Hoe kleine modulaire DC/DC-convertors gebruiken om ruis in de voedingsrail te minimaliseren

Ruis is een inherente en meestal onvermijdelijke factor in bijna alle systeemontwerpen. Hoewel een deel van de ruis afkomstig is van externe bronnen en niet rechtstreeks onder de controle van de circuitontwerper valt, wordt het ook door de schakeling zelf gegenereerd. In veel gevallen is het van cruciaal belang dat de ontwerper ruisbronnen tot een minimum beperkt - vooral ruis op de stroomrails - omdat dit gevoelige analoge en digitale schakelingen kan beïnvloeden.

Het resultaat kan een onregelmatig circuit zijn, een lagere resolutie en nauwkeurigheid, en in het beste geval een hogere bit error rate (BER). In het ergste geval kan het leiden tot een totale systeemstoring, of frequente of intermitterende prestatieproblemen, die beide moeilijk te debuggen zijn.

Er zijn twee belangrijke ruisproblemen met schakelende DC/DC-regelaars en hun uitgangssporen: rimpelruis en uitgestraalde ruis. Ruis die binnen een circuit wordt gegenereerd, is onderworpen aan de voorschriften inzake elektromagnetische compatibiliteit (EMC) en moet in de verschillende frequentiebanden onder de gespecificeerde niveaus blijven.

De uitdaging voor ontwerpers bestaat erin inzicht te krijgen in intern voortgebrachte ruis en de oorsprong ervan, en deze ruis ofwel "weg te ontwerpen" of op een andere manier te beperken. In dit artikel worden aan de hand van DC/DC-regelaars van Monolithic Power Systems, Inc. de mogelijkheden besproken om problemen met regelaarruis tot een minimum te beperken.

Begin met geluidsbron en type

De gemakkelijkst waarneembare ruis, en de ruis die rechtstreeks van invloed is op de prestaties van de schakeling, is de rimpel bij de schakelfrequentie. Deze rimpel ligt gewoonlijk in de orde van 10 tot 20 millivolt (mV) (Afbeelding 1). Hoewel niet willekeurig van aard, is het toch een uiting van ruis met gevolgen voor de systeemprestaties. Het millivolt-niveau van dergelijke rimpel is over het algemeen geen probleem voor digitale IC's met een hoger voltage die werken met rails van 5 volt en meer, maar het kan een probleem zijn voor digitale circuits met een lager voltage die werken met minder dan 3 volt. Rippeling op de voedingsrails is ook een belangrijk probleem bij analoge precisiecircuits en -componenten, en daarom is de PSRR-specificatie (power supply rejection ratio) voor dergelijke toestellen van cruciaal belang.

Afbeelding 1: Rimpel op de DC-rail, een gevolg van de schakelwerking van de regelaar, kan de basisprestaties of de precisieresultaten van een schakeling beïnvloeden. (Afbeelding bron: Monolithic Power Systems, Inc.)

De schakelwerking van een DC/DC-regelaar kan ook radiofrequente (RF) ruis uitstralen. Zelfs als de millivolts rimpel op de DC-rail aanvaardbaar is, is er ook nog de kwestie van de elektromagnetische emissies die de EMC in gevaar brengen. Deze ruis heeft een bekende fundamentele frequentie tussen enkele kilohertz tot enkele megahertz (MHz), afhankelijk van de schakelende convertor en heeft ook vele harmonischen.

Tot de meest genoemde EMC-gerelateerde regelgevingsnormen behoren CISPR 22 en CISPR 32, "Information Technology Equipment-Radio Disturbance Characteristics-Limits and Methods of Measurement" (CISPR staat voor "Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques"). Er is ook de Europese norm EN 55022, die hoofdzakelijk is afgeleid van de CISPR 22-productnorm, met tests die onder nauwkeurig omschreven omstandigheden worden uitgevoerd.

CISPR 22 is goedgekeurd voor gebruik door de meeste leden van de Europese Gemeenschap. Hoewel FCC Part 15 in de VS en CISPR 22 betrekkelijk harmonieus op elkaar zijn afgestemd, zijn er toch enkele verschillen. CISPR 22/EN 55022 is "geabsorbeerd" door CISPR 32/EN 55032, een nieuwe productgroepnorm voor multimedia-apparatuur (MME) die van kracht is als geharmoniseerde norm in overeenstemming met de EMC-richtlijn.

