Valet av komponenter och kretskortslayout i praktiskt taget alla kraftenheter är avgörande för om de ska lyckas eller misslyckas. Valen bestämmer enheternas beteende med avseende på funktioner, elektromagnetisk störning (EMI, electromagnetic interference) och värmehantering. Om det skriver här Tony Armstrong, marknadsdirektör, kraftprodukter, och Christian Kück, strategisk marknadschef, krafthanteringsprodukter vid Linear Technology Corporation.

För den oinitierade kan layout av switchade kraftenheter likna “svart magi”. Men layoutens betydelse förbises ofta under konstruktionsprocessens tidiga stadier. Eftersom funktionella EMI-krav alltid måste tillgodoses är det som är bra för funktionell stabilitet hos kraftenheten även bra för dess EMI-emission. Dessutom kostar bra layout från början inget extra utan kan faktiskt istället spara pengar genom att man kan utesluta behovet av EMI-filter, mekanisk skärmning, EMI-testtid och många omarbetade kort.
Dessutom kan det potentiella problemet med interferens och störningar förvärras när flera switchade DC/DC-regulatorer parallellkopplas för strömdelning och högre uteffekt.
Om alla switchar vid liknande frekvens kommer den sammanlagda energi som genereras av flera regulatorer i en krets att koncentreras vid en frekvens. Närvaro av denna energi kan bli ett problem framför allt om resten av kretsarna på mönsterkorten, liksom andra systemkort, är placerade nära varandra och är känsliga för denna strålade energi. Detta kan framför allt vara bekymmersamt i industriautomationssystem som är tätt bestyckade och som ofta sitter nära intill sådant som genererar elektriskt brus, exempelvis mekaniskt switchade induktiva laster, kraftutgångar för PWM-drift, styrkretsklockor och kontaktswitchar.

Störande switchregulatorer
I en industrimiljö ersätter switchade regulatorer vanligtvis linjära regulatorer inom områden där låg värmeavgivning och verkningsgrad värdesätts. Dessutom är switchregulatorn normalt den första aktiva komponenten på den ingående spänningsbussens linje och påverkar därför kraftigt EMI-prestanda för hela omvandlarkretsen.
Det finns två typer av EMI-emission: ledningsbunden och strålad.  Ledningsbunden emission rider på de ledningar och spår som ansluter en produkt.  Eftersom störningen är lokaliserat till en specifik terminal eller anslutning i konstruktionen kan kompatibilitet med kraven för ledningsbunden emission ofta säkras på ett relativt tidigt stadium i utvecklingsprocessen med en bra layout eller filterkonstruktion såsom redan beskrivits.

Utstrålade störningar
Strålad emission är dock en helt annan sak. Allt på kortet som överför ström strålar ett elektromagnetiskt fält.  Varje spår på kortet är en antenn och alla kopparplan är en resonator.  Allt utom en ren sinusvåg eller DC-spänning genererar störningar över hela signalspektrat. Även med noggrann konstruktion kan en kraftkonstruktör aldrig med säkerhet veta hur illa den strålade emissionen kommer att bli innan systemet testas. Och testing av strålad emission kan inte formellt utföras förrän konstruktionen i princip är klar.
Filter utnyttjas ofta för att minska EMI genom att dämpa styrkan vid en viss frekvens eller över ett frekvensområde. En del av den energi som går genom luftgränssnittet (strålad) dämpas genom tillägg av metallbaserade och magnetiska skärmar. Den del som rider på kretskortsledare (ledningsbunden) tämjs genom tillägg av ferritpärlor och andra filter. EMI kan inte uteslutas helt men kan dämpas till en nivå som är acceptabel för andra kommunikations- och digitala komponenter. Ett flertal standariseringsorgan tillser också att standarder efterlevs.
Moderna ytmonterade filterkomponenter för ingången har bättre prestanda än viahålskomponenter. Denna förbättring håller dock inte jämna steg med ökningen av arbetsfrekvensen hos switchregulatorer. Högre verkningsgrad, korta till- och frånslagstider resulterar i mer övertoner på grund av snabbare omslagstider. För varje fördubbling av switchfrekvensen förvärras EMI med 6 dB medan alla andra parametrar, som exempelvis switchkapacitet och övergångstider, förblir konstanta. Bredbandiga störningar uppför sig som ett högpassfilter av första ordningen, med 20 dB högre emission om switchfrekvensen ökar tio gånger.
Kunniga kretskortskonstruktörer kommer att de ”heta” slingorna små och utnyttja skärmande jordlager så nära det aktiva lagret som möjligt. Kretsens bendelning, kapselkonstruktion, termiska konstruktionskrav och de kapselstorlekar som behövs för ordentlig energilagring i avkopplingskomponenterna ger ändå en minsta storlek för den heta slingan. Saken kompliceras ytterligare av att den magnetiska eller transformatorliknande kopplingen mellan ledare över 30 MHz i typiska plana mönsterkort kommer att minska alla filteransträngningar eftersom ju högre övertonsfrekvenserna är, desto mer effektiv blir den oönskade magnetiska kopplingen.

