วิธีการใช้ตัวแปลง DC/DC ขนาดเล็กโมดูลาร์ขนาดเล็กเพื่อลดเสียงรบกวนของรางไฟฟ้า Power

By Bill Schweber

Contributed By Digi-Key's North American Editors

เสียงรบกวนเป็นสิ่งที่ต้องคำนึงถึงโดยธรรมชาติและมักจะหลีกเลี่ยงไม่ได้ในการออกแบบระบบเกือบทั้งหมด แม้ว่าเสียงรบกวนบางส่วนจะมาจากแหล่งภายนอกและไม่ได้อยู่ภายในการควบคุมของผู้ออกแบบวงจรโดยตรง แต่ก็ถูกสร้างขึ้นโดยตัววงจรเองด้วย ในหลายกรณี เป็นสิ่งสำคัญที่นักออกแบบต้องลดแหล่งกำเนิดเสียง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเสียงรบกวนบนรางไฟฟ้า เนื่องจากอาจส่งผลต่อวงจรอนาล็อกและดิจิตอลที่มีความละเอียดอ่อน

ผลที่ได้คือประสิทธิภาพของวงจรที่เอาแน่เอานอนไม่ได้ ความละเอียดและความแม่นยำลดลง และอัตราบิตผิดพลาด (BER) ที่สูงขึ้นอย่างดีที่สุด อย่างแย่ที่สุด อาจทำให้ระบบทำงานผิดปกติทั้งหมด หรือปัญหาด้านประสิทธิภาพบ่อยครั้งหรือไม่สม่ำเสมอ ซึ่งทั้งสองอย่างนี้แก้ไขจุดบกพร่องได้ยาก

มีปัญหาด้านสัญญาณรบกวนหลักสองประการในการสลับตัวควบคุม DC/DC และรางเอาต์พุต: เสียงกระเพื่อมและสัญญาณรบกวน เสียงรบกวนที่เกิดขึ้นภายในวงจรขึ้นอยู่กับข้อบังคับด้านความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) และต้องต่ำกว่าระดับที่ระบุในแถบความถี่ต่าง ๆ

ความท้าทายสำหรับนักออกแบบคือการทำความเข้าใจกับเสียงที่มาจากภายในและที่มาของมัน และ "ออกแบบ" หรือลดเสียงรบกวน บทความนี้จะใช้หน่วยงานกำกับดูแล DC/DC จาก Monolithic Power Systems, Inc. เพื่อหารือเกี่ยวกับตัวเลือกต่าง ๆ เมื่อลดปัญหาเสียงรบกวนของตัวควบคุม

เริ่มต้นด้วยแหล่งกำเนิดเสียงและพิมพ์

สัญญาณรบกวนที่ง่ายที่สุดในการสังเกตและสัญญาณที่ส่งผลกระทบโดยตรงต่อประสิทธิภาพของวงจรคือระลอกคลื่นที่ความถี่สวิตชิ่ง โดยทั่วไปการกระเพื่อมนี้จะอยู่ที่ 10 ถึง 20 มิลลิโวลต์ (mV) (รูปที่ 1) แม้ว่าจะไม่ได้เกิดขึ้นโดยบังเอิญ แต่ก็ยังเป็นการแสดงสัญญาณรบกวนที่มีผลกระทบต่อประสิทธิภาพของระบบ ระดับมิลลิโวลต์ของการกระเพื่อมดังกล่าวโดยทั่วไปไม่เป็นปัญหาสำหรับไอซีดิจิตอลแรงดันสูงที่ทำงานด้วยรางที่ 5 โวลต์ขึ้นไป แต่อาจเป็นปัญหากับวงจรดิจิตอลแรงดันต่ำที่ทำงานต่ำกว่า 3 โวลต์ ระลอกคลื่นบนรางจ่ายไฟยังเป็นข้อกังวลหลักเกี่ยวกับวงจรและส่วนประกอบแอนะล็อกที่มีความแม่นยำ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมข้อกำหนดอัตราส่วนการปฏิเสธการจ่ายไฟ (PSRR) สำหรับอุปกรณ์ดังกล่าวจึงมีความสำคัญ

กราฟระลอกคลื่นบนราง DCรูปที่ 1: ระลอกคลื่นบนราง DC ซึ่งเป็นผลมาจากการสลับการทำงานของตัวควบคุม อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพพื้นฐานของวงจรหรือผลลัพธ์ที่แม่นยำ (แหล่งรูปภาพ: Monolithic Power Systems, Inc.)

