Ältere Ansätze an die Spannungswandlung, z. B. Linearregler, können bereits ein geringes Rauschen aufweisen. Anforderungen an Wärmeabführung und Effizienz erfordern jedoch möglicherweise einen moderneren Ansatz. In diesem Artikel von ADI erfahren Sie, wie der LT8614 Silent Switcher™ anspruchsvollen Anwendungen eine garantierte EFI-Unterdrückung und hohe Effizienz bietet.
Wenn die EMI-Minimierung eine Designpriorität ist, kann ein Linearregler eine Lösung mit geringem Rauschen bieten. Anforderungen an Wärmeabführung und Effizienz führen jedoch möglicherweise zum Ausschluss dieser Option und zur Notwendigkeit eines Spannungsreglers. Auch in EMI-sensiblen Anwendungen ist ein Spannungsregler in der Regel die erste aktive Komponente in der Power-Bus-Eingangsleitung. Unabhängig von den nachgeschalteten Wandlern hat er erhebliche Auswirkungen auf die EMI-Leistung des Wandlers insgesamt. Bisher konnte nicht sicher garantiert werden, dass über eine integrierte Schaltung EMI-Emissionen unterdrückt und Effizienzanforderungen erfüllt werden können. Der Regler LT8614 Silent Switcher™ ermöglicht dies jetzt.
Der LT8614 reduziert im Vergleich zu aktuellen Spannungsreglern die EMI-Emissionen um mehr als 20 dB. Er senkt die EMI-Emissionen im Frequenzbereich oberhalb 30 MHz um das 10-Fache, ohne die Mindesteinschalt- und Mindestausschaltzeiten oder die Effizienz in einem Platinenbereich zu beeinträchtigen. All das ist möglich, ohne dass zusätzliche Komponenten oder Abschirmungen nötig sind. Dies stellt einen bedeutenden Durchbruch für das Design von Spannungsreglern dar.
Eine neue Lösung für EMI-Probleme
Die bewährte Lösung für EMI-Probleme besteht in der Verwendung einer Abschirmungsbox für den gesamten Schaltkreis. Dies führt natürlich zu einem erheblichen Mehraufwand in Bezug auf Platinenplatz, Komponenten und Montage. Gleichzeitig werden das Wärmemanagement und Tests komplexer. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verlangsamung der Schaltflanken. Dies hat jedoch unerwünschte Folgen, d. h. die Reduzierung der Effizienz sowie die Verlängerung der Mindesteinschalt- und Mindestausschaltzeiten und der zugehörigen Totzeiten. Darüber hinaus wird die Stromstärken-Regelkreisgeschwindigkeit beeinträchtigt.
Der Regler LT8614 Silent Switcher liefert die gewünschten Ergebnisse einer Abschirmungsbox, ohne eine Abschirmungsbox zu verwenden (siehe Abbildung 1). Der LT8614 weist einen Versorgungsstrom mit einem niedrigen Gesamt-IQ von 2,5 µA für das geregelte Gerät ohne Ladung auf. Dies ist für stets eingeschaltete Systeme wichtig.
Abbildung 1: Der LT8614 Silent Switcher minimiert die EMI/EMC-Emissionen und liefert gleichzeitig eine hohe Effizienz bei Frequenzen von bis zu 3 MHz.
Der ultraniedrige Dropout wird lediglich durch den internen oberen Schalter begrenzt. Anders als bei alternativen Lösungen wird das VIN-VOUT-Limit des LT8614 nicht durch den maximalen Arbeitszyklus und die Mindestausschaltzeiten begrenzt. Das Gerät überspringt die Ausschaltzyklen im Dropout und führt nur die mindestens erforderlichen Aus-Zyklen durch, um die Boost-Stage-Spannung des internen oberen Schalters aufrechtzuerhalten, wie in Abbildung 6 gezeigt.
