TIỂU LUẬN TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ Bộ điều chỉnh nguồn OnChip giảm nhiễu chuyển mạch

TIỂU LUẬN TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ Bộ điều chỉnh nguồn OnChip giảm nhiễu chuyển mạch Tóm tắt: Trong mạng tự động đồng bộ phân phối nhịp thông thường, mạch kỹ thuật số mô phỏng trên cạnh của xung; do đó, họ tạo ra nhiễu mức cao (hoặc di dt) trên đường mạch cấp do các đỉnh nhọn của dòng điện, đó là nguồn phát điện từ (EME).

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

TIỂU LUẬN

TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ

ĐỀ TÀI : Bộ điều chỉnh nguồn On-Chip

giảm nhiễu chuyển mạch

TRẦN QUANG HÀO 110838

EME : Electromagnetic Emissions

EME-SR : EME-suppressing regulator

Clock FM

Tóm tắt: Trong mạng tự động đồng bộ phân phối nhịp thông thường, mạch kỹ thuật số

mô phỏng trên cạnh của xung; do đó, họ tạo ra nhiễu mức cao (hoặc di / dt) trên đường mạch cấp do các đỉnh nhọn của dòng điện, đó là nguồn phát điện từ (EME)

Trong bài báo này, chúng tôi chứng minh sự kết hợp hiệu quả của hai kỹ thuật thiết kế giảm tiếng ồn di / dt dựa trên nguồn cấp hình thành kỹ thuật: 1) giới thiệu một EME điều chỉnh (EME-SR) với một vòng phản hồi kỹ thuật số và 2) FM của các EME-

SR thời gian rời rạc xung Kỹ thuật giảm đỉnh miền thời gian cũng như nguồn trong miềntần số bằng cách rời rạc thời gian EME-SR Loại thứ hai là kỹ thuật làm giảm đỉnh của nguồn trong miền tần số bằng cách trải nguồn này vào miền sidelobes

I Giới thiệu.

Thiết bị điện tử tự động đang phát triển và các module càng trở nên phức tạp Tần

số sử dụng cũng ngày càng tăng Do đó khả năng tương thích điện từ (EMC) trở thành vấn đề thách thức cho các kỹ sư Về cơ bản có ba vấn đề cần được giải quyết

Đầu tiên là để giảm thiểu nhạy cảm điện tính (EMS) để các thiết bị điện tử được bảo vệ chống lạikhông mong muốn nhiễu điện từ (EMI) gây ra bởi khác hệ thống điện tử.Vấn đề EMS chủ yếu cho các mạch tương tự Thứ hai, bảo vệ các thiết bị điện tử chống lại một môi trường khắc nghiệt bao gồm nguồn cấp lớn hoặc nhiễu gây ra bằng cách chuyển đổi của switch hoặc tải cảm ứng, chẳng hạn như đèn, khởi động động cơ, quạt làm mát, vv Cuối cùng, giảm thiểu bức xạ điện từ được tích hợp vào trong các mạch tự động, đó là chủ đề của bài báo này

Những thay đổi biên độ của dòng điện trong kĩ thuật số, chuyển mạch vào ra trongcác mạch tích hợp làm nguyên nhân phát sinh EME Trường điện từ phát sinh trực tiếp từcác gói khung và mạch định tuyến ở cấp độ silicon được coi là bức xạ (30–100 MHz) Các xung dòng điện tại chân của IC hoạt động như ăng-ten phát, được gọi bức xạ điện dẫn (150 kHz-30 MHz).Vì vậy, việc làm giá trị của di / dt (dao động điện) nhỏ đi, do đó làm cho các dòng không đổi, rất cần thiết để giảm EME ở cấp độ chip

phổ xung (SSC) được đề xuất để giảm EME của hệ thống xung Nhưng không may, SSC

có kiến trúc phức tạp nó không được dùng khi mà xung của hệ thống cần được đồng bộ với tín hiệu đồng bộ thời gian Tuy nhiên nó được lưu ý bởi nhà thiết kế chip và hệ thống Một kỹ thuật hữu ích hơn là thêm một khối, trong khi vấn đề thiết kế và thời gian của các khối IP nội bộ vẫn như cũ, vì thế đồng nghĩa mạch được duy trì mà không có bất kỳ mạch giao diện Đó là phương pháp EME điều tiết (EME-SR), sẽ được thảo luận tiếp theo

