みなさんこんにちは私の名前は Georgeで、こちらが Xinです。両者とも MPS、Monolithic Power Systems に勤務しています。本日は超低ノイズとリップルの性能を実現するために電源モジュールでの最適化方法についてお話しします。

背景を説明すると、世界中のワイヤレスネットワークやデータセンターで見られる驚異的な成長と生み出される需要により、高電力密度を達成するだけでなく超高速過渡性能と高効率を達成できる電源レギュレータ開発の需要が、当社にとって大きな課題になっています。

今日の産業界を見ると、高性能RFトランシーバが適合し、必要とされるさまざまなプロバイダやアプリケーションが多くあります。したがって、RFデータコンバータの性能は、レギュレータ自体のノイズレベルと密接に関連しています。

そのため今日ではほとんどの場合 LDOがこれらのアプリケーションで使用されています。しかし、今日ここでお話ししたいのはスイッチング・レギュレータを使用して、 LDOにより非常に低いノイズ性能を実現すると同時に LDOよりもはるかに高い効率を実現する方法です。

電圧レギュレータについてはスイッチング波形を個人的に確認できます。この図でわかるようにこれは電源技術を備えた電圧レギュレータです。下部の動作原理については S1スイッチをオンにして S2をオフにすると導体が充電されることがわかります。そして導体の電流が増加します。

そして S2をオンにしてS1をオフにすると導体電流が放電されます。インダクタの電流傾向はコンデンサの電圧変化にもつながり電圧リップルをもつ電圧も生成します。

そこで CCM動作でモジュールを動作している場合、ゆっくりと低いレベルをもたらすことができます。出力負荷リップルはここの式に基づいて推定できます。理想的には十分な大きさの出力コンデンサを配置すれば基本的に電圧リップル振幅を完全に排除できることがわかります。

しかし実際にはそうではありません。まず莫大な静電容量を持つモジュールの近くに配置できるコンデンサがないことがわかります。またこのようにコンデンサの機能的役割を理解することもでき高周波成分に対して低インピーダンスパスを提供します。

したがって実際には出力の容量を大きくしようとするとより多くのコンデンサを配置する必要があります。そして低USR のセラミックコンデンサが望まれます。この図はMPM3833C部品モジュールの出力コンデンサの配置方法の例です。

まず出力面に非常に近いコンデンサをグランドに配置します。出力電圧リップルを除去するために容量を増やしたい場合はより多くのセラミックコンデンサを並列に配置する必要があります。このソリューションの問題はモジュールから離れた位置にあるコンデンサがループに、より多くの寄生インダクタンスや寄生抵抗をもたらすことです。

そして今述べたようにコンデンサの機能は高周波部品に低インピーダンスの高いパスを提供することです。しかし寄生インダクタンスと抵抗の増加は、このパスのインピーダンスを増加さます。そのためコンデンサをますます多く配置しても出力電圧リップルを大幅に削減することはできません。

またこの解析をシミュレーションにも取り入れました。ご覧の通りモジュールの動作状態は電圧が 5 ボルトです。出力電圧は 1.2 ボルトです。そして負荷は 2 アンペアです。まずモジュール用に22マイクロファラッドの出力コンデンサを設置します。

ご覧のとおり、出力電圧リップルは4ミリボルトのピークツーピークです。その後コンデンサをさらに追加します。図Bでは、3つの22マイクロファラッドの出力コンデンサを使用した結果を示しています。出力電圧リップルは2ミリボルトのピークツーピークに低減されます。そしてご覧のように 4 つの出力コンデンサを並列に配置します。

ご覧のようにピークツーピーク電圧リップルは 2ミリボルトから1.7ミリボルトにしか減らすことができません。そのため出力コンデンサをどんどん入れても、超低ノイズ設計の実現には役立たないのです。

そして超低ノイズの電源モジュールを設計するためのＭPSのソリューションは、出力コンデンサに第 2 段のフィルタを追加することです。フィルタは、基本的には主電源装置との出力コンデンサを通じたカスケード接続です。通常出力コンデンサ自体を使用して出力電圧リップルの大きさを1ミリボルトレベルに低減できます。

しかし出力電圧をマイクロボルトレベルにしたい場合はこの2 段フィルタを追加する必要があります。またフィルタはインダクタとコンデンサで構成されています。このフィルタの設計ではまず出力コンデンサを計算してこの段上の出力電圧が5 ミリボルトから 10 ミリボルトの、幅に低減できることを確認します。

