Hoe ruisarm vermogen met hoge dichtheid te leveren in een kleine vormfactor voor FPGA's en ASIC's

Digitale IC's met hoge stroomvereisten, zoals FPGA's en ASIC's, staan steeds vaker centraal in ingebedde systemen voor toepassingen zoals auto's, medisch, telecom, industrieel, gaming en audio/video voor consumenten. Veel van deze toepassingen zijn missiekritisch, zoals hulpsystemen voor automobilisten (ADAS), en zeer betrouwbaar, zoals datacenters.

Naast de stroomvereisten hebben deze apparaten met een lagere spanning strenge tolerantiespecificaties voor hun voedingssporen. Het leveren van dit vermogen met efficiëntie, nauwkeurigheid, snelle overgangsprestaties, stabiliteit en weinig ruis is essentieel voor de prestaties en integriteit van het systeem.

Conventionele schakelende regelaars en voedingssubsystemen hebben potentiële ruisproblemen, zowel op hun uitgangssporen als in de vorm van uitgestraalde elektromagnetische interferentie (EMI) en radiofrequentie-interferentie (RFI), inadequate transiënte respons, en layoutbeperkingen. Om de ruis te minimaliseren gebruiken sommige toepassingen kleine en stille LDO-regelaars (low dropout) die een beter rendement bieden dan vroegere LDO's. Niettemin kunnen zelfs deze LDO's gewoonlijk niet voldoen aan de eisen inzake systeemefficiëntie, waardoor de thermische dissipatie een probleem vormt.

Het efficiënte alternatief voor de LDO is de schakelende regelaar, maar deze apparaten hebben inherent meer ruis vanwege hun klok- en schakelfunctie. Deze ruis moet worden ondervangen, willen ontwerpers deze schakelapparatuur ten volle kunnen benutten.

Gelukkig zijn er nieuwe manieren om een evenwicht te vinden tussen lawaai en efficiëntie. In dit artikel wordt ingegaan op recente innovaties in het ontwerp van vermogensomzetting met een hoog rendement en minimale ruimtebehoefte, alsmede sterk gereduceerde ruis van de schakelende regelaar. Het onderzoekt hoe innovatieve schakelende regelaars kunnen voldoen aan de vele doelstellingen voor belastingen met een spanning van één cijfer en minder dan 10 ampère (A), en introduceert de kleine Silent Switcher IC's in de LTC33xx-familie van Analog Devices als voorbeeld.

De stroom/spanningsdwang

Toen transistors en IC's in de tweede helft van de 20^e eeuw werden uitgevonden en ontwikkeld, was een van hun vele voordelen dat zij per functie zeer weinig stroom nodig hadden in vergelijking met de vacuümbuizen die zij vervingen - gemakkelijk een factor 100 of meer. Deze vooruitgang leidde echter al snel tot een hogere dichtheid van functies per apparaat en printplaat, in die mate dat IC's nu tientallen ampères per rail nodig hebben, en vaak op meerdere rails.

Tot de IC's die deze hoge stromen vereisen, en die uiteindelijk de grote hoeveelheden daarmee gepaard gaande energie als warmte moeten afvoeren, behoren FPGA's (field-programmable gate arrays) en ASIC's (application-specific IC's). Beide worden veel gebruikt in ingebedde apparaten in de gehele elektronica-industrie, waaronder auto's, medische, industriële, communicatie-, spel- en consumenten audio/videoapparatuur.

De door de FPGA of ASIC benodigde stroom kan worden geleverd via een AC/DC-convertor voor apparaten die op het lichtnet werken of een DC/DC-convertor voor apparaten die op batterijen werken. In beide gevallen is een volgende DC/DC-step-down-regelaar (buck) nodig om de eencijferige railspanning voor de belasting bij de vereiste stroomniveaus te leveren en te beheren.

Een manier om het nodige vermogen te leveren is het gebruik van één enkele DC/DC-buck-regelaar om alle printplaatapparatuur te ondersteunen en deze aan de zijkant of in een hoek van de printplaat te plaatsen om de warmteafvoer te regelen en de DC/DC-architectuur op systeemniveau te vereenvoudigen.

