Miten syöttää virtaa FPGA- ja ASIC-piireille alhaisella kohinalla, korkealla tiheydellä ja pienessä koossa

FPGA- ja ASIC-piirien kaltaiset digitaaliset integroidut piirit, joilla on korkeat virtavaatimukset, ovat yhä useammin sulautettujen järjestelmien keskiössä esimerkiksi autoteollisuuden, lääketieteen, televiestinnän, teollisuuden, pelialan ja kuluttajatason äänentoisto- ja videosovelluksissa. Monet näistä sovelluksista ovat toiminnan kannalta olennaisia, kuten autojen ADAS (Automotive Driver Assistance System) -apujärjestelmät, ja niiden luotettavuus on tärkeää, esimerkkinä datakeskukset.

Virtavaatimusten lisäksi näiden matalajännitteisten laitteiden jännitetasoille on tiukat toleranssimäärittelyt. Tarvittavan tehon toimittaminen korkealla hyötysuhteella, tarkasti, hyvällä transienttikestävyydellä, vakaasti ja alhaisella kohinalla on erittäin tärkeää järjestelmän suorituskyvyn ja luotettavuuden kannalta.

Perinteisillä hakkuriohjaimilla ja tehoalijärjestelmillä on mahdollisia kohinaongelmia sekä lähtöjännitteissä että säteilevien sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) ja radiotaajuushäiriöiden (RFI) muodossa, riittämätön transienttivaste sekä layout-rajoituksia. Kohinan minimoimiseksi joissakin sovelluksissa käytetään pieniä ja vähäkohinaisia LDO-jännitteensäätimiä, joiden hyötysuhde on parempi aiempiin LDO-jännitteensäätimiin verrattuna. Tästä huolimatta nämäkään LDO-säätimet eivät yleensä kykene täyttämään järjestelmän hyötysuhdetta koskevia vaatimuksia, vaan ne aiheuttavat lämpöhäviöongelmia.

Hakkurijännitteensäädin on hyötysuhteen osalta parempi vaihtoehto kuin LDO, mutta näiden komponenttien kohinataso on kellon ja kytkentäfunktion vuoksi luonnostaan korkeampi. Tätä kohinaa on vaimennettava, jotta näistä hakkurikomponenteista voitaisiin saada täysi hyöty.

Onneksi kohinan ja hyötysuhteen tasapainottamiseen on olemassa uusia tapoja. Tässä artikkelissa tutustutaan tehomuunnossuunnittelun viimeaikaisiin innovaatioihin, joiden hyötysuhde on korkea, tilavaatimukset minimaaliset ja joissa hakkurijännitteensäätimen aiheuttama kohina on huomattavasti matalampi. Siinä tarkastellaan, miten innovatiiviset hakkuriregulaattorit voivat täyttää useita tavoitteita, kun jännite on yksinumeroinen ja kuorman sähkövirta alle 10 ampeeria. Artikkelissa esitellään esimerkkeinä myös erittäin pienikokoiset LTC33xx-sarjan Silent Switcher ‑mikropiirit Analog Devices ‑yritykseltä.

Virran/jännitteen tärkeys

Kun transistorit ja integroidut piirit keksittiin ja ne kehittyivät 1900-luvun jälkipuoliskolla, yksi niiden monista hyvistä puolista olivat erittäin alhaiset tehovaatimukset toimintoa kohti aiemmin käytettyihin tyhjiöputkiin verrattuna. Parannus oli helposti satakertainen ellei suurempikin. Nämä edistysaskeleet johtivat kuitenkin pian komponenttien ja piirilevyjen korkeampaan toimintotiheyteen, ja integroidut piirit vaativatkin nykyään kymmeniä ampeereita jännitetasoa kohti ja usein jopa useita jännitetasoja.

FPGA- ja ASIC-piirit ovat esimerkkejä tällaisista integroiduista piireistä, jotka vaativat korkeita virtoja, ja niiden aiheuttamista suurista lämpömääristä pitää päästä jollakin tavalla eroon. Kumpiakin käytetään laajalti sulautetuissa laitteissa koko elektroniikka-alalla, mukaan lukien autoteollisuus, lääketiede, teollisuus, viestintä, peliala ja kuluttajatason äänentoisto-/videolaitteet.

