Enfoques más antiguos para convertir energía, por ejemplo reguladores lineales, pueden ser de bajo nivel sonoro, pero los requisitos de eficiencia y disipación de calor puede que requieran de algo más avanzado. En este artículo de ADI, aprenda cómo el Silent Switcher de la serie LT8614™ cuenta con supresión EFI y eficiencia alta garantizadas en aplicaciones exigentes.
Cuando la minimización de EMI es una prioridad de diseño, un regulador lineal puede ser una solución de bajo nivel sonoro, pero los requisitos de eficiencia y disipación de calor pueden impedir esa elección y apuntar a un regulador de conmutación. Incluso en aplicaciones sensibles a EMI, un regulador de conmutación es, generalmente, el primer componente activo en la potencia de entrad de líneas de autobuses, independientemente de los convertidores descendentes, afecta de manera significativa el rendimiento general de EMI de los convertidores de paso hacia abajo. Hasta ahora, no existía forma segura de garantizar que las EMI pudiesen suprimirse y que los requisitos de eficiencia pudiesen alcanzarse mediante la elección de una potencia IC. El™ regulador LT8614 Silent Switcher ahora lo hace posible.
La serie LT8614 reduce EMI más de 20 dB en comparación con los reguladores de conmutación de vanguardia y actuales. En comparación, reduce EMI 10 veces más en el rango de frecuencia superior a 30 MHz y sin comprometer los tiempos de encendido y apagado mínimos o la eficiencia en una área de placa equivalente. Lo logra sin ningún componente adicional o blindaje, lo que representa un avance significativo en el diseño de reguladores de conmutación.
Una nueva solución de problemas por EMI
La solución comprobada y verdadera de problemas por EMI es utilizar una caja de blindaje durante el circuito completo. Desde luego que esto añade costos significativos en el espacio requerido de la placa, los componentes y el montaje, y a la vez que complica la administración térmica y las pruebas. Otro método consiste en reducir los bordes de conmutación. Esto produce los efectos indeseados de reducir la eficiencia, aumentar los tiempos de encendido y apagado mínimos, sus tiempos muertos asociados, y compromete la velocidad de control de lazo de corriente potencial.
El regulador Silent Switcher de la serie LT8614 produce los efectos deseados de una caja de blindaje sin utilizar una (vea la Figura 1). La serie LT8614 cuenta con una corriente de suministro total de IQ de 2,5 µA baja consumida por el dispositivo en regulaciones sin carga, importante para sistemas siempre encendidos.
Figura 1. El Silent Switcher de la serie LT8614 minimiza las emisiones EMI/EMC mientras que ofrece una eficiencia alta en frecuencias de hasta 3 MHz.
Su caída muy baja está limitada solo por el interruptor superior interno. A diferencia de soluciones alternativas, el límite de VIN-VOUT de la serie LT8614 no está limitado por regímenes de trabajo máximos ni tiempos de apagado mínimos. El dispositivo omite sus ciclos de apagado en caída, y realiza los ciclos de apagado requeridos mínimos para mantener sostenida la tensión de la etapa de refuerzo del interruptor superior interno, como se muestra en la Figura 6.
Al mismo tiempo, la tensión de entrada de operación mínima es de solo 2,9 V típico (máximo de 3,4), lo que le permite suministrar un riel de 3,3 V con el componente en caída. En corrientes elevadas, la serie LT8614 tiene una eficiencia más alta que en componentes comparables, ya que la resistencia de conmutación total es menor.
La serie LT8614 puede sincronizarse con una frecuencia externa operando desde 200 kHz a 3 MHz. Las pérdidas de conmutación CA son bajas, por lo tanto, puede funcionar con altas frecuencias de conmutación y con pérdidas de eficiencia mínimas. En aplicaciones sensibles a EMI, como en aquellas que comúnmente se encuentran en el sector automotor, se puede alcanzar un balance bueno, y la serie LT8614 puede funcionar ya sea por debajo de la banda AM para incluso EMI más bajas o por encima de la banda AM. En una instalación con una frecuencia de conmutación funcionando a 700 kHz, una placa de demostración estándar de la serie LT8614 no excede el umbral mínimo de ruido en una medición CISPR25, Clase 5.
