Работаем без шума: технология Silent Switcher уменьшает уровень помех

3 августа

управление питаниемуниверсальное применениеAnalog Devicesстатьяинтегральные микросхемыисточники питанияDC-DCSilent Switcher

Александр Русу (г. Одесса)

Технология компании Analog Devices для импульсных преобразователей, названная Silent Switcher, позволяет практически на порядок (по напряжению) уменьшить эмиссию электромагнитных волн не за счет дополнительных фильтров или уменьшения КПД, а за счет правильного размещения элементов.

Одним из основных недостатков импульсных преобразователей электрической энергии является повышенный уровень электромагнитных помех, появляющихся из-за высоких скоростей изменения напряжений и токов в силовой части. К сожалению, именно этот недостаток и является причиной главного достоинства импульсных преобразователей – высокого значения КПД, поэтому избавиться от него принципиально невозможно. Любые попытки замедления скорости протекания электрических процессов, как естественные, из-за неидеальности элементной базы, так и искусственные, например, в результате увеличения времени переключений силовых транзисторов, приводят к появлению дополнительных потерь энергии и ощутимо уменьшают эффективность преобразования.

Эти обстоятельства ставят разработчиков электроники перед нелегким выбором. Хорошо, если приложение критично лишь к какому-то одному параметру: КПД или уровню шума. В первом случае, можно использовать импульсные преобразователи, не заботясь о последствиях их применения, во втором – использовать компенсационные стабилизаторы, не думая о расходе энергии. Однако на практике импульсные преобразователи должны иметь и высокий КПД, и низкий уровень электромагнитных помех. Чаще всего подобные требования встречаются у приложений, работающих со слабыми аналоговыми сигналами, в частности, в устройствах с батарейным питанием, в числе которых – медицинская техника, измерительные устройства, радиоприемники, аудиоусилители и многое другое. Однако высокие требования к электромагнитной совместимости могут выдвигаться и к оборудованию, которое само по себе не критично к уровню помех, но работает в окружении других чувствительных устройств. Например, электронная техника, устанавливаемая на транспортных средствах, должна удовлетворять стандарту CISPR 25, а уровень электромагнитного излучения мультимедийных устройств регламентируется требованиями CISPR 32.

Очевидно, что решения, позволяющие уменьшить уровень электромагнитных помех при импульсном преобразовании без ущерба для КПД, могут привести не только к появлению преобразователей совершенно нового качественного уровня, но и к очередному пересмотру существующих стандартов, в результате которого использование традиционных преобразователей уже будет невозможным. Одним из таких решений является технология Silent Switcher, разработанная компанией Analog Devices.

Методы борьбы с электромагнитными помехами при импульсном преобразовании

Причиной появления любых помех является наличие контуров с высоким значением скорости изменения электрического тока di/dt. Если рассматривать схему понижающего преобразователя – одну из самых распространенных импульсных схем – то таким контуром является цепь, обозначенная красной пунктирной линией (рисунок 1). Интересно, что многие, в том числе и опытные, разработчики ошибочно считают такими контурами пути протекания входного (синяя сплошная линия) и выходного (зеленая пунктирная линия) токов. Однако наличие в данных контурах накопительного дросселя не позволяет этим токам резко меняться. А вот скорость изменения тока в контуре, показанном красной линией (его часто называют «горячим» контуром – Hot Loop), ограничена лишь малыми сопротивлениями элементов и соединительных проводников.

Рис. 1. Токовые контуры понижающего импульсного преобразователя

Рис. 1. Токовые контуры понижающего импульсного преобразователя

Электромагнитная помеха может распространяться двумя путями: по проводам и через электромагнитное поле. Помеху, распространяемую по проводам (кондуктивную помеху), проще локализировать и устранить. Обычно это делают с помощью фильтров и дополнительных блокирующих элементов, например, ферритовых бусин или конденсаторов. Классическим примером элементов для снижения уровня кондуктивных помех в импульсных преобразователях являются их входные и выходные конденсаторы. Обладая малым реактивным сопротивлением, они фактически создают для высокочастотного переменного тока путь с наименьшим сопротивлением, не давая ему распространяться за пределы области, на которой расположены элементы преобразователя. Несмотря на то, что для уменьшения уровня кондуктивных помех необходимо использовать дополнительные радиоэлементы, в том числе и мощные, решение этого вопроса обычно не вызывает особых проблем, и разработчики достаточно быстро могут вывести свое устройство на уровень, соответствующий необходимым стандартам.

