في تطبيقات مثل الاتصالات اللاسلكية التي تعتمد على الدوائر التناظرية ذات مستوى الإشارة المنخفضة والتصميمات الرقمية التي تستخدم جهدًا منخفضًا لسكة الطاقة، تعد جودة سكة التيار المستمر أمرًا أساسيًا للحفاظ على أداء النظام. بالإضافة إلى كفاءة التحويل، ودقة الإخراج، والاستقرار، وتنظيم الخط والحمل، تعتمد جودة قضبان التيار المستمر أيضًا على عوامل مثل الضوضاء الكامنة فيها والاستجابة العابرة لتغيرات الحمل الديناميكي.
ومع ذلك، فقد خضعت سلسلة Silent Switcher القوية الخاصة بالأجهزة التناظرية لعدة أجيال من التطوير وأصبحت تقنية ناضجة يمكنها، عند تطبيقها بشكل صحيح، توفير مخرج التيار المباشر المطلوب منخفض الضوضاء والاستجابة العابرة فائقة السرعة.
ستركز هذه المقالة على تقديم منظمات تحويل DC/DC سهلة الاستخدام وعالية الأداء ومزاياها والمشكلات التي يمكنها حلها. ستأخذ هذه المقالة تطبيق الأجهزة التناظرية كمثال لتوضيح كيفية تعظيم أداء منظمات التبديل هذه.
سلسلة المحولات الصامتة
تطورت الآن منظمات تحويل DC/DC من سلسلة Silent Switcher من الأجهزة التناظرية إلى الجيل الثالث. يستخدم منتج الجيل الأول Silent Switcher 1 بشكل أساسي لتقليل الضوضاء عالية التردد المرتبطة بتبديل المنظمين. يتمتع هذا الجيل من المنتجات بثلاث مزايا رئيسية: انخفاض التداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، والكفاءة العالية، وتردد التبديل العالي (مناسب للأجهزة الأصغر ذات الصلة).
بعد ذلك، أصدرت الأجهزة التناظرية جهاز Silent Switcher 2. يحتفظ هذا المنتج بوظيفة سابقه ويضيف مكثفات دقيقة مدمجة، ويعتمد مظهرًا أكثر إحكاما ويزيل الحساسية لتخطيط لوحة الدوائر المطبوعة (لوحة الكمبيوتر).
يرث منتج الجيل الثالث Silent Switcher 3 الميزات الفريدة للجيلين السابقين. يتمتع هذا المنتج أيضًا بمزايا الاستجابة العابرة السريعة والضوضاء المنخفضة للغاية في نطاق التردد المنخفض (الشكل 1).
منظم DC/DC الصامت من الأجهزة التناظرية (انقر للتكبير).
الشكل 1: يحتفظ كل جيل من منظمات Silent Switcher DC/DC بميزات ووظائف الجيل السابق ويضيف ميزات ووظائف جديدة. (مصدر الصورة: الأجهزة التناظرية)
حل الضوضاء الجلاد بسيط
من أجل تحقيق خصائص الضوضاء المنخفضة للجيلين السابقين من المنتجات، قام المصممون بدراسة مصادر الضوضاء المختلفة واستكشفوا طرقًا مبتكرة لتجاوز مصادر الضوضاء أو تقليلها أو حتى إزالتها. وهذا يتطلب نهجا متعدد الأوجه. على سبيل المثال، المصدر الرئيسي للضوضاء في مصادر الطاقة في وضع التبديل هو إجراء تبديل التيار، بدلاً من تدفق تيار الحالة المستقرة. في طبولوجيا منظم وضع التبديل التقليدي، يوجد مسار حالي يسمى الحلقة الحرارية. الحلقة الحرارية هي المصدر الرئيسي للضوضاء عالية التردد المنبعثة في الهواء، مما يسبب التداخل الكهرومغناطيسي. قام منظم Silent Switcher DC/DC من الجيل الأول بتقسيم الدائرة الحرارية بشكل مبتكر إلى دائرتين متناظرتين للتيار. يؤدي هذا إلى إنشاء مجالين مغناطيسيين لهما قطبية معاكسة، مما يلغي إلى حد كبير الضوضاء المشعة.
من خلال دمج مكثف الإدخال مباشرة في حزمة IC، يعمل Silent Switcher 2 على تقليل الدوائر الحرارية الحرجة إلى أقصى حد ممكن.
