Xinyu Liang, Leiter der Anwendungstechnik

Dieser Artikel stellt praktische Methoden vor, um ein ultraschnelles Einschwingverhalten der Stromversorgung in drahtlosen und insbesondere HF-Anwendungen zu erreichen. Sein Zweck besteht darin, die Herausforderung des Systemdesigners einer niedrigen Signalverarbeitungseffizienz zu lösen, die durch die transiente Austastzeit der Stromversorgung verursacht wird. Beispiellösungen werden für verschiedene Anwendungen vorgestellt. Die monolithische Leistungsfamilie Silent Switcher^® 3 für beste transiente Leistung eingeführt.

Einführung

Signalverarbeitungseinheiten und System-on-a-Chip (SoC)-Einheiten weisen typischerweise sich abrupt ändernde transiente Lastprofile auf. Diese transiente Ladung verursacht eine Störung in der Versorgungsspannung, die bei Hochfrequenzanwendungen (RF) kritisch ist, da die Taktfrequenz stark von der variablen Versorgungsspannung beeinflusst wird. Folglich wenden RFSoCs während des Lastübergangs im Allgemeinen eine Clearing-Zeit an. In 5G-Anwendungen hängt die Datenqualität stark von dieser Ausblendzeit während des Übergangs ab. Daher besteht ein wachsender Bedarf, den transienten Lasteffekt auf der Stromversorgungsseite zu minimieren, um die Leistung auf Systemebene für jedes RFSoC-System zu verbessern. In diesem Artikel werden mehrere Methoden vorgestellt, die in HF-Anwendungen verwendet werden, um ein schnelles Einschwingverhalten in einem Netzteildesign zu erreichen.

Fast Transient Silent Switcher 3-Familie für HF-Anwendungen

Eine der einfachsten Methoden, um Stromschienen mit schnellen Transienten zu erreichen, ist die Auswahl von Reglern, die eine schnelle Transientenleistung aufweisen. Die IC-Familie Silent Switcher 3 zeichnet sich durch ein außergewöhnlich niedriges Frequenzausgangsrauschen, ein schnelles Einschwingverhalten, niedrige EMI-Emissionen und einen hohen Wirkungsgrad aus. Es verfügt über ein ultrahochleistungsfähiges Fehlerverstärkerdesign, das selbst bei aggressiver Kompensation für zusätzliche Stabilisierung sorgen kann. Die maximale Schaltfrequenz von 4 MHz ermöglicht es dem IC, die Regelkreisbandbreite in einem Festfrequenz-Maximalstrom-Steuermodus auf den mittleren Hundert-kHz-Bereich zu bringen. Die stillen Switcher 3-ICs, die Designer auswählen können, um eine schnelle Transientenleistung zu erzielen, sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Abbildung 1 zeigt ein typisches 1-V-Ausgangsnetzteil basierend auf dem LT8625SP für 5G-RFSoC, das gleichzeitig ein schnelles Einschwingverhalten und geringe Restwelligkeit/Rauschen benötigt. Die 1-V-Last besteht aus beiden verwandten Sende-/Empfangsschaltungen wie lokalen Oszillatoren (LOs) und spannungsgesteuerten Oszillatoren (VCOs). Sende-/Empfangslasten sehen eine plötzliche Laststromänderung im Frequenzduplexbetrieb (FDD). Gleichzeitig sind LOs/VCOs einer konstanten Last ausgesetzt, erfordern jedoch eine hohe kritische Genauigkeit und geringes Rauschen. Die hohe Bandbreitenfunktion des LT8625SP ermöglicht es Designern, die beiden kritischen 1-V-Lastgruppen von einem einzigen IC zu versorgen, indem die dynamische Last und die statische Last mit einer zweiten Induktivität (L2) getrennt werden. Abbildung 2 zeigt den Ausgangsspannungsverlauf bei einem dynamischen Lastübergang von 4 A auf 6 A. Die dynamische Last erholt sich innerhalb von 5 μs mit weniger als 0,8 % Spitze-zu-Spitze-Spannung, wodurch die Auswirkungen auf die Seite der statischen Ladung mit einem Spitzenwert minimiert werden. Spitzenspannung weniger als 0,1 %. Diese Schaltung kann modifiziert werden, um andere Ausgangskombinationen wie 0.8 V und 1.8 V aufzunehmen, die die RFSoC-Last ohne die LDO-Reglerstufe aufgrund des extrem niedrigen Rauschens im Niederfrequenzbereich, der geringen Spannungswelligkeit und des Ansprechverhaltens direkt versorgen können • ultraschnelle Transienten.

Im Time Division Duplex (TDD)-Modus werden rauschkritische LOs/VCOs zusammen mit Änderungen des Sende-/Empfangsmodus hoch- und heruntergeladen. Daher kann eine vereinfachte Schaltung wie in Abbildung 3 gezeigt verwendet werden, da alle Lasten als dynamische Last betrachtet werden, während eine kritischere Nachfilterung erforderlich ist, um die Funktion mit niedriger Welligkeit/niedrigem Rauschen für die LOs/VCO aufrechtzuerhalten. Ein 3-poliger Power-Mode-Kondensator kann verwendet werden, um eine ausreichende Nachfilterung mit einem minimierten äquivalenten L zu erreichen, das eine schnelle Bandbreite für Lasttransienten aufrechterhält. Der Leistungskondensator bildet zusammen mit den Ausgangskondensatoren der entfernten Seite zwei weitere Stufen des LC-Filters, während alle Ls von der ESL des 3-Anschluss-Kondensators kommen, der sehr klein und weniger schädlich für Lasttransienten ist. Abbildung 3 zeigt auch eine einfache Remote-Sensing-Verbindung für die Familie Silent Switcher 3. Aufgrund der einzigartigen Referenz- und Feedback-Erzeugungstechnologie müssen nur die Masse des SET-Kondensators (C1) und der OUTS-Pin mit dem gewünschten Remote-Feedback-Punkt verbunden werden . Für diese Verbindung ist keine Pegelverschiebungsschaltung erforderlich. Abbildung 4 zeigt eine 1-A-Last-Transientenantwort-Wellenform mit einer Erholungszeit von <5 μs und einer Ausgangsspannungswelligkeit von <1 mV.

