Come risolvere i problemi di rumore c.c./c.c., efficienza e layout con i moduli di alimentazione integrati

Non sembra difficile costruire un regolatore c.c./c.c. step-down (buck) di base per basse tensioni di 10 V (tipiche) o meno e livelli di corrente modesti, da 2 a 15 A. Il progettista deve solo selezionare un regolatore di commutazione in CI adatto e aggiungere alcuni componenti passivi utilizzando il circuito di esempio riportato nella scheda tecnica o nella nota applicativa. Ma una vola fatto, il progetto è davvero pronto per essere rilasciato in versione pilota o addirittura per la produzione? Probabilmente no.

Sebbene il regolatore fornisca la linea c.c. desiderata, presenta comunque diversi problemi potenziali. In primo luogo, l'efficienza potrebbe non soddisfare gli obiettivi progettuali o i requisiti normativi, aumentando l'impatto termico e riducendo la durata della batteria. In secondo luogo, possono essere necessari componenti aggiuntivi per garantirne l'avvio corretto, prestazioni di risposta ai transitori e basso ripple, che a loro volta incidono sulle dimensioni, sul time-to-market e sulla distinta base complessiva. Infine, e forse è la sfida più ardua, il progetto potrebbe non soddisfare le limitazioni sempre più severe in materia di interferenze elettromagnetiche (EMI) o di radiofrequenze (RFI) definite dai vari mandati normativi, richiedendo così una riprogettazione o ulteriori componenti e test aggiuntivi.

Questo articolo descrive il divario tra le aspettative e le prestazioni tra un progetto di regolatore c.c./c.c. di base e uno superiore che soddisfa o supera i requisiti di efficienza, basso rumore irradiato e ripple e integrazione complessiva. L'articolo presenta i micromoduli Silent Switcher di Analog Devices e mostra come utilizzarli per risolvere diversi problemi dei regolatori buck c.c./c.c.

I circuiti integrati fanno sembrare tutto facile all'inizio

I regolatori c.c./c.c. (buck) step-down sono ampiamente utilizzati per fornire rail in corrente continua. Un sistema tipico può avere decine di questi dispositivi che forniscono tensioni diverse sui rail o rail fisicamente separati con la stessa tensione. Questi regolatori buck prendono una tensione più alta, tipicamente tra 5 e 36 V c.c., e la regolano fino a un valore di un solo volt a pochi ampere (Figura 1).

Figura 1: Il ruolo del regolatore c.c./c.c. (convertitore) è semplice: prendere una sorgente di corrente continua non regolata, che può provenire da una batteria o da una linea in c.a. raddrizzata e filtrata, e fornire in uscita una linea c.c. rigidamente regolata. (Immagine per gentile concessione di Electronic Clinic)

Nella costruzione di un regolatore buck di base ci sono notizie buone e cattive. La buona notizia è che costruirne uno che fornisca prestazioni nominalmente "sufficienti" di solito non è difficile. Sono disponibili molti CI di commutazione che assolvono a questo scopo, che richiedono solo un singolo transistor a effetto di campo (FET) (o nessuno) e alcuni componenti passivi. Il compito è reso ancora più semplice dal fatto che la scheda tecnica del CI del regolatore mostra quasi sempre un circuito applicativo tipico con uno schema, un layout della scheda e una distinta base che può fornire i nomi dei fornitori dei componenti e i codici componente.

Il dilemma ingegneristico è che un "buon" livello di prestazioni potrebbe non essere adeguato per alcuni parametri prestazionali non ovvi del regolatore. Sebbene la linea di uscita c.c. possa erogare una corrente sufficiente con un'adeguata regolazione linea/carico e di risposta ai transitori, questi fattori non dicono tutto sulle linee di alimentazione.

La realtà è che, oltre a questi criteri di base, un regolatore viene valutato anche da altri fattori, alcuni dei quali guidati da imperativi esterni. I tre aspetti critici che la maggior parte dei regolatori deve affrontare non sono necessariamente evidenti dalla prospettiva semplicistica di un blocco funzionale che accetta un ingresso c.c. non regolato e fornisce un'uscita c.c. regolata. Questi sono (Figura 2):

• Raffreddamento: alta efficienza e impatto termico minimo.
• Silenziosità: basso ripple per prestazioni di sistema prive di errori, oltre a basse EMI per soddisfare gli standard di rumore irradiato (non acustico).
• Completezza: una soluzione integrata che riduce al minimo le dimensioni, il rischio, i componenti in distinta base, il time-to-market e altri problemi meno imperativi.

