วิธีจัดการกับสัญญาณรบกวน DC/DC ประสิทธิภาพ และปัญหาเลย์เอาต์โดยใช้โมดูลพลังงานในตัว

ดูเหมือนไม่ยากที่จะสร้างตัวควบคุม DC/DC แบบสเต็ปดาวน์พื้นฐาน (บั๊ก) สำหรับแรงดันไฟฟ้าต่ำ 10 โวลต์ (ทั่วไป) หรือน้อยกว่า และระดับกระแสไฟที่พอเหมาะที่ประมาณ 2 ถึง 15 แอมแปร์ (A) ผู้ออกแบบเพียงแค่ต้องเลือก IC เรกูเลเตอร์ที่เหมาะสมและเพิ่มส่วนประกอบแบบพาสซีฟสองสามตัวโดยใช้วงจรตัวอย่างบนแผ่นข้อมูลหรือบันทึกการใช้งาน แต่การออกแบบเสร็จสิ้นแล้วจริง ๆ และพร้อมที่จะเปิดตัวเพื่อดำเนินการนำร่องหรือแม้กระทั่งในการผลิตหรือไม่? อาจจะไม่ก็ได้

แม้ว่าตัวควบคุมจะให้ราง DC ที่ต้องการ แต่ก็ยังมีปัญหาและปัญหาที่อาจเกิดขึ้นหลายประการ ประการแรก ประสิทธิภาพอาจไม่ตรงตามวัตถุประสงค์ของโครงการหรือข้อกำหนดด้านกฎระเบียบ ซึ่งจะเพิ่มผลกระทบจากความร้อน ตลอดจนอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่สั้นลง ประการที่สอง อาจจำเป็นต้องมีส่วนประกอบเพิ่มเติมเพื่อให้แน่ใจว่าการเริ่มทำงานอย่างเหมาะสม ประสิทธิภาพการทำงานชั่วคราว และการกระเพื่อมที่ต่ำ ซึ่งจะส่งผลต่อขนาด เวลาออกสู่ตลาด และรายการวัสดุโดยรวม (BOM) สุดท้าย และบางทีอาจท้าทายที่สุด การออกแบบอาจไม่เป็นไปตามข้อจำกัดที่เข้มงวดมากขึ้นเรื่อยๆ เกี่ยวกับการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) หรือการรบกวนด้วยคลื่นความถี่วิทยุ (RFI) ตามที่กำหนดโดยข้อบังคับด้านกฎระเบียบต่าง ๆ ดังนั้นจึงต้องมีการออกแบบใหม่หรือส่วนประกอบและการทดสอบเพิ่มเติม

บทความนี้อธิบายถึงช่องว่างระหว่างความคาดหวังและประสิทธิภาพระหว่างการออกแบบตัวควบคุม DC/DC พื้นฐานและการออกแบบที่เหนือกว่าที่ตรงหรือเกินกว่าข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ เสียงแผ่รังสีต่ำและสัญญาณรบกวนการกระเพื่อม และการผสานรวมโดยรวม บทความจึงแนะนำ Silent Switcher µModules จาก Analog Devices และแสดงวิธีใช้เพื่อแก้ไขปัญหาตัวควบคุมบั๊ก DC/DC หลายอย่าง

IC ทำให้ดูง่าย ในตอนเริ่มแรก

ตัวควบคุม DC/DC (buck) แบบสเต็ปดาวน์ใช้กันอย่างแพร่หลายในการจัดหาราง DC ระบบทั่วไปอาจมีหลายสิบระบบที่ให้แรงดันไฟฟ้าของรางที่แตกต่างกันหรือรางแยกทางกายภาพที่แรงดันไฟฟ้าเดียวกัน ตัวควบคุมบั๊กเหล่านี้มักใช้แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า โดยทั่วไประหว่าง 5 ถึง 36 โวลต์ DC และปรับให้เหลือค่าโวลต์เดียวที่แอมแปร์สองหลักสองสามหรือต่ำ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: บทบาทของตัวควบคุม DC/DC (ตัวแปลง) นั้นเป็นไปอย่างตรงไปตรงมาคือจะใช้แหล่งจ่ายไฟ DC ที่ไม่ได้ควบคุมซึ่งอาจมาจากแบตเตอรี่หรือสายไฟฟ้ากระแสสลับที่แก้ไขและกรองแล้ว และจัดให้มีราง DC ที่มีการควบคุมอย่างแน่นหนาเป็นเอาต์พุต (ที่มาของภาพ: Electronic Clinic)