FPGA- tai ASIC-piirin tarvitsema virta voidaan syöttää AC/DC-muuntimen kautta verkkovirtakäyttöisissä laitteissa tai DC/DC-muuntimen kautta akku-/paristokäyttöisissä laitteissa. Kummassakin tapauksessa tarvitaan myös DC/DC-jännitteenalennusregulaattori tarjoamaan ja hallitsemaan kuorman tarvitsemaa haluttua yksinumeroista jännitettä tarvittavilla virtatasoilla.

Eräs tapa tarjota tarvittava teho on käyttää yhtä DC/DC-jännitteenalennusregulaattoria tukemaan kaikkia piirilevyn komponentteja ja sijoittaa se syrjään piirilevyn reunaan tai kulmaan lämpöhäviön helpottamiseksi ja järjestelmätason DC/DC-arkkitehtuurin yksinkertaistamiseksi.

Tässä yksinkertaiselta kuulostavassa ratkaisussa on kuitenkin omat ongelmansa:

• Ensinnäkin jännitteensäätimen ja kuormien välillä on väistämätön IR-häviö etäisyyden ja korkeiden sähkövirtojen takia (ΔV-lasku = kuormavirta I × johdinvastus R). Ratkaisuna tähän on kasvattaa piirilevyn johtimien leveyttä tai paksuutta tai käyttää erillistä virtakiskoa, mutta ne vievät piirilevyltä kallisarvoista tilaa ja lisäävät materiaalikustannuksia.
• IR-häviö voidaan ratkaista käyttämällä jännitteen etätunnistusta kuormituspisteessä, mutta tämä toimii hyvin vain yhden pisteen kuormilla, ei hajautetuilla kuormilla. Se tuo mukanaan myös uusia mahdollisen oskillaation aiheuttamia ongelmia, sillä pidempien virransyöttö- ja mittausjohtimien induktanssi voi vaikuttaa regulaattorin ja jännitetasojen transienttikäyttäytymiseen.
• Viimeinen ja useimmiten vaikeimmin hallittava ongelma on se, että pidemmät virransyöttöjohtimet ovat alttiimpia EMI-/RFI-kohinalle ja ne säteilevät kohinaa koko pituudeltaan hyvin tehokkaasti eli toimivat antenneina. Tämän ongelman ratkaiseminen vaatii yleensä ylimääräisiä ohituskondensaattoreita, piiriin lisättyjä ferriittirenkaita ja muita toimenpiteitä. Kohinan voimakkuudesta ja taajuudesta riippuen se voi vaikuttaa haitallisesti kuormien luotettavuuteen ja vaikeuttaa kohinahäiriöitä koskevien säännösten täyttämistä.

Alhainen kohina vai korkea hyötysuhde?

On tärkeää huomata, että tasapainottelu DC/DC-jännitteensäätimien kohinan ja hyötysuhteen välillä eroaa suunnittelun tavallisista kompromisseista. Niissä yritetään usein löytää paras kompromissi, jossa suotuisat ja epäsuotuisat ominaisuudet ovat tasapainossa.

Miten tämä tilanne on erilainen? Useimmissa kompromissiskenaarioissa suunnittelija voi tarkoituksellisesti hyväksyä pienemmän arvon jollekin halutulle parametrille saavuttaakseen vastapainoksi suuremman arvon jollekin toiselle parametrille, liikkuen ikään kuin skaalalla ääripäiden välissä (kuva 1, yläosa).

Kuva 1: Suunnittelija voi useimmissa tilanteissa tehdä ensiksi arvioinnin ja sitten tehdä erilaisia suorituskykykompromisseja pitkin melko yhtenäistä skaalaa (ylempi), mutta verrattaessa hakkurien kohinaa/hyötysuhdetta LDO-säätimiin, ratkaisut päätyvät ”kultaisen keskitien” sijaan jompaankumpaan ääripäähän (alempi). (Kuvan lähde: Bill Schweber)

Suunnittelija voi esimerkiksi valita operaatiovahvistimen, joka käyttää enemmän virtaa (huono asia) tarjotakseen korkeamman muuttumisnopeuden (hyvä asia) verrattuna johonkin toiseen operaatiovahvistimeen. Tällainen kompromissi on hyväksyttävissä tai jopa tarpeen sovelluksessa.

