Verwendung des richtigen Schaltreglers für Effizienz, geringes Schienenrauschen und ein schnelles Einschwingverhalten

Die Qualität der Gleichstromschiene ist ein entscheidender Faktor für die Aufrechterhaltung der Systemleistung bei Anwendungen wie drahtlosen Verbindungen, die auf analoge Schaltungen mit niedrigen Signalpegeln angewiesen sind, und bei digitalen Designs mit niedrigen Versorgungsspannungen. Neben dem Umwandlungswirkungsgrad, der Ausgangsgenauigkeit, der Stabilität sowie der Netz- und Lastregelung wird die Qualität der Gleichstromschiene auch durch Faktoren wie das Eigenrauschen und das Einschwingverhalten bei dynamischen Lastwechseln charakterisiert.

Mehrere Generationen an Verbesserungen in der robusten Silent-Switcher-Serie von Analog Devices haben jedoch zu einer Technologie geführt, die bei entsprechender Anwendung den erforderlichen rauscharmen DC-Ausgang und ein ultraschnelles Einschwingverhalten bieten kann.

Dieser Artikel befasst sich mit diesen einfach zu verwendenden, leistungsstarken DC/DC-Schaltreglern, den Problemen, die sie lösen, und den Vorteilen, die sie bieten. Anhand von Anwendungsbeispielen von Analog Devices wird gezeigt, wie man ihre Leistung maximieren kann.

Die Silent-Switcher-Familie

Die Silent-Switcher-Familie der DC/DC-Schaltregler von Analog Devices befindet sich nun in der dritten Generation. Die erste Generation, Silent Switcher 1, konzentrierte sich auf die Verringerung der mit Schaltreglern verbundenen hochfrequenten Geräusche. Sie bot gleichzeitig drei wichtige Vorteile: geringe elektromagnetische Störungen (EMI), hoher Wirkungsgrad und hohe Schaltfrequenz (für kleinere zugehörige Komponenten).

In der Folge führte Analog Devices den Silent Switcher 2 ein, der die Eigenschaften seines Vorgängers beibehielt und zusätzlich integrierte Präzisionskondensatoren, einen kompakteren Formfaktor und die Eliminierung der Empfindlichkeit gegenüber dem Leiterplattenlayout bot.

Die dritte Generation, Silent Switcher 3, baut auf den einzigartigen Fähigkeiten der ersten beiden auf. Zu den weiteren Vorteilen gehören ein schnelles Einschwingverhalten und ein extrem niedriges Rauschen im Niederfrequenzbereich (Abbildung 1).

Abbildung 1: Jede nachfolgende Generation des Silent-Switcher-DC/DC-Reglers hat die Merkmale und Funktionen seiner Vorgänger beibehalten und dann erweitert. (Bildquelle: Analog Devices)

Einfache rauscharme Switcher-Lösungen

Um das geringe Rauschen der ersten beiden Generationen zu erreichen, untersuchten die Entwickler die verschiedenen Rauschquellen und suchten nach innovativen Möglichkeiten, sie zu umgehen, zu minimieren oder sogar auszuschalten. Dies erforderte einen vielschichtigen Ansatz. So ist beispielsweise die primäre Rauschquelle in einem Schaltnetzteil das Schalten von Strömen und nicht der stationäre Stromfluss. In der Topologie eines herkömmlichen Schaltreglers gibt es einen Stromflusspfad, der als heiße Schleife bezeichnet wird. Die heiße Schleife ist die Hauptquelle für Hochfrequenzrauschen, das in die Luft abgestrahlt wird und EMI verursacht. Die erste Generation der Silent-Switcher-DC/DC-Regler teilt die heiße Schleife auf innovative Weise in zwei symmetrisch geformte Stromschleifen auf. Dadurch entstehen zwei Magnetfelder mit entgegengesetzter Polarität, so dass sich das abgestrahlte Rauschen weitgehend auslöscht.

Die 2-Generation der Silent Switcher minimiert kritische heiße Schleifen durch die Integration von Eingangskondensatoren direkt in das IC-Gehäuse.

