Lawaaierige toepassingen dempen met ADI Silent Switcher μModule-regelaars®

Stilte bestaat niet in een gevoelige elektronische toepassing - letterlijk, het gebeurt nooit. Dat komt omdat het vrijwel onmogelijk is om alle EMI-ruis (elektromagnetische interferentie) van voedingen te elimineren. Verschillende ontwerpbenaderingen om dit probleem op te lossen gaan vaak gepaard met compromissen die de complexiteit kunnen vergroten.

Ingenieurs proberen EMI te verminderen in geluidsgevoelige toepassingen zoals voedingen (versterkers) voor radiofrequenties, snelle dataconverters, gevoelige instrumenten en medische beeldvormings- en diagnosesystemen. Dat betekent meestal dat er meer componenten, afscherming en filters moeten worden toegevoegd, die allemaal de complexiteit, de kosten, de omvang en het gewicht kunnen vergroten.

Geschakelde voedingen (SMPS) en op elektronica gebaseerde convertors zijn een belangrijke oorzaak van EMI en bemoeilijken het ontwerp van veel toepassingen in autosystemen, consumentenelektronica, industriële automatisering en telecommunicatie.

Snel schakelen minimaliseert energieverlies voor DC-naar-DC-convertors, evenals AC-naar-DC-gelijkrichters, DC-naar-AC-inverters en AC/AC-convertors. Dit gaat echter ten koste van het genereren van hoogfrequente energie en transiënten die EMI-geleiding en straling kunnen veroorzaken.

EMI kan de prestaties van systemen verminderen, radiofrequenties verstoren, storingen aan componenten veroorzaken en de werking van kritieke apparaten zoals pacemakers en veiligheidssystemen in auto's belemmeren. Een belangrijke oorzaak van EMI in dergelijke systemen is common-mode stroom die in dezelfde richting over twee of meer geleiders stroomt en magnetische velden induceert.

Veel, zo niet de meeste, elektronische toepassingen in de VS moeten voldoen aan de voorschriften van Federal Communications Commission Part 15 die bedoeld zijn om schadelijke interferentie te voorkomen, waaronder interferentie van niet-RF-apparaten. Internationale industriële en communicatietoepassingen moeten voldoen aan CISPR 22 Klasse B en automobieltoepassingen aan CISPR 25. Andere regio's hebben vergelijkbare nalevingscertificaten.

EMI-testen vinden vaak laat in de ontwerpcyclus plaats, dus problemen en corrigerende maatregelen kunnen leiden tot kostbare productvertragingen. Erger nog, als EMI-problemen in het veld worden ontdekt, kunnen ze moeilijker te lokaliseren zijn en kostbare herstelwerkzaamheden vereisen.

Er kunnen meerdere soorten componenten worden gebruikt om EMI tegen te gaan. Lineaire LDO-regelaars met lage uitval (low-dropout) zijn een conventionele, goedkope benadering om stroomafwaartse belastingen te beschermen tegen spanningstransiënten en voedingsruis. Deze kunnen echter resulteren in omvangrijke oplossingen en missen vaak de noodzakelijke beveiligingsfuncties.

Meer geavanceerde LDO's met een hoge PSRR (power supply rejection ratio) verbeteren de ruisonderdrukking, maar niet direct de efficiëntie of thermische prestaties. In combinatie met schakelende regelaars kunnen ze een hoog rendement combineren met weinig ruis.

Ontwerpers kunnen zich ook richten op de PCB-lay-out om lusgebieden die EMI verspreiden te minimaliseren en lawaaierige en gevoelige circuits van elkaar te scheiden. Een andere vaak aanvullende benadering is het isoleren of omsluiten van componenten met EMI-afschermende materialen zoals metalen en metaallegeringen. Er kunnen ook ruisarme versterkers worden gebruikt.

Elk van deze EMI-reductietechnieken, vaak in combinatie gebruikt, maakt het ontwerp complexer, waardoor ontwikkelaars op zoek gaan naar vereenvoudiging.

EMI-ontwerpproblemen vereenvoudigen

De groei in toepassingen die afhankelijk zijn van SMPS-ontwerpen overtreft het aantal ontwerpers dat bedreven is in het voldoen aan strenge EMI-eisen. Veel digitale ontwerpers worden gevraagd om de gaten in hun vaardigheden op te vullen die veroorzaakt worden door een tekort aan ontwerpers van analoge voedingen. Deze trend, in combinatie met de toenemende complexiteit van het SMPS-ontwerp, duidt op de behoefte aan meer integratie van SMPS-componenten om processen te vereenvoudigen.

