Rauscharme Anwendungen mit Silent-Switcher-μModul®-Reglern von ADI

In einer sensiblen elektronischen Anwendung gibt es keine Stille - im wahrsten Sinne des Wortes, sie kommt nie vor. Das liegt daran, dass es praktisch unmöglich ist, alle elektromagnetischen Störungen (EMI) von Netzteilen zu beseitigen. Unterschiedliche Designansätze zur Entschärfung dieses Problems sind oft mit Kompromissen verbunden, die zu größerer Komplexität führen können.

Ingenieure versuchen mit allen Mitteln, EMI in rauschempfindlichen Anwendungen wie Hochfrequenz-Stromversorgungen (Verstärkern), Highspeed-Datenwandlern, empfindlichen Instrumenten und medizinischen Bildgebungs- und Diagnosesystemen zu reduzieren. Das bedeutet in der Regel, dass zusätzliche Komponenten, Abschirmungen und Filter eingebaut werden müssen, was die Komplexität, die Kosten, die Größe und das Gewicht erhöhen kann.

Schaltnetzteile (SMPS) und elektronisch basierte Wandler sind eine der Hauptursachen für EMI und erschweren die Entwicklung vieler Anwendungen in der Automobilbranche, der Unterhaltungselektronik, der industriellen Automatisierung und der Telekommunikation.

Schnelles Schalten minimiert Energieverluste bei DC/DC-Wandlern, AC/DC-Gleichrichtern, DC/AC-Wechselrichtern und AC/AC-Wandlern. Dies hat jedoch den Preis, dass Hochfrequenzenergie und Transienten erzeugt werden, die EMI-Leitung und -Strahlung verursachen können.

EMI kann die Systemleistung beeinträchtigen, Funkfrequenzen stören, Fehlfunktionen von Komponenten verursachen und den Betrieb kritischer Geräte wie Herzschrittmacher und Sicherheitssysteme in Kraftfahrzeugen behindern. Eine Hauptursache für EMI in solchen Systemen ist der Gleichtaktstrom, der in der gleichen Richtung über zwei oder mehr Leiter fließt und Magnetfelder induziert.

Viele - wenn nicht sogar die meisten - elektronischen Anwendungen in den USA müssen die Vorschriften der Federal Communications Commission, Teil 15, einhalten, um schädliche Interferenzen, auch durch Nicht-HF-Geräte, zu verhindern. Internationale Industrie- und Kommunikationsanwendungen müssen der CISPR 22 Klasse B und Automobilanwendungen den internationalen Normen CISPR 25 entsprechen. In anderen Regionen gibt es ähnliche Zertifizierungen.

EMI-Tests finden oft erst spät im Entwicklungszyklus statt, so dass Probleme und Korrekturmaßnahmen zu kostspieligen Produktverzögerungen führen können. Schlimmer noch, wenn EMI-Probleme vor Ort entdeckt werden, sind sie möglicherweise schwieriger zu lokalisieren und erfordern kostspielige Abhilfemaßnahmen.

Um EMI zu bekämpfen, können verschiedene Arten von Komponenten eingesetzt werden. LDO-Linearregler (LDO: Low-Dropout, niedriger Spannungseinbruch) sind ein konventioneller, kostengünstiger Ansatz zum Schutz nachgeschalteter Lasten vor Spannungstransienten und Stromversorgungsstörungen. Sie können jedoch zu sperrigen Lösungen führen und bieten oft nicht die erforderlichen Schutzfunktionen.

Fortschrittlichere LDOs mit hohem Versorgungsspannungsdurchgriff (PSRR) verbessern die Rauschunterdrückung, verbessern aber nicht direkt den Wirkungsgrad oder die thermische Performance. In Verbindung mit Schaltreglern können sie einen hohen Wirkungsgrad mit geringem Rauschen kombinieren.

Die Entwickler können sich auch auf das Platinenlayout konzentrieren, um Schleifenbereiche, die EMI verbreiten, zu minimieren und störende und empfindliche Schaltungen zu trennen. Ein weiterer, oft ergänzender Ansatz ist die Isolierung oder Umhüllung von Komponenten mit EMI-abschirmenden Materialien wie Metallen und Metalllegierungen. Es können auch rauscharme Verstärker verwendet werden.

Jede dieser EMI-Reduzierungstechniken, die oft in Kombination eingesetzt werden, erhöht die Komplexität des Designs, so dass die Entwickler nach Vereinfachungen suchen.

