השתמשו במייצב מיתוג מתאים עבור השגת נצילות, רעש פס נמוך ותגובה מהירה לטרנזיינטים

איכות פס ה-DC היא גורם קריטי בשמירה על ביצועי המערכת ביישומים כגון חיבוריות אלחוטית, המסתמכים על מעגלים אנלוגיים עם רמות אות נמוכות, ובתכנים דיגיטליים עם מתחי פס הספקת-כוח נמוכים. בנוסף לנצילות ההמרה, דיוק היציאה, היציבות וייצוב הקו והעומס, איכות פס ה-DC‏ מאופיינת גם בגורמים כגון הרעש האינהרנטי והתגובה לטרנזיינטיים של שינויי עומס דינמיים.

עם זאת, מספר דורות של חידושים בסדרות Silent Switcher‏ החסונות של Analog Devices‏ הביאו לטכנולוגיה אשר, כאשר מיושמת כראוי, יכולה לספק יציאת DC‏ עם רעש נמוך ותגובה אולטרה-מהירה לטרנזיינטיים.

מאמר זה מתמקד במייצבים ממותגים DC/DC קלים לשימוש ובעלי ביצועים עיליים אלה, הבעיות בהן הם מטפלים והיתרונות שהם מביאים. המאמר משתמש בדוגמאות יישומים של Analog Devices כדי להראות כיצד למקסם את הביצועים שלהם.

משפחת Silent Switcher‏

משפחת Silent Switcher‏ של מייצבים ממותגים DC/DC‏ של Analog Devices‏ היא כעת בדור-השלישי שלה. הדור הראשון, Silent Switcher 1‏, התמקד בהפחתת רעשי תדר גבוה הקשורים עם מייצבים ממותגים. הוא סיפק בו-זמנית שלושה יתרונות עיקריים: הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) נמוכות, נצילות גבוהה ותדרי מיתוג גבוהים (לטובת רכיבים קטנים יותר).

לאחר מכן Analog Devices הציגה את ה-Silent Switcher 2‏, אשר שמר על המאפיינים של קודמו והוסיף קבלים מדויקים משולבים, גורם-צורה קומפקטי יותר, וביטול הרגישות לפריסת לוח המעגלים המודפסים (PC Board).

הדור השלישי, Silent Switcher 3‏, בונה על היכולות הייחודיות של שני הדורות הראשונים. הוא מוסיף יתרונות הכוללים תגובה מהירה לטרנזיינטים ורעש אולטרה-נמוך בפס התדרים הנמוכים (איור 1).

איור 1: כל דור עוקב של מייצב DC/DC‏ Silent Switcher שמר על המאפיינים והפונקציות של קודמו והוסיף להן. (מקור התמונה: Analog Devices)

הפתרונות הפשוטים לרעש של Silent Switcher

כדי להשיג את הרעש הנמוך של שני הדורות הראשונים, בחנו המתכננים את מספר מקורות הרעש וחקרו דרכים חדשניות לעקוף אותם, למזער אותם או אפילו לבטל אותם. זה דרש גישה רבת-פנים. לדוגמה, מקור הרעש העיקרי בספק כוח ממותג הוא מיתוג זרמים, ולא זרימת זרם במצב יציב. בטופולוגיה של מייצב ממותג קונבנציונלי, קיים נתיב זרימת זרם הנקרא חוג חם. חוג חם הוא המקור העיקרי של רעש בתדר גבוה הנפלט לאוויר וגורם ל-EMI‏. הדור הראשון של מייצבי DC/DC‏ Silent Switcher‏ פיצל באופן חדשני את החוג החם לשני חוגי זרם בעלי צורה סימטרית. זה יוצר שני שדות מגנטיים בעלי קוטביות מנוגדת כך שהרעש המוקרן מבטל עצמו במידה רבה.

הדור השני של Silent Switcher ממזער חוגים חמים קריטיים על ידי שילוב קבלי כניסה ישירות בתוך מארז ה-IC.

