Loishäviöiden minimointi hakkurivirtalähteissä

Hakkurivirtalähteet ovat suosittuja niiden tehokkuuden ja joustavuuden vuoksi. Ne tuovat mukanaan myös haasteita niiden käytön laajetessa uusiin sovelluksiin. Erityisesti niiden korkeataajuinen kytkentä voi aiheuttaa sähkömagneettisia häiriöitä (EMI) muuhun järjestelmään. Lisäksi samat tekijät, jotka voivat aiheuttaa sähkömagneettisia häiriöitä, heikentävät myös hyötysuhdetta, mikä on yksi tärkeimmistä hakkurivirtalähteiden tarjoamista eduista.

Jotta suunnittelijat voisivat välttää näitä ongelmia, heidän täytyy konfiguroida erittäin huolellisesti ”hot loop”, kuuma virtasilmukka, eli se virtalähdepiirin osa, jossa nopea kytkentä tapahtuu. Ekvivalentin sarjavastuksen (ESR) ja ekvivalentin sarjainduktanssin (ESL) tähän kuumaan silmukkaan synnyttämien loishäviöiden minimointi on erittäin tärkeää. Tämä voidaan toteuttaa valitsemalla pitkälle integroituja virtalähdekomponentteja ja suunnittelemalla piirilevylayout huolellisesti.

Tässä artikkelissa esitellään aluksi kuumia silmukoita ja loishäviöiden lähteitä, kuten kytkentäkondensaattoreita, tehokanavatransistoreita (FET) ja piirilevyläpivientejä. Sen jälkeen siinä näytetään esimerkki Analog Devices -yrityksen pitkälle integroidusta tehomuuntimesta ja esitellään erilaisia piirilevylayouteja ja niiden vaikutuksia loisparametreihin. Lopuksi artikkelissa annetaan käytännön vinkkejä ekvivalentin sarjavastuksen (ESR) ja ekvivalentin sarjainduktanssin (ESL) pienentämiseen.

Hakkurivirtalähteen kuumien silmukoiden perusteet

Kaikissa virtalähderatkaisuissa, joissa käytetään nopeita kytkentävirtoja, kuten jännitteenkorotus-, jännitteenalennus-jännitteenkorotus- ja flyback-muuntimissa, on kuumia silmukoita, joissa virtoja kytketään korkeilla taajuuksilla. Tätä käsitettä havainnollistetaan yksinkertaistetulla jännitteenalennusmuuntimella, joka tunnetaan myös nimellä buck-muunnin (kuva 1). Vasemmalla oleva silmukka (punainen) sisältää kaikki kytkentäelementit. Piirin tuottamat korkeataajuiset virrat pysyvät piirin sisällä ja muodostavat kuuman silmukan.

Kuva 1: Yksinkertaistettu jännitteenalennusmuunnin havainnollistaa punaisella korostetun kuuman silmukan periaatetta. (Kuvan lähde: Analog Devices)

”Kuumuus”-tekijä johtuu siitä, että tässä kohtaa piiriä tapahtuu merkittäviä energiamuunnos- ja kytkentätoimintoja, jotka synnyttävät usein lämpöä. Näiden kuumien silmukoiden huolellinen layout ja suunnittelu ovat kriittisiä EMI-häiriöiden minimoimiseksi ja virtalähteen tehokkaan toiminnan varmistamiseksi.

Kuvassa 2 olevassa realistisemmassa piirissä esitetään synkroninen DC-DC-jännitteenalennusmuunnin. Tämän kuuman silmukan fyysiset komponentit (merkitty mustalla) ovat tulokondensaattori (C_IN) ja kytkevät metallioksidipuolijohde-tehokanavatransistorit (MOSFET) M1 ja M2.

Kuva 2: Reaalimaailman kuumat silmukat sisältävät väistämättä loisparametreja, jotka on merkitty punaisella. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kuuman silmukan loisparametrit on merkitty punaisella. ESL on tyypillisesti nanohenryjen (nH) luokkaa, kun taas ESR on milliohmien (mΩ) luokkaa. Korkeataajuinen kytkentä aiheuttaa ekvivalenteissa sarjainduktansseissa soimista, mikä synnyttää sähkömagneettisia häiriöitä. Ekvivalentit sarjavastukset johtavat sitten ekvivalentteihin sarjainduktansseihin varastoituneen energian pois, mikä synnyttää tehohäviöitä.

Loisparametrien minimointi integroiduilla komponenteilla

Näitä loisimpedansseja (ESR, ESL) esiintyy komponenttien sisällä ja kuuman silmukan piirilevyjohtimissa. Jotta nämä parametrit voidaan minimoida, suunnittelijoiden on valittava huolellisesti komponentit ja optimoitava piirilevylayout huolellisesti.

Yksi tapa saavuttaa molemmat tavoitteet on käyttää integroituja komponentteja. Ne poistavat erilliskomponenttien liittämiseen tarvittavien piirilevyjohtimien tarpeen ja pienentävät samalla kuuman silmukan kokonaispinta-alaa. Kumpikin vähentää osaltaan loisimpedanssia.

