[RAQ] Kiedy mniejsze oznacza lepsze

Artykuł prezentuje moduły zasilania μModule charakteryzujące się bardzo małymi rozmiarami, ograniczoną emisją szumów oraz dobrymi parametrami stabilizacji napięcia. Moduły są przeznaczone do układów zasilania dla projektów, w których powierzchnia dostępna na płytce jest bardzo ograniczona.

Pytanie:

W jaki sposób zasilacze oparte o przetwornicę µModule mogą mieścić się na tak małej przestrzeni?

Odpowiedź:

Dzieje się tak dzięki integracji dużej liczby komponentów w module.

Na rynku od wielu lat dostępne są moduły zasilania. Są to kompletne rozwiązania przetwornicy DC/DC, które wystarczy przylutować na płytkę, aby spełniało swoje zadanie – stabilizację napięcia zasilania. W porównaniu do tradycyjnych układów przetwornicy, w którym zazwyczaj znajduje się jedynie kontroler i elementy mocy, moduły zasilania mają zintegrowane elementy pasywne. Tradycyjnie, terminem „moduł zasilania” określa się układy scalone przetwornic, w których zintegrowany jest również dławik. Rysunek 2. przedstawia komponenty niezbędne do budowy przetwornicy impulsowej step-down w topologii „buck”. Linią przerywaną oznaczono na nim granice układów opisywanych jako „układy przetwornic” oraz jako „moduły zasilania”. Wysoka integracja modułów ułatwia projektantom stosowanie ich w urządzeniach, a także umożliwia znaczącą miniaturyzację obwodu zasilacza.

Niewielkie stabilizatory DC/DC o niskiej emisji elektromagnetycznej

Stabilizatory impulsowe z zasady emitują do otoczenia zakłócenia elektromagnetyczne. Dzieje się tak dlatego, że przy przełączaniu następują bardzo szybkie zmiany prądu w czasie. Dodatkowo przetwornice często pracują z dużą częstotliwością. Z kolei zgodność ze standardami kompatybilności elektromagnetycznej jest obowiązkowa m.in. w sprzęcie medycznym, transceiverach radiowych oraz w sprzęcie pomiarowym. Przykładowo, jeśli system nie spełni standardów EMI, lub gdy układ zasilania wpływa na integralność sygnałów cyfrowych i RF, koszty poniesione przez projektanta nie ograniczają się jedynie do znalezienia problemu i usunięcia go. Trzeba również ponownie certyfikować urządzenie. Ponadto problemy z kompatybilnością elektromagnetyczną występują częściej w projektach gęsto upakowanych na PCB, gdy przetwornice DC/DC są położone blisko komponentów wrażliwych na szum oraz ścieżek sygnałowych.

Projektanci mogą stosować techniki ograniczenia emisji elektromagnetycznej – takie jak obniżanie częstotliwości przełączania, stosowanie filtrów lub ekranów. Jest to jednak dość niewygodne. Dużo łatwiej jest ograniczyć emisję u źródła – w samym module zasilania. Aby jeszcze ograniczyć rozmiary obwodu zasilania, wszystkie komponenty przetwornicy, w tym tranzystory MOSFET, dławiki, sterowniki oraz komponenty dodatkowe, mogą być zintegrowane w jednym układzie scalonym.

Rysunek 1. Układ LTM8074 korzysta z architektury Silent Switcher, co pozwala zmieścić kompletne niskoszumne rozwiązanie w jednym układzie scalonym

Zmniejszenie ilości elementów przetwornicy

Oprócz niskiej emisji elektromagnetycznej, spełniającej standardy EMI takie jak EN 55022 klasy B, bardzo ważna jest minimalizacja liczby komponentów dodatkowych na płytce PCB. Szybka odpowiedź impulsowa umożliwia mniejszą zależność parametrów układu od parametrów kondensatora wyjściowego. To oznacza, że projekt upraszcza się, dzięki optymalizacji wewnętrznej pętli sprzężenia zwrotnego, a to z kolei zapewnia szerokie marginesy stabilności w szerokim zakresie warunków pracy oraz przy dla różnych kondensatorów wyjściowych.