הארכיטקטורה תומכת בקצוות מיתוג מהירים לטובת נצילות גבוהה בתדרי מיתוג גבוהים תוך השגת ביצועי EMI טובים. קבלים קרמיים פנימיים על מתח הכניסה DC‏ (_IN‏V‏) מסייעים לשמור על חוגי זרם AC מהירים קטנים לטובת שיפור נוסף. ארכיטקטורת Silent Switcher‏ משתמשת גם בטכניקות תכן ואריזה קנייניות הממקסמות את הנצילות בתדרים גבוהים ביותר, המאפשרות לעלות על גבולות ה-EMI השיא של CISPR 25 Class 5.

בנוסף, משתמשים במיקום מתח אקטיבי (AVP‏), טכניקה שבה מתח היציאה תלוי בזרם העומס. מתח היציאה מיוצב מעל הערך הנומינלי בעומסים קלים ומתח לערך בעומס מלא. ייצוב עומס DC‏ מכווננן כדי לשפר את ביצועי הטרנזיינטים ולמזער את דרישות קבלי היציאה.

Silent Switcher 3‏ ותגובה לטרנזיינטיים

תגובה לטרנזיינטים מתייחסת ליכולתו של המייצב להגיב לשינויים פתאומיים בעומס, והפכה לפרמטר חשוב יותר ויותר. לכן, הדור השלישי התמקד במתן תגובה אולטרה-מהירה לטרנזיינטים בנוסף למזעור רעש בתדרים נמוכים (10 הרץ עד 100 קילוהרץ).

החשש הגובר לגבי תגובה לטרנזיינטים נובעת מיחידות עיבוד אותות ומערכות-על-שבב (SoCs), אשר לעתים קרובות מציגות פרופילי טרנזיינטי עומס המשתנים בפתאומיות. טרנזיינט עומס זה יגרום להפרעה במתח ההספקה, גורם קריטי עבור תכני RF עם ביצועים עיליים. לדוגמה, מתח הספקה משתנה ישפיע באופן משמעותי על תדר שעון המערכת.

כתוצאה מכך רכיבי SoC RF מיישמים בדרך כלל זמן חסימה במהלך טרנזיינט העומס. ביישומי 5G, איכות המידע קשורה במידה רבה למשך חסימה זו במהלך הטרנזיינט. מזעור השפעת טרנזיינט העומס על ספק הכוח ישפר אם כן את הביצועים ברמת המערכת.

כדי לעמוד ביעדים אלה, התקני Silent Switcher 3 המונוליתיים כוללים תכן מגבר שגיאה עם ביצועים אולטרה-גבוהים המספק ייצוב נוסף אפילו עם קיזוז אגרסיבי. תדר המיתוג המקסימלי של 4 מגה-הרץ (MHz) מאפשר למעגל המשולב לדחוף את רוחב הפס של חוג הבקרה לטווח של אמצע מאה-קילו-הרץ באופן בקרת זרם שיא בתדר קבוע. בנוסף, מספר חידושים מקלים על דקויות המפריעות לתגובה לטרנזיינטים:

הפרדת עומסים - בתכן טיפוסי, עומס של 1 וולט מורכב ממעגלי שידור וקליטה, מתנדים מקומיים (LOs) ומתנדים מבוקרי-מתח (VCOs). עומסי השידור/קליטה חווים שינויים פתאומיים בזרם העומס במהלך פעולת דופלקס חלוקת תדרים (FDD). באותו הזמן, LOs‏ ו- VCOs‏ רואים עומס קבוע אך דורשים דיוק גבוה ורעש נמוך.

מאפיין רוחב הפס הגבוה של התקנים אלה מאפשר למתכננים להפעיל את שתי קבוצות העומסים הקריטיות של 1 וולט ממעגל משולב של המייצב על ידי הפרדת העומסים הדינמיים והסטטיים באמצעות משרן שני (L2) (איור 2, למעלה). תגובת העומס לטרנזיינט היא מהירה, עם סטיית VOUT מינימלית, ולא תשפיע על העומס הסטטי (איור 2, למטה).

