การลดเสียงรบกวนจากแอปพลิเคชันด้วยตัวควบคุม μModule ® ของ ADI Silent Switcher

ไม่มีสิ่งที่เรียกว่าความเงียบในแอปพลิเคชันอิเล็กทรอนิกส์ที่ละเอียดอ่อน - แท้จริงแล้ว มันไม่เคยเกิดขึ้นเลย นั่นเป็นเพราะการกำจัดสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) จากแหล่งจ่ายไฟเป็นสิ่งที่แทบจะเป็นไปไม่ได้ แนวทางการออกแบบที่แตกต่างกันเพื่อบรรเทาปัญหานี้มักต้องมีการแลกเปลี่ยนกันซึ่งอาจทำให้เกิดความซับซ้อนมากขึ้น

วิศวกรต้องทุ่มเทอย่างเต็มที่เพื่อพยายามลด EMI ในแอปพลิเคชันที่ไวต่อเสียง เช่น แหล่งจ่ายไฟความถี่วิทยุ (เครื่องขยายเสียง) ตัวแปลงข้อมูลความเร็วสูง เครื่องมือวัดที่มีความละเอียดอ่อน และระบบการถ่ายภาพและการวินิจฉัยทางการแพทย์ โดยปกติจะหมายความถึงการเพิ่มส่วนประกอบ การป้องกัน และตัวกรอง ซึ่งทั้งหมดนี้อาจเพิ่มความซับซ้อน ต้นทุน ขนาด และน้ำหนักได้

แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด (SMPS) และตัวแปลงไฟฟ้าเป็นสาเหตุหลักของ EMI ซึ่งทำให้การออกแบบแอปพลิเคชันต่างๆ ในระบบยานยนต์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรม และโทรคมนาคม มีความซับซ้อน

การสลับอย่างรวดเร็วช่วยลดการสูญเสียพลังงานสำหรับตัวแปลง DC เป็น DC เช่นเดียวกับเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า AC เป็น DC อินเวอร์เตอร์ DC เป็น AC และตัวแปลง AC/AC อย่างไรก็ตาม มันมาพร้อมกับต้นทุนในการสร้างพลังงานความถี่สูงและสภาวะชั่วขณะซึ่งอาจทำให้เกิดการนำไฟฟ้าและการแผ่รังสี EMI

EMI สามารถลดประสิทธิภาพของระบบ รบกวนความถี่วิทยุ ทำให้ส่วนประกอบทำงานผิดปกติ และขัดขวางการทำงานของอุปกรณ์สำคัญ เช่น เครื่องกระตุ้นหัวใจ และระบบความปลอดภัยของยานยนต์ สาเหตุหลักของ EMI ในระบบดังกล่าวคือกระแสไฟฟ้าโหมดทั่วไปที่ไหลในทิศทางเดียวกันผ่านตัวนำสองตัวหรือมากกว่า ซึ่งทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก

แอปพลิเคชันอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมาก - หากไม่ใช่ทั้งหมด - ในสหรัฐฯ จะต้องปฏิบัติตามข้อบังคับของคณะกรรมการการสื่อสารกลางส่วนที่ 15 ซึ่งออกแบบมาเพื่อป้องกันการรบกวนที่เป็นอันตราย รวมถึงจากอุปกรณ์ที่ไม่ใช่ RF การใช้งานอุตสาหกรรมและการสื่อสารระหว่างประเทศต้องเป็นไปตามมาตรฐาน CISPR 22 Class B และการใช้งานยานยนต์ต้องเป็นไปตามมาตรฐานสากล CISPR 25 ภูมิศาสตร์อื่น ๆ ก็มีการรับรองการปฏิบัติตามที่คล้ายกัน