Hakkuri- ja LDO-jännitteensäädinten kohina- ja hyötysuhdeominaisuudet ovat kuitenkin oleellinen osa niiden rakennetta. Suunnittelija ei voi esimerkiksi sanoa, että hän hyväksyy LDO-jännitteensäätimen, jonka kohina on 20 % korkeampi vastineeksi siitä, että saavuttaa 10 % paremman hyötysuhteen. Tällaista kompromissia ei ole olemassa. Sen sijaan ominaisuuksien kompromissiskaalassa on aukko (kuva 1, alaosa).

Silent Switcher ‑jännitteensäätimet ratkaisevat kompromissiongelman

Vaihtoehtoinen ja yleensä parempi ratkaisu on käyttää yksittäisiä DC/DC-jännitteensäätimiä, jotka on sijoitettu mahdollisimman lähelle niiden kuormana olevia mikropiirejä. Tämä minimoi IR-häviön, piirilevyltä vaadittavan koon sekä jännitetason poimiman ja säteilemän kohinan. Jotta tätä lähestymistapaa voitaisiin kuitenkin käyttää, on tärkeää käyttää jännitteensäätimiä, joiden koko on pieni, hyötysuhde korkea ja kohina alhainen. Näin ne voidaan sijoittaa lähelle kuormaa ja ne silti täyttävät kaikki virtavaatimukset.

Tästä syystä erilaiset Silent Switcher ‑mallit ovat ratkaisu tähän ongelmaan. Sen lisäksi, että nämä jännitteensäätimet tarjoavat yksinumeroiset jännitelähdöt sähkövirran ollessa muutamasta ampeerista 10 ampeeriin, niiden kohinataso on erittäin alhainen. Tämä on saavutettu käyttämällä useita suunnitteluinnovaatioita.

Nämä Silent Switcher 1- (ensimmäinen sukupolvi) ja Silent Switcher 2 (toinen sukupolvi) ‑jännitteensäätimet muuttavat LDO- ja hakkurijännitteensäätimien aukkoa koskevan perinteisen ajattelumallin. Näiden komponenttien suunnittelijat tunnistivat erilaiset kohinalähteet ja kehittivät keinoja kaikkien niiden vaimentamiseen.

On huomattava, että Silent Switcher ‑jännitteensäätimet eivät käytä hyvin tunnettua ja toimivaa hajaspektritekniikkaa, jossa kellosignaaliin lisätään pseudosatunnaista kohinaa. Se laajentaa kohinaspektriä ja samalla vähentää kohinan amplitudia kellotaajuudella ja sen harmonisilla monikerroilla. Vaikka hajaspektrikellotuksen käytöstä voikin olla apua säännösten mukaisten raja-arvojen täyttämisessä, se ei vähennä kohinan kokonaisenergiaa ja saattaa itse asiassa jopa lisätä kohinaa sellaisilla spektrin alueilla, jotka vaikuttavat piirin suorituskykyyn.

Silent Switcher 1 ‑komponenttien etuja ovat alhaiset EMI-häiriöt, korkea hyötysuhde ja korkea kytkentätaajuus, joka siirtää suuren osan jäljelle jäävästä kohinasta pois sellaisista spektrin alueista, joissa se häiritsee järjestelmän toimintaa tai aiheuttaa ongelmia säännösten täyttämisessä. Silent Switcher 2 ‑komponenteilla on kaikki Silent Switcher 1 ‑tekniikan ominaisuudet, minkä lisäksi niihin on integroitu tarkkuuskondensaattorit, ne ovat kooltaan pienempiä eivätkä ne ole herkkiä piirilevyn layoutille.

Niiden erittäin pienen koon (vain muutama neliömillimetri) ja korkean hyötysuhteen ansiosta nämä jännitteensäätimet voidaan sijoittaa erittäin lähelle FPGA- tai ASIC-kuormaa, mikä maksimoi suorituskyvyn ja poistaa epävarmuudet teknisten tietojen ilmoittaman suorituskyvyn ja todellisuuden välillä. Ne poistavat ”joko-tai-ongelman” - valitako korkeampi kohina ja huonompi hyötysuhde - minkä ansiosta suunnittelijat voivat käyttää parhaita ominaisuuksia niin kohinan kuin hyötysuhteenkin osalta.