Совершенно иначе обстоит дело с помехами, распространяющимися через электромагнитное поле (индуктивные помехи). Любой проводник, в том числе и проводники, расположенные внутри радиоэлементов, при протекании электрического тока становится отличной приемопередающей антенной. Из-за этого печатная плата превращается в сложнейшую электродинамическую систему, каждый элемент которой принимает и излучает электромагнитные волны. Поскольку подобные системы очень сложны для оценки, а математический аппарат, используемый при таком анализе, требует наличия не только знаний в области электродинамики, но и определенного математического таланта, то даже профессиональные разработчики с большим практическим опытом работы до момента окончательной сборки устройства не могут гарантировать получение требуемого результата.

Основными способами борьбы с электромагнитными помехами являются правильное взаимное расположение радиоэлементов, оптимальная разводка проводников печатной платы, минимизирующая площадь токовых петель, а также экранирование. Фактически проектирование печатных плат, особенно содержащих одновременно и слаботочные аналоговые схемы, и импульсные преобразователи электрической энергии, превращается в искусство и требует привлечения специалистов высокого уровня.

Однако даже это не позволяет полностью избавиться от генерации высокочастотного шума. Поскольку все радиоэлементы, в том числе и входящие в «горячий» контур, имеют фиксированные физические размеры и расположены в разных точках пространства, то «горячий» контур всегда будет иметь ненулевую площадь и излучать высокочастотный шум. Таким образом, последним аппаратным способом уменьшения уровня электромагнитных помех при сохранении высокого КПД является экранирование. Однако электромагнитные экраны увеличивают стоимость устройства и ухудшают тепловой режим силовых компонентов, а это значит, что разработчикам снова приходится идти на компромисс: или уменьшать скорости протекания электрических процессов, тем самым уменьшая КПД, или мириться с высоким уровнем создаваемого шума.

Еще одной технологией, позволяющей импульсным преобразователям пройти сертификацию по уровню электромагнитной совместимости является использование плавающей рабочей частоты (Spread Spectrum Frequency Modulation, SSFM). Например, в микросхеме LT8640, которую разработчики электроники уже успели достаточно высоко оценить, при активизации соответствующего режима рабочая частота будет три тысячи раз в секунду плавно изменяться в диапазоне от 2 МГц до 2,4 МГц. Это не устраняет полностью электромагнитные помехи, но приводит к «размытию» их спектра – уменьшению спектральной плотности отдельных гармоник. В ряде случаев такое решение позволяет пройти сертификацию, поскольку при подобных измерениях используется достаточно большое время усреднения, однако сама проблема излучения электромагнитных волн при этом остается.

Тем не менее, существует еще один способ борьбы с электромагнитными помехами, разработанный компанией Analog Devices и получивший название Silent Switcher. Он заключается в том, что в силовой цепи вместо одного создается два максимально похожих «горячих» контура, расположенных в пространстве таким образом, чтобы их электромагнитные поля взаимно компенсировали друг друга (рисунок 2). Таким образом, в силовой цепи преобразователя создаются две антенны, каждая из которых излучает электромагнитные волны, но их общее излучение стремится к нулю.

Рис. 2. Принцип работы технологии Silent Switcher

Рис. 2. Принцип работы технологии Silent Switcher

Взаимная компенсация магнитных полей «горячего» контура приводит также и к снижению паразитной индуктивности в этой цепи. В этом случае, можно считать, что в цепи питания включаются две связанные индуктивности, обмотки которых включены встречно-параллельно друг другу. При таком включении суммарная индуктивность стремится к нулю, что приводит к ощутимому уменьшению высокочастотного звона на стоках силовых транзисторов в моменты их выключения (рисунок 2). Таким образом, технология Silent Switcher позволяет не только уменьшить уровень электромагнитных помех, но и упростить защиту силовой части от перенапряжений.