มีข่าวดีและข่าวร้ายในการสร้างตัวควบคุมบั๊กพื้นฐาน ข่าวดีก็คือการสร้างสิ่งที่ให้ประสิทธิภาพให้เรียกว่า "ดีพอ" โดยทั่วไปไม่ยาก มี IC สวิตชิ่งจำนวนมากที่พร้อมใช้งานสำหรับงานส่วนใหญ่ที่ต้องการทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามเดียว (FET) (หรือไม่มีเลย) และส่วนประกอบแบบพาสซีฟสองสามตัวเพื่อให้งานเสร็จสมบูรณ์ งานนี้ทำได้ง่ายขึ้นเนื่องจากแผ่นข้อมูลสำหรับ IC ตัวควบคุมมักจะแสดงวงจรแอปพลิเคชันทั่วไปที่มีแผนผัง เค้าโครงบอร์ด และ BOM ที่อาจระบุชื่อผู้จำหน่ายส่วนประกอบและหมายเลขชิ้นส่วน

ภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกทางวิศวกรรมคือระดับประสิทธิภาพ "ดี" อาจไม่เพียงพอเมื่อเทียบกับพารามิเตอร์ประสิทธิภาพของตัวควบคุมที่ไม่ชัดเจน แม้ว่าราง DC เอาต์พุตอาจส่งกระแสไฟเพียงพอด้วยการควบคุมสาย/โหลดที่เพียงพอและการตอบสนองชั่วคราว ปัจจัยเหล่านั้นเป็นเพียงจุดเริ่มต้นของเรื่องราวสำหรับรางจ่ายไฟ

ความจริงก็คือนอกเหนือจากเกณฑ์ประสิทธิภาพพื้นฐานเหล่านั้นแล้ว หน่วยงานกำกับดูแลยังได้รับการประเมินโดยปัจจัยอื่น ๆ ซึ่งบางส่วนได้รับแรงหนุนจากความจำเป็นภายนอก ประเด็นสำคัญสามประการที่หน่วยงานกำกับดูแลส่วนใหญ่ต้องจัดการนั้นไม่จำเป็นต้องชัดเจนเสมอไป เพียงแต่จากมุมมองที่เรียบง่ายของบล็อกการทำงานที่ยอมรับอินพุต DC ที่ไม่ได้รับการควบคุมและให้เอาต์พุต DC ที่มีการควบคุม ซึ่งก็คือ (รูปที่ 2):

• เย็น: ประสิทธิภาพสูงและผลกระทบจากความร้อนน้อยที่สุดที่เกี่ยวข้อง
• เงียบ: มีการระเพื่อมต่ำเพื่อประสิทธิภาพของระบบที่ปราศจากข้อผิดพลาด พร้อม EMI ต่ำเพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐานเสียงรบกวนที่แผ่ออกมา (ไม่ใช่อะคูสติก)
• สมบูรณ์แบบ: โซลูชันแบบบูรณาการที่ลดขนาด ความเสี่ยง BOM เวลาในการออกสู่ตลาด และข้อกังวล "ที่เล็กน้อย" อื่น ๆ

รูปที่ 2: ตัวควบคุม DC/DC ต้องทำมากกว่าเพียงแค่ส่งรางพลังงานที่เสถียร มันจะต้องเจ๋งและมีประสิทธิภาพ EMI "เงียบ" และทำงานได้อย่างสมบูรณ์ (ที่มาของรูปภาพ: Math.stackexchange.com; แก้ไขโดยผู้เขียน)

การจัดการกับปัญหาเหล่านี้ทำให้เกิดความท้าทาย และการแก้ปัญหาอาจกลายเป็นประสบการณ์ที่น่าผิดหวัง สิ่งนี้สอดคล้องกับกฎ "80/20" ซึ่ง 80% ของความพยายามทุ่มเทให้กับการทำงานให้เสร็จ 20% สุดท้ายของงาน พิจารณาปัจจัยสามประการโดยละเอียดยิ่งขึ้น:

เย็น: นักออกแบบทุกคนต้องการระบบที่มีประสิทธิภาพสูง แต่จะสูงแค่ไหน และราคาเท่าไหร่? คำตอบซึ่งก็คือคำตอบปกติทั่วไป: ขึ้นอยู่กับโครงการและจุดประนีประนอม ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นมีความสำคัญด้วยเหตุผลหลักสามประการ:

1. มันแปลเป็นผลิตภัณฑ์ทำความเย็นที่เพิ่มความน่าเชื่อถือ อาจอนุญาตให้ทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้น อาจขจัดความจำเป็นในการระบายความร้อนด้วยอากาศ (พัดลม) หรืออาจลดความซับซ้อนในการตั้งค่าการระบายความร้อนด้วยการพาความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพหากเป็นไปได้ ที่ระดับไฮเอนด์ อาจจำเป็นต้องเก็บส่วนประกอบเฉพาะที่ร้อนเป็นพิเศษให้ต่ำกว่าอุณหภูมิสูงสุดที่อนุญาตและอยู่ในพื้นที่การทำงานที่ปลอดภัย
2. แม้ว่าปัจจัยด้านความร้อนเหล่านี้จะไม่เป็นปัญหา แต่ประสิทธิภาพก็แปลว่าเวลาทำงานที่ยาวนานขึ้นสำหรับระบบที่ทำงานด้วยแบตเตอรี่หรือเป็นภาระที่ลดลงในตัวแปลง AC-DC ต้นน้ำ
3. ขณะนี้มีมาตรฐานการกำกับดูแลมากมายที่กำหนดระดับประสิทธิภาพเฉพาะสำหรับผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายแต่ละประเภท แม้ว่ามาตรฐานเหล่านี้ไม่ได้ระบุถึงประสิทธิภาพสำหรับรางแต่ละรางในผลิตภัณฑ์ แต่ความท้าทายของนักออกแบบคือการทำให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพโดยรวมโดยรวมเป็นไปตามข้อบังคับ สิ่งนี้จะง่ายกว่าเมื่อตัวควบคุม DC/DC ของรางจ่ายแต่ละตัวมีประสิทธิภาพมากกว่า เนื่องจากให้พื้นที่ว่างในการรวมกับรางอื่น ๆ และแหล่งการสูญเสียอื่น ๆ

เงียบ: เสียงรบกวนมีสองประเภทกว้าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับนักออกแบบ ประเภทแรก สัญญาณรบกวนและการกระเพื่อมของเอาต์พุตของตัวควบคุม DC/DC จะต้องต่ำเพียงพอเพื่อไม่ให้ส่งผลกระทบในทางลบต่อประสิทธิภาพของระบบ นี่เป็นข้อกังวลที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของรางลดลงเป็นตัวเลขหลักเดียวในวงจรดิจิทัลต่ำ เช่นเดียวกับวงจรอนาล็อกที่มีความแม่นยำซึ่งการกระเพื่อมของมิลลิโวลต์เพียงไม่กี่มิลลิโวลต์ก็สามารถลดประสิทธิภาพการทำงานได้

ข้อกังวลหลักอื่น ๆ เกี่ยวข้องกับ EMI การปล่อย EMI มีสองประเภท: ดำเนินการและแผ่รังสี นำการปล่อยมลพิษไปตามสายไฟและร่องรอยที่เชื่อมต่อกับผลิตภัณฑ์ เนื่องจากสัญญาณรบกวนถูกจำกัดไว้ที่ขั้วต่อหรือขั้วต่อเฉพาะในการออกแบบ การปฏิบัติตามข้อกำหนดการปล่อยมลพิษที่ดำเนินการมักจะสามารถมั่นใจได้ค่อนข้างเร็วในกระบวนการพัฒนาด้วยรูปแบบที่ดีและการออกแบบตัวกรอง