Deze eenvoudig klinkende oplossing heeft echter zijn problemen:

• Ten eerste is er de onvermijdelijke IR-daling tussen de regelaar en de belastingen als gevolg van de afstand en de hoge stroomniveaus (ΔV-daling = belastingsstroom I × spoorweerstand (R)). De oplossingen hiervoor zijn een grotere spoorbreedte of dikte van de printplaat of het gebruik van een opstaande busbar, maar deze gebruiken kostbare ruimte op de printplaat en verhogen de materiaallijst.
• Een techniek om IR-daling te ondervangen is het gebruik van teledetectie van de spanning bij de belasting, maar dit werkt alleen goed voor een single-point, niet-verspreide belasting. Het brengt ook nieuwe problemen van potentiële oscillatie met zich mee, aangezien de inductie van de langere voedingsrail en de sensorkabels de transiënte prestaties van de regelaar en de rails kunnen beïnvloeden.
• Ten slotte, en dat is vaak het moeilijkst te beheren, zijn de langere stroomrails ook onderhevig aan meer EMI/RFI-ruispicking of stralen zij in hun lengte ruis uit, zodat zij als antennes werken. De oplossing vereist gewoonlijk extra bypasscondensatoren, in-line ferrietkralen en andere maatregelen. Afhankelijk van de omvang en frequentie kan dit geluid de betrouwbare werking van de belastingen nadelig beïnvloeden en het moeilijk maken om te voldoen aan de verschillende wettelijke voorschriften inzake geluidsemissies.

De tegenstelling tussen lawaai en efficiëntie

Het is belangrijk op te merken dat het "ruis versus efficiëntie"-conflict voor DC/DC-regelaars een ander scenario is dan de gebruikelijke afwegingen bij technisch ontwerp. In die situatie gaat het vaak om het beoordelen van afwegingen en het vinden van de "sweet spot" waarin gunstige versus ongunstige eigenschappen tegen elkaar worden afgewogen.

Hoe is deze situatie anders? Bij de meeste afruilscenario's kan de ontwerper bewust minder van een gewenste parameterwaarde accepteren in ruil voor meer van een andere, waarbij hij zich langs een continuüm van afwegingen beweegt (Afbeelding 1, bovenste deel).

Afbeelding 1: In de meeste ontwerpsituaties kan de ingenieur verschillende afwegingen maken ten aanzien van de prestaties langs een vrij continu pad (boven), maar voor de ruis/efficiëntie van schakelende regelaars versus LDO's komen ontwerpen aan de ene of de andere kant terecht, met weinig "middenweg" (onder). (Bron afbeelding: Bill Schweber)

De ontwerper kan bijvoorbeeld een operationele versterker (op-amp) kiezen die meer stroom trekt (slecht) om een hogere slew rate (goed) te bieden in vergelijking met een andere op-amp; een afweging is aanvaardbaar of noodzakelijk in de toepassing.

Bij schakelende regelaars en LDO's zijn hun ruis- en efficiëntiekenmerken echter grotendeels "ingebakken" in hun structuur. Een ontwerper kan bijvoorbeeld niet zeggen dat hij een LDO met 20% meer ruis accepteert in ruil voor een verbetering van de efficiëntie met 10% - dat soort afweging bestaat niet. In plaats daarvan is er een gat in het attribuut-tradeoff-span (Afbeelding 1, onderste deel).

Silent Switcher-regelaars lossen het dilemma van de afweging op

Een alternatieve en meestal betere oplossing is het gebruik van afzonderlijke DC/DC-regelaars die zo dicht mogelijk bij hun belastings IC's zijn geplaatst. Dit minimaliseert de IR-daling, het oppervlak van de printplaat en de opname en straling van railruis. Wil deze aanpak echter levensvatbaar zijn, dan is het van essentieel belang dat er kleine, efficiënte, geluidsarme regelaars zijn die naast de belasting kunnen worden geplaatst en toch aan alle huidige eisen voldoen.

Dit is waar de vele Silent Switcher-regelaars het probleem oplossen. Deze regelaars leveren niet alleen spanningsuitgangen met één cijfer bij stroomniveaus van een paar ampère tot 10 A, maar ze doen dat ook nog eens met extreem weinig ruis, wat wordt bereikt door toepassing van meerdere ontwerpinnovaties.