Rysunek 2. Moduł zasilania z przetwornicą Step-Down (buck) oraz zintegrowanym dławikiem

Rysunek 3. Nawet przy najmniejszych możliwych kondensatorach wyjściowych (ceramiczne 2 µF i 4,7 µF) układ LTM8074 umożliwia szybką odpowiedź impulsową (VIN =12 V, VOUT = 3,3 V)

Układ LTM8074 to moduł zasilania µModule o prądzie wyjściowym do 1,2 A, napięciu wejściowym do 40 V, w obudowie BGA o wymiarach 4 x 4 x 1,82 mm. Sumaryczny rozmiar rozwiązania wynosi 60 mm2 dla napięcia wejściowego od 3,2 do 40 V i napięcia wyjściowego 3,3 V. Wymaga tylko dwóch kondensatorów 0805 i dwóch rezystorów 0603. Niewielka wysokość i waga (0,08 g) układu pozwala na montaż rozwiązania na spodzie płytki PCB. Architektura Silent Switcher pozwala na minimalizację emisji elektromagnetycznej, co umożliwia spełnienie wymagań standardu CISPR22 klasy B oraz zmniejszenie prawdopodobieństwa interferencji elektromagnetycznej z innymi ważnymi sygnałami.

Komponenty zewnętrzne

Nie zawsze można zintegrować wszystkie zewnętrzne komponenty w jednym układzie scalonym. Czasem istnieje konieczność dostępu do pewnych ustawień, takich jak częstotliwość przełączania lub czas Soft Startu. Ustawienia parametrów mogą być wykonane w sposób cyfrowy. Tym niemniej nie trzeba używać do tego mikrokontrolera lub pamięci nieulotnych – wystarczy zastosować w tym celu elementy pasywne.

Kondensatory wejściowe i wyjściowe często są już wbudowane w moduł zasilania, lecz czasem należy je zamontować osobno. Rysunek 4 prezentuje obwód oparty o układ LTM8074 z oferty Analog Devices.

Rysunek 4. Moduł zasilania LTM8074 o napięciu wejściowym do 40 V i prądzie do 1,2 A w rozmiarze 4 x 4 mm

Dzięki stosowaniu zewnętrznego rezystora do regulacji napięcia wyjściowego, rozwiązanie oferuje większa stałość parametrów i elastyczność. Jeśli nie jest wymagany Soft Start, to do odpowiedniego wyprowadzenia nie trzeba podłączać kondensatora. Te funkcje umożliwiają zmieszczenie konwerterów napięcia na bardzo małej przestrzeni. Dzięki obudowie 4 x 4 mm oraz niewielkiej liczbie wymaganych komponentów zewnętrznych, układ zasilania oparty o LTM8074 może zmieścić się na przestrzeni jedynie 8 x 8 mm. Taki układ akceptuje napięcie wejściowe do 40 V, a prąd na wyjściu może wynosić do 1,2 A. Przykład layoutu takiego obwodu przedstawiono na rysunku 5.

Rysunek 5. Przykładowy layout zasilacza o wymiarach 8 x 8 mm

W przypadku tak małych układów zasilania, bardzo ważna jest duża sprawność energetyczna. W przeciwnym razie elementy grzeją się i mogą pojawić się problemy z odprowadzaniem ciepła.

Właściwości modułu LTM8074

Moduł LTM8074 jest idealnym wyborem w tego typu aplikacjach dzięki swojemu niewielkiemu rozmiarowi. Technologia Silent Switcher umożliwia użycie modułu nawet w zastosowaniach wyjątkowo wrażliwych na szum, gdzie tradycyjnie stosowane są stabilizatory liniowe.

Wysoce zintegrowane moduły zasilania nie tylko ułatwiają projektowanie zasilaczy impulsowych. Umożliwiają również efektywną konwersję napięcia w aplikacjach o niezwykle małych wymiarach.

Kluczowe zalety układów Analog Devices µModule to:

  • Niska emisja szumu,
  • Wyjątkowo cienkie obudowy,
  • Efektywne chodzenie,
  • Dokładna stabilizacja napięcia wyjściowego w szerokim zakresie napięć wejściowych, obciążeń i temperatur,
  • Niezawodność,
  • Minimalizacja pętli masy,
  • Szeroki zakres temperatur pracy.

O autorze

Frederik Dostal - Analog Devices

Studiował mikroelektronikę na Uniwersytecie w Erlangen (Niemcy). Pracę zawodową rozpoczął w branży zarządzania energią w 2001. Pracował jako inżynier aplikacyjny systemów zasilających, następnie 4 lata w Phoenix, w stanie Arizona, specjalizując się w systemach zasilania typu switch mode. Od roku 2009 pracuje w monachijskim oddziale Analog Devices jako Power Management Segment Regional Marketing Engineer na teren Europy. Jednym z jego głównych zadań jest prowadzenie seminariów technicznych z zakresu projektowania systemów zasilania.