อย่างไรก็ตามการปล่อยรังสีมีความซับซ้อนมากขึ้น ตัวนำทุกตัวบนแผงวงจรที่มีกระแสไฟจะแผ่คลื่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้า: ทุกแผ่นตามรอยคือเสาอากาศ และระนาบทองแดงทุกอันเป็นกระจกเงา อะไรก็ตามที่ไม่ใช่คลื่นไซน์บริสุทธิ์หรือแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงจะสร้างสเปกตรัมของสัญญาณที่กว้าง

ความยากลำบากคือถึงแม้จะออกแบบอย่างระมัดระวัง แต่นักออกแบบไม่เคยรู้เลยจริง ๆ ว่าการปล่อยรังสีจะเลวร้ายเพียงใด จนกว่าระบบจะได้รับการทดสอบ และการทดสอบการปล่อยรังสีจะไม่ดำเนินการอย่างเป็นทางการจนกว่าการออกแบบจะเสร็จสมบูรณ์ ตัวกรองถูกใช้เพื่อลด EMI โดยการลดทอนระดับที่ความถี่เฉพาะหรือช่วงความถี่โดยใช้เทคนิคต่าง ๆ

พลังงานบางส่วนที่แผ่กระจายไปทั่วอวกาศถูกทำให้อ่อนลงโดยใช้แผ่นโลหะเป็นเกราะแม่เหล็ก ส่วนความถี่ต่ำที่ขี่บนรอยต่อของบอร์ดพีซี (ดำเนินการ) ถูกควบคุมโดยใช้เม็ดบีดเฟอร์ไรท์และตัวกรองอื่น ๆ การป้องกันใช้งานได้ แต่นำปัญหาชุดใหม่มาให้ ต้องได้รับการออกแบบมาอย่างดีด้วยความสมบูรณ์ของแม่เหล็กไฟฟ้าที่ดี (ซึ่งมักจะทำได้ยากอย่างน่าประหลาดใจ) เพิ่มต้นทุน เพิ่มอสังหาริมทรัพย์ ทำให้การจัดการระบายความร้อนและการทดสอบยากขึ้น และแนะนำต้นทุนการประกอบเพิ่มเติม

อีกเทคนิคหนึ่งคือการชะลอขอบสวิตชิ่งของตัวควบคุม อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้มีผลที่ไม่พึงประสงค์จากการลดประสิทธิภาพ เพิ่มเวลาเปิดและปิดขั้นต่ำตลอดจนเวลาตายที่จำเป็น และทำให้ความเร็วของลูปควบคุมปัจจุบันลดลง

อีกวิธีหนึ่งคือการปรับการออกแบบตัวควบคุมเพื่อให้ EMI น้อยลงโดยการเลือกพารามิเตอร์การออกแบบที่สำคัญอย่างระมัดระวัง งานในการปรับสมดุลการประนีประนอมการควบคุมเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการประเมินการทำงานร่วมกันของพารามิเตอร์ เช่น ความถี่ในการเปลี่ยน รอยเท้า ประสิทธิภาพและ EMI ที่เป็นผลลัพธ์

ตัวอย่างเช่น โดยทั่วไปความถี่การสลับที่ต่ำกว่าจะลดการสูญเสียสวิตช์และ EMI และปรับปรุงประสิทธิภาพ แต่ต้องการส่วนประกอบที่ใหญ่ขึ้นพร้อมกับการเพิ่มขึ้นที่เกี่ยวข้องกัน การแสวงหาประสิทธิภาพที่มากขึ้นนั้นมาพร้อมกับเวลาเปิดและปิดขั้นต่ำที่ต่ำ ส่งผลให้เนื้อหาฮาร์มอนิกสูงขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนสวิตช์เร็วขึ้น โดยทั่วไป เมื่อความถี่สวิตชิ่งเพิ่มขึ้นทุก ๆ 2 เท่า EMI จะแย่ลง 6 เดซิเบล (dB) โดยถือว่าพารามิเตอร์อื่นๆ ทั้งหมด เช่น ความจุของสวิตช์และเวลาในการเปลี่ยนภาพจะคงที่ EMI แบบแบนด์วิดท์ทำงานเหมือนฟิลเตอร์กรองความถี่สูงลำดับแรกที่มีการปล่อยมลพิษสูงขึ้น 20 dB เมื่อความถี่สวิตชิ่งเพิ่มขึ้นสิบเท่า

