Med ”Silent Switcher” kan man minska elektromagnetiska störningar och förbättra verkningsgraden. Det beskriver här Christian Kueck, strategisk marknadschef för krafthanteringsprodukter inom Linear Technology Corporation.

Switchade regulatorer utnyttjas istället för linjära regulatorer inom områden där låg värmeavgivning och verkningsgrad värdesätts. Switchregulatorn är normalt den första aktiva komponenten på den inkommande spänningsbussens linje, så den har stor betydelse för omvandlarkretsens EMI-prestanda (elelektromagnetisk interferens).
Moderna ytmonterade filterkomponenter för ingången har bättre prestanda än viahålskomponenter. Den förbättringen bleknar dock i jämförelse med switchregulatorernas ökade arbetsfrekvenser. Högre verkningsgrad och korta minimala till- och fråntider 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.

Stora krav på mönsterkortet
Kunniga konstruktörer av mönsterkort ser till att hålla de ”heta” slingorna små och utnyttjar skärmande jordlager så nära det aktiva lagret som möjligt. Kretsens bendelning, kapselkonstruktion, termiska konstruktionskrav och de kapselstorlekar som behövs för ordentlig energilagring i avkopplingskomponenterna dikterar dock ändå en minsta storlek för den heta slingan.
Layouten kompliceras ytterligare av att den magnetiska eller transformatorliknande kopplingen mellan ledare över 30 MHz, i typiska plana mönsterkort, kommer att minska alla filtereffekter. Det beror på  att ju högre övertonsfrekvenserna är, desto mer effektiv blir den oönskade magnetiska kopplingen.
Den beprövade och verkliga lösningen är att använda en skärmande burk för hela kretsen. Det medför givetvis en merkostnad, ökar det kortutrymme som krävs, försvårar värmehantering och test samt leder till extra monteringskostnader.
En annan vanlig metod är att avrunda switchningens ytterkanter. Det leder till en oönskad minskning av verkningsgraden, längre till- och fråntider samt tillhörande dödtider, vilket hotar att påverka strömstyrslingans potentiella hastighet.

Likt en skärmburk
Linears nya LT8614 Silent Switcher-regulator ger samma önskvärda effekt som en skärmburk utan att man behöver utnyttja en sådan. Därvid undviker man ovanstående 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 likt LT861x-serien samma låga viloström (IQ) på endast 2,5 µA vilket ligger i världsklass. Det är den totala matningsström som kretsen förbrukar vid reglering utan last.
Den har samma ultralåga ”dropout” som resten av familjen och denna begränsas endast av den interna toppswitchen. Till skillnad från alternativa lösningar begränsas LT8614s R_DSON inte av maximal pulslängd och minsta från-tider. Kretsen hoppar över sina avstängningscykler i ”dropout” och utför endast det minsta antal avstängningscykler som krävs för att bibehålla den spänning som behövs för den interna toppswitchens ”boost”-läge, såsom visas i fig 6.

Klarar låg spänning
Samtidigt är den minsta ingående arbetsspänningen normalt 2,9 V (max 3,4 V), vilket gör att kretsen kan försörja en 3,3 V spänningsmatning med komponenten i en temporär spänningssvacka, ”dropout”. LT8614 har högre verkningsgrad än LT8610/11 vid högre ström eftersom dess sammanlagda switchmotstånd är lägre. Den kan även synkroniseras med en extern frekvens på mellan 200 KHz och 3 MHz.
AC-switchförlusterna är låga, så den kan arbeta vid höga switchfrekvenser utan stora förluster i fråga om verkningsgrad.

Anpassa switchfrekvensen
I EMI-känsliga tillämpningar, som exempelvis fordonsmiljöer, kan en bra balans uppnås och LT8614 kan köras antingen under AM-bandet för ännu lägre EMI, eller över AM-bandet. I en uppställning med en arbetsswitchfrekvens på 700 KHz kommer LT8614s standarddemokort inte att överskrida brusgolvet i en CISPR25-mätning.
Mätningarna i fig 2 utfördes i en ekofri testkammare med 12 V in 3,3 V ut vid 2 A och en fast switchfrekvens på 700 kHz.