Микросхемы Silent Switcher

Отличительной особенностью понижающих преобразователей, изготовленных по технологии Silent Switcher, является наличие двух пар входов для подачи напряжения питания VIN (VIN1 + GND1 и VIN2 + GND2) (рисунок 3). Эти пары выводов имеют особое расположение на корпусе микросхемы, упрощающее подключение фильтрующих конденсаторов. Взаимное размещение этих конденсаторов относительно корпуса микросхемы является критичным (рисунок 4), однако при правильном расположении происходит значительная компенсация электромагнитных полей, создаваемых токами «горячих» контуров. В конечном итоге, применение технологии Silent Switcher позволяет уменьшить уровень излучения понижающих преобразователей приблизительно на 20 дБ во всем частотном диапазоне (рисунок 5). При этом не следует забывать, что при проведении этого эксперимента рабочая частота преобразователя, использующего технологию  Silent Switcher, (1 МГц) почти в два раза больше, чем у традиционного преобразователя (700 кГц), а уровень электромагнитных помех растет в среднем на 6 дБ при удвоении частоты переключений. 

Рис. 3. Классический понижающий преобразователь на основе ИС LT8610 и преобразователь на основе ИС LT8614, использующей технологию Silent Switcher

Рис. 3. Классический понижающий преобразователь на основе ИС LT8610 и преобразователь на основе ИС LT8614, использующей технологию Silent Switcher

Рис. 4. Расположение выводов микросхемы Silent Switcher и принцип компенсации электромагнитных полей «горячих» контуров

Рис. 4. Расположение выводов микросхемы Silent Switcher и принцип компенсации электромагнитных полей «горячих» контуров

Рис. 5. Результаты измерения уровня электромагнитных помех преобразователей на основе микросхем LT8610 и LT8614

Рис. 5. Результаты измерения уровня электромагнитных помех преобразователей на основе микросхем LT8610 и LT8614

Фактически простой заменой традиционных микросхем на микросхемы, построенные по технологии Silent Switcher, и добавлением всего одного силового конденсатора можно решить проблему высокочастотных шумов, создаваемых преобразователями, причем все это происходит как без уменьшения КПД преобразователя, так и без применения дополнительных экранов. При этом не следует забывать, что разделение «горячих» контуров облегчает электрические режимы транзисторов в силовой части и уменьшает уровни перенапряжений, возникающих в процессе коммутации (рисунок 6).

Рис. 6. Диаграммы напряжений на стоках транзисторов в процессе коммутации

Рис. 6. Диаграммы напряжений на стоках транзисторов в процессе коммутации

Модули Silent Switcher 2

Основной спецификой микросхем, использующих технологию Silent Switcher, является взаимное расположение компонентов. Например, неправильное размещение фильтрующих конденсаторов может не только свести к нулю все преимущества этой топологии, но и, наоборот, ухудшить ситуацию. Практика внедрения микросхем Silent Switcher в продукты клиентов Analog Devices показала, что, несмотря на наличие развернутых рекомендаций по выбору элементов и компоновке печатной платы, достаточно большое количество инженеров продолжает делать типовые ошибки, размещая элементы в силовой части далеко не оптимальным образом.

Откликаясь на это, компания Analog Devices стала выпускать решения с более высоким уровнем интеграции, в которых критически важные элементы преобразователя уже установлены на миниатюрной печатной плате и соединены с микросхемой наиболее оптимальным образом. Подобные модули, получившие название  Silent Switcher 2 (рисунок 7), обычно имеют суффикс «S» в маркировке и выпускаются с уже предустановленными микросхемами и конденсаторами, от номиналов и расположения которых зависит уровень электромагнитных помех (рисунок 8).

