השקטת יישומים רועשים עם מייצבי ®μModule‏ Silent Switcher‏ של ADI‏

אין דבר כזה יישום אלקטרוניקה רגיש ללא רעש - פשוטו כמשמעו, זה אף פעם לא קורה. הסיבה לכך היא שביטול כל רעשי ההפרעות האלקטרומגנטיות (EMI) מספקי כוח הוא כמעט בלתי אפשרי. גישות תכנון שונות כדי להפחית בעיה זו כרוכים לעתים קרובות בשינויים היכולים ליצור מורכבות רבה יותר.

מהנדסים עושים שמיניות באוויר כדי לנסות ולהפחית EMI ביישומים רגישים לרעש כגון ספקי כוח בתדר רדיו (מגברים), ממירי נתונים במהירות גבוהה, מכשור רגיש ומערכות דימות ואבחון רפואיות. זה בדרך כלל אומר תוספת של רכיבים, סיכוך ומסננים, וכל אלה יכולים להגדיל את המורכבות, העלות, הגודל והמשקל.

ספקי-כוח ממותגים (SMPS‏) וממירים מבוססי-אלקטרוניקה הם הגורמים המובילים ביצירת EMI‏, והם מסבכים את בתכנון של מערכות רכב, אלקטרוניקה לצרכנים, אוטומציה תעשייתית וטלקומוניקציה.

מיתוג מהיר ממזער את איבוד האנרגיה עבור ממירי DC-ל-DC, כמו גם מיישרי AC-DC, אינוורטרים DC-AC וממירי AC/AC. עם זאת, זה מגיע עם העלות של יצירת אנרגיה בתדר גבוה וטרנזיינטים העלולים לגרום לEMI מוקרן ומולך.

EMI עלול לפגום בביצועי המערכת, להפריע לתדרי רדיו, לגרום לתקלה ברכיבים ולהפריע לפעולתם של התקנים קריטיים כגון קוצבי לב ומערכות בטיחות ברכב. הגורם העיקרי ל-EMI במערכות כאלה הוא זרם אופן-משותף (CM‏) הזורם באותו כיוון על פני שני מוליכים או יותר ומשרה שדות מגנטיים.

יישומים אלקטרוניים רבים - אם לא רובם - בארה"ב חייבים לציית לתקנות Federal Communications Commission Part 15 שנועדו למנוע הפרעות מזיקות, כולל מהתקנים שאינם RF‏. יישומי תעשייה ותקשורת בינלאומיים חייבים לעמוד בתקן CISPR 22 Class B ויישומי רכב עם התקנים הבינלאומיים CISPR 25. במקומות גיאוגרפיים אחרים יש אישורי תאימות דומים.

בדיקות EMI מתרחשות לעתים קרובות מאוחר במהלך מחזור התכנון, כך שבעיות ופעולות מתקנות עלולות להוביל לעיכובים יקרים במוצר. גרוע מכך, אם יתגלו בעיות EMI בשטח, ייתכן שיהיה קשה יותר לאתר אותן וידרשו מאמצי תיקון יקרים.

ניתן להשתמש במספר סוגים של רכיבים כדי להתמודד עם EMI. מייצבים ליניאריים עם מפל-מתח נמוך (LDO‏) מהווים גישה קונבנציונלית בעלות נמוכה להגנת עומסים במורד-הזרם מפני טרנזיינטי מתח ורעש מספקי-כוח. עם זאת, הם יכולים לגרום לפתרונות מגושמים ולעיתים חסרים את תכונות ההגנה הנדרשות.

LDOs מתקדמים יותר עם יחס דחיית ספק כוח (PSRR) גבוה משפרים את שיכוך הרעש, אך אינם משפרים ישירות את הנצילות או הביצועים התרמיים. משמשים ביחד עם מייצבים ממותגים, הם יכולים לשלב נצילות גבוהה עם רעש נמוך.

המתכננים יכולים גם למקד מאמצים בפריסת ה-PCB כדי למזער אזורי חוגים הגורמים להתפשטות EMI ומפרידים בין מעגלים רועשים ורגישים. גישה משלימה נוספת היא לבודד או לסגור רכיבים בתוך חומרי סיכוך EMI כגון מתכות וסגסוגות מתכת. ניתן להשתמש גם במגברים בעלי רעש נמוך.

כל אחת מטכניקות הפחתת EMI אלו, המשמשות לעתים קרובות במקביל, מוסיפה למורכבות התכן , ומשאירה מפתחים לחפש אחר פישוט.

פישוט נושאי תכנון EMI‏

הגידול ביישומים הנשענים על תכני SMPS עולה על מספר המתכננים המיומנים בעמידה בדרישות EMI מחמירות. מתכננים דיגיטליים רבים מתבקשים למלא את פערי הכישורים הנגרמים ממחסור במתכנני ספקי כוח אנלוגיים. מגמה זו, בשילוב עם המורכבות הגוברת של תכני SMPS, מסמנת את הצורך באינטגרציה רבה יותר של רכיבי SMPS כדי לפשט תהליכים.