Figura 2: Un regolatore c.c./c.c. non deve limitarsi a fornire una linea di alimentazione stabile, ma deve anche essere freddo ed efficiente, "silenzioso" dal punto di vista delle EMI e completo dal punto di vista funzionale. (Immagine per gentile concessione di Math.stackexchange.com, modificata dall'autore)

Affrontare questi problemi porta con sé alcune difficoltà e risolverle può essere faticoso. Questo è in linea con la "regola 80/20", secondo cui l'80% dello sforzo è dedicato a portare a termine l'ultimo 20% del compito. Esaminando i tre fattori in modo più dettagliato:

Raffreddamento: ogni progettista desidera un'elevata efficienza, ma esattamente quanto e a quale costo? La risposta è la solita: dipende dal progetto e dai suoi compromessi. Una maggiore efficienza è importante per tre motivi principali:

1. Si traduce in un prodotto più freddo che migliora l'affidabilità, può consentire il funzionamento a una temperatura più elevata, può eliminare la necessità di raffreddamento ad aria forzata (ventola) o può semplificare l'installazione di un efficace raffreddamento a convezione, se possibile. In caso di temperature elevate, può essere necessario mantenere specifici componenti particolarmente caldi al di sotto della temperatura massima consentita e all'interno dell'area operativa sicura.
2. Anche se questi fattori termici non sono un problema, l'efficienza si traduce in una maggiore autonomia per i sistemi a batteria o in una riduzione del carico sul convertitore c.a./c.c. a monte.
3. Oggi esistono numerosi standard normativi che impongono livelli di efficienza specifici per ogni classe di prodotto finale. Sebbene questi standard non indichino l'efficienza dei singoli rail di un prodotto, la sfida per il progettista consiste nel garantire che l'efficienza complessiva sia conforme al mandato. Ciò è più facile quando il regolatore c.c./c.c. di ciascun rail è più efficiente, in quanto dà un certo agio nella somma con gli altri rail e le altre fonti di perdita.

Silenziosità: ci sono due grandi classi di rumore che interessano i progettisti. In primo luogo, il rumore e il ripple in uscita dal regolatore c.c./c.c. devono essere sufficientemente bassi da non incidere negativamente sulle prestazioni del sistema. Si tratta di un problema sempre più diffuso, dato che le tensioni dei rail scendono nei circuiti digitali e nei circuiti analogici di precisione, dove un ripple di pochi millivolt può compromettere le prestazioni.

L'altra grande preoccupazione è legata alle EMI. Le emissioni EMI sono di due tipi: condotte e irradiate. Le emissioni condotte viaggiano sui fili e sulle tracce che si collegano a un prodotto. Poiché il rumore è localizzato a un terminale o a un connettore specifico del progetto, la conformità ai requisiti sulle emissioni condotte spesso può essere garantita in una fase relativamente precoce dello sviluppo con una buona progettazione del layout e del filtro.

Le emissioni irradiate, invece, sono più complicate. Ogni conduttore di un circuito stampato che trasporta corrente irradia un campo elettromagnetico: ogni traccia del circuito è un'antenna e ogni piano di rame è uno specchio. Qualsiasi cosa che non sia un'onda sinusoidale pura o una tensione continua genera un ampio spettro di segnali.

La difficoltà sta nel fatto che, anche con una progettazione accurata, il progettista non può mai sapere quanto saranno gravi le emissioni irradiate finché il sistema non viene testato, e i test sulle emissioni irradiate non possono essere eseguiti formalmente finché il progetto non è sostanzialmente completo. I filtri sono utilizzati per ridurre le EMI attenuando i livelli a frequenze specifiche o su un intervallo di frequenze utilizzando varie tecniche.