Deze regelaars verschuiven het conventionele denken over de kloof tussen LDO en schakelende regelaars met Silent Switcher 1 (eerste generatie) en Silent Switcher 2 (tweede generatie) apparaten. De ontwerpers van deze toestellen identificeerden de verschillende geluidsbronnen en bedachten manieren om elk daarvan te dempen.

Merk op dat Silent Switcher-regelaars geen gebruik maken van de bekende en legitieme "spread-spectrum" techniek van het toevoegen van pseudo-willekeurige ruis aan het kloksignaal. Dit verbreedt het geluidsspectrum en vermindert de amplitude bij de klokfrequentie en de harmonischen daarvan. Hoewel het gebruik van spread-spectrumklokken kan helpen om aan de wettelijke limieten te voldoen, vermindert het de totale ruisenergie niet en kan het in feite ruis veroorzaken in delen van het spectrum die de circuitprestaties beïnvloeden.

De voordelen van de Silent Switcher 1 apparaten zijn lage EMI, hoge efficiëntie en een hoge schakelfrequentie die veel van de resterende ruis wegvoert van delen van het spectrum waar deze de werking van het systeem zou verstoren of problemen met de regelgeving zou opleveren. De voordelen van de Silent Switcher 2 omvatten alle eigenschappen van de Silent Switcher 1-technologie plus geïntegreerde precisiecondensatoren, een kleinere oplossing en de eliminatie van de gevoeligheid voor de lay-out van de printplaat.

Door hun kleine vormfactor (slechts enkele millimeters (mm) vierkant) en efficiëntie kunnen deze switchers zeer dicht bij de belastings-FPGA of ASIC worden geplaatst, waardoor de prestaties worden gemaximaliseerd en de onzekerheden tussen de specificaties op de datasheet en de realiteit tijdens het gebruik worden geëlimineerd. Zij veranderen het "binaire" dilemma dat men moet kiezen tussen meer lawaai of minder efficiëntie, zodat ontwerpers het beste van beide eigenschappen kunnen hebben als het gaat om lawaai en efficiëntie.

Hoe zijn deze Silent Switcher voordelen gerealiseerd? Dat gebeurde door een veelzijdige aanpak:

• De belangrijkste oorzaak van ruis in een geschakelde voeding zijn geschakelde stromen, niet stabiele. In de topologie van een conventionele schakelende regelaar is er een stroompad dat hot loop wordt genoemd. Deze hete lus is geen onafhankelijke stroomlus, maar slechts een virtuele stroomlus die is samengesteld uit de componenten van twee echte stroomlussen (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De gebruikelijke schakelregeltopologie heeft een virtuele stroomlus die hot loop wordt genoemd; deze is samengesteld uit de componenten van twee echte stroomlussen en heeft geschakelde stroomstromen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De Silent Switcher 2-technologie van Analog Devices maakt de kritische hot loops zo klein mogelijk door de integratie van ingangscondensatoren in het IC-pakket. Door de hete lus in twee symmetrische vormen te splitsen, ontstaan twee magnetische velden van tegengestelde polariteit en wordt het afgestraalde geluid grotendeels geannuleerd.

• De architectuur van de tweede generatie ondersteunt snelle schakelranden voor een hoog rendement bij hoge schakelfrequenties en tegelijkertijd goede EMI-prestaties. Interne keramische condensators op de DC-ingangsspanning (V_IN) houden alle snelle AC-stroomlussen klein, waardoor de EMI-prestaties verbeteren.
• De Silent Switcher-architectuur maakt gebruik van eigen ontwerp- en verpakkingstechnieken om de efficiëntie bij zeer hoge frequenties te maximaliseren en ultralage EMI-prestaties mogelijk te maken, waarbij gemakkelijk de CISPR 25 klasse 5 piek EMI-limieten worden gehaald door gebruik te maken van zeer compacte en robuuste ontwerpen.
• Er wordt gebruik gemaakt van Active Voltage Positioning (AVP), een techniek waarbij de uitgangsspanning afhankelijk is van de belastingsstroom. Bij lichte belasting wordt de uitgangsspanning boven de nominale waarde geregeld, terwijl bij volle belasting de uitgangsspanning onder de nominale waarde wordt geregeld. De regeling van de gelijkstroombelasting wordt aangepast om de transiënte prestaties te verbeteren en de vereisten voor de uitgangscondensator te verminderen.

