В таких приложениях, как беспроводные соединения, в которых используются аналоговые схемы с низким уровнем сигнала, и цифровые конструкции, использующие низкое напряжение на шине питания, качество шины постоянного тока является ключом к поддержанию производительности системы. Помимо эффективности преобразования, точности выходного сигнала, стабильности, а также регулирования линии и нагрузки, качество шин постоянного тока также зависит от таких факторов, как их собственный шум и переходная реакция на динамические изменения нагрузки.
Однако серия надежных бесшумных переключателей Analog Devices претерпела несколько поколений разработок и стала зрелой технологией, которая при правильном применении может обеспечить требуемый малошумящий выход постоянного тока и сверхбыструю реакцию на переходные процессы.
В этой статье основное внимание будет уделено этим простым в использовании высокопроизводительным импульсным стабилизаторам постоянного тока, их преимуществам и проблемам, которые они могут решить. В этой статье в качестве примера будет использовано приложение Analog Devices, чтобы проиллюстрировать, как максимизировать производительность этих импульсных стабилизаторов.
Серия бесшумных переключателей
Импульсные стабилизаторы постоянного тока серии Silent Switcher от Analog Devices теперь достигли третьего поколения. Продукт первого поколения Silent Switcher 1 в основном используется для снижения высокочастотного шума, связанного с импульсными регуляторами. Это поколение продуктов имеет три основных преимущества: низкий уровень электромагнитных помех (ЭМП), высокая эффективность и высокая частота переключения (подходит для небольших устройств).
Впоследствии компания Analog Devices выпустила Silent Switcher 2. Этот продукт сохраняет функциональность своего предшественника и добавляет встроенные прецизионные конденсаторы, придавая ему более компактный внешний вид и устраняя чувствительность к компоновке печатной платы (PCB).
Продукт третьего поколения Silent Switcher 3 унаследовал уникальные особенности двух предыдущих поколений. Этот продукт также обладает такими преимуществами, как быстрый переходный процесс и сверхнизкий уровень шума в низкочастотном диапазоне (рис. 1).
Стабилизатор постоянного тока Silent Switcher от Analog Devices (нажмите, чтобы увеличить).
Рис. 1. Каждое поколение регуляторов постоянного тока Silent Switcher сохраняет характеристики и функции предыдущего поколения и добавляет новые характеристики и функции. (Источник изображения: Analog Devices)
Простое решение проблемы шума переключателя
Чтобы добиться низкошумных характеристик продуктов предыдущих двух поколений, конструкторы изучили различные источники шума и изучили инновационные методы обхода, минимизации или даже устранения источников шума. Это требует многогранного подхода. Например, основным источником шума в импульсных источниках питания является коммутационное действие тока, а не протекание установившегося тока. В традиционных топологиях импульсных регуляторов существует путь тока, называемый тепловой петлей. Тепловой контур является основным источником высокочастотного шума, излучаемого в воздух и вызывающего электромагнитные помехи. Регулятор постоянного тока Silent Switcher первого поколения инновационно разделил тепловую цепь на две симметричные токовые цепи. Это создает два магнитных поля противоположной полярности, которые в значительной степени нейтрализуют излучаемый шум.
Интегрируя входной конденсатор непосредственно в корпус микросхемы, Silent Switcher 2 максимально сводит к минимуму критические тепловые цепи.
Эта архитектура поддерживает быстрое переключение фронтов, обеспечивая высокую эффективность в условиях высокочастотного переключения, сохраняя при этом хорошие характеристики электромагнитных помех. Внутренний керамический конденсатор на конце входного напряжения постоянного тока (VIN) помогает поддерживать небольшой контур быстрого переменного тока, тем самым дополнительно улучшая производительность. В архитектуре Silent Switcher также используется запатентованная конструкция и технология упаковки для максимизации эффективности на чрезвычайно высоких частотах, что позволяет ей преодолевать пиковые ограничения по электромагнитным помехам CISPR 25, класс 5.
Кроме того, используется также технология активного позиционирования напряжения (AVP), а это означает, что выходное напряжение зависит от тока нагрузки. При небольшой нагрузке значение регулирования выходного напряжения выше номинального значения, а при полной нагрузке — ниже номинального значения. Регулирование нагрузки постоянного тока было скорректировано для улучшения переходных характеристик и минимизации требований к выходному конденсатору.
Silent Switcher 3 и переходный процесс
Переходная характеристика относится к способности регулятора напряжения реагировать на внезапные изменения нагрузки и становится все более важным параметром. Поэтому, помимо минимизации низкочастотного шума (от 10 Гц до 100 кГц), продукты третьего поколения также ориентированы на обеспечение сверхбыстрого переходного процесса.
Сигнальные процессоры и системы на кристалле (SoC) часто испытывают внезапные изменения кривых переходных процессов нагрузки, поэтому повышенное внимание уделяется переходным характеристикам. Этот переходный процесс нагрузки может вызвать помехи в напряжении источника питания, и этот параметр имеет решающее значение для высокопроизводительной радиочастотной конструкции. Например, разное напряжение питания может серьезно повлиять на тактовую частоту системы.
Поэтому радиочастотные SoC обычно применяют время гашения во время переходных процессов нагрузки. В приложениях 5G качество информации тесно связано с периодом гашения в переходные периоды. Таким образом, минимизация влияния переходных процессов нагрузки на источник питания улучшит производительность на уровне системы.
Для достижения этих целей в однокристальном устройстве Silent Switcher 3 используется конструкция усилителя ошибок сверхвысокой производительности, которая может обеспечить дополнительную стабильность даже в случае агрессивной компенсации. Максимальная частота переключения 4 МГц позволяет микросхеме увеличить полосу пропускания контура управления примерно до 100 кГц в режиме управления пиковым током с фиксированной частотой. Кроме того, многочисленные инновационные технологии могут также уменьшить тонкие факторы, препятствующие переходным процессам:
Разделение нагрузки. В типичной конструкции нагрузка 1 В включает в себя цепи передачи и приема, гетеродин (LO) и генератор, управляемый напряжением (ГУН). Во время работы дуплексной связи с частотным разделением каналов (FDD) может произойти внезапное изменение тока нагрузки передающей/приемной нагрузки. Между тем, нагрузки гетеродина и ГУН постоянны, но требуют высокой точности и низкого уровня шума.
Характеристики высокой пропускной способности этих устройств позволяют разработчикам разделять динамические и статические нагрузки через второй дроссель (L2), тем самым питая две критические группы нагрузки напряжением 1 В от микросхемы стабилизатора (рис. 2, вверху). Переходный процесс нагрузки быстрый, отклонение VOUT минимальное и не влияет на статическую нагрузку (рис. 2, внизу).