Bài viết này được tổ chức như sau.Mục II giới thiệu nguyên tắc của các ý tưởng đềxuất, trong khi tại Mục III trình bày mối quan hệ giữa chức năng chuyển dòng (TF) và thông số của mạch được thảo luận Phần IV thảo luận về một thời gian liên tục của EME-

SR Trong phần V, một thời gian rời rạc EME-SR được đề xuất dựa trên tuyến tính và xấp xỉ bậc, tại mục VI, FMof EME SR rời rạc thời gian để giảm mức độ EME trong một phạm vi tần số rộng được thảo luận Tại mục VII, một so sánh giữaEME-SR và kỹ thuật thiết kế khác được đưa ra Cuối cùng, mục VIII trình bày tóm tắt

II Tiếp cận

Các cơ sở kỹ thuật được đề xuất là thay thế vị trí của một mạch trung gian, tức là, EME-SR, giữa pin VBAT và VREG nút của các mạch kỹ thuật số (xem hình 1) Phần độc đáo trong thiết kế này là cách tiếp cận hai bước Như có thể nhìn thấy từ dòng tải IEME

Hình 1: Nguyên lý của EME-SR

Hình 2: Sơ đồ khối chung của EME-SR

Đầu tiên ta sử dụng bộ điều chỉnh thấp cổ điển (LDO) Sau đó, ta sử dụng

EME-SR từ thực tếrằng các đầu vào của LDO có thể thay đổi từ VBAT (12 V) giảm điện áp của LDO trên điện áp lõi kỹ thuật số (3,3 V) Tụ điện giảm nhiễu bằng cách cung cấp dòng Trong phương pháp này, Ctank cũng cung cấp năng lượng cho dòng, nhưng ta cho phép một ΔV lớn trên Ctank để tránh biến đổi dòng lớn đối với VBAT

Zhou và Dehaene chỉ ra rằng việc sử dụng của nguồn dòng có thể giảm di / dt lớn.Điều này ngụ ý rằng nếu chúng ta có thể tìm thấy một cách thông minh để kiểm soátdòng trong lõi kỹ thuật số, EME cũng sẽ được điều khiển dưới sự kiểm soát Sơ đồ khốichung của mạch được hiển thị trong hình 2 Nó bao gồm của một nguồn dòng điềukhiển, một mạch điều khiển, một tụ Ctank, và một LDO Ctank được kết nối với các đầuvào của LDO LDO chuyển đổi một điện áp Vout cao đến 3,3 V lõi trong kỹ thuật số.Ctank được tích điện dưới kiểm soát nguồn dòng EME-SR được hiển thị bên trong tronghình 2 Sự xuất hiện của di / dt lớn có nghĩa là dòng thay đổi đột ngột Sự thay đổi nàyđầu tiên được thu nhận bởi Ctank Do đó, các thay đổi Vout.Điều này được cảm nhận bởi các mạch điều khiển dòng thích nghi của nguồn dòng đểthiết lập một trạng thái dòng ổn định tương ứng Đây là phản ứng chậm của vòng điềukhiển làm giảm di / dt trên mạch điện Ctank cung cấp cho dòng ban đầu, sao cho nó đủlớn Nếu không phải là trường hợp như vậy, một khối chuyển đổi khẩn cấp tham gia đểcung cấp dòng ngay lập tức Những thay đổi tương đối lớn của Vout không thấy đượctrong kỹ thuật số bởi LDO

Hình 3: Tuyến tính xấp xỉ của xung dòng điển hình trong IC

Trong kĩ thuật số đỉnh của dòng điện tồn tại trong thời gian ngắn, dạng và thời gian đáp ứng sẽ quyết định độ rộng phổ tần số Để ước lượng giá trị của EME-SR ta xác định tỉ số di/dt (dòng điện) theo:

EME EME EME

Laplace[(di/dt) ] sI (s) I (s)( )

Đó là tỉ số của dòng IBAT tại VBAT và dòng xoay chiều IEME tại VREG

III Xác định I EME bởi di/dt TF.

