Come fornire potenza a basso rumore e alta densità in un formato compatto a FPGA e ASIC

I CI digitali con requisiti di alta corrente, come gli FPGA e gli ASIC, sono sempre più al centro dei sistemi embedded per applicazioni automotive, medicali, telecomunicazioni, industriali, audiovisive di tipo consumer e nei giochi. Molte di queste applicazioni sono mission-critical, come i sistemi di assistenza alla guida (ADAS) nel settore automotive, e ad alta affidabilità, come nei data center.

Oltre ai requisiti di corrente, questi dispositivi a bassa tensione hanno specifiche di tolleranza molto strette per i rail di alimentazione. L'erogazione di questa potenza con efficienza, precisione, transitori veloci, stabilità e basso rumore è fondamentale per le prestazioni e l'integrità del sistema.

I regolatori a commutazione e i sottosistemi di potenza convenzionali presentano potenziali problemi di rumore, sia sui rail di uscita sia come interferenze elettromagnetiche irradiate (EMI) e interferenze a radiofrequenza (RFI), risposta transitoria inadeguata e limitazioni di layout. Per ridurre al minimo il rumore, alcune applicazioni utilizzano regolatori a bassa caduta di tensione (LDO), piccoli e silenziosi, che offrono una maggiore efficienza rispetto agli LDO tradizionali. Tuttavia, anche questi LDO non sono in grado di soddisfare i requisiti di efficienza del sistema, con conseguenti problemi di dissipazione termica.

L'alternativa efficiente a un LDO è il regolatore a commutazione, ma questi dispositivi presentano un rumore intrinsecamente più elevato a causa della funzione di clock e di commutazione. Questo rumore deve essere attenuato per trarre il massimo vantaggio da questi dispositivi di commutazione.

Fortunatamente, esistono nuovi modi per bilanciare rumore ed efficienza. Questo articolo esamina le recenti innovazioni nella progettazione della conversione di potenza che presentano un'elevata efficienza e requisiti di spazio minimi, oltre a ridurre notevolmente il rumore di un regolatore di commutazione. L'articolo analizza come i regolatori di commutazione innovativi possano soddisfare i molteplici obiettivi per i carichi con tensione minima e sotto i 10 A e porta come esempio i piccoli CI Silent Switcher della famiglia LTC33xx di Analog Devices.

Il dilemma corrente/tensione

Quando furono inventati i transistor e i CI nella seconda metà del XX secolo, tra le loro numerose virtù c'era il fatto che i loro requisiti di potenza per funzione erano molto bassi rispetto alle valvole che sostituivano, di un fattore di 100 o più. Tuttavia, questo progresso ha presto portato a una maggiore densità di funzioni per dispositivo e circuito stampato, tanto che i CI richiedono oggi decine di ampere per rail, spesso su più rail.

Tra i CI che richiedono queste correnti elevate, e che alla fine devono dissipare l'elevata quantità di potenza associata sotto forma di calore, ci sono i gate array programmabili sul campo (FPGA) e i CI specifici per applicazioni (ASIC). Entrambi sono ampiamente utilizzati in dispositivi embedded nell'intero settore dell'elettronica, compresi i dispositivi automotive, medicali, industriali, di comunicazione, di gioco e audiovisivi di tipo consumer.

La corrente necessaria all'FPGA o all'ASIC può essere fornita da un convertitore c.a./c.c. per i dispositivi alimentati in rete o da un convertitore c.c./c.c. per quelli alimentati a batteria. In entrambi i casi, è necessario un successivo regolatore c.c./c.c. step-down (buck) per fornire e gestire la bassa tensione del rail per il carico ai livelli di corrente necessari.

Un modo per fornire l'alimentazione necessaria è quello di utilizzare un unico regolatori c.c./c.c. buck per supportare tutti i dispositivi del circuito e posizionarlo a lato o in un angolo della scheda CS per aiutare a gestire i problemi di dissipazione del calore e semplificare l'architettura c.c./c.c. a livello di sistema.