Gleichzeitig beträgt die Mindest-Betriebseingangsspannung in der Regel lediglich 2,9 V (maximal 3,4 V). So kann ein 3,3-V-Anschluss mit dem Regler im Dropout-Modus mit Spannung versorgt werden. Bei Hochstrom weist der LT8614 eine höhere Effizienz als vergleichbare Komponenten auf, da der Schaltwiderstand insgesamt niedriger ist.
Der LT8614 kann mit einer externen Frequenz zwischen 200 kHz bis 3 MHz synchronisiert werden. Angesichts der niedrigen AC-Schaltverluste kann er mit hohen Schaltfrequenzen bei gleichzeitig minimalen Effizienzverlusten betrieben werden. In EMI-sensiblen Anwendungen, wie sie häufig im Autobau angetroffen werden, kann ein gutes Gleichgewicht erzielt werden. Der LT8614 kann unterhalb des AM-Bands betrieben werden, um die EMI-Emissionen noch weiter zu senken, oder oberhalb des AM-Bands. In einer Anordnung mit einer Betriebsschaltfrequenz von 700 kHz überschreitet die Demo-Standardplatine des LT8614 in einer Messung gemäß CISPR 25, Klasse 5 das Grundrauschen nicht.
Abbildung 2 zeigt Messungen in einer reflexionsfreien Kammer bei 12 V Eingangs- und 3,3 V Ausgabeleistung bei 2 A und einer festen Schaltfrequenz von 700 kHz. Zum Vergleich des LT8614 mit Silent Switcher-Technologie mit anderen aktuellen Spannungsreglern wurde der LT8610 herangezogen (siehe Abbildung 3). Der Test wurde in einer GTEM-Zelle durchgeführt, wobei die Standard-Demoplatinen beider Regler die gleiche Last, die gleiche Eingangsspannung und den gleichen Induktor aufwiesen.
Abbildung 2. Die LT8614-Platine erfüllt die CISPR 25-Strahlungsnorm in einer reflexionsfreien Kammer. Das Grundrauschen entspricht den LT8614-Strahlungsemissionen.
Abbildung 3. Vergleich der Strahlungsemissionen für LT8614 und LT8610.
Es zeigt sich, dass mit der Silent Switcher-Technologie des LT8614 im Vergleich zur bereits sehr guten EMI-Performance des LT8610 eine Verbesserung um bis zu 20 dB erzielt wird, besonders im schwieriger zu kontrollierenden Hochfrequenzbereich.
Hinsichtlich der Zeit weist der LT8614 ein unkritisches Verhalten an den Schaltknotenflanken auf, wie in Abbildung 4 und Abbildung 5 gezeigt. Auch bei 4 ns/div zeigt der Regler LT8614 Silent Switcher nur minimale Schwingungen. Im Gegensatz hierzu dämpft der LT8610 Schwingungen erfolgreich, wie in Abbildung 4 gezeigt. Im Hot-Loop wird jedoch im Vergleich zum LT8614 mehr Energie gespeichert (Abbildung 4).
Abbildung 4. Vergleich der Schaltknotenflanken zwischen dem LT8614 Silent Switcher und dem LT8610.
Abbildung 5 zeigt den Schaltknoten bei einer Eingangsspannung von 13,2 V und das Erreichen einer beinahe idealen Rechteckwelle am Schaltknoten durch den LT8614. Alle Zeitmessungen in den Abbildungen 4, 5 und 6 wurden mit Tektronix P6139A-Sonden mit 500 MHz bei enger Sensorspitzen-Abschirmungsverbindung zur Leiterplatten-Grundplatte durchgeführt. Für beide Regler wurden Standard-Demoplatinen verwendet.
Abbildung 5. Die beinahe ideale rechteckige Schalterwellenform des LT8614 ermöglicht einen geräuscharmen Betrieb.