.Analog Devices, Inc‏ (ADI‏) החלה לפשט את אתגרי תכנון EMI עם הצגת טכנולוגיית ^{®Silent Switcher‏} שלה ב-2015. מטרתה הייתה לייעל את טכניקות המיתוג תוך פישוט תכני לוחות המעגלים המודפסים (PCB). התקני Silent Switcher‏ של הדור-הראשון כגון ה-LT8640‏ הפחיתו את ההתנגדות הפרזיטית הודות לשימוש במארז Flip-Chip‏ עם עמודי נחושת במקום חוטים מודבקים כדי לחבר את פיסות-הסיליקון למצע. הם גם שילבו מערכת הספקת-כוח שנועדה לשפר את הנצילות בתדר גבוה.

התקני דור-ראשון אלה גם פיצלו "חוגים חמים" יחידים עם זרם גבוה לחוגים כפולים עם זרימות מנוגדות שביטלו את התפשטות ה-EMI. חוג חם גדול יחיד הוא בעל אלמנטים פרזיטיים ושדות מגנטיים חזקים היכולים לתרום ל-EMI‏ בצורה של קרינה. התקני Silent Switcher שילבו גם דוחפים ממותגים פנימיים כדי למזער את הפסדי ההספק כתוצאה מהמיתוג.

בשנת 2017‏ ADI‏ הציגה ממיר Buck‏ סינכרוני מונוליטי עם EMI נמוך המבוסס על ארכיטקטורת Silent Switcher 2‏. בדור ההוא התקנים כגון LT8640S-2‏ הפחיתו את ההסתמכות על רכיבים חיצוניים על ידי שילוב קבלים, חוגים חמים ומשטח הארקה בתוך מארז LQFN חדש. זה איפשר גודלי פתרון קטנים יותר וביטול הרגישות לפריסת PCB עבור ביצועי EMI טובים יותר. בנוסף, התקני Silent Switcher 2 כוללים יותר עמודי נחושת ופדים חשופים גדולים, המשפרים את הביצועים התרמיים ואת הנצילות.

בשנת 2021‏ ADI‏ הציגה את ארכיטקטורת Silent Switcher 3‏ המעודכנת עם מייצב מוריד-מתח סינכרוני LT8627SP‏ עם ביצועי רעש אולטרה-נמוך בתדרים-נמוכים, היענות לטרנזיינטים אולטרה-מהירה , ונצילות גבוהה בתדרי מיתוג גבוהים תוך שמירה על EMI אולטרה-נמוך. הוא גם מספק כיסוי לפיסת-סיליקון חשופה עבור חיבור אופציונלי של צלעות קירור כדי להתאים ליישומים עם טמפרטורת סביבה גבוהה.

מייצבי μModule‏ Silent Switcher 3‏

טכנולוגיית Silent Switcher 3 זמינה כעת בפתרונות הספקת-כוח ברכיבים-על-מארז (COP‏) ®µModule‏ של ADI. מארזים אלו מעניקים ביצועים תרמיים טובים יותר וחוסכים עוד יותר בגודל הפתרון הכולל, ומאפשרים פתרונות הספקת-כוח קטנים, יעילים ואמינים.

יתרונות מפתח נוספים של מייצבי µModule כוללים חיסכון בזמן והפחתת המאמץ הדרוש עבור התכנון, בדיקה והרשאה של מייצבי DC/DC. ADI משלבת את הבקר, MOSFETs להספק, משרן ורכיבים תומכים אחרים במארז יחיד וקומפקטי. ניתן להשתמש בהם כפתרון הספקת-כוח עבור מגוון רחב של יישומי טלקום, רשתות וציוד תעשייתי, ספקי כוח RF, מכשור עם רעש נמוך וממירי נתונים במהירות גבוהה ועם דיוק גבוה.

ה-LTM4702‏ (איור 1) הוא מייצב μModule‏ מוריד-מתח A‏ 8‏ שלם במארז BGA‏ אולטרה-קומפקטי של 6.25 מ"מ × 6.25 מ"מ × 5.07 מ"מ, עם IC‏ משולב של מייצב מבוסס-Silent Switcher‏ עבור EMI נמוך ונצילות גבוהה. הוא פועל על-פני תחום מתחי כניסה של V‏ 3‏ עד V‏ 16‏ ותומך במתחי יציאה של V‏ 0.3‏ עד V‏ 5.7‏.

איור 1: ה-LTM4702 μModule של ADI משלב בקר, MOSFET להספק, משרן ורכיבים תומכים אחרים עבור ממיר Buck במארז קומפקטי משופר. זה מקל על הצורך ב-LDOs לאחר הייצוב ביישומים רגישים לרעש. (מקור התמונה: Analog Devices, Inc.)