เพื่อเอาชนะสิ่งนี้ นักออกแบบบอร์ดพีซีที่มีประสบการณ์จะทำให้ลูปปัจจุบันของเรกูเลเตอร์ ("ฮ็อตลูป") เล็ก และใช้ชั้นกราวด์ที่เป็นเกราะป้องกันใกล้กับเลเยอร์ที่ใช้งานมากที่สุด อย่างไรก็ตาม พินเอาต์ การสร้างบรรจุภัณฑ์ ข้อกำหนดการออกแบบการระบายความร้อน และขนาดบรรจุภัณฑ์ที่จำเป็นสำหรับการจัดเก็บพลังงานที่เพียงพอในส่วนประกอบการแยกส่วนจะกำหนดขนาดวงร้อนขั้นต่ำที่แน่นอน

เพื่อให้ปัญหาการจัดวางมีความท้าทายมากยิ่งขึ้น บอร์ดพีซีแบบระนาบทั่วไปมีการเชื่อมต่อแบบแม่เหล็กหรือแบบหม้อแปลงระหว่างร่องรอยที่สูงกว่า 30 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) คัปปลิ้งนี้จะช่วยลดความพยายามในการกรองเนื่องจากความถี่ฮาร์มอนิกยิ่งสูง การคัปปลิ้งแม่เหล็กที่ไม่ต้องการก็จะยิ่งมีประสิทธิภาพมากขึ้น

มาตรฐานใดที่เกี่ยวข้อง?

ไม่มีมาตรฐานชี้นำเดียวในโลกของ EMI เนื่องจากส่วนใหญ่จะถูกกำหนดโดยแอปพลิเคชันและข้อบังคับที่เกี่ยวข้อง ในบรรดาสิ่งที่อ้างถึงมากที่สุด ได้แก่ EN55022 CISPR 22 และ CISPR 25 EN 55022 เป็นอนุพันธ์ดัดแปลงของ CISPR 22 และนำไปใช้กับอุปกรณ์เทคโนโลยีสารสนเทศ มาตรฐานนี้ผลิตโดย CENELEC ซึ่งเป็นคณะกรรมการ European Committee for Electrotechnical Standardization และมีหน้าที่รับผิดชอบในการจัดทำมาตรฐานในสาขาวิศวกรรมไฟฟ้า

มาตรฐานเหล่านี้ซับซ้อนและกำหนดขั้นตอนการทดสอบ โพรบ เครื่องมือวัด การวิเคราะห์ข้อมูล และอื่น ๆ ท่ามกลางข้อจำกัดมากมายที่กำหนดโดยมาตรฐาน ขีดจำกัดการปล่อยรังสีคลาส B มักจะเป็นที่สนใจของนักออกแบบมากที่สุด

สมบูรณ์แบบ: ถึงแม้จะเข้าใจสถานการณ์การออกแบบเป็นอย่างดี การเลือกและใช้ส่วนประกอบสนับสนุนที่จำเป็นอย่างถูกวิธีก็เป็นสิ่งที่ท้าทาย ความแตกต่างเล็กน้อยในการจัดวางส่วนประกอบและข้อมูลจำเพาะ พื้นและร่องรอยของบอร์ดพีซี และปัจจัยอื่น ๆ อาจส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพการทำงาน

การสร้างแบบจำลองและการจำลองมีความจำเป็นและสามารถช่วยได้ แต่เป็นการยากมากที่จะอธิบายลักษณะของปรสิตที่เกี่ยวข้องกับส่วนประกอบเหล่านี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากค่าของพวกมันเปลี่ยนไป นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงในผู้ขาย (หรือการเปลี่ยนแปลงโดยไม่ได้แจ้งล่วงหน้าโดยผู้ขายที่ต้องการ) อาจก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในค่าพารามิเตอร์ระดับที่สองหรือสาม (เช่น ความต้านทานกระแสตรงของตัวเหนี่ยวนำ (DCR)) ซึ่งอาจมีผลกระทบที่สำคัญและไม่คาดคิด

