استفاده از رگولاتورهای سوئیچینگ مناسب برای دستیابی به راندمان بالا، صدای کم ریل و پاسخ سریع گذرا

در کاربردهایی مانند اتصالات بی سیم که بر مدارهای آنالوگ سطح سیگنال پایین و طرح های دیجیتالی که از ولتاژ ریل توان پایین استفاده می کنند متکی هستند، کیفیت ریل DC کلید حفظ عملکرد سیستم است. علاوه بر راندمان تبدیل، دقت خروجی، پایداری و تنظیم خط و بار، کیفیت ریل های DC به عواملی مانند نویز ذاتی و پاسخ گذرا به تغییرات بار دینامیکی نیز بستگی دارد.

با این حال، سری قوی Silent Switcher دستگاه های آنالوگ چندین نسل از توسعه را پشت سر گذاشته و به یک فناوری بالغ تبدیل شده است که در صورت استفاده صحیح، می تواند خروجی DC کم نویز و پاسخ گذرا فوق العاده سریع را ارائه دهد.

این مقاله بر معرفی این رگولاتورهای سوئیچینگ DC/DC با کارایی بالا، مزایای آنها و مشکلاتی که می توانند حل کنند، تمرکز خواهد کرد. این مقاله کاربرد دستگاه های آنالوگ را به عنوان مثال برای نشان دادن چگونگی به حداکثر رساندن عملکرد این تنظیم کننده های سوئیچینگ در نظر می گیرد.

سری Silent Switcher
رگولاتورهای سوئیچینگ DC/DC سری Silent Switcher از دستگاه های آنالوگ اکنون به نسل سوم تکامل یافته اند. محصول نسل اول Silent Switcher 1 عمدتاً برای کاهش نویز فرکانس بالا مربوط به تنظیم کننده های سوئیچینگ استفاده می شود. این نسل از محصولات سه مزیت عمده دارند: تداخل الکترومغناطیسی کم (EMI)، راندمان بالا و فرکانس سوئیچینگ بالا (مناسب برای دستگاه های مرتبط کوچکتر).

متعاقباً، دستگاه‌های آنالوگ سوئیچر بی‌صدا 2 را منتشر کردند. این محصول عملکرد نسل قبلی خود را حفظ کرده و خازن‌های دقیق یکپارچه‌ای را اضافه می‌کند، ظاهری فشرده‌تر دارد و حساسیت به چیدمان برد مدار چاپی (برد PC) را از بین می‌برد.

محصول نسل سوم Silent Switcher 3 ویژگی های منحصر به فرد دو نسل قبلی را به ارث برده است. این محصول همچنین دارای مزایای پاسخ سریع گذرا و نویز فوق العاده کم در محدوده فرکانس پایین است (شکل 1).

تنظیم کننده DC/DC Switcher خاموش از دستگاه های آنالوگ (برای بزرگنمایی کلیک کنید).
شکل 1: هر نسل از تنظیم کننده های DC/DC Silent Switcher ویژگی ها و عملکردهای نسل قبلی را حفظ کرده و ویژگی ها و عملکردهای جدیدی را اضافه می کند. (منبع تصویر: دستگاه های آنالوگ)

راه حل ساده Switcher Noise
به منظور دستیابی به ویژگی‌های کم نویز دو نسل قبلی محصولات، طراحان منابع مختلف نویز را مطالعه کردند و روش‌های نوآورانه‌ای را برای دور زدن، به حداقل رساندن یا حتی حذف منابع نویز بررسی کردند. این نیاز به یک رویکرد چند وجهی دارد. به عنوان مثال، منبع اصلی نویز در منابع تغذیه حالت سوئیچ، عمل سوئیچینگ جریان است، نه جریان جریان حالت پایدار. در توپولوژی های تنظیم کننده حالت سوئیچ سنتی، یک مسیر جریان به نام حلقه حرارتی وجود دارد. حلقه حرارتی منبع اصلی نویز با فرکانس بالا است که در هوا منتشر می شود و باعث ایجاد EMI می شود. رگولاتور DC/DC نسل اول Silent Switcher به طور ابتکاری مدار حرارتی را به دو مدار جریان متقارن تقسیم کرد. این دو میدان مغناطیسی با قطبیت مخالف ایجاد می کند که تا حد زیادی نویز تابش شده را خنثی می کند.

Silent Switcher 2 با ادغام خازن ورودی مستقیماً در بسته آی سی، مدارهای حرارتی بحرانی را تا حد امکان به حداقل می رساند.

