Atténuer le bruit des applications avec les régulateurs μModule® Silent Switcher d'ADI

Le silence n'existe pas dans une application électronique sensible — littéralement, cela ne se produit jamais. En effet, il est pratiquement impossible d'éliminer tout le bruit d'interférences électromagnétiques (EMI) des alimentations. Les différentes approches de conception visant à atténuer ce problème impliquent souvent des compromis qui peuvent engendrer une plus grande complexité.

Les ingénieurs font tout leur possible pour tenter de réduire les interférences électromagnétiques dans les applications sensibles au bruit telles que les alimentations radiofréquences (amplificateurs), les convertisseurs de données haute vitesse, les instruments sensibles et les systèmes d'imagerie médicale et de diagnostic. Cela implique généralement l'ajout de composants, de blindages et de filtres supplémentaires, ce qui peut augmenter la complexité, le coût, la taille et le poids.

Les alimentations à découpage (SMPS) et les convertisseurs électroniques sont l'une des principales causes d'interférences électromagnétiques, compliquant la conception de nombreuses applications dans les systèmes automobiles, l'électronique grand public, l'automatisation industrielle et les télécommunications.

La commutation rapide minimise la perte d'énergie pour les convertisseurs CC/CC, ainsi que pour les redresseurs CA/CC, les onduleurs CC/CA et les convertisseurs CA/CA. Cependant, elle a pour conséquence de générer de l'énergie à haute fréquence et des transitoires susceptibles de provoquer un rayonnement et une conduction EMI.

Les EMI peuvent dégrader les performances des systèmes, interférer avec les fréquences radio, provoquer un dysfonctionnement des composants et entraver le fonctionnement de dispositifs critiques tels que les stimulateurs cardiaques et les systèmes de sécurité automobile. L'une des principales causes d'EMI dans ces systèmes est le courant de mode commun circulant dans la même direction dans deux ou plusieurs conducteurs, ce qui induit des champs magnétiques.

De nombreuses applications électroniques aux États-Unis, si ce n'est la plupart, doivent être conformes aux réglementations partie 15 de la FCC (Federal Communications Commission), visant à prévenir les interférences nuisibles, y compris celles provenant de dispositifs non-RF. Les applications de communications et industrielles internationales doivent être conformes aux normes internationales CISPR 22 Classe B et les applications automobiles aux normes internationales CISPR 25. D'autres zones géographiques imposent des certifications de conformité similaires.

Les tests EMI interviennent souvent tardivement au cours du cycle de conception, de sorte que les problèmes et les mesures correctives peuvent entraîner des retards coûteux pour le produit. Pire encore, si des problèmes EMI sont détectés sur le terrain, ils peuvent être plus difficiles à identifier et nécessiter des efforts de correction coûteux.

Plusieurs types de composants peuvent être utilisés pour prévenir les EMI. Les régulateurs linéaires à faible chute de tension (LDO) constituent une approche conventionnelle à faible coût pour protéger les charges en aval contre les transitoires de tension et le bruit d'alimentation. Cependant, ils peuvent s'avérer encombrants et ne disposent souvent pas des fonctions de protection nécessaires.

Les LDO plus avancés avec un taux de réjection de l'alimentation (PSRR) élevé améliorent la suppression du bruit, mais n'améliorent pas directement le rendement ou les performances thermiques. Utilisés en conjonction avec des régulateurs à découpage, ils peuvent associer haut rendement et faible bruit.

Les concepteurs peuvent également concentrer leurs efforts sur la configuration des circuits imprimés afin de minimiser les zones de boucle propageant les EMI, et de séparer les circuits bruyants et sensibles. Une autre approche souvent complémentaire consiste à isoler ou à enfermer les composants avec des matériaux de blindage EMI tels que des métaux et des alliages métalliques. Des amplificateurs à faible bruit peuvent également être utilisés.

Chacune de ces techniques de réduction des interférences électromagnétiques, souvent utilisées en tandem, accroît la complexité de conception, obligeant les développeurs à rechercher la simplification.

