Comment obtenir une réponse transitoire ultra-rapide de l’alimentation électrique pour les applications RF

Famille Silent Switcher 3 à transitoire rapide pour les applications RF

L’une des méthodes les plus simples pour obtenir des rails de puissance transitoire rapides consiste à sélectionner des régulateurs qui présentent des performances transitoires rapides. La famille de circuits intégrés Silent Switcher 3 se caractérise par un bruit de sortie à fréquence exceptionnellement basse, une réponse transitoire rapide, de faibles émissions EMI et un rendement élevé. Il est doté d’une conception d’amplificateur d’erreur ultra-performante qui peut fournir une stabilisation supplémentaire même avec une compensation agressive. La fréquence de commutation maximale de 4 MHz permet au circuit intégré de pousser la largeur de bande de la boucle de commande jusqu’au milieu de la gamme des cent kHz dans un mode de commande du courant de crête à fréquence fixe. Les circuits intégrés Silent Switcher 3 que les concepteurs peuvent sélectionner pour obtenir des performances transitoires rapides sont énumérés dans la Table 1.

Table 1. Paramètres de la famille Silent Switcher 3.

La figure 1 montre une puissance de sortie typique de 1 V basée sur le LT8625SP pour le RFSoC 5G, qui nécessite une réponse transitoire rapide et un faible niveau d’ondulation/bruit en même temps. La charge de 1 V est constituée de circuits liés à l’émission et à la réception ainsi que d’oscillateurs locaux (LO) et d’oscillateurs commandés en tension (VCO). Les charges émises/reçues subissent un changement brusque de courant de charge dans le fonctionnement en duplex par répartition en fréquence (FDD). Dans le même temps, les LOs/VCOs voient une charge constante mais nécessitent une haute précision critique et un faible bruit. La caractéristique de bande passante élevée du LT8625SP permet aux concepteurs d’alimenter les deux groupes de charges critiques de 1 V à partir d’un seul circuit intégré en séparant la charge dynamique et la charge statique avec une deuxième inductance (L2).

La figure 2 montre la réponse de la tension de sortie avec un transitoire de charge dynamique de 4 A à 6 A. La charge dynamique se rétablit dans les 5 µs avec une tension crête à crête inférieure à 0,8 %, ce qui minimise l’effet sur le côté de la charge statique avec une tension crête à crête inférieure à 0,1 %. Ce circuit peut être modifié pour s’adapter à d’autres combinaisons de sortie, comme 0,8 V et 1,8 V, qui peuvent toutes alimenter directement la charge du RFSoC sans l’étage de régulation LDO, en raison du bruit ultraléger dans la plage des basses fréquences, de la faible ondulation de la tension et de la réponse transitoire ultrarapide.

Figure 1. Circuits d’application typiques pour le LT8625SP dans des charges RF séparées dynamiques/statiques.

Figure 2. La réponse transitoire de la charge est rapide avec une déviation minimale de V_OUT et n’affecte pas la charge statique.

En mode duplex par répartition dans le temps (TDD), les LOs/VCOs critiques en termes de bruit se chargent et se déchargent en même temps que les changements de mode d’émission/réception. Ainsi, un circuit simplifié comme celui de la figure 3 peut être utilisé car toutes les charges sont considérées comme des charges dynamiques alors qu’un post-filtrage plus critique est nécessaire pour maintenir la caractéristique de faible ondulation/faible bruit pour les LO/VCO. Un condensateur à 3 bornes en mode traversée peut être utilisé pour réaliser un post-filtrage suffisant avec un L équivalent minimisé qui maintient une bande passante rapide pour les transitoires de charge. Le condensateur de traversée ainsi que les condensateurs de sortie du côté distant forment deux autres étages de filtre LC tandis que tous les L proviennent des ESL du condensateur à 3 bornes, qui est très petit et moins nuisible au transitoire de la charge.

La figure 3 illustre également une connexion de télédétection facile pour la famille Silent Switcher 3. Grâce à la technologie unique de génération de référence et de rétroaction, il suffit de connecter par Kelvin la masse du condensateur de la broche SET (C1) et la broche OUTS au point de rétroaction à distance souhaité. Aucun circuit de décalage de niveau n’est nécessaire pour cette connexion.

La figure 4 présente une forme d’onde de réponse transitoire à une charge de 1 A avec un temps de récupération de <5 μs et une ondulation de la tension de sortie de < 1 mV.

Figure 3. Circuit d’application typique pour le LT8625SP dans des charges RF combinées dynamiques/statiques.

Figure 4. Le condensateur de traversée améliore la réponse transitoire tout en maintenant une ondulation minimale de la tension de sortie.