การสลับการทำงานของตัวควบคุม DC/DC ยังสามารถแผ่สัญญาณรบกวนความถี่วิทยุ (RF) ได้อีกด้วย แม้ว่าการกระเพื่อมของมิลลิโวลต์บนราง DC จะทนได้ แต่ก็ยังมีปัญหาเรื่องการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่กระทบต่อ EMC สัญญาณรบกวนนี้มีความถี่พื้นฐานที่ทราบระหว่างสองสามกิโลเฮิรตซ์ถึงหลายเมกะเฮิรตซ์ (MHz) ขึ้นอยู่กับตัวแปลงสวิตชิ่ง และยังมีฮาร์โมนิกมากมาย

ในบรรดามาตรฐานการกำกับดูแลที่เกี่ยวข้องกับ EMC ที่อ้างถึงบ่อยที่สุดคือ CISPR 22 และ CISPR 32 “อุปกรณ์เทคโนโลยีสารสนเทศ-ลักษณะการรบกวนทางวิทยุ-ข้อจำกัดและวิธีการวัด” (CISPR ย่อมาจาก "Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques") นอกจากนี้ยังมีมาตรฐานยุโรป EN 55022 ซึ่งได้มาจากมาตรฐานผลิตภัณฑ์ CISPR 22 เป็นหลัก โดยมีการทดสอบภายใต้เงื่อนไขที่กำหนดไว้อย่างรอบคอบ

CISPR 22 ได้รับการรับรองสำหรับการใช้งานโดยสมาชิกส่วนใหญ่ของประชาคมยุโรป แม้ว่า FCC Part 15 ในสหรัฐอเมริกาและ CISPR 22 จะถูกสร้างขึ้นมาให้มีความกลมกลืนกัน แต่ก็มีความแตกต่างบางประการ CISPR 22/EN 55022 ได้รับการ “ดูดซับ” โดย CISPR 32/EN 55032 ซึ่งเป็นมาตรฐานกลุ่มผลิตภัณฑ์ใหม่สำหรับอุปกรณ์มัลติมีเดีย (MME) ที่มีประสิทธิภาพเป็นมาตรฐานที่สอดคล้องตามข้อกำหนด EMC

อุปกรณ์ที่มีจุดประสงค์เพื่อใช้ในสภาพแวดล้อมที่อยู่อาศัยเป็นหลักต้องเป็นไปตามข้อจำกัดของคลาส B โดยมีอุปกรณ์อื่น ๆ ทั้งหมดสอดคล้องกับคลาส A (รูปที่ 2) ผลิตภัณฑ์ที่ออกแบบมาสำหรับตลาดอเมริกาเหนือต้องเป็นไปตามข้อจำกัดที่กำหนดโดยมาตรา 15.109 ของ Federal Communications Commission (FCC) Part 15, Subpart B สำหรับหม้อน้ำโดยไม่ได้ตั้งใจ ดังนั้น แม้ว่าสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าที่แผ่ออกมาจากตัวควบคุมกระแสตรงจะไม่ส่งผลเสียต่อตัวผลิตภัณฑ์เอง แต่เสียงนั้นอาจยังสูงจนไม่อาจยอมรับได้ในแง่ของการปฏิบัติตามข้อบังคับต่าง ๆ

กราฟของ CISPR 32/EN 55032 ที่กำหนดขีดจำกัดการปล่อยเทียบกับความถี่รูปที่ 2: นี่เป็นหนึ่งในกราฟจำนวนมากที่จัดทำโดย CISPR 32/EN 55032 ซึ่งกำหนดขีดจำกัดการปล่อยมลพิษเทียบกับความถี่สำหรับสินค้าอุปโภคบริโภคประเภทต่าง ๆ (ที่มาของรูปภาพ: Academy of EMC, “มาตรฐาน EMC”)

การจัดการกับปัญหา EMC เป็นหัวข้อที่ซับซ้อนและไม่มีวิธีแก้ไขที่ง่าย การวัดและขีดจำกัดที่อนุญาตของการปล่อยมลพิษเหล่านี้เป็นฟังก์ชันของความถี่ในการทำงานของวงจร ระยะทาง ระดับกำลัง และระดับการใช้งาน ด้วยเหตุผลเหล่านี้ จึงควรตรวจสอบแหล่งข้อมูลทางเทคนิคจำนวนมากและบางทีแม้แต่ที่ปรึกษาที่สามารถให้คำแนะนำและความเชี่ยวชาญได้

ที่กล่าวว่านักออกแบบมีกลยุทธ์พื้นฐานสามประการในการลดเสียงรบกวนเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาด้านประสิทธิภาพของวงจรและเป็นไปตามข้อกำหนดด้านเสียงที่เหมาะสม:

  • ใช้ตัวควบคุมการเลื่อนออกต่ำ (LDO)
  • เพิ่มการกรองภายนอกไปยังตัวควบคุมการสลับเพื่อลดเสียงรบกวนที่มองเห็นได้จากโหลดบนราง DC
  • เลือกโมดูลตัวควบคุมการสลับซึ่งจะฝังส่วนประกอบที่อยู่นอกตัวควบคุม IC เช่นตัวเหนี่ยวนำหรือตัวเก็บประจุ โมดูลผลลัพธ์ได้รับการออกแบบและรับประกันว่าจะให้รางที่มีเสียงรบกวนต่ำ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการกรองภายนอกน้อยที่สุดหรือไม่มีเลย

เริ่มต้นด้วย LDO

เนื่องจากสถาปัตยกรรม LDO ไม่มีนาฬิกาหรือสวิตชิ่ง จึงมีสัญญาณรบกวน EMC ต่ำโดยเนื้อแท้และไม่มีระลอกของรางเอาต์พุต มีการใช้ LDO หลายร้อยล้านรายการทุกปี เมื่อนำไปใช้กับการออกแบบที่เหมาะสม อาจเป็นวิธีแก้ปัญหาที่มีประสิทธิภาพ

ตัวอย่างเช่น Monolithic Power Systems MP20075 LDO กำหนดเป้าหมายการยุติบัสที่ใช้งานอยู่โดยเฉพาะสำหรับ Double Data Rate (DDR) 2/3/3L/4 synchronous dynamic random access memory (SDRAM) (รูปที่ 3) LDO นี้อยู่ในตัวเรือน MSOP 8 พิน และสามารถจมและจ่ายกระแสไฟสูงสุด 3 แอมแปร์ (A) ที่แรงดันไฟฟ้าที่ผู้ใช้กำหนดได้ระหว่าง 1.05 ถึง 3.6 โวลต์ และมี V ที่แม่นยำREF/2 แรงดันติดตามสำหรับการสิ้นสุดที่แม่นยำ

รูปภาพของ Monolithic Power Systems MP20075 LDO สามารถจมหรือจ่ายไฟได้สูงถึง 3 A (คลิกเพื่อดูภาพขยาย)รูปที่ 3: MP20075 LDO สามารถจมหรือดึงแหล่งที่มาได้สูงถึง 3 A และได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับความต้องการในการยกเลิกของคลาสต่างๆ ของ DDR SRAM (แหล่งรูปภาพ: ระบบ Monolithic Power)

ตัวแบ่งในตัวของ MP20075 ติดตามแรงดันอ้างอิง (REF) เพื่อให้แน่ใจว่าแรงดันเอาต์พุต VTT และ VTTREF แม่นยำ ในขณะที่การตรวจจับเคลวินช่วยให้ได้ความแม่นยำ ±30 mV สำหรับ VTT และ ±18 mV สำหรับ VTTREF นอกจากนี้ เช่นเดียวกับ LDO ส่วนใหญ่ โทโพโลยีแบบวงปิดแบบแอนะล็อกเท่านั้นให้การตอบสนองที่รวดเร็วมากต่อโหลดชั่วคราวของโหลดเอาต์พุต โดยใช้เวลาเพียงไม่กี่ไมโครวินาที (รูปที่ 4) การตอบสนองชั่วคราวดังกล่าวมักมีความสำคัญในวงจรความเร็วสูง เช่น การสิ้นสุด DDR SRAM ซึ่ง LDO นี้ได้รับการออกแบบ

กราฟของการออกแบบลูปปิดแบบแอนะล็อกของ LDO (คลิกเพื่อดูภาพขยาย)รูปที่ 4: การออกแบบลูปปิดแบบแอนะล็อกของ LDO มีส่วนช่วยในการตอบสนองอย่างรวดเร็วต่อความต้องการชั่วคราวโดยโหลด ประสิทธิภาพดังกล่าวจำเป็นสำหรับแอปพลิเคชัน เช่น การยกเลิก DDR SRAM (แหล่งรูปภาพ: ระบบ Monolithic Power)

แม้จะมีสัญญาณรบกวนต่ำโดยเนื้อแท้และคุณลักษณะที่ใช้งานง่าย แต่ LDO ก็มีข้อจำกัด อย่างแรก มันมีประสิทธิภาพน้อยกว่าตัวควบคุมสวิตชิ่งมาก ซึ่งในทางกลับกันก็ทำให้เกิดข้อกังวลที่ชัดเจนสองประการ: ความร้อนที่กระจายออกไปจะเพิ่มภาระความร้อนของระบบ และประสิทธิภาพที่ลดลงมีผลกระทบต่อเวลาทำงานสำหรับอุปกรณ์พกพาที่ใช้แบตเตอรี่ ด้วยเหตุผลเหล่านี้ LDO จึงมักใช้สำหรับกระแสเอาต์พุตสูงสุดประมาณ 1 ถึง 3 A (ดังที่แสดงโดย MP20075) เนื่องจากประสิทธิภาพ "บทลงโทษ" มักจะเกินค่านั้นมากเกินไป

