Schakelende spanningsregelaars met lage EMI gebruiken om voedingen efficiënter te maken

Ontwerpers die een systeem met batterijvoeding of gedistribueerde voeding moeten maken, staan vaak voor de vraag of ze een low-drop-out (LDO)-spanningsregelaar of een schakelende spanningsregelaar moeten gebruiken. Schakelende spanningsregelaars zijn efficiënter, wat altijd fjn is, vooral voor producten met batterijvoeding. Het belangrijkste probleem is de EMI afkomstig van de snel schakelende transistoren in de voeding, wat in sterk geïntegreerde en compacte ontwerpen een steeds groter probleem vormt.

Ingangs- en uitgangsfilters verkleinen de effecten van EMI, maar ze maken het systeem duurder, groter en complexer. Deze problemen worden door een nieuwe generatie geïntegreerde, modulaire schakelende spanningsregelaars aangepakt die verschillende ingebouwde technieken bevatten om de EMI te beperken zonder afbreuk te doen aan de prestaties en efficiëntie van de spanningsregelaar.

In dit artikel worden in het kort de voordelen van schakelende spanningsregelaars in ontwerpen voor draagbare producten besproken evenals het belang van filters. Vervolgens worden voorbeelden geïntroduceerd van schakelende spanningsregelaars met ingebouwde EMI-filters van Allegro Microsystems, Analog Devices en Maxim Integrated, en hoe deze kunnen worden gebruikt om de voeding te vereenvoudigen.

Waarom schakelende spanningsregelaars in draagbare producten gebruiken?

Hoge efficiëntie, laag energieverbruik (met minder temperatuurproblemen) en een hogere vermogensdichtheid zijn de belangrijkste redenen om een schakelende spanningsregelaar in plaats van een LDO te gebruiken. De efficiëntie van schakelende spanningsregelaars, d.w.z. het uitgangsvermogen gedeeld door het ingangsvermogen maal 100, is voor de meeste belastingen ca. 90 tot 95%, veel beter dan dat van een vergelijkbare LDO. Bovendien zijn schakelende spanningsregelaars veel flexibeler dan LDO's omdat ze de uitgangsspanning kunnen verhogen, verlagen ('buck') en omkeren.

Het hart van een schakelende spanningsregelaar is een pulsbreedtegemoduleerd (PWM) schakelelement bestaande uit twee metaaloxide halfgeleider field-effect-transistoren (MOSFETs) gecombineerd met een of twee inductoren om de energie op te slaan. De werkfrequentie van de spanningsregelaar bepaalt het aantal schakelcycli per tijdseenheid, terwijl de duty cycle (D) van het PWM-signaal de uitgangsspanning bepaalt (volgens V_OUT = D × V_IN).

Schakelende spanningsregelaars hebben weliswaar een voordeel voor draagbare producten, maar er kleven enkele nadelen aan: kosten, complexiteit, afmetingen, trage reactie op snel wisselende belastingen en een lage efficiëntie bij lage belastingen, hoewel dat laatste aspect steeds minder opgaat. De andere grote uitdaging is hoe om te gaan met de door het schakelen van de vermogenstransistor(en) gegenereerde EMI. Door het schakelen ontstaan spannings- en stroompieken die naar andere delen van de schakeling kunnen overslaan en tot rimpelspanningen en -stromen leiden en tevens tot spanningspieken op de schakelfrequentie (en harmonischen daarvan). De pieken in de rimpelspanning aan het einde van de PWM-cyclus (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Afbeelding van de rimpelspanning aan de uitgang van een schakelende spanningsregelaar met daarin de spanningspieken die een belangrijke bron van EMI vormen. (Afbeelding: Analog Devices)

Met EMI omgaan

Een in de praktijk bewezen methode om de door het schakelen van de vermogens-FET veroorzaakte EMI te verminderen is het toevoegen van weerstand-condensator-filters aan ingang en uitgang. Dergelijke schakelingen filteren de energiepieken uit en verminderen de rimpelspanning en -stroom, en daarmee de EMI. Bij een goed ontworpen schakelende voeding met een uitgangsspanning van 2 tot 5 volt is een bruikbaar richtpunt een rimpelspanning met een piekwaarde van 10 tot 50 mV en minimale spanningspieken.

