Σε εφαρμογές όπως ασύρματες συνδέσεις που βασίζονται σε αναλογικά κυκλώματα χαμηλής στάθμης σήματος και ψηφιακά σχέδια που χρησιμοποιούν τάση σιδηροτροχιάς χαμηλής ισχύος, η ποιότητα της ράγας συνεχούς ρεύματος είναι το κλειδί για τη διατήρηση της απόδοσης του συστήματος. Εκτός από την απόδοση μετατροπής, την ακρίβεια εξόδου, τη σταθερότητα και τη ρύθμιση γραμμής και φορτίου, η ποιότητα των σιδηροτροχιών DC εξαρτάται επίσης από παράγοντες όπως ο εγγενής θόρυβος και η παροδική απόκρισή τους στις δυναμικές αλλαγές φορτίου.
Ωστόσο, η ισχυρή σειρά Silent Switcher της Analog Devices έχει υποστεί πολλές γενιές ανάπτυξης και έχει γίνει μια ώριμη τεχνολογία που, όταν εφαρμοστεί σωστά, μπορεί να παρέχει την απαιτούμενη έξοδο DC χαμηλού θορύβου και εξαιρετικά γρήγορη μεταβατική απόκριση.
Αυτό το άρθρο θα επικεντρωθεί στην εισαγωγή αυτών των εύχρηστων ρυθμιστών μεταγωγής DC/DC υψηλής απόδοσης, των πλεονεκτημάτων τους και των προβλημάτων που μπορούν να λύσουν. Αυτό το άρθρο θα λάβει την εφαρμογή των αναλογικών συσκευών ως παράδειγμα για να επεξηγήσει πώς να μεγιστοποιήσετε την απόδοση αυτών των ρυθμιστών μεταγωγής.
Σειρά Silent Switcher
Οι ρυθμιστές μεταγωγής της σειράς Silent Switcher DC/DC από Αναλογικές Συσκευές έχουν πλέον εξελιχθεί στην τρίτη γενιά. Το προϊόν πρώτης γενιάς Silent Switcher 1 χρησιμοποιείται κυρίως για τη μείωση του θορύβου υψηλής συχνότητας που σχετίζεται με τους ρυθμιστές μεταγωγής. Αυτή η γενιά προϊόντων έχει τρία σημαντικά πλεονεκτήματα: χαμηλή ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή (EMI), υψηλή απόδοση και υψηλή συχνότητα μεταγωγής (κατάλληλη για μικρότερες σχετικές συσκευές).
Στη συνέχεια, η Analog Devices κυκλοφόρησε το Silent Switcher 2. Αυτό το προϊόν διατηρεί τη λειτουργικότητα του προκατόχου του και προσθέτει ενσωματωμένους πυκνωτές ακριβείας, υιοθετώντας μια πιο συμπαγή εμφάνιση και εξαλείφοντας την ευαισθησία στη διάταξη της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος (Πλακέτα υπολογιστή).
Το προϊόν τρίτης γενιάς Silent Switcher 3 κληρονομεί τα μοναδικά χαρακτηριστικά των δύο προηγούμενων γενεών. Αυτό το προϊόν έχει επίσης τα πλεονεκτήματα της γρήγορης μεταβατικής απόκρισης και του εξαιρετικά χαμηλού θορύβου στην περιοχή χαμηλής συχνότητας (Εικόνα 1).
Silent Switcher Ρυθμιστής DC/DC από Αναλογικές Συσκευές (κάντε κλικ για μεγέθυνση).
Εικόνα 1: Κάθε γενιά ρυθμιστών Silent Switcher DC/DC διατηρεί τα χαρακτηριστικά και τις λειτουργίες της προηγούμενης γενιάς και προσθέτει νέες δυνατότητες και λειτουργίες. (Πηγή εικόνας: Αναλογικές συσκευές)
Απλή λύση θορύβου διακόπτη
Προκειμένου να επιτευχθούν τα χαρακτηριστικά χαμηλού θορύβου των δύο προηγούμενων γενιών προϊόντων, οι σχεδιαστές μελέτησαν διάφορες πηγές θορύβου και διερεύνησαν καινοτόμες μεθόδους παράκαμψης, ελαχιστοποίησης ή ακόμα και εξάλειψης των πηγών θορύβου. Αυτό απαιτεί μια πολύπλευρη προσέγγιση. Για παράδειγμα, η κύρια πηγή θορύβου στα τροφοδοτικά λειτουργίας διακόπτη είναι η ενέργεια μεταγωγής του ρεύματος και όχι η ροή του ρεύματος σταθερής κατάστασης. Στις παραδοσιακές τοπολογίες ρυθμιστή λειτουργίας μεταγωγής, υπάρχει μια διαδρομή ρεύματος που ονομάζεται θερμικός βρόχος. Ο θερμικός βρόχος είναι η κύρια πηγή θορύβου υψηλής συχνότητας που εκπέμπεται στον αέρα, προκαλώντας EMI. Ο ρυθμιστής DC/DC Silent Switcher πρώτης γενιάς διαίρεσε καινοτόμα το θερμικό κύκλωμα σε δύο συμμετρικά κυκλώματα ρεύματος. Αυτό δημιουργεί δύο μαγνητικά πεδία αντίθετης πολικότητας, τα οποία ακυρώνουν σε μεγάλο βαθμό τον ακτινοβολούμενο θόρυβο.
Ενσωματώνοντας τον πυκνωτή εισόδου απευθείας στο πακέτο IC, το Silent Switcher 2 ελαχιστοποιεί τα κρίσιμα θερμικά κυκλώματα στο μέγιστο δυνατό βαθμό.
