Las unidades de procesamiento de señales y las unidades de sistema en chip (SoC) suelen poseer perfiles transitorios de carga que cambian bruscamente. Este transitorio de carga provocará una perturbación en la tensión de suministro que es crítica en aplicaciones de radiofrecuencia (RF), ya que la frecuencia del reloj se verá muy afectada por la variación de la tensión de suministro. En este artículo se explica cómo las soluciones de suministro Silent Switcher® pueden ayudar a conseguir una respuesta transitoria ultrarrápida de la fuente de suministro en aplicaciones inalámbricas y, especialmente, de RF.
Familia Silent Switcher 3 de transitorios rápidos para aplicaciones de RF
Uno de los métodos más sencillos para conseguir raíles de potencia transitorios rápidos es seleccionar reguladores que ofrezcan un rendimiento transitorio rápido. La familia de circuitos integrados Silent Switcher 3 presenta un ruido de salida de frecuencia excepcionalmente baja, una rápida respuesta transitoria, bajas emisiones EMI y una alta eficiencia. Cuenta con un diseño de amplificador de error de ultraalto rendimiento que puede proporcionar estabilización adicional incluso con compensación agresiva. La frecuencia de conmutación máxima de 4 MHz permite al circuito integrado ampliar el ancho de banda del bucle de control hasta la mitad del rango de los cien kHz en un modo de control de corriente de pico de frecuencia fija. Los circuitos integrados Silent Switcher 3 que los diseñadores pueden seleccionar para lograr un rendimiento transitorio rápido se enumeran en la Tabla 1.
Tabla 1. Parámetros de la familia Silent Switcher 3.
La Figura 1 muestra un suministro de potencia de salida típica de 1 V basada en el LT8625SP para el 5G RFSoC, que necesita una respuesta transitoria rápida y un bajo nivel de rizado/ruido al mismo tiempo. La carga de 1 V consta de circuitos relacionados con la transmisión/recepción, así como de osciladores locales (LO) y osciladores controlados por tensión (VCO). Las cargas transmitidas/recibidas experimentan un cambio brusco de la corriente de carga en el funcionamiento dúplex por división de frecuencia (FDD). Al mismo tiempo, los LO/VCO están sometidos a una carga constante, pero requieren una gran precisión y un bajo nivel de ruido. La característica de gran ancho de banda del LT8625SP permite a los diseñadores alimentar los dos grupos de carga críticos de 1 V desde un único CI separando la carga dinámica y la carga estática con un segundo inductor (L2).
La Figura 2 muestra la respuesta de la tensión de salida con un transitorio de carga dinámico de 4 A a 6 A. La carga dinámica se recupera en 5 µs con menos del 0.8 % de tensión pico a pico, lo que minimiza el efecto en el lado de la carga estática con una tensión pico a pico inferior al 0.1 %. Este circuito puede modificarse para dar cabida a otras combinaciones de salida, como 0.8 V y 1.8 V, que pueden suministrar directamente la carga RFSoC sin la etapa reguladora LDO debido al ruido ultrabajo en el rango de baja frecuencia, el bajo rizado de tensión y la respuesta transitoria ultrarrápida.
Figura 1. Circuitos de aplicación típicos para el LT8625SP en cargas de RF dinámicas/estáticas separadas.
Figura 2. La respuesta transitoria de la carga es rápida con una desviación mínima de VOUT y no afecta a la carga estática.
En el modo dúplex por división de tiempo (TDD), los LO/VCO críticos para el ruido se cargan y descargan junto con los cambios de modo de transmisión/recepción. Así, un circuito simplificado como el que se muestra en la Figura 3 ya que todas las cargas se consideran cargas dinámicas, mientras que se requiere un postfiltrado más crítico para mantener la característica de bajo rizado/bajo ruido para los LO/VCO. Se puede utilizar un capacitor de 3 terminales en modo de suministro para conseguir un postfiltrado suficiente con una L equivalente minimizada que mantenga un ancho de banda rápido para los transitorios de carga. El capacitor de paso junto con los capacitores de salida del lado remoto forman otras dos etapas de filtro LC, mientras que todos los L proceden de los ESL del capacitor de 3 terminales, que es muy pequeño y menos perjudicial para el transitorio de carga.
La Figura 3 también ilustra una sencilla conexión de detección remota para la familia Silent Switcher 3. Gracias a la exclusiva tecnología de generación de referencia y suministro, solo es necesario una conexión Kelvin de la tierra del capacitor del pin SET (C1) y el pin OUTS al punto de retroalimentación remoto deseado. No se necesitan circuitos de cambio de nivel para esta conexión.
La Figura 4 muestra una forma de onda de respuesta transitoria de carga de 1 A con un tiempo de recuperación de <5 μs y un rizado de tensión de salida de <1 mV.
Figura 3. Circuito de aplicación típicos para el LT8625SP en cargas de RF dinámicas/estáticas combinadas.
