วิธีส่งมอบพลังงานที่มีเสียงรบกวนต่ำและมีความหนาแน่นสูงในฟอร์มแฟคเตอร์ขนาดเล็กสำหรับ FPGA และ ASIC

ไอซีดิจิทัลที่มีการใช้กระแสไฟฟ้ามาก เช่น FPGA และ ASIC ได้กลายเป็นศูนย์กลางของระบบฝังตัวสำหรับการใช้งานต่าง ๆ เช่น ยานยนต์ การแพทย์ โทรคมนาคม อุตสาหกรรม เกม และระบบเสียง/วิดีโอสำหรับผู้บริโภค โดยการใช้งานส่วนใหญ่มีความสำคัญต่อการทำงาน เช่น ระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ยานยนต์ (ADAS) และความน่าเชื่อถือสูง เช่น ศูนย์ข้อมูล

นอกเหนือจากการใช้กระแสไฟฟ้ามากแล้ว อุปกรณ์แรงดันต่ำเหล่านี้ยังมีข้อกำหนดด้านความทนทานต่อรางจ่ายไฟฟ้าที่เข้มงวด การส่งกำลังไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพ ความแม่นยำ ประสิทธิภาพแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วครู่แบบรวดเร็ว ความเสถียร และสัญญาณรบกวนต่ำ มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพและความสมบูรณ์ของระบบ

อุปกรณ์ควบคุมตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งและระบบพลังงานไฟฟ้าย่อยมีปัญหาด้านสัญญาณรบกวนที่อาจเกิดขึ้นบนรางเอาท์พุตทั้งสองที่มาจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่ออกมา (EMI) และการรบกวนของคลื่นความถี่วิทยุ (RFI) การตอบสนองชั่วคราวที่ไม่เพียงพอ และข้อจำกัดของเลย์เอาต์ เพื่อลดสัญญาณรบกวน การใช้งานบางอย่างจึงใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบ Low-Dropout (LDO) ที่มีขนาดเล็กและเงียบ ซึ่งให้ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นเมื่อเทียบกับ LDO รุ่นก่อนหน้า อย่างไรก็ตาม LDO เหล่านี้มักไม่สามารถตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพของระบบได้ ส่งผลให้เกิดข้อกังวลเรื่องการกระจายความร้อน

ทางเลือกที่มีประสิทธิภาพสำหรับ LDO คือตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่ง แต่อุปกรณ์เหล่านี้มีสัญญาณรบกวนสูงกว่าเนื่องจากฟังก์ชันนาฬิกาและฟังก์ชันสวิตชิ่ง สัญญาณรบกวนนี้จะต้องลดลงหากนักออกแบบต้องการใช้ประโยชน์จากอุปกรณ์สวิตชิ่งเหล่านี้อย่างเต็มที่

แต่ก็มีวิธีใหม่ๆ ในการปรับสมดุลในด้านสัญญาณรบกวนและประสิทธิภาพ บทความนี้กล่าวถึงนวัตกรรมล่าสุดในการออกแบบการแปลงพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูงและต้องการพื้นที่น้อยที่สุด รวมถึงสัญญาณรบกวนของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งที่ลดลงอย่างมาก โดยจะกล่าวถึงนวัตกรรมตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งสามารถตอบสนองวัตถุประสงค์หลายประการสำหรับโหลดในแรงดันไฟฟ้าหลักเดียว ช่วงต่ำกว่า 10 แอมแปร์ (A) และแนะนำตัวอย่างไอซี Silent Switcher ขนาดเล็กในกลุ่ม LTC33xx จาก Analog Devices

ความจำเป็นด้านกระแส/แรงดัน

เมื่อทรานซิสเตอร์และไอซีถูกคิดค้นและพัฒนาขึ้นในครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 ข้อดีประการหนึ่งของอุปกรณ์เหล่านั้นคือความต้องการกำลังไฟฟ้าต่อฟังก์ชันต่ำมากเมื่อเทียบกับหลอดสุญญากาศแบบเดิมด้วยแฟคเตอร์ 100 ขึ้นไป อย่างไรก็ตาม การพัฒนานี้ทำให้ความหนาแน่นของฟังก์ชันต่ออุปกรณ์และแผงวงจรมีความหนาแน่นสูงขึ้น ในระดับที่ไอซีต้องใช้แอมแปร์หลายสิบแอมแปร์ต่อรางจ่าย และมักจะต้องใช้หลายราง

