כיצד להשתמש בממירי DC/DC קטנים ומודולריים כדי להקטין למינימום את רעש פסי הספקת-הכוח

רעש הוא שיקול אינהרנטי ולרוב בלתי נמנע כמעט בכל תכני מערכות. אמנם רעש כלשהו הוא ממקורות חיצוניים ולא בשליטתו של מתכנן המעגלים, אך הוא נוצר גם על ידי המעגל עצמו. במקרים רבים זה קריטי שהמתכנן יקטין למינימום את מקורות הרעש - במיוחד רעש על פסי הספקת-הכוח - מכיוון שהוא יכול להשפיע על מעגלים אנלוגיים ודיגיטליים רגישים.

התוצאה יכולה להיות ביצועי מעגל לא-יציבים, רזולוציה ודיוק מופחתים וקצב שגיאות ביטים גבוה יותר (BER), במקרה הטוב. במקרה הגרוע, זה עלול לגרום לתקלה כללית במערכת, או לבעיות ביצועים תכופות או לסירוגין, כשבשני המקרים קשה מאוד לאתר באגים.

ישנן שתי בעיות רעש עיקריות עם מייצבי DC/DC‏ ופסי היציאה שלהם: אדווה ורעש מוקרן. רעש שנוצר בתוך המעגל כפוף למחויבויות רגולטוריות של תאימות אלקטרומגנטית (EMC) וחייב להיות מתחת לרמות שהוגדרו בפסי התדרים השונים.

האתגר עבור המתכננים הוא להבין את הרעש שמקורו פנימי ומהיכן הוא נובע, ו"לתכנן אותו החוצה" או להנחית אותו בדרך אחרת. מאמר זה ישתמש במייצבי DC/DC‏ מבית .Monolithic Power Systems, Inc‏ כדי לדון באפשרויות הקיימות להפחתה למינימום של בעיות רעשי המייצבים.

נתחיל עם מקור וסוג הרעש

הרעש הקל ביותר לתצפית, וזה המשפיע ישירות על ביצועי המעגל, הוא רעש האדווה בתדר המיתוג. רעש אדווה זה הוא בדרך כלל בסדר גודל של 10 עד 20 מילי-וולט (mV) (איור 1). למרות שהוא אינו רנדומלי באופיו, הוא עדיין מהווה ביטוי לרעש עם השלכות על ביצועי המערכת. רמת המילי-וולט של רעש אדווה זה אינה מהווה באופן כללי בעיה עבור מעגלים-משולבים (IC‏) דיגיטליים במתח גבוה יותר הפועלים עם פסי מתח של 5 וולט ומעלה, אך היא יכולה להוות בעיה במעגלים דיגיטליים במתח נמוך יותר הפועלים מתחת ל- 3 וולט. רעש אדווה על פסי הספקת-הכוח מהווה גם בעייה מרכזית במעגלים ורכיבים אנלוגיים מדויקים, ולכן המפרט של יחס דחיית ספק-כוח (PSRR) עבור התקנים אלו הוא קריטי.

איור 1: רעש אדווה על פס DC, שהוא תוצר לוואי של פעולת המיתוג של המייצב, יכול להשפיע על הביצועים הבסיסיים של המעגל או על דיוק התוצאות. (מקור התמונה: .Monolithic Power Systems, Inc‏)

פעולת המיתוג של מייצב DC/DC‏ יכולה גם להקרין רעש בתדר רדיו (RF). גם אם המילי-וולטים הבודדים של רעש האדווה על פסי DC‏ הם נסבלים, יש גם את בעיית הפליטות האלקטרומגנטיות הפוגעות ב- EMC. לרעש זה יש תדר יסודי ידוע בין כמה קילו-הרץ למספר מגה-הרץ (MHz) בהתאם לממיר הממותג, ויש לו גם הרמוניות רבות.

בין התקנים הרגולטוריים הקשורים ל- EMC המוזכרים ביותר הם ה- CISPR 22 וה- CISPR 32, "ציוד טכנולוגיית מידע - מגבלות מאפייני הפרעות רדיו ושיטות מדידה" (CISPR הן ראשי התיבות של "Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques"). קיים גם תקן אירופאי, EN 55022, הנגזר בעיקר מתקן המוצר CISPR 22, עם בדיקות שנעשות בתנאים מוגדרים בקפידה.

