Il regolatore a commutazione giusto assicura efficienza, basso rumore del rail e una rapida risposta ai transitori

La qualità del rail di alimentazione c.c. è un fattore critico per le prestazioni di un sistema in applicazioni come la connettività wireless, che si basa su circuiti analogici con bassi livelli di segnale, e in progetti digitali con basse tensioni di alimentazione. Oltre all'efficienza di conversione, all'accuratezza dell'uscita, alla stabilità e alla regolazione della linea e del carico, la qualità del rail c.c. è data anche da fattori quali il rumore intrinseco e la risposta ai transitori e alle variazioni dinamiche del carico.

Tuttavia, i progressi delle varie generazioni di prodotti della serie Silent Switcher di Analog Devices hanno portato a una tecnologia che, se applicata in modo appropriato, è in grado di fornire l'uscita c.c. a basso rumore richiesta e una risposta ultraveloce ai transitori.

Questo articolo si concentra su questi regolatori a commutazione c.c./c.c. ad alte prestazioni e di facile utilizzo, sui problemi che risolvono e sui vantaggi che offrono. Utilizza esempi applicativi di Analog Devices per mostrare come massimizzare le loro prestazioni.

La famiglia Silent Switcher

La famiglia di regolatori a commutazione c.c./c.c. Silent Switcher di Analog Devices è giunta alla terza generazione. La prima generazione, Silent Switcher 1, si concentrava sulla riduzione del rumore ad alta frequenza associato ai regolatori a commutazione. Il sistema offriva contemporaneamente tre vantaggi fondamentali: basse interferenze elettromagnetiche (EMI), alta efficienza e alta frequenza di commutazione (per componenti correlati più piccoli).

Successivamente, Analog Devices ha introdotto la famiglia Silent Switcher 2, che ha mantenuto le caratteristiche del suo predecessore e ha aggiunto condensatori di precisione integrati, un fattore di forma più compatto e ha eliminato la sensibilità al layout della scheda a circuiti stampati (PCB).

La terza generazione, Silent Switcher 3, si basa sulle capacità uniche delle prime due. Aggiunge vantaggi quali una rapida risposta ai transitori e un bassissimo rumore nella banda delle basse frequenze (Figura 1).

Figura 1: Ogni generazione successiva del regolatore c.c./c.c. Silent Switcher ha mantenuto e aggiunto caratteristiche e funzioni rispetto al predecessore. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Soluzioni per il rumore dei commutatori

Per ottenere il basso livello di rumore delle prime due generazioni, i progettisti hanno esaminato le molteplici fonti di rumore e hanno esplorato modi innovativi per aggirarle, minimizzarle o addirittura annullarle. Ciò ha richiesto un approccio variegato. Ad esempio, la principale fonte di rumore in un alimentatore a commutazione è la commutazione delle correnti, non il flusso di corrente stazionaria. Nella topologia di un regolatore a commutazione convenzionale, esiste un percorso del flusso di corrente chiamato "circuito caldo". Il circuito sotto tensione è la fonte principale di rumore ad alta frequenza che viene emesso nell'aria, e causa delle EMI. La prima generazione di regolatori c.c./c.c. Silent Switcher è stata innovativa per la suddivisione del circuito sotto tensione in due circuiti di corrente di forma simmetrica. In questo modo si creano due campi magnetici di polarità opposta che annullano in larga misura il rumore irradiato.

La generazione Silent Switcher 2 riduce al minimo i circuiti sotto tensione critici integrando i condensatori di ingresso direttamente nel contenitore del CI.

L'architettura supporta fronti a commutazione rapidi per un'elevata efficienza alle alte frequenze a commutazione, ottenendo buone prestazioni EMI. I condensatori ceramici interni sulla tensione di ingresso c.c. (V_IN) aiutano a mantenere bassi tutti i circuiti di corrente alternata veloce per un ulteriore miglioramento. L'architettura di Silent Switcher utilizza inoltre tecniche di progettazione e confezionamento proprietarie che massimizzano l'efficienza a frequenze molto elevate, superando in tal modo i limiti EMI di picco della Classe 5 CISPR 25.

Inoltre, viene utilizzato il posizionamento di tensione attivo (AVP), una tecnica in cui la tensione di uscita dipende dalla corrente di carico. La tensione di uscita è regolata al di sopra del valore nominale con carichi bassi e al di sotto di tale valore a pieno carico. La regolazione del carico c.c. migliora le prestazioni dei transitori e riduce al minimo i requisiti del condensatore di uscita.