ในบรรดาไอซีที่ต้องใช้กระแสไฟมากเหล่านี้ ซึ่งท้ายที่สุดแล้วจะต้องกระจายพลังงานที่เกี่ยวข้องจำนวนมากในรูปของความร้อน ได้แก่ เกทอาร์เรย์ลอจิกแบบตั้งโปรแกรมได้ (FPGA) และไอซีการใช้งานเฉพาะ (ASIC) ทั้งสองใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ฝังตัวที่ครอบคลุมอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ รวมถึงยานยนต์ การแพทย์ อุตสาหกรรม การสื่อสาร เกม และอุปกรณ์เสียง/วิดีโอสำหรับการใช้งานทั่วไป

กระแสไฟที่ FPGA หรือ ASIC ต้องการสามารถมาจากตัวแปลง AC/DC สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากสายไฟฟ้ากำลัง หรือตัวแปลง DC/DC สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ ในทั้งสองกรณี จำเป็นต้องมีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าลดแรงดัน (บัค) DC/DC เพื่อให้และจัดการแรงดันรางเลขหลักเดียวสำหรับโหลดที่ระดับกระแสที่ต้องการ

การจ่ายไฟวิธีหนึ่งที่จำเป็นคือการใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าบัค DC/DC ตัวเดียวเพื่อรองรับอุปกรณ์แผงวงจรทั้งหมด และวางไว้ที่ด้านข้างหรือมุมของบอร์ดพีซีเพื่อช่วยจัดการปัญหาการกระจายความร้อนและทำให้สถาปัตยกรรมระดับในระบบ DC/DC ง่ายขึ้น

อย่างไรก็ตาม วิธีที่ง่ายนี้ก็มีปัญหาอยู่บ้าง ได้แก่:

• ประการแรก มี IR ที่ลดลงอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ระหว่างตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าและโหลดเนื่องจากระยะทางและระดับกระแสไฟฟ้าสูง (แรงดันลดลง (ΔV) = กระแสโหลด (I) × ความต้านทานของลายวงจร (R)) วิธีแก้ไขปัญหานี้คือการเพิ่มความกว้างหรือความหนาของลายวงจรบนบอร์ดพีซี หรือใช้บัสบาร์แบบตั้งขึ้น แต่สิ่งเหล่านี้ใช้พื้นที่บนบอร์ดที่มีค่าและต้องมีรายการวัสดุ (BOM) เพิ่มเติม
• เทคนิคหนึ่งที่จะเอาชนะการลดลงของ IR คือการใช้ตรวจจับแรงดันไฟฟ้าที่โหลดระยะไกล แต่วิธีนี้ใช้ได้ดีกับโหลดแบบจุดเดียวที่ไม่มีการกระจาย นอกจากนี้ยังนำมาซึ่งปัญหาใหม่ในด้านการสั่นที่อาจเกิดขึ้น เนื่องจากการเหนี่ยวนำของรางจ่ายไฟที่มากขึ้นและสายการตรวจจับอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานชั่วคราวของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าและราง
• ประการสุดท้าย และปัญหาที่มักจะจัดการได้ยากที่สุด รางจ่ายไฟที่ยาวขึ้นยังต้องมีการดักจับสัญญาณรบกวน EMI/RFI มากขึ้น หรืออาจมีการแผ่สัญญาณรบกวนไปตามความยาว เช่น ทำหน้าที่เป็นเสาอากาศ วิธีการแก้ปัญหามักจะต้องใช้ตัวเก็บประจุแบบบายพาสเพิ่มเติม เฟอร์ไรท์บีดแบบอินไลน์ และมาตรการอื่น ๆ สัญญาณรบกวนนี้อาจส่งผลเสียต่อการทำงานที่เชื่อถือได้ของโหลดขึ้นอยู่กับขนาดและความถี่ และทำให้ยากต่อการปฏิบัติตามข้อบังคับต่าง ๆ เกี่ยวกับการปล่อยสัญญาณรบกวน

ปัญหาระหว่างสัญญาณรบกวนกับประสิทธิภาพ

สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าปัญหาระหว่าง "สัญญาณรบกวนกับประสิทธิภาพ" สำหรับตัวควบคุม DC/DC เป็นสถานการณ์ที่แตกต่างจากการแลกเปลี่ยนตามปกติของการออกแบบทางวิศวกรรม สถานการณ์ดังกล่าวมักจะเกี่ยวกับการประเมินการแลกเปลี่ยนและค้นหา "จุดที่เหมาะสม" ซึ่งสร้างความสมดุลระหว่างคุณลักษณะที่เอื้ออำนวยกับคุณลักษณะที่ไม่เอื้ออำนวย

