Düşük sinyal seviyeli analog devrelere dayanan kablosuz bağlantılar ve düşük güçlü ray voltajı kullanan dijital tasarımlar gibi uygulamalarda, DC rayının kalitesi sistem performansını korumanın anahtarıdır. Dönüşüm verimliliği, çıkış doğruluğu, kararlılık ve hat ve yük düzenlemesine ek olarak DC raylarının kalitesi aynı zamanda doğal gürültü ve dinamik yük değişikliklerine geçici tepki gibi faktörlere de bağlıdır.
Bununla birlikte, Analog Devices'ın sağlam Sessiz Anahtarlayıcı serisi, birçok nesil boyunca geliştirilme sürecinden geçmiş ve doğru şekilde uygulandığında gerekli düşük gürültülü DC çıkışını ve ultra hızlı geçici tepkiyi sağlayabilen olgun bir teknoloji haline gelmiştir.
Bu makale, kullanımı kolay, yüksek performanslı bu DC/DC anahtarlama regülatörlerinin tanıtılmasına, avantajlarına ve çözebilecekleri sorunlara odaklanacaktır. Bu makale, bu anahtarlama regülatörlerinin performansının nasıl en üst düzeye çıkarılacağını göstermek için Analog Cihazların uygulamasını örnek olarak alacaktır.
Sessiz Switcher Serisi
Analog Devices'ın Silent Switcher serisi DC/DC anahtarlama regülatörleri artık üçüncü nesle dönüştü. Birinci nesil ürün Silent Switcher 1, esas olarak anahtarlama regülatörleriyle ilgili yüksek frekanslı gürültüyü azaltmak için kullanılır. Bu nesil ürünlerin üç önemli avantajı vardır: düşük elektromanyetik girişim (EMI), yüksek verimlilik ve yüksek anahtarlama frekansı (daha küçük ilgili cihazlar için uygundur).
Daha sonra Analog Devices, Silent Switcher 2'yi piyasaya sürdü. Bu ürün önceki modelin işlevselliğini koruyor ve entegre hassas kapasitörler ekleyerek daha kompakt bir görünüm benimsiyor ve baskılı devre kartı (PC kartı) düzenine duyarlılığı ortadan kaldırıyor.
Üçüncü nesil ürün Silent Switcher 3, önceki iki neslin benzersiz özelliklerini devralıyor. Bu ürün aynı zamanda hızlı geçici tepki ve düşük frekans aralığında ultra düşük gürültü avantajlarına da sahiptir (Şekil 1).
Analog Cihazlardan Sessiz Switcher DC/DC regülatörü (büyütmek için tıklayın).
Şekil 1: Sessiz Anahtarlayıcı DC/DC regülatörlerinin her nesli, önceki neslin özelliklerini ve işlevlerini korur ve yeni özellikler ve işlevler ekler. (Resim kaynağı: Analog Cihazlar)
Basit Switcher Gürültü Çözümü
Önceki iki nesil ürünlerin düşük gürültü özelliklerini elde etmek için tasarımcılar çeşitli gürültü kaynakları üzerinde çalıştılar ve gürültü kaynaklarını atlatmak, en aza indirmek ve hatta ortadan kaldırmak için yenilikçi yöntemler araştırdılar. Bu çok yönlü bir yaklaşım gerektirir. Örneğin, anahtarlamalı güç kaynaklarındaki gürültünün ana kaynağı, kararlı durum akımının akışından ziyade akımın anahtarlama eylemidir. Geleneksel anahtarlamalı regülatör topolojilerinde termal döngü adı verilen bir akım yolu vardır. Termal döngü, havaya yayılan ve EMI'ye neden olan yüksek frekanslı gürültünün ana kaynağıdır. Birinci nesil Sessiz Anahtarlayıcı DC/DC regülatörü, termal devreyi yenilikçi bir şekilde iki simetrik akım devresine böldü. Bu, yayılan gürültüyü büyük ölçüde ortadan kaldıran zıt kutuplu iki manyetik alan yaratır.
Giriş kapasitörünü doğrudan IC paketine entegre eden Silent Switcher 2, kritik termal devreleri mümkün olan en büyük ölçüde en aza indirir.
