Yarı iletken teknolojileri markası Torex, geçtiğimiz günlerde kapsamlı bir eğitim etkinliği düzenledi. Etkinlikte sorulara detaylı yanıtlar verildi.
Birden fazla DC/DC dönüştürücü arasındaki etkileşim, simülasyon tabanlı doğrulama, PWM/PFM anahtarlama noktası ayarı, pratik değerlendirme yöntemleri ve gürültüye duyarlı bileşenler gibi konuları kapsayan beş soruya yer verdik.
Bu soru-cevapların, güç kaynağı tasarımınız ve PCB yerleşiminiz için faydalı bilgiler sunacağını umuyoruz.
Soru-1: İki adet DC/DC dönüştürücü kullanılırken, karşılıklı etkileşimden kaynaklanabilecek performans sorunlarını nasıl öngörebilir ve önleyebiliriz?
İki adet DC/DC dönüştürücü kullanıldığında, dikkat edilmesi gereken en önemli konulardan biri, ortak VIN hatları ve GND bağlantıları üzerinden oluşabilecek gürültü etkileşimini en aza indirmektir.
Örneğin, bir DC/DC dönüştürücüdeki anahtarlama sırasında meydana gelen hızlı akım değişimleri, ortak GND hattında voltaj dalgalanmalarına yol açabilir. Eğer bu dalgalanmalar diğer dönüştürücüye ulaşırsa, çıkış voltajına (VOUT) gürültü ekleyebilir veya dönüştürücünün çalışmasını olumsuz etkileyebilir.
Bu nedenle, VIN ve GND üzerinden kaynaklanan etkileşimleri en aza indirmek için uygun bir PCB yerleşimi (layout) kritik öneme sahiptir.
Aşağıdaki hususlar göz önünde bulundurulmalıdır:
Yük noktası (Point-of-Load – POL) yerleşimi: Örneğin, 3,3 V ve 1,8 V güç kaynakları kullanılıyorsa, her bir DC/DC dönüştürücüyü, ilgili voltaja ihtiyaç duyan yükün yakınına yerleştirin.
Akım döngülerini en aza indirme: Her bir dönüştürücü için giriş kapasitörü (CIN), entegre devre (IC), endüktör (L) ve çıkış kapasitörünü (CL) uygun şekilde konumlandırın. Özellikle yüksek frekanslı anahtarlama akım döngülerini mümkün olduğunca kısa tutun.
Ortak empedansı azaltma: Güç kaynağı hatlarının veya GND bağlantılarının ortak kısımlarından geçen anahtarlama akımları, diğer devrelere gürültü taşıyabilir. Akım yollarını dikkate almak ve ortak empedanstan kaynaklanan etkileşimi en aza indirmek önemlidir.
Endüktörler arasındaki manyetik kuplajı önleme: Endüktörler birbirine yakın yerleştirildiğinde, manyetik kuplaj nedeniyle etkileşim oluşabilir. Endüktörlerin aralarındaki mesafeye ve yönelimlerine dikkat edin; gerektiğinde ekranlı (shielded) endüktörler kullanmayı değerlendirin.
Dijital ve analog devreler için ayrı güç kaynakları kullanıldığında, GND akımlarının birbirini etkilemesini önlemek adına, dönüş akımı yollarını (return current paths) doğru şekilde tasarlamak da büyük önem taşır.
GND düzleminde (plane) boşluklar (slotlar) açmak bir yöntem olsa da, bu durum dönüş akımlarının daha uzun yollar izlemesine ve gürültünün artmasına neden olabilir. Bu nedenle, bu yöntemin uygunluğu, devre konfigürasyonuna bağlı olarak dikkatlice değerlendirilmelidir.
Soru-2: İki DC/DC dönüştürücü arasındaki etkileşim, SIwave ve LTspice gibi araçlar kullanılarak simüle edilebilir mi?
PCB yerleşiminden parazitik direnç ve endüktans değerlerini çıkarıp bunları bir SPICE simülasyonuna dahil ederek, DC/DC dönüştürücüler arasındaki belirli gürültü etkileşimi türlerini öngörmek mümkün olabilir.
Örneğin, PCB yollarındaki parazitik unsurları analiz etmek için SIwave veya benzeri bir araç kullanılabilir; elde edilen sonuçlar daha sonra LTspice gibi bir devre simülatörüne aktarılabilir.
Ancak, simülasyon yoluyla doğru bir şekilde yeniden oluşturulabileceklerin sınırları vardır.