De vele families van Silent Switcher

Silent Switcher regelaars zijn verkrijgbaar in vele families en modellen, met verschillende spannings-/stroomwaarden binnen elke familie. Sommige aanvullende overwegingen verschillen van model tot model, zoals het vaste versus het regelbare vermogen. Onder de verschillende leden van de LTC33xx-familie zijn de:

• LTC3307: 5 volt, 3 A synchrone step-down silent switcher in een 2 mm × 2 mm LQFN-pakket.
• LTC3308A: 5 volt, 4 A synchrone step-down silent switcher in een 2 mm × 2 mm LQFN-pakket.
• LTC3309A: 5 volt, 6 A synchrone step-down silent switcher in een 2 mm × 2 mm LQFN-pakket.
• LTC3310: 5 volt, 10 A synchrone step-down Silent Switcher 2 in 3 mm × 3 mm LQFN-pakket

De LTC3310 is een zeer kleine, ruisarme, monolithische step-down DC/DC-convertor die tot 10 A uitgangsstroom kan leveren uit een ingangsvoeding van 2,25 tot 5,5 volt; het V_OUT-bereik is 0,5 volt tot V_IN. De schakelfrequenties variëren van 500 kilohertz (kHz) tot wel 5 megahertz (MHz). Hij vereist slechts enkele externe passieve componenten en heeft een rendement van ongeveer 90% over het grootste deel van het uitgangsbelastingsbereik (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De LTC3310 step-down DC/DC-regelaar vereist externe actieve componenten en biedt een hoog rendement over het grootste deel van zijn belastingsbereik. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Het is verkrijgbaar in vier basisversies. De apparaten bieden zowel lage EMI als hoge efficiëntie bij schakelfrequenties tot 5 MHz, en er zijn versies van de LTC3310 familie die AEC-Q100 automotive gekwalificeerd zijn. Merk op dat zowel apparaten van de eerste generatie (SS1) - LTC3310 als apparaten van de tweede generatie (SS2) - LTC3310S en LTC3310S-1 -beschikbaar zijn als apparaten met instelbare en vaste uitgang (Tabel 1):

Tabel 1: De LTC3310 wordt aangeboden in vier basisversies, die staan voor ontwerpen van de eerste en tweede generatie, en voor vaste en instelbare uitgangen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Bij de instelbare versies wordt de uitgangsspanning hard geprogrammeerd via een weerstandsdeler tussen de uitgang en de feedbackpen (FB) met behulp van een eenvoudige vergelijking om de juiste weerstandswaarde te bepalen (Afbeelding 5).

Figuur 5: Het vaststellen van de uitgangsspanning van de instelbare LTC3310-apparaten vereist slechts een basisweerstandsverdelingsnetwerk op basis van een eenvoudige vergelijking. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De ruisniveaus bedragen doorgaans tientallen microvolt. Twee belangrijke maatstaven voor de geluidsarme prestaties van de LTC3310-apparaten zijn de geluidstests die zijn uitgevoerd in overeenstemming met de relevante CISPR25 klasse 5 pieklimieten. Deze omvatten geleid geluid (Afbeelding 6) en uitgestraald geluid in zowel het horizontale als het verticale vlak (figuur 7).

Afbeelding 6: Een goed opgestelde regelaar op basis van de LTC3310S voldoet aan de strenge CISPR25-limieten voor geleide EMI-emissies (met klasse 5 piek). (Bron afbeelding: Analog Devices)

Afbeelding 7: Voor tests van uitgestraalde emissies voldoet de LTC3310S zowel aan het horizontale (links) als het verticale (rechts) EMI-mandaat volgens CISPR25. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Een andere opmerkelijke eigenschap van de LTC3310-familie is het gemak waarmee apparaten parallel kunnen worden gebruikt voor meerfasige werking met hogere stroom, een eigenschap die veel andere schakelende regelaars niet of moeilijk ondersteunen. De eenvoudigste parallellisatie is voor tweefasenbedrijf en levert stroom op tot 20 A (Afbeelding 8). De aanpak kan gemakkelijk worden uitgebreid tot drie, vier of meer fasen, en dienovereenkomstig hogere stromen.