Der absolute maximale Eingangsnennspannung von 42 V der LT861x-Familie ist für Anwendungen in Autobau und Industrie wichtig. Genauso wichtig ist das Dropout-Verhalten, besonders für Anwendungen im Autobau. Häufig müssen 3,3-V-Logikspannungsversorgungen in Kaltstart-Anwendungen unterstützt werden. Der Regler LT8614 Silent Switcher bewahrt in diesen Fällen das nahezu ideale Verhalten der LT861x-Familie. Statt höhere Unterspannungs-Abschaltspannungen und Klemmen für maximale Arbeitszyklen wie alternative Komponenten zu verwenden, können die LT8610/11/14-Geräte bis hinunter zu 3,4 V betrieben werden und beginnen mit dem Überspringen von Zyklen, sobald dies notwendig ist, wie in Abbildung 6 gezeigt. Dies führt zu einem idealen Dropout-Verhalten, wie in Abbildung 7 gezeigt.
Abbildung 6. Dropout-Verhalten des Schalterknotens für LT8614 und LT8610.
Abbildung 7. Dropout-Performance des LT8614. Wie andere LT861x-Geräte kann dieser Regler ebenfalls bis hinunter zu 3,4 V betrieben werden und beginnt mit dem Überspringen von Zyklen, sobald dies notwendig ist.
Die niedrige Mindesteinschaltzeit des LT8614 von 30 ns ermöglicht hohe Abwärtsregelungsverhältnisse auch bei hohen Schaltfrequenzen. Daher kann er Logikkernspannungen mit einer einzelnen Abwärtsregelung aus Eingängen bis zu 42 V bereitstellen.
Fazit
Bekanntermaßen müssen EMI-Aspekte gleich zu Beginn der Wandlerentwicklung berücksichtigt werden, um nach Fertigstellung des Systems die EMI-Tests zu bestehen. Der Regler LT8614 Silent Switcher ermöglicht dies über eine einfache integrierte Schaltung. Der LT8614 reduziert die EMI-Emissionen im Vergleich zu aktuellen Spannungsreglern um mehr als 20 dB bei gleichzeitiger Verbesserung der Wandlungseffizienz. Es sind keine zusätzlichen Komponenten oder Abschirmungen erforderlich.
Spannungsregler und EMI
Das Leiterplatten-Layout bestimmt über Erfolg oder Fehlschlag jeder Spannungsversorgung. Es legt das funktionale, elektromagnetische (EMI) und thermische Verhalten fest. Auch wenn das Schaltnetzteil-Layout keine Zauberei ist, kann es zu Beginn des Entwicklungsprozesses leicht übersehen werden. Da funktionale und EMI-Anforderungen erfüllt werden müssen, ist alles, was die funktionale Stabilität einer Spannungsversorgung sichert, in der Regel auch bei EMI-Emissionen von Vorteil. Es sollte berücksichtigt werden, dass es nicht mehr kostet, gleich zu Beginn auf ein gutes Layout zu achten. Dies kann im Gegenteil zu Kosteneinsparungen führen, indem die Notwendigkeit für Entstörfilter, mechanische Abschirmungen, EMI-Testzeiten und Änderungen der PC-Platine beseitigt wird.
Es gibt zwei Arten von EMI-Emissionen: leitungsbasierte und strahlungsbasierte. Leitungsbasierte Emissionen gehen von den Drähten und Leiterbahnen aus, die zu einem Produkt führen. Da die Emissionen auf bestimmte Anschlüsse oder Steckverbinder im Design zurückgehen, kann die Einhaltung der Anforderungen an leitungsbasierte Emissionen durch ein gutes Layout und Filterdesign häufig relativ frühzeitig im Entwicklungsprozess sichergestellt werden.