Tuttavia, questa semplice soluzione ha i suoi problemi:

• In primo luogo, c'è l'inevitabile caduta ohmica tra il regolatore e i carichi a causa della distanza e degli alti livelli di corrente (caduta ΔV = corrente di carico I × resistenza della traccia (R)). Le soluzioni possibili sono l'aumento della larghezza o dello spessore delle tracce della scheda CS o l'utilizzo di un condotto sbarra, ma queste soluzioni utilizzano spazio prezioso sulla scheda e aumentano la distinta base.
• Una tecnica per superare la caduta ohmica consiste nell'utilizzare il rilevamento remoto della tensione sul carico, ma funziona bene solo per un carico singolo e non disperso. Inoltre, comporta nuovi problemi di potenziale oscillazione, in quanto l'induttanza dei conduttori del rail di alimentazione e di rilevamento più lunghi può influire sulle prestazioni di risposta ai transitori del regolatore e dei rail.
• Infine, ed è il problema spesso difficile da gestire, i rail di alimentazione più lunghi sono anche soggetti a una maggiore captazione di rumore EMI/RFI o sono efficaci nell'irradiare il rumore sulla loro lunghezza, agendo pertanto come antenne. La soluzione di solito richiede condensatori di bypass aggiuntivi, perline di ferrite in linea e altre misure. A seconda dell'entità e della frequenza, questo rumore può influire negativamente sul funzionamento affidabile dei carichi e complicare il rispetto dei vari obblighi normativi sulle emissioni acustiche.

L'enigma del rumore e dell'efficienza

È importante notare che il dilemma "rumore o efficienza" per i regolatori c.c./c.c. è uno scenario diverso dai soliti compromessi di progettazione. Spesso si tratta di soppesare i compromessi e di trovare il giusto equilibrio tra gli attributi favorevoli e quelli sfavorevoli.

In che modo è diversa questa situazione? La maggior parte degli scenari di compromesso consente al progettista di accettare deliberatamente un valore inferiore di un parametro desiderato in cambio di un altro maggiore, muovendosi lungo un continuum di compromessi (Figura 1, in alto).

Figura 1: La maggior parte delle situazioni di progettazione consente al progettista di valutare e quindi scendere a vari compromessi prestazionali lungo un percorso abbastanza continuo (in alto), ma per quanto riguarda il rumore/l'efficienza dei regolatori a commutazione rispetto agli LDO, i progetti non hanno molte "vie di mezzo" (in basso). (Immagine per gentile concessione di Bill Schweber)

Ad esempio, il progettista può scegliere un amplificatore operazionale che assorbe più corrente (male) per fornire una velocità di rotazione più elevata (bene) rispetto a un altro; un compromesso accettabile o necessario nell'applicazione.

Tuttavia, con i regolatori a commutazione e gli LDO, le loro caratteristiche di rumore ed efficienza sono in gran parte "incorporate" nella loro struttura. Un progettista non può dire, ad esempio, che accetterà un LDO con il 20% di rumore in più in cambio di un miglioramento del 10% dell'efficienza: questo tipo di compromesso non esiste. Esiste un vuoto nell'arco attributo-compromesso (Figura 1, in basso).

I regolatori Silent Switcher risolvono il dilemma

Una soluzione alternativa, di solito migliore, consiste nell'utilizzare regolatori c.c./c.c. individuali collocati il più vicino possibile ai rispettivi CI di carico. In questo modo si riducono al minimo la caduta ohmica, l'ingombro sulla scheda, la captazione e l'irradiazione rail-rumore. Tuttavia, affinché questo approccio sia praticabile, è essenziale che i regolatori siano piccoli, efficienti e a basso rumore e che possano essere collocati accanto al carico per soddisfare tutti i requisiti attuali.