Die Architektur unterstützt schnelle Schaltflanken für einen hohen Wirkungsgrad bei hohen Schaltfrequenzen und erzielt gleichzeitig ein gutes EMI-Verhalten. Interne Keramikkondensatoren an der DC-Eingangsspannung (V_IN) tragen dazu bei, die schnellen AC-Stromschleifen klein zu halten und damit weiter zu verbessern. Die Silent-Switcher-Architektur verwendet außerdem proprietäre Design- und Gehäusetechniken, die die Effizienz bei sehr hohen Frequenzen maximieren und die Einhaltung der EMI-Grenzwerte nach CISPR 25 Klasse 5 ermöglichen.

Darüber hinaus wird die aktive Spannungspositionierung (AVP) verwendet, eine Technik, bei der die Ausgangsspannung vom Laststrom abhängig ist. Die Ausgangsspannung wird bei geringer Last über den Nennwert und bei Volllast unter diesen Wert geregelt. Die DC-Lastregelung ist so eingestellt, dass das Einschwingverhalten verbessert und der Bedarf an Ausgangskondensatoren minimiert wird.

Silent Switcher 3 und Einschwingverhalten

Das Einschwingverhalten bezieht sich auf die Fähigkeit eines Reglers, auf plötzliche Laständerungen zu reagieren, und hat sich zu einem immer wichtigeren Parameter entwickelt. Daher konzentrierte sich die dritte Generation auf ein ultraschnelles Einschwingverhalten sowie auf die Minimierung des Rauschens bei niedrigen Frequenzen (10 Hz bis 100 kHz).

Die zunehmende Besorgnis über das Einschwingverhalten ist auf Signalverarbeitungseinheiten und Systems-on-Chip (SoCs) zurückzuführen, die oft abrupt wechselnde Lasteinschwingprofile aufweisen. Diese Lasttransiente führt zu einer Störung der Versorgungsspannung, ein Faktor, der für Hochleistungs-HF-Designs entscheidend ist. So hat beispielsweise eine schwankende Versorgungsspannung erhebliche Auswirkungen auf die Taktfrequenz des Systems.

Daher verwenden HF-SoCs in der Regel eine Austastzeit während der Lasttransienten. Bei 5G-Anwendungen hängt die Informationsqualität stark von dieser Austastzeit während des Übergangs ab. Die Minimierung der Auswirkungen von Lasttransienten auf die Stromversorgung verbessert somit die Leistung auf Systemebene.

Um diese Ziele zu erreichen, verfügen die monolithischen Silent Switcher 3 über ein extrem leistungsfähiges Fehlerverstärkerdesign, das auch bei aggressiver Kompensation zusätzliche Stabilisierung bietet. Die maximale Schaltfrequenz von 4 Megahertz (MHz) ermöglicht es dem IC, die Bandbreite des Regelkreises in einer Festfrequenz-Spitzenstromregelung bis in den mittleren HundertkHz-Bereich zu erweitern. Darüber hinaus werden durch mehrere Innovationen Feinheiten, die das Einschwingverhalten beeinträchtigen, abgeschwächt:

Lasttrennung - In einem typischen Design besteht eine 1V-Last aus Sende- und Empfangsschaltungen, lokalen Oszillatoren (LOs) und spannungsgesteuerten Oszillatoren (VCOs). Die Sende-/Empfangslasten erfahren im Frequenzduplexbetrieb (FDD) abrupte Änderungen des Laststroms. Gleichzeitig haben LOs und VCOs eine konstante Last, benötigen aber eine hohe Genauigkeit und ein geringes Rauschen.

Die hohe Bandbreite dieser Bauelemente ermöglicht es Entwicklern, die beiden kritischen 1V-Lastgruppen von einem Regler-IC aus zu versorgen, indem die dynamischen und statischen Lasten mit einer zweiten Induktivität (L2) getrennt werden (Abbildung 2, oben). Das Einschwingverhalten der Last ist schnell, mit minimaler VOUT-Abweichung, und hat keinen Einfluss auf die statische Last (Abbildung 2, unten).