La Figura 2 muestra las mediciones tomadas en una cámara anecoica a una salida de 12 V, una salida de 3,3 V a 2 A con una frecuencia de conmutación fija de 700 kHz. Para comparar la tecnología del Silent Switcher de la serie LT8614 con otro regulador de conmutación de vanguardia actual, el componente se midió en comparación con la serie LT8610 (vea la Figura 3). La prueba se realizó en una celda GTEM y se utilizó la misma carga, tensión de entrada e inductor en la placa de demostración estándar para ambos componentes.
Figura 2. La placa de la serie LT8614 cumple la norma de radiaciones CISPR25 en una cámara anecoica. El umbral mínimo de ruido es igual a las emisiones radiadas de la serie LT8614.
Figura 3. Comparación de emisiones radiadas de las series LT8614 y LT8610.
Se puede observar que se logra una mejora de hasta 20 dB al utilizar la tecnología del Silent Switcher de la serie LT8614 en comparación con el ya buen rendimiento de EMI de la serie LT8610, especialmente, en el área de alta frecuencia más difícil de controlar.
En el dominio temporal, la serie LT8614 muestra un comportamiento benigno en los bordes del nodo de conmutación, como se muestra en las Figuras 4 y 5. Incluso a 4 ns/div, el regulador Silent Switcher de la serie LT8614 muestra un timbre mínimo. Por el contrario, la serie LT8610 amortigua con éxito el timbre, como se muestra en la Figura 4, pero se puede observar la mayor cantidad de energía almacenada en el bucle activo en comparación con la serie LT8614 (Figura 4).
Figura 4. Comparación de los bordes ascendentes del nodo de conmutación del Silent Switcher serie LT8614 y serie LT8610.
La FIgura 5 muestra el nodo de conmutación a una entrada de 13,2 V, y cómo la serie LT8614 alcanza una onda cuadrada casi ideal en el nodo de conmutación. Las medidas de dominio temporal en las Figuras 4, 5 y 6 se realizan con sondas Tektronix P6139A 500 MHz con conexión de protección de punta de sonda cercana al plano GND en PCB. Las placas de demostración disponibles se utilizan para ambos componentes.
Figura 5. Una forma de onda de conmutación de onda cuadrada casi ideal de la serie LT8614 permite un funcionamiento a bajo nivel sonoro.
El valor de tensión de entrada máximo absoluto de 42 V de la familia LT861x es importante para el sector industrial y automotor. Al igual de importante, especialmente en situaciones de automoción, es el comportamiento de caída. A menudo, un suministro lógico de 3,3 V crítico debe respaldarse mediante situaciones en frío. El regulador Silent Switcher de la serie LT8614 mantiene el comportamiento cercano al ideal de la familia LT861x en este caso. En lugar de tensiones de bloqueo de tensión por bajo voltaje más altas y abrazaderas de régimen de trabajo máximo de componentes alternativos, los dispositivos de las series LT8610/11/14 funcionan hasta 3,4 V y comienzan a saltarse ciclos tan pronto como sea necesario, como se muestra en la Figura 6. Esto resulta en el comportamiento en caída ideal, como se muestra en la Figura 7.
Figura 6. Comportamiento en caída del nodo de conmutación para las series LT8614 y LT8610.
Figura 7. Rendimiento en caída de la serie LT8614. Al igual que otros dispositivos de la serie LT861x, funciona hacia abajo hasta 3,4 V y comienza a saltarse ciclos tan pronto como sea necesario.
El bajo tiempo de encendido mínimo de 30 ns de la serie LT8614 permite relaciones de reducción grandes, incluso a frecuencias de conmutación altas. Como resultado, puede suministrar voltajes del núcleo lógicos con una sola reducción de entradas de hasta 42 V.
Conclusión
Es más que sabido que las consideraciones de EMI requieren de debida atención durante el diseño inicial del convertidor para superar las pruebas de EMI en la finalización del sistema. El regulador Silent Switcher de la serie LT8614 permite garantizar el éxito con una simple elección de potencia IC. La serie LT8614 reduce EMI de reguladores de conmutación de vanguardia y actuales en más de un 20 dB, incluso mientras aumenta la eficiencia de conversión. No se requiere de componentes adicionales ni de blindaje extra.