การทดสอบ EMI มักเกิดขึ้นในช่วงปลายรอบการออกแบบ ดังนั้น ปัญหาและการดำเนินการแก้ไขอาจนำไปสู่ความล่าช้าของผลิตภัณฑ์ซึ่งมีค่าใช้จ่ายสูง ยิ่งไปกว่านั้น หากพบปัญหา EMI ในพื้นที่ การระบุตำแหน่งอาจทำได้ยากยิ่งขึ้น และต้องใช้ความพยายามในการแก้ไขซึ่งมีค่าใช้จ่ายสูง

สามารถใช้ส่วนประกอบหลายประเภทเพื่อป้องกัน EMI ได้ ตัวควบคุมเชิงเส้นแบบแรงดันไฟต่ำ (LDO) เป็นวิธีการทั่วไปที่มีต้นทุนต่ำในการปกป้องโหลดปลายทางจากการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าและสัญญาณรบกวนของแหล่งจ่ายไฟ อย่างไรก็ตาม อาจส่งผลให้เกิดโซลูชันขนาดใหญ่และมักขาดคุณสมบัติการป้องกันที่จำเป็น

LDO ขั้นสูงที่มีอัตราการปฏิเสธแหล่งจ่ายไฟสูง (PSRR) ช่วยลดสัญญาณรบกวน แต่ไม่ได้ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพหรือสมรรถนะทางความร้อนโดยตรง เมื่อใช้ร่วมกับเครื่องควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่ง จะสามารถผสมผสานประสิทธิภาพสูงเข้ากับเสียงรบกวนต่ำได้

นอกจากนี้ นักออกแบบยังสามารถมุ่งเน้นความพยายามในการจัดวาง PCB เพื่อลดพื้นที่วงจรที่แพร่กระจาย EMI และแยกวงจรที่มีสัญญาณรบกวนและละเอียดอ่อน อีกวิธีการเสริมที่มักจะใช้กันคือการแยกหรือปิดล้อมส่วนประกอบด้วยวัสดุป้องกัน EMI เช่น โลหะและโลหะผสม นอกจากนี้ยังสามารถใช้เครื่องขยายเสียงรบกวนต่ำได้อีกด้วย

เทคนิคลด EMI แต่ละเทคนิคนี้ มักใช้ควบคู่กัน ทำให้การออกแบบมีความซับซ้อนมากขึ้น จนผู้พัฒนาต้องมองหาวิธีการลดความซับซ้อนลง

การลดความซับซ้อนของปัญหาการออกแบบ EMI

การเติบโตของแอปพลิเคชันที่ต้องพึ่งพาการออกแบบ SMPS กำลังแซงหน้าจำนวนนักออกแบบที่มีทักษะในการตอบสนองข้อกำหนด EMI ที่เข้มงวด นักออกแบบดิจิทัลจำนวนมากถูกขอให้เติมช่องว่างทักษะที่เกิดจากการขาดแคลนนักออกแบบแหล่งจ่ายไฟอนาล็อก แนวโน้มดังกล่าว เมื่อรวมกับความซับซ้อนที่เพิ่มมากขึ้นของการออกแบบ SMPS ถือเป็นสัญญาณบ่งชี้ถึงความจำเป็นในการบูรณาการส่วนประกอบ SMPS มากขึ้นเพื่อลดความซับซ้อนของกระบวนการ

บริษัท Analog Devices, Inc. (ADI) ได้ดำเนินการลดความซับซ้อนในการออกแบบ EMI ด้วยการเปิดตัวเทคโนโลยี Silent Switcher^® ในปี 2015 มีเป้าหมายเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเทคนิคการสลับในขณะที่ออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ง่ายขึ้น อุปกรณ์ Silent Switcher รุ่นแรกเช่น LT8640 ลดความต้านทานปรสิตด้วยการใช้การบรรจุชิปแบบพลิกเสาทองแดงแทนลวดเชื่อมเพื่อเชื่อมต่อไดกับพื้นผิว พวกเขายังรวมระบบส่งกำลังที่ออกแบบมาเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพความถี่สูงอีกด้วย