Bij het kiezen van de componenten voor de filters, vooral de condensatoren aan de ingang en de uitgang, is het afwegen van afmetingen en kosten (plus de invloed ervan op de reactie van de voeding op wisselende belastingen en compenseren van loops) ten opzichte van de piekspanning en de rimpelstroom, plus het verminderen van de EMI, een lastige klus.

Een goed startpunt is uit te gaan van bestaande technieken op basis van enkele vergelijkingen. De rimpelspanning aan de ingang bestaat uit ΔV_Q (gegenereerd door de ontlading van de condensator aan de ingang) en ΔV_ESR (gegenereerd door de equivalente serieweerstand (ESR) van de condensator aan de ingang). Voor een rimpelspanning aan de ingang met een bepaalde maximale piekspanning kan een schatting worden gemaakt voor de vereiste capaciteit aan de ingang (C_IN) en ESR van de condensator door middel van respectievelijk Vergelijking 1 en Vergelijking 2:

 Vergelijking 1

en:

 Vergelijking 2

met

I_LOAD(MAX) de maximale uitgangsstroomsterkte

ΔI_p-p de piekstroom over de inductor

V_IN de ingangsspanning

V_OUT de uitgangsspanning van de spanningsregelaar

f_SW de schakelfrequentie

Evenzo kan voor een bepaalde rimpelspanning aan de uitgang met een bepaalde maximale piekspanning de capaciteit en ESR van de condensator worden bepaald uit respectievelijk Vergelijking 3 en Vergelijking 4:

 Vergelijking 3

en:

 Vergelijking 4

Het is van belang op te merken dat ΔV_ESR en ΔV_Q niet eenvoudig kunnen worden opgeteld omdat ze in tegengestelde fase werken. Als een ontwerper voor keramische condensatoren kiest (met meestal een lagere ESR), dan overheerst ΔV_Q. Bij elektrolytische condensatoren overheerst ΔV_ESR.

De gekozen waardes voor de capaciteit en ESR worden mede bepaald door de aanvaardbare afwijking van de uitgangsspanning ten opzichte van de gewenste waarde tijdens snelle overgangen in de belasting. Met name de condensator aan de uitgang moet de stroom tijdens de overgang kunnen leveren tot de spanningsregelaar de duty cycle van de PWM kan wijzigen. Voor het berekenen van de capaciteit en ESR aan de uitgang bij een minimale afwijking van de uitgangsspanning tijdens een overgang van de belasting kunnen respectievelijk Vergelijking 5 en Vergelijking 6 worden gebruikt:

 Vergelijking 5

en:

 Vergelijking 6

met

I_STEP de overgang in de belasting

t_RESPONSE de responsetijd van de spanningsregelaar

Maar hoewel deze berekeningen de selectie van geschikte componenten om de rimpelspanningen en -stromen de baas te blijven kunnen vergemakkelijken, moet de ontwerper ook rekening houden met het vermogensverlies in de condensator (P_CAP). Dit kan worden berekend met:

met I_RMS de RMS-waarde van de rimpelstroom aan de ingang.

Uit deze vergelijking blijkt dat bij een bepaalde ESR de toename van de inwendige temperatuur evenredig is aan het kwadraat van de rimpelstroom. Als de condensator wordt gebruikt om een grote rimpelstroom te verzwakken, dan kan hij fors opwarmen en als die warmte niet snel kan worden afgevoerd, dan verdampt de elektrolyt in de condensator langzaam maar zeker en gaat de condensator minder goed werken totdat hij uiteindelijk defect raakt. De ingenieur moet een grotere en duurdere condensator met een groter oppervlak gebruiken om dit effect te vermijden en voldoende warmte te kunnen afvoeren dan anders nodig zou zijn geweest.

Opties voor spanningsregelaars met lage EMI

Hoewel filteren aan de ingang en uitgang de rimpelspanning en -stroom kan verminderen, getuigt het van een goed ontwerp als een schakelende spanningsregelaar wordt gekozen die aan de specificaties voldoet en de piekwaardes van de rimpels zo klein mogelijk houdt. Hierdoor worden de condensatoren minder door vermogensverlies belast en kunnen kleinere en goedkopere condensatoren worden gebruikt.