Vereinfachung von EMI-Designlösungen

Das Wachstum der Anwendungen, die auf SMPS-Designs angewiesen sind, übersteigt die Anzahl der Designer, die die strengen EMI-Anforderungen erfüllen können. Viele Designer für digitale Anwendungen werden gebeten, die durch den Mangel an analogen Stromversorgungsdesignern entstandenen Qualifikationslücken zu schließen. Dieser Trend in Verbindung mit der zunehmenden Komplexität des SMPS-Designs signalisiert die Notwendigkeit einer stärkeren Integration von SMPS-Komponenten zur Vereinfachung der Prozesse.

Analog Devices, Inc. (ADI) hat 2015 mit der Einführung seiner Silent-Switcher^®-Technologie die Herausforderungen bei der Lösung von EMI-Problemen vereinfacht. Ziel war die Optimierung der Schalttechniken bei gleichzeitiger Vereinfachung des Designs von Leiterplatten. Silent-Switcher-Bauelemente der ersten Generation wie der LT8640 reduzierten den parasitären Widerstand durch die Verwendung von Kupfersäulen im Flip-Chip-Gehäuse anstelle von Bonddrähten zur Verbindung der Chips mit dem Substrat. Außerdem wurde ein Steuerstrang eingebaut, der die Effizienz im Hochfrequenzbereich verbessern soll.

Diese Komponenten der ersten Generation teilten auch einzelne „heiße Schleifen“ mit hohen Strömen in Doppelschleifen mit gegenläufigen Strömen auf, die die EMI-Ausbreitung auslöschten. Eine einzelne große „heiße Schleife“ hat viele parasitäre Elemente und starke Magnetfelder, die zu EMI in Form von Strahlung beitragen können. Silent-Switcher-Komponenten enthalten auch interne Schalttreiber, um die Schaltverluste zu minimieren.

2017 stellte ADI einen monolithischen synchronen Abwärtswandler mit niedrigem EMI-Wert vor, der auf einer Silent-Switcher-2-Architektur basiert. In dieser Generation haben Bausteine wie der LT8640S-2 die Abhängigkeit von externen Bauteilen reduziert, indem sie Kondensatoren, heiße Schleifen und eine Massefläche in ein neues LQFN-Gehäuse integriert haben. Dies ermöglichte kleinere Lösungen und eliminierte die Empfindlichkeit des Platinenlayouts für eine bessere EMI-Performance. Darüber hinaus verfügen die Silent-Switcher-2-Bauteile über mehr Kupfersäulen und große freiliegende Pads, was die thermische Performance und Effizienz erhöht.

Im Jahr 2021 stellte ADI mit dem synchronen Abwärtsregler LT8627SP eine aktualisierte Silent-Switcher-3-Architektur vor, die sich durch ein extrem niedriges Rauschen bei niedrigen Frequenzen, ein extrem schnelles Einschwingverhalten und einen hohen Wirkungsgrad bei hohen Schaltfrequenzen auszeichnet und gleichzeitig eine extrem niedrige EMI aufweist. Außerdem bietet er eine freiliegende Chipoberseite für die optionale Anbringung eines Kühlkörpers, um Anwendungen mit hohen Umgebungstemperaturen zu ermöglichen.

µModul-Regler mit Silent-Switcher-3-Architektur

Die Silent-Switcher-3-Technologie ist jetzt in ADIs µModul® erhältlich, einer hochintegrierten Component-on-Package-Lösung (COP). Dieses Gehäuse bietet eine bessere thermische Performance und spart noch mehr Platz bei der Gesamtgröße der Lösung, was kleine, effiziente und zuverlässige Stromversorgungslösungen ermöglicht.

Weitere wichtige Vorteile von µModul-Reglern sind die Zeitersparnis und der geringere Aufwand bei der Entwicklung, Prüfung und Qualifizierung von DC/DC-Reglern. ADI integriert den Controller, die Leistungs-MOSFETs, die Induktivität und andere unterstützende Komponenten in einem einzigen, kompakten Gehäuse. Sie können als Stromversorgungslösung für eine breite Palette von Telekommunikations-, Netzwerk- und Industrieausrüstungen, HF-Stromversorgungen, rauscharme Messgeräte sowie Highspeed- und Hochpräzisionsdatenwandler eingesetzt werden.

Der LTM4702 (Abbildung 1) ist ein kompletter 8A-μModul-Abwärtsregler in einem ultrakompakten BGA-Gehäuse (6,25 mm × 6,25 mm × 5,07 mm) mit integriertem Silent-Switcher-basiertem Regler-IC für niedrige EMI und hohe Effizienz. Er arbeitet in einem Eingangsspannungsbereich von 3 V bis 16 V und unterstützt eine Ausgangsspannung von 0,3 V bis 5,7 V.