A Xấp xỉ bậc đầu của TF di / dt

Đáp ứng tổng của di/dt TF là để thấp hơn tần số EME bắt đầu từ 150 kHz

1( )

(2)

s và FC là các tham số phức và cắt -3 dB tần số, tương ứng

1) Ước lượng phổ EME: nguồn dòng xung trong mạch số được tính xấp xỉ như hình 3 (IEME) đó là xấp xỉ tuyến tính của xung Có một công thức tính chính xác cho dòng xung có thể thực hiện bằng biến đổi Fourier (giả sử rằng tr = tf), kết quả

2) Trạng thái động của EME-SR: Đầu ra lớn nhất của hiệu điện thế xuất hiện khi dòng nhảy từ mức 0 đến mức cao

tan tan

p OUT

k k

I t Q

IEME điện áp gate của transistor coi như không đổi Vì EME-SR không có nhiều lợi thế của một tụ có điện áp lớn mà dựa vào các đặc tính của chip Nó sẽ tạo dòng từ VBAT,

nguồn dòng không đổi phải được thay thế bởi nguồn dòng thích nghi, hình 4 Dòng IBAT

dễ dàng được tính toán theo:

Hình 4:(a) thông tin phản hồi chậm vòng EME-SR (b) tương đương mạch cho tải nhanh

EME

tan

( )( )

Hình5.ΔVOUT là hàm của Ctank và tần số cắt fc, dòng xung i.e, IP, tp, và tr.

Hình 6: Đồ thị của ΔVOUT so với IP và tp

B ΔVOUT với Ctank và FC

Hình 5 thể hiện ΔVOUT như một hàm của Ctank và FC IEME được tính, IP = 35

mA, tp = 15 ns, và tr = tf = 8 ns Về cơ bản, FC thấp , ΔVOUT điện áp giảm và Ctank lớn

C ΔVOUT với IP và tp

Cho Ctank = 100 pF kHz fc = 150, và tr = 8 ns phụ thuộc ΔVOUT trên IP và tp được thể hiện trong hình 6 Rõ ràng thấy từ đường đồng mức, đó là một ΔVOUT mong muốn, sản phẩm của IP và tp là hằng số, ví dụ:

Constant = Ip tp (9)Điều đó nghĩa là có một sự cân bằng giữa tp và Ip cho FC, Ctank, và ΔVOUT

Bảng 1

Hình7.Sơ đồ của EME-SR.

D Tính toán Ctank tối thiểu

Bảng I cung cấp cho một số giá trị tính toán của Ctank tối thiểu cần thiết cho FC mong muốn, IEME, và ΔVOUT lớn nhất có thể (5 V trong trường hợp này) Nếu độ rộng xung IEME rộng, ví dụ, trong phạm vi của một vài micro giây, sau đó Ctank rất lớn, tức là, hàng chục nanofarad Mặt khác, một xung ngắn cần một nhiều giá trị tụ điện nhỏ hơn, ví

dụ, hàng trăm picofarad FC và ΔVOUT May mắn thay, trong một CMOS hiện đại mạch

kỹ thuật số, xung hiện nay là bình thường ngắn [12], [13].Tuy nhiên, giá trị của Ctank được giới hạn trong phạm vi của một vài trăm picofarad để làm cho nó tích hợp đầy đủ trên chip

Vì vậy, trong trường hợp này, aCtank với khoảng 230 pF là lựa chọn hợp lý

IV THỰC HIỆN THỜI GIAN LIÊN TỤC CỦA EME-SR

2 aux

11

C

=

(13)

Hình 8.Đơn giản hóa mô hình tín hiệu nhỏ cho di / dt TF analysis.re

aux 2

1 là đạt được của giai đoạn trung, và AV 2 là đạt được giai đoạn nguồn hiện tại Để làm cho hệ thống ổn định, (P2 / GBW) nên được lớn hơn 3 lần với 72 ◦ pha Như có thể thấy

từ (14), cho tải gm, OTA, RLoad, và ro, năng lượng, tỷ lệ Caux / Ctank xác định sự ổn định

B di / dt TF Phân tích liên tục thời gian EME-SR

Đơn giản hóa di / dt TF mô hình tín hiệu nhỏ của EME-SR được hiển thị trong hình 8 Theo hình 8, chúng ta có được:

(17)ωz1 ≈ gmOTA / Caux, ωz2 nằm ở tần số cao, ωp1 ≈ gmOTA / Caux là cực Vctrl, ωp2 ≈ gm, nguồn / Ctank tại Vout, và ωp3 cực gây ra bởi bù khi mà nằm ở tần số cao

1) Dòng 1 chiều với tạp âm tần số thấp di / dt: Bất kỳ điều ảnh hưởng đến độ lợi của các vòng phản hồi cũng ảnh hưởng đến di / dt trong khu vực có tần số thấp Trong số