תקן CISPR 22 אומץ לשימוש על ידי מרבית חברי האיחוד האירופי (EU‏). בעוד ש- FCC‏ פרק 15‏ בארה"ב ו- CISPR 22 נעשו מאוחדים יחסית, ישנם בכל זאת כמה הבדלים. CISPR 22 / EN 55022 "נבלע" בתוך CISPR 32 / EN 55032, תקן משפחת מוצרים חדש עבור ציוד מולטימדיה (MME‏) שהוא יעיל כתקן מאוחד התואם להנחיות EMC.

ציוד המיועד לשימוש בעיקר בסביבת מגורים חייב לעמוד במגבלות Class B, כאשר כל הציוד האחר הוא תואם Class A (איור 2). מוצרים המיועדים לשווקים בצפון אמריקה חייבים לעמוד במגבלות שנקבעו בסעיף 15.109 של ועדת התקשורת הפדרלית (FCC) פרק 15, תת-פרק B, עבור מקרינים שלא-במתכוון. לפיכך, גם אם הרעש החשמלי המוקרן ממייצב DC אינו משפיע לרעה על המוצר עצמו, רעש זה עלול עדיין להיות גבוה באופן בלתי-נסבל ביחס לעמידה במחויבויות הרגולטוריות השונות.

איור 2: זהו אחד מהגרפים הרבים המסופק על-ידי CISPR 32 / EN 55032 המגדיר את גבולות הפליטה לעומת התדר עבור סוגים שונים של מוצרי לצרכנים. מקור התמונה: "Academy of EMC, “EMC Standards)

הטיפול בבעיות EMC הוא נושא מסובך ואין לו פיתרון פשטני. בין היתר, המדידה והגבולות המותרים של פליטות אלה הן פונקציה של תדר הפעולה של המעגל, המרחק, רמת ההספק וקטגוריית היישומים. מסיבות אלה יהיה זה סביר לבדוק את המקורות הטכניים הרבים ואולי אפילו יועצים שיכולים לספק הכוונה ומומחיות.

עם זאת, למתכננים יש שלוש אסטרטגיות בסיסיות כדי להקטין למינימום את הרעש, למנוע בעיות בביצועי המעגלים וגם לעמוד במחויבות הרעש המתאימה:

• שימוש במייצב עם מפל-מתח נמוך (LDO‏).
• הוספת סינון חיצוני למייצב הממותג כדי להפחית את הרעש שנראה בעומס על פסי ה- DC.
• בחירת מייצב ממותג המשבץ רכיבים שהם חיצוניים למעגל-המשולב (IC‏) של המייצב, כגון משרנים או קבלים. המודול המתקבל מתוכנן ומובטח לספק פסי מתח עם רעש נמוך, ולכן הוא זקוק לסינון חיצוני מינימלי או בכלל לא.

נתחיל עם ה- LDO‏

מכיוון שלארכיטקטורת ה- LDO אין שעון או מיתוג, יש לה אינהרנטית רעש EMC נמוך וללא אדווה על פס היציאה; כך משתמשים במאות מיליוני מייצבי LDO מדי שנה. כאשר מיישמים אותו על תכן מתאים, הוא יכול להיות פיתרון יעיל.

לדוגמה, מייצב LDO‏ MP20075‏ מבית Monolithic Power Systems‏ מיועד ספציפית לסיומות אפיקים אקטיביים עבור זיכרון גישה דינמית סינכרוני (SDRAM‏) עם קצב נתונים כפול (DDR‏) ‎2/3/3L/4‏ (איור 3). מייצב LDO זה נתון במארז MSOP עם 8 פינים ויכול לשמש כקולט וכמקור עד 3 אמפר (A) במתח שניתן להגדרה על ידי המשתמש בין 1.05 עד 3.6 וולט, והוא כולל עקיבת מתח ייחוס 2‏/_REF‏V‏ מדויקת עבור סיומות מדויקות.