Afbeelding 8: Met een paar extra componenten kunnen twee of meer LTC3310-apparaten worden gecombineerd voor een meerfasige hogere stroom; afgebeeld is de tweefasige/20 A-configuratie. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Evaluatieborden verkorten ontwerpcycli

Regelaars zoals de LTC3310-apparaten zijn direct toepasbaar omdat ze geen initialisatieregisters, softwaregestuurde functies of andere instellingscomplexen hebben. Niettemin is het technisch zinvol om hun statische en dynamische prestaties te kunnen beoordelen en de waarden van passieve componenten te optimaliseren alvorens zich vast te leggen op een definitieve lay-out of BOM-specificaties. De beschikbaarheid van LTC3310-evaluatieborden maakt dit proces veel gemakkelijker. Analoog Devices biedt een selectie van dergelijke kaarten die zijn afgestemd op verschillende LTC3310-versies en -configuraties:

• De DC3042A ondersteunt het LTC3310-apparaat met regelbare uitgang (Afbeelding 9).

Afbeelding 9: Het DC3042A-evaluatiebord is ontworpen voor de LTC3310 met een door de gebruiker instelbare uitgangsspanning. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Naast instructies voor de basisinstelling en -bediening bevat de documentatie een schematisch diagram, de lay-out van de printplaat en een stuklijst. Ook worden de verschillende testpunten en aansluitingen genoemd, alsmede de sondeeropstelling voor het meten van de uitgangsrimpel en de staprespons (Afbeelding 10).

Afbeelding 10: De demonstratiehandleiding van de DC3042A beschrijft duidelijk de testpunten en aansluitingen (boven), evenals de meetopstelling en configuratie voor het meten van de uitgangsrimpel en de staprespons. (Bron afbeelding: Analog Devices)

• Voor de LTC3310S-1 met een vaste uitgangsspanning is er het DC3021A-evaluatiebord (Afbeelding 11).

Afbeelding 11: Voor de LTC3310S-1 met een uitgangsspanning die niet door de gebruiker instelbaar is, is het DC3021A-evaluatiebord de juiste keuze. (Bron afbeelding: Analog Devices)

• Ten slotte is er voor de iets complexere meerfasige parallelle opstelling de DC2874A-C (Afbeelding 12). Op dit evaluatiebord werkt de LTC3310S als een meerfasige 2,0 MHz, 3,3-naar-1,2 volt buckregelaar. De DC2874A heeft drie bouwmogelijkheden voor tweefasige/20 A, driefasige/30 A of vierfasige/40 A uitgangsoplossingen.

Afbeelding 12: Het DC2874A-C-evaluatiebord voor de LTC3310S heeft drie bouwmogelijkheden: tweefasen/20 A, driefasen/30 A, of vierfasen/40 A uitgangen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Door de LTC3310S te gebruiken en wat tijd te investeren in het juiste evaluatiebord en de bijbehorende gebruikershandleiding, kunnen ontwerpers de tijd die ze besteden aan de prestaties van de DC/DC-regelaar tot een minimum beperken.

Conclusie

Ingenieurs hebben traditioneel moeten kiezen tussen twee conflicterende DC/DC-regeltopologieën met duidelijk tegengestelde eigenschappen. LDO's bieden een zeer ruisarme DC-uitgang, maar met een laag tot matig rendement, waardoor ze een thermische uitdaging vormen boven vermogens van ongeveer 1 A. Schakelende regelaars bieden daarentegen een rendement van ongeveer 90%, maar voegen ruis toe aan de DC-uitgangsspoorlijn, en zijn ook een bron van geleide en vooral uitgestraalde ruis die er gemakkelijk toe kan leiden dat het product de verplichte wettelijke tests niet doorstaat.

Gelukkig maken de Silent Switcher-families van Analog Devices gebruik van verschillende innovatieve ontwerptechnieken die dit "kies het een of het ander" dilemma overwinnen, wat resulteert in zeer efficiënte, zeer ruisarme, kleine regelaaropties.