มีข้อจำกัดโดยธรรมชาติอีกประการหนึ่งของ LDOs: พวกมันสามารถให้การควบคุมแบบ step-down (buck) เท่านั้น และไม่สามารถเพิ่มแหล่งจ่าย DC อินพุตที่ไม่มีการควบคุมให้สูงกว่าค่าที่ระบุได้ หากจำเป็นต้องใช้เอาต์พุตโหมดบูสต์ LDO จะถูกตัดออกโดยอัตโนมัติเป็นตัวเลือกตัวควบคุม DC/DC

ปรับแต่งเลย์เอาต์ เพิ่มการกรอง

เมื่อใช้ตัวควบคุมการสลับ ไม่ว่าจะสำหรับการทำงานแบบบูสต์หรือโหมดบั๊ก การทำงานของสวิตช์จะเป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนโดยธรรมชาติและหลีกเลี่ยงไม่ได้ การเพิ่มการกรองเอาต์พุตเพิ่มเติมจะง่ายขึ้นเมื่อตัวควบคุมทำงานที่ความถี่คงที่ พิจารณาMP2145 5.5 โวลต์, 6 A, ตัวควบคุมการสลับสเต็ปดาวน์ซิงโครนัสที่อยู่ในแพ็คเกจ QFN ขนาด 12 ลีด, 2 × 3 มม. (มม.) พร้อมอินทิกรัล 20 มิลลิโอห์ม (mΩ) และ MOSFET 12 mΩ (รูปที่ 5)

แผนผังของ Monolithic Power Systems MP2145 5.5 โวลต์, 6 A, ตัวควบคุมการสลับสเต็ปดาวน์แบบซิงโครนัสรูปที่ 5: MP2145, 5.5 โวลต์, 6 A, ตัวควบคุมการสลับสเต็ปดาวน์แบบซิงโครนัสประกอบด้วยอินทิกรัล 20 mΩและ 12 mΩ MOSFET ในแพ็คเกจ QFN ขนาด 2 × 3 มม. (แหล่งรูปภาพ: ระบบ Monolithic Power)

ตัวแปลงบั๊กซิงโครนัส เช่น MP2145 ประกอบด้วยตัวเก็บประจุอินพุต CIN สวิตช์สองตัว (S1 และ S2) พร้อมไดโอดในตัว, ตัวเหนี่ยวนำพลังงานเก็บพลังงาน (L) และตัวเก็บประจุเอาต์พุต (COUT) ตัวเก็บประจุเอาท์พุท (COUT) ถูกวางไว้ที่เอาต์พุตเพื่อทำให้แรงดันเอาต์พุตเรียบขึ้นภายใต้สภาวะคงตัว สิ่งเหล่านี้สร้างตัวกรองขั้นตอนแรกและลดการกระเพื่อมของแรงดันไฟขาออกโดยให้เส้นทางอิมพีแดนซ์ต่ำสำหรับส่วนประกอบแรงดันไฟฟ้าความถี่สูงเพื่อกลับสู่กราวด์โดยทั่วไปแล้ว ตัวเก็บประจุเอาต์พุตแบบแบ่งดังกล่าวสามารถลดการกระเพื่อมของแรงดันไฟขาออกเป็น 1 mV ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

เพื่อลดการกระเพื่อมของแรงดันไฟเอาท์พุตเพิ่มเติม จำเป็นต้องมีตัวกรองเอาท์พุตระยะที่สอง โดยมีตัวกรองตัวเหนี่ยวนำ-ตัวเก็บประจุ (LC) เรียงต่อกันเป็นตัวเก็บประจุเอาท์พุตระยะแรก (รูปที่ 6) ตัวเหนี่ยวนำการกรอง (Lf) มีความต้านทานที่ช่วงความถี่สูงที่ตั้งใจไว้และกระจายพลังงานเสียงในรูปของความร้อน ตัวเหนี่ยวนำรวมกับตัวเก็บประจุแบบแบ่งเพิ่มเติมเพื่อสร้างเครือข่ายตัวกรอง LC ความถี่ต่ำผ่าน

ไดอะแกรมของระบบพลังงานเสาหิน MP2145 ตัวควบคุมการสลับรูปที่ 6: การเพิ่มตัวกรอง LC ขั้นที่สองไปยังเอาต์พุตของตัวควบคุมการสลับ เช่น MP2145 สามารถลดระลอกเอาต์พุตได้ (แหล่งรูปภาพ: Monolithic Power Systems)