Silent Switcher 3-Familie zum Aktivieren von Vorladesignalen für schnelles Einschwingverhalten

In einigen Fällen ist die Signalverarbeitungseinheit mit genügend GPIOs leistungsfähig und die Signalverarbeitung zeitlich gut abgestimmt, da das transiente Ereignis im Voraus bekannt sein kann. Dies ist bei einigen FPGA-Netzteildesigns üblich, bei denen das Vorladesignal erzeugt werden kann, um das Einschwingverhalten des Netzteils mit Strom zu versorgen. Abbildung 5 zeigt eine typische Anwendungsschaltung, die das vom FPGA erzeugte Vorladesignal verwendet, um eine Vorspannung bereitzustellen, bevor der tatsächliche Lastübergang auftritt, sodass der LT8625SP zusätzliche Zeit hat, um die Laststörung ohne eine Vorspannung von V aufzunehmen_OUT zu groß und eine Erholungszeit. Der FPGA-GPIO-Abstimmkreis am Eingang des Inverters wurde weggelassen, da das Precharge-Signal als Störfaktor auf die Rückkopplung wirkt. Der Pegel wird auf 35 mV geregelt. Um die Wirkung des Vorladesignals im eingeschwungenen Zustand zu vermeiden, ist außerdem ein Hochpassfilter zwischen dem Vorladesignal und OUTS implementiert. Abbildung 6 zeigt eine Lasttransienten-Reaktionswellenform von 1.7 A bis 4.2 A. Das Vorladesignal wird vor dem eigentlichen Lasttransienten an die Rückkopplung (OUTS) angelegt, wobei eine Erholungszeit von weniger als 5 μs erreicht wird.

Active Drooping on Circuit für transiente ultraschnelle Wiederherstellung

Bei Beamforming-Anwendungen ändert sich die Versorgungsspannung ständig, um sich an unterschiedliche Leistungspegel anzupassen. Dadurch beträgt die Genauigkeitsanforderung für die Versorgungsspannung typischerweise 5 % bis 10 %. Bei dieser Anwendung ist Stabilität wichtiger als Spannungsgenauigkeit, da eine minimierte Erholungszeit während Lasttransienten die Effizienz der Datenverarbeitung maximiert. Eine Drooping-Schaltung eignet sich perfekt für diese Anwendung, da die abgefallene Spannung die Erholungszeit verkürzt oder sogar eliminiert. Abbildung 7 zeigt das Schema einer aktiven Drop-Schaltung für den LT8627SP. Ein zusätzlicher Vorwiderstand wurde zwischen dem negativen Eingang (OUTS) des Fehlerverstärkers und dem Ausgang (VC) hinzugefügt, um während der Transiente einen stationären Fehler in der Rückkopplungsregelschleife aufrechtzuerhalten. Die abgefallene Spannung kann ausgedrückt werden als:

Während ∆V_OUT ist die anfängliche Spannungsschwankung, die durch den Lasttransienten verursacht wird, ∆I_OUT der transiente Laststrom ist und g der VC-Pin zum Ändern der Stromverstärkung ist. Bei der Auslegung der Drooping-Schaltung nach Bild 7 sind besondere Überlegungen zu berücksichtigen:

• Der abfallende Strom darf die Stromgrenze des VC-Pins nicht überschreiten. Für den Ausgang des Fehlerverstärkers LT8627SP ist es angebracht, den Strom auf weniger als 200 μA zu begrenzen, um eine Sättigung zu vermeiden, und dies kann durch Ändern der Werte R7 und R8 erreicht werden.
• Die abfallende Spannung muss der Ausgangskapazität Rechnung tragen, damit die Spannungsdrift während des Übergangs auf einem ähnlichen Niveau wie die abgefallene Spannung liegt, um eine minimale Erholungszeit während des Übergangs zu erreichen.

Abbildung 8 zeigt typische Wellenformen für die oben genannte Schaltung während eines Lastübergangs von 1 A auf 16 A auf 1 A. Es ist erwähnenswert, dass der Lastübergang von 16 A auf 1 A jetzt nicht mehr durch die Bandbreite, sondern durch die Mindestzeit von begrenzt ist Der Regler.

Fazit

Das drahtlose HF-Feld wird aufgrund der zeitkritischen Natur der Hochgeschwindigkeits-Signalverarbeitung zunehmend rechenabhängig und empfindlich gegenüber Einschwingzeiten. Systementwickler stehen vor der Herausforderung, die Einschwinggeschwindigkeit der Stromversorgung zu erhöhen, damit die Austastzeit minimiert werden kann. Die Silent Switcher 3-Familie ist die nächste Generation monolithischer Regler, die für rauschempfindliche Lösungen mit intensiven dynamischen Lasttransienten in den Bereichen Wireless, Industrie, Verteidigung und Gesundheitswesen optimiert sind. Je nach Lastbedingungen können spezielle Schaltungen und Techniken angewendet werden, um das Einschwingverhalten weiter zu verbessern.