Як зменшити рівень пульсацій в джерелах живлення зі стрибкоподібною зміною струму навантаження

Блоки обробки сигналів в системи на кристалі (SoC) зазвичай характеризуються різкими змінами струму навантаження, під час яких виникають перехідні процеси в джерелах живлення, цих пристроїв. Ці перехідні процеси можуть привести до збоїв у колах живлення що в свою чергу може привести до збоїв роботи синтезаторів частоти в системах безпроводового зв’язку. Під час перехідного процесу може змінюватись частота сигналу синтезаторів на основі системи ФАПЧ.

Таким чином, є зростаюча потреба мінімізувати вплив струму навантаження на перехідний процес джерел живлення для покращення продуктивності системного рівня для будь-якої радіочастотної системи SoC.

Одним із найпростіших методів досягнення швидких перехідних процесів у шинах живлення є вибір регуляторів, які мають малий час перехідних процесів. Як правило, час перехідного процесу тісно пов’язаний з частотою комутації силових ключів DC/DC-перетворювачів. При збільшенні частоти ко- мутації час перехідного процесу зменшується, ос- кільки всі кола управління перетворювачем мають більш широку смугу пропускання.

На рис. 1 показані типові перехідні процеси імпульсного джерела живлення при стрибкоподібній зміні струму споживання в системах  5G з використанням RFSoC [1]. Різка зміна струму навантаження відбувається при роботі пристроїв в дуплексному режимі в системах з частотним поділом каналів (при включенні та виключенні режиму передавання). Оскільки для стабільної роботи синтезатора, а особливо генератора, керованого напругою, необхідно забезпечити не тільки стабільну напругу живлення, а і низький рівень шуму та завад в колах живлення.

Автор статті [1] рекомендує використовувати DC/DC-перетворювачі  LT8625SP які можна використовувати для живлення двох критичних груп навантажень 1 В від однієї IC шляхом розділення кіл динамічного та статичного навантажень за допомогою другого фільтра нижніх частот, що складається з ко- тушки L2 та конденсаторів С3, С4 (рис. 1). Він вказує що при динамічному перехідному навантаженні від 4 А до 6 А напруга живлення повертається до номінального значення за 5 мкс і зміна напруги не перевищує 0.8% від номінального значення. Він також вказує на те, що збільшення частоти комутації ключів дозволяє зменшити пульсації напруги при динамічній зміні струму навантаження. Це відбувається ще і завдяки тому, що кола керування такого перетворювача мають широку смугу пропускання і дозволяють прискрипмим процес відновлення вихідної напруги.

Спробуємо перевірити ці положення при використанні іншого перетворювача, скориставшись цими рекомендаціями.

Рис. 1. Перехідні процеси на виході DC/DC-перетворювача LT8625 при стрибкоподібній зміні струму навантаження від 4 до 6 А

На рис. 2 наведена модель DC/DC-перетворювача на базі ІМС LT8636 [2] з максимальною частотою комутації ключів 3 МГц і струмом навантаження до 7 А. Тобто такий перетворювач достатньо високочастотний для проведення дослідів.

Рис. 2. Модель DC/DC-перетворювача з динамічним навантаженням

Для моделювання використана рекомендована виробником схема включення ІМС LT8636 з вихідною напругою 5 В і струмом навантаження 5 А. Для стрибкоподібної зміни навантаження використовується ключ SW, керований напругою. Тривалість імпульсу керування ключем, формуємого генератором V2, дорівнює 100 мкс, а період слідування імпульсів – 200 мкс. На рис. 3 наведена форма вихідного сигналу DC/DC-перетворювача LT8636 при частоті комутації ключів 1 МГц та 3 МГц. Частота комутації змінюється при зміні опору резистора R1.

Рис. 3. Форма вихідного сигналу DC/DC-перетворювача LT8636 при частоті ко- мутації ключів 1 МГц (а) та 3 МГц (б)

Як витікає з результатів досліду, зміна частоти фактично не вплинула на величину пульсацій вихідної напруги. Отже потрібно шукати інші шляхи зменшення часу перехідного процесу та зменшення величини пульсацій при зміні струму навантаження. Спробуємо збільшити ємність С5 в колі зворотного зв’язку (рис. 2) до 300 пФ. Результат моделювання при такому значенні ємності наведений на рис. 4.

Рис. 4. Пульсації вихідної напруги при ємності конденсатора С5 рівній 300 пФ при частоті комутації ключів 1 МГц (червона крива) та 3 МГц

Як витікає з рис. 4, при частоті комутації ключів 3 МГц рівень пульсацій на 0.03 В менший  ніж при частоті 1 МГц. Загалом збільшення ємності в колі зворотного зв’язку призвело до зменшення рівня пульсацій приблизно у 3 рази. Але збільшення ємності цього конденсатора  призводить до збільшення часу перехідного процесу при включенні перетворювача.

Як випливає з проведених дослідів отриманий результат значно відрізняється від наведеного в [1]. Тому для більш коректного порівняння результатів використаємо ІМС перетворювача з технологією Silent Switch LT8640 [3]. Модель такого перетворювача наведена на рис. 5.

Рис. 5. Модель DC/DC-перетворювача з динамічним навантаженням на мікросхемі LT8640 Silent Switch

Всі параметри аналогічні попередній моделі. Результати моделювання при двох значеннях ємності в колі зворотного зв’язку наведені на рис. 6.

Рис. 6. Пульсації вихідної напруги при різних значеннях ємності конденсатора С5 при частоті комутації ключів 1 МГц

Як витікає з рис. 6 такий перетворювач нічим не відрізняється від наведеного на рис. 2 і його характеристики набагато гірші від наведеного в [1] результату.

З проведених дослідів можна зробити висновок про те, що при використанні будь яких мікросхем треба перевіряти роботу таких пристрої за допомогою моделювання або макетування. Може окремі мікросхеми і можуть формувати напругу з низьким рівнем пульсацій викликаних перехідними процесами при стрибкоподібних змінах струму навантаження. Отже майже завжди доведеться використовувати декілька LDO-регуляторів напруги на виході перетворювачів, розділяючи різні кола живлення.

На рис. 7 наведена модель в якій кола живлення розділені на дві груп і для живлення кола зі стрибкоподібною зміною струму використано LDO-регулятор LT3086 [4], який може працювати в діапазоні вхідної напруги від 1.4 до 40 В. Падіння напруги на регуляторі не перевищує 0.33 В, а максимальний вихідний струм регулюється в діапазоні від 0 до 2.1 А.

Рис. 7. Модель перетворювача з використанням LDO-регулятора на виході для зменшення пульсацій при стрибкоподібному зміні опору навантаження

Струм на виході OUT2 стрибком змінюється на 1.55 А. Сигнали напруги на першому та другому виходах та струм через резистор R4 наведені на рис. 8.

Проведений дослід показав що напруга пульсацій на першому виході не перевищує ±30 мВ, а на другому – ±90 мВ. Тобто напруга пульсацій кіл живлення з постійним струмом стала у декілька разів менша ніж без використання LDO-регулятора.

Рис. 8. Сигнали напруги на першому (Vout) та другому (Vout2) виходах та струм через резистор R4

ЛІТЕРАТУРА

1. Xinyu Liang How to Achieve Ultrafast Power Supply Transient Response for RF Applications /https://www.analog.com/en/analog-dialogue/arti- cles/how-to-achieve-ultra-fast-power-supply-tran- sient-response-for-rf-applications.html
2. https://www.analog.com/media/en/technical- documentation/data-sheets/lt8636-8637.pdf
3. https://www.analog.com/media/en/technical- documentation/data-sheets/lt8640a.pdf