เอกสารข้อมูลผู้จำหน่ายและบันทึกการใช้งานมีสมการและแนวทางสำหรับการปรับขนาดส่วนประกอบตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุ และตัวต้านทานการหน่วงของตัวกรองนี้ นอกจากนี้ยังระบุพารามิเตอร์ทุติยภูมิที่สำคัญ เช่น ค่าความต้านทานกระแสตรงสูงสุดของตัวเหนี่ยวนำ (DCR) และกระแสอิ่มตัว และค่าความต้านทานอนุกรมที่เทียบเท่าตัวเก็บประจุสูงสุด (ESR) ค่าความเหนี่ยวนำโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 0.22 ไมโครเฮนรี (µH) และ 1 µH

เลย์เอาต์ของส่วนประกอบเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการบรรลุประสิทธิภาพสูงสุด เลย์เอาต์ที่คิดผิดอาจส่งผลให้เกิดการควบคุมไลน์หรือโหลดที่ไม่ดี การกระเพื่อมที่เพิ่มขึ้น และปัญหาด้านความเสถียรอื่น ๆ ตัวเก็บประจุอินพุต (Cin) สำหรับ MP2145 ควรวางไว้ใกล้กับพิน IC มากที่สุด (รูปที่ 7)

ไดอะแกรมของตัวเก็บประจุอินพุตของ Monolithic Power Systems ของ MP2145 (คลิกเพื่อดูภาพขยาย)รูปที่ 7: ตัวเก็บประจุอินพุตของ MP2145 (Cin ที่นี่ ด้านล่างขวา และ C1 ในแผนผังของรูปที่ 5) ควรอยู่ใกล้กับพิน 8 (พินอินพุตกำลัง) และพิน 10/11/12 (กำลัง) มากที่สุด หมุด GND) (แหล่งรูปภาพ: ระบบ Monolithic Power)

โมดูลให้การประกันประสิทธิภาพ

โมดูลนำตัวควบคุม DC/DC ไปใช้ในระดับต่อไปของการผสานรวมระบบ การทำเช่นนี้จะช่วยลดหรือขจัดข้อกังวลที่เกี่ยวข้องกับการเลือกและการจัดวางส่วนประกอบภายนอกและให้ข้อกำหนดที่รับประกันได้ โมดูลรวมส่วนประกอบเพิ่มเติม โดยส่วนใหญ่เป็นตัวเหนี่ยวนำภายนอกแบบดั้งเดิมที่ค่อนข้างลำบาก ด้วยเหตุนี้ จึงลดความท้าทายที่เกี่ยวข้องกับการกำหนดขนาด การจัดวาง และการวางแนวของส่วนประกอบแบบพาสซีฟ ซึ่งทั้งหมดนี้ส่งผลกระทบต่อ EMC และประสิทธิภาพที่เกี่ยวข้องกับการกระเพื่อม

ตัวอย่างเช่น MPM3833C เป็นโมดูลแบบสเต็ปดาวน์ที่มี MOSFET กำลังไฟฟ้าในตัวและตัวเหนี่ยวนำ โดยให้กระแสไฟขาออกต่อเนื่องสูงสุด 3 A จากแรงดันไฟฟ้าขาเข้าระหว่าง 2.75 ถึง 6 โวลต์ พร้อมด้วยการควบคุมโหลดและสายที่ดีเยี่ยม (รูปที่ 8) ต้องใช้เฉพาะตัวต้านทานป้อนกลับ ตัวเก็บประจุอินพุต และตัวเก็บประจุเอาต์พุตเท่านั้นเพื่อให้การออกแบบสมบูรณ์ ตัวเหนี่ยวนำซึ่งมักจะเป็นส่วนประกอบภายนอกที่ยากที่สุดในการระบุและจัดวาง อยู่ภายในโมดูล ดังนั้นจึงไม่เป็นปัญหาสำหรับตำแหน่งที่เหมาะสมเพื่อลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และการกระเพื่อม

ไดอะแกรมของระบบไฟฟ้าเสาหิน MPM3833C โมดูล DC/DCรูปที่ 8: โมดูล MPM3833C DC/DC มีตัวเหนี่ยวนำที่อาจสร้างปัญหาในการออกแบบและข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ (แหล่งรูปภาพ: ระบบ Monolithic Power)