นอกจากนี้ การจัดตำแหน่งส่วนประกอบแบบพาสซีฟเพียงเล็กน้อยหรือเพิ่ม "อีกหนึ่งองค์ประกอบ" ก็สามารถเปลี่ยนสถานการณ์ EMI และส่งผลให้มีการปล่อยมลพิษเกินขีดจำกัดที่อนุญาตได้

SilentSwitcher µModules ช่วยแก้ไขปัญหาได้

การคาดการณ์และการจัดการความเสี่ยงเป็นเรื่องปกติของงานนักออกแบบ การลดจำนวนและความรุนแรงของความเสี่ยงเหล่านี้เป็นกลยุทธ์มาตรฐานสำหรับผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย วิธีแก้ปัญหาคือการใช้ตัวควบคุม DC/DC ที่ใช้งานได้อย่างสมบูรณ์ โดยผ่านการออกแบบและการใช้งานที่ดี จะเย็น เงียบ และสมบูรณ์ การใช้อุปกรณ์ที่รู้จักช่วยลดความไม่แน่นอนในขณะที่จัดการกับขนาด ต้นทุน EMI BOM และความเสี่ยงในการประกอบ การทำเช่นนี้ยังช่วยเร่งเวลาในการออกสู่ตลาดและลดความกังวลด้านการปฏิบัติตามกฎระเบียบ

เมื่อพิจารณาจากกลุ่มตัวควบคุมที่สมบูรณ์ เช่น Silent Switcher µModules จาก Analog Devices นักออกแบบสามารถเลือกตัวควบคุม DC/DC ที่ตรงกับแรงดันไฟฟ้าและพิกัดกระแสที่ต้องการได้ ในขณะที่มั่นใจได้ว่าข้อกำหนดของ EMI จะเป็นไปตาม ขนาด และต้นทุน จะเป็นที่รู้จักและจะไม่มีเซอร์ไพรส์

หน่วยงานกำกับดูแลเหล่านี้รวมเอามากกว่าแผนผังและโทโพโลยีที่เป็นนวัตกรรมใหม่ ในบรรดาเทคนิคที่พวกเขาใช้คือ

• เทคนิค #1: การสลับตัวควบคุมทำหน้าที่เป็นออสซิลเลเตอร์/แหล่งสัญญาณ RF และรวมเข้ากับสายบอนด์ซึ่งทำหน้าที่เป็นเสาอากาศ สิ่งนี้จะเปลี่ยนชุดประกอบเป็นเครื่องส่ง RF ที่มีพลังงานที่ไม่ต้องการซึ่งอาจเกินขีดจำกัดที่อนุญาต (รูปที่ 3, 4 และ 5)

รูปที่ 3: สายเชื่อมต่อจาก IC ตายไปยังฟังก์ชันแพ็คเกจเป็นเสาอากาศขนาดเล็กและแผ่พลังงาน RF ที่ไม่ต้องการ (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

รูปที่ 4: การประกอบ Silent Switcher เริ่มต้นด้วยการแทนที่พันธะลวดด้วยเทคโนโลยี flipchip ซึ่งจะช่วยขจัดสายไฟที่แผ่รังสีพลังงานออกไป (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

รูปที่ 5: วิธีการของ flipchip กำจัดเสาอากาศอย่างมีประสิทธิภาพและลดพลังงานที่แผ่ออกมา (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

• เทคนิค #2: การใช้ตัวเก็บประจุอินพุตแบบสมมาตรสร้างขอบเขต EMI โดยการสร้างกระแสที่สมดุลและตรงกันข้าม (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: เพิ่มตัวเก็บประจุอินพุตแบบมิเรอร์แบบคู่เพื่อจำกัด EMI (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

• เทคนิค #3. สุดท้าย การใช้ลูปกระแสตรงข้ามเพื่อตัดสนามแม่เหล็ก (รูปที่ 7)

รูปที่ 7: เลย์เอาต์ภายในที่มีลูปปัจจุบันในทิศทางตรงกันข้ามจะยกเลิกสนามแม่เหล็กที่ไม่ต้องการเช่นกัน (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

