Strømforsyninger med lav EMI på overfylte kretskort – er det mulig?

Begrensede og krympende kortarealer, korte designsykluser og strenge spesifikasjoner for elektromagnetisk interferens (EMI), som CISPR 32 og CISPR 25, er begrensninger som gjør det vanskelig å produsere strømforsyninger med høy effektivitet og god termisk ytelse. Tingene kompliseres ytterligere av designsykluser som ofte presser strømforsyningsdesign til slutten av designprosessen – en oppskrift på frustrasjon, ettersom designere prøver å presse sammen komplekse strømforsyninger på tilgjengelig og lite optimale areal. Nødvendige kompromiss går ofte på bekostning av ytelse for å fullføre et design i tide, og det hele blir sendt videre til test og validering. 

Enkelhet, ytelse og løsningsvolum er tradisjonelt utsatt for prioriteringer: Prioriter én eller to ønskede funksjoner og lev med å ikke ha den tredje – spesielt når designtidsfrister nærmer seg. Slike offer aksepteres som normale; de burde ikke være det.

Denne artikkelen begynner med en oversikt over et betydelig problem som strømforsyninger lider under i komplekse elektroniske systemer: EMI, ofte kalt støy. Strømforsyninger produserer EMI, og det må tas tak i. Men hva er kildene og hva er typiske tiltak for å begrense skadene? Vi skal her se på strategier for EMI-reduksjon, , og presentere en løsning som reduserer EMI, opprettholder effektiviteten og tilpasser strømforsyninger til begrensede kortareal.

Hva er EMI?

Elektromagnetisk interferens er et elektromagnetisk signal som forstyrrer ytelsen til systemet. Denne forstyrrelsen påvirker kretsløp ved elektromagnetisk induksjon, elektrostatisk kobling eller ledning. Det er en kritisk designutfordring for produsenter av for eksempel biler, medisinsk- og test- og måleutstyr. Mange av begrensningene nevnt ovenfor og de økende kravene til ytelse i strømforsyninger – økende strømtetthet, høyere svitsjefrekvenser og høyere strøm – vil bare til å øke effekten av EMI, og krever løsninger for å redusere denne. I mange bransjer må EMI-standarder oppfylles, noe som påvirker tiden til markedet betydelig hvis det ikke vurderes tidlig i designsyklusen.

Typer EMI-koblinger

EMI er et problem i elektronikksystemer når kilden til interferensen kobles til en mottaker - nemlig en komponent i et elektronisk system. EMI er klassifisert etter koblingsmediet: ledet eller utstrålt.

Ledet EMI (lav frekvens, 450 kHz til 30 MHz) Ledet EMI kobles til komponenter via parasittiske impedanser og strøm- og jordforbindelser. Støyen overføres til en annen enhet eller krets. Ledet EMI kan videre klassifiseres som enten vanlig modus eller differensial modus støy.

Vanlig modus-støy ledes via parasittisk kapasitans og høy dV/dt (C × dV/dt). Den følger et spor fra et hvilket som helst signal (positivt eller negativt) til jord via parasittisk kapasitans, som vist i figur 1.

Differensial-modus støy ledes via parasittisk induktans (magnetisk kobling) og en høy di/dt (L × di/dt).

Utstrålt EMI (høyfrekvent, 30 MHz til 1 GHz)

Utstrålt EMI er støy som overføres trådløst via magnetisk energi i enheten som testes. I en svitsjet strømforsyning er støyen et resultat av høy di/dt kombinert med parasittisk induktans. Denne utstrålte støyen kan påvirke enheter i nærheten.

EMI kontrollteknikker

Hva er den typiske tilnærmingen til å løse EMI-relaterte problemer i en strømforsyning? Først må du fastslå at EMI er et problem. Det virker opplagt, men å tilegne seg denne kunnskapen kan være tidkrevende siden det krever tilgang til et EMI-kammer (ikke lett tilgjengelig) for å kvantifisere hvor mye elektromagnetisk energi som produseres av en strømforsyning og om den faller tilstrekkelig innenfor standardene som stilles av systemet.

Forutsatt at en strømforsyning etter test utgjør et EMI-problem, står man overfor prosessen med å redusere det via en rekke tradisjonelle korreksjonsstrategier, inkludert:

• Høy effektivitet i et minimalt kortareale.
• God termisk ytelse.
• Optimalisering av kortutlegg: Nøye planlagt utlegg av strømforsyningen er like viktig som å velge de riktige komponentene. Envellykket layout avhenger i stor grad av erfaringsnivået til designeren. Layoutoptimalisering er iboende iterativ og en erfaren strømforsyningsdesigner kan hjelpe til med å redusere antall iterasjoner, unngå tidsforsinkelser og ekstra designkostnader. Et problem er imidlertid at få firma har denne erfaringen tilgjengelig internt.
• Snubbere: Noen designere planlegger på forhånd og gir fotavtrykk for enkle snubberkretser (enkelt RC-filter fra svitsjnoden til GND). Dette kan dempe ringing i svitsjnoden– en EMI-bidragsyter – men denne teknikken resulterer i økte tap, noe som påvirker effektiviteten negativt.
• Reduserte kanthastigheter: Redusering av ringing i svitsjnoden kan også oppnås ved å redusere stigehastigheten til portens påslag. Dessverre, som en snubber, påvirker dette det generelle systemets effektivitet negativt.
• Spredt spektrum frekvensmodulasjon (SSFM): Denne funksjonen, implementert som et alternativ i mange Analog Devices Power by Linear™-svitsjregulatorer, hjelper design med å takle strenge EMI-teststandarder. I SSFM moduleres klokken som brukes til å drive svitsjefrekvensen over et kjent område (for eksempel ±10 % variasjon rundt den programmerte fSW). Dette bidrar til å fordele toppstøyenergien over et bredere frekvensområde.
• Filtre og skjerming: Filtre og skjerming er alltid kostbare, både i penger og plass. De kompliserer også produksjonen.
• Alle de ovennevnte mulighetene kan redusere støy, men de har også ulemper. Minimering av støy ved strømforsyningsdesign er ofte den reneste veien, men vanskelig å oppnå. ADI Silent Switcher®- og Silent Switcher 2-regulatorer oppnår lav støy ved regulatoren, og unngår behovet for ytterligere filtrering, skjerming eller betydelige layoutgjentakelser. Å unngå kostbare mottiltak gir raskere tid til markedet og kan spare betydelige kostnader.
• Minimering av strømsløyfer

For å redusere EMI må man definere «hot loop» sløyfen (høy di/dt sløyfe) i strømforsyningskretsen og redusere dens påvirkning. «Hot loop» sløyfen er vist i figur 2. I en syklus av en standard buck-omformer, strømmer vekselstrøm gjennom den blå sløyfen med M1 lukket og M2 åpen. Under av-syklusen med M1 åpen og M2 lukket, følger strømmen den grønne sløyfen. Det er ikke helt intuitivt at sløyfen som produserer den høyeste EMI verken er den blå eller grønne sløyfen – bare den lilla sløyfen leder en fullstendig svitsjet AC, svitsjet fra null til IPEAK og tilbake til null. Denne sløyfen kalles «hot loop» fordi den har den høyeste AC- og EMI-energien.

Det er den høye di/dt og parasittiske induktansen i «hot loop» svitsjeren som forårsaker elektromagnetisk støy og ringing. For å redusere EMI og forbedre funksjonaliteten, må man redusere den utstrålte effekten av den lilla sløyfen så mye som mulig. Utstrålt emisjon fra «hot loop» sløyfen stiger med området, så om man kunne redusert denne sløyfen til null og bruke en ideell kondensator med null impedans ville problemet vært løst.

Oppnå lav støy med Silent Switcher-regulatorer

Magnetisk kansellering

Det er umulig å redusere «hot loop» sløyfens areal til null, men vi kan dele opp varmesløyfen i to sløyfer med motsatt polaritet. Dette inneholder magnetfeltet lokalt, hvor feltene effektivt gjensidig kansellerer hverandre uansett avstand fra kretsen. Dette er konseptet bak Silent Switcher-regulatorer.

Flip Chip erstatter wirebond

En annen måte å forbedre EMI på er å forkorte lederne i «hot loop» sløyfen. Dette kan gjøres ved å fjerne den tradisjonelle wirebond-metoden for å koble selve kretsen til pinnene i pakken. I pakken er silisiumet snudd og søyler av kobber tilsatt. Dette minimerer «hot loop» arealet ytterligere ved å forkorte avstanden fra den interne FET transistoren til pinnene på pakken og inngangskondensatorene. 

Silent Switcher vs. Silent Switcher 2

Figur 6 viser en typisk applikasjon som bruker en Silent Switcher-regulator, gjenkjennelig med de symmetriske inngangskondensatorene ved de to inngangsspenningspinnene. Layout er viktig i dette tilfellet, ettersom Silent Switcher-teknologien krever at disse inngangskondensatorene er lagt ut så symmetrisk som mulig for å gi en gjensidigfeltkansellerende fordel. Hvis ikke, blir fordelene med Silent Switcher-teknologien borte. Problemet er selvfølgelig hvordan man sikrer riktig layout i design og hele veien gjennom produksjonen? Svaret er Silent Switcher 2-regulatorer.

Silent Switcher 2

Silent Switcher 2-regulatorer tar EMI-reduksjon ett skritt videre. EMI-ens ytelsesfølsomheten for kort-layout elimineres ved å bygge inn kondensatorene i LQFN-pakken – VIN-kondensator, INTVCC og forsterknings-kondensatorer – som muliggjør plassering så nært pinnene som mulig. Alle «hot loop» sløyfene og jordplanene er interne, noe som resulterer i minimert EMI og et generelt mindre fotavtrykk i løsningen.

Silent Switcher 2-teknologi resulterer også i forbedret termisk ytelse. De store, eksponerte putene på LQFN flip-chip-pakken letter overføring av varme fra pakken til kretskortet. Høyere konverteringseffektivitet skyldes også eliminering av interne wire som normalt vil ha høy motstand.. Når den er testet for EMI-ytelse, passerer LT8640S CISPR 25 klasse 5 toppgrenser med god margin.

