การใช้ตัวควบคุมการสลับที่เหมาะสมเพื่อให้เกิดประสิทธิภาพสูง เสียงรถไฟต่ํา และการตอบสนองระยะสั้นเร็ว

ในการใช้งาน เช่น การเชื่อมต่อไร้สายที่ต้องอาศัยวงจรแอนะล็อกระดับสัญญาณต่ำและการออกแบบดิจิทัลที่ใช้แรงดันไฟฟ้ารางพลังงานต่ำ คุณภาพของราง DC ถือเป็นกุญแจสำคัญในการรักษาประสิทธิภาพของระบบ นอกเหนือจากประสิทธิภาพการแปลง ความแม่นยำเอาต์พุต ความเสถียร และการควบคุมเส้นและโหลดแล้ว คุณภาพของราง DC ยังขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น สัญญาณรบกวนโดยธรรมชาติ และการตอบสนองชั่วคราวต่อการเปลี่ยนแปลงโหลดแบบไดนามิก

อย่างไรก็ตาม ซีรีส์ Silent Switcher ที่แข็งแกร่งของ Analog Devices ได้ผ่านการพัฒนามาหลายรุ่นและกลายเป็นเทคโนโลยีที่สมบูรณ์ ซึ่งเมื่อนำไปใช้อย่างถูกต้อง จะสามารถให้เอาต์พุต DC ที่มีเสียงรบกวนต่ำตามที่ต้องการและการตอบสนองชั่วคราวที่รวดเร็วเป็นพิเศษ

บทความนี้จะเน้นที่การแนะนำตัวควบคุมสวิตช์ DC/DC ประสิทธิภาพสูงที่ใช้งานง่าย ข้อดี และปัญหาที่สามารถแก้ไขได้ บทความนี้จะยกตัวอย่างการใช้งานอุปกรณ์อะนาล็อกเพื่ออธิบายวิธีเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดของตัวควบคุมสวิตช์เหล่านี้

ซีรีย์สวิตช์เงียบ
ตัวควบคุมสวิตช์ DC/DC ซีรีส์ Silent Switcher จากอุปกรณ์อะนาล็อกได้พัฒนาไปสู่รุ่นที่สามแล้ว ผลิตภัณฑ์รุ่นแรก Silent Switcher 1 ใช้เพื่อลดเสียงรบกวนความถี่สูงที่เกี่ยวข้องกับตัวควบคุมสวิตช์เป็นหลัก ผลิตภัณฑ์เจเนอเรชันนี้มีข้อดีหลักๆ 3 ประการ ได้แก่ การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าต่ำ (EMI) ประสิทธิภาพสูง และความถี่ในการสลับสูง (เหมาะสำหรับอุปกรณ์ขนาดเล็กที่เกี่ยวข้อง)

ต่อมา Analog Devices ได้เปิดตัว Silent Switcher 2 ผลิตภัณฑ์นี้ยังคงฟังก์ชันการทำงานของรุ่นก่อนและเพิ่มตัวเก็บประจุที่มีความแม่นยำในตัว โดยใช้รูปลักษณ์ที่กะทัดรัดยิ่งขึ้น และขจัดความไวต่อโครงร่างของแผงวงจรพิมพ์ (บอร์ด PC)

ผลิตภัณฑ์รุ่นที่สาม Silent Switcher 3 สืบทอดคุณสมบัติเฉพาะของสองรุ่นก่อนหน้านี้ ผลิตภัณฑ์นี้ยังมีข้อดีของการตอบสนองชั่วคราวที่รวดเร็วและสัญญาณรบกวนต่ำเป็นพิเศษในช่วงความถี่ต่ำ (รูปที่ 1)

ตัวควบคุม Silent Switcher DC/DC จากอุปกรณ์อะนาล็อก (คลิกเพื่อดูภาพขยาย)
รูปที่ 1: ตัวควบคุม Silent Switcher DC/DC แต่ละรุ่นยังคงรักษาคุณสมบัติและฟังก์ชันของรุ่นก่อนหน้า และเพิ่มคุณสมบัติและฟังก์ชันใหม่ (แหล่งรูปภาพ: อุปกรณ์อะนาล็อก)

วิธีแก้ปัญหาสัญญาณรบกวน Switcher อย่างง่าย
เพื่อให้บรรลุถึงลักษณะเสียงรบกวนต่ำของผลิตภัณฑ์สองรุ่นก่อนหน้า นักออกแบบได้ศึกษาแหล่งกำเนิดเสียงต่างๆ และสำรวจวิธีการที่เป็นนวัตกรรมใหม่เพื่อหลีกเลี่ยง ลดขนาด หรือแม้แต่กำจัดแหล่งกำเนิดเสียงรบกวน สิ่งนี้ต้องใช้แนวทางที่หลากหลาย ตัวอย่างเช่น แหล่งที่มาหลักของสัญญาณรบกวนในแหล่งจ่ายไฟโหมดสวิตช์คือการสลับการทำงานของกระแส แทนที่จะเป็นการไหลของกระแสในสภาวะคงตัว ในโทโพโลยีตัวควบคุมโหมดสวิตช์แบบดั้งเดิม จะมีเส้นทางกระแสที่เรียกว่าลูปความร้อน วงจรความร้อนเป็นแหล่งกำเนิดหลักของสัญญาณรบกวนความถี่สูงที่ปล่อยออกสู่อากาศ ทำให้เกิด EMI ตัวควบคุม Silent Switcher DC/DC รุ่นแรกได้แบ่งวงจรความร้อนออกเป็นสองวงจรกระแสสมมาตรอย่างสร้างสรรค์ สิ่งนี้จะสร้างสนามแม่เหล็กสองสนามที่มีขั้วตรงข้ามกัน ซึ่งจะตัดเสียงรบกวนที่แผ่ออกไปเป็นส่วนใหญ่