สถานการณ์นี้แตกต่างกันอย่างไร สถานการณ์การแลกเปลี่ยนส่วนใหญ่อนุญาตให้ผู้ออกแบบจงใจยอมรับค่าพารามิเตอร์ที่ต้องการน้อยลงเพื่อแลกกับค่าอื่นที่มากขึ้น ตามการแลกเปลี่ยนอย่างต่อเนื่อง (รูปที่ 1 บน)

รูปที่ 1: สถานการณ์การออกแบบส่วนใหญ่ช่วยให้วิศวกรสามารถประเมินและทำการแลกเปลี่ยนประสิทธิภาพต่างๆ ตามเส้นทางที่ค่อนข้างต่อเนื่อง (ด้านบน) แต่สำหรับสัญญาณรบกวน/ประสิทธิภาพของตัวควบคุมสวิตช์กับ LDO การออกแบบจะจบลงที่ด้านใดด้านหนึ่ง โดยมี "พื้นที่ตรงกลาง" เล็กน้อย (ล่าง) (แหล่งที่มาภาพ: Bill Schweber)

ตัวอย่างเช่น ผู้ออกแบบอาจเลือกออปแอมป์ (op-amp) ที่ดึงกระแสมากกว่า (ไม่ดี) เพื่อให้อัตราสลูว์เรทสูงขึ้น (ดี) เมื่อเทียบกับออปแอมป์อื่น ซึ่งการแลกเปลี่ยนนี้เป็นที่ยอมรับหรือจำเป็นต่อการใช้งาน

อย่างไรก็ตาม ด้วยตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งและ LDO คุณลักษณะด้านสัญญาณรบกวนและประสิทธิภาพจะ "รวมอยู่ใน" โครงสร้างเป็นส่วนใหญ่ ตัวอย่างเช่น นักออกแบบไม่สามารถพูดได้ว่าพวกเขาจะยอมรับ LDO ที่มีสัญญาณรบกวนเพิ่มขึ้น 20% เพื่อแลกกับประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น 10% ซึ่งไม่มีการแลกเปลี่ยนดังกล่าว แต่มีช่องว่างในช่วงการแลกเปลี่ยนคุณลักษณะ (รูปที่ 1 ล่าง)

ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า Silent Switcher ช่วยแก้ปัญหาที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออก

อีกทางเลือกหนึ่งและมักจะดีกว่าคือการใช้ตัวควบคุม DC/DC แต่ละตัวซึ่งวางตำแหน่งไว้ใกล้กับไอซีโหลดมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ สิ่งนี้ช่วยลดการลดลงของ IR, ขนาดของบอร์ดพีซี และการรับสัญญาณรบกวนและการแผ่รังสีจากราง อย่างไรก็ตาม เพื่อให้แนวทางนี้ใช้งานได้จริง จำเป็นต้องมีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กที่มีประสิทธิภาพและมีสัญญาณรบกวนต่ำซึ่งสามารถวางไว้ข้างโหลดและยังคงเป็นไปตามข้อกำหนดทางด้านกระแสไฟฟ้าทั้งหมด

นี่คือจุดที่ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า Silent Switcher จำนวนมากสามารถแก้ปัญหาได้ ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้ไม่เพียงแต่ให้เอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าเลขหลักเดียวที่ระดับกระแสตั้งแต่ไม่กี่แอมแปร์จนถึง 10 A เท่านั้น แต่ยังให้สัญญาณรบกวนที่ต่ำมาก ซึ่งทำได้โดยการใช้นวัตกรรมการออกแบบที่หลากหลาย

ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้เปลี่ยนความคิดแบบเดิม ๆ ของช่องว่างระหว่าง LDO กับตัวควบคุมแบบสวิชชิ่งด้วยอุปกรณ์ Silent Switcher 1 (รุ่นแรก) และ Silent Switcher 2 (รุ่นที่สอง) ผู้ออกแบบอุปกรณ์เหล่านี้ได้ระบุแหล่งที่มาของสัญญาณรบกวนต่าง ๆ และคิดค้นวิธีการลดทอนสัญญาณรบกวนแต่ละแหล่ง