Использование подобного подхода имеет ряд преимуществ. Кроме исключения возможных ошибок при расположении элементов преобразователя, использование модулей Silent Switcher 2 позволяет дополнительно сократить размеры печатной платы и упростить ее создание, поскольку часть соединений микросхем Silent Switcher, в том числе и межслоевые переходы, уже выполнена. Кроме того, модули Silent Switcher 2 имеют меньшее количество выводов.

Рис. 7. Модули Silent Switcher 2

Рис. 7. Модули Silent Switcher 2

Рис. 8. Расположение элементов внутри корпуса модулей Silent Switcher 2

Рис. 8. Расположение элементов внутри корпуса модулей Silent Switcher 2

Переход на микромодульный принцип положительно отразился на всех характеристиках Silent Switcher 2, в первую очередь – на уровне электромагнитных помех. Как видно из результатов измерений (рисунок 9), уровень шума модулей позволяет без проблем пройти сертификацию, например, на соответствие классу 5 стандарта CISRP 5. При этом не следует забывать, что для уменьшения уровня шума в этих продуктах используется не только технология Silent Switcher, но и другие, хорошо себя зарекомендовавшие способы, в том числе и технология «размазывания» спектра помехи.

Рис. 9. Результаты измерений уровня электромагнитного излучения модулей LTC8609S

Рис. 9. Результаты измерений уровня электромагнитного излучения модулей LTC8609S

Следует также отметить, что использование технологии Silent Switcher 2 позитивно отражается не только на поведении модуля питания в системе, но и на собственных характеристиках преобразователя. Например, уменьшение уровня собственных шумов позволяет улучшить стабильность и уменьшить уровень пульсаций выходного напряжения (рисунок 10).

Рис. 10. Диаграмма выходного напряжения преобразователя на основе LT8609S

Рис. 10. Диаграмма выходного напряжения преобразователя на основе LT8609S

Дальнейшим развитием технологии Silent Switcher 2 ожидаемо стало появление еще более интегрированных решений. Постоянно растущая потребность в малошумящих преобразователях привела к тому, что компания Analog Devices включила схемы на основе микросхем Silent Switcher в линейку готовых модулей питания μModule. При подобном подходе пользователю предоставляется полностью готовое решение, для применения которого необходимо использовать лишь несколько внешних компонентов, задающих режим работы микросхемы (рисунок 11).

Рис. 11. Микросхемы μModule, использующие технологию Silent Switcher

Рис. 11. Микросхемы μModule, использующие технологию Silent Switcher

Сравнивая различные варианты применения технологии Silent Switcher, (рисунок 12) можно заметить, что полностью интегрированные решения в виде микромодулей μModule обеспечивают наибольшую удельную мощность и, за счет уменьшения общего числа компонентов, минимизируют затраты на производство оборудования. Таким образом, разработчикам доступно несколько вариантов использования технологии Silent Switcher, из которых они могут выбрать решение, наилучшим образом подходящее для реализации конкретного технического задания.

Рис. 12. Сравнение традиционных решений с решениями на основе Silent Switcher

Рис. 12. Сравнение традиционных решений с решениями на основе Silent Switcher

Основные характеристики микросхем Silent Switcher

Основные характеристики микросхем и модулей понижающих преобразователей, использующих технологию Silent Switcher, приведены в таблице 1, а готовых к использованию микромодулей (μModule) – в таблице 2. Как видно из таблиц, компания Analog Devices в очередной раз профессионально подошла к своему ассортименту, предоставив разработчику широкий спектр возможностей по выбору изделий. Например, при необходимости применения нестандартных решений лучше всего использовать микросхемы/модули Silent Switcher и Silent Switcher 2, позволяющие максимально адаптировать схемотехнику и компоновку преобразователя под требования конкретного приложения. В то же время, для решения типовых задач наилучшим образом подходят готовые микромодули μModule, позволяющие значительно сократить время разработки и удешевить последующее производство.