איור 2: מוצג מעגל יישום עבור ה-Silent Switcher‏ המפריד בין עומסי RF דינמיים וסטטיים באמצעות משרן (L2) עבור שיפור הביצועים (למעלה); תגובת טרנזיינט העומס היא מהירה עם סטיית _OUT‏V‏ מינימלית והיא לא תשפיע על העומס הסטטי (למטה). (מקור התמונה: Analog Devices)

פוסט-סינון עם השראות אקוויוולנטית מינימלית - באופן דופלקס חלוקת זמן (TDD), ה-LO וה-VCO הרגישים לרעש נטענים ונפרקים עם שינויי אופני שידור/קליטה. לכן ניתן להשתמש במעגל פשוט מכיוון שכל העומסים נחשבים דינמיים; יחד עם זאת, נדרש פוסט-סינון קריטי יותר כדי לשמור על מאפייני אדווה ורעש נמוכים עבור ה-LOs וה-VCOs.

קבל בעל שלושה הדקים באופן Feedthrough‏ יכול להשיג מספיק פוסט-סינון עם השראות אקוויוולנטית מינימלית, ובכך לשמור על רוחב-פס מהיר עבור טרנזיינטי העומס (איור 3, למעלה). קבל ה-Feedthrough‏, ביחד עם קבלי היציאה בצד המרוחק, יוצרים שתי דרגות סינון נוספות של קבל-משרן (LC). כל ההשראות נובעת מההשראות הטורית האקוויוולנטית (ESL) של הקבל בעל שלושת ההדקים, שהיא קטנה מאוד ופחות מזיקה לטרנזיינטי העומס. קבל ה-Feedthrough‏ משפר את התגובה לטרנזיינטים תוך מזעור אדוות מתח היציאה (איור 3, למטה).

איור 3: מוצג מעגל יישום לעומסי RF דינמיים/סטטיים משולבים המשתמש בקבל Feedthrough‏ בעל שלושה הדקים (פינה ימנית עליונה) כדי לספק פוסט-סינון עם השראות אקוויוולנטית מינימלית כדי לשמור על רוחב-פס מהיר עבור טרנזיינטי העומס. קבל ה-Feedthrough‏ משפר את התגובה לטרנזיינטים תוך מזעור אדוות מתח היציאה (למטה). (מקור התמונה: Analog Devices)

קדם-טעינה- במקרים מסוימים, ליחידת עיבוד האותות יש I/O‏ לשימוש כללי (GPIO); בנוסף, עיבוד האותות הוא מתוזמן, ואירוע הטרנזיינט הוא ידוע מראש. זה קורה בדרך כלל בכמה תכני ספקי-כוח עבור FPGA, שבהם ניתן לייצר את אות הקדם-טעינה כדי לסייע בהפעלת התגובה לטרנזיינטים של ספק-הכוח.

במעגל יישום טיפוסי (איור 4, למעלה), אם ה-FPGA מייצר אות קדם-טעינה כדי לספק ממתח לפני העומס האמיתי, המעבר מאפשר להתקן זמן נוסף כדי להתאים את עצמו להפרעת העומס עם סטייה והתאוששות מינימליות של _OUT‏V‏ (איור 4, למטה).

איור 4: מוצג אות קדם-טעינה המוזן לפין הכניסה השלילי (OUTS) של מגבר שגיאה כדי להניב תגובה מהירה לטרנזיינטים; המשוב של המייצב מושפע הן מאות הקדם-טעינה והן מטרנזיינט העומס (בתחתית). (מקור התמונה: Analog Devices)

צניחה (Drooping‏) אקטיבית - ביישומי מעצב אלומה (Beamformer‏) (איור 5, למעלה), מתח ההספקה משתנה באופן רציף כדי להתאים לרמות הספקת-כוח שונות. כתוצאה מכך דרישת הדיוק עבור מתח ההספקה היא בדרך כלל 5% עד 10%. ביישום זה היציבות חשובה יותר מדיוק המתח, שכן מזעור זמן ההתאוששות במהלך טרנזיינט העומס ממקסם את יעילות עיבוד הנתונים. מעגל צניחה (Drooping) מתאים היטב עבור יישום זה מכיוון שמתח הצניחה יקטין או אפילו יבטל את זמן ההתאוששות (איור 5, למטה).

