Když menší znamená lepší

autor článku: Frederik Dostal, Analog Devices

Otázka: Jak se měničový mikro-modul vejde do tak malého prostoru?

Jak se měničový mikro-modul vejde do tak malého prostoru?

 

Odpověď:

Mnoho potřebných součástek je již integrováno.

Napájecí moduly jsou na trhu již mnoho let. Napájecí modul je zapouzdřený, většinou spínaný, zdroj, který lze jednoduše zapájet do DPS a který plní funkci převodu vstupního napětí na stabilizované napětí výstupní. Ve srovnání s IO spínacího regulátoru, kde jsou na čipu obvykle integrovány pouze kontrolér a výkonové spínače, napájecí modul má integrovánu i řadu pasivních součástek. Výraz „napájecí modul“ se obvykle používá v případě, kdy je na čipu integrována indukčnost. Obr. 2 ukazuje nezbytné součástky snižujícího spínacího regulátoru (topologie BUCK). Čárkovanou čarou jsou vyznačeny IO spínacího regulátoru a napájecího modulu. Výrobce napájecího modulu zajišťuje veškerou práci spojenou s vývojem obvodů pro převod napětí, takže uživatel nemusí být odborníkem v oblasti spínaných zdrojů. Tohle ale není jediná výhoda. Díky vysokému stupni integrace modulu mohou být rozměry celého spínaného zdroje obzvláště malé.

„Tišší“ a menší obvody pro DC/DC převod

Spínací regulátory přirozeně vyzařují elektromagnetické rušení, jelikož k jejich činnosti je třeba změn s vysokou hodnotou di/dt při relativně vysokém kmitočtu. Elektromagnetická kompatibilita je často povinnou a kritickou konstrukční úlohou v oblasti zpracování signálu v zařízeních pro lékařství, vf transceiverech a ve zkušebních a měřicích zařízeních. Například, pokud systém nevyhoví na elektromagnetickou kompatibilitu, nebo když spínací regulátor ovlivňuje rychlé digitální nebo vysokofrekvenční signály, oživování zařízení a jejich přepracování nejenom prodlužují vývojovou etapu, ale dochází rovněž k nárůstu nákladů v důsledku nutnosti dalších zkoušek. Navíc, nebezpečí šumu je výraznější na DPS s vyšší hustotou, kde jsou spínací regulátory umístěny v těsné blízkosti součástek a spojů citlivých na šum.

Namísto využití těžkopádných metod snižování rušení, jakými jsou snižování pracovního kmitočtu, přidávání filtračních obvodů na DPS, nebo montáž stínění, lepším způsobem je potlačení rušení u jeho zdroje: přímo na křemíku v obvodech DC/DC převodu. Pro dosažení kompaktnějšího řešení DC/DC převodníku je možné umístit všechny součástky, včetně tranzistorů MOSFET, indukčností, IO DC/DC převodu a podpůrných součástek do před-formovaného pouzdra připomínajícího IO pro povrchovou montáž.

  RAQ 167 2

Obr. 1  LTM8074 využívá architektury Silent Switcher® pro úplné řešení v miniaturním pouzdru s nízkým šumem.

Kromě tiššího DC/DC převodu, splňujícího většinu parametrů elektromagnetické kompatibility, definovaných např. normou EN55022 Class B, a malých rozměrů, je důležité snížit na minimum počet dalších součástek na DSP, jako jsou výstupní kondenzátory. U DC/DC regulátorů s rychlou odezvou na přechodové děje je závislost na výstupní kapacitě snížena. Co to prakticky znamená je to, že konstrukce je zjednodušena pomocí kompenzace optimalizovanou zpětnovazební smyčkou, která zajišťuje dostatečnou rezervu stability v širokém spektru provozních podmínek a také v širokém rozsahu výběru výstupních kondenzátorů.

 

.