איור 3‏: מייצב LDO‏ MP20075‏ יכול לשמש כקולט וכמקור עד A‏ 3‏ והוא ממוטב עבור צורכי סיומות של קטגוריות שונות של זיכרונות SRAM‏ DDR‏. (מקור התמונה: Monolithic Power Systems)

המחלק המשולב של ה- MP20075 עוקב אחר מתח הייחוס (REF) כדי להבטיח מתח יציאה מדויק של VTT ו- VTTREF, בעוד שחישת Kelvin‏ מסייעת לו להשיג דיוק של mV‏ 30‏± עבור VTT ו- mV‏ 18‏± עבור VTTREF. בנוסף, כמו ברוב מייצבי LDO, טופולוגיית החוג-הסגור האנלוגית-בלבד מניבה היענות מהירה ביותר לטרנזיינטי עומס היציאה, בסדר גודל של כמה מיקרו-שניות בודדות בלבד (איור 4). היענות לטרנזיינטים כזו היא לעיתים קריטית במעגלי מהירות גבוהה כגון סיומות DDR SRAM שעבורן תוכנן מייצב LDO זה.

איור 4‏: התכן בחוג-סגור אנלוגי של מייצב LDO‏ תורם להיענות המהירה ביותר לדרישות טרנזיינטים על ידי העומס; ביצועים כאלו הם הכרחיים עבור יישומים כגון סיומות זיכרונות SRAM‏ DDR‏. (מקור התמונה: Monolithic Power Systems)

למרות הרעש הנמוך האינהרנטי וקלות-השימוש במאפיינים, למייצב LDO יש מגבלות. ראשית, הנצילות שלו הרבה יותר נמוכה לעומת מייצב ממותג, שבתורה מעוררת שני חששות ברורים: החום שהוא מפזר מוסיף לעומס התרמי של המערכת, ולנצילות הנמוכה יותר יש השפעה על זמן הפעולה של התקנים ניידים מוזני-סוללות. מסיבות אלה, מייצבי LDO משמשים לרוב עבור זרמי יציאה של בערך A‏ 1‏ עד A‏ 3‏ (כפי שנראה על ידי ה- MP20075) מכיוון ש"הקנס" על הנצילות הופך לעיתים לגבוה מידי מעל ערך זה.

יש מגבלה אינהרנטית נוספת של מייצבי LDO: הם יכולים לספק ייצוב רק עם הורדת-מתח (Buck‏) ואינם יכולים להעלות את המתח (Boost‏) של הספקת-כוח DC‏ לא-מיוצבת מעל הערך הנומינלי שלהם. אם יש צורך ביציאה באופן העלאת-מתח (Boost‏), מייצב LDO נפסל אוטומטית כאפשרות מייצב DC/DC‏.

כוונון-עדין של פרישת המעגל, הוספת סינון

כאשר משתמשים במייצב ממותג, בין אם עבור אופן Boost‏ או אופן Buck‏, פעולת המיתוג שלו היא מקור רעש אינהרנטי ובלתי-נמנע. הוספת סינון יציאה נוסף היא קלה יותר כאשר המייצב פועל בתדר קבוע. נבחן את ה- MP2145‏, מייצב ממותג מוריד-מתח סינכרוני 5.5 וולט, A‏ 6‏ במארז QFN של 3‏ ×‏ 2‏ מילימטר (מ"מ) עם 12 מוליכים, עם רכיבי MOSFET‏ משולבים של 20 מילי-אוהם (mΩ‏) ו- mΩ‏ 12‏ (איור 5‏).

איור 5‏: ה- MP2145‏, מייצב ממותג מוריד-מתח סינכרוני 5.5 וולט, A‏ 6‏ כולל רכיבי MOSFET‏ משולבים של 20 מילי-אוהם (mΩ‏) ו- mΩ‏ 12‏ ונתון במארז QFN של 3‏ ×‏ 2‏ מ"מ. (מקור התמונה: Monolithic Power Systems)

ממיר Buck‏ סינכרוני כדוגמת ה- MP2145 מורכב מקבל כניסה _IN‏C‏, שני מתגים (S1 ו- S2) עם דיודות הגוף שלהם, משרן הספק לאחסון אנרגיה (L) וקבלי יציאה (_OUT‏C). קבלי היציאה (_OUT‏C‏) ממוקמים ביציאה כדי להחליק את מתחי היציאה במצב היציב. אלו יוצרים מסנן דרגה-ראשונה ומקטינים את אדוות מתח היציאה על ידי הספקת נתיב עם אימפדנס נמוך עבור רכיבי המתח בתדר גבוה לחזרה להארקה. בדרך כלל, קבל יציאה מסוג מצד (Shunt) כזה יכול להקטין באופן יעיל את אדוות מתח היציאה ל- mV‏ 1‏.