En ny lösning av EMI-problemen
Den beprövade och verkliga lösningen på EMI-problem är att använda en skärmande burk för hela kretsen. Detta innebär givetvis en merkostnad, ökar det kortutrymme som behövs, försvårar värmehantering och test samt medför extra monteringskostnader. En annan vanlig metod är att avrunda switchförloppets ytterkanter. Detta har de icke önskvärda effekterna att verkningsgraden minskar, göra de minsta till- och fråntiderna längre samt öka tillhörande dödtider och utsätta strömstyrslingans potentiella hastighet för en kompromiss.
Linears nyligen lanserade LT8614 Silent Switcher-regulator ger de önskvärda effekterna hos en skärmande burk utan att använda en sådan för att därmed undvika ovan nämnda nackdelar. Se fig 1.

Fig 1. LT8614 Silent Switcher minimerar EMI/EMC-emissioner samtidigt som den ger hög verkningsgrad vid frekvenser på upp till 3 MHz.

LT8614 har också en mycket låg viloström (I_Q) på endast 2,5 µA. Detta är den sammanlagda matningsström som förbrukas av kretsen vid reglering utan last.
Dess ultralåga dropout begränsas endast av den interna toppswitchen. Till skillnad från alternativa lösningar begränsas LT8614s R_DSON inte av maximal pulslängd och minsta på-tid. Kretsen hoppar över sina avstängningscykler i dropout och utför endast det minsta antal avstängningscykler som krävs för att bibehålla spänningen för den interna toppswitchens “boost”-läge.
Samtidigt är den minsta ingående arbetsspänningen endast normalt 2,9 V (maximalt 3,4 V), vilket gör att den kan försörja en 3,3 V spänningsmatning med komponenten i dropout. LT8614 har högre verkningsgrad än LT8610/11 vid hög ström eftersom dess sammanlagda switchmotstånd är lägre. Den kan även synkroniseras till en extern frekvens på mellan 200 KHz och 3 MHz.
AC-switchförlusterna är låga, så den kan arbeta vid höga switchfrekvenser med minimal förlust i fråga om verkningsgrad. I EMI-känsliga tillämpningar, som exempelvis de som vanligtvis återfinns i många industrimiljöer, kan en bra balans uppnås och LT8614 kan antingen köras vid några hundratals KHz eller över 2 MHz. I en uppställning med en arbetsswitchfrekvens på 700 KHz kommer LT8614s standarddemokort inte att överskrida brusgolvet i en CISPR25-mätning.

Fig 2. Det blåa spåret är brusgolvet: det röda spåret är LT8614-kortet vid CISPR25 strålad mätning i en ekofri kammare.

Mätningarna i fig 2 togs i en ekofri kammare under följande förhållanden: 12 V in, 3,3 V ut vid 2 A med en fast switchfrekvens på 700 kHz.
För att jämföra LT8614s Silent Switcher-teknik med en annan switchregulator av senaste snitt mättes komponenten mot LT8610. Testet utfördes i en GTEM-cell med samma last, inspänning och samma induktans på båda kretsarnas standarddemokort.
Man kan se att en förbättring på upp till 20 dB uppnås med LT8614s Silent Switcher-teknik jämfört med den redan mycket bra EMI-prestanda för LT8610, framför allt i det mer svårhanterade högfrekvensområdet. Detta möjliggör enklare och mer kompakta konstruktioner där LT8614s switchade kraftmatning kräver mindre filtrering än andra känsliga system i konstruktionen.

Fig 3. Det blåa spåret är LT8614, det lila spåret är LT8610; båda 13,5 V_IN, 3,3 V_UT vid 2,2 A last.

Fig 4. Ch1: LT8610, Ch2: LT8614 stigande switchnodkant båda vid 8,4 V_IN, 3,3 V_UT vid 2,2 A.

I tidsdomänen uppvisar LT8614 ett mycket gynnsamt beteende på switchnodkanterna, såsom visas i fig 4. Till och med vid 4 ns/div uppvisar LT8614 Silent Switcher-regulatorn mycket låg ringning (se Ch2 i fig 3). LT8610 har bra dämpad ringning (Ch1, fig 3) men man kan se att mer energi är lagrad i den heta slingan jämfört med LT8614 (i Ch2).
Samtliga tidsdomänmätningar i fig 3 och 4 gjordes med 500 MHz Tektronix P6139A-prober med skärmad anslutning nära probspetsen till mönsterkortets GND-plan, båda på standarddemokorten.
LT8614s korta minsta på-tid på 30 ns möjliggör stora “step-down”-förhållanden även vid höga switchfrekvenser. Detta gör att den kan spänningsförsörja logikkärnor med ett enda “step-down” från inspänning på upp till 42 V.

Sänkt störningsnivå
Det är ett känt faktum att hänsyn till EMI i industrimiljöer kräver uppmärksamhet under det inledande konstruktionsskedet för att se till att systemen klarar det slutliga EMI-testet. Hittills har det inte funnits något säkert sätt att garantera att detta lätt kan uppnås med rätt val av kraftkrets.
I och med lanseringen av LT8614 är situationen nu en annan. LT8614 Silent Switcher-regulatorn ger mer än 20 dB lägre utstrålade störningar jämfört med nuvarande switchregulatorer av senaste snitt, samtidigt som omvandlingens verkningsgrad ökas utan några nackdelar. En tiofaldig förbättring av EMI i frekvensområdet över 30 MHz uppnås utan att till- och frånslagstiderna eller verkningsgraden försämras på ett givet kortutrymme. Detta kan åstadkommas utan särskilda komponenter eller skärmning, vilket representerar ett betydande genombrott inom konstruktion av switchregulatorer.

Filed under: Avstorning