Pytanie:

Czy możemy jeszcze bardziej zredukować wyjściowy szum przełączania stabilizatora μModule® o ultraniskim poziomie szumów?

Odpowiedź:

Szum wyjściowy stabilizatora μModule o ultraniskim poziomie szumów można zmniejszyć o ponad 90% za pomocą filtra wyjściowego drugiego rzędu. Należy zwrócić należytą uwagę na dobór kondensatorów i cewek indukcyjnych w celu utrzymania szybkiej i stabilnej pętli sterowania. Taka konstrukcja jest szczególnie korzystna w zastosowaniach bezprzewodowych i RF, gdzie szybka reakcja przejściowa minimalizuje czas wygaszania systemu i maksymalizuje wydajność przetwarzania sygnału. Metodologia ta pozwala osiągnąć poziom szumów porównywalny z LDO przy sprawności przetwornicy.

Wprowadzenie

Zużycie energii przez urządzenia wrażliwe na zakłócenia stale rośnie. Aplikacje takie jak medyczne systemy obrazowania ultradźwiękowego, nadajniki-odbiorniki 5G i urządzenia do automatycznego testowania (ATE) wymagają wysokiego prądu wyjściowego (>5 A) przy niskim poziomie szumów i wysokiej przepustowości na małym obszarze PCB. Ze względu na wysokie zapotrzebowanie na prąd wyjściowy, tradycyjne dwustopniowe rozwiązanie (przetwornica buck + low dropout (LDO)), które było wcześniej stosowane, wymaga większej powierzchni PCB i powoduje większe straty mocy, przez co jest mniej preferowane.

Ultraniskoszumowy stabilizator μModule LTM4702 jest wyposażony w opatentowaną przez Analog Devices technologię Silent Switcher®, ultraszybką odpowiedź przejściową i ultraniskoszumową architekturę. Wszystkie te cechy sprawiają, że jest to idealne rozwiązanie dla aplikacji wysokoprądowych i wrażliwych na szumy, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej wydajności przetwornicy synchronicznej. Rozwiązanie to może wyeliminować obwody LDO w wielu zastosowaniach, co pozwala zaoszczędzić koszty LDO (~60%), straty mocy LDO (4 W i więcej) oraz miejsce na płytce drukowanej LDO (2 cm² + prześwit).

W przypadku niektórych zastosowań wymagających bardzo małych tętnień częstotliwości przełączania, dobrze wiadomo, że filtr LC drugiego rzędu może zmniejszyć harmoniczne częstotliwości przełączania napięcia wyjściowego. Wyzwaniem projektowym jest jednak z minimalizacja tętnień przełączania przy jednoczesnym zachowaniu stabilnej pętli sterowania z dużą szerokością pasma pętli sterowania. Często pętla sterowania staje się niestabilna po dodaniu niezoptymalizowanego filtra LC, co powoduje oscylacje na wyjściu. W tym artykule najpierw omówiono uproszczoną analizę pętli filtra LC drugiego rzędu, a następnie podano intuicyjną metodę projektowania. Pozwoli to zrozumieć analizę rozkładu pojemności i ułatwi obliczenia indukcyjności. Wreszcie, przykład projektu LTM4702 zweryfikuje proponowaną metodę projektowania.

Analiza pętli filtra wyjściowego LC drugiego rzędu

W przetwornicy buck pracującej w trybie prądowym, impedancja wyjściowa jest elementem sterującym. Na rys. 1 przedstawiono obwód LC drugiego rzędu i jego typowy wykres Bodego. Aby utrzymać dokładną stabilizację napięcia DC przy obciążeniu, wykrywany jest zdalny węzeł B VOUT.

Rys. 1. Przetwornica buck w trybie prądowym wraz z układem LC drugiego rzędu i jego typowym wykresem Bodego.

Funkcja transferu z V_OUT do i_LO jest następująca:

Z funkcji transferu (1) wynika, że filtr LC drugiego rzędu wprowadza podwójne bieguny o częstotliwości rezonansowej.