Simplifier les problèmes de conception EMI

L'augmentation du nombre d'applications reposant sur des conceptions SMPS dépasse le nombre de concepteurs qualifiés pour répondre aux exigences EMI strictes. De nombreux concepteurs de systèmes numériques sont sollicités pour combler les lacunes de compétences causées par une pénurie de concepteurs d'alimentations analogiques. Cette tendance, combinée à la complexité croissante de la conception SMPS, souligne la nécessité d'une plus grande intégration des composants SMPS pour simplifier les processus.

Analog Devices, Inc. (ADI) a cherché à simplifier les défis de conception EMI avec l'introduction de sa technologie Silent Switcher^® en 2015. L'objectif était d'optimiser les techniques de commutation tout en simplifiant la conception des circuits imprimés. Les dispositifs Silent Switcher de première génération, comme le LT8640, ont réduit la résistance parasite en utilisant un boîtier flip-chip à colonnettes en cuivre au lieu d'un fil collé pour connecter les puces au substrat. Ils ont également permis d'améliorer le rendement haute fréquence.

Ces dispositifs de première génération divisaient également les boucles actives à fort courant simples en boucles doubles avec des flux opposés annulant les EMI propagées. Une seule grande boucle active présente des éléments parasites élevés et des champs magnétiques puissants qui peuvent contribuer aux EMI sous forme de rayonnement. Les dispositifs Silent Switcher intégraient également des circuits d'attaque de commutation internes pour minimiser la perte de puissance de commutation.

En 2017, ADI a présenté un convertisseur abaisseur synchrone monolithique à faibles EMI basé sur une architecture Silent Switcher 2. Dans cette génération, les dispositifs tels que le LT8640S-2 ont réduit la dépendance aux composants externes en intégrant des condensateurs, des boucles actives et un plan de masse à l'intérieur d'un nouveau boîtier LQFN. Cela a permis de réduire la taille des solutions et d'éliminer la sensibilité de configuration des circuits imprimés pour de meilleures performances EMI. En outre, les dispositifs Silent Switcher 2 incluent davantage de colonnettes en cuivre et de grands plots exposés, augmentant le rendement et les performances thermiques.

En 2021, ADI a présenté une architecture Silent Switcher 3 mise à jour avec le régulateur abaisseur synchrone LT8627SP, offrant des performances de bruit ultrabasse fréquence, une réponse transitoire ultrarapide et un haut rendement à des fréquences de commutation élevées tout en maintenant des EMI ultrafaibles. Cette architecture fournit également une partie supérieure de puce exposée pour la fixation éventuelle d'un dissipateur thermique afin de répondre aux besoins des applications à température ambiante élevée.

Régulateurs µModule Silent Switcher 3

La technologie Silent Switcher 3 est maintenant disponible dans les solutions d'alimentation COP (Component On Package) hautement intégrées µModule® d'ADI. Ce conditionnement offre de meilleures performances thermiques et permet de réduire encore davantage la taille totale de la solution, ce qui se traduit par des solutions d'alimentation compactes, efficaces et fiables.

Les autres avantages clés des régulateurs µModule incluent les gains de temps et la réduction des efforts nécessaires à la conception, aux tests et à la qualification des régulateurs CC/CC. ADI intègre le contrôleur, les MOSFET de puissance, l'inductance et d'autres composants de support dans un seul boîtier compact. Les dispositifs peuvent être utilisés comme solution d'alimentation pour une large gamme d'applications de télécommunications, de réseaux et d'équipements industriels, d'alimentations RF, d'instruments à faible bruit et de convertisseurs de données haute vitesse et haute précision.

Le LTM4702 (Figure 1) est un régulateur μModule abaisseur de 8 A complet dans un boîtier BGA ultracompact de 6,25 mm × 6,25 mm × 5,07 mm, avec un circuit intégré de régulateur basé sur Silent Switcher pour de faibles EMI et un haut rendement. Il fonctionne sur une plage de tensions d'entrée de 3 V à 16 V et prend en charge une tension de sortie de 0,3 V à 5,7 V.