Eén techniek voor het verkleinen van de rimpelspanning en -stroom is een spanningsmodus-regeling toe te passen. Hierbij wordt het PWM-signaal gegenereerd door op één ingang van een vergelijker een stuurspanning te zetten en op de andere een door een klok gegenereerde zaagtandspanning ('PWM-helling') met een vaste frequentie. Deze techniek voldoet beter bij het klein houden van de EMI dan de alternatieve methode met een stroommodus-regeling, die tot sterkere EMI kan leiden omdat de ruis van de vermogenstrap meestal in de feedbackloop terechtkomt. (Zie het artikel Voltage- and Current-Mode Control for PWM Signal Generation in DC-to-DC Switching Regulators in de DigiKey bibliotheek.)

Naast het overwegen van een dergelijke spanningsmodus-regeling bieden enkele halfgeleiderfabrikanten een aantal methodes aan om intern de rimpelspanning en -stroom te verminderen. Een voorbeeld daarvan is de A8660 synchrone buck-converter van Allegro Microsystems. Dit is een geavanceerde component met een AEC-Q100 kwalificatie voor automotive toepassingen. De spanningsregelaar werkt met een ingangsspanning (V_IN) van 0,3 tot 50 volt en levert een instelbare uitgangsspanning van 3 tot 45 volt. Hij werkt met een programmeerbare basisfrequentie (f_OSC) van 200 kilohertz (kHz) tot 2,2 megahertz (MHz). De A8660 biedt verder een aantal beveiligingsfeatures zoals een soft recovery na een spanningsdip om te voorkomen dat de V_OUT doorschiet en een ongewenste spanningspiek veroorzaakt.

Essentieel voor het minimaliseren van EMI in een spanningsregelaar is de techniek van variëren van de PWM-basisfrequentie. Wanneer dit geactiveerd is, dan wordt de frequentie binnen een intern ingesteld 'variatiebereik' f_OSC met ±10% gevarieerd en wordt de energie rond de schakelfrequentie verspreidt. De variabele modulatiefrequentie (f_MOD) doorloopt een driehoekspatroon op 12 kHz.

Afbeelding 2 laat de vergelijking tussen de emissie van de A8660 met en zonder frequentievariatie zien. De externe componenten en de lay-out van de printplaat zijn in beide gevallen hetzelfde.

Afbeelding 2: Vergelijking van emissies van een schakelende spanningsregelaar met een vaste frequentie (rood) ten opzichte van een spanningsregelaar met frequentievariatie (blauw). Toegepaste parameters: f_OSC = 2,2 MHz, V_IN = 12 V, V_OUT = 3,3 V, belasting = 3 A. (Afbeelding: Allegro MicroSystems)

De synchronisatie-ingang van de A8660 kan, bij een werkfrequentie lager dan de AM-radioband (f_OSC < 520 kHz), worden gebruikt om de f_OSC met zijn harmonischen te verschuiven om de EMI verder terug te dringen. Hiervoor wordt een externe klok op SYNC_IN-pin aangesloten om de basisfrequentie van de A8660 1,2 tot 1,5 × f_OSC te verschuiven.

De LT8210IFE synchrone buck/boost-regelaar van Analog Devices heeft een frequentiemodulatie in driehoekvorm. Hierbij verschuift de LT8210IFE de f_SW langzaam van de nominale frequentie tot 112,5% daarvan en weer terug.

Bovendien beschikt hij over 'Pass-Thru' waarmee het schakelen wordt opgeschort en de EMI wordt verlaagd doordat de schakelverliezen worden geëlimineerd. De spanningsregelaar heeft een ingangsbereik van 2,8 tot 100 volt bij een uitgangsspanning van 1 tot 100 volt. De uitgangsspanning heeft een nauwkeurigheid van ±1,25% en is beschermd tegen negatieve ingangsspanningen tot -40 volt.

Als Pass-Thru actief is, dan werken de buck- en boost-regelloops onafhankelijk van elkaar. Er zijn aparte foutversterkers aanwezig om het Pass-Thru-venster aan te maken door de geprogrammeerde uitgangsspanning voor het regelen van de buck, V_OUT(BUCK), hoger in te stellen dan de geprogrammeerde uitgangsspanning voor de boost, V_OUT(BOOST). De invloed van Pass-Thru op de uitgangsrimpelspanning wordt in Afbeelding 3 getoond.