โมดูลนี้อยู่ในแพ็คเกจ QFN-18 ขนาดเล็กพิเศษ (2.5 มม. × 3.5 มม. × 1.6 × มม.) และมีแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อม 5 mV (ทั่วไป) การปล่อยรังสีในระดับต่ำ (EMI) เป็นไปตามมาตรฐาน EN55022 Class B แสดงในรูปที่ 9 สำหรับเงื่อนไขของ VIN = 5 โวลต์ VOUT = 1.2 โวลต์ IOUT = 3 A, CO = 22 picofarads (pF) ที่ 25°C

กราฟของโมดูล Monolithic Power Systems MPM3833C DC/DC module (คลิกเพื่อดูภาพขยาย)รูปที่ 9: แผ่นข้อมูลสำหรับโมดูล MPM3833C DC/DC แสดงให้เห็นว่าเป็นไปตามมาตรฐาน EN55022 Class B สำหรับการปล่อยรังสีอย่างง่ายดาย (แหล่งรูปภาพ: ระบบ Monolithic Power)

ด้วยเทคนิคไมโครบรรจุภัณฑ์ที่ทันสมัย ขนาดโดยรวมของโมดูลจะใหญ่กว่าหรือสูงกว่าดายภายในเพียงเล็กน้อยเท่านั้น โปรไฟล์ต่ำเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญมากขึ้น พิจารณา MPM3650 โมดูลจ่ายไฟแบบสเต็ปดาวน์แบบซิงโครนัสที่แก้ไขแล้วแบบครบวงจร 1.2 MHz พร้อมตัวเหนี่ยวนำภายใน (รูปที่ 10) ให้กระแสเอาต์พุตต่อเนื่องสูงสุด 6 A สำหรับเอาต์พุตตั้งแต่ 0.6 ถึง 1.8 โวลต์ และสูงสุด 5 A สำหรับเอาต์พุตที่สูงกว่า 1.8 โวลต์ ในช่วงอินพุตกว้าง 2.75 ถึง 17 โวลต์ พร้อมการควบคุมโหลดและสายที่ดีเยี่ยม ด้วย MOSFETS ภายในและตัวเหนี่ยวนำแบบฝัง แพ็คเกจ QFN-24 มีขนาดเพียง 4 มม. × 6 มม. × 1.6 มม.

แผนผังของโมดูล MPM3650 ของ Monolithic Power Systems พร้อมตัวเหนี่ยวนำในตัวรูปที่ 10: โมดูล MPM3650 พร้อมตัวเหนี่ยวนำในตัวส่งกระแสไฟสูงสุด 6 A สูงสุด 1.8 โวลต์ และ 5 A ที่สูงกว่า 1.8 โวลต์ ในบรรจุภัณฑ์ขนาด 4 มม. × 6 มม. × 1.6 มม. (แหล่งรูปภาพ: ระบบ Monolithic Power)

ข้อดีอีกประการของวิธีการแบบแยกส่วนคือเสียงกระเพื่อมนั้นได้รับการควบคุมอย่างดีที่ประมาณ 20 mV โดยไม่มีโหลด โดยลดลงเหลือประมาณ 5 mV ที่โหลดเต็ม 6 A (รูปที่ 11) ซึ่งหมายความว่าในหลายกรณีไม่จำเป็นต้องใช้การกรองภายนอกเพิ่มเติม ทำให้การออกแบบง่ายขึ้น ลดรอยเท้า และตัดแต่งรายการวัสดุ (BOM)

กราฟของเสียงกระเพื่อมสำหรับโมดูล MPM3650 แบบเสาหิน (คลิกเพื่อดูภาพขยาย)รูปที่ 11: เสียงกระเพื่อมสำหรับโมดูล MPM3650 ถูกกำหนดไว้ที่ประมาณ 20 mV ที่โหลดเป็นศูนย์ และประมาณ 5 mV ที่โหลดเต็มที่ (แหล่งรูปภาพ: ระบบ Monolithic Power)

การทำงานจริงของโมดูลควบคุม DC/DC มักจะมีประโยชน์เพื่อประเมินว่าประสิทธิภาพแบบคงที่และแบบไดนามิกตรงตามข้อกำหนดของระบบหรือไม่ แม้จะเกินกว่าที่เรียกไว้ในแผ่นข้อมูล เพื่อเพิ่มความเร็วในกระบวนการนี้ ระบบไฟฟ้าเสาหินเสนอ EVM3650-QW-00A 63.5 มม. × 63.5 มม. × 1.6 มม. บอร์ดประเมินผลสี่ชั้นสำหรับ MPM3650 (รูปที่ 12)

ไดอะแกรมของระบบพลังงานเสาหิน EVM3650-QW-00A ตัวควบคุมการสลับรูปที่ 12: การใช้บอร์ดประเมินผล EVM3650-QW-00A ผู้ใช้ที่มีศักยภาพของโมดูล MPM3650 DC/DC สามารถประเมินประสิทธิภาพในแอปพลิเคชันได้อย่างรวดเร็ว (แหล่งรูปภาพ: ระบบ Monolithic Power)