Una parte dell'energia irradiata nello spazio viene attenuata utilizzando una lamiera come schermatura magnetica. La parte a bassa frequenza che viaggia sulle tracce della scheda CS (condotta) viene controllata utilizzando perline di ferrite e altri filtri. La schermatura funziona, ma comporta una nuova serie di problemi. Deve essere progettata con una buona integrità elettromagnetica (spesso sorprendentemente difficile). Aggiunge costi, aumentare lo spazio occupato, rende difficile la gestione termica e i test e comporta ulteriori costi di assemblaggio.

Un'altra tecnica consiste nel rallentare i fronti di commutazione del regolatore. Tuttavia, ciò ha l'effetto indesiderato di ridurre l'efficienza, di aumentare i tempi minimi di accensione e spegnimento e i tempi morti necessari e di compromettere la velocità dell'anello di controllo della corrente.

Un altro approccio consiste nel regolare il progetto del regolatore in modo da irradiare meno EMI attraverso un'attenta selezione dei parametri chiave del progetto. Il compito di bilanciare questi compromessi tra regolatori implica valutare l'interazione di parametri quali la frequenza di commutazione, l'ingombro, l'efficienza e le EMI risultanti.

Ad esempio, una frequenza di commutazione più bassa riduce generalmente la perdita di commutazione e le EMI e migliora l'efficienza, ma richiede componenti più grandi con relativo aumento dell'ingombro. La ricerca di una maggiore efficienza è accompagnata da bassi tempi minimi di accensione e spegnimento, che comportano un contenuto armonico più elevato a causa delle transizioni di commutazione più rapide. In generale, ad ogni raddoppio della frequenza di commutazione, le EMI peggiorano di 6 dB, a patto che tutti gli altri parametri, come la capacità di commutazione e i tempi di transizione, rimangano costanti. L'EMI a banda larga si comporta come un filtro passa-alto del primo ordine, con emissioni superiori di 20 dB quando la frequenza di commutazione aumenta di dieci volte.

Per ovviare a questo inconveniente, i progettisti esperti di schede CS rimpiccioliscono gli anelli di corrente del regolatore e utilizzano strati a massa schermanti il più vicino possibile allo strato attivo. Tuttavia, la piedinatura, la costruzione del contenitore, i requisiti di progettazione termica e le dimensioni del contenitore necessarie per un adeguato immagazzinaggio dell'energia nei componenti di disaccoppiamento impongono una certa dimensione minima di tale anello di corrente rimpicciolito.

Per rendere il problema del layout ancora più impegnativo, la tipica scheda CS planare presenta un accoppiamento magnetico o di tipo trasformatore tra le tracce al di sopra di 30 MHz. Questo accoppiamento attenuerà gli sforzi di filtraggio, poiché più alte sono le frequenze armoniche, più efficace diventa l'accoppiamento magnetico indesiderato.

Quali sono gli standard rilevanti?

Non esiste un unico standard guida nel mondo delle EMI, in quanto è determinato in larga misura dall'applicazione e dai mandati governativi pertinenti. Tra le più citate vi sono le norme EN55022, CISPR 22 e CISPR 25. La norma EN 55022 è un derivato modificato della norma CISPR 22 e si applica alle apparecchiature informatiche. Lo standard è prodotto dal CENELEC, il Comitato europeo di normazione elettrotecnica, responsabile della standardizzazione nel campo dell'ingegneria elettrotecnica.

Questi standard sono complessi e definiscono le procedure di prova, le sonde, la strumentazione, l'analisi dei dati e altro. Tra i numerosi limiti definiti dallo standard, il limite delle emissioni irradiate di Classe B è spesso il più interessante per i progettisti.

Completezza: anche quando la situazione progettuale è ben compresa, la selezione e l'impiego dei componenti di supporto necessari nel modo giusto sono una sfida. Lievi differenze nel posizionamento e nelle specifiche dei componenti, nella messa a terra e nelle tracce della scheda CS e altri fattori possono inficiare le prestazioni.

La modellazione e la simulazione sono necessarie e possono essere d'aiuto, ma è molto difficile caratterizzare le correnti parassite associate a questi componenti, soprattutto se i loro valori cambiano. Inoltre, un cambio di fornitore (o un cambiamento non annunciato da parte del fornitore preferito) può indurre una lieve variazione dei valori dei parametri di secondo o terzo livello (come la resistenza c.c. dell'induttore, DCR), che potrebbe avere conseguenze significative e impreviste.