Fig 2. Blått spår visar brusgolvet; rött spår är LT8614-kortet vid CISPR25 strålad mätning i en ekofri kammare.

För att jämföra LT8614 Silent Switcher-tekniken med en switchregulator av för närvarande mest avancerade snitt mättes komponenten mot en LT8610. Testet utfördes i en GTEM-cell med samma last, inspänning och induktans på kretsarnas standarddemokort.

Fig 3. Blått spår visar LT8614, lila spår visar LT8610; båda med 13,5 V_in, 3,3 V_ut vid 2,2 A last.

Man kan se att LT8614 Silent Switcher-tekniken ger en förbättring på upp till 20 dB jämfört med LT8610s redan mycket bra EMI-prestanda, framför allt inom det mycket svårhanterade högfrekvensområdet. Det möjliggör enklare och mer kompakta konstruktioner där LT8614s switchade kraftmatning kräver mindre filtrering och avstånd jämfört med andra känsliga system i konstruktionen som helhet.
Inom tidsdomänen uppvisar LT8614 ett mycket gynnsamt beteende på switchnodkanterna, såsom visas i fig 4.

Fig 4. Kanal 1: LT8610, kanal 2: LT8614s stigande switchnodkant båda med 8,4 V_in, 3,3 V_ut vid 2,2 A

Till och med vid 4 ns/div uppvisar LT8614 Silent Switcher-regulatorn mycket låg ringning (se kanal 2 i fig 3). LT8610 har bra dämpad ringning (kanal 1, fig 3) men man kan se att mer energi finns lagrad i den heta slingan jämfört med LT8614 i kanal 2.
Fig 5 visar switchnoden vid 13,2 V_in. Man kan se den extremt låga avvikelsen från den ideala fyrkantsvågformen hos LT8614, som visas i kanal 2.

Fig 5. Kanal 1: LT8610, kanal 2: LT8614, båda med 13,2 V_in, 3,3 V_ut och 2,2 A.

Samtliga tidsdomänmätningar i fig 3 till 5 är utförda med 500 MHz Tektronix P6139A-probar med skärmad anslutning nära probspetsen till mönsterkortets jordplan (GND), båda på standarddemokort.

Stora spänningsvariationer
Utöver deras absolut maximala ingående märkspänning på 42 V i fordonsmiljöer är ”dropout”-beteendet också mycket viktigt. Kritisk logikmatning vid 3,3 V måste ofta stödjas genom kallstartsituationer. LT8614 Silent Switcher-regulatorn bibehåller i det fallet det nära nog idealiska beteendet hos LT861x-familjen. Medan alternativa komponenter har högre spänningsnivåer för underspännings-lockout och maximerade pulslängder fungerar LT8610/11/14-kretsarna ned till 3,4 V och börjar hoppa över avstängningscykler så fort så behövs. Detta visas i fig 6.

Fig 6. Kanal 1: LT8610, kanal 2: ”dropout”-beteendet hos LT8614s switchnod.

Det resulterar i det idealiska ”dropout”-beteendet, se fig 7.

Fig 7. LT8614s ”dropout”-beteende
 
LT8614s korta minsta på-tid på 30 ns möjliggör stora ”step-down”-förhållanden även vid höga switchfrekvenser. Det gör att den kan spänningsförsörja logikkärnor med ett enda ”step-down” från inspänning på upp till 42 V.

20 db bättre
Slutsatsen är att LT8614 Silent Switcher-regulatorn ger mer än 20 dB mindre EMI än nuvarande bästa switchregulatorer, samtidigt som omvandlingens verkningsgrad ökar utan oönskade bieffekter. En tiofaldig förbättring av EMI i frekvensområdet över 30 MHz uppnås utan att på- och av-tiderna eller verkningsgraden försämras på ett givet kortutrymme. Detta kan åstadkommas utan särskilda komponenter eller skärmning, vilket representerar ett betydande genombrott inom konstruktion av switchregulatorer. Denna prestandanivå har hittills inte varit möjlig att uppnå i en enda integrerad krets. Det är just den sortens genombrottsprodukter som möjliggör för konstruktörer av slutsystem att höja sina produkter till nästa nivå.

Filed under: Avstorning