Figura 4. El capacitor de paso aumenta la respuesta transitoria a la vez que minimiza el rizado de la tensión de salida.
Las señales de precarga dirigen la familia Silent Switcher 3 para una respuesta transitoria rápida
En algunos casos, la unidad de procesamiento de señales es potente con suficientes puertos GPIO, y el procesamiento de señales está bien programado ya que el evento transitorio puede conocerse con antelación. Esto suele ocurrir en algunos diseños de fuentes de suministro FPGA donde la señal de precarga puede generarse para ayudar a alimentar la respuesta transitoria de la fuente.
La Figura 5 muestra un circuito de aplicación típico que utiliza la señal de precarga generada por la FPGA para proporcionar una polarización antes de que se produzca la transición de carga real, de modo que el LT8625SP pueda disponer de tiempo adicional para adaptarse a la perturbación de carga sin una desviación de VOUT demasiado grande ni tiempo de recuperación. Se ha omitido el circuito de sintonización desde el puerto GPIO de la FPGA a la entrada del inversor, ya que la señal de precarga actúa como una perturbación en la realimentación. El nivel se controla para que sea de 35 mV. Además, para evitar el efecto de la señal de precarga en el estado estacionario, se aplica un filtro de paso alto entre la señal de precarga y la señal OUTS.
La Figura 6 muestra una forma de onda de respuesta transitoria de carga de 1.7 A a 4.2 A. La señal de precarga se aplica a la realimentación (OUTS) antes del transitorio de carga real, mientras que se consigue un tiempo de recuperación inferior a 5 µs.
Figure 5. T8625SP con una señal de precarga alimentada en el pin OUTS para conseguir una respuesta transitoria rápida.
Figura 6. La realimentación del LT8625SP se ve afectada tanto por la señal de precarga como por el transitorio de carga, consiguiendo un rápido tiempo de recuperación.
Caída activa en circuito para transitorio de recuperación ultrarrápida
En las aplicaciones de formación de haces, la tensión de suministro cambia constantemente para adaptarse a distintos niveles de potencia. Como resultado, el requisito de precisión para la tensión de suministro suele ser del 5 % al 10 %. En esta aplicación, la estabilidad es más importante que la precisión de la tensión, ya que un tiempo de recuperación minimizado durante el transitorio de carga maximizará la eficiencia del procesamiento de datos. Un circuito de caída de tensión encaja perfectamente en esta aplicación, ya que la caída de tensión reducirá o incluso eliminará el tiempo de recuperación. La Figura 7 muestra el esquema de un circuito de estatismo activo para el LT8627SP. Se ha añadido un resistor de caída adicional entre la entrada negativa del amplificador de error (OUTS) y la salida (VC) para mantener un error de estado estacionario en el bucle de control de realimentación durante el transitorio. La tensión de caída puede expresarse como:
Figura 7. LT8627SP con un resistor de caída activa colocada entre OUTS y VC para conseguir un tiempo de recuperación transitorio rápido.
Mientras que ∆VOUT es la variación de tensión inicial causada por el transitorio de carga, ∆IOUT es la corriente transitoria de carga, y g es la ganancia de corriente del pin VC al interruptor. Al diseñar el circuito de caída mostrado en la Figura 7, deben tomarse consideraciones especiales:
- La corriente de caída no debe superar el límite de la corriente del pin VC. Para la salida del amplificador de error del LT8627SP, es conveniente limitar la corriente por debajo de 200 µA para evitar la saturación y esto se puede conseguir cambiando los valores de R7 y R8.
- La tensión de caída necesita acomodar la capacitancia de salida para que la desviación de tensión durante el transitorio esté en un nivel similar de la tensión de caída para lograr un tiempo de recuperación mínimo durante el transitorio.
La Figura 8 muestra formas de onda típicas para el circuito mencionado durante un transitorio de carga de 1 A a 16 A a 1 A. Cabe destacar que ahora la velocidad transitoria de carga de 16 A a 1 A ya no está limitada por el ancho de banda, sino por el tiempo mínimo de conexión del regulador.
Figura 8. La respuesta transitoria de caída se puede lograr para minimizar el tiempo de recuperación transitoria para LT8627SP.
Conclusión
El campo de la RF inalámbrica es cada vez más dependiente del cálculo y sensible al tiempo de respuesta transitorio debido a la naturaleza crítica en el tiempo del procesamiento de señales de alta velocidad. Los ingenieros de diseño de sistemas se enfrentan al reto de aumentar la velocidad de respuesta transitoria de la fuente de suministro para poder minimizar el tiempo de supresión. La familia Silent Switcher 3 es la nueva generación de reguladores monolíticos optimizados para soluciones transitorias de carga dinámica intensiva y sensibles al ruido en los campos inalámbrico, industrial, de defensa y de atención médica. En función de las condiciones de carga, pueden aplicarse técnicas y circuitos especiales para mejorar aún más la respuesta transitoria.