Fournir une alimentation haute densité à faible bruit dans un petit facteur de forme pour les FPGA et les ASIC

Les circuits intégrés numériques avec des exigences de fort courant, tels que les FPGA et les ASIC, sont de plus en plus au cœur des systèmes embarqués pour les applications automobiles, médicales, industrielles, télécoms, de jeux et audio/vidéo grand public. Bon nombre de ces applications sont critiques, telles que les systèmes d'aide à la conduite (ADAS), et haute fiabilité telles que les data centers.

En plus des exigences de courant, ces dispositifs à basse tension ont des spécifications de tolérance strictes pour leurs rails d'alimentation. Fournir cette puissance avec efficacité, précision, performances transitoires rapides, stabilité et faible bruit est essentiel pour les performances et l'intégrité du système.

Les sous-systèmes d'alimentation et les contrôleurs de régulateurs à découpage conventionnels présentent des problèmes de bruit potentiels, à la fois sur leurs rails de sortie et sous forme d'interférences électromagnétiques (EMI) rayonnées et de perturbations radioélectriques (RFI), de réponse transitoire inadéquate et de limitations de configuration. Pour minimiser le bruit, certaines applications utilisent des régulateurs à faible chute de tension (LDO) compacts et silencieux qui offrent un rendement amélioré par rapport aux LDO antérieurs. Néanmoins, même ces LDO ne peuvent généralement pas répondre aux exigences de rendement du système, ce qui entraîne des problèmes de dissipation thermique.

L'alternative efficace au LDO est le régulateur à découpage, mais ces dispositifs ont un bruit intrinsèquement plus élevé en raison de leur fonction d'horloge et de découpage. Ce bruit doit être atténué si les concepteurs veulent tirer pleinement parti de ces dispositifs à découpage.

Heureusement, il existe de nouvelles possibilités de concilier bruit et rendement. Cet article se penche sur les innovations récentes dans le domaine de la conversion de puissance, qui présentent un haut rendement, des exigences d'espace minimales et un bruit de régulateur à découpage considérablement réduit. Il explore comment des régulateurs à découpage innovants peuvent répondre aux multiples objectifs pour les charges dans la plage de tensions à un chiffre, en dessous de 10 ampères (A), et présente les circuits intégrés Silent Switcher miniatures de la gamme LTC33xx d'Analog Devices comme exemples.

Impératif courant/tension

Lorsque les transistors et les circuits intégrés ont été inventés et perfectionnés dans la seconde moitié du 20^e siècle, l'un de leurs nombreux avantages était que leur consommation de courant par fonction était très faible par rapport aux tubes à vide qu'ils remplaçaient — facilement d'un facteur 100 ou plus. Cependant, cette avancée a rapidement conduit à des densités de fonctions plus élevées par dispositif et carte à circuit, au point que les circuits intégrés nécessitent désormais des dizaines d'ampères par rail, et souvent sur plusieurs rails.

Parmi les circuits intégrés qui requièrent ces forts courants et qui doivent donc dissiper les grandes quantités de puissance associées sous forme de chaleur, figurent les réseaux de portes programmables par l'utilisateur (FPGA) et les circuits intégrés à application spécifique (ASIC). Les deux composants sont largement utilisés dans les dispositifs embarqués couvrant l'ensemble de l'industrie électronique, y compris les dispositifs automobiles, médicaux, industriels, de communications, de jeux et audio/vidéo grand public.

Le courant requis par le FPGA ou l'ASIC peut provenir d'un convertisseur CA/CC pour les dispositifs à alimentation secteur ou d'un convertisseur CC/CC pour les dispositifs alimentés par batterie. Dans les deux cas, un régulateur abaisseur (dévolteur) CC/CC en aval est nécessaire pour fournir et gérer la tension de rail à un chiffre pour la charge aux niveaux de courant requis.

Un moyen de fournir l'alimentation nécessaire consiste à utiliser un seul régulateur abaisseur CC/CC pour prendre en charge tous les dispositifs du circuit imprimé et à le placer sur le côté ou dans le coin du circuit imprimé pour aider à gérer les problèmes de dissipation de chaleur et simplifier l'architecture niveau système CC/CC.