Особо следует отметить наличие многоканальных микросхем и модулей, позволяющих обеспечить нагрузки одновременно несколькими выходными напряжениями (рисунок 13), что в ряде случае позволит как сократить место на печатной плате, так и  решить возможные проблемы из-за взаимного влияния нескольких импульсных преобразователей друг на друга и на другие компоненты системы.

Рис. 13. Двухканальный понижающий преобразователь на основе микромодуля LTC8650S

Рис. 13. Двухканальный понижающий преобразователь на основе микромодуля LTC8650S

Таблица 1. Основные характеристики микросхем и модулей Silent Switcher

Наименование Технология Входное напряжение
VIN, В
Выходной ток
IOUT, А
Минимальное выходное напряжение
VOUT (MIN), В
Рабочая частота, МГц Ток потребления, мкА Корпус
С максимальным входным напряжением 65 В
LT8641 Silent Switcher 3,0…65 3,5 0,8 0,2…3 2,5 QFN18
LT8645S/LT8646S Silent Switcher 2 3,4…65 8 0,8 0,2…3 2,5 LQFN32
LT8645S-2 Silent Switcher 2 3,4…65 8 0,8 0,2…3 2,5 LQFN32
С максимальным входным напряжением 42 В
LT8606 Low EMI 3,0…42 0,35 0,8 0,2…2,2 3,0 DFN, MSOP10
LT8607 Low EMI 3,0…42 0,75 0,8 0,2…2,2 3,0 DFN, MSOP10
LT8608 Low EMI 3,0…42 1,5 0,8 0,2…2,2 2,5 DFN, MSOP10
LT8609S Silent Switcher 2 3,0…42 2/3(пик.) 0,8 0,2…2,2 2,5 LQFN16
LT8609A Low EMI 3,0…42 2/3(пик.) 0,8 0,2…2,2 2,5 DFN, MSOP10
LT8614 Silent Switcher 3,4…42 4 0,97 0,2…2,2 2,5 QFN18
LT8653S Silent Switcher 2 3,0…42 2х2/3(пик.) 0,8 0,2…3 6,0 LQFN20
LT8640/LT8640-1 Silent Switcher 3,4…42 5/7(пик.) 0,97 0,2…3 2,5 QFN18
LT8640S Silent Switcher 2 3,4…42 5/7(пик.) 0,97 0,2…3 2,5 LQFN24
LT8643S Silent Switcher 2 3,4…42 5/7(пик.) 0,97 0,2…3 230 LQFN24
LT8650S Silent Switcher 2 3,0…42 2х4/6(пик.) 0,8 0,2…3 6,2 LQFN32
LT8636 Silent Switcher 3,4…42 5/7(пик) 0,97 0,2…3 2,5 LQFN24
LT8648S Silent Switcher 2 3,0…42 15 0,6 0,2…3 6,0 LQFN36
С максимальным входным напряжением 18 В
LT8642S Silent Switcher 2 2,8…18 10 0,6 0,2…3 240 LQFN24
LTC7151S Silent Switcher 2 3,1…18 15 0,6 0,4…3 2000 LQFN28
LTC7150S Silent Switcher 2 3,1…18 20 0,6 0,4…3 2000 BGA42
LT8652S Silent Switcher 2 3,0…18 2х8 0,6 0,3…3 6,0 LQFN36
С максимальным входным напряжением 5 В
LTC3307A/
LTC3308A/
LTC3309A
Silent Switcher 2,25…5,5 3/4/6 0,5 1…3 45 LQFN12
LTC3310S Silent Switcher 2 2,25…5,5 10 0,5 0,5…5 1300 LQFN18

Таблица 2. Основные характеристики микромодулей (μModule) Silent Switcher

Наименование Входное напряжение
VIN, В
Выходной ток
IOUT, А
Выходное напряжение
VOUT (MIN), В
Рабочая частота, МГц Корпус
LTM8074 3,2…40 1,2/1,75(пик.) 0,8…12 0,2…2,2 BGA
LTM8063 3,2…40 2/2,5(пик.) 0,8…15 0,2…2,2 BGA
LTM8065 3,4…40 2,5/3,5(пик.) 0,97…15 0,2…3 BGA
LTM8053 3,4…40 3,5/6,5(пик.) 0,97…15 0,3…3 BGA