Inoltre, anche un leggero riposizionamento dei componenti passivi o l'aggiunta di "solo un altro" elemento può modificare lo scenario EMI e provocare emissioni superiori ai limiti consentiti.

Micromoduli Silent Switcher in soccorso

Anticipare e gestire i rischi è un aspetto normale del lavoro di un progettista. Ridurre il numero e l'intensità di questi rischi è una strategia standard per i prodotti finali. La soluzione consiste nell'utilizzare un regolatore c.c./c.c. funzionalmente completo che, grazie a una buona progettazione e implementazione, sia freddo, silenzioso e completo. L'utilizzo di un dispositivo noto riduce l'incertezza e consente di affrontare i rischi legati a dimensioni, costi, EMI, distinta base e assemblaggio. In questo modo si accelera anche il time-to-market e si riducono i problemi di conformità alle normative.

Prendendo in considerazione una famiglia completa di regolatori di questo tipo, come i micromoduli Silent Switcher di Analog Devices, i progettisti possono scegliere un regolatore c.c./c.c. adatto alla tensione e alla corrente richieste, con la certezza che i requisiti EMI saranno rispettati, le dimensioni e i costi saranno noti e non si avranno sorprese.

Questi regolatori incorporano molto di più di schemi e topologie innovative. Tra le tecniche utilizzate vi sono:

• Tecnica 1: la commutazione del regolatore funge da oscillatore/sorgente RF e si combina con i fili di collegamento, che fungono da antenne. Questo trasforma il gruppo in un trasmettitore RF con energia indesiderata che può superare i limiti consentiti (Figure 3, 4 e 5).

Figura 3: I fili di collegamento tra il die del CI e la confezione fungono da antenne in miniatura e irradiano energia RF indesiderata. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Figura 4: L'assemblaggio Silent Switcher inizia con la sostituzione dei collegamenti a filo a favore della tecnologia flip-chip, eliminando così i fili che irradiano energia. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Figura 5: L'approccio flip-chip elimina efficacemente le antenne e minimizza l'energia irradiata. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

• Tecnica 2: l'uso di condensatori di ingresso simmetrici limita le EMI creando correnti opposte e bilanciate (Figura 6).

Figura 6: Per limitare le EMI si aggiungono condensatori di ingresso doppi e speculari. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

• Tecnica 3: l'uso di circuiti di corrente opposti annulla i campi magnetici (Figura 7).

Figura 7: Una disposizione interna con circuiti di corrente in direzioni opposte annulla anche i campi magnetici indesiderati. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questi micromoduli Silent Switcher sono l'evoluzione progettuale dei regolatori step-down, passando da un CI con componenti di supporto a un CI LQFN con condensatori integrati a un micromodulo con i condensatori e induttori necessari (Figura 8).

Figura 8: Incorporando condensatori e un induttore nel contenitore, i micromoduli Silent Switcher rappresentano la terza fase del progresso dei regolatori di commutazione incentrati su CI. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

L'ampia offerta risponde alle esigenze e scende a compromessi

I micromoduli Silent Switcher comprendono molte unità singole con valori nominali diversi per l'intervallo della tensione di ingresso, il rail di tensione di uscita e la corrente di uscita. Ad esempio, LTM8003 è un micromodulo con ingresso da 3,4 a 40 V, uscita da 3,3 V, 3,5 A continui (6 A di picco) che soddisfa i limiti CISPR 25 di Classe 5, pur misurando solo 9 × 6,25 mm e 3,32 mm in altezza (Figura 9).

Figura 9: Silent Switcher LTM8003 è un piccolo contenitore autonomo che soddisfa facilmente il limite di energia irradiata di picco CISPR 25 Classe 5 da c.c. a 1000 MHz. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Viene offerto con una piedinatura conforme all'analisi degli effetti della modalità di guasto (FMEA) (LTM8003-3.3), il che significa che l'uscita rimane a una tensione pari o inferiore a quella di regolazione in caso di cortocircuito di un pin adiacente o qualora un pin rimanesse flottante. La corrente di quiescenza tipica è di soli 25 µA e la versione di grado H è classificata per il funzionamento a 150 °C.