Silent Switcher µModules เหล่านี้แสดงถึงวิวัฒนาการของการออกแบบตัวควบคุม step-down และบรรจุภัณฑ์จาก IC ที่มีส่วนประกอบสนับสนุนไปยัง LQFN IC ที่มีตัวเก็บประจุแบบรวมเป็น µModule ที่มีตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำที่จำเป็น (รูปที่ 8)

รูปที่ 8: การรวมตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำในแพ็คเกจทำให้ Silent Switcher µModules เป็นขั้นตอนที่สามในความก้าวหน้าของตัวควบคุมการสลับแบบ IC-centric (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

ข้อเสนอกว้าง ๆ ตอบสนองความต้องการ การแลกเปลี่ยน

Silent Switcher µModules ประกอบด้วยยูนิตหลายยูนิตที่มีพิกัดแรงดันไฟฟ้าอินพุต รางแรงดันเอาต์พุต และกระแสเอาต์พุตต่างกัน ตัวอย่างเช่น LTM8003 เป็นอินพุต 3.4 ถึง 40 โวลต์, เอาต์พุต 3.3 โวลต์, 3.5 A ต่อเนื่อง (สูงสุด 6 A) µModule ที่ตรงตามข้อจำกัด CISPR 25 Class 5 แต่วัดได้เพียง 9 × 6.25 มม. (มม.) และสูง 3.32 มม. (รูปที่ 9)

รูปที่ 9: LTM8003 Silent Switcher เป็นแพ็คเกจขนาดเล็กที่มีอุปกรณ์ครบครันในตัวเองที่ตรงตามขีดจำกัดพลังงานรังสีสูงสุด CISPR 25 Class 5 จาก DC ถึง 1000 MHz ได้อย่างง่ายดาย (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

มีให้ในพินเอาต์ซึ่งเป็นไปตามการวิเคราะห์ผลกระทบของโหมดความล้มเหลว (FMEA) (LTM8003-3.3) ซึ่งหมายความว่าเอาต์พุตจะอยู่ที่หรือต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าควบคุมในระหว่างการลัดวงจรของพินที่อยู่ติดกันหรือหากพินถูกปล่อยลอย กระแสไฟที่นิ่งโดยทั่วไปมีค่าเพียง 25 ไมโครแอมแปร์ (µA) และรุ่นเกรด H ได้รับการจัดอันดับสำหรับการทำงานที่ 150°C

บอร์ดสาธิต (เดโม) DC2416A มีสำหรับนักออกแบบเพื่อใช้ควบคุมและประเมินประสิทธิภาพสำหรับการใช้งาน (รูปที่ 10)

รูปที่ 10: บอร์ดสาธิต DC2416A ช่วยลดความยุ่งยากในการเชื่อมต่อและการประเมินอุปกรณ์ LTM8003 Silent Switcher (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

อุปกรณ์สองอย่างที่มีความคล้ายกันในกลุ่ม Silent Switcher µModule คือ LTM4657 (อินพุต 3.1 ถึง 20 โวลต์ 0.5 ถึง 5.5 โวลต์ @เอาต์พุต 8 A) และ LTM4626 (อินพุต 3.1 ถึง 20 โวลต์, 0.6 ถึง 5.5 โวลต์ที่เอาต์พุต 12 A) แสดงลักษณะของการประนีประนอมที่อุปกรณ์นำเสนอ LTM4657 ใช้ตัวเหนี่ยวนำค่าที่สูงกว่า LTM4626 ทำให้ทำงานที่ความถี่ต่ำเพื่อลดการสูญเสียสวิตชิ่ง

LTM4657 เป็นทางออกที่ดีกว่าสำหรับการสูญเสียสวิตชิ่งสูงและการสูญเสียการนำไฟฟ้าต่ำ เช่น ในการใช้งานที่กระแสโหลดต่ำและ/หรือแรงดันไฟฟ้าอินพุตสูง เมื่อดู LTM4626 และ LTM4657 ที่ทำงานด้วยความถี่สวิตชิ่งเดียวกัน และด้วยอินพุต 12 โวลต์และเอาต์พุต 5 โวลต์เท่ากัน จะมองเห็นการสูญเสียการสลับที่เหนือกว่าของ LTM4657 (รูปที่ 11) นอกจากนี้ ตัวเหนี่ยวนำที่มีมูลค่าสูงกว่ายังช่วยลดการกระเพื่อมของแรงดันไฟขาออก อย่างไรก็ตาม LTM4626 สามารถจ่ายกระแสโหลดได้มากกว่า LTM4657