ניתן להפעיל מספר רכיבי LTM4702‏ במקביל כדי לייצר זרמי יציאה גבוהים יותר. ניתן לחבר במקביל עד מקסימום של 12 פאזות להפעלה בו-זמנית שלא-בפאזה על ידי תכנות פין PHMODE‏ של כל LTM4702 לרמות מתח שונות.

בנוסף, המייצב הממותג הסינכרוני LTM4702‏ הוא בעל רעש יציאה בתדר-נמוך-ביותר (Hz‏ 10‏ עד kHz‏ 100‏). הוא מתאים ביותר עבור יישומים בעלי זרם גבוה ורגישים לרעש. ההתקן משתמש בארכיטקטורת PWM בתדר קבוע הניתן-לתכנות בין kHz‏ 300‏ עד MHz‏ 3‏ באמצעות נגד המחובר מפין ה-RT להארקה.

נגד יחיד מגדיר את מתח היציאה של ה-LTM4702 כדי לספק הגבר יחידה במשוב מתח היציאה ורעש יציאה כמעט קבוע ללא תלות במתח היציאה. עבור מרבית היישומים הרגישים לרעש, ה-LTM4702 מבטל את הצורך ב-LDOs‏ ומסנני LC‏ לאחר-הייצוב ורק קבלי כניסה ויציאה נחוצים להשלמת התכן.

לוח ההערכה EVAL-LTM4702-AZ‏ (איור 2) זמין להגדרה והערכת הביצועים של ה-LTM4702‏.

איור 2: לוח ההערכה EVAL-LTM4702-AZ של ADI מספק למתכננים ממיר ממותג DC/DC מוריד-מתח להערכת ביצועי ה-LTM4702. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

ה-LTM8080‏ (איור 3) הוא התקן A‏ 1‏ יחיד או mA‏ 500‏ כפול, _IN‏V‏ 40‏, המשלב מייצבי LDO‏ עם PSRR‏ אולטרה-גבוה עם מייצב DC/DC‏ Silent Switcher‏ המופרד על ידי סיכוך EMI‏, המשולב במארז BGA‏ יצוק-מעל ומשופר תרמית בגודל של 9 מ"מ × 6.25 מ"מ × 3.32 מ"מ. הוא תומך בתחום תדרי מיתוג של kHz‏ 200‏ עד MHz‏ 2.2‏ והוא בעל תחום מתחי יציאה של V‏ 0‏ עד V‏ 8‏.

איור 3:ה-LTM8080 μModule של ADI משלב LDOs כפולים ביחד עם מייצב DC/DC‏ Silent Switcher‏ עם סיכוך EMI‏ ביניהם בתוך מארז קומפקטי. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

המייצב הממותג קצה-קדמי הוא ספק-כוח DC/DC‏ ממותג מוריד-מתח לא-מבודד המסוגל לספק זרם רצוף של עד A‏ 1.5‏. המייצבים הליניאריים LDO‏ קצה-אחורי משתמשים בארכיטקטורה של ADI‏ עם רעש אולטרה-נמוך (nV/√Hz‏ 2‏ ב-kHz‏ 10‏) ו-PSRR‏ אולטרה-גבוה (dB‏ 76‏ ב-MHz‏ 1‏). את יציאות ה-LDO‏ ניתן לחבר במקביל כדי להגדיל את זרם היציאה.  

המתכננים יכולים להשתמש במעגל ההדגמה DC3071A‏ (איור 4‏), שהוא בעל תחום פעולה רחב של V‏ 4‏ עד V‏ 40‏, כדי להעריך את ה-LTM8080‏.

איור 4: מעגל ההדגמה DC3071A כולל LTM8080 µModule עם שתי יציאות, כל אחת מהן היא עם V‏ 3.3‏/A‏ 0.5‏ מתכווננים (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

מסקנות

מייצבי μModule‏ Silent Switcher‏ של ADI‏ מספקים פתרון חסון עבור אתגרי ה-EMI‏ ביישומים אלקטרוניים רגישים-לרעש. הודות לשילוב טכנולוגיית Silent Switcher 3 מתקדמת בתכנים קומפקטיים ויעילים ביותר של תכני מערכת-בתוך-מארז, מייצבי μModule אלה מפשטים את התכן, משפרים את הביצועים התרמיים ומבטלים את הצורך במייצבים לאחר ה-LDO‏ במרבית התרחישים.

מממירי נתונים במהירות גבוהה ומערכות RF ועד לציוד דימות רפואית וציוד תעשייתי, מייצבי μModule אלה מאפשרים למהנדסים להשיג רעש אולטרה-נמוך ונצילות גבוהה ללא המורכבות הנוספת של שיטות הפחתת EMI מסורתיות. עם מוצרים כמו ה-LTM4702 ו-LTM8080‏, Analog Devices‏ ממשיכה להוביל בהצעת פתרונות חדשניים העונים על הדרישות המחמירות של האלקטרוניקה המודרנית, ומבטיחים ביצועים אמינים אפילו ביישומים קריטיים ביותר לרעש