این معماری از سوئیچینگ سریع لبه‌ها پشتیبانی می‌کند و در شرایط سوئیچینگ فرکانس بالا، در عین حال عملکرد EMI خوب را حفظ می‌کند. خازن سرامیکی داخلی در انتهای ولتاژ ورودی DC (VIN) به حفظ یک حلقه جریان AC سریع کوچک کمک می کند و در نتیجه عملکرد را بیشتر بهبود می بخشد. معماری Silent Switcher همچنین از طراحی اختصاصی و فناوری بسته‌بندی برای به حداکثر رساندن کارایی در فرکانس‌های بسیار بالا استفاده می‌کند و آن را قادر می‌سازد از محدودیت‌های EMI حداکثر CISPR 25 کلاس 5 عبور کند.

علاوه بر این، از فناوری موقعیت یابی ولتاژ فعال (AVP) نیز استفاده می شود، به این معنی که ولتاژ خروجی به جریان بار بستگی دارد. هنگامی که تحت بار سبک است، مقدار تنظیم ولتاژ خروجی بالاتر از مقدار اسمی است و زمانی که تحت بار کامل است، کمتر از مقدار نامی است. تنظیم بار DC برای بهبود عملکرد گذرا و به حداقل رساندن نیازهای خازن خروجی تنظیم شده است.

سوئیچر بی صدا 3 و پاسخ گذرا
پاسخ گذرا به توانایی یک تنظیم کننده ولتاژ برای پاسخ به تغییرات بار ناگهانی اشاره دارد و به یک پارامتر مهم تبدیل شده است. بنابراین، علاوه بر به حداقل رساندن نویز فرکانس پایین (10 هرتز تا 100 کیلوهرتز)، محصولات نسل سوم بر ارائه پاسخ گذرا فوق سریع نیز تمرکز دارند.

پردازنده‌های سیگنال و سیستم روی تراشه (SoC) اغلب تغییرات ناگهانی در منحنی‌های گذرا بار را تجربه می‌کنند، بنابراین توجه بیشتر به پاسخ گذرا معطوف می‌شود. این گذرا بار می تواند باعث تداخل در ولتاژ منبع تغذیه شود و این پارامتر برای طراحی RF با کارایی بالا بسیار مهم است. به عنوان مثال، ولتاژهای مختلف منبع تغذیه می تواند به طور جدی بر فرکانس ساعت سیستم تأثیر بگذارد.

بنابراین، SoC های RF معمولاً زمان خالی شدن را در طول گذرا اعمال می کنند. در برنامه های 5G، کیفیت اطلاعات ارتباط نزدیکی با دوره خالی شدن در دوره های گذرا دارد. بنابراین، به حداقل رساندن تاثیر گذرا بار بر منبع تغذیه، عملکرد سطح سیستم را بهبود می بخشد.

برای دستیابی به این اهداف، دستگاه تک‌تراشه Silent Switcher 3 از طراحی تقویت‌کننده خطای عملکرد بسیار بالا استفاده می‌کند که می‌تواند پایداری بیشتری را حتی در صورت جبران تهاجمی فراهم کند. حداکثر فرکانس سوئیچینگ 4 مگاهرتز (MHz) آی سی را قادر می سازد تا در حالت کنترل جریان پیک فرکانس ثابت، پهنای باند حلقه کنترل را به حدود 100 کیلوهرتز افزایش دهد. علاوه بر این، چندین فناوری نوآورانه همچنین می‌توانند عوامل ظریفی را که مانع از پاسخ گذرا می‌شوند، کاهش دهند:

جداسازی بار - در یک طراحی معمولی، یک بار 1 ولتی شامل مدارهای ارسال و دریافت، نوسان ساز محلی (LO) و نوسانگر کنترل شده با ولتاژ (VCO) است. در طول عملیات دوبلکس تقسیم فرکانس (FDD)، ممکن است یک تغییر ناگهانی در جریان بار بار فرستنده/دریافت کننده رخ دهد. در همین حال، بارهای LO و VCO ثابت هستند، اما به دقت بالا و نویز کم نیاز دارند.

ویژگی‌های پهنای باند بالای این دستگاه‌ها، طراحان را قادر می‌سازد تا بارهای دینامیکی و استاتیکی را از طریق یک سلف دوم (L2) جدا کنند، در نتیجه دو گروه بار بحرانی 1 ولت را از آی سی تنظیم‌کننده تغذیه می‌کنند (شکل 2، بالا). پاسخ گذرا بار سریع است، انحراف VOUT حداقل است، و بر بار استاتیک تأثیر نمی گذارد (شکل 2، پایین).