Čistota půl zdraví? V případě zdrojů napájení možná i celé

Některé problémy mívají nejen společného jmenovatele, ale často i překvapivě snadné řešení. Pravda, každá aplikace může od napájecích zdrojů očekávat něco zcela jiného. Pokud se ale omezíme pouze na dodávku energie, potíže na sebe nenechají dlouho čekat.

Vyškoleni precizním převodníkem

Představení nových snižujících měničů od společnosti Texas Instruments dnes začneme poněkud netradičně zmínkou o naprosto jiném integrovaném obvodu. Výrobce zůstává stejný, rozdíl však spočívá v tom, že nové analogově-číslicové převodníky ADC12DJ5200RF s 12bitovým rozlišením, které o sobě leccos prozradí již ve svém názvu [1], budou se svými dvěma kanály vzorkovat rychlostí 5,2 GS/s a v případě jednoho pak dokonce až na dvojnásobku této hodnoty. S takovými předpoklady již bude možné řešit skutečně náročné požadavky z oblasti měřicí techniky – osciloskopů, širokopásmových digitizérů nebo např. testerů (802.11ad, 5G), satelitní komunikace, softwarově definovaného rádia SDR či stále populárnější spektroskopie.

Vzhledem k předpokládané ceně výše zmiňovaného integrovaného obvodu si žádný vývojář nedovolí jakkoli ohrozit funkčnost celé precizní struktury, a to ani pokud jde o související zdroj napájení a jeho „čistotu“. A přesně zde nachází své uplatnění také nová rodina velmi účinných, synchronně snižujících DC/DC měničů TPS6291x, které v Texasu představili v říjnu [2]. I když v době psaní článku oba spínací prvky, stejně jako ADC procházely samy o sobě vývojem a jejich technická dokumentace ještě nemá finální podobu, pro nás to určitě nebylo překážkou. Zvláště když neustále skloňované nízké úrovně rušení, podobně jako malého zvlnění bude nyní možné dosáhnout ještě efektivněji. A v prvním čtvrtletí roku 2021dle očekávání výrobce snad již i v sériové výrobě.

LDO ano, ale ne vždy

Existují součástky a není jich zrovna málo, které se budou s rušením a také zvlněním potýkat již ze své podstaty. Ani to však ještě neznamená, že by se spínané zdroje nemohly „podívat“ mezi precizní techniku – datové převodníky, hodinové signály nebo např. zesilovače. Jen je potřeba zvolit vhodná protiopatření. V praxi proto budou takové DC/DC měniče obvykle následovány tradičními lineárními stabilizátory LDO, kupříkladu obvody TPS7A52, TPS7A53 či TPS7A54, které na jejich výstupu ještě opatříme vhodným filtrem s indukčností [3]. Zapojení nám tedy funguje, dokáže potlačovat nežádoucí projevy zdroje napájení, a pokud je nezačneme zatěžovat vyššími proudy, řekněme zhruba nad dva ampéry, snad by se mohlo v návrhu i osvědčit. Podobně jako v případě dříve zmiňovaného A/D převodníku ADC12DJ5200RF a jeho vývojové desky [4] – přesně jak to vidíme na obr. 2, resp. fotografii z obr. 3.

Jak ale dobře víme, za požadované vlastnosti lineárního stabilizátoru se zvláště s rostoucími výkony se stále platí horší účinností a potažmo i starostmi spojovanými právě s odvodem ztrátového tepla. Další revize desky převodníku na obr. 5 již proto sází na zjednodušené zapojení zdroje s jinými – konečně našimi DC/DC měniči, menším počtem součástek a výsledky, které nemají být z titulu chybějících LDO, pokud jde o rušení a zvlnění na výstupu, prakticky nijak poznamenány (podrobnější výsledky srovnávacích měření i s grafy naleznete v [4]). V typickém návrhu analogového front-endu jsme se tak právě elegantně vyhnuli dodatečné stabilizaci s LDO, která zde vnášela ztrátu o velikosti 1,5 wattu, což v celkovém úhrnu představuje okolo 15 %. Co ale stojí v pozadí nových snižujících zdrojů od TI?

Až do tří ampér

Začneme obecně. Jak jsme již v textu naznačili, pro oba nové, snižující spínané obvody skupiny TPS6291x je příznačné nízké rušení a stejně tak i zvlnění na výstupu. Řečí konkrétních čísel se bude pro rušení 1/f v pásmu od 100 Hz do 100 kHz jednat o méně než 20 μV_RMS, přičemž zvlnění výstupního napětí za pomocným filtrem uvažujeme pod úrovní 10 μV_RMS. Až do 100 kHz je také možné předpokládat PSRR větší než 65 dB. Své uplatnění proto najdou v citlivých zapojeních, která se dříve nemusela bez tzv. „post regulace“ s lineárními stabilizátory obejít. Struktury pracují s pevným spínacím kmitočtem 2,2 MHz nebo 1 MHz a nebrání se ani synchronizaci s vnějším taktem. Vstupní napětí se může pohybovat v rozmezí od 3,0 V až do 17 V, zatímco výstup definujete mezi 800 mV a 5,5 V. Společné pouzdro typu QFN s deseti vývody měří 2,0 × 2,0 mm. V případě verze TPS62912 [5] zatěžujme výstup až 2 A, zatímco u varianty TPS62913 přidáme k dobru ještě jeden ampér navíc [6].

Zdroj, jehož typické zapojení zachycuje obr. 6, vykazuje u výstupního napětí přesnost ±1 %. Nabízí definovatelný podpěťový zámek UVLO, výstup Power Good s otevřeným kolektorem a nechybí zde ani chytrý pin S-CONF pro konfiguraci pracovních režimů součástky, pokud jde o spínací kmitočet, práci v rozprostřeném spektru, volitelné vybíjení výstupu či synchronizaci.

Měkce, ale i čistě

Na cestě za ještě lepšími výsledky dosahovanými se samostatnými obvody TPS62912, resp. TPS62913, budou hrát speciální úlohu dva jejich vývody – NR/SS a také FB. Jak můžeme ostatně sledovat na blokovém diagramu z obr. 7, měnič zde bude mít pro zajištění čistějšího výstupu, podobně jako je tomu u lineárního stabilizátoru, filtrovanou vnitřní referenci. Výstup VREF je pak za příslušným interním rezistorem Rf, tedy v místě určeném pro zapojení vnější kapacity, sdílen společně s funkcí měkkého startu.

Pokud jde o zvlnění cílového napětí, pomůžeme si dále prostřednictvím malého výstupního LC filtru druhého stupně, který se tak může opírat např. o drobnou indukčnost následovanou přímo blokem výstupních kondenzátorů, podobně jako na obr. 6. Interní kompenzace integrovaného obvodu byla přitom navržena tak, abychom zde udrželi stabilitu s indukčnostmi až do 50 nH. Pokud se však máme vyhnout nežádoucím úbytkům napětí na takovém filtru, bude muset spínaná součástka vše regulovat až za ním. Hned vedle vstupu VO sloužícího ke snímání napětí, který je ovšem nutné připojit bezprostředně za první indukčnost, je nyní zapotřebí uvažovat i zpětnovazební vývod FB výstupního děliče přivedený do stejného bloku vnitřní struktury zachycené na obr. 7. Pomocný filtr je sice volitelný, nicméně řada návrhů s ním při efektivním potlačování vysokofrekvenčního rušení přímo počítá. Pro nás to tedy znamená nejen zjednodušení návrhu, ale také výsledky, které se mohou z pohledu zvlnění výstupu zlepšit přibližně o 30 dB.