โปรดทราบว่าตัวควบคุม Silent Switcher ไม่ได้ใช้เทคนิค "สเปรดสเปกตรัม" ที่เป็นที่รู้จักและเป็นที่ยอมรับกันทั่วไปในการเพิ่มสัญญาณรบกวนหลอกให้กับสัญญาณนาฬิกา ที่จะขยายสเปกตรัมของสัญญาณรบกวนในขณะที่ลดความกว้างของความถี่สัญญาณนาฬิกาและฮาร์มอนิก แม้ว่าการใช้วงจรนาฬิกาแบบสเปรดสเปกตรัมจะช่วยให้เป็นไปตามข้อจำกัดการควบคุม แต่จะไม่ลดพลังงานการรบกวนโดยรวม และอันที่จริงแล้วอาจเพิ่มสัญญาณรบกวนในบางส่วนของสเปกตรัมที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของวงจร

ประโยชน์ของอุปกรณ์ Silent Switcher 1 ได้แก่ EMI ต่ำ ประสิทธิภาพสูง และความถี่สวิตชิ่งสูง ซึ่งจะนำสัญญาณรบกวนที่เหลือส่วนใหญ่ออกจากส่วนต่างๆ ของสเปกตรัม ที่อาจจะรบกวนการทำงานของระบบหรือมีปัญหาด้านการควบคุม ประโยชน์ของ Silent Switcher 2 ประกอบด้วยคุณสมบัติทั้งหมดของเทคโนโลยี Silent Switcher 1 บวกกับตัวเก็บประจุที่มีความแม่นยำในตัว ขนาดโซลูชันที่เล็กลง และการกำจัดความไวต่อเค้าโครงบอร์ดพีซี

ด้วยฟอร์มแฟคเตอร์ขนาดเล็ก (ขนาดเพียงไม่กี่ตารางมิลลิเมตร) และประสิทธิภาพของอุปกรณ์เหล่านี้ จึงสามารถนำมาวางใกล้กับโหลด FPGA หรือ ASIC ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดและขจัดความไม่แน่นอนระหว่างข้อมูลจำเพาะประสิทธิภาพในเอกสารข้อมูลและการใช้งานจริง อุปกรณ์เหล่านี้เปลี่ยนภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออก "ไบนารี" ที่ต้องเลือกระหว่างการยอมรับเสียงรบกวนที่มากขึ้นหรือประสิทธิภาพที่น้อยลง ช่วยให้นักออกแบบมีคุณลักษณะทั้งสองประการที่ดีที่สุดเมื่อต้องคำนึงถึงสัญญาณรบกวนและประสิทธิภาพ

ประโยชน์ของ Silent Switcher เหล่านี้เกิดขึ้นได้ โดยใช้แนวทางหลายแง่มุม:

• สาเหตุหลักของสัญญาณรบกวนในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์คือกระแสสลับ ไม่ใช่กระแสคงที่ ในโทโพโลยีของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งทั่วไป มีเส้นทางการไหลของกระแสที่เรียกว่าฮอตลูป ฮอตลูปนี้ไม่ใช่ลูปกระแสอิสระ แต่เป็นเพียงลูปกระแสเสมือนที่ประกอบด้วยส่วนประกอบของลูปกระแสจริงสองลูป (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: โทโพโลยีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งตามปกติมีลูปกระแสเสมือนที่เรียกว่าฮอตลูป ประกอบด้วยส่วนประกอบของลูปกระแสจริงสองลูปและมีกระแสสลับ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

เทคโนโลยี Silent Switcher 2 จาก Analog Devices ทำให้ฮอตลูปที่สำคัญมีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ผ่านการรวมตัวเก็บประจุอินพุตในแพ็คเกจ IC นอกจากนี้การแยกฮอตลูปออกเป็นสองรูปทรงสมมาตร จะสร้างสนามแม่เหล็กสองขั้วที่มีขั้วตรงข้ามกัน และสัญญาณรบกวนที่แผ่ออกมาจะตัดตัวเองออกไปในระดับที่ดี