Cette solution qui semble simple a toutefois ses inconvénients :

• Tout d'abord, il y a la chute IR inévitable entre le régulateur et les charges en raison de la distance et des niveaux de courant élevés (chute ΔV = courant de charge I × résistance de piste (R)). Les solutions à ce problème consistent à augmenter la largeur ou l'épaisseur de piste du circuit imprimé ou à utiliser une barre bus, mais celles-ci utilisent un espace carte précieux et augmentent la nomenclature (BOM).
• Une technique pour surmonter la chute IR consiste à utiliser la détection à distance de la tension au niveau de la charge, mais cela ne fonctionne bien que pour une charge en un seul point et non dispersée. Cela pose également de nouveaux problèmes d'oscillation potentielle, car l'inductance du rail d'alimentation plus long et des sorties de détection peut affecter les performances transitoires du régulateur et des rails.
• Enfin, et c'est souvent le problème le plus difficile à gérer, les rails d'alimentation plus longs sont également sujets à une plus grande captation du bruit EMI/RFI ou rayonnent le bruit sur leur longueur, de sorte qu'ils agissent comme des antennes. La solution requiert généralement des condensateurs de dérivation supplémentaires, des perles de ferrite en ligne et d'autres mesures. Selon son amplitude et sa fréquence, ce bruit peut nuire au fonctionnement fiable des charges et compliquer la conformité aux diverses réglementations en matière d'émissions de bruit.

Dilemme bruit/rendement

Il est important de noter que le dilemme entre bruit et rendement pour les régulateurs CC/CC est un scénario différent des compromis habituels de la conception technique. Cette situation consiste souvent à évaluer les compromis et à trouver le « point optimal » où les attributs favorables et défavorables s'équilibrent.

En quoi cette situation est-elle différente ? La plupart des scénarios de compromis permettent au concepteur d'accepter délibérément une valeur moindre d'un paramètre souhaitée en contrepartie d'une valeur supérieure d'un autre paramètre, en se déplaçant le long d'un continuum de compromis (Figure 1, partie supérieure).

Figure 1 : Dans la plupart des situations de conception, l'ingénieur peut effectuer différents compromis de performances le long d'un chemin relativement continu (en haut), mais en ce qui concerne le rapport bruit/rendement des régulateurs à découpage par rapport aux LDO, les conceptions aboutissent d'un côté ou de l'autre, avec peu de « terrain d'entente » (en bas). (Source de l'image : Bill Schweber)

Par exemple, le concepteur peut choisir un amplificateur opérationnel qui consomme plus de courant (inconvénient) pour fournir une vitesse de balayage plus élevée (avantage) par rapport à un autre amplificateur opérationnel ; un compromis est acceptable ou nécessaire dans l'application.

Cependant, avec les régulateurs à découpage et les LDO, leurs attributs de bruit et de rendement sont largement intégrés dans leur structure. Un concepteur ne peut pas dire, par exemple, qu'il acceptera un LDO avec 20 % de bruit en plus en échange d'une amélioration de 10 % du rendement — ce type de compromis n'existe pas. Au lieu de cela, il existe un vide dans la plage attribut-compromis (Figure 1, partie inférieure).

Les régulateurs Silent Switcher résolvent le dilemme du compromis

Une solution alternative, généralement meilleure, consiste à utiliser des régulateurs CC/CC individuels situés aussi près que possible de leurs circuits intégrés de charge. Cela minimise la chute IR, l'empreinte carte et le captage et le rayonnement du bruit de rail. Cependant, pour que cette approche soit viable, il est essentiel d'avoir de petits régulateurs efficaces à faible bruit qui peuvent être placés à côté de la charge tout en répondant à toutes les exigences de courant.

C'est là que les nombreux régulateurs Silent Switcher permettent de résoudre les problèmes. Non seulement ces régulateurs fournissent des sorties en tension à un seul chiffre à des niveaux de courant s'étendant de quelques ampères à 10 A, mais également un bruit extrêmement faible, obtenu grâce à l'utilisation de plusieurs innovations de conception.