อุปกรณ์รุ่นแรกเหล่านั้นยังแบ่ง "ฮอต ลูป (Hot loops)" กระแสไฟสูงแบบวงจรเดียวออกเป็นวงจรคู่ที่มีการไหลตรงข้ามกันซึ่งจะหักล้างการแพร่กระจาย EMI การวนของลูปขนาดใหญ่เพียงลูปเดียวมีองค์ประกอบพาราซิติกสูงและสนามแม่เหล็กที่แข็งแรง ซึ่งสามารถก่อให้เกิด EMI ในรูปแบบของการแผ่รังสี อุปกรณ์ Silent Switcher ยังรวมไดรเวอร์สวิตช์ภายในเพื่อลดการสูญเสียพลังงานในการสลับ

ในปี 2017 ADI ได้เปิดตัวตัวแปลงบัคซิงโครนัสโมโนลิธิกที่มีค่า EMI ต่ำโดยใช้สถาปัตยกรรม Silent Switcher 2 ในเจเนอเรชันนี้ อุปกรณ์ต่างๆ เช่น LT8640S-2 ลดการพึ่งพาส่วนประกอบภายนอกด้วยการรวมตัวเก็บประจุ ฮอตลูป(hot loops) และระนาบกราวด์ไว้ในแพ็คเกจ LQFN ใหม่ การดำเนินการดังกล่าวทำให้ขนาดโซลูชันมีขนาดเล็กลงและขจัดความไวต่อเค้าโครง PCB เพื่อประสิทธิภาพ EMI ที่ดีขึ้น นอกจากนี้ อุปกรณ์ Silent Switcher 2 ยังมีเสาทองแดงและแผ่นเปิดขนาดใหญ่มากขึ้น ซึ่งเพิ่มประสิทธิภาพและประสิทธิผลด้านความร้อน

ในปี 2021 ADI ได้เปิดตัวสถาปัตยกรรม Silent Switcher 3 ที่อัปเดตพร้อมด้วยตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบซิงโครนัส LT8627SP ซึ่งมีคุณสมบัติประสิทธิภาพเสียงรบกวนความถี่ต่ำพิเศษ ตอบสนองการเปลี่ยนแปลงชั่วขณะที่รวดเร็วพิเศษ และประสิทธิภาพสูงที่ความถี่การสลับสูง ในขณะที่ยังคงรักษา EMI ต่ำพิเศษไว้ นอกจากนี้ ยังมีส่วนบนของไดที่เปิดโล่งสำหรับติดแผงระบายความร้อนตามทางเลือกเพื่อรองรับการใช้งานที่อุณหภูมิแวดล้อมสูง

ตัวควบคุม 3 µModule แบบสวิตช์เงียบ

ปัจจุบันเทคโนโลยี Silent Switcher 3 พร้อมให้บริการแล้วในโซลูชันพลังงานแบบแพ็คเกจ (COP) แบบบูรณาการอย่างสูงของ ADI's µModule ® บรรจุภัณฑ์นี้ให้ประสิทธิภาพความร้อนที่ดีกว่าและยังช่วยประหยัดขนาดโซลูชันโดยรวมได้มากยิ่งขึ้น ทำให้มีโซลูชันพลังงานที่เล็ก มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้

ประโยชน์สำคัญอื่นๆ ของตัวควบคุม µModule ได้แก่ การประหยัดเวลาและความพยายามที่ลดลงในการออกแบบ การทดสอบ และการรับรองตัวควบคุม DC/DC ADI ผสานรวมตัวควบคุม, MOSFET กำลังไฟ, ตัวเหนี่ยวนำและส่วนประกอบสนับสนุนอื่นๆ เข้าไว้ในแพ็คเกจเดียวที่กะทัดรัด สามารถใช้เป็นโซลูชันพลังงานสำหรับการสื่อสารโทรคมนาคม เครือข่าย และอุปกรณ์อุตสาหกรรมต่างๆ แหล่งจ่ายไฟ RF เครื่องมือวัดสัญญาณรบกวนต่ำ และตัวแปลงข้อมูลความเร็วสูงและความแม่นยำสูง

