Utiliser un régulateur à découpage approprié pour un haut rendement, un faible bruit de rail et une réponse transitoire rapide

La qualité du rail CC est un facteur essentiel pour maintenir les performances des systèmes dans des applications telles que la connectivité sans fil, reposant sur des circuits analogiques avec de faibles niveaux de signal, et dans des conceptions numériques avec de faibles tensions de rail d'alimentation. Outre le rendement de conversion, la précision de sortie, la stabilité et la régulation de ligne et de charge, la qualité du rail CC se caractérise également par des facteurs tels que son bruit inhérent et sa réponse transitoire aux variations de charge dynamiques.

Cependant, les multiples générations d'améliorations apportées à la robuste série Silent Switcher d'Analog Devices ont abouti à une technologie qui, lorsqu'elle est appliquée correctement, peut fournir la sortie CC à faible bruit et la réponse transitoire ultrarapide requises.

Cet article s'intéresse à ces régulateurs à découpage CC/CC hautes performances et faciles à utiliser, aux problèmes auxquels ils répondent et aux avantages qu'ils apportent. Il s'appuie sur des exemples d'applications d'Analog Devices pour montrer comment optimiser leurs performances.

Gamme Silent Switcher

La gamme de régulateurs à découpage CC/CC Silent Switcher d'Analog Devices en est à sa troisième génération. La première génération, Silent Switcher 1, visait à réduire le bruit haute fréquence associé aux régulateurs à découpage. Elle offrait simultanément trois avantages clés : de faibles interférences électromagnétiques (EMI), un haut rendement et une haute fréquence de commutation (pour les composants associés plus petits).

Analog Devices a ensuite lancé la deuxième génération, Silent Switcher 2, qui conservait les caractéristiques de ses prédécesseurs tout en ajoutant des condensateurs de précision intégrés, un facteur de forme plus compact et la suppression de la sensibilité à la configuration des circuits imprimés.

La troisième génération, Silent Switcher 3, s'appuie sur les capacités uniques des deux premières. Elle ajoute des avantages tels qu'une réponse transitoire rapide et un bruit ultrafaible dans la bande des basses fréquences (Figure 1).

Figure 1 : Chaque génération successive de régulateurs CC/CC Silent Switcher a conservé, puis enrichi, les caractéristiques et fonctions de ses prédécesseurs. (Source de l'image : Analog Devices)

Solutions de bruit Silent Switcher

Pour atteindre le faible bruit des deux premières générations, les concepteurs ont examiné les multiples sources de bruit et ont exploré des moyens innovants pour les contourner, les minimiser ou même les éliminer. Cela a nécessité une approche à plusieurs niveaux. Par exemple, la principale source de bruit dans une alimentation à découpage est la commutation des courants, plutôt que le flux de courant en régime permanent. Dans la topologie d'un régulateur à découpage conventionnel, il existe un chemin de flux de courant appelé boucle active. La boucle active est la principale source de bruit haute fréquence émis dans l'air, provoquant des interférences électromagnétiques. La première génération de régulateurs CC/CC Silent Switcher a innové en divisant la boucle active en deux boucles de courant de forme symétrique, créant deux champs magnétiques de polarités opposées, de sorte que le bruit rayonné s'annule en grande partie.

La génération Silent Switcher 2 minimise les boucles actives critiques en intégrant des condensateurs d'entrée directement dans le boîtier du circuit intégré.

L'architecture prend en charge les fronts de commutation rapides pour un haut rendement à des fréquences de commutation élevées tout en atteignant de bonnes performances EMI. Les condensateurs en céramique internes sur la tension d'entrée CC (V_IN) contribuent à maintenir les boucles de courant CA rapides à un faible niveau pour une amélioration supplémentaire. L'architecture Silent Switcher utilise également des techniques de conception et de conditionnement propriétaires qui maximisent le rendement à très hautes fréquences, lui permettant de dépasser les limites EMI de crête CISPR 25 Classe 5.

De plus, le positionnement AVP (Active Voltage Positioning), une technique où la tension de sortie dépend du courant de charge, est utilisé. La tension de sortie est régulée au-dessus de la valeur nominale à faibles charges et en dessous de cette valeur à pleine charge. La régulation de charge CC est ajustée pour améliorer les performances transitoires et réduire les exigences de condensateurs de sortie.

Silent Switcher 3 et réponse transitoire

La réponse transitoire fait référence à la capacité d'un régulateur à réagir aux variations de charge soudaines et constitue un paramètre de plus en plus important. La troisième génération s'est donc attachée à fournir une réponse transitoire ultrarapide en plus de minimiser le bruit basse fréquence (10 Hz à 100 kHz).