Ces régulateurs changent la vision conventionnelle entre les LDO et les régulateurs à découpage avec les dispositifs Silent Switcher 1 (première génération) et Silent Switcher 2 (deuxième génération). Les concepteurs de ces dispositifs ont identifié les différentes sources de bruit et imaginé des moyens d'atténuer chacune d'entre elles.

Notez que les régulateurs Silent Switcher n'utilisent pas la technique bien connue et légitime du spectre étalé consistant à ajouter un bruit pseudo-aléatoire au signal d'horloge. Cela élargit le spectre du bruit tout en réduisant son amplitude à la fréquence d'horloge et ses harmoniques. Bien que l'utilisation du cadencement à spectre étalé puisse aider à respecter les limites réglementaires, elle ne réduit pas l'énergie de bruit globale et peut, en fait, créer du bruit dans des parties du spectre affectant les performances du circuit.

Les avantages des dispositifs Silent Switcher 1 incluent de faibles EMI, un haut rendement et une fréquence de commutation élevée qui éloigne une grande partie du bruit restant des parties du spectre où il interférerait avec le fonctionnement du système ou poserait des problèmes de réglementation. Les avantages de Silent Switcher 2 incluent toutes les fonctionnalités de la technologie Silent Switcher 1, plus des condensateurs de précision intégrés, une taille de solution réduite et l'élimination de la sensibilité à la configuration du circuit imprimé.

En raison de leur facteur de forme miniature (seulement quelques millimètres (mm) carrés) et de leur rendement, ces dispositifs à découpage peuvent être situés très près de l'ASIC ou du FPGA de charge, maximisant ainsi les performances et éliminant les incertitudes entre les performances indiquées sur la fiche technique et la réalité de l'application. Ils modifient le dilemme « binaire » consistant à choisir entre plus de bruit ou moins de rendement, et permettent aux concepteurs de tirer le meilleur parti de ces deux attributs en termes de bruit et de rendement.

Comment ces avantages Silent Switcher ont-ils été réalisés ? Cela a été fait en adoptant une approche à plusieurs facettes :

• La principale cause de bruit dans une alimentation à découpage est le courant commuté, et non le courant en régime permanent. Dans la topologie d'un régulateur à découpage conventionnel, il existe un chemin de flux de courant appelé boucle active. Cette boucle active n'est pas une boucle de courant indépendante, mais seulement une boucle de courant virtuelle constituée des composants de deux boucles de courant réelles (Figure 2).

Figure 2 : La topologie classique d'un régulateur à découpage comporte une boucle de courant virtuelle appelée boucle active ; elle est constituée des composants de deux boucles de courant réelles et a des flux de courant commutés. (Source de l'image : Analog Devices)

La technologie Silent Switcher 2 d'Analog Devices rend les boucles actives critiques aussi petites que possible en intégrant des condensateurs d'entrée dans le boîtier du circuit intégré. De plus, en divisant la boucle active en deux formes symétriques, deux champs magnétiques de polarités opposées sont créés et le bruit rayonné s'annule en grande partie.

• L'architecture de deuxième génération prend en charge les fronts de commutation rapides pour un haut rendement à des fréquences de commutation élevées tout en atteignant simultanément de bonnes performances EMI. Des condensateurs en céramique internes sur la tension d'entrée CC (V_IN) maintiennent toutes les boucles de courant CA rapides à un faible niveau, améliorant les performances EMI.
• L'architecture Silent Switcher utilise des techniques de conception et de conditionnement propriétaires pour maximiser le rendement à très hautes fréquences et permettre des performances EMI ultrafaibles, tout en respectant facilement les limites EMI de crête CISPR 25 Classe 5 grâce à l'utilisation de conceptions extrêmement compactes et robustes.
• Le positionnement AVP (Active Voltage Positioning), une technique où la tension de sortie dépend du courant de charge, est utilisé. À faible charge, la tension de sortie est régulée au-dessus de la valeur nominale, tandis qu'à pleine charge, la tension de sortie est régulée en dessous de la valeur nominale. La régulation de charge CC est ajustée pour améliorer les performances transitoires et réduire les exigences de condensateurs de sortie.