تدعم هذه البنية التبديل السريع للحواف، مما يحقق كفاءة عالية في ظل ظروف التبديل عالية التردد مع الحفاظ على أداء EMI جيد. يساعد المكثف الخزفي الداخلي عند طرف جهد دخل التيار المستمر (VIN) في الحفاظ على حلقة تيار متردد صغيرة سريعة، وبالتالي تحسين الأداء بشكل أكبر. تستخدم بنية Silent Switcher أيضًا تقنية التصميم والتعبئة الخاصة لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة عند الترددات العالية للغاية، مما يمكنها من تجاوز حدود ذروة EMI الخاصة بـ CISPR 25 Class 5.
بالإضافة إلى ذلك، يتم أيضًا استخدام تقنية تحديد موضع الجهد النشط (AVP)، مما يعني أن جهد الخرج يعتمد على تيار الحمل. عندما تكون تحت الحمل الخفيف، تكون قيمة تنظيم جهد الخرج أعلى من القيمة الاسمية، وعندما تكون تحت الحمل الكامل، تكون أقل من القيمة الاسمية. تم تعديل تنظيم حمل التيار المستمر لتحسين الأداء العابر وتقليل متطلبات مكثف الخرج.
الجلاد الصامت 3 والاستجابة العابرة
تشير الاستجابة العابرة إلى قدرة منظم الجهد على الاستجابة لتغيرات الحمل المفاجئة وأصبحت معلمة ذات أهمية متزايدة. لذلك، بالإضافة إلى تقليل الضوضاء ذات التردد المنخفض (10 هرتز إلى 100 كيلو هرتز)، تركز منتجات الجيل الثالث أيضًا على توفير استجابة عابرة فائقة السرعة.
غالبًا ما تواجه معالجات الإشارة والنظام الموجود على الشريحة (SoC) تغيرات مفاجئة في منحنيات الحمل العابرة، وبالتالي يتم إيلاء اهتمام متزايد للاستجابة العابرة. يمكن أن يتسبب هذا الحمل العابر في حدوث تداخل في جهد مصدر الطاقة، وهذه المعلمة ضرورية لتصميم التردد اللاسلكي عالي الأداء. على سبيل المثال، يمكن أن تؤثر الفولتية المختلفة لإمدادات الطاقة بشكل خطير على تردد ساعة النظام.
ولذلك، عادةً ما تطبق شرائح RF SoCs وقت الطمس أثناء فترات التحميل العابرة. في تطبيقات الجيل الخامس، ترتبط جودة المعلومات ارتباطًا وثيقًا بفترة الطمس خلال الفترات العابرة. ولذلك، فإن تقليل تأثير الحمل العابر على مصدر الطاقة سيؤدي إلى تحسين أداء مستوى النظام.
ولتحقيق هذه الأهداف، يعتمد جهاز Silent Switcher 3 أحادي الشريحة تصميمًا عالي الأداء لمضخم الأخطاء، والذي يمكن أن يوفر استقرارًا إضافيًا حتى في حالة التعويض القوي. يمكّن الحد الأقصى لتردد التحويل البالغ 4 ميجا هرتز (MHz) IC من زيادة عرض النطاق الترددي لحلقة التحكم إلى حوالي 100 كيلو هرتز في وضع التحكم الحالي في ذروة التردد الثابت. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للتقنيات المبتكرة المتعددة أيضًا تقليل العوامل الدقيقة التي تعيق الاستجابة العابرة:
فصل الحمل - في التصميم النموذجي، يتضمن الحمل 1 فولت دوائر الإرسال والاستقبال، والمذبذب المحلي (LO)، والمذبذب الذي يتم التحكم فيه بالجهد (VCO). أثناء تشغيل الإرسال المزدوج بتقسيم التردد (FDD)، قد يكون هناك تغيير مفاجئ في تيار الحمل لحمل الإرسال/الاستقبال. وفي الوقت نفسه، فإن أحمال LO وVCO تكون ثابتة، ولكنها تتطلب دقة عالية وضوضاء منخفضة.
تتيح خصائص النطاق الترددي العالي لهذه الأجهزة للمصممين فصل الأحمال الديناميكية والثابتة من خلال محث ثانٍ (L2)، وبالتالي تشغيل مجموعتي حمل مهمتين بجهد 1 فولت من المنظم IC (الشكل 2، أعلى). استجابة التحميل العابرة سريعة، وانحراف VOUT ضئيل، ولن يؤثر على الحمل الثابت (الشكل 2، أسفل).