Les signaux de précharge pilotent la famille Silent Switcher 3 pour une réponse transitoire rapide

Dans certains cas, l’unité de traitement du signal est puissante avec suffisamment de GPIO, et le traitement du signal est bien planifié car l’événement transitoire peut être connu à l’avance. Cela se produit généralement dans certaines conceptions d’alimentation de FPGA où le signal de précharge peut être généré pour aider à alimenter la réponse transitoire de l’alimentation.

Figure 5 montre un circuit d’application typique utilisant le signal de précharge généré par le FPGA pour fournir une polarisation avant que la transition réelle de la charge ne se produise, de sorte que le LT8625SP puisse disposer de plus de temps pour s’adapter à la perturbation de la charge sans une trop grande déviation de V_OUT et un temps de récupération. Le circuit d’accord entre le GPIO du FPGA et l’entrée de l’inverseur a été omis car le signal de précharge agit comme une perturbation sur la rétroaction. Le niveau est contrôlé pour être de 35 mV. De plus, pour éviter l’effet du signal de précharge sur l’état stable, un filtre passe-haut est mis en œuvre entre le signal de précharge et les OUTS.

La figure 6 montre une forme d’onde de réponse transitoire de charge de 1,7 A à 4,2 A. Le signal de précharge est appliqué à la rétroaction (OUTS) avant le transitoire réel de la charge, alors que le temps de récupération est inférieur à 5 µs.

Figure 5. T8625SP avec un signal de précharge alimenté dans la broche OUTS pour obtenir une réponse transitoire rapide.

Figure 6. La rétroaction du LT8625SP est affectée à la fois par le signal de précharge et par le transitoire de charge, ce qui permet un temps de récupération rapide.

Un circuit d’abaissement actif pour un transitoire de récupération ultra-rapide

Dans les applications de formateur de faisceau, la tension d’alimentation change tout le temps pour s’adapter à différents niveaux de puissance. Par conséquent, l’exigence de précision de la tension d’alimentation est généralement de 5 à 10 %. Dans cette application, la stabilité est plus importante que la précision de la tension car un temps de récupération minimisé pendant le transitoire de charge maximisera l’efficacité du traitement des données. Un circuit d’abaissement s’adapte parfaitement à cette application car la tension de statisme réduira ou même éliminera le temps de récupération. La figure 7 montre le schéma d’un circuit d’abaissement actif pour le LT8627SP. Une résistance d’abaissement supplémentaire a été ajoutée entre l’entrée négative de l’amplificateur d’erreur (OUTS) et la sortie (VC) pour maintenir une erreur d’état stable dans la boucle de contrôle de rétroaction pendant le transitoire. La tension d’abaissement peut être exprimée comme suit :

Figure 7. LT8627SP avec une résistance d’abaissement active placée entre OUTS et VC pour obtenir un temps de récupération transitoire rapide.

Alors que ∆V_OUT est la variation de tension initiale causée par le transitoire de charge, ∆IOUT est le courant transitoire de charge, et g est le gain de courant de la broche VC au commutateur. Lors de la conception du circuit d’abaissement illustré à la figure 7, des considérations particulières doivent être prises en compte :

•  Le courant d’abaissement ne doit pas dépasser la limitation de courant de la broche VC. Pour la sortie de l’amplificateur d’erreur du LT8627SP, il est bon de limiter le courant à moins de 200 µA pour éviter la saturation et ceci peut être réalisé en changeant les valeurs de R7 et R8.
•  La tension d’abaissement doit s’adapter à la capacité de sortie de manière à ce que l’écart de tension pendant le transitoire soit d’un niveau similaire à la tension d’abaissement pour obtenir un temps de récupération minimal pendant le transitoire.

La figure 8 montre des formes d’onde typiques pour le circuit mentionné ci-dessus pendant un transitoire de charge de 1 A à 16 A à 1 A. Il est intéressant de noter que maintenant, la vitesse des transitoires de charge de 16 A à 1 A n’est plus limitée par la bande passante mais par le temps d’enclenchement minimum du régulateur.

Figure 8. La réponse d’abaissement transitoire peut être obtenue pour minimiser le temps de récupération transitoire pour le LT8627SP.

Conclusion

Le domaine de la RF sans fil devient de plus en plus dépendant du calcul et sensible au temps de réponse transitoire en raison de la nature critique du traitement des signaux à haute vitesse. Les ingénieurs de conception de systèmes doivent relever le défi d’augmenter la vitesse de réponse transitoire de l’alimentation afin de minimiser le temps de suppression. La famille Silent Switcher 3 est la nouvelle génération de régulateurs monolithiques optimisés pour les solutions de transitoires de charge dynamiques intenses et sensibles au bruit dans les domaines du sans fil, de l’industrie, de la défense et de la santé. En fonction des conditions de charge, des techniques et des circuits spéciaux peuvent être appliqués pour améliorer encore la réponse transitoire.