Erinomainen esimerkki pitkälle integroidusta komponentista on Analog Devices -yrityksen µModule-jännitteenalennusregulaattori LTM4638. Kuten kuva 3 näyttää, tässä 15 ampeerin (A) hakkuriregulaattorissa on integroituna hakkuriohjain, FET-tehotransistorit, induktori ja tukikomponentit pienessä kotelossa, jonka mitat ovat 6,25 × 6,25 × 5,02 millimetriä (mm).

Kuva 3: µModule-regulaattoriin LTM4638 on integroitu monia jännitteenalennusmuuntimessa tarvittavia komponentteja. (Kuvan lähde: Analog Devices)

LTM4638-regulaattori tarjoaa useita muitakin ominaisuuksia, jotka vähentävät loishäviöitä. Niihin kuuluvat:

• Nopea transienttivaste: Mahdollistaa sen, että regulaattori voi säätää nopeasti lähtöjännitettä kuorman tai tulon muutosten mukaan. Tämä minimoi loishäviöiden keston ja vaikutuksen siirtymällä nopeasti epäoptimaalisten toimintatilojen lävitse.
• Epäjatkuva toimintatila: Mahdollistaa induktorivirran laskemisen nollaan ennen seuraavan kytkentäsyklin alkamista. Tätä tilaa käytetään tyypillisesti kevyissä kuormitusolosuhteissa, ja se vähentää induktorin kytkentä- ja ydinhäviöitä katkaisemalla induktorista virran osassa sykliä.
• Lähtöjännitteen seuranta: Mahdollistaa sen, että muuntimen lähtö voi seurata referenssitulojännitettä. Tämä ominaisuus ohjaa tarkasti lähtöjännitteen nousu- ja laskuramppia ja vähentää ylitysten tai alitusten todennäköisyyttä, jotka voivat pahentaa loishäviöitä.

Loisparametrien minimointi komponenttien sijoittelulla

Synkronisen jännitteenalennusmuuntimen rakentaminen LTM4638-regulaattorin avulla vaatii tulon ja lähdön tasauskondensaattoreiden, C_IN ja C_OUT, lisäämistä. Näiden kondensaattoreiden sijoituksella voi olla merkittävä vaikutus loisparametreihin.

Analog Devices -yritykset kokeilut LTM4638-regulaattorin DC2665A-B-arviointialustalla havainnollistavat C_IN-tulokondensaattorin sijoituksen vaikutusta.DC2665B-B-arviointialusta on sittemmin korvannut tämän kortin, mutta samat periaatteet pätevät. Kuvissa 4–6 on esitetty kolme erilaista C_IN-tulokondensaattorin layoutia ja vastaavat kuumat silmukat. Vertikaaleissa kuumissa silmukoissa 1 (kuva 4) ja 2 (kuva 5) C_IN-tulokondensaattori on sijoitettu alakerrokseen suoraan regulaattorin alapuolelle tai sivulle. Horisontaalissa kuumassa silmukassa (kuva 6) kondensaattori sijaitsee yläkerroksessa.

Kuva 4: Ala- ja sivunäkymä vertikaalista kuumasta silmukasta 1. C_IN-tulokondensaattori sijaitsee suoraan regulaattorin alapuolella kytkettynä läpivientien kautta. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kuva 5: Ala- ja sivunäkymä vertikaalista kuumasta silmukasta 2. C_IN-tulokondensaattori sijaitsee regulaattorin alapuolella, mutta vieressä, mikä vaatii piirilevyjohtimia ja -läpivientejä. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kuva 6: Ylä- ja sivunäkymät horisontaalisesta kuumasta silmukasta. C_IN-tulokondensaattori sijaitsee yläkerroksessa ja se on kytketty regulaattoriin johtimien kautta. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Vertikaali kuuma silmukka 1 on lyhin reitti, ja sillä vältetään johtimien käyttö piirilevyllä. Näin ollen sillä odotetaan olevan alhaisimmat loisparametrit. Kunkin kuuman silmukan analysointi FastHenryn avulla 600 kHz:n ja 200 megahertsin (MHz) taajuuksilla osoittaa, että tämä pitää paikkansa (kuva 7).

Kuva 7: Kuten odotettua, lyhimmällä reitillä oli pienin loisimpedanssi. (Kuvan lähde: Analog Devices, tekijä muokannut)

Vaikka näitä loisparametreja ei voi mitata suoraan, niiden vaikutuksia voidaan ennustaa ja testata. Erityisesti pienemmän ESR-arvon pitäisi johtaa korkeampaan hyötysuhteeseen, kun taas pienemmän ESL-arvon pitäisi vähentää aaltoilua. Kokeellinen todentaminen vahvisti nämä ennusteet, ja vertikaali kuuma silmukka 1 tarjoaa paremman suorituskyvyn molemmilla mittareilla (kuva 8).