Apparatuur die in de eerste plaats bestemd is voor gebruik in een woonomgeving moet voldoen aan de grenswaarden van klasse B, terwijl alle andere apparatuur moet voldoen aan klasse A (Afbeelding 2). Producten die voor de Noord-Amerikaanse markt zijn ontworpen, moeten voldoen aan de limieten die zijn vastgesteld in sectie 15.109 van deel 15, subdeel B, van de Federal Communications Commission (FCC) voor onopzettelijke straling. Dus zelfs als de elektrische ruis van een gelijkstroomregelaar geen nadelige invloed heeft op het product zelf, kan die ruis toch onaanvaardbaar hoog zijn om aan de verschillende wettelijke voorschriften te voldoen.

Figuur 2: Dit is een van de vele grafieken van CISPR 32/EN 55032, waarin de emissiegrenzen voor verschillende klassen consumentenproducten worden uitgezet tegen de frequentie. (Afbeelding bron: Academy of EMC, "EMC Standards")

Omgaan met EMC-vraagstukken is een gecompliceerd onderwerp waarvoor geen simplistische oplossing bestaat. De meting en de toelaatbare grenzen van deze emissies zijn onder meer afhankelijk van de bedrijfsfrequentie van het circuit, de afstand, het vermogensniveau en de toepassingsklasse. Om deze redenen is het zinvol om de vele technische hulpmiddelen en misschien zelfs consultants te raadplegen die begeleiding en expertise kunnen bieden.

Dit gezegd zijnde, beschikken ontwerpers over drie basisstrategieën om de ruis te minimaliseren en zo problemen met de circuitprestaties te voorkomen en tevens te voldoen aan de geldende ruisvoorschriften:

• Gebruik een low-dropout regelaar (LDO).
• Voeg externe filtering toe aan een schakelende regelaar om de ruis te verminderen die door de belasting op de DC-rails wordt waargenomen.
• Kies een schakelende regelaarmodule waarin componenten zijn ingebouwd die anders buiten het regelaar-IC vallen, zoals spoelen of condensators. De resulterende module is ontworpen en gegarandeerd voor ruisarme rails, en heeft dus minimale of geen externe filtering nodig.

Begin met de LDO

Aangezien de LDO-architectuur geen klok of schakeling heeft, heeft zij een inherent lage EMC-ruis en geen rimpel aan de uitgangsrail; elk jaar worden honderden miljoenen LDO's gebruikt. Wanneer het wordt toegepast op een geschikt ontwerp, kan het een doeltreffende oplossing zijn.

De MP20075 LDO van Monolithic Power Systems is bijvoorbeeld specifiek gericht op actieve busafsluitingen voor Double Data Rate (DDR) 2/3/3L/4 synchroon dynamisch willekeurig toegankelijk geheugen (SDRAM) (Afbeelding 3). Deze LDO heeft een 8-pins MSOP-behuizing en kan tot 3 ampère (A) leveren bij een door de gebruiker in te stellen spanning tussen 1,05 en 3,6 volt, en is voorzien van een nauwkeurige V_REF/2-volgspanning voor een nauwkeurige terminatie.

Afbeelding 3: De MP20075 LDO kan tot 3 A voeden of voeden en is geoptimaliseerd voor de afsluitingsbehoeften van diverse klassen DDR SRAM. (Afbeelding bron: Monolithic Power Systems)

De geïntegreerde deler van de MP20075 volgt de referentiespanning (REF) om nauwkeurige VTT en VTTREF uitgangsspanningen te verzekeren, terwijl Kelvin sensing helpt bij het bereiken van een nauwkeurigheid van ±30 mV voor VTT en ±18 mV voor VTTREF. Zoals bij de meeste LDO's levert de topologie van de uitsluitend analoge gesloten lus een zeer snelle respons op belastingsveranderingen aan de uitgang op, in de orde van grootte van slechts enkele microseconden (Afbeelding 4). Een dergelijke transiënte respons is vaak van kritiek belang in circuits met hoge snelheid, zoals de DDR SRAM-afsluitingen waarvoor deze LDO is ontworpen.