Analog Devices, Inc. (ADI) heeft EMI-ontwerpuitdagingen vereenvoudigd met de introductie van zijn Silent Switcher^® technologie in 2015. Het doel was om de schakeltechnieken te optimaliseren en tegelijkertijd het ontwerp van printplaten te vereenvoudigen. De eerste generatie Silent Switcher-apparaten zoals de LT8640 verminderde parasitaire weerstand door gebruik te maken van koperen pilaren flip-chip verpakking in plaats van gebonden draad om matrijzen met het substraat te verbinden. Ze hebben ook een aandrijflijn ingebouwd die ontworpen is om de efficiëntie van de hoge frequenties te verbeteren.

Die apparaten van de eerste generatie splitsten ook enkele hoge-stroom "hot loops" in dubbele loops met tegengestelde stromen die de voortgeplantte EMI opheffen. Een enkele grote hootlus heeft hoge parasitaire elementen en sterke magnetische velden die kunnen bijdragen aan EMI in de vorm van straling. De apparaten van Silent Switcher bevatten ook interne schakeldrivers om het verlies aan schakelvermogen te minimaliseren.

In 2017 introduceerde ADI een monolithische synchrone buck converter met lage emi op basis van een Silent Switcher 2-architectuur. In deze generatie hebben apparaten zoals de LT8640S-2 de afhankelijkheid van externe componenten verminderd door condensatoren, hot loops en een aardingsvlak te integreren in een nieuwe LQFN-behuizing. Dit maakte kleinere oplossingen mogelijk en elimineerde de gevoeligheid van de PCB-lay-out voor betere EMI-prestaties. Daarnaast bevatten Silent Switcher 2-apparaten meer koperen pilaren en grote blootliggende pads, waardoor de thermische prestaties en efficiëntie toenemen.

In 2021 introduceerde ADI een vernieuwde Silent Switcher 3-architectuur met de LT8627SP synchrone step-down regelaar, met ultralage ruisprestaties bij lage frequenties, ultrasnelle transiëntrespons en hoge efficiëntie bij hoge schakelfrequenties met behoud van ultralage EMI. Het biedt ook een blootliggende matrijsbovenkant voor optionele bevestiging van een koellichaam voor toepassingen met hoge omgevingstemperaturen.

Silent Switcher 3 µModule-regelaars

Silent Switcher 3-technologie is nu beschikbaar in ADI's µModule® hooggeïntegreerde component op pakket (COP) voedingsoplossingen. Deze verpakking levert betere thermische prestaties en bespaart nog meer op de totale grootte van de oplossing, waardoor kleine, efficiënte en betrouwbare voedingsoplossingen mogelijk worden.

Andere belangrijke voordelen van µModule-regelaars zijn de tijdsbesparing en de verminderde inspanning die nodig is voor het ontwerpen, testen en kwalificeren van DC/DC-regelaars. ADI integreert de controller, vermogens-MOSFET's, spoel en andere ondersteunende componenten in één compact pakket. Ze kunnen worden gebruikt als voedingsoplossing voor een breed scala aan telecom-, netwerk- en industriële apparatuurtoepassingen, RF-voedingen, ruisarme instrumentatie en snelle en zeer nauwkeurige gegevensomzetters.

De LTM4702 (Afbeelding 1) is een complete 8 A step-down μModule-regelaar in een ultracompacte 6,25 mm × 6,25 mm × 5,07 mm BGA-behuizing, met geïntegreerde silent switcher-gebaseerde regelaar-IC voor lage EMI en hoge efficiëntie. Het werkt over een ingangsspanningsbereik van 3 V tot 16 V en ondersteunt een uitgangsbereik van 0,3 V tot 5,7 V.

Afbeelding 1: De LTM4702 μModule van ADI integreert een controller, vermogens-MOSFET's, inductor en andere ondersteunende componenten voor buckconvertor in een verbeterde compacte behuizing. Het vermindert de nood aan LDO's in ruisgevoelige toepassingen. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

Meerdere LTM4702's kunnen parallel worden gebruikt om hogere uitgangsstromen te produceren. Maximaal 12 fasen kunnen parallel geschakeld worden om gelijktijdig uit fase te lopen door de PHMODE-pin van elke LTM4702 op verschillende spanningsniveaus te programmeren.