คณะกรรมการประเมินผลพร้อมกับแผ่นข้อมูลมีจุดประสงค์หลายประการ ประการแรก ช่วยให้ผู้ใช้ประเมินคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพต่างๆ ของ MPS3650 ได้อย่างง่ายดายภายใต้สภาวะการทำงานที่หลากหลาย ซึ่งบางส่วนอาจไม่ชัดเจนหรือมีการระบุไว้ในแผ่นข้อมูล ประการที่สอง เอกสารข้อมูลของคณะกรรมการประเมินผลประกอบด้วยรายละเอียดแผนผัง BOM และเค้าโครงบอร์ดทั้งหมด เพื่อให้ผู้ใช้ MPS3650 สามารถใช้ข้อมูลเหล่านี้ในการออกแบบของตนเองเพื่อลดความเสี่ยงและลดความไม่แน่นอน (รูปที่ 13)

แผนผังของ Monolithic Power Systems EVM3650-QW-00A แพ็คเกจบอร์ดประเมินผล (คลิกเพื่อดูภาพขยาย)รูปที่ 13: แพ็คเกจบอร์ดประเมินผล EVM3650-QW-00A ประกอบด้วยแผนผัง BOM และรายละเอียดเลย์เอาต์ของบอร์ดทั้งหมดเพื่อลดความเสี่ยงและความไม่แน่นอน (แหล่งรูปภาพ: ระบบ Monolithic Power)

บอร์ดประเมินผลช่วยให้นักออกแบบมีโอกาสเข้าใจประสิทธิภาพของโมดูลได้ดียิ่งขึ้น ส่งผลให้มีความมั่นใจในการออกแบบในระดับสูง พร้อมเวลาออกสู่ตลาดน้อยที่สุด

มีเสียงรบกวนอีกประเภทหนึ่ง

เมื่อนักออกแบบพูดถึง "เสียง" พวกเขามักจะหมายถึงสัญญาณรบกวนทางอิเล็กทรอนิกส์บางอย่างในวงจร เช่น ระลอกคลื่นหรือ EMI อย่างไรก็ตาม กับตัวควบคุมการสลับ มีเสียงรบกวนอีกประเภทหนึ่ง: เสียงอะคูสติก สำหรับหน่วยงานกำกับดูแลที่ทำงานเหนือช่วงการได้ยินของมนุษย์ - โดยทั่วไปถือว่า 20 kHz - เสียงดังกล่าวจะไม่เป็นปัญหา อย่างไรก็ตาม ตัวควบคุมการสวิตชิ่งบางตัวทำงานในช่วงเสียง ในขณะที่ตัวอื่นๆ ที่ทำงานที่ความถี่สูงกว่ามากจะเลื่อนลงมาในช่วงเสียงระหว่างที่ไม่ได้ใช้งานหรือช่วงสแตนด์บายเพื่อลดการใช้พลังงานให้เหลือน้อยที่สุด

เสียงรบกวนนี้เกิดจากปรากฏการณ์ทางกายภาพที่รู้จักกันดีหนึ่งหรือทั้งสองอย่าง เพียโซอิเล็กทริกเอฟเฟกต์และเอฟเฟกต์แม่เหล็ก ในกรณีของเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก การสั่นทางไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนด้วยนาฬิกาของวงจรทำให้ส่วนประกอบต่างๆ เช่น ตัวเก็บประจุเซรามิกสั่นสะเทือนในการซิงโครไนซ์กับนาฬิกาสวิตชิ่ง เนื่องจากพลังงานไฟฟ้าจะเปลี่ยนเป็นการเคลื่อนที่เชิงกลโดยวัสดุที่เป็นผลึกของตัวเก็บประจุ ในกรณีของเอฟเฟกต์สนามแม่เหล็ก ซึ่งค่อนข้างขนานกับเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก วัสดุที่เป็นแม่เหล็ก เช่น ตัวเหนี่ยวนำหรือแกนหม้อแปลง จะเปลี่ยนรูปร่างและขนาดของมันในระหว่างรอบของการทำให้เป็นแม่เหล็กที่ขับเคลื่อนด้วยนาฬิกา ตัวเก็บประจุหรือตัวเหนี่ยวนำ/หม้อแปลงที่ได้รับผลกระทบจะทำหน้าที่เป็น "ตัวขับ" ทางกล และทำให้แผงวงจรทั้งหมดส่งเสียงสะท้อน จึงเป็นการขยายและกระจายเสียงการสั่นสะเทือนที่ได้ยิน