Afbeelding 4: Het analoge closed-loop ontwerp van de LDO draagt bij tot zijn zeer snelle reactie op transiënte eisen van de belasting; dergelijke prestaties zijn noodzakelijk voor toepassingen zoals DDR SRAM termination. (Afbeelding bron: Monolithic Power Systems)

Ondanks zijn inherent lage ruis en zijn gebruiksgemak heeft de LDO beperkingen. Ten eerste is hij veel minder efficiënt dan een schakelende regelaar, wat op zijn beurt twee voor de hand liggende problemen oplevert: de warmte die hij afgeeft, draagt bij tot de thermische belasting van het systeem, en de verminderde efficiëntie heeft gevolgen voor de bedrijfstijd van draagbare apparaten die op batterijen werken. Om deze redenen worden LDO's het meest gebruikt voor uitgangsstromen tot ongeveer 1 à 3 A (zoals blijkt uit de MP20075), aangezien het "rendementsverlies" boven die waarde vaak buitensporig wordt.

Er is nog een andere inherente beperking van LDO's: zij kunnen alleen step-down (buck) regulering bieden en kunnen een ongeregelde DC-ingangsspanning niet tot boven de nominale waarde opvoeren. Als een boost-mode uitgang nodig is, wordt de LDO automatisch uitgesloten als optie voor een DC/DC-regelaar.

Verfijn lay-out, voeg wat filtering toe

Wanneer een schakelende regelaar wordt gebruikt, ongeacht of deze in boost- of in buck-modus werkt, is de schakelwerking een inherente en onvermijdelijke bron van ruis. Het toevoegen van extra uitgangsfiltering is gemakkelijker wanneer de regelaar op een vaste frequentie werkt. Neem de MP2145, een 5,5 volt, 6 A, synchrone step-down-schakelregelaar in een 12-lead, 2 × 3 millimeter (mm) QFN-pakket, met integrale 20 milliohm (mΩ) en 12 mΩ MOSFET's (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De MP2145, een 5,5 volt, 6 A, synchrone step-down-schakelregelaar bevat integrale 20 mΩ en 12 mΩ MOSFET's in zijn 2 × 3 mm QFN pakket. (Bron afbeelding: Monolithic Power Systems)

Een synchrone buck-convertor zoals de MP2145 bestaat uit een ingangscondensator C_IN, twee schakelaars (S1 en S2) met hun diodes, een vermogensspoel voor energieopslag (L), en uitgangscondensators (C_OUT). De uitgangscondensators (_COUT) zijn aan de uitgang geplaatst om de uitgangsspanning in een stabiele toestand af te vlakken. Deze vormen een eerste-fase filter en verminderen de spanningsrimpel aan de uitgang door een laagohmige weg te bieden voor de hoogfrequente spanningscomponenten om terug te keren naar de aarde.Doorgaans kan een dergelijke shuntuitgangscondensator de uitgangsrimpel effectief terugbrengen tot 1 mV.

Om de uitgangsspanningsrimpel verder te beperken, is een tweedefase-uitgangsfilter vereist, met een inductor-condensatorfilter (LC) gecascadeerd naar de uitgangscondensators van de eerste fase (Afbeelding 6). De filterspoeldraad (L_f) is weerstand biedend in het bedoelde hoge-frequentiegebied en dissipeert de ruisenergie in de vorm van warmte. De spoel vormt samen met extra shuntcondensators een laagdoorlaat LC-filternetwerk.

Afbeelding 6: Door een tweedetraps LC-filter toe te voegen aan de uitgang van een schakelende regelaar zoals de MP2145 kan de uitgangsrimpel worden verminderd. (Bron afbeelding: Monolithic Power Systems)

Gegevensbladen van de leverancier en toepassingsnota's bevatten vergelijkingen en richtlijnen voor de dimensionering van de componenten inductor, condensator en dempingsweerstand van dit filter. Ook worden kritieke secundaire parameters bepaald, zoals de maximale gelijkstroomweerstand (DCR) en verzadigingsstroom van de spoel, en de maximale equivalente serieweerstand (ESR) van de condensator. Typische inductiewaarden liggen tussen 0,22 microhenries (µH) en 1 µH.

Ook de lay-out van deze componenten is van cruciaal belang voor het bereiken van de hoogst mogelijke prestaties. Een slecht doordachte layout kan resulteren in een slechte lijn- of belastingsregeling, verhoogde rimpel en andere stabiliteitsproblemen. De ingangscondensator (Cin) voor de MP2145 moet zo dicht mogelijk bij de pennen van het IC worden geplaatst (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: De ingangscondensator van de MP2145 (Cin hier, rechtsonder; en C1 in het schema van Afbeelding 5) moet zo dicht mogelijk bij pen 8 (de voedingsingangspin) en pennen 10/11/12 (de voedings-GND-pennen) liggen. (Bron afbeelding: Monolithic Power Systems)

Modules bieden prestatiegarantie

Modules brengen de implementatie van DC/DC-regelaars naar het volgende niveau van systeemintegratie. Op die manier minimaliseren of elimineren zij de problemen in verband met de keuze en plaatsing van externe componenten en bieden zij gegarandeerde specificaties. Modules bevatten extra componenten, hoofdzakelijk de traditionele, enigszins lastige externe spoel. Zo verminderen zij de problemen in verband met de dimensionering, plaatsing en oriëntatie van passieve componenten, die alle van invloed zijn op de EMC en de rimpeling.