この幅は設計に基づいてわずかに調整できます。次に第2段フィルタ用のインダクタを選択します。 0.22 マイクロヘンリーから1 マイクロヘンリーの値の幅内でインダクタを固定できます。またインダクタはレギュレーション性能とシステム全体で同様の性能を保証するために、最小の DCR を選択する必要があります。

したがってシステム設計では通常出力電圧リップルのターゲットが設定されます。この場合出力の電圧リップルを知っているため 2 段目フィルタの設計を軽減することはできません。

そして他のシステムであるLC フィルタは値プロット上で40dB減少しているのでこの方法では、カットオフ周波数を設計して超低ノイズと後で示す公式を保証するカットオフ周波数を設計できます。このフィルタを使うとフィルタ用の選択されたインダクタのこともすでに知っているので、 C1で必要な容量も簡単に計算できます。

また基本的には今言ったように 2段目のフィルタはLCフィルタで 2次システムです。このシステムは共振をもたらす可能性があり、低い過渡中に望ましくないリンギングと、増幅された出力リップルをもたらす可能性があります。

そのため望ましくないリンギングと低い過渡を回避するにはシステムに十分なダンピングを追加する必要があります。ご存じのようにインダクタは通常は非常に小さく充分なダンピングを提供できない DCRを持っています。そのため, ネットワーク設計全体にダンピングブランチを追加する必要があります。

ご覧のシミュレーション回路は負荷過渡時のダンピングシステムで、かなり大きなリンギングがかなりの時間あります。しかし、より低いダンピングLCフィルタではリンギングはかなり限定されています。ここではこの式に基づくダンピング抵抗の値として選択するための標準的な基準を示します。

そこで実際のアプリケーションとして今後見る場合の例は. ターゲットにしてきたRFSOC チップセットもその1つです。これはリップルの大きさがほとんどの場合 1ミリボルト未満であるADCの目標です。これらの規格を満たすように新しい回路を、設計しなければなりませんでした。

したがって説明した従来のアプローチはこの場合 LDOアプローチであり、これは現在使用されている産業界の標準ですが大きな損失があります。しかしこれらのADCアプリケーションのほとんどで、望まれるノイズレベルを達成することもできます。

ここに示すような当社のソリューションでは電源モジュールのソリューションに加え、受動フィルタのソリューションも搭載しています。これによりお客様はこの低ノイズ性能を実現すると同時に、高効率の性能を実現できます。ここで示されているノイズは LDO ソリューションに匹敵します。

しかし同時に LDOの効率を大幅に上回ることもできます。これによりこれらの設計の熱の問題は今よりずっと少なくなります。以前はLDOの効率損失は非常大きいものでしたが当社は現在それを低減し、基本的に電源モジュールの、スイッチングソリューションを使用してはるかにすぐれた全体的ソリューションを提供できます。

これはお客様によるアプリケーションの例です。このアプリケーションでは電源モジュールは5 ボルトで VOUT は 0.925 ボルト、出力電流は 2 アンペアです。そして必要な目標リップルの大きさはお客様によってわすか20 マイクロボルトに設定されています。

この基本的なアプリケーションでは 2 段目フィルタのガイドライン設計方法を説明します。これによりモジュールの実際の低ノイズ設計を理解することができます。まず出力コンデンサで電圧リップルを計算する必要があります。

通常、電源モジュールには22マイクロファラッドの出力コンデンサが必要であり、そして十分です。このアプリケーションの場合出力コンデンサのピークツーピーク電圧リップルは 3.2 ミリボルトです。必要な電圧リップルの大きさは 20マイクロボルトで、第 2 段フィルタの減衰量とカットオフ周波数を容易に取得できます。

ご覧のとおりこの場合のカットオフ周波数設計はスイッチング周波数(91キロヘルツ)の10倍です。また 2アンペアのアプリケーション用の 0.24マイクロヘンリーのインダクタを選択しました。そして、計算されたカットオフ周波数をもつこのインダクタを組み合わせることで、必要な出力コンデンサ C1を得ることができます。これは16.25 マイクロファラッドです。

この場合実際にはより多くの出力コンデンサを使用して、負荷過渡性能が向上します。そして最終的なC1設計でお客様のアプリケーションがここにあり実際には 288マイクロファラッドです。ダンピング抵抗設計の基準に基づくと対応するダンピング抵抗は少なくとも58ミリオームです。

これが基本的に実際の低ノイズ設計を実現するために第2段フィルタを設計する方法です。ではこれでプレゼンテーションを終わります。ご不明な点がございましたらぜひご連絡ください。