Miten nämä Silent Switcher ‑komponenttien edut saavutettiin? Se tehtiin käyttämällä monitahoista lähestymistapaa:

• Hakkuriteholähteen kohinan suurin syy ovat katkaistavat virrat, eivät jatkuvat virrat. Perinteisen hakkurijännitteensäätimen topologiassa on hot loopiksi kutsuttu virtasilmukka. Tämä hot loop ei ole itsenäinen vaan virtuaalinen virtasilmukka, joka muodostuu kahden todellisen virtasilmukan osista (kuva 2).

Kuva 2: Tavallisessa hakkurijännitteensäätimen topologiassa on hot loopiksi kutsuttu virtuaalinen virtasilmukka, joka muodostuu kahden todellisen virtasilmukan osista ja jossa kulkee katkaistavaa virtaa. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Analog Devices ‑yrityksen Silent Switcher 2 ‑tekniikka tekee tärkeistä hot loopeista mahdollisimman pieniä integroimalla tulokondensaattorit mikropiirille. Hot loopin jakaminen kahteen symmetriseen muotoon muodostaa myös kaksi vastakkaisen napaisuuden magneettikenttää, jolloin säteilevä kohina enimmäkseen kumoaa itsensä.

• Toisen sukupolven arkkitehtuuri tukee nopeita kytkentäreunoja, mikä parantaa hyötysuhdetta korkeilla kytkentätaajuuksilla ja saavuttaa samanaikaisesti hyvän EMI-suorituskyvyn. DC-tulojännitteen (V_IN) sisäiset keraamiset kondensaattorit pitävät kaikki nopeat vaihtovirtasilmukat pieninä, mikä parantaa EMI-suorituskykyä.
• Silent Switcher ‑arkkitehtuuri hyödyntää valmistajakohtaisia suunnittelu- ja kotelointitekniikoita hyötysuhteen maksimointiin erittäin korkeilla taajuuksilla ja mahdollistaa äärimmäisen alhaiset EMI-häiriöt. Se alittaa helposti CISPR 25:n luokan 5 raja-arvot EMI-häiriöiden huippuarvoille ja se mahdollistaa erittäin pienikokoiset ja robustit ratkaisut.
• Komponenteissa käytetään Active Voltage Positioning (AVP) ‑tekniikkaa, jossa lähtöjännite riippuu kuormitusjännitteestä. Kevyillä kuormilla lähtöjännite säädetään nimellisarvon yläpuolelle, kun taas täydellä kuormalla lähtöjännite säädetään nimellisarvon alapuolelle. Tasavirtakuorman regulointia säädetään transienttikäyttäytymisen parantamiseksi ja lähtökondensaattorivaatimusten laskemiseksi.

Lukuisia Silent Switcher ‑tuoteperheitä

Silent Switcher ‑jännitteensäätimiä on saatavilla monia eri tuoteperheitä ja malleja. Jokaisessa tuoteperheessä on erilaisia jännite/virtaluokituksia. Mallien välillä on myös muitakin eroja, esimerkiksi kiinteä tai säädettävä lähtö. LTC33xx-tuoteperheen lukuisiin jäseniin kuuluvat muun muassa:

• LTC3307: synkroninen Silent Switcher ‑jännitteenalennusmuunnin, 5 V, 3 A, 2 × 2 mm:n LQFN-kotelossa
• LTC3308A: synkroninen Silent Switcher ‑jännitteenalennusmuunnin, 5 V, 4 A, 2 × 2 mm:n LQFN-kotelossa
• LTC3309A: synkroninen Silent Switcher ‑jännitteenalennusmuunnin, 5 V, 6 A, 2 × 2 mm:n LQFN-kotelossa
• LTC3310: synkroninen Silent Switcher 2 ‑jännitteenalennusmuunnin, 5 V, 10 A, 3 × 3 mm:n LQFN-kotelossa

Tarkemmin katsoen LTC3310 on hyvin pieni, vähäkohinainen, monoliittinen DC/DC-jännitteenalennusmuunnin, joka pystyy tarjoamaan jopa 10 A:n lähtövirran 2,25–5,5 voltin tulolähteistä. Sen V_OUT-alue on 0,5 V – V_IN. Kytkentätaajuudet kattavat alueen 500 kilohertsistä jopa 5 megahertsiin (MHz) asti. Se vaatii vain muutamia ulkoisia passiivisia komponentteja, ja sen hyötysuhde on noin 90 % suurimmassa osassa sen lähtökuorma-aluetta (kuva 3).