• สถาปัตยกรรมรุ่นที่สองรองรับการสวิตชิ่งที่รวดเร็วเพื่อประสิทธิภาพสูงที่ความถี่สวิตชิ่งสูง ในขณะเดียวกันก็มีประสิทธิภาพ EMI ที่ดี โดยตัวเก็บประจุเซรามิกภายในบนแรงดันไฟฟ้าอินพุต DC (V_IN) ทำให้ลูปกระแส AC ที่รวดเร็วทั้งหมดมีขนาดเล็ก ปรับปรุงประสิทธิภาพ EMI
• สถาปัตยกรรม Silent Switcher ใช้เทคนิคการออกแบบและแพ็คเกจที่เป็นกรรมสิทธิ์เฉพาะเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดที่ความถี่สูงมาก และทำให้ประสิทธิภาพ EMI ต่ำเป็นพิเศษ ผ่านขีดจำกัด EMI สูงสุด CISPR 25 Class 5 ได้อย่างง่ายดายโดยใช้การออกแบบที่กะทัดรัดและแข็งแกร่ง
• มีการใช้ Active Voltage Positioning (AVP) ซึ่งเป็นเทคนิคที่แรงดันเอาต์พุตขึ้นอยู่กับกระแสโหลด ที่โหลดน้อย แรงดันเอาต์พุตจะถูกควบคุมให้สูงกว่าค่าค่าปกติ ในขณะที่โหลดสูง แรงดันเอาต์พุตจะถูกควบคุมให้ต่ำกว่าค่าปกติ โดยการควบคุมโหลด DC ได้รับการปรับปรุงเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวและลดข้อกำหนดของตัวเก็บประจุเอาต์พุต

Silent Switcher หลายกลุ่ม

ตัวควบคุม Silent Switcher มีจำหน่ายในหลายกลุ่มและหลายรุ่น โดยมีอัตราแรงดัน/กระแสที่แตกต่างกันในแต่ละกลุ่ม ข้อควรพิจารณาเพิ่มเติมบางอย่างแตกต่างกันไปในแต่ละรุ่น เช่น เอาต์พุตแบบคงที่กับแบบปรับได้ ซึ่งผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ ในกลุ่ม LTC33xx ได้แก่:

• LTC3307 : Silent Switcher ลดแรงดันแบบซิงโครนัส 5 V, 3 A ในแพ็คเกจ LQFN ขนาด 2 มม. × 2 มม.
• LTC3308A : Silent Switcher ลดแรงดันแบบซิงโครนัส 5 V, 4 A ในแพ็คเกจ LQFN ขนาด 2 มม. x 2 มม.
• LTC3309A : Silent Switcher ลดแรงดันแบบซิงโครนัส 5 V, 6 A ในแพ็คเกจ LQFN ขนาด 2 มม. × 2 มม.
• LTC3310 : Silent Switcher ลดแรงดันแบบซิงโครนัส 5 V, 10 A ในแพ็คเกจ LQFN 3 มม. × 3 มม.

เมื่อดูรายละเอียดเพิ่มเติมของ LTC3310 ที่เป็นตัวแปลงลงแรงดัน DC/DC ขนาดเล็กมาก สัญญาณรบกวนต่ำ รวมในชิ้นเดียวที่สามารถให้กระแสเอาต์พุตสูงสุด 10 A จากแหล่งจ่ายอินพุต 2.25 ถึง 5.5 โวลต์ โดยช่วง V_OUT เท่ากับ 0.5 โวลต์จนถึง V_IN ความถี่สวิชชิ่งช่วง 500 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) ถึงสูงถึง 5 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) ต้องการส่วนประกอบแบบพาสซีฟภายนอกเพียงไม่กี่ชิ้นและมีประสิทธิภาพประมาณ 90% ในช่วงโหลดเอาต์พุตส่วนใหญ่ (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า DC/DC แบบลดแรงดันรุ่น LTC3310 ต้องการส่วนประกอบที่ใช้งานอยู่ภายนอกและให้ประสิทธิภาพสูงในช่วงโหลดส่วนใหญ่ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

อุปกรณ์ดังกล่าวมาให้ในสี่รุ่นพื้นฐาน อุปกรณ์ดังกล่าวให้ทั้ง EMI ต่ำและประสิทธิภาพสูงในความถี่สวิตชิ่งสูงถึง 5 MHz และยังมีรุ่นของกลุ่ม LTC3310 ซึ่งผ่านการรับรองยานยนต์ AEC-Q100 โปรดทราบว่าทั้งอุปกรณ์รุ่นแรก (SS1)—LTC3310—และอุปกรณ์รุ่นที่สอง (SS2)—LTC3310S และLTC3310S-1 — มีจำหน่ายเป็นอุปกรณ์เอาต์พุตแบบปรับได้และอุปกรณ์เอาต์พุตแบบตายตัว (ตารางที่ 1):