È qui che i numerosi regolatori Silent Switcher risolvono i problemi. Questi regolatori non solo forniscono uscite di tensione a livelli di corrente da pochi ampere a 10 A, ma lo fanno anche con un rumore estremamente ridotto, ottenuto grazie all'impiego di diverse innovazioni progettuali.

Con i dispositivi Silent Switcher 1 (prima generazione) e Silent Switcher 2 (seconda generazione), questi regolatori modificano la concezione convenzionale del divario tra LDO e regolatori a commutazione. I progettisti di questi dispositivi hanno identificato le varie fonti di rumore e hanno escogitato i modi per attenuarle.

Si noti che i regolatori Silent Switcher non utilizzano la nota e legittima tecnica della divisione di spettro, che consiste nell'aggiungere un rumore pseudo-casuale al segnale di clock. Questo amplia lo spettro del rumore, riducendone l'ampiezza alla frequenza di clock e alle sue armoniche. Sebbene l'uso del clock a spettro esteso possa aiutare a rispettare i limiti normativi, non riduce l'energia di rumore aggregata e può, di fatto, inserire altro rumore in parti dello spettro che influiscono sulle prestazioni del circuito.

I vantaggi dei dispositivi Silent Switcher 1 includono un basso livello di EMI, un'elevata efficienza e un'alta frequenza di commutazione che allontana gran parte del rumore residuo dalle parti dello spettro in cui potrebbe interferire con il funzionamento del sistema o incorrere in problemi normativi. I vantaggi di Silent Switcher 2 includono tutte le caratteristiche della tecnologia Silent Switcher 1, con in più condensatori di precisione integrati, una soluzione di dimensioni ridotte e l'eliminazione dei problemi legati al layout della scheda CS.

Grazie al loro fattore di forma compatto (solo pochi mmq) e all'efficienza, questi commutatori possono essere posizionati molto vicino all'FPGA o all'ASIC di carico, massimizzando così le prestazioni ed eliminando le incertezze tra le specifiche di prestazione della scheda tecnica e la realtà dell'uso. Questi sistemi cambiano il dilemma "binario" di dover scegliere se accettare più rumore o meno efficienza, consentendo ai progettisti di avere il meglio di entrambi gli attributi quando si tratta di rumore ed efficienza.

Come sono stati raggiunti i vantaggi di Silent Switcher? Mediante un approccio multiforme:

• La causa principale del rumore in un alimentatore a commutazione sono le correnti commutate, non quelle stazionarie. Nella topologia di un regolatore a commutazione convenzionale, esiste un percorso del flusso di corrente chiamato "circuito caldo". Questo non è un circuito di corrente indipendente, ma solo un circuito di corrente virtuale composto dalle componenti di due circuiti di corrente reali (Figura 2).

Figura 2: La tipica topologia dei regolatori a commutazione prevede un circuito di corrente virtuale chiamato circuito caldo, composto dalle componenti di due circuiti di corrente reali con flussi di corrente commutata. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La tecnologia Silent Switcher 2 di Analog Devices riduce al minimo i circuiti caldi critici grazie all'integrazione dei condensatori di ingresso nel contenitore del CI. Inoltre, dividendo il circuito caldo in due forme simmetriche, si creano due campi magnetici di polarità opposta e il rumore irradiato in larga misura si annulla.

• L'architettura di seconda generazione supporta fronti di commutazione rapidi per un'elevata efficienza alle alte frequenze di commutazione, ottenendo contemporaneamente buone prestazioni EMI. I condensatori ceramici interni sulla tensione di ingresso c.c. (V_IN) mantengono bassi tutti i circuiti di corrente alternata veloce, migliorando le prestazioni EMI.
• L'architettura Silent Switcher utilizza tecniche di progettazione e confezionamento proprietarie per massimizzare l'efficienza a frequenze molto elevate e consentire prestazioni EMI bassissime, superando facilmente i limiti EMI di picco CISPR 25 Classe 5 grazie a progetti altamente compatti e robusti.
• Utilizza il posizionamento di tensione attivo (AVP), una tecnica in cui la tensione di uscita dipende dalla corrente di carico. A bassi carichi, la tensione di uscita è regolata al di sopra del valore nominale, mentre a pieno carico la tensione di uscita è regolata al di sotto del valore nominale. La regolazione del carico c.c. migliora le prestazioni dei transitori e riduce i requisiti del condensatore di uscita.

