maken met EMI. Er zijn twee soorten EMI-emissies: geleiding en straling. Geleide emissies vinden plaats op de draden en sporen die op een product zijn aangesloten. Aangezien de ruis gelokaliseerd is op een specifieke klem of connector in het ontwerp, kan naleving van de voorschriften inzake geleide emissies vaak al vrij vroeg in het ontwikkelingsproces worden gewaarborgd door een goede lay-out en een goed filterontwerp.

Stralingsemissies zijn echter ingewikkelder. Elke stroomvoerende geleider op een printplaat straalt een elektromagnetisch veld uit: elk printspoor is een antenne en elk kopervlak een spiegel. Alles wat geen zuivere sinus of gelijkspanning is, genereert een breed signaalspectrum.

Het probleem is dat zelfs bij een zorgvuldig ontwerp een ontwerper nooit echt weet hoe erg de uitgestraalde emissies zullen zijn totdat het systeem wordt getest. Bovendien kan het testen van de uitgestraalde emissies niet formeel worden uitgevoerd totdat het ontwerp in wezen voltooid is. Filters worden gebruikt om EMI te verminderen door met behulp van verschillende technieken de niveaus bij specifieke frequenties of over een reeks frequenties te verzwakken.

Een deel van de door de ruimte uitgestraalde energie wordt verzwakt door plaatmetaal als magnetisch schild te gebruiken. Het lagere frequentiegedeelte dat over printplaatsporen wordt geleid, wordt geregeld met ferrietkralen en andere filters. Afscherming werkt, maar brengt nieuwe problemen met zich mee. Het moet goed ontworpen zijn met een goede elektromagnetische integriteit (wat vaak verrassend moeilijk is). Het verhoogt de kosten, bemoeilijkt het thermisch beheer en het testen, en brengt extra assemblagekosten met zich mee.

Een andere techniek is het vertragen van de schakelflanken van de regelaar. Dit heeft echter het ongewenste effect dat het rendement wordt verminderd, de minimale in- en uitschakeltijden en de vereiste dode tijden toenemen en de snelheid van de stroomregeling in gevaar komt.

Een andere benadering is het ontwerp van de regelaar aan te passen om minder EMI uit te stralen door een zorgvuldige selectie van de belangrijkste ontwerpparameters. Het afwegen van deze regelaars omvat het beoordelen van de interactie van parameters zoals schakelfrequentie, voetafdruk, efficiëntie en resulterende EMI.

Zo vermindert een lagere schakelfrequentie in het algemeen het schakelverlies en de EMI, terwijl de efficiëntie wordt verbeterd, maar dit vereist grotere componenten met een grotere voetafdruk. Het streven naar een hoger rendement gaat gepaard met lage minimale in- en uitschakeltijden, wat leidt tot een hoger harmonisch gehalte vanwege de snellere schakelovergangen. In het algemeen wordt de EMI bij elke verdubbeling van de schakelfrequentie 6 decibel (dB) slechter, ervan uitgaande dat alle andere parameters, zoals schakelcapaciteit en overgangstijden, constant blijven. De breedband-EMI gedraagt zich als een eerste-orde hoogdoorlaatfilter met 20 dB hogere emissies wanneer de schakelfrequentie met een factor tien toeneemt.

Om dit te verhelpen, maken ervaren printplaatontwerpers de stroomlussen ('hot loops') van de regelaar klein. Daarnaast gebruiken ze afschermende aardlagen zo dicht mogelijk bij de actieve laag. Niettemin schrijven pin-out, pakketconstructie, thermische ontwerpvoorschriften en pakketafmetingen die nodig zijn voor adequate energieopslag in ontkoppelingscomponenten een bepaalde minimale hot-loop-grootte voor.

Om het lay-outprobleem nog uitdagender te maken, heeft de typische vlakke printplaat magnetische of transformatorachtige koppeling tussen sporen boven de 30 megahertz (MHz). Deze koppeling verzwakt de filtering, want hoe hoger de harmonische frequenties zijn, hoe effectiever de ongewenste magnetische koppeling wordt.

Welke normen zijn relevant?

Er is niet één enkele leidende norm in de EMI-wereld, aangezien deze grotendeels wordt bepaald door de toepassing en relevante regelgevingsmandaten. Tot de meest geciteerde normen behoren EN55022, CISPR 22 en CISPR 25. EN 55022 is een gewijzigde afgeleide van CISPR 22 en is van toepassing op informatietechnologieapparatuur. De norm wordt opgesteld door CENELEC, het Europees Comité voor Elektrotechnische Normalisatie, en is verantwoordelijk voor normalisatie op het gebied van elektrotechniek.

Deze normen zijn complex en definiëren de testprocedures, sondes, instrumentatie, gegevensanalyse en meer. Van de vele door de norm vastgestelde grenswaarden is die voor uitgestraalde emissie van klasse B vaak het belangrijkst voor ontwerpers.