Abbildung 1: Das μModul LTM4702 von ADI integriert einen Controller, Leistungs-MOSFETs, eine Induktivität und andere unterstützende Komponenten für Abwärtswandler in einem verbesserten kompakten Gehäuse. Es macht die Post-LDOs in rauschempfindlichen Anwendungen überflüssig. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Mehrere LTM4702 können parallel betrieben werden, um höhere Ausgangsströme zu erzeugen. Maximal 12 Phasen können parallel geschaltet werden, um gleichzeitig phasenverschoben zu laufen, indem der PHMODE-Pin jedes LTM4702 auf unterschiedliche Spannungspegel programmiert wird.

Darüber hinaus zeichnet sich der Synchronschaltregler LTM4702 durch ein außergewöhnlich niedriges Ausgangsrauschen (10 Hz bis 100 kHz) aus. Er eignet sich hervorragend für stromintensive und rauschempfindliche Anwendungen. Der Baustein verwendet eine PWM-Architektur mit konstanter Frequenz, die über einen Widerstand zwischen dem RT-Pin und Masse so programmiert werden kann, dass sie zwischen 300 kHz und 3 MHz umschaltet.

Ein einziger Widerstand stellt die Ausgangsspannung des LTM4702 so ein, dass die Ausgangsspannungs-Rückkopplung eine Verstärkung von eins aufweist und das Ausgangsrauschen unabhängig von der Ausgangsspannung praktisch konstant bleibt. Für die meisten rauschempfindlichen Anwendungen macht der LTM4702 Nachregelungs-LDOs und LC-Filter überflüssig, so dass nur noch Eingangs- und Ausgangskondensatoren benötigt werden, um ein Design zu vervollständigen.

Das Evaluierungsboard EVAL-LTM4702-AZ (Abbildung 2) ist für die Einrichtung und Evaluierung der Performance des LTM4702 verfügbar.

Abbildung 2: Das Evaluierungsboard EVAL-LTM4702-AZ von ADI bietet Entwicklern einen Abwärts-DC/DC-Schaltwandler zur Evaluierung der LTM4702-Performance. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Der LTM8080 (Abbildung 3) ist eine 40V_IN-Komponente mit zwei 500mA- oder einem 1A-Kanal, der zwei LDO-Regler mit ultrahohem PSRR und einen Silent-Switcher-DC/DC-Regler, getrennt durch eine integrierte EMI-Abschirmung, in einem thermisch verbesserten, 9 mm × 6,25 mm × 3,32 mm großen, umspritzten BGA-Gehäuse integriert. Er unterstützt einen Schaltfrequenzbereich von 200 kHz bis 2,2 MHz und einen Ausgangsspannungsbereich von 0 V bis 8 V.

Abbildung 3: Das μModul LTM8080 von ADI integriert zwei LDOs sowie einen DC/DC-Silent-Switcher-Regler mit einer EMI-Abschirmung zwischen ihnen in einem kompakten Gehäuse. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Der Frontend-Schaltregler ist ein nicht isolierter abwärtswandelnder DC/DC-Wandler, der bis zu 1,5 A Dauerstrom liefern kann. Die Back-End-LDO-Linearregler nutzen ADIs Architektur mit extrem niedrigem Rauschen (2 nV/√Hz bei 10 kHz) und ultrahohem PSRR (76 dB bei 1 MHz). Die LDO-Ausgänge können parallel geschaltet werden, um  den Ausgangsstrom zu erhöhen.

Zur Evaluierung des LTM8080 kann die Demonstrationsschaltung DC3071A (Abbildung 4) verwendet werden, die einen weiten Betriebsbereich von 4 V bis 40 V aufweist.

Abbildung 4: Die Demonstrationsschaltung DC3071A umfasst ein µModul LTM8080 mit zwei Ausgängen, von denen jeder eine einstellbare Spannung von 3,3 V/0,5 A aufweist. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Fazit

Die Silent-Switcher-μModule von ADI bieten eine robuste Lösung für die EMI-Herausforderungen in rauschempfindlichen elektronischen Anwendungen. Durch die Integration der modernen Silent-Switcher-3-Technologie in äußerst kompakte und effiziente System-in-Package-Designs vereinfachen diese μModul-Regler das Design, verbessern die thermische Performance und machen LDO-Nachregler in den meisten Szenarien überflüssig.

Von Highspeed-Datenwandlern und HF-Systemen bis hin zu medizinischer Bildgebung und Industrieanlagen ermöglichen diese μModul-Regler, extrem niedriges Rauschen und hohe Effizienz ohne die zusätzliche Komplexität herkömmlicher EMI-Reduzierungsmethoden zu erreichen. Mit Produkten wie dem LTM4702 und dem LTM8080 ist Analog Devices weiterhin führend bei der Bereitstellung innovativer Lösungen, die die strengen Anforderungen moderner Elektronik erfüllen und eine zuverlässige Leistung selbst in den gegenüber Rauschen kritischsten Anwendungen gewährleisten