De MPM3833C is bijvoorbeeld een step-downmodule met ingebouwde power MOSFET's en een spoel, die tot 3 A continue uitgangsstroom levert bij een ingangsspanning tussen 2,75 en 6 volt, samen met een uitstekende belasting- en lijnregeling (Afbeelding 8). Alleen terugkoppelweerstanden, ingangscondensators en uitgangscondensators zijn nodig om het ontwerp te voltooien. De spoel, die gewoonlijk de moeilijkste externe component is om te specificeren en te plaatsen, zit in de module en is dus geen probleem voor wat betreft de juiste plaatsing om elektromagnetische interferentie (EMI) en golving te minimaliseren.

Afbeelding 8: De MPM3833C DC/DC-module neemt de potentieel lastige spoel op in zijn ontwerp- en prestatiespecificaties. (Bron afbeelding: Monolithic Power Systems)

Deze module is ondergebracht in een ultraklein QFN-18 (2,5 mm × 3,5 mm × 1,6 mm) pakket en heeft een rimpelspanning van 5 mV (typisch). Zijn lage niveau van uitgestraalde emissies (EMI) voldoet aan de EN55022 klasse B norm, getoond in Figuur 9 voor condities van V_IN = 5 volt, V_OUT = 1,2 volt, I_OUT = 3 A, CO = 22 picofarads (pF), bij 25 °C.

Afbeelding 9: De datasheet voor de MPM3833C DC/DC-module laat zien dat deze ruimschoots voldoet aan de EN55022 klasse B norm voor uitgestraalde emissies. (Bron afbeelding: Monolithic Power Systems)

Met moderne microverpakkingstechnieken is de totale afmeting van een module slechts iets groter of hoger dan de interne matrijs; een laag profiel is een steeds belangrijkere parameter. Neem nu de MPM3650, een volledig geïntegreerde, 1,2 MHz, synchrone, gelijkgerichte step-down vermogensmodule met een interne spoel (Afbeelding 10). Hij levert tot 6 A continue uitgangsstroom voor uitgangen van 0,6 tot 1,8 volt en tot 5 A voor uitgangen boven 1,8 volt, over een breed ingangsbereik van 2,75 tot 17 volt, met een uitstekende belasting en lijnregeling. Met zijn interne MOSFETS en ingebouwde spoel meet het QFN-24 pakket slechts 4 mm × 6 mm × 1,6 mm.

Afbeelding 10: De MPM3650-module met geïntegreerde spoel levert tot 6 A bij maximaal 1,8 volt en 5 A boven 1,8 volt, in een pakket van 4 mm × 6 mm × 1,6 mm. (Bron afbeelding: Monolithic Power Systems)

Een ander voordeel van de modulaire aanpak is dat de rimpelruis goed onder controle is bij ongeveer 20 mV zonder belasting, en daalt tot ongeveer 5 mV bij een volledige belasting van 6 A (Afbeelding 11). Dit betekent dat in veel gevallen geen extra externe filtering nodig is, waardoor het ontwerp eenvoudiger wordt, minder ruimte in beslag wordt genomen en de stuklijst (Bill of Materials - BOM) kleiner wordt.

Afbeelding 11: De rimpelspanning voor de MPM3650-module is gespecificeerd op ongeveer 20 mV bij nullast en ongeveer 5 mV bij vollast. (Bron afbeelding: Monolithic Power Systems)

Het is vaak nuttig om DC/DC-regelaarmodules in de praktijk te testen om na te gaan of hun statische en dynamische prestaties voldoen aan de systeemvereisten, en zelfs verder gaan dan wat op het gegevensblad wordt vermeld. Om dit proces te versnellen, biedt Monolithic Power Systems de EVM3650-QW-00A, een vierlaagse evaluatiekbord van 63,5 mm × 63,5 mm × 1,6 mm voor de MPM3650 (Afbeelding 12).