Daarnaast heeft de LTM4702 synchrone schakelende regelaar een uitzonderlijk laagfrequent uitgangsgeluid (10 Hz tot 100 kHz). Het is uitermate geschikt voor toepassingen met hoge stromen en ruisgevoelige toepassingen. Het apparaat maakt gebruik van een PWM-architectuur met constante frequentie die kan worden geprogrammeerd om te schakelen van 300 kHz naar 3 MHz met behulp van een weerstand die van de RT-pin naar massa is gekoppeld.

Een enkele weerstand stelt de uitgangsspanning van de LTM4702 zo in dat er sprake is van eenheidsversterking bij terugkoppeling van de uitgangsspanning en een vrijwel constante uitgangsruis onafhankelijk van de uitgangsspanning. Voor de meeste ruisgevoelige toepassingen maakt de LTM4702 post-regulatie LDO's en LC-filters overbodig en zijn alleen ingangs- en uitgangscondensatoren nodig om een ontwerp te voltooien.

Het EVAL-LTM4702-AZ-evaluatiebord (Afbeelding 2) is beschikbaar voor het instellen en evalueren van de prestaties van de LTM4702.

Afbeelding 2: Het EVAL-LTM4702-AZ-evaluatiebord van ADI biedt ontwerpers een step-down DC/DC-schakelconvertor om de prestaties van de LTM4702 te evalueren. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

De LTM8080 (Afbeelding 3) is een 40 V_IN, dubbel 500 mA of enkel 1 A apparaat dat twee ultrahoge PSRR LDO-regelaars integreert met een Silent Switcher DC/DC-regelaar, gescheiden door een geïntegreerd EMI-schild in een thermisch verbeterde, 9 mm × 6,25 mm × 3,32 mm, overmolded BGA-behuizing. Het ondersteunt een schakelfrequentiebereik van 200 kHz tot 2,2 MHz en een uitgangsspanningsbereik van 0 V tot 8 V.

Afbeelding 3: De LTM8080 μModule van ADI integreert dubbele LDO's, samen met een Silent Switcher DC/DC-regelaar met een EMI-schild ertussen in een compacte behuizing. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

De front-end schakelende regelaar is een niet-geïsoleerde step-down schakelende DC/DC-voeding die tot 1,5 A continue stroom kan leveren. De back-end LDO lineaire regelaars maken gebruik van ADI's ultralage ruis (2 nV/√Hz bij 10 kHz) en ultrahoge PSRR-architectuur (76 dB bij 1 MHz). De LDO-uitgangen kunnen parallel geschakeld worden om  de uitgangsstroom te verhogen.

Ontwerpers kunnen het DC3071A (Afbeelding 4) demonstratiecircuit, dat een breed werkbereik van 4 V tot 40 V heeft, gebruiken om de LTM8080 te evalueren.

Afbeelding 4: Het DC3071A-demonstratiecircuit bevat een LTM8080 µModule met twee uitgangen, elk een instelbare 3,3 V/0,5 A. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

Conclusie

De Silent Switcher μModule-regelaars van ADI bieden een robuuste oplossing voor de uitdagingen van EMI in geluidsgevoelige elektronische toepassingen. Door de integratie van geavanceerde Silent Switcher 3-technologie in zeer compacte en efficiënte system-in-package-ontwerpen vereenvoudigen deze μModule-regelaars het ontwerp, verbeteren ze de thermische prestaties en elimineren ze in de meeste scenario's de noodzaak voor LDO-regelaars.

Van snelle dataconvertors en RF-systemen tot medische beeldvorming en industriële apparatuur, deze μModule regelaars stellen ingenieurs in staat om ultralage ruis en hoge efficiëntie te bereiken zonder de extra complexiteit van traditionele EMI-reductiemethoden. Met producten zoals de LTM4702 en LTM8080 blijft Analog Devices toonaangevend in het aanbieden van innovatieve oplossingen die voldoen aan de strenge eisen van moderne elektronica en betrouwbare prestaties garanderen in zelfs de meest geluidskritische toepassingen.