Afbeelding 3: Tijdens Pass-Thru heeft de LT8210 spanningsregelaar een lagere uitgangsrimpelspanning (blauwe lijn) bij een ingangsspanning met ruis (rode spoor). (Afbeelding: Analog Devices)

Als V_IN tussen V_OUT(BOOST) en V_OUT(BUCK) ligt, dan volgt de uitgangsspanning de ingang. Als V_OUT in de buurt van V_IN is gekomen, dan gaat de LT8210 in een status met laag vermogen (Pass-Thru) waarbij de schakelaars A en D voortdurend aan staan en de schakelaars B en C uit. Als V_OUT een instelbaar percentage hoger wordt dan V_IN, dan worden de schakelaars A, C en D uit gezet en wordt de uitgang pas weer aangesloten als hij weer bijna gelijk aan V_IN is geworden. Als er in het Pas-Thru venster (wanneer niet wordt geschakeld) een positieve piek optreedt, waardoor V_IN een instelbaar percentage hoger wordt dan V_OUT, dan wordt het schakelen hervat om het optreden van hoge inductorstroomsterktes te voorkomen. De uitgangsspanning wordt net als bij een softstart naar de ingangsspanning gebracht en de schakelaars A en D gaan weer voortdurend aan nadat V_OUT in de buurt van V_IN is gestabiliseerd. Afbeelding 4 toont het schakelcircuit.

Afbeelding 4: De schakelaars van de LT8210 spanningsregelaar. Tijdens Pass-Thru staan de schakelaars A en D voortdurend aan en de schakelaars B en C uit. (Afbeelding: Analog Devices)

Maxim Integrated levert de MAX15021ATI+T schakelende buck-spanningsregelaar met lage EMI. Hij werkt met een ingangsspanning van 2,5 tot 5,5 volt en heeft twee uitgangen, die elk vanaf 0,6 volt tot de waarde van de ingangsspanning kunnen worden ingesteld. De basisfrequentie van de spanningsregelaar kan met één weerstand in het bereik van 500 kHz tot 4 MHz worden afgesteld.

De MAX15021 kan in de spanningsmodus de rimpelspanning beperken en heeft de mogelijkheid de spanningsregelaars met een faseverschil van 180 ° te laten werken (Afbeelding 5). Samen met de optie om met frequenties tot 4 MHz te schakelen wordt hierdoor de RMS-waarde van de ingangsrimpelspanning aanzienlijk verlaagd. De hieruit voortvloeiende verlaging van de pieken in de ingangsrimpelstroom (en verhoging van de rimpelfrequentie) zorgt ervoor dat er minder bypass-capaciteit aan de ingang nodig is en dat er daarom dus met kleinere condensatoren worden volstaan.

Afbeelding 5: De dubbele spanningsregelaars in de MAX15021 werkt met een faseverschil van 180 ° om de EMI te beperken. (Afbeelding: Maxim Integrated)

Conclusie

Modulaire schakelende spanningsregelaars vormen een goede optie voor spanningsregeling als de efficiëntie van het grootste belang is. Maar de nadelen ten opzichte van alternatieve oplossingen als LDO's zijn een rimpelspanning en -stroom, plus door de schakelende elementen in de spanningsregelaar veroorzaakte spanningspieken. Zonder filtering kan deze ruis tot EMI leiden die gevoelige chips dichtbij de spanningsregelaar kunnen verstoren.

Bekende ontwerptechnieken als het gebruik van ingangs- en uitgangsfilters kunnen de EMI afzwakken, maar dan zijn er grote condensatoren nodig om de grote pieken en rimpelingen op te vangen. Ze kunnen bovendien veel vermogen dissiperen, waardoor componenten oververhit kunnen raken.

Ingenieurs hebben tegenwoordig de beschikking over een nieuwe generatie modulaire schakelende spanningsregelaars met ingebouwde mechanismes om de rimpelspanning en -stroom alsmede de spanningspieken te verkleinen om de EMI terug te dringen, zelfs zonder gebruik van filters. Ingenieurs kunnen deze spanningsregelaars in hun ontwerpen gebruiken en zo kleinere condensatoren aan de ingang en uitgang toepassen en de afmetingen en kosten van de filters te beperken.