Z typowego wykresu Bodego pokazanego na rys. 1 wynika, że przy częstotliwości rezonansowej występuje ostre opóźnienie fazowe 90°. Aby zapewnić stabilność, częstotliwość rezonansowa powinna być 4 do 5 razy wyższa niż szerokość pasma pętli sterowania. Ma to na celu uniknięcie opóźnienia fazowego 90°, które mogłoby spowodować niestabilność. Ponadto, aby zapewnić wystarczające tłumienie tętnień częstotliwości przełączania, ta częstotliwość rezonansowa powinna być ustawiona 4 do 5 razy poniżej częstotliwości przełączania. W takim przypadku filtr LC będzie mógł zapewnić wystarczające filtrowanie. Istnieje kompromis między wartością tłumienia przy częstotliwości przełączania a szerokością pasma pętli sterowania. Metodologia ta pomaga jednak w wyborze częstotliwości rezonansowej z optymalną wartością LC.

Aby utrzymać podobną wydajność przejściową, impedancja wyjściowa powinna pozostać stała przed i po dodaniu filtra LC. Oznacza to, że pojemność wyjściowa powinna być mniej więcej taka sama z filtrem LC i bez niego. Zasadniczo pojemność C2 na rys. 1 może być podobna do konstrukcji bez LC, a pojemność C1 może mieć znacznie mniejszą, dzięki czemu C1 może zdominować lokalizację częstotliwości rezonansowej. Ponieważ C1 jest znacznie mniejsza niż C2, równanie 2 można uprościć do równania 3:

Zaleca się, aby pojemność C1 była co najmniej jedną dziesiątą pojemności C2. Po wybraniu C1, wartość Lf można obliczyć biorąc częstotliwość rezonansową z równania 3. Sprawdzając dostępność rzeczywistych komponentów, można określić optymalne wartości C1 i Lf.

Rozważania dotyczące wyboru komponentów

Wybór elementów kondensatora i cewki indukcyjnej ma kluczowe znaczenie dla efektywnego projektu filtra LC drugiego rzędu. Filtr LC drugiego rzędu musi zapewniać wystarczająco duże tłumienie przy częstotliwości przełączania. Ponieważ częstotliwość przełączania jest wysoka (1 MHz do 3 MHz) w ultraniskoszumowym stabilizatorze μModule, cewka indukcyjna i kondensator w LC drugiego rzędu wymagają dobrej charakterystyki dla wysokich częstotliwości. Wymóg wyboru C2 jest podobny do projektu bez LC, więc nie jest tutaj omawiany. Poniżej przedstawiono kryteria wyboru C1 i Lf.

Kryteria wyboru kondensatora C1

1. Częstotliwość rezonansowa C1 musi być wyższa niż częstotliwość przełączania. Impedancja C1 przy częstotliwości przełączania jest kluczowym czynnikiem dla konstrukcji LC drugiego rzędu. Zalecany jest kondensator ceramiczny, a jego impedancja w stosunku do krzywej częstotliwości może być odniesiona do określenia jego częstotliwości rezonansowej. Zazwyczaj typowy kondensator ceramiczny o rozmiarze 0603 lub 0805 byłby idealny, a jego częstotliwość rezonansowa musi być wyższa od 3 MHz.
2. Wartość skuteczna prądu powinna być wystarczająco wysoka, aby wytrzymać przepływ prądu. Zakładając, że całe tętnienie prądu przemiennego przechodzi przez C1, kondensator ceramiczny powinien być w stanie obsłużyć dużą wartość skuteczną prądu tętnień. Wzrost temperatury kondensatora ceramicznego w stosunku do krzywej prądu można odnieść do określenia wydajności prądowej. W przypadku kondensatora o rozmiarze 0603 dobrą zasadą jest ~4 A wartości skutecznej.

Kryteria wyboru cewki indukcyjnej Lf

1. W przypadku prądu wyjściowego poniżej 8 A, zalecane jest użycie ferrytowego koralika ze względu na jego świetną charakterystykę dla wysokich częstotliwości i kompaktowy rozmiar. Koraliki ferrytowe są również pomocne w tłumieniu skoków o bardzo wysokiej częstotliwości.¹ W przypadku prądu wyjściowego powyżej 8 A, lub jeśli wymagana jest duża indukcyjność, znalezienie odpowiedniego koralika ferrytowego może być trudne, dlatego zaleca się stosowanie tradycyjnej ekranowanej cewki indukcyjnej.
2. Należy wybrać cewkę ferrytową przystosowaną do pracy z prądem o wystarczającej wartości skutecznej (na przykład 8 A dla prądu wyjściowego poniżej 8 A). Zaleca się, aby indukcyjność cewki była mniejsza niż 10% indukcyjności cewki urządzenia μModule.