DC/DC dönüştürücü entegre devrelerine (IC) ait genel amaçlı SPICE modelleri, dahili devre detaylarının tamamını yansıtmayabilir. Bu nedenle, ani gürültülerin (spike noise) dahili referans voltaj devreleri veya kontrol devreleri üzerindeki etkileri gibi durumlar tam olarak değerlendirilemeyebilir.
Simülasyonun doğruluğu, PCB’deki parazitik unsurların ve akım yollarının ne kadar iyi modellendiğine de bağlıdır.
Özellikle, GND düzlemi içindeki akım dağılımını ve hızlı anahtarlama akımlarının neden olduğu voltaj dalgalanmalarını hassas bir şekilde modellemek zor olabilir.
Bu nedenle simülasyon, tasarım aşamasında olası etkileşimleri tespit etmek için yararlı bir araçtır; ancak simülasyon modelini doğrulamak adına elde edilen sonuçları, gerçek bir PCB üzerindeki ölçümlerle karşılaştırmak önemlidir.
Soru-3: Otomatik PWM/PFM geçişine sahip DC/DC dönüştürücülerde, endüktans değeri (L) değiştirilerek geçiş noktası ayarlanabilir mi?
Prensip olarak, endüktans değerinin (L) değiştirilmesi, endüktör akım dalgalanmasını (ΔIL) değiştirir; bu da PWM/PFM geçiş noktasını etkileyebilir.
Ancak, geçiş noktasının ne ölçüde değişeceği, DC/DC dönüştürücü tarafından kullanılan kontrol yöntemine bağlıdır.
Günümüzde birçok DC/DC dönüştürücü, faz dengeleme (kompanzasyon) devrelerini kendi bünyesinde barındırır. Akım modlu kontrol gibi yöntemlerde, endüktör akımının eğimi, kontrol karakteristiklerini ve kararlılığı etkiler.
Bu nedenle, endüktans değerini değiştirmek sadece PWM/PFM geçiş noktasını değil; geçici durum tepkisini (transient response) ve çalışma kararlılığını da etkileyebilir.
Ayrıca, bu kontrol yöntemlerini kullanan dönüştürücülerde izin verilen endüktans aralığı, geleneksel voltaj modlu kontrollü dönüştürücülere kıyasla daha sınırlı olabilir.
Dolayısıyla, PWM/PFM geçiş noktasını değiştirmek amacıyla endüktans değerini ayarlarken bile, her zaman veri sayfasında (datasheet) önerilen aralıkta bir değer seçmeli ve gerçek devre üzerinde çalışmayı doğrulamalısınız.
Soru-4: Bir DC/DC dönüştürücüyü gerçek bir üründe kullanmadan önce neleri değerlendirmek gerekir? Uygun endüktör akım dalgalanması (ΔIL), veri sayfasından (datasheet) belirlenebilir mi?
Bir DC/DC dönüştürücüyü gerçek bir üründe kullanmadan önce aşağıdaki hususları değerlendirmenizi öneririz.
1. Temel Performans Değerlendirmesi
Çıkış voltajı (VOUT) regülasyonu: Giriş voltajı (VIN) ve yük akımı (IOUT) değiştiğinde, VOUT değerinin belirtilen aralıkta kaldığını doğrulayın.
Dönüşüm verimliliği: Beklenen yük akımı aralığındaki verimlilik özelliklerini kontrol edin.
Çıkış voltajı dalgalanması (ripple): VOUT dalgalanma dalga formunun kararlı olduğunu; genliğinin ve frekansının beklendiği gibi olduğunu teyit edin.
Sıcaklık artışı: Entegre devrenin (IC), endüktörün ve diğer ilgili bileşenlerin sıcaklığını kontrol edin. IC sıcaklığını değerlendirmek için, IC pinlerinin yakınındaki PCB sıcaklığı referans olarak alınabilir.
Geçici durum yanıtı (Transient response): VIN veya IOUT değiştiğinde VOUT değerindeki değişimleri ve yanıt dalga formunu gözlemleyin. Eğer salınımlar (ringing) üç veya dört döngüden uzun sürerse, faz marjının yetersiz olması söz konusu olabilir. Ancak, kararlılık durumu yalnızca salınım sayısına bakılarak belirlenemez.
2. Anahtarlama İşlemi ve Endüktör Akımı Değerlendirmesi
Lx pini dalga formu: PWM/PFM işleminin beklendiği gibi gerçekleştiğini doğrulayın.