Bu mimari, iyi EMI performansını korurken, yüksek frekanslı anahtarlama koşullarında yüksek verimlilik elde ederek kenarların hızlı geçişini destekler. DC giriş voltajı (VIN) ucundaki dahili seramik kapasitör, küçük bir hızlı AC akım döngüsünün korunmasına yardımcı olarak performansı daha da artırır. Sessiz Anahtarlayıcı mimarisi aynı zamanda son derece yüksek frekanslarda verimliliği en üst düzeye çıkarmak için özel tasarım ve paketleme teknolojisini kullanarak CISPR 25 Sınıf 5'in en yüksek EMI sınırlamalarını aşmasını sağlar.
Ayrıca aktif gerilim konumlandırma (AVP) teknolojisi de kullanılıyor, bu da çıkış geriliminin yük akımına bağlı olduğu anlamına geliyor. Hafif yük altında çıkış voltajı regülasyon değeri nominal değerden yüksek, tam yük altında ise nominal değerden düşüktür. DC yük düzenlemesi, geçici performansı artırmak ve çıkış kapasitör gereksinimlerini en aza indirmek için ayarlandı.
Sessiz Switcher 3 ve Geçici Yanıt
Geçici yanıt, bir voltaj regülatörünün ani yük değişikliklerine yanıt verme yeteneğini ifade eder ve giderek daha önemli bir parametre haline gelmiştir. Bu nedenle, üçüncü nesil ürünler, düşük frekanslı gürültüyü (10 Hz ila 100 kHz) en aza indirmenin yanı sıra, ultra hızlı geçici yanıt sağlamaya da odaklanır.
Sinyal işlemcileri ve Çip Üzerinde Sistem (SoC) sıklıkla yük geçici eğrilerinde ani değişiklikler yaşar, dolayısıyla geçici yanıta giderek daha fazla önem verilir. Bu geçici yük, güç kaynağı voltajında parazite neden olabilir ve bu parametre, yüksek performanslı RF tasarımı için çok önemlidir. Örneğin farklı güç kaynağı voltajları sistem saat frekansını ciddi şekilde etkileyebilir.
Bu nedenle, RF SoC'ler genellikle geçici yük sırasında boşluk süresini uygular. 5G uygulamalarında bilgi kalitesi, geçici dönemlerdeki boşluk süresiyle yakından ilişkilidir. Bu nedenle, geçici yüklerin güç kaynağı üzerindeki etkisinin en aza indirilmesi sistem düzeyinde performansı artıracaktır.
Bu hedeflere ulaşmak için tek çipli Silent Switcher 3 cihazı, agresif telafi durumunda bile ek stabilite sağlayabilen ultra yüksek performanslı hata amplifikatörü tasarımını benimser. 4 megahertz'lik (MHz) maksimum anahtarlama frekansı, IC'nin sabit frekanslı tepe akım kontrol modunda kontrol döngüsü bant genişliğini yaklaşık 100 kHz'e çıkarmasını sağlar. Ayrıca, çok sayıda yenilikçi teknoloji, geçici müdahaleyi engelleyen incelikli faktörleri de azaltabilir:
Yük Ayırma - Tipik bir tasarımda, 1 V'luk bir yük, gönderme ve alma devrelerini, yerel osilatörü (LO) ve voltaj kontrollü osilatörü (VCO) içerir. Frekans bölmeli dubleks (FDD) çalışması sırasında, verici/alıcı yükün yük akımında ani bir değişiklik olabilir. Bu arada LO ve VCO yükleri sabittir ancak yüksek hassasiyet ve düşük gürültü gerektirir.
Bu cihazların yüksek bant genişliği özellikleri, tasarımcıların ikinci bir indüktör (L2) aracılığıyla dinamik ve statik yükleri ayırmasına olanak tanır ve böylece iki kritik 1 V yük grubuna regülatör IC'den güç sağlar (Şekil 2, üst). Yük geçici tepkisi hızlıdır, VOUT sapması minimumdur ve statik yükü etkilemez (Şekil 2, alt).