Strahlungsbasierte Emissionen sind jedoch eine ganz andere Kategorie. Alle stromführenden Komponenten auf der Platine strahlen ein elektromagnetisches Feld ab. Jede Leiterbahn auf der Platine ist eine Antenne und jede Kupferfläche ist ein Spiegel. Alle Komponenten außer reinen Sinuswellen oder einer DC-Spannung generieren ein breites Signalspektrum. Auch bei sorgfältiger Entwicklung weiß ein Entwickler erst, wie schlecht die Strahlungsemissionen sind, wenn das System getestet wird. Dazu kommt, dass Tests der Strahlungsemissionen erst durchgeführt werden können, wenn das Design im Wesentlichen abgeschlossen ist.
Häufig werden zur Reduzierung der EMI-Emissionen Filter verwendet, indem die Stärke bei einer bestimmten Frequenz oder für einen Frequenzbereich abgeschwächt wird. Ein Teil der Energie, die durch den Raum übertragen (abgestrahlt) wird, kann durch die Hinzufügung von Blechen als magnetische Abschirmungen abgeschwächt werden. Die untere Frequenz, die von Leiterplattenbahnen abgestrahlt wird (leiterbasierte Emission), kann durch Ferritperlen und andere Filter abgeschwächt werden. EMI-Emissionen können zwar nicht vollständig beseitigt, aber auf ein Maß abgeschwächt werden, das für die übrigen Kommunikations- und Digitalkomponenten akzeptabel ist. Darüber hinaus stellen verschiedene Regulierungsstellen die Compliance mittels Normen sicher.
Moderne Eingangsfilterkomponenten, die auf der Oberfläche montiert werden, zeigen eine bessere Leistung als Durchsteckkomponenten. Diese Verbesserung wird jedoch von der zunehmenden Zahl der Betriebsschaltfrequenzen von Spannungsreglern überholt. Eine höhere Effizienz und niedrige Mindesteinschalt- und Ausschaltzeiten führen zu einem höheren Oberwellengehalt aufgrund schnellerer Schaltwechsel.
Für jede Verdopplung der Schaltfrequenz nehmen die EMI-Emissionen um 6 dB zu. Alle übrigen Parameter wie Schaltkapazität und Übergangszeiten bleiben jedoch konstant. Die Breitband-EMI-Emissionen verhalten sich wie ein Hochpass erster Ordnung mit um 20 dB höheren Emissionen, wenn die Schaltfrequenz um das 10-Fache erhöht wird.
Erfahrende Leiterplattenentwickler erstellen kleine Hot-Loops und verwenden Abschirmungsgrundplatten so nahe an der aktiven Schicht wie möglich. Dennoch legen Geräte-Pinbelegungen, Bauformkonstruktion, Anforderungen in Bezug auf das thermische Design und die Bauformgröße, die für eine angemessene Energiespeicherung in Entkopplungskomponenten erforderlich ist, eine Mindestgröße für Hot-Loops fest. Eine zusätzliche Komplexität entsteht dadurch, dass in typischen planaren Leiterplatten die magnetische oder Transformatorkupplung zwischen Leiterbahnen oberhalb von 30 MHz die Filterleistung reduziert, da die unerwünschte magnetische oder Antennenkopplung umso effektiver wird, je höher die Frequenz ist.
Das Potenzial für Störungen und Rauschen kann verschärft werden, wenn mehrere DC/DC-Schaltmodusregler parallel verwendet werden, um Strom gemeinsam zu nutzen und eine höhere Ausgabeleistung zu erzielen. Wenn alle Regler bei ähnlicher Frequenz ausgeführt (geschaltet) werden, wird die kombinierte Energie, die von mehreren Reglern in einem Schaltkreis generiert wird, bei dieser Frequenz und ihrer Oberwelle konzentriert. Diese Energie kann zum Problem werden, besonders für integrierte Schaltkreise auf der Leiterplatte und anderen Systemplatinen, die in enger Nähe platziert sind und für diese Strahlungsenergie empfänglich sind. Dies kann besonders problematisch in Fahrzeugsystemen sein, die dicht belegt sind und sich häufig in großer Nähe zu Audio-, RF-, CAN-Bus- und verschiedenen Empfangssystemen befinden.