Kuva 3: LTC3310-DC/DC-jännitteenalennusmuunnin vaatii ulkoisia aktiivisia komponentteja ja tarjoaa korkean hyötysuhteen suurimmassa osassa kuorma-aluettaan. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Siitä on saatavana neljä perusversiota. Komponentit tarjoavat sekä alhaiset EMI-häiriöt että korkean hyötysuhteen jopa 5 MHz:n kytkentätaajuuksilla. LTC3310-tuoteperheeseen kuuluu myös versioita, joilla on autoteollisuuden AEC-Q100-hyväksyntä. Huomaa, että sekä ensimmäisen sukupolven (SS1) komponentit (LTC3310) että toisen sukupolven (SS2) komponentit LTC3310S ja LTC3310S-1 ovat saatavana sekä säädettävällä lähdöllä että kiinteällä lähdöllä (taulukko 1):

Taulukko 1: LTC3310-piiristä on saatavilla neljä perusversiota, jotka edustavat ensimmäisen ja toisen sukupolven malleja sekä kiinteitä ja säädettäviä lähtöjä. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Säädettävien versioiden lähtöjännite asetetaan kiinteästi lähtö- ja takaisinkytkentänastan (FB) välisellä jännitteenjakajalla käyttäen yksinkertaista yhtälöä vastuksen oikean arvon määrittämiseen (kuva 5).

Kuva 5: Säädettävän LTC3310-komponentin lähtöjännitteen asettaminen edellyttää vain yksinkertaiseen yhtälöön perustuvan perusmallisen jännitteenjakajapiirin. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kohinatasot ovat tyypillisesti joitakin kymmeniä mikrovoltteja. LTC3310-komponenttien alhaisen kohinatason kaksi keskeistä mittaria ovat CISPR 25 -standardin luokan 5 huippuraja-arvojen mukaisesti suoritetut kohinatestit. Näitä ovat johtuva kohina (kuva 6) ja säteilevä kohina sekä vaaka- että pystytasossa (kuva 7).

Kuva 6: LTC3310S-piiriin perustuva hyvin toteutettu jännitteensäädin täyttää erittäin vaativat johtuvien EMI-häiriöiden CISPR25-rajat (luokan 5 huippu). (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kuva 7: Säteilevien päästöjen testeissä LTC3310S täyttää sekä vaakatason (vasen) että pystytason (oikea) EMI-vaatimukset CISPR25-standardin mukaisesti. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Toinen huomionarvoinen LTC3310-tuoteperheen ominaisuus on helppous, jolla laitteita voidaan käyttää rinnan monivaiheisesti haluttaessa enemmän virtaa. Monet muut hakkurijännitteensäätimet eivät tue tätä ominaisuutta tai kykenevät siihen vain vaivoin. Yksinkertaisin rinnankäyttö on kaksivaiheinen käyttö, jolla saadaan jopa 20 A:n virta (kuva 8). Lähestymistapa voidaan helposti laajentaa kolmeen, neljään tai useampaan vaiheeseen ja lisätä vastaavasti kytkennän virransyöttökykyä.

Kuva 8: Kaksi LTC3310-komponenttia (tai enemmän) voidaan yhdistää muutaman lisäkomponentin avulla haluttaessa usean vaiheen kautta enemmän virtaa. Kuvassa on kaksivaiheinen 20 A:n konfiguraatio. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Evaluointikortit nopeuttavat suunnittelua

LTC3310-komponenttien kaltaiset jännitteensäätimet ovat suoraviivaisia käyttää, sillä niissä ei ole alustusrekistereitä, ohjelmistollisesti ohjattuja toimintoja tai muuta käyttöönottoon liittyvää hankaluutta. Tästä huolimatta on teknisesti järkevää pystyä arvioimaan staattinen ja dynaaminen suorituskyky ja optimoimaan passiivisten komponenttien arvot ennen lopulliseen layoutiin tai osaluettelon tarkkaan sisältöön sitoutumista. LTC3310-evaluointikorttien saatavuus helpottaa tätä prosessia huomattavasti. Analog Devices tarjoaa valikoiman tällaisia kortteja, jotka sopivat eri LTC3310-versioihin ja -konfiguraatioihin:

• DC3042A tukee säädettävän lähdön LTC3310-komponenttia (kuva 9).