Reguladores de conmutación y EMI
El diseño de la placa de circuito impreso determina el éxito o falla de cada suministro eléctrico. Establece interferencias electromagnéticas (EMI) funcionales y comportamientos térmicos. Si bien el diseño del suministro eléctrico de conmutación no es magia negra, se puede pasar por alto en el proceso de diseño inicial. Dado que los requisitos funcionales y de EMI deben cumplirse, lo que es bueno para la estabilidad funcional de suministro de energía es también bueno para sus emisiones EMI. Debe mencionarse que un buen diseño desde el comienzo no aumenta el gasto sino que, en realidad, genera un ahorro de gastos, ya que elimina la necesidad de filtros EMI, blindaje mecánico, tiempos de prueba EMI y revisiones de placas de PC.
Existen dos tipos de emisiones EMI: conducidas y radiadas. Las emisiones conducidas viajan por los cables y líneas que se conectan a un producto. Debido a que el sonido se localiza en un conector o un terminal específico del diseño, cumplir con los requisitos de emisiones conducidas, a menudo, puede garantizase relativamente temprano durante el proceso de desarrollar un buen diseño de maquetación y de filtros.
Sin embargo, con las emisiones radiadas la historia es otra. Todo aquello que transporta corriente en el panel irradia un campo electromagnético. Toda línea en el panel es una antena, y todo plano de cobre es un espejo. Todo, excepto una tensión DC o una onda sinusoidal pura, genera un espectro de señal amplio. Incluso con un diseño cuidadoso, un diseñador nunca sabe realmente cuán malas van a ser las emisiones radiadas hasta que el sistema se prueba. Y las pruebas de emisiones radiadas no pueden realizarse formalmente hasta que el diseño está esencialmente completo.
Los filtros a menudo se utilizan para reducir EMI al atenuar la fuerza a una determinada frecuencia o en un rango de frecuencias. Una parte de esta energía que viaja a través del espacio (radiada) se atenúa al agregar láminas de metal como escudos magnéticos. El componente con frecuencia más baja que viaja en líneas de PCB (conducidas) se controla al añadir granos de ferrita y otros filtros. Las EMI no pueden eliminarse, pero pueden ser atenuadas a un nivel aceptable por otros componentes de comunicación y digitales. Además, algunas entidades reguladores hacen cumplir las normas para garantizar su cumplimiento.
Los componentes de filtros de entrada modernos en la tecnología de montaje superficial tienen mejor rendimiento que las componentes de agujeros pasantes. Sin embargo, esta mejora se ve superada por el aumento de frecuencias de conmutación en funcionamiento de los reguladores de conmutación. Una eficiencia más alta y los bajos tiempos de encendido y de apagado mínimos resultan en un contenido más armónico debido a las transiciones de conmutación más rápidas.
Por cada duplicación en la frecuencia de conmutación, la EMI empeora 6 dB mientras que todos los demás parámetros, por ejemplo, la capacidad de conmutación y los tiempos de transición, permanecen constantes. La banda ancha de EMI se comporta como un filtro de paso alto de primer orden con emisiones más altas que 20 dB si la frecuencia de conmutación aumenta en 10 veces.
Diseñadores de PCB inteligentes harán los bucles activos pequeños, y utilizarán capas de tierra de blindaje lo más cerca posible de la capa activa. Sin embargo, la distribución de terminales del dispositivo, la construcción del paquete, los requisitos de diseño térmico y los tamaños de paquetes necesarios para un almacenamiento de energía adecuado en componentes de desacoplamiento determinan el tamaño mínimo del bucle activo. Para complicar aún más las cosas, en los planos de circuito impresos planar típicos, el acoplamiento de estilo magnético o transformador entre líneas por encima de 30 MHz disminuirá todos los esfuerzos de filtro, ya que cuanto más altas sean las frecuencias, más efectivo será el acoplamiento magnético o de antena no deseado.
El posible problema por interferencia y por sonido puede agravarse cuando varios reguladores de modo de conmutación de CC/CC están en paralelo para compartir la corriente y una mayor potencia de salida. Si todos funcionan (conmutación) en una frecuencia similar, la energía combinada generada por varios reguladores en un circuito se concentra en esa frecuencia y sus armónicos. La presencia de esta energía puede convertirse en una preocupación especialmente para el resto de los CI en la placa de PC y en otras placas del sistema que están cerca unos de otros, y que son susceptibles a esta energía radiada. Esto puede ser particularmente preocupante en los sistemas de automoción que están densamente poblados, y que, a menudo, están cerca de sistemas de sonido, de RF, de bus CAN y de varios sistemas receptores.