Nombreuses gammes Silent Switcher

Les régulateurs Silent Switcher sont disponibles dans de nombreuses gammes et modèles, avec différentes tensions/intensités nominales au sein de chaque famille. Certaines considérations supplémentaires varient d'un modèle à l'autre, telles que la sortie fixe par rapport à la sortie ajustable. Les différents membres de la gamme LTC33xx incluent les suivants :

• LTC3707 : Silent Switcher abaisseur synchrone de 5 volts (V), 3 A en boîtier LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3308A : Silent Switcher abaisseur synchrone de 5 V, 4 A en boîtier LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3309A : Silent Switcher abaisseur synchrone de 5 V, 6 A en boîtier LQFN de 2 mm × 2 mm
• LTC3310 : Silent Switcher 2 abaisseur synchrone de 5 V, 10 A en boîtier LQFN de 3 mm × 3 mm

Le LTC3310 est un très petit convertisseur CC/CC abaisseur monolithique à faible bruit, capable de fournir jusqu'à 10 A de courant de sortie à partir d'une alimentation d'entrée de 2,25 V à 5,5 V. La plage V_OUT est de 0,5 V à V_IN. Les fréquences de commutation s'étendent de 500 kilohertz (kHz) à 5 mégahertz (MHz). Ce dispositif ne requiert que quelques composants passifs externes et affiche un rendement d'environ 90 % sur la majeure partie de sa plage de charge de sortie (Figure 3).

Figure 3 : Le régulateur CC/CC abaisseur LTC3310 nécessite des composants actifs externes et offre un haut rendement sur la majeure partie de sa plage de charge. (Source de l'image : Analog Devices)

Ce dispositif est disponible en quatre versions de base. Les dispositifs présentent à la fois de faibles EMI et un haut rendement à des fréquences de commutation jusqu'à 5 MHz, et certaines versions de la gamme LTC3310 sont qualifiées automobiles AEC-Q100. Notez que les dispositifs de première génération (SS1) — LTC3310 — et les dispositifs de deuxième génération (SS2) — LTC3310S et LTC3310S-1 — sont disponibles en tant que dispositifs à sortie ajustable et à sortie fixe (Tableau 1) :

Tableau 1 : Le LTC3310 est proposé en quatre versions de base, représentant des conceptions de première et de deuxième générations, avec des sorties fixes et ajustables. (Source de l'image : Analog Devices)

Pour les versions ajustables, la tension de sortie est programmée matériellement via un diviseur de résistance entre la sortie et la broche de rétroaction (FB) avec une équation simple pour déterminer la valeur de résistance correcte (Figure 5).

Figure 5 : Pour déterminer la tension de sortie des dispositifs LTC3310 ajustables, il suffit d'un simple réseau de diviseurs de résistance, basé sur une équation simple. (Source de l'image : Analog Devices)

Les niveaux de bruit se situent généralement dans les dizaines de microvolts. Deux mesures clés des performances de faible bruit des dispositifs LTC3310 sont les tests de bruit effectués conformément aux limites de crête CISPR 25 Classe 5 pertinentes. Ces limites incluent le bruit conduit (Figure 6) et le bruit rayonné dans le plan horizontal et le plan vertical (Figure 7).

Figure 6 : Un régulateur correctement configuré, basé sur le LTC3310S, respecte les limites (crête de classe 5) strictes d'émissions EMI conduites CISPR 25. (Source de l'image : Analog Devices)

Figure 7 : Pour les tests d'émissions rayonnées, le LTC3310S répond aux exigences EMI du plan horizontal (gauche) et du plan vertical (droite) conformément à CISPR 25. (Source de l'image : Analog Devices)

Une autre caractéristique notable de la gamme LTC3310 est la facilité avec laquelle les dispositifs peuvent être utilisés en parallèle pour un fonctionnement multiphase à courant plus élevé, une caractéristique que de nombreux autres régulateurs à découpage ne prennent pas en charge ou ne prennent en charge qu'avec difficulté. La mise en parallèle la plus simple est pour un fonctionnement à deux phases produisant un courant jusqu'à 20 A (Figure 8). L'approche peut facilement être étendue à trois ou quatre phases ou plus, et des courants plus élevés en conséquence.