Kuva 8: Kokeelliset tulokset vahvistavat, että vertikaali kuuma silmukka 1 tarjoaa paremman hyötysuhteen ja aaltoilun. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Loisparametrien minimointi erillisillä komponenteilla

Vaikka integroidut laitteet tarjoavat monia etuja, jotkin hakkurivirtalähteet vaativat erillisiä komponentteja. Korkeatehoinen sovellus saattaa esimerkiksi ylittää integroitujen laitteiden kapasiteetin. Tällaisissa tapauksissa erillisten FET-tehotransistorien sijoitus ja kotelokoko voivat vaikuttaa merkittävästi kuuman silmukan ESR- ja ESL-arvoihin. Nämä vaikutukset voidaan nähdä testaamalla kahta arviointialustaa, joista kumpikin käyttää korkean hyötysuhteen 4 kytkimen synkronisilla jännitteenalennus-jännitteenkorotusohjaimilla, kuten kuvassa 9 on esitetty:

• DC2825A-arviointialusta perustuu LT8390-jännitteenalennus-jännitteenkorotusregulaattoriin. Sen MOSFET-tehotransistorit on sijoitettu rinnakkain eli samansuuntaisesti.
• DC2626A-arviointialusta perustuu LT8392-jännitteenalennus-jännitteenkorotusregulaattoriin. Siihen kuuluu kaksi MOSFET-tehotransistoriparia, jotka on sijoitettu 90 asteen kulmaan.

Kuva 9: DC2825A-arviointialustassa (vasemmalla) MOSFET-tehotransistorit on sijoitettu rinnakkain, kun taas DC2626A-arviointialustassa (oikealla) ne on sijoitettu 90 asteen kulmaan. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Näitä kahta arviointialustaa testattiin käyttämällä identtisiä MOSFET-tehotransistoreita ja kondensaattoreita jännitteenalennuksessa 36 voltista 12 volttiin 10 A:n virralla ja 300 kilohertsin (kHz) taajuudella. Tulokset osoittivat, että 90 asteen sijoittelu tarjosi pienemmän jännitteen aaltoilun ja korkeamman resonanssitaajuuden, mikä viittaa piirilevyn pienempään ESL-arvoon kuuman silmukan lyhyemmän polun ansiosta (kuva 10).

Kuva 10: DC2626A-arviointialusta, jossa MOSFET-transistorit on sijoitettu 90 asteen kulmaan, tarjoaa pienemmän aaltoilun ja korkeamman resonanssitaajuuden. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Muita layoutia koskevia näkökohtia

Läpivientien sijoitus kuumassa silmukassa vaikuttaa myös silmukan ESR- ja ESL-arvoihin. Läpivientien lisääminen vähentää yleisesti piirilevyn loisimpedanssia. Vähentyminen ei ole kuitenkaan lineaarisesti verrannollinen läpivientien määrään nähden. Läpivientien sijainti lähempänä juotoskohtia pienentää merkittävästi ESR- ja ESL-arvoja. Siksi kriittisten komponenttien (C_IN-tulokondensaattori ja µModule-regulaattori tai MOSFET-tehotransistorit) juotoskohtien lähelle tulisi sijoittaa useita läpivientejä kuuman silmukan impedanssin minimoimiseksi.

On olemassa monia muitakin tapoja vaikuttaa positiivisesti sähköiseen ja termiseen suorituskykyyn. Kuuman silmukan optimoinnin parhaisiin käytäntöihin kuuluvat seuraavat:

• Käytä piirilevyissä korkeavirtaisilla poluilla suuria kuparialueita, mukaan lukien V_IN, V_OUT ja maa. Tämä minimoi piirilevyn johtumishäviöitä ja lämpökuormitusta.
• Sijoita dedikoitu virransyötön maadoituskerros laitteen alapuolelle.
• Käytä useita läpivientejä ylimmän ja muiden virtakerrosten väliseen liitäntään johtumishäviöiden minimoimiseksi sekä moduulin lämpökuormituksen vähentämiseksi.
• Älä sijoita läpivientejä suoraan juotoskohtaan, ellei niitä ole peitetty tai pinnoitettu.
• Käytä signaalinastoihin liitettäville komponenteille erillistä signaalimaan kuparialuetta. Signaalimaa yhdistetään yksikön alla päämaadoitusnastaan.
• Sijoita signaalinastoihin testipisteet monitorointia varten.
• Pidä kellosignaalin ja taajuustulon johtimet erillään ylikuulumisen aiheuttaman mahdollisen kohinan minimoimiseksi.

Yhteenveto

Kuumassa silmukassa esiintyvät loisparametrit vaikuttavat voimakkaasti hakkurivirtalähteen suorituskykyyn. Näiden parametrien minimointi on ratkaisevan tärkeää korkean hyötysuhteen ja alhaisten EMI-häiriöiden saavuttamiseksi.

Yksi yksinkertaisimmista tavoista saavuttaa nämä tavoitteet on käyttää integroituja regulaattorimoduuleja. Hakkurivirtalähteet vaativat kuitenkin tyypillisesti irtokomponenttien, kuten kondensaattorien, käyttöä, joten on tärkeää ymmärtää kuuman silmukan layoutien vaikutukset.