Les approches plus anciennes de la conversion de puissance, telles que les régulateurs linéaires, peuvent être à faible bruit, mais les exigences en matière de dissipation de chaleur et d’efficacité peuvent nécessiter une solution plus avancées. Dans cet article d’ADI, découvrez comment le LT8614 Silent Switcher™ offre une suppression EFI garantie et un rendement élevé dans les applications exigeantes.
Lorsque la minimisation des EMI est une priorité de conception, un régulateur linéaire peut être une solution à faible bruit, mais les exigences en matière de dissipation thermique et d’efficacité peuvent exclure ce choix et orienter vers un régulateur de commutation. Même dans les applications sensibles aux EMI, un régulateur de commutation est généralement le premier composant actif sur la ligne de bus d’alimentation d’entrée, et indépendamment des convertisseurs en aval, il a un impact significatif sur les performances EMI globales du convertisseur. Jusqu’à présent, il n’existait aucun moyen sûr de garantir la suppression des interférences électromagnétiques et le respect des exigences en matière d’efficacité par la sélection des circuits intégrés de puissance. Cela est désormais possible grâce au régulateur LT8614 Silent Switcher™.
Le LT8614 réduit les EMI de plus de 20 dB par rapport aux régulateurs de commutation actuels de pointe. En comparaison, il réduit de 10 fois les EMI dans la plage de fréquences supérieure à 30 MHz sans compromettre les temps d’allumage et d’extinction minimums ou l’efficacité dans une surface de carte équivalente. Il accomplit cela sans composants ni blindage supplémentaires, ce qui représente une avancée significative dans la conception des régulateurs de commutation.
Une nouvelle solution aux problèmes d’EMI
La solution éprouvée aux problèmes d’interférences électromagnétiques consiste à utiliser une boîte de blindage pour l’ensemble du circuit. Bien entendu, cela ajoute des coûts importants en termes d’espace requis sur les cartes, de composants et d’assemblage, tout en compliquant la gestion thermique et les tests. Une autre méthode consiste à ralentir les fronts de commutation. Cela a pour effet indésirable de réduire le rendement, d’augmenter les temps d’activation et de désactivation minimaux, ainsi que les temps morts associés, et de compromettre la vitesse potentielle de la boucle de régulation du courant.
Le régulateur LT8614 Silent Switcher fournit les effets désirés d’une boîte blindée sans en utiliser une. (voir la figure 1). Le LT8614 présente un faible IQ de 2,5 µA de courant d’alimentation total consommé par le dispositif, en régulation sans charge, ce qui est important pour les systèmes toujours actifs.
Figure 1. Le LT8614 Silent Switcher minimise les émissions EMI/EMC tout en offrant un rendement élevé à des fréquences allant jusqu’à 3 MHz.
Son décrochage ultraléger n’est limité que par le commutateur supérieur interne. Contrairement aux solutions alternatives, la limite VIN-VOUT du LT8614 n’est pas limitée par un cycle d’utilisation maximum et des temps d’arrêt minimum. Le dispositif saute ses cycles d’extinction en cas de chute et n’effectue que le minimum de cycles d’extinction requis pour maintenir la tension de l’étage d’amplification de l’interrupteur supérieur interne, comme le montre la figure 6.
En même temps, la tension d’entrée minimale de fonctionnement n’est que de 2,9 V typiquement (3,4 V maximum), ce qui lui permet d’alimenter un rail de 3,3 V avec la partie en chute. À des courants élevés, le LT8614 a un rendement plus élevé que les pièces comparables car la résistance totale du commutateur est plus faible.
Le LT8614 peut être synchronisé à une fréquence externe fonctionnant de 200 kHz à 3 MHz. Les pertes de commutation en courant alternatif sont faibles, de sorte qu’il peut être utilisé à des fréquences de commutation élevées avec une perte d’efficacité minimale. Dans les applications sensibles aux interférences électromagnétiques, comme celles que l’on trouve dans de nombreux environnements automobiles, un bon équilibre peut être atteint et le LT8614 peut fonctionner soit en dessous de la bande AM pour des interférences électromagnétiques encore plus faibles, soit au-dessus de la bande AM. Dans une configuration avec une fréquence de commutation de 700 kHz, la carte de démonstration standard LT8614 ne dépasse pas le plancher de bruit dans une mesure CISPR25, classe 5.