Compleet: Zelfs wanneer de ontwerpsituatie vrij goed wordt begrepen, blijft het op de juiste manier selecteren en toepassen van de benodigde ondersteunende componenten een uitdaging. Geringe verschillen in plaatsing en specificaties van componenten, aarding en sporen op de printplaat evenals andere factoren kunnen de prestaties nadelig beïnvloeden.

Modellering en simulatie zijn noodzakelijk en kunnen helpen, maar het is erg moeilijk om de parasitaire effecten van deze componenten te karakteriseren, vooral als hun waarden verschuiven. Voorts kan een verandering van leverancier (of een onaangekondigde verandering door de voorkeursleverancier) leiden tot een subtiele verschuiving in parameterwaarden op het tweede of derde niveau (zoals de DC-weerstand van de inductor (DCR)), hetgeen aanzienlijke en onverwachte gevolgen kan hebben.

Bovendien kan zelfs een kleine verplaatsing van de passieve componenten of het toevoegen van 'slechts één extra' component het EMI-scenario veranderen en resulteren in emissies die de toegestane limieten overschrijden.

Silent Switcher µModules verhelpen de problemen

Het anticiperen op en beheren van risico's is een normaal onderdeel van het werk van een ontwerper. Vermindering van het aantal en de intensiteit van deze risico's is een standaard eindproductstrategie. Een oplossing is het gebruik van een functioneel complete DC/DC-regelaar die door een goed ontwerp en de juiste implementatie koel, stil en compleet is. Het gebruik van een bekend component vermindert de onzekerheid, terwijl de risico's van omvang, kosten, EMI, BOM en assemblage worden aangepakt. Dat versnelt ook de time-to-market en vermindert de onzekerheid omtrent naleving van de regelgeving.

Door een complete familie van dergelijke regelaars, zoals de Silent Switcher µModules van Analog Devices, te bekijken, kunnen ontwerpers een DC/DC-regelaar kiezen die is afgestemd op de benodigde spanning en stroomsterkte, terwijl ze er zeker van kunnen zijn dat aan de EMI-mandaten wordt voldaan, dat de afmetingen en kosten bekend zijn en dat er geen verrassingen zijn.

Deze regelaars omvatten veel meer dan innovatieve schema's en topologieën. Ze gebruiken onder andere de volgende technieken:

• Techniek 1: Het schakelen van de regelaar werkt als een RF-oscillator/bron en combineert met de verbindingsdraden, die als antennes fungeren. Dit verandert het component in een RF-zender met ongewenste energie die de toegestane grenzen kan overschrijden (Afbeelding 3, 4 en 5).

Afbeelding 3: De verbindingsdraden van de IC-chip naar de behuizing fungeren als miniatuurantennes en stralen ongewenste RF-energie uit. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Afbeelding 4: De Silent Switcher begint met het vervangen van de draadverbindingen door flipchiptechnologie, waardoor de energie-uitstralende draden verdwijnen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Afbeelding 5: De flipchip-benadering elimineert effectief de antennes en minimaliseert de uitgestraalde energie. (Bron afbeelding: Analog Devices)

• Techniek 2: Het gebruik van symmetrische ingangscondensatoren begrenst de EMI door evenwichtige, tegengestelde stromen te creëren (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Er zijn ook dubbele, gespiegelde ingangscondensatoren toegevoegd om de EMI te beperken. (Bron afbeelding: Analog Devices)

• Techniek 3. Tenslotte het gebruik van tegengestelde stroomlussen om magnetische velden op te heffen (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Een interne lay-out met stroomlussen in tegengestelde richtingen heft ook ongewenste magnetische velden op. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Deze Silent Switcher µModules vertegenwoordigen de evolutie van het step-down regelaarontwerp van een IC met ondersteunende componenten via een LQFN-IC met ingebouwde condensatoren tot een µModule met de nodige condensatoren en spoelen (Afbeelding 8)

Afbeelding 8: Door condensatoren en een spoel in het pakket op te nemen, vormen de Silent Switcher µModules de derde fase in de ontwikkeling van IC-centrische schakelregelaars. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Een breed aanbod gericht op behoeften en afwegingen

De Silent Switcher µModules bestaan uit vele afzonderlijke eenheden met verschillende classificaties voor ingangsspanningsbereik, uitgangsspanningsrail en uitgangsstroom. De LTM8003 is bijvoorbeeld een µModule met een 3,4 tot 40 volt ingang, 3,3 volt uitgang en 3,5 A continu (6 A piek) die voldoet aan de CISPR 25 Klasse 5 limieten, maar toch slechts een afmeting heeft van 9 × 6,25 millimeter (mm) en 3,32 mm hoog is (Afbeelding 9).