Kuva 9: DC3042A-evaluointikortti on suunniteltu LTC3310-komponenttia varten. Kortin lähtöjännite on käyttäjän asetettavissa . (Kuvan lähde: Analog Devices)

Sen lisäksi, että dokumentaatio opastaa käyttäjiä käyttöönotossa ja peruskäytössä, se sisältää myös piirikaavion, piirilevyn layoutin ja osaluettelon. Se myös osoittaa eri testauspisteet ja liitännät sekä mittapäiden käytön lähdön rippeliarvojen ja askelvasteen mittaamiseksi (kuva 10).

Kuva 10: DC3042A-käyttöopas esittää selkeästi testauspisteet ja liitännät (ylhäällä) sekä mittapäiden käytön ja konfiguraation lähdön rippeliarvojen ja askelvasteen mittausta varten. (Kuvan lähde: Analog Devices)

• Kiinteän lähtöjännitteen LTC3310S-1-komponentti käyttää DC3021A-evaluointikorttia (kuva 11).

Kuva 11: Käyttäjä ei voi säätää LTC3310S-1-komponentin lähtöjännitettä, joten DC3021A-evaluointikortti on sille sopiva valinta. (Kuvan lähde: Analog Devices)

• Lopuksi hieman monimutkaisempaa monivaiheista rinnakkaista konfiguraatiota varten on DC2874A-C (kuva 12). Tämä evaluointikortti sisältää LTC3310S-piirin, joka toimii monivaiheisena 2,0 MHz:n ja 3,3–1,2 voltin jännitteenalennussäätimenä. DC2874A tarjoaa kolme rakennevaihtoehtoa, joilla saadaan aikaan kaksivaiheinen 20 A:n, kolmivaiheinen 30 A:n tai nelivaiheinen 40 A:n lähtöratkaisu.

Kuva 12: LTC3310S-komponenttia käyttävä DC2874A-C-evaluointikortti tarjoaa kolme rakennevaihtoehtoa: kaksivaiheinen 20 A:n, kolmivaiheinen 30 A:n ja nelivaiheinen 40 A:n lähtö. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Käyttämällä LTC3310S-piiriä ja perehtymällä hyvin toteutettuun evaluointikorttiin ja piiriä koskevaan käyttöoppaaseen suunnittelijat voivat minimoida DC/DC-jännitteensäätimen suorituskyvyn optimointiin käytetyn ajan.

Yhteenveto

Insinöörien on perinteisesti pitänyt valita kahdesta keskenään ristiriitaisesta DC/DC-jännitteensäädintopologiasta, joiden ominaisuudet ovat selvästi vastakkaiset. LDO-jännitteensäätimet tarjoavat DC-lähdön erittäin alhaisella kohinalla, mutta niiden hyötysuhde vaihtelee alhaisesta kohtalaiseen, minkä vuoksi ne aiheuttavat lämpöongelmia lähtövirran kasvaessa yli 1 ampeerin. Hakkurijännitteensäätimet sitä vastoin tarjoavat 90 %:n tienoilla olevan hyötysuhteen, mutta lisäävät kohinaa DC-lähtöön ja ovat myös johtuvan ja erityisesti säteilevän kohinan lähde. Tämä voi helposti johtaa siihen, että tuote ei läpäise pakollisia vaatimustenmukaisuustestejä.

Onneksi Analog Devices käyttää Silent Switcher ‑tuoteperheissä useita innovatiivisia suunnittelutekniikoita, jotka ratkaisevat tämän valintaongelman. Tämän ansiosta ne ovat pienikokoisia erittäin korkean hyötysuhteen ja hyvin alhaisen kohinan vaihtoehtoja jännitteensäätimeksi.