đó, quan trọng nhất là tải dòng bộ điều tiết, vì nó rất khác nhau Khi tải tăng hiện nay, vòng lặp output là vòng mở giảm EME-SR (kể từ khi một trở kháng đầu ra MOSFETs tỉ

lệ nghịch với dòng tải) Tăng tải hiện nay cũng đẩy cực đầu ra ωp2 đến một tần số cao hơn, làm tăng vòng phản hồi băng thông Hiệu quả là tải tăng, do đó, giảm di / dt tại tần

số thấp Do đó, di / dt TF ở tần số thấp phải được phân khác

Hình 9.Ví dụ về di / dt TF EME-SCR (a) dòng từ thấp đến trung bình (b) dòng từ thấp

đến caoa) dòng từ thấp đến trung bình: Hình 9 (a) mô tả di / dt TF HI (s) Các đáp ứng HI (s) như mong đợi Trong trường hợp này gm rất nhỏ, năng lượng Ctank lớn hơn so Caux Miller tụ điện bù, làm cho các ωp2chiếm ưu thế cực trong TF di / dt, vì thế ωp2 xác định tần số cắt -3 dB Cực dò (ωp1) và cực không (ωz1)thể hiện trong (17), TF di / dt có thể được tính xấp xỉ như cực hệ thống

b) dòng từ thấp đến cao: Hình 9 (b) cho một ví dụ về di / dt TF HI (s) trong dòng

từ thấp đến cao Kết quả là điểm 0 và cực vẫn vậy, cực thứ hai ωp2, cắt -3 dB tần số của

TF di / dt Vì vậy, nó vẫn có thể được xem như là một một cực của hệ thống Tuy nhiên, thời gian này, sự khác biệt là tần số cắt được chuyển sang một tần số cao hơn so với ωp1,

vì gm được tăng lên rất nhiều do sự tăng của dòng Do đó, tạp âm động di / dt trên đườngtruyền là phụ thuộc và điểm dò 0

2) Chặn di / dt tần số cao: Khi nhiễu tần số tác động nhiều độ lợi tần số của EME

SR, vòng phản hồi không tác dụng, vì vậy Ctank vượt trội với các tụ kí sinh từ VBAT để Vout Độ chặn tối đa di/dt được đưa ra:

, ax

Hình 10 Tạp âm EME nối từ Vout đến VBAT.

Cdb,power là điện dung thoát của bóng bán dẫn Điều này nghĩa là tạp âm tần số cao

di / dt yêu cầu Ctank lớn và Cdb nhỏ, năng lượng Tuy nhiên, giá trị của Ctank được giớihạn trong phạm vi của một vài trăm picofarad để làm cho nó được tích hợp trên chip

C Tính liên tục về thời gian

EME-SR thời gian liên tục có thể ngăn tối đa 35 dB di / dt tạp âm ở tần số cao với

30 μA và 100 pF điện dung tích hợp trên chip Tần số cắt khoảng 1.6MHz và suy giảm làbão hòa ở 30 MHz [14] Để đạt được mức giảm tạp âm -3 dB thấp hơn tần số cắt, chúng

ta phải phân tích mạch một lần nữa

Hình10 cho thấy tạp âm nối từ đầu ra cho các VBAT Cdb,power được giảm M1

và M2 thể hiện trong hình 7, mà sẽ giảm tạp âm được hiển thị trong hình 10

Như đã đề cập trước đó, kể từ khi ωz1 hủy bỏ ωp1, các tần số cắt là chuyển sangtần số cao hơn và tần số không cho các cấu trúc liên kết thông tin phản hồi, do đó di / dtđộng, tạp trên đường dây cung cấp điện bị triệt tiêu Trở kháng của tụ bù Caux trở thànhthấp khi tần số tăng, vì vậy cửa và cống của dòng transistor phụ thuộc nhau Do đó, bất

kỳ thay đổi Vout sẽ được truyền Caux Vctrl, tạo dòng từ VBAT

Sự bù theo Miller từ quan điểm giảm diện tích và nó cũng là tương đối đơn giản, nhưng phân tích trước đây, bù Miller cũng là gốc rễ của phiền hà cho tạp âm Để tránh những vấn đề được đề cập, chúng ta phải loại bỏ các bù Miller và bù EME-SR theo cách khác nhau Một lựa chọn là để bù với một tụ lớn giữa Vctrl và mặt đất, và bằng cách sử dụng một bộ khuếch đại thông tin phản hồi với trở kháng cao đầu ra

Bằng việc phân chia các kết nối giữa Vout và Vctrl, tạp âm EME đường B hiển thịtrong hình 10 là hoàn toàn biến mất, do đó một di / dt của tần số cắt thấp hơn có thể đạt được Sử dụng một băng thông thấp và thông tin phản hồi thu được thấp-bộ khuếch đại, tạp âm EME đến đường A có thể giảm

Do đó, để đạt được một tần số di / dt cắt thấp hơn,t sử dụng cho một trong hai kỹ thuật tiên tiến bù hoặc phương pháp tiếp cận Sau này sẽ được thảo luận trong phần tiếp theo.