La scheda dimostrativa di DC2416A è a disposizione dei progettisti per esercitarsi con il regolatore e valutarne le prestazioni per la propria applicazione (Figura 10).

Figura 10: La scheda dimostrativa DC2416A semplifica il collegamento e la valutazione del dispositivo Silent Switcher LTM8003. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Due componenti della famiglia Silent Switcher nominalmente simili, LTM4657 (ingresso da 3,1 a 20 V; uscita da 0,5 a 5,5 V a 8 A) e LTM4626 (ingresso da 3,1 a 20 V; uscita da 0,6 a 5,5 V a 12 A), mostrano la natura dei compromessi offerti dai dispositivi. LTM4657 utilizza un induttore di valore superiore rispetto a LTM4626, per un funzionamento a frequenze più basse al fine di ridurre la perdita di commutazione.

LTM4657 è una soluzione migliore in caso di elevate perdite di commutazione e basse perdite di conduzione, ad esempio in applicazioni in cui la corrente di carico è bassa e/o la tensione di ingresso è elevata. Osservando i modelli LTM4626 e LTM4657 in funzione alla stessa frequenza di commutazione e con lo stesso ingresso a 12 V e l'uscita a 5 V, si può notare la perdita di commutazione superiore di LTM4657 (Figura 11). Inoltre, l'induttore di valore superiore riduce il ripple della tensione di uscita. Tuttavia, LTM4626 può fornire una corrente di carico maggiore rispetto a LTM4657.

Figura 11: Il confronto dell'efficienza di LTM4626 e di LTM4657 a 1,25 MHz con la stessa configurazione su una scheda dimostrativa DC2989A mostra differenze contenute ma tangibili. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Gli utenti possono valutare le prestazioni di LTM4657 utilizzando la scheda dimostrativa DC2989A (Figura 12), mentre per chi deve valutare LTM4626 è disponibile la scheda DC2665A-A (Figura 13).

Figura 12: La scheda dimostrativa DC2989A è stata progettata per accelerare la valutazione del modulo Silent Switcher LTM4657. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Figura 13: Per il modulo Silent Switcher LTM4626, è disponibile la scheda dimostrativa DC2665A-A per facilitare l'esercitazione e la valutazione. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

I micromoduli Silent Switcher non sono limitati ai moduli a uscita singola. Ad esempio, LTM4628 è un regolatore c.c./c.c. a commutazione completo, con doppia uscita da 8 A, facilmente configurabile per fornire una singola uscita bifase da 16 A (Figura 14). Il modulo è disponibile in contenitori LGA da 15 × 15 × 4,32 mm e BGA da 15 × 15 × 4,92 mm. Il dispositivo include un controller a commutazione, FET di potenza, induttore e tutti i componenti ausiliari.

Figura 14: LTM4628 può essere configurato come regolatore c.c./c.c. a commutazione a doppia uscita, 8 A per canale, oppure in una configurazione a uscita singola, 16 A. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il modulo funziona con una tensione di ingresso compresa tra 4,5 e 26,5 V e supporta una tensione di uscita compresa tra 0,6 e 5,5 V, impostata da un unico resistore esterno. Gli utenti possono esaminare le sue prestazioni come dispositivo a uscita singola o doppia utilizzando la scheda dimostrativa DC1663A (Figura 15).

Figura 15: La valutazione di LTM4628 a uscita singola/doppia è accelerata dall'uso della scheda dimostrativa DC1663A. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Conclusione

La progettazione di un regolatore c.c./c.c. funzionante è abbastanza semplice con i CI disponibili. Tuttavia, non è possibile progettare un regolatore eccezionale in termini di efficienza, funzionalmente completo e che soddisfi i vari e spesso confusi mandati regolamentari. I micromoduli Silent Switcher di Analog Devices semplificano la progettazione eliminando i rischi per soddisfare gli obiettivi di un funzionamento freddo ed efficiente, di emissioni EMI inferiori ai limiti consentiti e di completezza drop-in.