รูปที่ 11: การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของ LTM4626 และ LTM4657 ที่ 1.25 MHz ที่มีการกำหนดค่าเดียวกันบนบอร์ดสาธิต DC2989A แสดงให้เห็นความแตกต่างเล็กน้อยแต่จับต้องได้ (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

ผู้ใช้สามารถประเมินประสิทธิภาพของ LTM4657 โดยใช้บอร์ดสาธิต DC2989A (ภาพที่ 12) ในขณะที่สำหรับผู้ที่ต้องการประเมิน LTM4626 นั้น DC2665A-A บอร์ดพร้อมใช้งาน (รูปที่ 13)

รูปที่ 12: บอร์ดสาธิต DC2989A ได้รับการออกแบบมาเพื่อเพิ่มความเร็วในการประเมินของ LTM4657 Silent Switcher (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

รูปที่ 13: สำหรับโมดูล LTM4626 Silent Switcher มีบอร์ดสาธิต DC2665A-A เพื่ออำนวยความสะดวกในการฝึกปฏิบัติและประเมินผล (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

Silent Switcher µModules ไม่ได้จำกัดเฉพาะโมดูลเอาต์พุตเดี่ยว ตัวอย่างเช่น LTM4628 เป็นตัวควบคุม DC/DC สวิตชิ่งเอาต์พุตคู่ 8 A ที่สมบูรณ์ซึ่งสามารถกำหนดค่าได้อย่างง่ายดายเพื่อให้เอาต์พุต 2 เฟส 16 A เดียว (รูปที่ 14) โมดูลนำเสนอในแพ็คเกจ LGA 15 มม. × 15 มม. × 4.32 มม. และ 15 มม. × 15 มม. × 4.92 มม. BGA ประกอบด้วยสวิตช์ควบคุม FET กำลังไฟฟ้า ตัวเหนี่ยวนำ และส่วนประกอบที่รองรับทั้งหมด

รูปที่ 14: LTM4628 สามารถกำหนดค่าเป็นเอาต์พุตคู่, 8 A ต่อตัวควบคุม DC/DC การสลับช่องสัญญาณ หรือในการกำหนดค่าเอาต์พุตเดี่ยว 16 A (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

โมดูลทำงานในช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุต 4.5 ถึง 26.5 โวลต์ และรองรับช่วงแรงดันเอาต์พุต 0.6 ถึง 5.5 โวลต์ ซึ่งกำหนดโดยตัวต้านทานภายนอกตัวเดียว ผู้ใช้สามารถตรวจสอบประสิทธิภาพการทำงานเป็นอุปกรณ์เอาต์พุตเดี่ยวหรือคู่โดยใช้บอร์ดสาธิต DC1663A (รูปที่ 15)

รูปที่ 15: การประเมิน LTM4628 แบบ single/dual-output ถูกเร่งด้วยการใช้บอร์ดสาธิต DC1663A (แหล่งที่มารูปภาพ: Analog Devices)

สรุป

การออกแบบตัวควบคุม DC/DC ที่ใช้งานได้นั้นค่อนข้างง่ายด้วย IC ที่มีอยู่ อย่างไรก็ตาม การออกแบบตัวควบคุมที่มีประสิทธิภาพดีเยี่ยมพร้อมๆ กัน นั้นสมบูรณ์ตามหน้าที่ และตรงตามข้อกำหนดของหน่วยงานกำกับดูแลที่สับสนและเข้มงวดบ่อยครั้งนั้นไม่เป็นเช่นนั้น Silent Switcher µModules จาก Analog Devices ทำให้ขั้นตอนการออกแบบง่ายขึ้น พวกเขาขจัดความเสี่ยงโดยบรรลุเป้าหมายสำหรับการทำงานที่เย็นและมีประสิทธิภาพ การปล่อย EMI ต่ำกว่าขีดจำกัดที่อนุญาต และความสมบูรณ์ในการดรอปอิน