Hình11.Nguyên tắc của xấp xỉ tuyến tính và bậc của nguồn cấp hiện nay

V Thời gian thực hiện rời rạc - kỹ thuật vòng lặp phản hồi EME-SR số

A xấp xỉ tuyến tính và nhảy bậc của dòng bậc

Giả sử bước dòng đầu vào lin (t) Đáp ứng của dòng sau khi đi qua hệ thống profile thấp (ví dụ, EME-SR) được:

max 0

xỉ tuyến tính đáp ứng dòng nhảy bậc Các Istep và Tstep được xác định bằng (22) để có

τ = 1/fC là hằng số thời gian của phản ứng và k là độ dốc kiểm soát factor.When k

= 1, phản ứng dòng nhảy bậc thay đổi 63,2% của từ 0 đối với giá trị cuối cùng của nó

Hình 12.Nguyên tắc của hệ thống thông tin phản hồi điều chỉnh số vòng lặp

Dòng đạt đến 99,3% sau 5τ, khi k = 5 Ví dụ, dòng đáp ứng trong mười bước và 3τ (tức là, k = 3), và FC mong muốn =150 kHz, sau đó Tstep được đưa ra như sau:

dt của dòng cấp có đỉnh ở mỗi Tstep Trong miền tần số, nó là tương đương với sự dịch dòng tới phạm vi tần số cao Tuy nhiên, vì Istep là nhỏ hơn nhiều so với dòng ban đầu Imax, vì vậy themaximum di / dt giá trị nhỏ hơn Mặt khác, do các tụ điện tăng trên chip

và điện dung cổng ở các bóng bán dẫn điện tạp âm tần số cao sẽ bị giảm hoặc lọc

B Phản hồi điều khiển vòng số

Dạng sóng đầu ra của bộ chuyển đổi kỹ thuật số-to-analog (DAC) theo lý thuyết

có dạng bậc thang Căn cứ vào đặc tính này, các nấc của dòng được coi như những mẫu của dòng điện bậc với chu kì lấy mẫu 1/Tstep Một cấu trúc đơn giản với một mẫu và thôngtin phản hồi quantizer-DAC theo vòng, như trong hình12

Ở đây, điện áp đầu ra Vout là liên tục so sánh với điện áp tham chiếu Vref Sai khác giữa Vout và Vref được chuyển thành tín hiệu số đến bộ quantizer Bộ DAC sẽ chuyển các thông tin số thành các dạng tương tự, tỉ lệ thuân với sự sai khác giữa Vout và Vref

Điều quan trọng của kiến trúc này là đơn giản, quantizer băng thông thấp, và DAC

có độ phân giải thấp được sử dụng điều khiển số vòng lặp điện áp Một điều quan trọng khác là sự ổn định phụ thuộc vào vòng lặp điệp áp số Một điều cần lưu ý là do các đặc tính của phản hồi số, mức cấp điện áp ra Vout không cố định như điện áp liên tục theo thời gian Cơ bản nó không phù hợp giữa dòng cấp IBAT và dòng tải IEME Thực tế Vout thay đổi từ VBAT đến Vmin , Vmin được tính bằng điện áp cung cấp (3,3V) cộng với điện áp LDO (thông thường là 200mV) Đó là dao động không thể tránh và có thể được giải quyết với 1 bộ LDO sau EME-SR

Cách làm băng thông của vòng số thấp là điều chỉnh xung của bộ quantizer chậm,

nó sẽ làm cho đầu ra Vout chính xác trong LSB của bộ DAC ( bộ DAC 5-6 bit là đủ ) Băng thông thấp là cần thiết để giảm nhiễu của nguồn cấp Đặc biệt trong trường hợp tần

số thấp Điều này được chứng minh bằng mô phỏng MATLAB với mạch tích hợp tốc độ cao với tín hiệu tương tự và mạch phần cứng VHDL-AMS

Hình 13: Sơ đồ khối của mạch thời gian rời rạc EME-SR

Hình 14.Sơ đồ hoạt động mạch thời gian rời rạc EME-SR

C Mô phỏng mạch cấp cao