ตารางที่ 1: LTC3310 มีอุปกรณ์สี่รุ่นพื้นฐาน ซึ่งแสดงถึงการออกแบบรุ่นแรกและรุ่นที่สอง ตลอดจนเอาต์พุตคงที่และปรับได้ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

สำหรับรุ่นที่ปรับได้ แรงดันเอาต์พุตจะถูกตั้งโปรแกรมแบบตายตัวผ่านตัวต้านทานตัวแบ่งระหว่างขาเอาต์พุตและขาป้อนกลับ (FB) โดยใช้สมการง่ายๆ เพื่อกำหนดค่าตัวต้านทานที่ถูกต้อง (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: การสร้างแรงดันเอาต์พุตของอุปกรณ์ LTC3310 ที่ปรับได้นั้นต้องการเพียงเครือข่ายตัวต้านทานตัวแบ่งพื้นฐานตามสมการอย่างง่าย (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

โดยทั่วไประดับสัญญาณรบกวนจะมีค่าหลายสิบไมโครโวลต์ ตัวชี้วัดหลักสองประการของประสิทธิภาพสัญญาณต่ำของอุปกรณ์ LTC3310 คือการทดสอบสัญญาณรบกวนที่ดำเนินการตามขีดจำกัดสูงสุด CISPR25 Class 5 ที่เกี่ยวข้อง ซึ่งรวมถึงสัญญาณรบกวน (รูปที่ 6) และสัญญาณรบกวนที่แผ่ออกมาทั้งในระนาบแนวนอนและแนวตั้ง (รูปที่ 7)

รูปที่ 6: ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่จัดวางอย่างถูกต้องตาม LTC3310S เป็นไปตามขีดจำกัดการปล่อย EMI ที่ดำเนินการโดย CISPR25 ที่เข้มงวด (โดยมีพีค Class 5) (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

รูปที่ 7: สำหรับการทดสอบการปล่อยรังสี LTC3310S เป็นไปตามข้อบังคับ EMI ทั้งระนาบแนวนอน (ซ้าย) และแนวตั้ง (ขวา) ตาม CISPR25 (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

คุณสมบัติเด่นอีกประการของกลุ่ม LTC3310 คือความง่ายในการใช้งานอุปกรณ์แบบขนานสำหรับการทำงานหลายเฟสที่มีกระแสไฟฟ้าสูงกว่า ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ตัวควบคุมแรงดันแบบสวิตชิ่งอื่น ๆ ไม่รองรับหรือรองรับได้ยาก การขนานที่ง่ายที่สุดคือการทำงานแบบสองเฟสที่ให้กระแสสูงถึง 20 A (รูปที่ 8) แนวทางนี้สามารถขยายเป็นสาม สี่ หรือมากกว่านั้นได้อย่างง่ายดาย และกระแสที่สูงขึ้นตามลำดับ

รูปที่ 8: ส่วนประกอบที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อย ทำให้อุปกรณ์ LTC3310 สองตัวขึ้นไปสามารถรวมกันสำหรับการทำงานกระแสสูงแบบหลายเฟส ที่แสดงคือรูปแบบสองเฟส/20 A (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

บอร์ดประเมินผลทำให้วงจรการออกแบบสั้นลง

ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า เช่น อุปกรณ์ LTC3310 นำมาใช้งานได้โดยตรง เนื่องจากไม่มีรีจีสเตอร์การเริ่มต้น ฟังก์ชันที่ควบคุมด้วยซอฟต์แวร์ หรือความซับซ้อนในการตั้งค่าอื่น ๆ อย่างไรก็ตาม เป็นเรื่องทางเทคนิคที่จะสามารถประเมินประสิทธิภาพแบบคงที่และไดนามิก และปรับค่าคอมโพเนนต์แบบพาสซีฟให้เหมาะสมก่อนที่จะยอมรับโครงร่างขั้นสุดท้ายหรือเฉพาะ BOM ซึ่งความพร้อมใช้งานของบอร์ดประเมิน LTC3310 ทำให้กระบวนการนี้ง่ายขึ้นมาก โดย Analog Devices นำเสนอบอร์ดดังกล่าวที่ตรงกับ LTC3310 รุ่นและรูปแบบต่าง ๆ:

• DC3042A รองรับอุปกรณ์ LTC3310 เอาต์พุตแบบปรับได้ (รูปที่ 9)

รูปที่ 9: บอร์ดประเมิน DC3042A ออกแบบมาสำหรับ LTC3310 ด้วยแรงดันเอาต์พุตที่ผู้ใช้ตั้งค่าได้ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

นอกเหนือจากการแนะนำผู้ใช้เกี่ยวกับการตั้งค่าและการใช้งานขั้นพื้นฐานแล้ว เอกสารประกอบยังรวมถึงแผนภาพ รูปแบบบอร์ด และรายการวัสดุ (BOM) นอกจากนี้ยังเรียกจุดทดสอบและการเชื่อมต่อต่าง ๆ รวมถึงการจัดเรียงโพรบสำหรับการวัดการกระเพื่อมของเอาต์พุตและการตอบสนองของสเต็ป (รูปที่ 10)

รูปที่ 10: คู่มือสาธิตผู้ใช้ DC3042A ระบุจุดทดสอบและจุดเชื่อมต่ออย่างชัดเจน (บนสุด) ตลอดจนการตั้งค่าและการกำหนดค่าโพรบสำหรับการวัดการกระเพื่อมเอาต์พุตและการตอบสนองตามขั้นตอน (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

• สำหรับ LTC3310S-1 ที่มีแรงดันเอาต์พุตคงที่ มีบอร์ดประเมินผล DC3021A (รูปที่ 11)

รูปที่ 11: สำหรับ LTC3310S-1 ที่มีแรงดันเอาต์พุตที่ผู้ใช้ไม่สามารถปรับได้ บอร์ดประเมินผล DC3021A เป็นตัวเลือกที่เหมาะสม (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

• ตัวเลือกสุดท้ายสำหรับการจัดเรียงแบบหลายเฟสแบบขนานที่ค่อนข้างซับซ้อนมากขึ้นคือ DC2874A-C (ภาพที่ 12) ซึ่งบอร์ดประเมินผลนี้มี LTC3310S ทำงานเป็นตัวควบคุมแรงดันบัคมัลติเฟส 2.0 MHz, 3.3 เป็น 1.2 โวลต์ โดย DC2874A มีตัวเลือกการสร้างสามแบบเพื่อให้โซลูชันเอาต์พุตแบบสองเฟส/20 A สามเฟส/30 A หรือสี่เฟส/40 A

รูปที่ 12: บอร์ดประเมิน DC2874A-C สำหรับ LTC3310S มีสามตัวเลือกการสร้าง: เอาต์พุตสองเฟส/20 A สามเฟส/30 A หรือสี่เฟส/40 A (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ด้วยการใช้ LTC3310S รวมถึงใช้เวลากับบอร์ดประเมินที่เหมาะสมและคู่มือผู้ใช้ที่เกี่ยวข้อง นักออกแบบสามารถลดเวลาที่ใช้ไปกับประสิทธิภาพของตัวควบคุมแรงดัน DC/DC

สรุป

แต่เดิมวิศวกรต้องเลือกระหว่างโทโพโลยีตัวควบคุม DC/DC สองแบบที่ขัดแย้งกันซึ่งมีลักษณะที่ตรงข้ามกันอย่างชัดเจน โดย LDO ให้เอาต์พุต DC ที่มีสัญญาณรบกวนต่ำมาก แต่มีประสิทธิภาพในระดับต่ำถึงปานกลาง ทำให้มีความท้าทายด้านความร้อนที่เหนือกว่าที่เอาต์พุตประมาณ 1 A ในทางกลับกัน ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งมีประสิทธิภาพในช่วง 90% แต่เพิ่มสัญญาณรบกวนให้กับรางจ่ายไฟเอาท์พุต DC และยังเป็นแหล่งของสัญญาณรบกวนและโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่แผ่ออกมา ซึ่งส่งผลให้ผลิตภัณฑ์ไม่ผ่านการทดสอบตามข้อบังคับบังคับได้อย่างง่ายดาย

กลุ่มอุปกรณ์ Silent Switcher จาก Analog Devices ใช้เทคนิคการออกแบบนวัตกรรมใหม่มากมายเพื่อเอาชนะปัญหาที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออก "เลือกอย่างใดอย่างหนึ่ง" ส่งผลให้มีตัวเลือกตัวควบคุมขนาดเล็กที่มีประสิทธิภาพสูง สัญญาณรบกวนต่ำมาก