Endüktör akımı (IL) dalga formu: Dönüştürücünün amaçlandığı şekilde çalıştığından emin olmak için akım dalgalanmasını (ΔIL) ve tepe akımını (peak current) kontrol edin.
Endüktör akımı dalga formlarını değerlendirmek için, DC/DC Simülasyon aracımızı kullanarak ölçülen dalga formlarını, seçilen çalışma koşulları altındaki simülasyon sonuçlarıyla karşılaştırabilirsiniz.
DC/DC Simülasyonu
https://product.torexsemi.com/ja/design-support/dcdc-simulation
“Dalga Formu” (Waveform) işlevi, belirli koşullar altındaki çalışma dalga formlarını incelemenize olanak tanır.
Bununla birlikte, gerçek dalga formları anahtarlama frekansına ve endüktans değerine bağlı olarak farklılık gösterebilir.
Ayrıca, endüktans değeri DC önyargı akımı (DC bias current) nedeniyle düşebilir. Sonuç olarak, ölçülen tepe akımı, simülasyon değerinden biraz daha yüksek olabilir. Değişim derecesi kullanılan endüktöre bağlı olduğundan, ΔIL için evrensel olarak kabul edilebilir bir aralık tanımlamak zordur.
3. Endüktör Seçiminde Dikkat Edilmesi Gereken Noktalar
Bir endüktörün uygun olup olmadığını belirlemek için yalnızca akım dalga formunu değil, aynı zamanda endüktör veri sayfasında (datasheet) belirtilen aşağıdaki özellikleri de kontrol etmek önemlidir.
DC öngerilim (DC bias) karakteristikleri: DC akımının neden olduğu endüktans düşüşü, önerilen endüktörünkiyle kıyaslanabilir düzeyde veya ondan daha küçük olmalıdır.
Akım değeri (Current rating): Tepe akımını ve entegre devrenin (IC) aşırı akım koruma eşiğini göz önünde bulundurarak yeterli bir marj bıraktığınızdan emin olun.
Sıcaklık artışı: Endüktör sıcaklığının, gerçek çalışma koşulları altında izin verilen aralıkta kaldığını doğrulayın.
Tüm bu faktörleri göz önünde bulundurarak, DC/DC dönüştürücü veri sayfasında belirtilen önerilen koşulları karşılayan bir endüktör seçin.
Soru-5: Bir DC/DC dönüştürücünün yakınına yerleştirilmemesi gereken bileşenler var mı? Örneğin, manyetik sensörler bundan etkilenebilir mi?
Evet. Manyetik sensörler, yakınlarındaki DC/DC dönüştürücülerden etkilenebilecek bileşenler arasındadır.
Dönüştürücünün endüktöründen yayılan manyetik akı, bir manyetik sensörün ölçüm hassasiyetini olumsuz etkileyebilir.
Endüktörden DC akım da geçtiği için, yalnızca anahtarlamadan kaynaklanan değişken manyetik alana değil, aynı zamanda DC akımla ilişkili manyetik alana da dikkat edilmelidir; zira bu durum sensör okumalarında bir sapma (offset) hatasına yol açabilir.
Gürültüye duyarlı diğer bileşenler arasında işlemsel yükselteçler (op-amp’ler) ve ADC’ler gibi düşük seviyeli analog devrelerin yanı sıra voltaj referans devreleri ve saat (clock) devreleri bulunur. Bunlar da anahtarlama gürültüsünden etkilenebilir.
Aşağıdaki önlemlerin alınması önerilir:
Bileşen yerleşimi: Gürültüye duyarlı bileşenleri ve sinyal yollarını, endüktörden ve anahtarlama düğümünden (Lx) mümkün olduğunca uzağa yerleştirin.
Endüktör seçimi: Manyetik akı sızıntısı düşük olan, ekranlı (shielded) bir endüktör kullanın.
PCB yerleşimi ve GND tasarımı: Yüksek frekanslı anahtarlama akım döngülerinin kapladığı alanı en aza indirin ve gürültünün hassas sinyal devrelerine karışmasını (kuplajını) önleyin.
Gerçek etki, çalışma koşullarına ve PCB yerleşimine bağlıdır. Eğer gürültüye duyarlı bileşenlerin bir DC/DC dönüştürücünün yakınına yerleştirilmesi zorunluysa, bu bileşenlerin performansını nihai donanım üzerinde doğrulamanızı öneririz.
Web Tasarım 