เนื่องจากผลกระทบอย่างใดอย่างหนึ่งหรือทั้งสองอย่าง ผู้ที่มีการได้ยินที่ดีมักจะบ่นว่าพวกเขาได้ยินเสียงหึ่ง ๆ ต่ำ ๆ คงที่เมื่ออยู่ใกล้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ โปรดทราบว่าบางครั้งเสียงอะคูสติกนี้เกิดจากส่วนประกอบของวงจรไฟฟ้าความถี่ต่ำ 50/60 Hz ดังนั้นแม้แต่เสียงที่ไม่ได้ยินความถี่สูงที่ดีก็อาจได้ยินเสียงฮัม

การจัดการกับเสียงอะคูสติกต้องใช้วิธีการและเทคนิคที่แตกต่างจากที่ใช้ในการลดทอนสัญญาณรบกวนทางอิเล็กทรอนิกส์

สรุป

LDO เสนอวิธีแก้ปัญหาที่ไม่มีสัญญาณรบกวนหรือเสียงรบกวนต่ำสำหรับปัญหาทั้ง DC rail ripple และ EMI แต่โดยทั่วไปไม่ใช่ตัวเลือกตัวควบคุมที่ทำงานได้เหนือแอมแปร์สองสามตัว ตัวควบคุมสวิตชิ่งที่มีการกรองที่เหมาะสมหรือตัวที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับประสิทธิภาพเสียงรบกวนต่ำเป็นทางเลือกหนึ่ง

โมดูลควบคุม DC/DC แบบสมบูรณ์ซึ่งรวมส่วนประกอบต่าง ๆ เช่น ตัวเหนี่ยวนำในแพ็คเกจขนาดเล็ก นำเสนอโซลูชันอีกชุดหนึ่ง ช่วยลดความไม่แน่นอนของการออกแบบในส่วนที่เกี่ยวกับการเลือกเลย์เอาต์และส่วนประกอบในขณะที่ให้ประสิทธิภาพของระบบย่อยที่ทดสอบและวัดผลอย่างเต็มที่

การอ่านที่แนะนำ

  1. การทำความเข้าใจมาตรฐานความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าสำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

About this author

Bill Schweber

Bill Schweber เป็นวิศวกรอิเล็กทรอนิกส์ที่เขียนตำราเกี่ยวกับระบบสื่อสารอิเล็กทรอนิกส์สามเล่ม รวมถึงบทความทางเทคนิค คอลัมน์ความคิดเห็น และคุณลักษณะของผลิตภัณฑ์หลายร้อยฉบับ ในบทบาทที่ผ่านมาเขาทำงานเป็นผู้จัดการเว็บไซต์ด้านเทคนิคสำหรับไซต์เฉพาะหัวข้อต่าง ๆ สำหรับ EE Times รวมทั้งบรรณาธิการบริหารและบรรณาธิการอนาล็อกที่ EDN

ที่ Analog Devices, Inc. (ผู้จำหน่าย IC แบบอะนาล็อกและสัญญาณผสมชั้นนำ) Bill ทำงานด้านการสื่อสารการตลาด (ประชาสัมพันธ์) ด้วยเหตุนี้เขาจึงอยู่ในทั้งสองด้านของฟังก์ชั่นประชาสัมพันธ์ด้านเทคนิคนำเสนอผลิตภัณฑ์เรื่องราวและข้อความของบริษัทไปยังสื่อและยังเป็นผู้รับสิ่งเหล่านี้ด้วย

ก่อนตำแหน่ง MarCom ที่ Analog Bill เคยเป็นบรรณาธิการของวารสารทางเทคนิคที่ได้รับการยอมรับและยังทำงานในกลุ่มวิศวกรรมด้านการตลาดผลิตภัณฑ์และแอปพลิเคชันอีกด้วย ก่อนหน้าที่จะมีบทบาทเหล่านั้น Bill อยู่ที่ Instron Corp. ซึ่งทำการออกแบบระบบอนาล็อกและวงจรไฟฟ้าและการรวมระบบสำหรับการควบคุมเครื่องทดสอบวัสดุ

เขาจบทางด้าน MSEE (Univ. of Mass) และ BSEE (Columbia Univ.) เป็นวิศวกรวิชาชีพที่ลงทะเบียนและมีใบอนุญาตวิทยุสมัครเล่นขั้นสูง Bill ยังได้วางแผนเขียนและนำเสนอหลักสูตรออนไลน์ในหัวข้อวิศวกรรมต่าง ๆ รวมถึงพื้นฐานของ MOSFET, การเลือก ADC และการขับไฟ LED

About this publisher

Digi-Key's North American Editors