µModule Silent Switcher-regulator

Ved å bruke kunnskapen og erfaringen vi har oppnådd under utviklingen av Silent Switcher-porteføljen og koblet den med en allerede omfattende µModule®-portefølje, kan vi levere et kraftprodukt som er enkelt å designe med samtidig som det oppfyller noen av de viktigste egenskapene til en strømforsyning – termisk, pålitelighet , nøyaktighet, effektivitet og god EMI-ytelse.

Figur 9 viser LTM8053 med de to inngangskondensatorene, som tillater magnetfelt kansellering, samt en rekke andre passive komponenter som kreves for at denne strømforsyningen skal fungere. Alt dette oppnås i en 6,25 mm × 9 mm × 3,32 mm BGA-pakke, som lar kundene fokusere innsatsen på andre områder av kortdesignet.

Fjernet eller redusert behov for LDO-regulator—En eksempelstudie

En typisk høyhastighets ADC krever en rekke forsyningsspenninger, og noen av disse spenningene må ha veldig lav støy for å oppnå maksimal ytelse for ADC-en. Den generelt aksepterte løsningen for å oppnå en balanse mellom høy effektivitet, lite kortareal og lavt støynivå er å kombinere svitsjestrømforsyninger med LDO-postregulatorer som vist i figur 10. Svitsjeregulatorer er i stand til å oppnå relativt høye nedtrappingsforhold med høy effektivitet, men er relativt støyende. En støysvak LDO-postregulator er relativt ineffektiv, men den kan redusere mye av den ledede støyen som produseres av svitsjeregulatoren. Effektiviteten blir hjulpet ved å minimere nedtrappingsforholdet til LDO-postregulatoren. Denne kombinasjonen produserer rene forsyninger, noe som resulterer i at ADC-en fungerer med topp ytelsesnivåer. Problemet er en kompleks layout med mange regulatorer, og at LDO-regulatorer kan ha termiske problemer ved høyere belastninger.

I designet vist i figur 10 er flere avveininger tydelige. I dette tilfellet er lav støy en prioritet, så effektivitet og kortareal må lide. - Eller kanskje ikke. Den siste generasjonen av Silent Switcher µModule-enheter kombinerer svitsjeregulatordesign med lav støykapasitet med µModule-pakking – og oppnår en hittil uoppnåelig kombinasjon av enkelt design, høy effektivitet, kompakt størrelse og lavt støynivå. Disse regulatorene minimerer kortarealet, men muliggjør også skalerbarhet – flere spenningsnivåer kan drives fra én µModule-regulator, noe som gir ytterligere areal- og tidsbesparelser. Figur 11 viser et alternativt strømtre som bruker LTM8065 Silent Switcher µModule-regulatoren for å drive ADC-en.

Disse designene er testet mot hverandre. ADC-ytelse ved bruk av strømforsyningsdesignene i figur 10 og figur 11 er blitt testet og sammenlignet i en nylig artikkel publisert av ADI.1 Tre konfigurasjoner ble testet:

• En standardkonfigurasjon som bruker en svitsjeregulator og en LDO-regulator for å drive ADC.
• Bruke LTM8065 til å drive ADC direkte uten ytterligere filtrering.
• Bruk av LTM8065 med tillegg av et utgangs LC-filter for å rense utgangen ytterligere.
• Målte SFDR- og SNRFS-resultater viste at LTM8065 kunne brukes til å drive ADC direkte uten å kompromittere ytelsen til ADC.

Kjernefordelen med denne implementeringen er en betydelig reduksjon i antall komponenter som resulterer i høyere effektivitet, langt enklere produksjon og redusert kortareal.

Sammendrag

Som konklusjon, ettersom vi ser et skifte mot design på mer systemnivå med stadig strengere spesifikasjoner, er det viktig å bruke modulære strømforsyningsdesign der det er mulig. Dette kanskje, spesielt der det er lite ekspertise på strømforsyningsdesign. Mange markedssegmenter krever at system designet passerer de nyeste EMI-spesifikasjonene. Her vil bruken av Silent Switcher-teknologi integrert i den lille formfaktoren, og brukervennligheten til en µModule-regulator drastisk redusere tiden til markedet samtidig som kortareal reduseres.

Fordeler med Silent Switcher µModule-regulatorer

• Sparer designtid for kort-utlegg (ingen behov for å redesigne kortet for å rette opp støyproblemer).
• Ikke behov for ekstra EMI-filtre (sparer kostnader på komponenter og kortområde).
• Reduserer behovet for en intern strømforsynings ekspert for å feil søke strømforsyningsstøyen.
• Høy effektivitet ved bredt driftsfrekvensområde.
• Kan fjerne behovet for en LDO-postregulator ved strømforsyning av støyfølsomme enheter.
• Kortere design syklus.
• Høy effektivitet i et minimalt kortareale.
• God termisk ytelse.