Silent Switcher 3 e risposta ai transitori

La risposta ai transitori si riferisce alla capacità di un regolatore di rispondere a variazioni improvvise del carico ed è un parametro sempre più importante. Pertanto, la terza generazione si è concentrata sulla fornitura di una risposta ai transitori ultraveloce, oltre a ridurre al minimo il rumore a bassa frequenza (da 10 Hz a 100 kHz).

La crescente preoccupazione per la risposta ai transitori è dovuta alle unità di elaborazione dei segnali e ai System-on-Chip (SoC), che spesso presentano profili di carico transitorio mutevoli. I transitori di carico provocano un disturbo sulla tensione di alimentazione, un fattore critico per i progetti RF ad alte prestazioni. Ad esempio, una tensione di alimentazione variabile influisce in modo significativo sulla frequenza di clock del sistema.

Di conseguenza, i SoC RF di solito applicano un tempo morto durante un transitorio di carico. Nelle applicazioni 5G, la qualità delle informazioni è fortemente correlata a questo periodo morto durante la transizione. Riducendo al minimo l'effetto dei transitori di carico sull'alimentazione, si migliorano le prestazioni del sistema.

Per raggiungere questi obiettivi, i dispositivi monolitici Silent Switcher 3 sono dotati di un amplificatore di errore ad altissime prestazioni che fornisce una stabilizzazione aggiuntiva anche con una compensazione aggressiva. La frequenza di commutazione massima di 4 MHz consente al CI di spingere la larghezza di banda del circuito di controllo fino all'intervallo delle bande medie (in kHz) in una modalità di controllo della corrente di picco a frequenza fissa. Inoltre, diverse innovazioni attenuano le particolarità che ostacolano la risposta ai transitori:

Separazione del carico - In un progetto tipico, un carico di 1 V è costituito da circuiti di trasmissione e ricezione, oscillatori locali (LO) e oscillatori controllati in tensione (VCO). I carichi di trasmissione/ricezione subiscono brusche variazioni della corrente di carico durante il funzionamento in divisione di frequenza duplex (FDD). Al tempo stesso, i LO e i VCO vedono un carico costante ma richiedono un'elevata precisione e un basso rumore.

L'elevata larghezza di banda di questi dispositivi consente ai progettisti di alimentare i due gruppi di carico critici a 1 V da un regolatore in CI, separando i carichi dinamici e statici con un secondo induttore (L2) (Figura 2, in alto). La risposta ai transitori di carico è rapida, con una deviazione minima di VOUT, e non influisce sul carico statico (Figura 2, in basso).

Figura 2: Il circuito applicativo del commutatore Silent Switcher separa i carichi RF dinamici e statici con un induttore (L2) per migliorare le prestazioni (in alto); la risposta ai transitori di carico è rapida con una deviazione V_OUT minima che non influisce sul carico statico (in basso). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Post-filtraggio con induttanza equivalente ridotta al minimo - In modalità divisione di tempo duplex (TDD), i LO e i VCO sensibili al rumore si caricano e scaricano con il cambio di modalità di trasmissione/ricezione. In questo modo, è possibile utilizzare un circuito semplificato, poiché tutti i carichi sono considerati dinamici; contemporaneamente, è necessario un post-filtraggio più critico per mantenere le caratteristiche di basso ripple e rumore per i LO e i VCO.

Un condensatore a tre terminali in modalità passante può realizzare un post-filtraggio sufficiente con un'induttanza equivalente minima, mantenendo così una larghezza di banda veloce per i transitori di carico (Figura 3, in alto). Il condensatore passante, insieme ai condensatori di uscita del lato remoto, forma due ulteriori stadi di filtro induttore-condensatore (LC). Tutta l'induttanza è dovuta all'induttanza equivalente in serie (ESL) del condensatore a tre terminali, che è molto piccola e meno dannosa per il transitorio di carico. Il condensatore passante migliora la risposta ai transitori e riduce al minimo il ripple della tensione di uscita (Figura 3, in basso).

Figura 3: Un circuito applicativo per carichi RF dinamici/statici combinati che utilizza un condensatore passante a tre terminali (in alto a destra) per fornire il post-filtraggio con un'induttanza equivalente minima per mantenere una larghezza di banda veloce per i transitori di carico. Il condensatore passante migliora la risposta ai transitori, riducendo al minimo il ripple della tensione di uscita (in basso). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Precarica - In alcuni casi, l'unità di elaborazione dei segnali dispone di I/O generici (GPIO); inoltre, l'elaborazione dei segnali è programmata e l'evento transitorio è noto in anticipo. Ciò si verifica solitamente in alcuni progetti di alimentatori FPGA, dove il segnale di precarica può essere generato per aiutare a fornire la risposta ai transitori dell'alimentatore.