איור 5: הצבת נגד צניחה אקטיבית (R8) בין OUTS‏ ל-VC מסייעת בהשגת התאוששות טרנזיינט מהירה (למעלה); ניתן להתאים את תגובת טרנזיינט הצניחה כדי למזער את זמן ההתאוששות של הטרנזיינט (למטה). (מקור התמונה: Analog Devices)

התקנים המיישמים ומאמתים את החידושים

עקרונות אלה של הפחתת רעשים ושיפור התגובה לטרנזיינטים שולבו במשפחת התקני Silent Switcher 3 המונוליתיים. הם תומכים במגוון רחב של מתחים וזרמים מקסימליים, תוך שהם מציעים למשתמשים גמישות וביצועים ללא פשרות. שתי דוגמאות מבהירות זאת: ה-LT8622SAV#PBF‏ (איור 6, למעלה) וה-LT8627SPJV#TRPBF‏ (איור 6, למטה).

בקצה התחתון של תחום הזרם וההספק, ה-LT8622SAV#PBF הוא מתג יציאה-רציפה של 2 אמפר (A) עבור כניסות מ-2.7 וולט עד 18 וולט. יש לו תחום מתחי יציאה של V‏ 0‏ עד _IN‏V‏ - V‏ 0.5‏ שניתן לתכנת אותו באמצעות נגד יחיד. הנצילות על פני מרבית תחום זרמי היציאה שלו היא לפחות 90% ויכולה להגיע עד 95%.

איור 6: מוצג ה-LT8622‏ 2 אמפר בתצורת יישום טיפוסית, יחד עם עקומות הנצילות והפסדי ההספק שלו (למעלה) (הערה: ה-LTC8624‏ בסכמה זהה ל-LT8622 עם אותן עקומות אך בעל דירוג של 4 אמפר); אותם פרטים עבור ה-LT8627‏ של 16 אמפר מוצגים גם הם (למטה). (מקור התמונה: Analog Devices)

ה-LT8622SAV#PBF מציע ביצועי רעש יציאה יוצאי דופן בתדר נמוך (0.1 הרץ עד 100 קילוהרץ) במייצב ממותג, עם רעש של _RMS‏μV‏ 4‏ בלבד. תדר הפעולה ניתן לכוונון ואפשר לסנכרן אותו מ-300 קילו-הרץ עד 6 מגה-הרץ. ההתקן נתון במארז LQFN קטן בגודל 4 מ"מ × 3 מ"מ עם 20 מוליכים.

ל-LT8627SPJV#TRPBF בעל ההספק הגבוה יותר של 16 אמפר יש מתח כניסה של 2.8 וולט עד 18 וולט, בעוד שמתח היציאה ניתן לכוונון באמצעות נגד מ-V‏ 0‏ עד _IN‏V‏ - V‏ 0.5‏. הנצילות עולה על 80% ומגיעה ל-90% בנקודת האופטימום בתחום הביניים בתדר מיתוג של 1 מגה-הרץ. ביצועי רעש היציאה בתדר נמוך שלו זהים לאלה של ה-LT8622SAV#PBF של 2 אמפר.

תדר הפעולה ניתן לכוונון ואפשר לסנכרן אותו מ-300 קילו-הרץ עד 4 מגה-הרץ, שהוא נמוך מזה של בעל הזרם הנמוך יותר. המארז שלו הוא LQFN מעט גדול יותר של 4 מ"מ × 4 מ"מ עם 24 מוליכים ועם גב חשוף עבור צלעות קירור אופציונליות.

סיכום

מתכנני מוצרים חדשניים, במיוחד בתחום ה-RF המתקדם, דורשים נצילות, אך היא חייבת להיות מלווה ברעש נמוך ותגובה מהירה לטרנזיינטים במתח ההספקה. משפחת Silent Switcher 3‏ של מייצבי DC/DC‏ של Analog Devices‏ היא של הדור-הבא של התקנים מונוליתיים עם נצילות גבוהה הממוטבים עבור ביצועי טרנזיינטי עומס דינמיים ביישומים רגישים-לרעש על פני מספר יישומים.