כדי להקטין עוד יותר את אדוות מתח היציאה, נדרש מסנן יציאה דרגה-שנייה, עם מסנן משרן-קבל (LC) המחובר בקסקדה לקבלי היציאה דרגה-ראשונה (איור 6). משרן הסינון (_f‏L‏) הוא התנגדותי בתחום התדרים הגבוה המיועד ומפזר את אנרגית הרעש בצורת חום. המשרן משולב עם קבלי מצד (Shunt) נוספים ליצירת רשת מסנני LC מעבירה-נמוכים.

איור 6: הוספת מסנן LC דרגה-שנייה ליציאה של מייצב ממותג כגון ה- MP2145 יכולה להקטין את אדוות היציאה. (מקור התמונה: Monolithic Power Systems)

גיליונות הנתונים ודפי היישום של היצרנים מספקים משוואות והנחיות עבור גודל רכיבי המשרן, קבל ונגד השיכוך של מסנן זה. הם גם מזהים פרמטרים משניים קריטיים כגון התנגדות DC‏ (DCR‏) וזרם רוויה מקסימליים של המשרן , וכן התנגדות טורית אקוויוולנטית (ESR‏) מקסימלית של הקבל. ערכי השראות טיפוסיים הם בתחום שבין 0.22 מיקרו-הנרי (μH) ו- µH‏ 1‏.

הפרישה של רכיבים אלו היא קריטית גם להשגת הביצועים העיליים ביותר האפשריים. פרישה המתוכננת שלא כראוי עלולה לגרום לייצוב קו או עומס ירודים, אדווה מוגדלת ובעיות יציבות אחרות. את קבל הכניסה (Cin‏) עבור ה- MP2145‏ יש למקם קרוב ככל האפשר לפיני המעגל-המשולב (IC‏) (איור 7‏).

איור 7‏: קבל הכניסה של ה- MP2145‏ (Cin כאן, למטה מימין; ו- C1 בשרטוט שבאיור 5‏) צריך להיות ממוקם קרוב ככל האפשר לפין 8 (פין כניסת הספקת-הכוח) ולפינים 10/11/12 (פיני GND של הספקת-הכוח). (מקור התמונה: Monolithic Power Systems)

המודולים מציעים ביצועים מובטחים

המודולים מקדמים את מימוש מייצבי DC/DC‏ לרמה הבאה של שילוב מערכות. בכך הם ממזערים או מבטלים חששות הקשורות לבחירה ולמיקום של רכיבים חיצוניים ומעניקים מפרטים מובטחים. המודולים משלבים רכיבים נוספים, בעיקר המשרן החיצוני המסורתי, המטריד במקצת. ככאלה, הם מקלים על האתגרים הקשורים לגודל, מיקום וכיווניות של הרכיבים הפסיביים, אשר כולם משפיעים על ה- EMC ועל הביצועים הקשורים לאדווה.

לדוגמא, ה- MPM3833C הוא מודול מוריד-מתח עם MOSFET להספק ומשרן מובנים, המספק עד A‏ 3‏ של זרם יציאה רצוף ממתח כניסה בין 2.75 ל- 6 וולט, לצד ייצוב עומס וקו מצוינים (איור 8). רק נגדי משוב, קבלי כניסה וקבלי יציאה נדרשים להשלמת התכן. המשרן, שהוא בדרך כלל הרכיב החיצוני הקשה ביותר לאפיון ולמיקום, הוא פנימי למודול ולכן הופך להיות ללא-בעייתי ביחס למיקום הנכון כדי להקטין למינימום הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) ואדווה.