LTM4702 (รูปที่ 1) คือตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสเต็ปดาวน์ μModule 8A ที่สมบูรณ์ในแพ็คเกจ BGA ขนาด 6.25mm × 6.25mm × 5.07mm ที่กะทัดรัดมาก พร้อมด้วย IC ตัวควบคุมที่ใช้สวิตช์เชอร์แบบเงียบสำหรับ EMI ต่ำและประสิทธิภาพสูง ทำงานในช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้า 3V ถึง 16V และรองรับแรงดันไฟฟ้าขาออก 0.3V ถึง 5.7V

รูปที่ 1: โมดูล LTM4702 μModule ของ ADI รวมตัวควบคุม MOSFET กำลัง ตัวเหนี่ยวนำ และส่วนประกอบอื่นๆที่สนับสนุน สำหรับตัวแปลงบั๊กในแพ็คเกจขนาดกะทัดรัดที่ปรับปรุงใหม่ ช่วยลดความจำเป็นในการใช้ LDO หลังการใช้งานในแอพพลิเคชั่นที่ไวต่อเสียงรบกวน (ที่มาของภาพ: Analog Devices, Inc.)

สามารถใช้งาน LTM4702 หลายตัวพร้อมกันเพื่อสร้างกระแสไฟขาออกที่สูงขึ้น สามารถเชื่อมต่อแบบขนานได้สูงสุด 12 เฟสเพื่อทำงานต่างเฟสพร้อมกันได้ โดยการตั้งโปรแกรมพิน PHMODE ของ LTM4702 แต่ละอันให้มีระดับแรงดันไฟฟ้าต่างกัน

นอกจากนี้ ตัวควบคุมการสลับซิงโครนัส LTM4702 ยังมีสัญญาณรบกวนเอาต์พุตความถี่ต่ำที่ยอดเยี่ยม (10Hz ถึง 100kHz) เหมาะมากสำหรับการใช้งานที่มีกระแสไฟสูงและไวต่อเสียงรบกวน อุปกรณ์ใช้สถาปัตยกรรม PWM ความถี่คงที่ที่สามารถตั้งโปรแกรมให้สลับจาก 300kHz เป็น 3MHz ได้โดยใช้ตัวต้านทานที่เชื่อมจากพิน RT เข้ากับกราวด์

ตัวต้านทานตัวเดียวจะตั้งค่าแรงดันไฟขาออกของ LTM4702 เพื่อให้ได้ค่าเกนหนึ่งจากการตอบรับแรงดันไฟขาออกและสัญญาณรบกวนขาออกที่คงที่อย่างแท้จริงโดยไม่ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟขาออก สำหรับแอปพลิเคชั่นที่ไวต่อเสียงรบกวนส่วนใหญ่ LTM4702 จะขจัดความจำเป็นในการใช้ LDO และตัวกรอง LC หลังการควบคุม และต้องใช้ตัวเก็บประจุอินพุตและเอาต์พุตเท่านั้นเพื่อให้การออกแบบเสร็จสมบูรณ์

บอร์ดประเมินผล EVAL-LTM4702-AZ (รูปที่ 2) มีไว้สำหรับการตั้งค่าและประเมินประสิทธิภาพของ LTM4702

รูปที่ 2: บอร์ดประเมินผล EVAL-LTM4702-AZ ของ ADI ให้เครื่องมือแก่ผู้ออกแบบในการทดสอบสมรรถนะของ LTM4702 โดยใช้ตัวแปลง DC/DC แบบลดแรงดัน (Step-down) (แหล่งที่มาของภาพ: Analog Devices, Inc.)