L'intérêt croissant en matière de réponse transitoire est dû aux systèmes sur puce (SoC) et aux unités de traitement des signaux qui présentent souvent des profils de transitoires de charge à variations soudaines. Ces transitoires de charge entraînent une perturbation de la tension d'alimentation, un facteur critique pour les conceptions RF hautes performances. Par exemple, une tension d'alimentation variable a un impact significatif sur la fréquence d'horloge du système.

Par conséquent, les SoC RF appliquent généralement un délai de suppression pendant le transitoire de charge. Dans les applications 5G, la qualité des informations est étroitement liée à cette période de suppression pendant la transition. Minimiser l'effet transitoire de charge sur l'alimentation améliorera ainsi les performances au niveau système.

Pour atteindre ces objectifs, les dispositifs Silent Switcher 3 monolithiques sont dotés d'un amplificateur d'erreur ultra-hautes performances qui offre une stabilisation supplémentaire même avec une compensation agressive. La fréquence de commutation maximum de 4 MHz permet au circuit intégré de pousser la bande passante de la boucle de commande jusqu'à une plage de quelques centaines de kHz dans un mode de contrôle de courant de crête à fréquence fixe. De plus, de multiples innovations atténuent les subtilités qui compromettent la réponse transitoire :

Séparation de charge - Dans une conception typique, une charge de 1 V est constituée de circuits d'émission et de réception, d'oscillateurs locaux (LO) et d'oscillateurs commandés en tension (VCO). Les charges d'émission/réception subissent des variations brusques du courant de charge pendant le fonctionnement en duplex à répartition en fréquence (FDD). Dans le même temps, les oscillateurs locaux et commandés en tension sont soumis à une charge constante mais requièrent une haute précision et un faible bruit.

La large bande passante de ces dispositifs permet aux concepteurs d'alimenter les deux groupes de charge de 1 V critiques à partir d'un circuit intégré de régulateur en séparant les charges dynamique et statique avec une deuxième inductance (L2) (Figure 2, en haut). La réponse transitoire de charge est rapide, avec un écart VOUT minimal, et n'affecte pas la charge statique (Figure 2, en bas).

Figure 2 : Circuit d'application pour Silent Switcher séparant les charges RF dynamique et statique avec une inductance (L2) pour des performances améliorées (en haut) ; la réponse transitoire de charge est rapide, avec un écart V_OUT minimal et elle n'affecte pas la charge statique (en bas). (Source de l'image : Analog Devices)

Post-filtrage avec inductance équivalente minimisée - En mode duplex à répartition dans le temps (TDD), les oscillateurs locaux et commandés en tension sensibles au bruit sont chargés et déchargés avec les changements de mode d'émission/réception. Ainsi, un circuit simplifié peut être utilisé puisque toutes les charges sont considérées comme dynamiques. Parallèlement, un post-filtrage plus critique est requis pour maintenir les caractéristiques de faible ondulation et de faible bruit pour les oscillateurs locaux et commandés en tension.

Un condensateur à trois bornes en mode traversée peut réaliser un post-filtrage suffisant avec une inductance équivalente minimale, maintenant ainsi une bande passante rapide pour les transitoires de charge (Figure 3, en haut). Le condensateur de traversée, associé aux condensateurs de sortie latéraux distants, forme deux étages de filtres inductance-condensateur (LC) supplémentaires. Toute l'inductance est due à l'inductance série équivalente (ESL) du condensateur à trois bornes, qui est très faible et moins nocive pour le transitoire de charge. Le condensateur de traversée améliore la réponse transitoire tout en minimisant l'ondulation de tension de sortie (Figure 3, en bas).

Figure 3 : Circuit d'application pour charges RF dynamique/statique combinées, utilisant un condensateur de traversée à trois bornes (en haut à droite) pour fournir un post-filtrage avec une inductance équivalente minimale afin de maintenir une bande passante rapide pour les transitoires de charge. Le condensateur de traversée améliore la réponse transitoire tout en minimisant l'ondulation de tension de sortie (en bas). (Source de l'image : Analog Devices)

Précharge - Dans certains cas, l'unité de traitement des signaux dispose d'E/S à usage général (GPIO). De plus, le traitement des signaux est planifié et l'événement transitoire est connu à l'avance. C'est typiquement le cas dans certaines conceptions d'alimentation FPGA, où le signal de précharge peut être généré pour aider à alimenter la réponse transitoire de l'alimentation.

