Synchronizací spínaných zdrojů za ještě menší rušení

Většina dnešních elektronických zapojení vyžaduje větší počet napájecích napětí. Ještě před 20 lety přitom pro logiku TTL a vše další v systému stačilo univerzální napájení 5 V. Nyní je kupříkladu zapotřebí 2,5 V pro vstupy a výstupy (I/O) mikrokontroléru, 0,9 V k napájení jádra a 3,3 V pro čidlo. Odlišná napětí se rovněž vyžadují u rozhraní, v případě USB třeba 5 V.

Pro zajištění maximální provozní účinnosti dnes na pozici jednotlivých stupňů pro DC/DC konverzi využíváme spínaných regulátorů. Obvyklou architekturu sledujeme na obr. 1. Pokud v systému pracují různé spínané regulátory s odlišnými kmitočty, ve spektru zde neuvidíme pouze každou z jejich základních frekvencí plus harmonické složky, ale také další kmitočty související s rozdíly mezi frekvencemi různých spínaných regulátorů.

Problém v podobě generování vyzařovaného rušení, stejně jako emisí šířených po vedení lze na vstupech spínaných zdrojů zmírnit díky synchronizaci různých spínaných regulátorů v systému. Spousta DC/DC měničů v podobě integrovaného obvodu bude mít vývody SYNC, na které lze přivést hodinový signál. S přispěním interní smyčky fázového závěsu PLL se pak spínací kmitočet každého DC/DC měniče na tuto frekvenci sám nastavuje.

To je sice hezké řešení, ale jak bude zmíněný hodinový signál vlastně generován? Vzhledem k tomu, že snižující měniče způsobují na vstupní straně pulzní proudy, dává smysl, když zajistíme, aby všechny neodebíraly proud ze vstupního zdroje ve stejném čase. Prostředkem zde bude vnější hodinový signál SYNC s fázovým posunem. Na vstupní straně spínaných regulátorů tak výrazně potlačíme rušení šířené po vedení.

LTC6902 [1] je malý přídavný generátor hodin, součástka pro řízení vývodů SYNC u většího počtu spínaných regulátorů v systému. Jedná se tak o jeden z užitečných nástrojů, pokud jde o možnosti vývojáře zdrojů napájení. Zmíněný taktovací prvek dokáže zajistit hodinový signál mezi 100 kHz a 20 MHz, řídit s určitým fázovým posunem vývody SYNC až u čtyř samostatných spínaných regulátorů a, pokud to bude zapotřebí, využijeme zde dokonce i volitelnou kmitočtovou modulaci SSFM v rozprostřeném spektru, se kterou ve frekvenční oblasti snižujeme jednotlivé špičky. V některých aplikacích nám takový trik dokáže z pohledu EMC zajistit zcela jiné vlastnosti.

Obr. 3 zachycuje architekturu zdroje napájení z obr. 1 s vícestupňovým oscilátorem LTC6902. Napájen bude ze zdroje 5 V. Takové napětí je přitom vyráběno snižujícím měničem, který převádí 12 V na zmíněnou úroveň. Obvykle není problém, když spínané regulátory svou činnost nejprve začnou nezávisle, tj. na základě vlastních interních oscilátorů, zatímco vnější takt se dostane na řadu až poté. S podrobnostmi se pak seznámíte v dokumentaci k jednotlivým spínaným součástkám. Kromě čtyřstupňového obvodu LTC6902 zde máme na výběr i dvoustupňový prvek LTC6908 [2] nebo též LTC6909 [3] s počtem osmi „fází“.

Navrhnout systém s nízkým rušením bude možné i v případě, kdy máme na jedné desce větší počet spínaných regulátorů. Kromě obvyklých postupů, jako je třeba správná volba integrovaného spínaného regulátoru, optimalizace layoutu desky nebo přidání různých filtrů, tak může přinést užitek i nasazení doplňkového modulu pro taktování.

Odkazy:

[1] Obvody LTC6902, https://www.analog.com/en/products/ltc6902.html

[2] Obvody LTC6908, https://www.analog.com/en/products/ltc6908-1.html

[3] Obvody LTC6909, https://www.analog.com/en/products/ltc6909.html