Bei Anwendungen wie drahtlosen Verbindungen, die auf analogen Schaltkreisen mit niedrigem Signalpegel basieren, und digitalen Designs, die eine niedrige Versorgungsspannung nutzen, ist die Qualität der Gleichstromschiene der Schlüssel zur Aufrechterhaltung der Systemleistung. Neben der Umwandlungseffizienz, der Ausgangsgenauigkeit, der Stabilität sowie der Leitungs- und Lastregelung hängt die Qualität von Gleichstromschienen auch von Faktoren wie ihrem Eigenrauschen und ihrem Einschwingverhalten bei dynamischen Laständerungen ab.
Die robuste Silent Switcher-Serie von Analog Devices hat jedoch mehrere Generationen der Entwicklung durchlaufen und ist zu einer ausgereiften Technologie geworden, die bei richtiger Anwendung den erforderlichen rauscharmen Gleichstromausgang und das ultraschnelle Einschwingverhalten liefern kann.
Dieser Artikel konzentriert sich auf die Vorstellung dieser benutzerfreundlichen Hochleistungs-DC/DC-Schaltregler, ihre Vorteile und die Probleme, die sie lösen können. In diesem Artikel wird die Anwendung von Analog Devices als Beispiel verwendet, um zu veranschaulichen, wie die Leistung dieser Schaltregler maximiert werden kann.
Silent Switcher-Serie
Die DC/DC-Schaltregler der Silent Switcher-Serie von Analog Devices wurden nun in die dritte Generation weiterentwickelt. Das Produkt der ersten Generation, Silent Switcher 1, wird hauptsächlich zur Reduzierung hochfrequenter Geräusche im Zusammenhang mit Schaltreglern eingesetzt. Diese Produktgeneration bietet drei wesentliche Vorteile: geringe elektromagnetische Interferenz (EMI), hoher Wirkungsgrad und hohe Schaltfrequenz (geeignet für kleinere verwandte Geräte).
Anschließend brachte Analog Devices den Silent Switcher 2 auf den Markt. Dieses Produkt behält die Funktionalität seines Vorgängers bei und verfügt über integrierte Präzisionskondensatoren, wodurch es kompakter aussieht und die Empfindlichkeit gegenüber dem Layout der Leiterplatte (PC-Platine) beseitigt wird.
Das Produkt Silent Switcher 3 der dritten Generation übernimmt die einzigartigen Funktionen der beiden vorherigen Generationen. Dieses Produkt bietet außerdem die Vorteile eines schnellen Einschwingverhaltens und eines äußerst geringen Rauschens im Niederfrequenzbereich (Abbildung 1).
Silent Switcher DC/DC-Regler von Analog Devices (zum Vergrößern anklicken).
Abbildung 1: Jede Generation der Silent Switcher DC/DC-Regler behält die Merkmale und Funktionen der vorherigen Generation bei und fügt neue Merkmale und Funktionen hinzu. (Bildquelle: Analog Devices)
Einfache Switcher-Rauschlösung
Um die niedrigen Geräuscheigenschaften der beiden vorherigen Produktgenerationen zu erreichen, untersuchten die Designer verschiedene Geräuschquellen und erforschten innovative Methoden, um Geräuschquellen zu umgehen, zu minimieren oder sogar zu eliminieren. Dies erfordert einen vielschichtigen Ansatz. Beispielsweise ist die Hauptrauschquelle bei Schaltnetzteilen die Schaltwirkung des Stroms und nicht der Fluss des Dauerstroms. In herkömmlichen Schaltreglertopologien gibt es einen Strompfad, der als Thermoschleife bezeichnet wird. Die Wärmeschleife ist die Hauptquelle für hochfrequenten Lärm, der in die Luft abgegeben wird und elektromagnetische Störungen verursacht. Der Silent Switcher DC/DC-Regler der ersten Generation teilte den Wärmekreis auf innovative Weise in zwei symmetrische Stromkreise auf. Dadurch entstehen zwei Magnetfelder entgegengesetzter Polarität, wodurch der abgestrahlte Lärm weitgehend ausgelöscht wird.
Durch die direkte Integration des Eingangskondensators in das IC-Gehäuse minimiert Silent Switcher 2 kritische Wärmekreise weitestgehend.