La figure 2 montre les mesures prises dans une chambre anéchoïque à une entrée de 12 V, une sortie de 3,3 V à 2 A avec une fréquence de commutation fixe de 700 kHz. Pour comparer la technologie Silent Switcher du LT8614 à un autre régulateur de commutation de pointe actuel, la pièce a été mesurée par rapport au LT8610 (voir figure 3). Le test a été effectué dans une cellule GTEM en utilisant la même charge, la même tension d’entrée et la même inductance sur les cartes de démonstration standard des deux pièces.
Figure 2. La carte LT8614 répond à la norme CISPR25 sur les rayonnements dans une chambre anéchoïque. Le plancher de bruit est égal aux émissions rayonnées du LT8614.
Figure 3. Comparaison des émissions rayonnées pour le LT8614 et le LT8610.
On peut constater que la technologie Silent Switcher du LT8614 permet d’obtenir jusqu’à 20 dB d’amélioration par rapport aux performances EMI déjà très bonnes du LT8610, notamment dans la zone haute fréquence, plus difficile à gérer.
Dans le domaine temporel, le LT8614 présente un comportement bénin sur les bords du nœud de commutation, comme le montrent les figures 4 et 5. Même à 4 ns/div, le régulateur LT8614 Silent Switcher présente un tintement minimal. En revanche, le LT8610 réussit à amortir la sonnerie comme le montre la figure 4, mais on peut voir l’énergie plus élevée stockée dans la boucle chaude par rapport au LT8614 (Figure 4).
Figure 4. Comparaison des fronts montants des nœuds de commutation pour le LT8614 Silent Switcher et le LT8610.
La figure 5 montre le nœud de commutation à une entrée de 13,2 V, et comment le LT8614 réalise une onde carrée presque idéale au nœud de commutation. Toutes les mesures dans le domaine temporel des figures 4, 5 et 6 sont effectuées avec des sondes Tektronix P6139A de 500 MHz avec une connexion étroite du blindage de la pointe de la sonde au plan GND du PCB. Des cartes de démonstration prêtes à l’emploi sont utilisées pour les deux parties.
Figure 5. La forme d’onde de commutation carrée presque idéale du LT8614 permet un fonctionnement à faible bruit.
La tension d’entrée nominale maximale de 42 V de la famille LT861x est importante pour les environnements automobiles et industriels. Le comportement du décrocheur est tout aussi important, surtout dans le domaine automobile. Souvent, les alimentations logiques critiques de 3,3 V doivent être supportées dans des situations de démarrage à froid. Le régulateur LT8614 Silent Switcher conserve le comportement proche de l’idéal de la famille LT861x dans ce cas. Au lieu des tensions de verrouillage à minimum de tension plus élevées et des pinces de cycle de service maximum des pièces alternatives, les dispositifs LT8610/11/14 fonctionnent jusqu’à 3,4 V et commencent à sauter des cycles d’arrêt dès que nécessaire, comme indiqué dans la figure 6. Il en résulte un comportement idéal de décrochage, comme le montre la figure 7.
Figure 6. Comportement de décrochage du nœud de commutation pour le LT8614 et le LT8610.
Figure 7. Performances du LT8614 en termes de perte de charge. Comme les autres dispositifs LT861x, il fonctionne jusqu’à 3,4 V et commence à sauter des cycles d’arrêt dès que nécessaire.
Le faible temps d’enclenchement minimum de 30 ns du LT8614 permet d’obtenir de grands rapports d’abaissement même à des fréquences de commutation élevées. Par conséquent, il peut fournir des tensions de noyau logique avec un seul step-down à partir d’entrées allant jusqu’à 42 V.
Conclusion
Il est bien connu que les considérations EMI nécessitent une attention particulière lors de la conception initiale du convertisseur afin de passer les tests EMI à la fin du système. Le régulateur LT8614 Silent Switcher permet d’assurer le succès avec une simple sélection de CI de puissance. Le LT8614 réduit les interférences électromagnétiques des régulateurs de commutation de pointe actuels de plus de 20 dB, même s’il augmente les rendements de conversion ; aucun composant supplémentaire ou blindage supplémentaire n’est nécessaire.