איור 8‏: מודול DC/DC‏ MPM3833C כולל בתכן ובמפרט הביצועים שלו את המשרן הבעייתי לעיתים. (מקור התמונה: Monolithic Power Systems)

מודול זה נתון במארז QFN-18 אולטרה-קטן (2.5 מ"מ × 3.5 מ"מ × 1.6 מ"מ) ויש לו אדווה של mV‏ 5‏ (טיפוסי). רמת הפליטות המוקרנות (EMI)הנמוכה שלו תואמת לתקן EN55022 Class B, המוצגת באיור 9 עבור התנאים של V‏ 5‏ = _IN‏V‏, V‏ 1.2‏ = _OUT‏V‏, A‏ 3‏ = _OUT‏I‏, pF‏ 22‏ = CO‏, ב- 25°C‏.

איור 9: גיליון הנתונים של מודול DC/DC‏ MPM3833C מראה שהוא עומד בקלות בתקן EN55022 Class B עבור פליטות מקרינות. (מקור התמונה: Monolithic Power Systems)

עם הטכניקות המודרניות של מיקרו-מארזים, הגודל הכולל של המודול גדול או גבוה יותר רק במעט מפיסת-הסיליקון הפנימית; פרופיל נמוך הוא פרמטר יותר ויותר חשוב. ה- MPM3650‏ הוא מודול הספקת-כוח מוריד-מתח מיושר, סינכרוני ומשולב במלואו של ‎1,2 MHz עם משרן פנימי (איור 10‏). הוא מספק עד A‏ 6‏ של זרם יציאה רצוף עבור יציאות בין 0.6 ל- 1.8 וולט, ועד A‏ 5‏ עבור יציאות של מעל 1.8 וולט, עם תחום מתחי כניסה רחב של 2.75 עד 17 וולט וייצוב עומס וקו מצוינים. עם רכיבי MOSFETS הפנימיים והמשרן המשובץ שלו, מארז QFN-24 הוא בממדים של 4 מ"מ × 6 מ"מ × 1.6 מ"מ בלבד.

איור 10: מודול MPM3650 עם משרן משולב מספק עד A‏ 6‏ עד 1.8 וולט ו- A‏ 5‏ מעל 1.8 וולט, במארז בגודל 4 מ"מ × 6 מ"מ × 1.6 מ"מ. (מקור התמונה: Monolithic Power Systems)

יתרון נוסף של הגישה המודולרית הוא שרעש האדווה מבוקר היטב בכ- mV‏ 20‏ ללא עומס, ונופל לכ- mV‏ 5‏ בעומס מלא של A‏ 6‏ (איור 11). המשמעות היא שבמקרים רבים אין צורך בסינון חיצוני נוסף, ובכך התכן הוא פשוט יותר ומקטין את חתימת-השטח עם מפרט חומרים (BOM) קטן יותר.

איור 11: רעש האדווה של מודול MPM3650 מוגדר לכ-mV‏ 20‏ בעומס אפס ולכ- mV‏ 5‏ בעומס מלא. (מקור התמונה: Monolithic Power Systems)

לעיתים כדאי לבצע עבודות מעשיות עם מודולי מייצב DC/DC‏ כדי להעריך אם הביצועים הסטטיים והדינמיים שלהם עומדים בדרישות המערכת, אפילו מעבר למה שמצויין בגיליון הנתונים. כדי להאיץ תהליך זה, חברת Monolithic Power Systems מציעה את ה- EVM3650-QW-00A‏, לוח הערכה של 63.5 מ"מ × 63.5 מ"מ × 1.6 מ"מ עם ארבע שכבות עבור ה- MPM3650 (איור 12).

איור 12: באמצעות לוח ההערכה EVM3650-QW-00A, משתמשים פוטנציאליים במודול ה- DC/DC‏ MPM3650 יכולים להעריך במהירות את ביצועיו ביישום שלהם. (מקור התמונה: Monolithic Power Systems)

לוח ההערכה לצד גיליון הנתונים שלו משרת מספר מטרות. ראשית, הוא מאפשר למשתמש להעריך בקלות את מאפייני הביצועים הרבים של ה- MPS3650 במגוון רחב של תנאי פעולה, חלקם עשויים שלא להיות ברורים מאליהם או להיות מוזכרים בגיליון הנתונים. שנית, גליון הנתונים של לוח ההערכה מכיל את הסכמות, מפרט החומרים (BOM) ופרישת הלוח המלאים, כך שמשתמשים ב- MPS3650 יכולים להשתמש בהם בתכנים משלהם כדי להפחית את הסיכון ולהקטין למינימום את אי-הוודאות (איור 13).