Snižující spínací regulátor (BUCK) integrovaný s indukčností v napájecí modul

Obr. 2  Snižující spínací regulátor (BUCK) integrovaný s indukčností v napájecí modul

 

LTM8074  

Obr. 3  S minimální kapacitou výstupních kondenzátorů (2 µF x 4.7 µF keramika) poskytuje LTM8074 rychlou odezvu na přechodové děje (12Vin 3.3Vout).

 LTM8074 je mikro-modul sestupného regulátoru 1,2 A, 40 Vin, který je uložen v miniaturním pouzdru BGA 4 mm x 4 mm x 1,82 mm. Zaujímá celkem 60 mm2, přičemž vyžaduje pouze dva kondenzátory 0805 a dva odpory 0603. Nízký profil, spolu s nízkou hmotností umožňují montáž na spodní straně DSP v situacích, kdy je deska velmi hustě osazena. Použitá architektura Silent Switcher snižuje vyzařování na minimum a umožňuje LTM8074 splnit CISPR22 Class B a snížit tak možný vliv na další obvody citlivé na rušení.

Obvykle není možné integrovat všechny vnější součástky. Důvod je prostý. Pokud například určité parametry, jako pracovní kmitočet nebo délka trvání měkkého startu mají být nastavitelné, je třeba obvodu sdělit, co má dělat. To může být zajištěno digitálně, ale znamenalo by to použití mikrokontroléru a paměti nezávislé na napájení a tomu odpovídající náklady. Běžný způsob jak toto obejít je použití vnějších součástek k zajištění nastavitelnosti těchto parametrů.

RAQ 167 5

Obr. 4  LTM8074 s Vin až 40 V a výstupním proudem 1,2 A na ploše pouze 4 mm x 4 mm

Vstupní a výstupní kondenzátory jsou často integrovány do napájecího modulu, ale někdy je třeba je připojit z vnějšku. Obr. 4 ukazuje obvod s novým IO LTM8074 od Analog Devices. Použitím jediného vnějšího odporu pro nastavení požadovaného výstupního napětí je omezena typová různorodost a aplikaci se tím dostává určité míry univerzálnosti. Pokud není vyžadován měkký start, není nutno připojit kondenzátor k příslušnému vývodu. Všechny tyto vlastnosti umožňují realizovat převod napětí na obzvláště malé ploše. Při rozměru pouze 4 mm x 4 mm LTM8074 a minimálním množství vnějších spojů může hotový zdroj pracovat na ploše přibližně jen 8 mm x 8 mm, s výstupním napětím až 40 V a přípustným proudem až 1,2 A. Obr. 5 ukazuje příklad návrhu rozmístění s minimálním počtem nutných vnějších součástek.

RAQ 167 5

Obr. 5  Příklad rozmístění součástek na ploše přibližně 8 mm x 8 mm

Pro napájecí zdroje malého výkonu je velmi důležité nabízet obzvláště vysokou účinnost převodu, jinak mohou potenciálně vznikat potíže s odvodem ztrátového tepla.

Nový LTM8074 s velmi kompaktními rozměry se k takovému účelu hodí ideálně. Díky použité technologii Silent Switcher je možné tento obvod použít i v obvodech, které jsou velmi citlivé na šum a jejichž napájení je obvykle zajištěno lineárními regulátory.

Vysoce integrované napájecí moduly jsou vhodné nejenom pro zjednodušení konstrukce spínaných zdrojů, ale jsou užitečné také v případech, kdy je třeba účinného převodu napětí v extrémně malém prostoru.
Klíčové vlastnosti mikro-modulů ADI jsou tyto:

  • nižší šum (nízkošumové obvody a obvody Silent Switcher)
  • velmi tenká pouzdra
  • účinné chlazení ze šesti stran
  • přesná stabilizace z hlediska kolísání napájení, zátěže a teploty
  • zkoušky spolehlivosti za extrémních podmínek
  • minimum zemních smyček
  • vícenásobné vyvedení výstupu na substrátu
  • zkoušky za extrémních teplot