In un circuito applicativo tipico (Figura 4, in alto), se l'FPGA genera un segnale di precarica per fornire la polarizzazione prima del carico reale, la transizione consente al dispositivo di avere un tempo supplementare per gestire il disturbo del carico con una deviazione e un recupero di V_OUT minimi (Figura 4, in basso).

Figura 4: Un segnale di precarica alimentato nel pin di ingresso negativo di un amplificatore di errore (OUTS) per ottenere una risposta veloce ai transitori; la retroazione del regolatore è influenzata sia dal segnale di precarica sia dal transitorio di carico (in basso). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Abbassamento attivo - Nelle applicazioni di beamforming (Figura 5, in alto), la tensione di alimentazione varia continuamente per adattarsi a diversi livelli di potenza. Di conseguenza, il requisito di precisione per la tensione di alimentazione è solitamente compreso tra 5% e 10%. In questa applicazione, la stabilità è più importante della precisione della tensione, in quanto la riduzione al minimo del tempo di recupero durante il transitorio di carico massimizza l'efficienza dell'elaborazione dei dati. Un circuito di abbassamento è adatto a questa applicazione, poiché la tensione di abbassamento riduce o addirittura elimina il tempo di recupero (Figura 5, in basso).

Figura 5: La collocazione di un resistore di abbassamento attivo (R8) tra OUTS e VC consente di ottenere un rapido recupero dai transitori (in alto); la risposta ai transitori di abbassamento può essere personalizzata per ridurre al minimo il tempo di recupero dai transitori (in basso). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

I dispositivi implementano e convalidano le innovazioni

Questi concetti sulla riduzione del rumore e sul miglioramento della risposta ai transitori sono stati incorporati nella famiglia di dispositivi monolitici Silent Switcher 3. Questi supportano un ampio intervallo di tensioni e correnti massime, offrendo agli utenti flessibilità e prestazioni senza compromessi. Due esempi chiariscono questo aspetto: LT8622SAV#PBF (Figura 6, in alto) e LT8627SPJV#TRPBF (Figura 6, in basso).

All'estremità inferiore dell'intervallo di corrente e potenza, LT8622SAV#PBF è un commutatore a uscita continua da 2 A per ingressi da 2,7 V a 18 V. Ha un intervallo della tensione di uscita compreso tra 0 V e V_IN - 0,5 V che può essere programmato con un unico resistore. L'efficienza nella maggior parte dell'intervallo della corrente di uscita è del 90% minimo e raggiunge il 95%.

Figura 6: LT8622 da 2 A in una tipica configurazione applicativa, insieme alle sue curve di efficienza e di perdita di potenza (in alto) (nota: LTC8624 nello schema è identico a LT8622 con le stesse curve, ma ha un valore nominale di 4 A); le stesse informazioni sono mostrate anche per LT8627 da 16 A (in basso). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

LT8622SAV#PBF offre eccezionali prestazioni di rumore in uscita a bassa frequenza (da 0,1 Hz a 100 kHz) in un regolatore a commutazione, con un rumore RMS di soli 4 μV_RMS. La frequenza operativa è regolabile e può essere sincronizzata da 300 kHz a 6 MHz. Il dispositivo è alloggiato in un piccolo contenitore LQFN a 20 conduttori di 3 x 4 mm.

LT8627SPJV#TRPBF da 16 A, a potenza superiore, ha una tensione di ingresso compresa tra 2,8 V e 18 V, mentre la tensione di uscita è regolabile tramite resistore da 0 a V_IN - 0,5 V. L'efficienza supera l'80% e raggiunge il 90% nel punto ideale della fascia media a una frequenza a commutazione di 1 MHz. Le prestazioni in termini di rumore di uscita a bassa frequenza sono identiche a quelle di LT8622SAV#PBF da 2 A.

Anche la frequenza operativa è regolabile e può funzionare ed essere sincronizzata da 300 kHz a 4 MHz, un valore inferiore a quello del dispositivo a corrente più bassa. Il contenitore è un LQFN a 24 conduttori di 4 × 4 mm leggermente più grande, con il retro esposto per un dissipatore di calore opzionale.

Conclusione

I progettisti di prodotti innovativi, soprattutto nell'area RF del fronte iniziale, richiedono efficienza, ma accompagnata da un basso rumore e da una rapida risposta ai transitori della tensione di alimentazione. La famiglia di regolatori c.c./c.c. Silent Switcher 3 di Analog Devices è la nuova generazione di dispositivi monolitici ad alta efficienza, ottimizzati per prestazioni sensibili al rumore e ai transitori di carico dinamico in diverse applicazioni.