Le numerose famiglie di Silent Switcher

I regolatori Silent Switcher sono disponibili in numerose famiglie e modelli, con diversi valori di tensione/corrente per famiglia. Alcune considerazioni aggiuntive variano da modello a modello, come uscita fissa o regolabile. Tra i vari membri della famiglia LTC33xx vi sono:

• LTC3307: Silent Switcher step-down sincrono da 5 V e 3 A in un contenitore LQFN di 2 × 2 mm
• LTC3308A: Silent Switcher step-down sincrono da 5 V e 4 A in un contenitore LQFN di 2 × 2 mm
• LTC3309A: Silent Switcher step-down sincrono da 5 V e 6 A in un contenitore LQFN di 2 × 2 mm
• LTC3310: Silent Switcher step-down sincrono da 5 V e 10 A in un contenitore LQFN di 3 × 3 mm

Analizzando più in dettaglio LTC3310, si tratta di un convertitore c.c/c.c. step-down monolitico di dimensioni molto compatte e a basso rumore, in grado di fornire fino a 10 A di corrente di uscita da un'alimentazione di ingresso compresa tra 2,25 e 5,5 V; l'intervallo V_OUT è compreso tra 0,5 V e V_IN. Le frequenze di commutazione vanno da 500 kHz a 5 MHz. Richiede solo pochi componenti passivi esterni e ha un'efficienza del 90% circa sulla maggior parte del carico di uscita (Figura 3).

Figura 3: Il regolatore c.c./c.c. step-down LTC3310 richiede componenti attivi esterni e offre un'elevata efficienza nella maggior parte del suo intervallo di carico. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

È disponibile in quattro versioni base. I dispositivi offrono una bassa EMI e un'elevata efficienza a frequenze di commutazione fino a 5 MHz e sono disponibili versioni della famiglia LTC3310 con qualifica AEC-Q100 per il settore automotive. Si noti che sia i dispositivi di prima generazione (SS1) - LTC3310 - che quelli di seconda generazione (SS2) - LTC3310S e LTC3310S-1 - sono disponibili come dispositivi a uscita regolabile e fissa (Tabella 1):

Tabella 1: LTC3310 è offerto in quattro versioni di base, che rappresentano progetti di prima e seconda generazione, nonché uscite fisse e regolabili. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per le versioni regolabili, la tensione di uscita viene programmata tramite un divisore resistivo tra l'uscita e il pin di retroazione (FB) utilizzando una semplice equazione per determinare il valore corretto del resistore (Figura 5).

Figura 5: Per stabilire la tensione di uscita dei dispositivi regolabili LTC3310 è sufficiente una rete di divisori resistivi di base che si fonda su una semplice equazione. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

I livelli di rumore sono in genere nell'ordine delle decine di microvolt. Due parametri chiave delle prestazioni a basso rumore dei dispositivi LTC3310 sono i test di rumore condotti in conformità ai limiti di picco CISPR25 Classe 5. Questi includono il rumore condotto (Figura 6) e il rumore irradiato su entrambi i piani orizzontale e verticale (Figura 7).

Figura 6: Un regolatore opportunamente predisposto basato su LTC3310S soddisfa i severi limiti di emissioni EMI condotte CISPR25 (con picco di Classe 5). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Figura 7: Per i test sulle emissioni irradiate, LTC3310S soddisfa i requisiti EMI sia sul piano orizzontale (a sinistra) sia su quello verticale (a destra) secondo CISPR25. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Un'altra caratteristica notevole della famiglia LTC3310 è la facilità con cui i dispositivi possono essere utilizzati in parallelo per il funzionamento multifase a corrente elevata, una caratteristica che molti altri regolatori di commutazione non supportano o che supportano solo con difficoltà. Il parallelismo più semplice è quello per il funzionamento bifase, con corrente fino a 20 A (Figura 8). L'approccio può essere facilmente esteso a tre, quattro o più fasi e alle relative correnti più elevate.