איור 13‏: מארז לוח ההערכה EVM3650-QW-00A‏ כולל את הפרטים המלאים של הסכמות, מפרט החומרים (BOM) ופרישת הלוח כדי להפחית את הסיכון ולהקטין למינימום את אי-הוודאות. (מקור התמונה: Monolithic Power Systems)

לוח ההערכה מעניק למתכננים הזדמנות להבין טוב יותר את ביצועי המודול, וכתוצאה מכך לרמת ביטחון גבוהה בתכנון לצד זמן יציאה לשוק קצר ביותר.

יש עוד סוג אחד של רעש

כאשר המתכננים מדברים על "רעש", הם כמעט תמיד מתייחסים לביטוי כלשהו של רעש אלקטרוני במעגל כגון אדווה או EMI. עם זאת, עם מייצבים ממותגים, קיים סוג רעשי פוטנציאלי נוסף: רעש אקוסטי. עבור מייצבים הפועלים מעל תחום השמיעה של האדם - הנחשב בדרך כלל kHz‏ 20‏ - רעש כזה לא יהווה בעיה. עם זאת, כמה מהמייצבים הממותגים פועלים בתחום השמע, בעוד שאחרים הפועלים בתדרים גבוהים בהרבה נופלים לתחום השמע בפרקי הזמן של אי-פעילות או אופן-המתנה כדי להקטין למינימום את צריכת ההספק.

רעש נשמע זה נובע מאחת או משתי התופעות הפיזיקליות הידועות; האפקט הפיזואלקטרי ואפקט ההיצרות המגנטית (Magnetostriction‏). במקרה של האפקט הפיזואלקטרי, התנודות החשמליות נדחפות-השעון גורמות לרכיבים כגון קבלים קרמיים לרטוט בסינכרון עם שעון המיתוג כאשר אנרגיה חשמלית הופכת לתנועה מכנית על ידי החומרים הגבישיים של הקבל. במקרה של אפקט ההיצרות המגנטית (Magnetostriction‏) המקביל במקצת לאפקט הפיזואלקטרי, חומרים מגנטיים, כגון ליבות משרן או שנאי, משנים את צורתם וממדיהם במהלך מחזורי המגנטיזציה נדחפות-השעון. הקבל או המשרן/שנאי המושפעים משמשים כ"דוחף" מכני וגורמים לכל המעגל להדהד, וכך להגביר ולשדר את התנודות הנשמעות.

בשל אחד או שני האפקטים הללו, אנשים עם שמיעה טובה מתלוננים לעתים שהם שומעים זמזום (Hum‏) קבוע בעוצמה נמוכה כאשר הם נמצאים ליד התקנים אלקטרוניים. שימו לב שרעש אקוסטי זה נוצר לעיתים גם על ידי רכיבים במעגלי חשמל בתדר נמוך של 50/60 הרץ, כך שגם אלו ללא שמיעה טובה בתדרים גבוהים יותר עשויים לשמוע זמזום.

ההתמודדות עם רעש אקוסטי דורשת גישות וטכניקות שונות מאשר בשימוש להנחתת רעש אלקטרוני.

סיכום

מייצבי LDO מציעים פתרון ללא רעש או עם רעש נמוך לבעיה של אדוות פסי DC ו- EMI, אך בדרך כלל הם אינם אפשרות ברת-מימוש למייצב מעל אמפרים בודדים. מייצבים ממותגים עם סינון מתאים או כאלו המתוכננים במיוחד עבור ביצועי רעש נמוך הם החלופה.

מודולי מייצב DC/DC‏ שלמים הכוללים רכיבים כגון משרן במארז הקטן שלהם מציעים מערך אחר של פיתרונות. הם מפחיתים את אי-הוודאות בתכנון ביחס לפרישה ולבחירת הרכיבים תוך שהם מעניקים ביצועי תת-מערכת בדוקים במלואם ומכומתים.

קריאה מומלצת

1. "הבנת תקני תאימות אלקטרומגנטית עבור ספקי כוח ממותגים"