Abbildung 2: Gezeigt wird eine Anwendungsschaltung für den Silent Switcher, der die dynamische und die statische HF-Last mit einer Induktivität (L2) trennt, um die Leistung zu verbessern (oben); das Einschwingverhalten der Last ist schnell mit minimaler V_OUT-Abweichung und hat keinen Einfluss auf die statische Last (unten). (Bildquelle: Analog Devices)

Nachfilterung mit minimierter äquivalenter Induktivität - Im Zeitduplexmodus (TDD) werden die rauschempfindlichen LOs und VCOs mit dem Wechsel des Sende-/Empfangsmodus belastet und entlastet. Auf diese Weise kann eine vereinfachte Schaltung verwendet werden, da alle Lasten als dynamisch betrachtet werden; gleichzeitig ist eine kritischere Nachfilterung erforderlich, um die geringe Restwelligkeit und das Rauschen für die LOs und VCOs zu erhalten.

Ein Dreipolkondensator im Durchführungsmodus kann eine ausreichende Nachfilterung mit minimaler äquivalenter Induktivität erreichen, wodurch eine schnelle Bandbreite für Lasttransienten erhalten bleibt (Abbildung 3, oben). Der Durchführungskondensator bildet zusammen mit den Ausgangskondensatoren der Gegenseite zwei zusätzliche Induktivität-Kondensator(LC)-Filterstufen. Die gesamte Induktivität ist auf die äquivalente Serieninduktivität (ESL) des Dreipolkondensators zurückzuführen, die sehr klein ist und den Lasttransienten weniger schadet. Der Durchführungskondensator verbessert das Einschwingverhalten und minimiert die Welligkeit der Ausgangsspannung (Abbildung 3, unten).

Abbildung 3: Dargestellt ist eine Anwendungsschaltung für kombinierte dynamische/statische HF-Lasten, die einen dreipoligen Durchführungskondensator (obere rechte Ecke) zur Nachfilterung mit minimaler äquivalenter Induktivität verwendet, um eine schnelle Bandbreite für die Lasttransienten aufrechtzuerhalten. Der Durchführungskondensator verbessert das Einschwingverhalten und minimiert gleichzeitig die Welligkeit der Ausgangsspannung (unten). (Bildquelle: Analog Devices)

Vorladung - In einigen Fällen verfügt die signalverarbeitende Einheit über Allzweck-I/Os (GPIOs); außerdem ist die Signalverarbeitung geplant, und das transiente Ereignis ist im Voraus bekannt. Dies kommt typischerweise bei einigen FPGA-Stromversorgungsdesigns vor, bei denen das Vorladesignal erzeugt werden kann, um das Einschwingverhalten der Versorgung zu unterstützen.

Wenn das FPGA in einer typischen Anwendungsschaltung (Abbildung 4, oben) ein Vorladesignal erzeugt, um eine Vorspannung vor der eigentlichen Last zu erzeugen, hat der Baustein durch den Übergang zusätzliche Zeit, um die Laststörung mit minimaler V_OUT-Abweichung und Erholung zu bewältigen (Abbildung 4, unten).

Abbildung 4: Das Bild zeigt ein Vorladesignal, das in den negativen Eingangspin (OUTS) eines Fehlerverstärkers eingespeist wird, um ein schnelles Einschwingverhalten zu erzielen; die Rückkopplung des Reglers wird sowohl durch das Vorladesignal als auch durch die Lasttransiente (unten) beeinflusst. (Bildquelle: Analog Devices)

Aktives Drooping - Bei Strahlformungsanwendungen (Abbildung 5, oben) ändert sich die Versorgungsspannung kontinuierlich, um verschiedene Leistungsstufen zu berücksichtigen. Daher liegt die Genauigkeitsanforderung an die Versorgungsspannung in der Regel bei 5% bis 10%. Bei dieser Anwendung ist die Stabilität wichtiger als die Spannungsgenauigkeit, da die Minimierung der Erholungszeit während der Lasttransiente die Effizienz der Datenverarbeitung maximiert. Eine Drooping-Schaltung ist für diese Anwendung gut geeignet, da die abfallende Spannung die Erholungszeit verkürzt oder sogar eliminiert (Abbildung 5, unten).