Dans un circuit d'application typique (Figure 4, en haut), si le FPGA génère un signal de précharge pour fournir une polarisation avant la charge réelle, la transition permet au dispositif de disposer de plus de temps pour s'adapter à la perturbation de charge avec une déviation V_OUT et une récupération minimales (Figure 4, en bas).

Figure 4 : Un signal de précharge est envoyé à la broche d'entrée négative (OUTS) d'un amplificateur d'erreur pour produire une réponse transitoire rapide. La rétroaction du régulateur est affectée à la fois par le signal de précharge et par le transitoire de charge (en bas). (Source de l'image : Analog Devices)

Chute active - Dans les applications de formation de faisceaux (Figure 5, en haut), la tension d'alimentation varie continuellement pour s'adapter à différents niveaux de puissance. Par conséquent, la précision requise pour la tension d'alimentation est généralement de 5 % à 10 %. Dans cette application, la stabilité est plus importante que la précision de tension, car la minimisation du temps de récupération pendant le transitoire de charge maximise le rendement de traitement des données. Un circuit de chute constitue une bonne solution pour cette application car la chute de tension réduira, voire éliminera, le temps de récupération (Figure 5, en bas).

Figure 5 : Placer une résistance de chute active (R8) entre OUTS et VC permet une récupération transitoire rapide (en haut). La réponse transitoire de chute peut être ajustée pour minimiser le temps de récupération transitoire (en bas). (Source de l'image : Analog Devices)

Des dispositifs qui mettent en œuvre et valident les innovations

Ces concepts de réduction du bruit et d'amélioration transitoire ont été intégrés à la gamme de dispositifs Silent Switcher 3 monolithiques. Ils prennent en charge une large gamme de maximums de tension et de courant, tout en offrant aux utilisateurs une flexibilité et des performances sans compromis. Deux exemples le montrent clairement : le LT8622SAV#PBF (Figure 6, en haut) et le LT8627SPJV#TRPBF (Figure 6, en bas).

À l'extrémité inférieure de la plage de courant et de puissance, le LT8622SAV#PBF est une alimentation à découpage à sortie continue de 2 A pour des entrées de 2,7 V à 18 V. Il présente une plage de tensions de sortie de 0 V à V_IN - 0,5 V qui peut être programmée avec une seule résistance. Le rendement sur la majeure partie de sa plage de courants de sortie est d'au moins 90 % et peut atteindre 95 %.

Figure 6 : LT8622 de 2 A dans une configuration d'application typique, avec ses courbes de rendement et de perte de puissance (en haut). (Remarque : le LT8624 dans le schéma est identique au LT8622 avec les mêmes courbes, mais a une intensité nominale de 4 A.) Les mêmes informations sont également présentées pour le LT8627 de 16 A (en bas). (Source de l'image : Analog Devices)

Le LT8622SAV#PBF offre des performances de bruit de sortie basse fréquence (0,1 Hz à 100 kHz) exceptionnelles dans un régulateur à découpage, avec un bruit RMS de seulement 4 μV_RMS. La fréquence de fonctionnement est réglable et peut être synchronisée de 300 kHz à 6 MHz. Le dispositif est fourni en boîtier LQFN compact de 4 mm × 3 mm à 20 sorties.

Le LT8627SPJV#TRPBF de 16 A à plus haute puissance a une tension d'entrée de 2,8 V à 18 V, tandis que la tension de sortie est réglable par résistance de 0 à V_IN - 0,5 V. Le rendement dépasse 80 % et atteint 90 % dans la plage idéale moyenne à une fréquence de commutation de 1 MHz. Ses performances de bruit de sortie basse fréquence sont les mêmes que celles du LT8622SAV#PBF de 2 A.

La fréquence de fonctionnement est également réglable et peut être opérationnelle et synchronisée de 300 kHz à 4 MHz, une fréquence inférieure à celle de son homologue à plus faible courant. Le dispositif est disponible en boîtier LQFN à 24 sorties légèrement plus grand de 4 mm × 4 mm avec un dos exposé pour un dissipateur thermique en option.

Conclusion

Les concepteurs de produits innovants, en particulier dans le domaine RF de pointe, exigent un haut rendement, mais celui-ci doit s'accompagner d'un faible bruit et d'une réponse transitoire rapide sur la tension d'alimentation. La gamme de régulateurs CC/CC Silent Switcher 3 d'Analog Devices constitue la nouvelle génération de dispositifs monolithiques à haut rendement optimisés pour des performances de sensibilité au bruit et de transitoires de charges dynamiques dans de multiples applications.