Необходимо также отметить, что компания Analog Devices позволяет своим клиентам быстро оценить возможности своих продуктов с помощью специализированных демонстрационных плат (рисунок 14), предлагаемых для большинства микросхем, в том числе и использующих технологию Silent Switcher. В большинстве случаев оценочные платы являются готовым к использованию модулем, содержащим микросхему преобразователя со всеми необходимыми сопутствующими компонентами. Таким образом, подключив к соответствующим разъемам источник питания и нагрузку и подав необходимые сигналы управления, можно в кратчайшие сроки, не отвлекаясь на решение стандартных задач, определить, сможет ли данная микросхема удовлетворить требования конкретного технического задания или нужно будет искать другое, более подходящее, решение.

Рис. 14. Платы для оценки возможностей микросхем Silent Switcher

Рис. 14. Платы для оценки возможностей микросхем Silent Switcher

Заключение

Обеспечение необходимого уровня электромагнитной совместимости является задачей повышенной сложности, требующей от разработчика четкого понимания всех процессов в устройстве, причем не только на уровне сигналов внутри преобразователя, но и на более высоком системном уровне, в частности – электромагнитных процессов, происходящих в проводниках печатной платы. Ситуация усложняется еще и наличием ряда физических ограничений, преодолеть которые в большинстве случаев либо очень сложно, либо вообще невозможно. Поэтому любое решение, позволяющее решить этот вопрос и не вынуждающее идти на компромиссы, является не просто полезным, а фактически – обязательным для изучения и последующего применения.

В данном случае, технология Silent Switcher позволяет практически на порядок (по напряжению) уменьшить эмиссию электромагнитных волн, причем достигается это не за счет введения дополнительных фильтров или уменьшения КПД, а за счет правильного размещения элементов, которые, в любом случае, являются необходимыми при импульсном преобразовании. Таким образом, технологию Silent Switcher можно смело назвать уникальной, а ее появление, возможно, может стать причиной для пересмотра принципов построения импульсных преобразователей электрической энергии, считавшихся оптимальными не протяжении многих лет.

•••

Наши информационные каналы

О компании Analog Devices

  Компания Analog Devices (AD, ADI) основана в 1965 году в Кембридже, штат Массачусетс, США двумя инженерами – выпускниками Массачусетского Технологического института (MIT) Рэем Стейтой (Ray Stata – первый президент и CEO) и Мэттью Лорбером (Matthew Lorber) с целью разработки и производства интегральных операционных усилителей (ОУ) – новых в тот момент на бурно развивающемся рынке полупроводниковой электроники изделий. Уже через три года продажи компании достигли 5,7 млн. USD. К 1970 AD о ...читать далее

Товары
Наименование
LT8610ABHMSE-3.3#TRPBF (AD)
LT8610AIMSE-5#PBF (AD)
LT8610ACHMSE-1#PBF (AD)
LT8614IUDC#PBF (AD)
LT8614IUDC#PBF (AD-LTC)
LT8614IUDC#TRPBF (AD)
LT8614EUDC#TRPBF (AD)
LT8640EUDCF-1#PBF (AD)
LT8640IUDC#PBF (AD)
LT8640IUDC#PBF (AD-LTC)
LT8640JUDCF#WPBF (AD)
LT8640SEV#PBF (AD)
LT8640SEV#PBF (AD-LTC)
LT8640SIV-2#PBF (AD)
LT8640SEV-2 (AD)
LT8609SEV#TRPBF (AD)
LT8609SIV#PBF (AD)
LT8609SIV#TRPBF (AD)
LTM8053EY-1#PBF (AD)
LTM8053IY#PBF (AD)
LTM8053IY-1#PBF (AD)