Régulateurs de commutation et EMI
La disposition des cartes de circuits imprimés détermine le succès ou l’échec de chaque alimentation. Elle définit le comportement fonctionnel, les interférences électromagnétiques (EMI) et le comportement thermique. Si la disposition des alimentations à commutation n’est pas un art méconnu, elle peut souvent être négligée lors du processus de conception initial. Étant donné que les exigences fonctionnelles et EMI doivent être respectées, ce qui est bon pour la stabilité fonctionnelle de l’alimentation est généralement aussi bon pour ses émissions EMI. Il convient de noter qu’une bonne disposition dès le départ n’ajoute pas de coût, et peut même permettre de réaliser des économies, en éliminant le besoin de filtres EMI, de blindage mécanique, de temps de test EMI et de révisions de cartes PC.
Il existe deux types d’émissions EMI : conduites et rayonnées. Les émissions par conduction se déplacent sur les fils et les traces qui se connectent à un produit. Étant donné que le bruit est localisé à une borne ou un connecteur spécifique dans la conception, la conformité aux exigences en matière d’émissions conduites peut souvent être assurée relativement tôt dans le processus de développement avec une bonne conception de la disposition et du filtre.
Les émissions rayonnées, cependant, sont une autre histoire. Tout ce qui se trouve sur le tableau et qui transporte du courant émet un champ électromagnétique. Chaque trace sur la carte est une antenne, et chaque plan de cuivre est un miroir. Tout ce qui n’est pas une onde sinusoïdale pure ou une tension continue génère un large spectre de signaux. Même avec une conception soignée, un concepteur ne sait jamais vraiment à quel point les émissions rayonnées vont être mauvaises jusqu’à ce que le système soit testé. Et les tests d’émissions rayonnées ne peuvent pas être officiellement effectués avant que la conception ne soit essentiellement terminée.
Les filtres sont souvent utilisés pour réduire les EMI en atténuant l’intensité à une certaine fréquence ou sur une gamme de fréquences. Une partie de cette énergie qui se déplace dans l’espace (rayonnée) est atténuée par l’ajout de tôles comme boucliers magnétiques. La partie fréquence inférieure qui se déplace sur les traces du PCB (conduite) est domptée par l’ajout de perles de ferrite et d’autres filtres. Les EMI ne peuvent pas être éliminées, mais peuvent être atténuées à un niveau acceptable par les autres composants de communication et numériques. En outre, plusieurs organismes de réglementation appliquent des normes pour garantir la conformité.
Les composants modernes de filtre d’entrée en technologie de montage en surface ont de meilleures performances que les pièces à trous traversants. Néanmoins, cette amélioration est dépassée par l’augmentation des fréquences de commutation de fonctionnement des régulateurs de commutation. Un rendement plus élevé, de faibles temps d’activation et de désactivation minimaux entraînent un contenu harmonique plus élevé en raison des transitions de commutation plus rapides.
Pour chaque doublement de la fréquence de commutation, l’EMI empire de 6 dB alors que tous les autres paramètres, tels que la capacité de commutation et les temps de transition, restent constants. Les EMI à large bande se comportent comme un passe-haut de premier ordre avec des émissions plus élevées de 20 dB si la fréquence de commutation augmente de 10 fois.
Les concepteurs de PCB avisés feront en sorte que les boucles chaudes soient petites et utiliseront des couches de masse de blindage aussi proches que possible de la couche active. Néanmoins, les brochages des dispositifs, la construction des boîtiers, les exigences de conception thermique et les tailles de boîtiers nécessaires pour un stockage d’énergie adéquat dans les composants de découplage dictent une taille minimale de boucle chaude. Pour compliquer encore les choses, dans les cartes de circuits imprimés planaires typiques, le couplage magnétique ou de type transformateur entre les traces au-dessus de 30 MHz diminuera tous les efforts de filtrage puisque plus les fréquences sont élevées, plus le couplage magnétique ou d’antenne indésirable devient efficace.
Le problème potentiel d’interférence et de bruit peut être exacerbé lorsque plusieurs régulateurs à découpage CC/CC sont mis en parallèle pour le partage du courant et une puissance de sortie plus élevée. Si tous fonctionnent (commutent) à une fréquence similaire, l’énergie combinée générée par plusieurs régulateurs dans un circuit est concentrée à cette fréquence et à ses harmoniques. La présence de cette énergie peut devenir une préoccupation, notamment pour le reste des circuits intégrés sur la carte PC et les autres cartes système proches les unes des autres et sensibles à cette énergie rayonnée. Cela peut être particulièrement troublant dans les systèmes automobiles qui sont densément peuplés et se trouvent souvent à proximité de systèmes audio, RF, bus CAN et divers systèmes de réception.