ด้วยการรวมตัวเก็บประจุอินพุตเข้ากับแพ็คเกจ IC โดยตรง Silent Switcher 2 จึงลดวงจรความร้อนที่สำคัญให้เหลือน้อยที่สุดให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

สถาปัตยกรรมนี้รองรับการสลับขอบอย่างรวดเร็ว ทำให้มีประสิทธิภาพสูงภายใต้เงื่อนไขการสลับความถี่สูง ขณะเดียวกันก็รักษาประสิทธิภาพของ EMI ที่ดี ตัวเก็บประจุเซรามิกภายในที่ปลายแรงดันไฟฟ้าอินพุต DC (VIN) ช่วยรักษากระแสไฟ AC ที่รวดเร็วขนาดเล็ก จึงช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพให้ดียิ่งขึ้น สถาปัตยกรรม Silent Switcher ยังใช้เทคโนโลยีการออกแบบและบรรจุภัณฑ์ที่เป็นเอกสิทธิ์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดที่ความถี่สูงมาก ทำให้สามารถผ่านข้อจำกัด EMI สูงสุดของ CISPR 25 Class 5 ได้

นอกจากนี้ยังใช้เทคโนโลยีการกำหนดตำแหน่งแรงดันไฟฟ้าแบบแอคทีฟ (AVP) ซึ่งหมายความว่าแรงดันเอาต์พุตขึ้นอยู่กับกระแสโหลด เมื่ออยู่ภายใต้ภาระเบา ค่าควบคุมแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตจะสูงกว่าค่าที่กำหนด และเมื่ออยู่ภายใต้โหลดเต็ม ค่าจะต่ำกว่าค่าที่กำหนด การควบคุมโหลด DC ได้รับการปรับปรุงเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพชั่วคราวและลดความต้องการตัวเก็บประจุเอาท์พุตให้เหลือน้อยที่สุด

Silent Switcher 3 และการตอบสนองชั่วคราว
การตอบสนองชั่วคราวหมายถึงความสามารถของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าในการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงโหลดอย่างกะทันหัน และกลายเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญมากขึ้น ดังนั้น นอกเหนือจากการลดเสียงรบกวนความถี่ต่ำ (10 Hz ถึง 100 kHz) แล้ว ผลิตภัณฑ์รุ่นที่สามยังมุ่งเน้นไปที่การให้การตอบสนองชั่วคราวที่รวดเร็วเป็นพิเศษอีกด้วย

ตัวประมวลผลสัญญาณและระบบบนชิป (SoC) มักจะพบกับการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันในกราฟโหลดชั่วคราว ดังนั้นจึงให้ความสำคัญกับการตอบสนองชั่วคราวมากขึ้น โหลดชั่วคราวนี้อาจทำให้เกิดการรบกวนแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ และพารามิเตอร์นี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการออกแบบ RF ที่มีประสิทธิภาพสูง ตัวอย่างเช่น แรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟที่แตกต่างกันอาจส่งผลกระทบร้ายแรงต่อความถี่สัญญาณนาฬิกาของระบบ

ดังนั้น โดยทั่วไปแล้ว RF SoC จะใช้เวลาเว้นว่างระหว่างโหลดชั่วคราว ในการใช้งาน 5G คุณภาพของข้อมูลมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับช่วงเวลาว่างในช่วงเวลาชั่วคราว ดังนั้นการลดผลกระทบของโหลดชั่วคราวบนแหล่งจ่ายไฟให้เหลือน้อยที่สุดจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพระดับระบบ

เพื่อให้บรรลุเป้าหมายเหล่านี้ อุปกรณ์ Silent Switcher 3 แบบชิปเดี่ยวจึงใช้การออกแบบตัวขยายข้อผิดพลาดประสิทธิภาพสูงพิเศษ ซึ่งสามารถให้ความเสถียรเพิ่มเติมได้แม้ในกรณีของการชดเชยที่รุนแรง ความถี่ในการสลับสูงสุดที่ 4 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) ช่วยให้ IC สามารถเพิ่มแบนด์วิดท์ของลูปควบคุมเป็นประมาณ 100 kHz ในโหมดควบคุมกระแสสูงสุดของความถี่คงที่ นอกจากนี้ เทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมหลายอย่างยังสามารถลดปัจจัยเล็กๆ น้อยๆ ที่ขัดขวางการตอบสนองชั่วคราวได้:

การแยกโหลด - ในการออกแบบทั่วไป โหลด 1 V รวมถึงวงจรส่งและรับ ออสซิลเลเตอร์เฉพาะที่ (LO) และออสซิลเลเตอร์ควบคุมแรงดันไฟฟ้า (VCO) ในระหว่างการดำเนินการดูเพล็กซ์แบบแบ่งความถี่ (FDD) อาจมีการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันในกระแสโหลดของโหลดการส่ง/รับ ในขณะเดียวกัน โหลด LO และ VCO จะคงที่ แต่ต้องการความแม่นยำสูงและมีเสียงรบกวนต่ำ

ลักษณะแบนด์วิธสูงของอุปกรณ์เหล่านี้ช่วยให้นักออกแบบสามารถแยกโหลดแบบไดนามิกและแบบคงที่ผ่านตัวเหนี่ยวนำตัวที่สอง (L2) ซึ่งจะจ่ายไฟให้กับกลุ่มโหลด 1 V ที่สำคัญสองกลุ่มจากตัวควบคุม IC (รูปที่ 2 ด้านบน) การตอบสนองโหลดชั่วคราวนั้นรวดเร็ว การเบี่ยงเบนของ VOUT นั้นน้อยมาก และจะไม่ส่งผลกระทบต่อโหลดคงที่ (รูปที่ 2 ด้านล่าง)