Figure 8 : Avec quelques composants supplémentaires, deux dispositifs LTC3310 ou plus peuvent être combinés pour un fonctionnement multiphase à courant plus élevé. La configuration à deux phases/20 A est illustrée. (Source de l'image : Analog Devices)

Les cartes d'évaluation réduisent les cycles de conception

Les régulateurs tels que les dispositifs LTC3310 sont directs dans leur application car ils n'ont pas de registres d'initialisation, de fonctions contrôlées par logiciel ou d'autres complexités de configuration. Néanmoins, il est techniquement utile d'évaluer leurs performances statiques et dynamiques et d'optimiser les valeurs des composants passifs avant de s'engager sur une disposition ou une nomenclature finale. La disponibilité des cartes d'évaluation LTC3310 facilite grandement ce processus. Analog Devices propose une sélection de telles cartes adaptées aux différentes versions et configurations du LTC3310 :

• La carte DC3042A prend en charge le dispositif LTC3310 à sortie ajustable (Figure 9).

Figure 9 : La carte d'évaluation DC3042A est conçue pour le LTC3310 avec une tension de sortie définissable par l'utilisateur. (Source de l'image : Analog Devices)

En plus d'informer les utilisateurs sur la configuration et le fonctionnement de base, la documentation inclut un schéma de principe, la disposition de la carte et une nomenclature. Elle indique également les différents points de test et connexions, ainsi que l'arrangement de sonde pour mesurer l'ondulation de sortie et la réponse à un échelon (Figure 10).

Figure 10 : Le manuel de démonstration utilisateur du DC3042A indique clairement les points de test et les connexions (en haut), ainsi que la configuration de la sonde pour mesurer l'ondulation de sortie et la réponse à un échelon. (Source de l'image : Analog Devices)

• Pour le LTC3310S-1 avec une tension de sortie fixe, il y a la carte d'évaluation DC3021A (Figure 11).

Figure 11 : Pour le LTC3310S-1 avec une tension de sortie qui n'est pas ajustable par l'utilisateur, la carte d'évaluation DC3021A est le choix approprié. (Source de l'image : Analog Devices)

• Enfin, pour la configuration en parallèle multiphase un peu plus complexe, il y a la carte DC2874A-C (Figure 12). Sur cette carte d'évaluation, le LTC3310S fonctionne comme un régulateur abaisseur 3,3 V à 1,2 V, 2,0 MHz multiphase. Le DC2874A offre trois options de construction pour fournir des solutions de sortie à deux phases/20 A, trois phases/30 A ou quatre phases/40 A.

Figure 12 : La carte d'évaluation DC2874A-C pour le LTC3310S offre trois options de construction : sorties à deux phases/20 A, trois phases/30 A ou quatre phases/40 A. (Source de l'image : Analog Devices)

En utilisant le LTC3310S et en investissant du temps avec la carte d'évaluation appropriée et le manuel d'utilisation correspondant, les concepteurs peuvent réduire le temps consacré aux performances des régulateurs CC/CC.

Conclusion

Jusqu'à présent, les ingénieurs devaient choisir entre deux topologies de régulateurs CC/CC opposées, dont les caractéristiques différaient nettement. Les LDO offrent une sortie CC à très faible bruit mais avec un rendement faible à modéré, constituant un défi thermique au-delà des sorties d'environ 1 A. Inversement, les régulateurs à découpage offrent des rendements de l'ordre de 90 %, mais ajoutent du bruit au rail de sortie CC et sont également une source de bruit conduit — et surtout rayonné — ce qui peut facilement faire échouer le produit aux tests réglementaires obligatoires.

Heureusement, les gammes Silent Switcher d'Analog Devices utilisent une variété de techniques de conception innovantes permettant de surmonter le dilemme de choisir entre l'un ou l'autre, ce qui se traduit par des options de régulateurs haut rendement, à très faible bruit et à facteur de forme miniature.