Afbeelding 12: Met het EVM3650-QW-00A evaluatiebord kunnen potentiële gebruikers van de MPM3650 DC/DC module snel de prestaties in hun toepassing evalueren. (Bron afbeelding: Monolithic Power Systems)

Het evaluatiebord en zijn gegevensblad dienen meerdere doelen. Ten eerste stelt het de gebruiker in staat om gemakkelijk de vele prestatiekenmerken van de MPS3650 te beoordelen onder een breed scala van bedrijfsomstandigheden, waarvan sommige niet voor de hand liggen of niet in het gegevensblad worden genoemd. Ten tweede bevat het gegevensblad van de evaluatiekaart het volledige schema, de BOM en de layoutdetails van de kaart, zodat gebruikers van de MPS3650 deze in hun eigen ontwerp kunnen gebruiken om risico's te beperken en onzekerheid te minimaliseren (Afbeelding 13).

Afbeelding 13: Het EVM3650-QW-00A evaluatiebordpakket bevat een volledig schema, stuklijst en bordlay-outdetails om risico's en onzekerheid te verminderen. (Bron afbeelding: Monolithic Power Systems)

Het evaluatiebord biedt ontwerpers de mogelijkheid om de prestaties van de module beter te begrijpen, wat resulteert in een hoog niveau van ontwerpvertrouwen en een minimale doorlooptijd.

Er is nog een soort geluid

Wanneer ontwerpers het over "ruis" hebben, bedoelen zij bijna altijd een of andere uiting van elektronische ruis in de schakeling, zoals rimpel of EMI. Bij schakelende regelaars is er echter nog een ander potentieel type geluid: akoestisch geluid. Voor regelaars die werken boven het bereik van het menselijk gehoor, dat over het algemeen wordt geacht 20 kHz te zijn, zal dergelijke ruis geen probleem vormen. Sommige schakelende regelaars werken echter wel in het audiobereik, terwijl andere, die bij veel hogere frequenties werken, in rusttoestand of standby naar het audiobereik zakken om het stroomverbruik te minimaliseren.

Dit hoorbare geluid is te wijten aan één of beide van twee bekende natuurkundige verschijnselen: het piëzo-elektrisch effect en het magnetostrictief effect. In het geval van het piëzo-elektrisch effect doen de door de klok aangedreven elektrische oscillaties van de schakeling componenten zoals keramische condensatoren trillen in synchronisatie met de schakelklok, aangezien de elektrische energie door de kristallijne materialen van de condensator in mechanische beweging wordt omgezet. In het geval van het magnetostrictieve effect, dat enigszins parallel loopt met het piëzo-elektrische effect, veranderen magnetische materialen, zoals spoel- of transformatorkernen, hun vorm en afmetingen tijdens de door de klok gestuurde cycli van magnetisering. De aangetaste condensator of inductor/transformator fungeert dan als een mechanische "driver" en brengt de hele printplaat in resonantie, waardoor de hoorbare trillingen worden versterkt en uitgezonden.

Als gevolg van één of beide effecten klagen mensen met een goed gehoor vaak dat zij een constante brom van laag volume horen in de buurt van elektronische apparaten. Merk op dat deze akoestische ruis soms ook wordt voortgebracht door componenten van laagfrequente 50/60 Hz stroomcircuits, zodat zelfs degenen zonder goed gehoor voor hogere frequenties een brom kunnen horen.

De aanpak van akoestisch lawaai vereist andere benaderingen en technieken dan die welke worden gebruikt voor de demping van elektronisch lawaai.

Conclusie

LDO's bieden een ruisvrije of ruisarme oplossing voor het probleem van zowel DC-railrimpel als EMI, maar zijn over het algemeen geen levensvatbare regulatoroptie boven een paar ampère. Schakelende regelaars met passende filtering of regelaars die speciaal zijn ontworpen voor een laag ruisniveau zijn een alternatief.

Complete DC/DC-regelaarmodules waarin componenten zoals de spoel in hun kleine pakket zijn opgenomen, bieden een andere reeks oplossingen. Zij verminderen de ontwerponzekerheden met betrekking tot de lay-out en de keuze van componenten, terwijl de prestaties van het subsysteem volledig worden getest en gekwantificeerd.

Aanbevolen lectuur

1. "Inzicht in elektromagnetische compatibiliteitsnormen voor schakelende voedingen"