Αυτή η αρχιτεκτονική υποστηρίζει γρήγορη εναλλαγή ακμών, επιτυγχάνοντας υψηλή απόδοση υπό συνθήκες μεταγωγής υψηλής συχνότητας, διατηρώντας παράλληλα καλή απόδοση EMI. Ο εσωτερικός κεραμικός πυκνωτής στο άκρο της τάσης εισόδου συνεχούς ρεύματος (VIN) βοηθά στη διατήρηση ενός μικρού βρόχου γρήγορου ρεύματος AC, βελτιώνοντας έτσι περαιτέρω την απόδοση. Η αρχιτεκτονική Silent Switcher χρησιμοποιεί επίσης αποκλειστική τεχνολογία σχεδίασης και συσκευασίας για τη μεγιστοποίηση της απόδοσης σε εξαιρετικά υψηλές συχνότητες, επιτρέποντάς της να υπερβεί τους περιορισμούς αιχμής EMI του CISPR 25 Class 5.
Επιπλέον, χρησιμοποιείται επίσης η τεχνολογία ενεργού τάσης εντοπισμού θέσης (AVP), που σημαίνει ότι η τάση εξόδου εξαρτάται από το ρεύμα φορτίου. Όταν βρίσκεται υπό ελαφρύ φορτίο, η τιμή ρύθμισης της τάσης εξόδου είναι υψηλότερη από την ονομαστική τιμή και όταν βρίσκεται υπό πλήρες φορτίο, είναι χαμηλότερη από την ονομαστική τιμή. Η ρύθμιση φορτίου DC έχει προσαρμοστεί για τη βελτίωση της μεταβατικής απόδοσης και την ελαχιστοποίηση των απαιτήσεων του πυκνωτή εξόδου.
Silent Switcher 3 και Transient Response
Η μεταβατική απόκριση αναφέρεται στην ικανότητα ενός ρυθμιστή τάσης να ανταποκρίνεται σε ξαφνικές αλλαγές φορτίου και έχει γίνει μια ολοένα και πιο σημαντική παράμετρος. Επομένως, εκτός από την ελαχιστοποίηση του θορύβου χαμηλής συχνότητας (10 Hz έως 100 kHz), τα προϊόντα τρίτης γενιάς εστιάζουν επίσης στην παροχή εξαιρετικά γρήγορης μεταβατικής απόκρισης.
Οι επεξεργαστές σήματος και το System on Chip (SoC) αντιμετωπίζουν συχνά ξαφνικές αλλαγές στις μεταβατικές καμπύλες φορτίου, με αποτέλεσμα να δίνεται μεγαλύτερη προσοχή στην παροδική απόκριση. Αυτό το μεταβατικό φορτίο μπορεί να προκαλέσει παρεμβολές στην τάση τροφοδοσίας και αυτή η παράμετρος είναι ζωτικής σημασίας για τη σχεδίαση ραδιοσυχνοτήτων υψηλής απόδοσης. Για παράδειγμα, διαφορετικές τάσεις τροφοδοσίας μπορεί να επηρεάσουν σοβαρά τη συχνότητα ρολογιού του συστήματος.
Επομένως, τα SoC RF συνήθως εφαρμόζουν χρόνο κενού κατά τη διάρκεια μεταβατικών φορτίων. Στις εφαρμογές 5G, η ποιότητα των πληροφοριών σχετίζεται στενά με την περίοδο κενού κατά τις μεταβατικές περιόδους. Επομένως, η ελαχιστοποίηση της επίδρασης των μεταβατικών φορτίων στο τροφοδοτικό θα βελτιώσει την απόδοση σε επίπεδο συστήματος.
Για την επίτευξη αυτών των στόχων, η συσκευή Silent Switcher 3 με ένα chip υιοθετεί έναν ενισχυτή σφαλμάτων εξαιρετικά υψηλής απόδοσης, ο οποίος μπορεί να προσφέρει πρόσθετη σταθερότητα ακόμη και σε περίπτωση επιθετικής αντιστάθμισης. Η μέγιστη συχνότητα μεταγωγής των 4 megahertz (MHz) επιτρέπει στο IC να αυξήσει το εύρος ζώνης του βρόχου ελέγχου σε περίπου 100 kHz στη λειτουργία ελέγχου ρεύματος αιχμής σταθερής συχνότητας. Επιπλέον, πολλές καινοτόμες τεχνολογίες μπορούν επίσης να μειώσουν τους λεπτούς παράγοντες που εμποδίζουν την παροδική απόκριση:
Διαχωρισμός Φορτίου - Σε ένα τυπικό σχέδιο, ένα φορτίο 1 V περιλαμβάνει κυκλώματα εκπομπής και λήψης, τοπικό ταλαντωτή (LO) και ταλαντωτή ελεγχόμενης τάσης (VCO). Κατά τη λειτουργία διπλής όψης διαίρεσης συχνότητας (FDD), μπορεί να υπάρξει ξαφνική αλλαγή στο ρεύμα φορτίου του φορτίου εκπομπής/λήψης. Εν τω μεταξύ, τα φορτία LO και VCO είναι σταθερά, αλλά απαιτούν υψηλή ακρίβεια και χαμηλό θόρυβο.
Τα χαρακτηριστικά υψηλού εύρους ζώνης αυτών των συσκευών επιτρέπουν στους σχεδιαστές να διαχωρίζουν δυναμικά και στατικά φορτία μέσω ενός δεύτερου επαγωγέα (L2), τροφοδοτώντας έτσι δύο κρίσιμες ομάδες φορτίου 1 V από το IC του ρυθμιστή (Εικόνα 2, επάνω). Η μεταβατική απόκριση φορτίου είναι γρήγορη, η απόκλιση VOUT είναι ελάχιστη και δεν επηρεάζει το στατικό φορτίο (Εικόνα 2, κάτω).