Figure 1 : Le μModule LTM4702 d'ADI intègre un contrôleur, des MOSFET de puissance, une inductance et d'autres composants de support pour le convertisseur abaisseur dans un boîtier compact amélioré. Il réduit le besoin de post-LDO dans les applications sensibles au bruit. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Plusieurs LTM4702 peuvent être utilisés en parallèle pour produire des courants de sortie plus élevés. 12 phases maximum peuvent être mises en parallèle pour fonctionner simultanément hors phase en programmant la broche PHMODE de chaque LTM4702 sur différents niveaux de tension.

De plus, le régulateur à découpage synchrone LTM4702 présente un bruit de sortie basse fréquence exceptionnel (10 Hz à 100 kHz). Il convient particulièrement aux applications à fort courant et sensibles au bruit. Le dispositif utilise une architecture PWM à fréquence constante qui peut être programmée pour commuter de 300 kHz à 3 MHz en utilisant une résistance reliée de la broche RT à la terre.

Une seule résistance définit la tension de sortie du LTM4702 pour fournir un gain unité sur la contre-réaction de tension de sortie et un bruit de sortie quasiment constant indépendant de la tension de sortie. Pour la plupart des applications sensibles au bruit, le LTM4702 élimine le besoin de LDO post-régulation et de filtres LC, et seuls des condensateurs d'entrée et de sortie sont nécessaires pour compléter une conception.

La carte d'évaluation EVAL-LTM4702-AZ (Figure 2) est disponible pour configurer et évaluer les performances du LTM4702.

Figure 2 : La carte d'évaluation EVAL-LTM4702-AZ d'ADI fournit aux concepteurs un convertisseur à découpage CC/CC abaisseur pour évaluer les performances du LTM4702. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Le LTM8080 (Figure 3) est un dispositif double de 500 mA ou simple de 1 A de 40 V_IN, qui intègre deux régulateurs LDO à taux PSRR ultra-élevé avec un régulateur CC/CC Silent Switcher, séparés par un blindage EMI intégré dans un boîtier BGA surmoulé thermiquement amélioré de 9 mm × 6,25 mm × 3,32 mm. Il prend en charge une plage de fréquences de commutation de 200 kHz à 2,2 MHz et une plage de tensions de sortie de 0 V à 8 V.

Figure 3 : Le μModule LTM8080 d'ADI intègre deux LDO, ainsi qu'un régulateur CC/CC Silent Switcher avec un blindage EMI entre eux dans un boîtier compact. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Le régulateur à découpage frontal est une alimentation CC/CC à découpage de type abaisseur non isolée qui peut délivrer jusqu'à 1,5 A de courant continu. Les régulateurs linéaires LDO utilisent l'architecture à ultrafaible bruit (2 nV/√Hz à 10 kHz) et à taux PSRR ultra-élevé (76 dB à 1 MHz) d'ADI. Les sorties LDO peuvent être mises en parallèle pour augmenter le courant de sortie.

Les concepteurs peuvent utiliser le circuit de démonstration DC3071A (Figure 4), qui offre une large plage de fonctionnement de 4 V à 40 V pour évaluer le LTM8080.

Figure 4 : Le circuit de démonstration DC3071A inclut un µModule LTM8080 avec deux sorties, chacune étant réglable à 3,3 V/0,5 A. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Conclusion

Les régulateurs μModule Silent Switcher d'ADI constituent une solution robuste pour relever les défis liés aux interférences électromagnétiques dans les applications électroniques sensibles au bruit. En intégrant la technologie avancée Silent Switcher 3 dans des conceptions de systèmes en boîtier hautement compactes et efficaces, ces régulateurs μModule simplifient la conception, améliorent les performances thermiques et éliminent le recours à des post-régulateurs LDO dans la plupart des scénarios.

Qu'il s'agisse de convertisseurs de données haute vitesse, de systèmes RF, d'équipements d'imagerie médicale ou d'équipements industriels, ces régulateurs μModule permettent aux ingénieurs d'atteindre un bruit ultrafaible et un rendement élevé sans la complexité des méthodes de réduction EMI traditionnelles. Avec des produits tels que le LTM4702 et le LTM8080, Analog Devices maintient sa position de leader en offrant des solutions innovantes qui répondent aux exigences strictes de l'électronique moderne, garantissant des performances fiables même dans les applications les plus critiques en termes de bruit.