Przykład konstrukcji µmodułu o ultraniskim poziomie szumów

Na rys. 2 został przedstawiony przykładowy projekt modułu LTM4702. Charakteryzuje się on bardzo niską emisją zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) i bardzo niskim szumem skutecznym. Częstotliwość przełączania można regulować w zakresie od 300 kHz do 3 MHz. W przykładzie projektowym jest ona ustawiona na 2 MHz, aby zoptymalizować szumy dla aplikacji 12 V_IN do 1 V_OUT. Zgodnie z proponowaną metodą projektowania filtrów LC, częstotliwość rezonansowa LC drugiego rzędu jest ustawiona na 400 kHz do 500 kHz, czyli 4 do 5 razy mniej niż częstotliwość przełączania.

Rys. 2. Przykładowy obwód LTM4702 i zdjęcie płytki

Docelowa szerokość pasma pętli sterowania wynosi 100 kHz, czyli od 4 do 5 razy mniej niż częstotliwość rezonansowa LC. Dla C1 zastosowano dwa kondensatory 0603 4,7 μF. Jako Lf wybrano koralik ferrytowy BLE18PS080SH1 (w rozmiarze 0603, jak zaznaczono na rys. 2). Jako C2 są nadal używane dwa kondensatory ceramiczne 100 μF w rozmiarze 1206. Częstotliwość rezonansowa wynosi 424 kHz.

Porównanie pomiarów szumów pokazano na rys3. 3. Przy częstotliwości przełączania 2 MHz tętnienie przełączania wyjścia wynosiło 234 μV bez LC i zostało znacznie zmniejszone do 15 μV po dodaniu koralika ferrytowego 0603.

Rys. 3. Szum przełączania bez LC (234 μV) vs. z LC (15 μV)

Dodanie filtra LC drugiego rzędu w celu zminimalizowania szumów utrzymuje szerokość pasma pętli sterowania na poziomie 100 kHz i szybką odpowiedź przejściową z odzyskiem poniżej 10 μs, co zostało potwierdzone przez ocenę laboratoryjną z filtrem LC i bez niego. Odzyskiwanie w ciągu 10 μs pozwala na uzyskanie pomijalnego czasu wygaszania, co jest pożądane w aplikacjach bezprzewodowych i RF. LTM4702 firmy ADI rozwiązuje wyzwanie projektanta systemu związane z niską wydajnością przetwarzania sygnału spowodowaną okresem wygaszania przejściowego obciążenia.

Przebieg przejściowy na obciążeniu pokazany na rys. 4 weryfikuje szybką reakcję przejściową i powrót do stanu wyjściowego w ciągu 10 μs po dodaniu filtra LC drugiego rzędu, podobnie jak w przykładzie projektowym bez tego filtra.

Rys. 4. Wyniki przejściowe obciążenia: bez LC vs. z LC (powrót do stanu wyjściowego w ciągu 10 μs)

Podsumowanie

Obsługa aplikacji wysokoprądowych przy minimalnym poziomie szumów przy jednoczesnym zapewnieniu wysokiej wydajności i stabilności może stanowić wyzwanie. Dodanie filtra LC drugiego rzędu może znacznie zmniejszyć szumy, ale może spowodować niestabilność, jeśli nie zostanie on prawidłowo zoptymalizowany. Aby zminimalizować szumy bez pogarszania stabilności, należy użyć zoptymalizowanego filtra LC drugiego rzędu. Starannie dobierając wymagane komponenty L i C w oparciu o częstotliwość przełączania, szerokość pasma pętli sterowania i częstotliwość rezonansową, można zminimalizować szum przełączania przy jednoczesnym zachowaniu szybkiej odpowiedzi przejściowej i wysokiej szerokości pasma.

_______________________

Odniesienia

¹ Jim Williams. „AN101: Minimizing Switching Regulator Residue in Linear Regulator Outputs.” Linear Technology, July 2005.

Autorzy oryginału: Zhijun (George) Qian i Jennifer Florence Joseph Benedicto

Opracowanie: Jarosław Doliński