Figura 8: Con pochi componenti aggiuntivi, è possibile combinare due o più dispositivi LTC3310 per il funzionamento multifase a corrente più elevata; la figura mostra la configurazione bifase a 20 A. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Le schede di valutazione abbreviano i cicli di progettazione

I regolatori come i dispositivi LTC3310 sono diretti nella loro applicazione in quanto non hanno registri di inizializzazione, funzioni controllate da software o altre impostazioni complesse. Tuttavia, dal punto di vista tecnico ha senso poter valutare le loro prestazioni statiche e dinamiche e ottimizzare i valori dei componenti passivi prima di impegnarsi in un layout finale o in una distinta base specifica. La disponibilità di schede di valutazione per LTC3310 rende questo processo molto più semplice. Analog Devices offre una scelta di schede di questo tipo abbinate a diverse versioni e configurazioni di LTC3310:

• DC3042A supporta il dispositivo LTC3310 a uscita regolabile (Figura 9).

Figura 9: La scheda di valutazione DC3042A è progettata per LTC3310 con una tensione di uscita impostabile dall'utente. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Oltre a fornire agli utenti le istruzioni per la configurazione e il funzionamento di base, la documentazione comprende un diagramma schematico, il layout della scheda e la distinta base. Indica anche i vari punti di test e i collegamenti, nonché la disposizione delle sonde per misurare il ripple di uscita e la risposta al gradino (Figura 10).

Figura 10: Il manuale dimostrativo DC3042A indica chiaramente i punti di test e i collegamenti (in alto), nonché l'impostazione e la configurazione delle sonde per misurare il ripple di uscita e la risposta al gradino. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

• Per LTC3310S-1 con tensione di uscita fissa, è disponibile la scheda di valutazione DC3021A (Figura 11).

Figura 11: Per LTC3310S-1 con tensione di uscita non regolabile dall'utente, la scheda di valutazione DC3021A è la scelta più appropriata. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

• Infine, per una disposizione multifase in parallelo un po' più complessa, è fornita la scheda DC2874A-C (Figura 12). In questa scheda di valutazione, LTC3310S funziona come regolatore buck multifase a 2,0 MHz, da 3,3 a 1,2 V. DC2874A è offerta in tre varianti per soluzioni di uscita bifase/20 A, trifase/30 A o quadrifase/40 A.

Figura 12: La scheda di valutazione DC2874A-C per LTC3310S è offerta in tre varianti: uscite bifase/20 A, trifase/30 A o quadrifase/40 A. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Utilizzando LTC3310S e investendo un po' di tempo con la scheda di valutazione appropriata e il relativo manuale utente, i progettisti possono ridurre al minimo il tempo dedicato alle prestazioni del regolatore c.c./c.c.

Conclusione

Tradizionalmente gli ingegneri hanno dovuto scegliere tra due topologie di regolatori c.c./c.c. in conflitto tra loro, con caratteristiche nettamente opposte. Gli LDO offrono un'uscita c.c. a basso rumore, ma con un'efficienza da bassa a moderata, il che li rende un problema termico oltre le uscite di circa 1 A. Al contrario, i regolatori a commutazione offrono efficienze fino al 90%, ma aggiungono rumore al rail di uscita c.c. e sono anche una fonte di rumore condotto e soprattutto irradiato che può facilmente portare il prodotto a non superare i test normativi obbligatori.

Fortunatamente, le famiglie di Silent Switcher di Analog Devices impiegano una serie di tecniche di progettazione innovative che superano questo dilemma, dando vita a opzioni di regolatori altamente efficienti, a bassissimo rumore e con un fattore di forma compatto.