LTM8080 (รูปที่ 3) คืออุปกรณ์ 40V_IN แบบคู่ 500mA หรือเดี่ยว 1A ที่ผสานรวมตัวควบคุม LDO PSRR ประสิทธิภาพสูงสองตัวเข้ากับตัวควบคุม DC/DC แบบสวิตช์เงียบที่แยกจากกันด้วยเกราะ EMI แบบบูรณาการในแพ็คเกจ BGA แบบขึ้นรูปทับขนาด 9mm × 6.25mm × 3.32mm ที่ได้รับการปรับปรุงทางความร้อน รองรับช่วงความถี่การสลับ 200kHz ถึง 2.2MHz และช่วงแรงดันขาออก 0V ถึง 8V

รูปที่ 3: μModule LTM8080 ของ ADI รวม LDO คู่เข้ากับตัวควบคุม DC/DC แบบสวิตช์เงียบพร้อมเกราะป้องกัน EMI ระหว่างกันในแพ็คเกจขนาดกะทัดรัด (แหล่งที่มาของภาพ: Analog Devices, Inc.)

ตัวควบคุมสวิตช์ที่ส่วนหน้าเป็นแหล่งจ่ายพลังงาน DC/DC แบบลดแรงดันที่ไม่มีการแยกสัญญาณ ซึ่งสามารถจ่ายกระแสต่อเนื่องสูงสุดถึง 1.5A ตัวควบคุมเชิงเส้น LDO แบ็คเอนด์ใช้สถาปัตยกรรมสัญญาณรบกวนต่ำพิเศษ (2nV/√Hz ที่ 10kHz) และ PSRR สูงพิเศษ (76dB ที่ 1MHz) ของ ADI เอาต์พุต LDO สามารถขนานกันได้  เพิ่มกระแสไฟขาออก

นักออกแบบสามารถใช้วงจรสาธิต DC3071A (รูปที่ 4) ที่มีช่วงการทำงานกว้างตั้งแต่ 4V ถึง 40V เพื่อประเมิน LTM8080

รูปที่ 4: วงจรสาธิต DC3071A ประกอบด้วย LTM8080 µModule ที่มีเอาต์พุต 2 ช่อง โดยแต่ละช่องสามารถปรับได้ 3.3 V/0.5 A (ที่มาของภาพ: Analog Devices, Inc.)

บทสรุป

ตัวควบคุม μModule แบบ Silent Switcher ของ ADI มอบโซลูชันที่แข็งแกร่งสำหรับความท้าทายของ EMI ในแอพพลิเคชั่นอิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อเสียงรบกวน ตัวควบคุม μModule เหล่านี้ช่วยลดความซับซ้อนในการออกแบบ ปรับปรุงประสิทธิภาพความร้อน และขจัดความจำเป็นในการใช้ตัวควบคุม LDO โพสต์ในสถานการณ์ส่วนใหญ่ ด้วยการผสานเทคโนโลยี Silent Switcher 3 ขั้นสูงเข้ากับการออกแบบระบบในแพ็คเกจที่กะทัดรัดและมีประสิทธิภาพสูง

ตั้งแต่ตัวแปลงข้อมูลความเร็วสูงและระบบ RF ไปจนถึงการถ่ายภาพทางการแพทย์และอุปกรณ์อุตสาหกรรม ตัวควบคุม μModule เหล่านี้ช่วยให้นักออกแบบสามารถบรรลุการทำงานที่มีเสียงรบกวนต่ำสุดและประสิทธิภาพสูงโดยไม่ต้องเพิ่มความซับซ้อนจากวิธีการลด EMI แบบดั้งเดิม ด้วยผลิตภัณฑ์เช่น LTM4702 และ LTM8080, Analog Devices ยังคงเป็นผู้นำในการนำเสนอโซลูชันที่มีนวัตกรรม ซึ่งตอบสนองความต้องการที่แน่นอนของอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ โดยมั่นใจในประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้แม้ในแอปพลิเคชันที่มีความไวต่อสัญญาณรบกวนสูงที่สุด