Abbildung 5: Die Platzierung eines aktiven Drooping-Widerstands (R8) zwischen OUTS und VC trägt zu einer schnellen Einschwingzeit bei (oben); das Droop-Einschwingverhalten kann so angepasst werden, dass die Einschwingzeit minimiert wird (unten). (Bildquelle: Analog Devices)

Komponenten zur Umsetzung und Validierung der Innovationen

Diese Konzepte zur Rauschunterdrückung und Transientenverbesserung wurden in die Familie der monolithischen Silent-Switcher-3-Komponenten integriert. Sie unterstützen eine breite Palette von Spannungs- und Strommaxima und bieten dem Benutzer Flexibilität und Leistung ohne Kompromisse. Zwei Beispiele verdeutlichen dies: der LT8622SAV#PBF (Abbildung 6, oben) und der LT8627SPJV#TRPBF (Abbildung 6, unten).

Am unteren Ende des Strom- und Leistungsbereichs ist der LT8622SAV#PBF ein 2 Ampere (A) Dauerausgangsschalter für Eingänge von 2,7 V bis 18 V. Er hat einen Ausgangsspannungsbereich von 0 V bis V_IN - 0,5 V, der mit einem einzigen Widerstand programmiert werden kann. Der Wirkungsgrad liegt über den größten Teil des Ausgangsstrombereichs bei mindestens 90% und erreicht 95%.

Abbildung 6: Der 2 A LT8622 in einer typischen Anwendungskonfiguration, zusammen mit seinen Wirkungsgrad- und Verlustleistungskurven (oben) (Hinweis: Der LTC8624 im Schaltplan ist identisch mit dem LT8622 mit den gleichen Kurven, hat aber eine Nennleistung von 4 A); die gleichen Informationen sind auch für den 16-A-LT8627 gezeigt (unten). (Bildquelle: Analog Devices)

Der LT8622SAV#PBF bietet ein für einen Schaltregler außergewöhnliches Ausgangsrauschen bei niedrigen Frequenzen (0,1 Hz bis 100 kHz) mit einem effektivem Rauschen von nur 4 μV_eff. Die Betriebsfrequenz ist einstellbar und kann von 300 kHz bis 6 MHz synchronisiert werden. Der Baustein ist in einem kleinen 20-poligen 4 mm × 3 mm LQFN-Gehäuse untergebracht.

Der leistungsstärkere 16 A LT8627SPJV#TRPBF hat eine Eingangsspannung von 2,8 V bis 18 V, während die Ausgangsspannung über einen Widerstand von 0 bis V_IN - 0,5 V einstellbar ist. Der Wirkungsgrad übersteigt 80% und erreicht 90% im mittleren Bereich bei einer Schaltfrequenz von 1 MHz. Das Ausgangsrauschen bei niedrigen Frequenzen entspricht dem des 2 A LT8622SAV#PBF.

Die Betriebsfrequenz ist ebenfalls einstellbar und kann von 300 kHz bis 4 MHz arbeiten und synchronisiert werden, was niedriger ist als bei seinem stromschwächeren Geschwistermodell. Sein Gehäuse ist ein etwas größeres 24-poliges 4 mm × 4 mm LQFN mit einer freiliegenden Rückseite für einen optionalen Kühlkörper.

Fazit

Entwickler innovativer Produkte, vor allem im Spitzen-HF-Bereich, benötigen eine hohe Effizienz, die jedoch mit einem geringen Rauschen und einem schnellen Einschwingverhalten bei der Versorgungsspannung einhergehen muss. Die DC/DC-Regler der Familie Silent Switcher 3 von Analog Devices sind die nächste Generation hocheffizienter monolithischer Bauelemente, die für rauschempfindliche, dynamische Lasttransienten-Leistung in verschiedenen Anwendungen optimiert sind.