Afbeelding 9: De LTM8003 Silent Switcher is een klein, zelfstandig pakket dat gemakkelijk voldoet aan de CISPR 25 klasse 5 piekstralingslimiet van DC tot 1000 MHz. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Hij wordt geleverd met een pin-out die voldoet aan de FMEA (failure mode effects analysis) (LTM8003-3.3), wat betekent dat de uitgang op of onder de regelspanning blijft tijdens een kortsluiting op een aangrenzende pin of als een pin zwevend wordt gelaten. De typische ruststroom is slechts 25 microampère (µA) en de H-versie is berekend op 150 °C.

Het DC2416A-demonstratieboard (demoboard) is beschikbaar voor ontwerpers om de regelaar uit te proberen en de prestaties ervan voor hun toepassing te beoordelen (Afbeelding 10).

Afbeelding 10: Het DC2416A-demoboard vereenvoudigt de aansluiting op en evaluatie van de LTM8003 Silent Switcher. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Twee nominaal vergelijkbare leden van de Silent Switcher µModule-familie, de LTM4657 (3,1 tot 20 volt ingang; 0,5 tot 5,5 volt bij 8 A uitgang) en de LTM4626 (3,1 tot 20 volt ingang; 0,6 tot 5,5 volt bij 12 A uitgang), tonen de aard van de afwegingen die de componenten bieden. De LTM4657 gebruikt een spoel met een hogere waarde dan de LTM4626, waardoor deze bij lagere frequenties kan werken om het schakelverlies te verminderen.

De LTM4657 is een betere oplossing voor hoge schakelverliezen en lage geleidingsverliezen, zoals in toepassingen waar de belastingsstroom laag en/of de ingangsspanning hoog is. Kijkend naar de LTM4626 en de LTM4657 bij dezelfde schakelfrequentie en met dezelfde 12-volt ingang en 5-volt uitgang, zien we het superieure schakelverlies van de LTM4657 (Afbeelding 11). Bovendien vermindert de spoel met hogere waarde de rimpeling van de uitgangsspanning. De LTM4626 kan echter meer belastingsstroom leveren dan de LTM4657.

Afbeelding 11: De efficiëntievergelijking van de LTM4626 en LTM4657 bij 1,25 MHz met dezelfde configuratie op een DC2989A-demoboard toont bescheiden maar concrete verschillen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Gebruikers kunnen de prestaties van de LTM4657 beoordelen met behulp van het DC2989A-demoboard (Afbeelding 12), terwijl voor degenen die de LTM4626 willen evalueren het DC2665A-A-board beschikbaar is (Afbeelding 13).

Afbeelding 12: Het DC2989A-demonstratieboard is ontworpen om de evaluatie van de LTM4657 Silent Switcher te versnellen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Afbeelding 13: Voor de LTM4626 Silent Switcher module is het DC2665A-A-demoboard beschikbaar om het uitproberen en evalueren te vergemakkelijken. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De Silent Switcher µModules zijn niet beperkt tot modules met één uitgang. De LTM4628 is bijvoorbeeld een complete, 8 A dual-output schakelende DC/DC-regelaar die eenvoudig kan worden geconfigureerd om een 2-fase 16 A single-output te leveren (Afbeelding 14). De module wordt aangeboden in een 15 mm × 15 mm × 4,32 mm LGA-pakket en een 15 mm × 15 mm × 4,92 mm BGA-pakket. Het pakket omvat de schakelcontroller, vermogens-FET's, spoel en alle ondersteunende componenten.

Afbeelding 14: De LTM4628 kan worden geconfigureerd als een dual-output, 8 A per kanaal schakelende DC/DC regelaar, of in een single-output, 16 A uitgangsconfiguratie. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De module werkt over een ingangsspanningsbereik van 4,5 tot 26,5 volt en ondersteunt een uitgangsspanningsbereik van 0,6 tot 5,5 volt, ingesteld door een enkele externe weerstand. Gebruikers kunnen de prestaties als single of dual output evalueren met behulp van het DC1663A-demoboard (Afbeelding 15).

Afbeelding 15: Evaluatie van de single/dual-output LTM4628 wordt versneld met het gebruik van het DC1663A-demoboard. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Conclusie

Het ontwerpen van een functionerende DC/DC-regelaar met de beschikbare IC's is vrij eenvoudig. Het ontwerpen van een regelaar die uitblinkt in efficiëntie, functioneel compleet is en tegelijkertijd voldoet aan de vaak verschillende, verwarrende en strenge regelgevingsmandaten is dat echter niet. De Silent Switcher µModules van Analog Devices vereenvoudigen het ontwerpproces. Zij elimineren risico's door aan de doelstellingen voor koele en efficiënte werking, toegestane EMI-emissielimieten en drop-in volledigheid te voldoen.