Diese Architektur unterstützt das schnelle Schalten von Kanten und erreicht so eine hohe Effizienz unter Hochfrequenz-Schaltbedingungen bei gleichzeitig guter EMI-Leistung. Der interne Keramikkondensator am Ende der DC-Eingangsspannung (VIN) trägt dazu bei, eine kleine, schnelle AC-Stromschleife aufrechtzuerhalten und dadurch die Leistung weiter zu verbessern. Die Silent Switcher-Architektur nutzt außerdem proprietäre Design- und Gehäusetechnologie, um die Effizienz bei extrem hohen Frequenzen zu maximieren und die Spitzen-EMI-Beschränkungen von CISPR 25 Klasse 5 zu erfüllen.
Darüber hinaus kommt auch die Active-Voltage-Positioning-Technologie (AVP) zum Einsatz, was bedeutet, dass die Ausgangsspannung vom Laststrom abhängt. Bei geringer Last ist der Ausgangsspannungsregelwert höher als der Nennwert und bei Volllast niedriger als der Nennwert. Die DC-Lastregelung wurde angepasst, um die Transientenleistung zu verbessern und den Bedarf an Ausgangskondensatoren zu minimieren.
Silent Switcher 3 und Transient Response
Das Einschwingverhalten bezieht sich auf die Fähigkeit eines Spannungsreglers, auf plötzliche Laständerungen zu reagieren, und ist zu einem immer wichtigeren Parameter geworden. Daher liegt der Schwerpunkt der Produkte der dritten Generation neben der Minimierung niederfrequenter Störungen (10 Hz bis 100 kHz) auch auf der Bereitstellung eines ultraschnellen Einschwingverhaltens.
Bei Signalprozessoren und System-on-Chip (SoC) kommt es häufig zu plötzlichen Änderungen der Lasttransientenkurven, weshalb dem Transientenverhalten zunehmend Aufmerksamkeit geschenkt wird. Dieser Lastübergang kann Störungen der Versorgungsspannung verursachen, und dieser Parameter ist für ein leistungsstarkes HF-Design von entscheidender Bedeutung. Beispielsweise können unterschiedliche Versorgungsspannungen die Systemtaktfrequenz erheblich beeinflussen.
Daher wenden RF-SoCs bei Lasttransienten normalerweise eine Austastzeit an. Bei 5G-Anwendungen hängt die Informationsqualität eng mit der Austastperiode während Übergangsperioden zusammen. Daher verbessert die Minimierung der Auswirkungen von Lasttransienten auf die Stromversorgung die Leistung auf Systemebene.
Um diese Ziele zu erreichen, verwendet das Single-Chip-Gerät Silent Switcher 3 ein ultrahochleistungsfähiges Fehlerverstärkerdesign, das selbst bei aggressiver Kompensation für zusätzliche Stabilität sorgen kann. Die maximale Schaltfrequenz von 4 Megahertz (MHz) ermöglicht es dem IC, die Regelkreisbandbreite im Festfrequenz-Spitzenstromregelungsmodus auf etwa 100 kHz zu erhöhen. Darüber hinaus können mehrere innovative Technologien auch subtile Faktoren reduzieren, die das Einschwingverhalten behindern:
Lasttrennung – In einem typischen Design umfasst eine 1-V-Last Sende- und Empfangsschaltkreise, einen Lokaloszillator (LO) und einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO). Während des Frequenzduplex-Betriebs (FDD) kann es zu einer plötzlichen Änderung des Laststroms der Sende-/Empfangslast kommen. Währenddessen sind die Lasten von LO und VCO konstant, erfordern jedoch eine hohe Präzision und geringes Rauschen.
Die hohen Bandbreiteneigenschaften dieser Geräte ermöglichen Entwicklern die Trennung dynamischer und statischer Lasten über eine zweite Induktivität (L2) und versorgen so zwei kritische 1-V-Lastgruppen über den Regler-IC (Abbildung 2, oben). Die Lastübergangsreaktion ist schnell, die VOUT-Abweichung ist minimal und hat keinen Einfluss auf die statische Last (Abbildung 2, unten).